基于視覺技術(shù)的太陽視位置檢測裝置的研究

郝慧芬　郝巧梅　王慧　杜瑞

摘 要：該文主要研究一種基于視覺技術(shù)的太陽視位置檢測裝置，它利用太陽照射物體形成影子圖像，工業(yè)相機對該圖像進行采集，經(jīng)Matlab分析處理，獲取影子的尺寸和位置，從而獲取太陽的高度角和方位角，以此得到太陽的視位置。

關(guān)鍵詞：視覺技術(shù)；太陽視位置；檢測裝置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.240

1 引言

隨著能源消耗日益加劇，環(huán)境急劇惡化，新能源開發(fā)的需求日益迫切，其中太陽能作為一種新興能源正在被廣泛開發(fā)和利用。但絕大部分太陽能產(chǎn)品都存在著太陽能利用率低的問題，主要由于地球自轉(zhuǎn)引起太陽的光照角度時時刻刻發(fā)生變化。因此，能夠時時獲取太陽位置，有助于后續(xù)對太陽的自動跟蹤，最大限度的獲取太陽能。目前，太陽運行軌跡跟蹤控制系統(tǒng)類型主要分為兩種方式：光電傳感式太陽跟蹤控制系統(tǒng)和視日運動軌跡跟蹤控制系統(tǒng)[1]，這兩種方式獲取的太陽位置都比較精準(zhǔn)，在對日跟蹤上起到了顯著的效果，但同時也存在著各自的弊端，基于視覺技術(shù)的太陽視位置采集裝置的工作原理是借助視覺技術(shù)代替人眼來獲取太陽視位置，結(jié)構(gòu)簡單，并可以準(zhǔn)確、快速地獲得太陽視位置信息，為日后對太陽的精準(zhǔn)跟蹤開創(chuàng)了一種新方式。

2 檢測裝置的總體設(shè)計

本文主要介紹的是一種基于視覺技術(shù)的太陽視位置檢測裝置，該裝置主要由圖像采集模塊、圖像處理和輸出模塊兩部分組成，其基本機構(gòu)如圖1所示[2]。

2.1 圖像采集模塊

圖像采集模塊作為檢測裝置的重要部分，主要用來時時采集影子圖像，是準(zhǔn)確獲取太陽視位置的基礎(chǔ)。

2.1.1 太陽視位置

太陽視位置是指從地面上人眼看到的太陽位置[3]，它與天文意義上的實際太陽位置不同，是用太陽高度角和方位角作為坐標(biāo)表示的太陽位置。

所謂太陽高度角是指太陽直射光線與地平面間的夾角（見圖2中 Hs）；太陽方位角是指太陽直射光線在地平面上的投影線與地平面正南向所夾的角（見圖2中As），通常以南點S為0°，向西為正值，向東為負(fù)值[4，5]，可近似地看作是豎立在地面上的直桿在陽光下的陰影與正南方的夾角。

2.1.2 圖像采集模塊的機構(gòu)和布局

機構(gòu)和布局的設(shè)計方案直接影響著圖像采集模塊的穩(wěn)定性與可行性[6]。因此，一方面要求結(jié)構(gòu)設(shè)計要合理，另一方面布局要滿足工作環(huán)境的需求，其次整體設(shè)計還要保證采集到的圖像清晰便于后續(xù)處理和分析。

（1）機構(gòu)設(shè)計。圖像采集模塊的機構(gòu)簡圖如圖3所示，該機構(gòu)的設(shè)計難點主要是待測目標(biāo)和地平坐標(biāo)平臺。

首先，要選擇一個尺寸合理不透明直桿作為待測目標(biāo)，直桿尺寸要能滿足設(shè)定的地平坐標(biāo)系平臺和攝像系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，使拍攝到的直桿投影完整清晰不失真。

其次，設(shè)計一個地平坐標(biāo)平臺，通過改變機構(gòu)整體放置方位和調(diào)節(jié)支撐的高低，使該平臺坐標(biāo)滿足測試地點的地平坐標(biāo)系。

（2）布局設(shè)計。圖像采集模塊的布局直接影響著機構(gòu)性能的穩(wěn)定性和可行性，布局不當(dāng)將導(dǎo)致影子圖像受影響甚至無法采集到影子圖像，也會增加影子輪廓提取的難度和運算時間，使獲得的太陽視位置不準(zhǔn)確。因此，在布局設(shè)計上需要考慮場地布局和采集板坐標(biāo)系的布局。1）場地布局設(shè)計。太陽升起與落下的方位每天都在變化，每年春分到秋風(fēng)日，是從東北升起西北落下；從秋分日到次年的春風(fēng)日，太陽則是從東南升起，西南落下；春分日和日秋分，這兩天太陽是正東升，正西落。因此，圖像采集場地應(yīng)當(dāng)選擇在北回歸線以北，太陽照射充足的地方。另外，要求場地四周應(yīng)當(dāng)無障礙物、無反射陽光強的物體。 2）采集板坐標(biāo)系布局設(shè)計。采集板坐標(biāo)系是用來放置直桿獲取影子圖像的，它的布局設(shè)計直接影響影子的提取和太陽視位置的算法。本次研究過程中先后設(shè)計了三種類型的坐標(biāo)系，如圖4所示。通過對三種坐標(biāo)系下影子圖像的處理，發(fā)現(xiàn)前兩種坐標(biāo)系下影子圖像的提取比較困難，前期所需處理的算法比較多，最終提取的影子圖像效果不好。相對于前兩種，坐標(biāo)系3效果明顯較好，減少了假邊緣點的產(chǎn)生，提高了提取圖像邊緣的速度，圖像前期處理步驟少，縮短了算法的執(zhí)行時間，提高了算法的運行效率，使獲得的太陽視位置更加精準(zhǔn)。

2.2 圖像處理和輸出模塊

2.2.1 圖像處理模塊

圖像處理模塊包括圖像處理、圖像分析和視位置算法三部分。

（1）圖像處理。視覺系統(tǒng)采集的圖像，在形成、傳輸、接收和處理的整個過程中，由于受到噪聲和圖像特征衰減等方面的影響，會降低圖像的質(zhì)量。因此，對圖像進行分析之前，必須先對圖像進行處理，以便為后續(xù)圖像分析處理等高層操作提供基礎(chǔ)[7]。采集到的影子圖像如圖5（a）所示，處于倒置狀態(tài)，不利于獲取影子坐標(biāo)系，因此在處理前應(yīng)當(dāng)將圖像翻轉(zhuǎn)，如圖5（b）。另外，由于受某些因素的影響，采集到的影子圖像存在噪聲，背景不均勻，而且采集到的圖像是灰度圖影子輪廓，邊緣與背景有些模糊，使圖像輪廓不清楚，為后續(xù)提取影子邊緣點制造了極大的困難。綜合以上情況，經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)閥值法能將圖像中要提取的物體和背景準(zhǔn)確分割，如圖5（c）。而且經(jīng)過圖像分割后，圖像變成二值圖像，圖像輪廓提取分析就變得非常簡單[8]。

（2）圖像分析。圖像分析主要針對圖像輪廓的提取和分析，包括：坐標(biāo)的提取分析和影子輪廓的提取分析。

坐標(biāo)的提取分析。坐標(biāo)的提取分析主要是為了確定圖像的東西方向和標(biāo)準(zhǔn)長度，以及標(biāo)示出影子圖像的位置。坐標(biāo)輪廓提取和分析的步驟如下：

1）對坐標(biāo)系左右兩個方格的四個坐標(biāo)位置（左方格的左上方坐標(biāo)和右下方坐標(biāo)、右方格的右上方坐標(biāo)和左下方坐標(biāo)）進行初始化；

2）通過雙重循環(huán)逐行逐列的掃描搜索獲取四個坐標(biāo)位置的真實坐標(biāo)值；

3）根據(jù)四坐標(biāo)值設(shè)計算法，通過兩方格綜合對角線長度，計算方格邊長，即標(biāo)準(zhǔn)長度的像素值；

4）依據(jù)兩個左上角或者右上角坐標(biāo)構(gòu)成的向量確定圖像的東西方向；

5）獲取四個坐標(biāo)位置中最下方的坐標(biāo)點，標(biāo)示出影子圖像所在區(qū)域在此坐標(biāo)下方，為后續(xù)影子圖像的提取分析節(jié)省搜索時間。

影子圖像的提取分析。影子圖像的提取分析主要是獲取影子像素長度，實驗采用的直桿在圖像中形成的影子，如圖6所示， 在太陽照射時直桿兩端的影子會出現(xiàn)圓弧，因此，要想準(zhǔn)確獲取影子像素長度，需要找出影子圖像兩端中心位置的邊緣點。具體步驟如下：

1）對影子圖像左上、左下、右上、右下四個邊緣點坐標(biāo)進行初始化；

2）通過逐行逐列的掃描搜索影子所在區(qū)域，獲取四個坐標(biāo)位置的真實坐標(biāo)值；

3）計算左上和右上、左下和右下兩兩距離，求均值作為上下端的邊緣點；

4）兩邊緣點之間的向量是影子的方向，兩點之間的距離是影子的像素長度。

3）視位置算法。經(jīng)過圖像處理和圖像分析后，可得到東西方向向量、影子方向向量、標(biāo)準(zhǔn)長度的像素值和影子的像素長度值。直桿的長度和坐標(biāo)標(biāo)定單位長度是初期設(shè)計參數(shù)，可由GUI程序界面直接輸入。

影子與東西方向的夾角為：

（1）

影子的實際長度為：

（2）

因此，太陽方位角為：

（3）

太陽高度角為：

（4）

2.2.2 圖像輸出模塊

本次實驗采用GUI程序界面顯示圖像輸出結(jié)果（見圖7），該界面實現(xiàn)了采集圖像的調(diào)入和參數(shù)的輸入和調(diào)試，并通過程序?qū)崿F(xiàn)了圖像的處理和數(shù)據(jù)的輸出，完成了太陽視位置的檢測和數(shù)據(jù)的輸出，大大的提升了實驗效果的可行性和準(zhǔn)確性[7]。

3 結(jié)論

本文研究的基于視覺技術(shù)的太陽視位置采集裝置，是一種準(zhǔn)確獲取太陽視位置的新方式，裝置結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，采集原理可行性高，影子圖像輪廓易于提取，圖像前期處理所需步驟少，獲取的太陽視位置算法精度高，運行時間段，效率高。

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基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究項目（NJZC13376）

作者簡介：郝慧芬（1983-），女，呼和浩特人，碩士研究生，講師，主要從事視覺技術(shù)研究。