基于視覺(jué)技術(shù)的太陽(yáng)視位置檢測(cè)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(jué)技術(shù)的太陽(yáng)視位置檢測(cè)裝置，它利用太陽(yáng)照射物體形成影子圖像，工業(yè)相機(jī)對(duì)該圖像進(jìn)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(yáng)的高度角和方位角，以此得到太陽(yáng)的視位置。

關(guān)鍵詞：視覺(jué)技術(shù)；太陽(yáng)視位置；檢測(cè)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(kāi)發(fā)的需求日益迫切，其中太陽(yáng)能作為一種新興能源正在被廣泛開(kāi)發(fā)和利用。但絕大部分太陽(yáng)能產(chǎn)品都存在著太陽(yáng)能利用率低的問(wèn)題，主要由于地球自轉(zhuǎn)引起太陽(yáng)的光照角度時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生變化。因此，能夠時(shí)時(shí)獲取太陽(yáng)位置，有助于后續(xù)對(duì)太陽(yáng)的自動(dòng)跟蹤，最大限度的獲取太陽(yáng)能。目前，太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤控制系統(tǒng)類(lèi)型主要分為兩種方式：光電傳感式太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制系統(tǒng)[1]，這兩種方式獲取的太陽(yáng)位置都比較精準(zhǔn)，在對(duì)日跟蹤上起到了顯著的效果，但同時(shí)也存在著各自的弊端，基于視覺(jué)技術(shù)的太陽(yáng)視位置采集裝置的工作原理是借助視覺(jué)技術(shù)代替人眼來(lái)獲取太陽(yáng)視位置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并可以準(zhǔn)確、快速地獲得太陽(yáng)視位置信息，為日后對(duì)太陽(yáng)的精準(zhǔn)跟蹤開(kāi)創(chuàng)了一種新方式。

2 檢測(cè)裝置的總體設(shè)計(jì)

本文主要介紹的是一種基于視覺(jué)技術(shù)的太陽(yáng)視位置檢測(cè)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(jī)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(cè)裝置的重要部分，主要用來(lái)時(shí)時(shí)采集影子圖像，是準(zhǔn)確獲取太陽(yáng)視位置的基礎(chǔ)。

2.1.1 太陽(yáng)視位置

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

所謂太陽(yáng)高度角是指太陽(yáng)直射光線與地平面間的夾角（見(jiàn)圖2中 Hs）；太陽(yáng)方位角是指太陽(yáng)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(jiàn)圖2中As），通常以南點(diǎn)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(yáng)光下的陰影與正南方的夾角。

2.1.2 圖像采集模塊的機(jī)構(gòu)和布局

機(jī)構(gòu)和布局的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)還要保證采集到的圖像清晰便于后續(xù)處理和分析。

（1）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖像采集模塊的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示，該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要是待測(cè)目標(biāo)和地平坐標(biāo)平臺(tái)。

首先，要選擇一個(gè)尺寸合理不透明直桿作為待測(cè)目標(biāo)，直桿尺寸要能滿足設(shè)定的地平坐標(biāo)系平臺(tái)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(jì)一個(gè)地平坐標(biāo)平臺(tái)，通過(guò)改變機(jī)構(gòu)整體放置方位和調(diào)節(jié)支撐的高低，使該平臺(tái)坐標(biāo)滿足測(cè)試地點(diǎn)的地平坐標(biāo)系。

（2）布局設(shè)計(jì)。圖像采集模塊的布局直接影響著機(jī)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(wú)法采集到影子圖像，也會(huì)增加影子輪廓提取的難度和運(yùn)算時(shí)間，使獲得的太陽(yáng)視位置不準(zhǔn)確。因此，在布局設(shè)計(jì)上需要考慮場(chǎng)地布局和采集板坐標(biāo)系的布局。1）場(chǎng)地布局設(shè)計(jì)。太陽(yáng)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(yáng)則是從東南升起，西南落下；春分日和日秋分，這兩天太陽(yáng)是正東升，正西落。因此，圖像采集場(chǎng)地應(yīng)當(dāng)選擇在北回歸線以北，太陽(yáng)照射充足的地方。另外，要求場(chǎng)地四周應(yīng)當(dāng)無(wú)障礙物、無(wú)反射陽(yáng)光強(qiáng)的物體。 2）采集板坐標(biāo)系布局設(shè)計(jì)。采集板坐標(biāo)系是用來(lái)放置直桿獲取影子圖像的，它的布局設(shè)計(jì)直接影響影子的提取和太陽(yáng)視位置的算法。本次研究過(guò)程中先后設(shè)計(jì)了三種類(lèi)型的坐標(biāo)系，如圖4所示。通過(guò)對(duì)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(duì)于前兩種，坐標(biāo)系3效果明顯較好，減少了假邊緣點(diǎn)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(shí)間，提高了算法的運(yùn)行效率，使獲得的太陽(yáng)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(jué)系統(tǒng)采集的圖像，在形成、傳輸、接收和處理的整個(gè)過(guò)程中，由于受到噪聲和圖像特征衰減等方面的影響，會(huì)降低圖像的質(zhì)量。因此，對(duì)圖像進(jìn)行分析之前，必須先對(duì)圖像進(jìn)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(diǎn)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(guò)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(jiǎn)單[8]。

（2）圖像分析。圖像分析主要針對(duì)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(zhǎng)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(duì)坐標(biāo)系左右兩個(gè)方格的四個(gè)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(jìn)行初始化；

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

3）根據(jù)四坐標(biāo)值設(shè)計(jì)算法，通過(guò)兩方格綜合對(duì)角線長(zhǎng)度，計(jì)算方格邊長(zhǎng)，即標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的像素值；

4）依據(jù)兩個(gè)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(gè)坐標(biāo)位置中最下方的坐標(biāo)點(diǎn)，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(shí)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(zhǎng)度，實(shí)驗(yàn)采用的直桿在圖像中形成的影子，如圖6所示， 在太陽(yáng)照射時(shí)直桿兩端的影子會(huì)出現(xiàn)圓弧，因此，要想準(zhǔn)確獲取影子像素長(zhǎng)度，需要找出影子圖像兩端中心位置的邊緣點(diǎn)。具體步驟如下：

1）對(duì)影子圖像左上、左下、右上、右下四個(gè)邊緣點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行初始化；

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

3）計(jì)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(diǎn)；

4）兩邊緣點(diǎn)之間的向量是影子的方向，兩點(diǎn)之間的距離是影子的像素長(zhǎng)度。

3）視位置算法。經(jīng)過(guò)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(zhǎng)度的像素值和影子的像素長(zhǎng)度值。直桿的長(zhǎng)度和坐標(biāo)標(biāo)定單位長(zhǎng)度是初期設(shè)計(jì)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(shí)際長(zhǎng)度為：

（2）

因此，太陽(yáng)方位角為：

（3）

太陽(yáng)高度角為：

（4）

2.2.2 圖像輸出模塊

本次實(shí)驗(yàn)采用GUI程序界面顯示圖像輸出結(jié)果（見(jiàn)圖7），該界面實(shí)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(guò)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(yáng)視位置的檢測(cè)和數(shù)據(jù)的輸出，大大的提升了實(shí)驗(yàn)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(jué)技術(shù)的太陽(yáng)視位置采集裝置，是一種準(zhǔn)確獲取太陽(yáng)視位置的新方式，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yáng)視位置算法精度高，運(yùn)行時(shí)間段，效率高。

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

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