基于視覺技術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，工業相機對該圖像進行采集，經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。

關鍵詞：視覺技術；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，環境急劇惡化，新能源開發的需求日益迫切，其中太陽能作為一種新興能源正在被廣泛開發和利用。但絕大部分太陽能產品都存在著太陽能利用率低的問題，主要由于地球自轉引起太陽的光照角度時時刻刻發生變化。因此，能夠時時獲取太陽位置，有助于后續對太陽的自動跟蹤，最大限度的獲取太陽能。目前，太陽運行軌跡跟蹤控制系統類型主要分為兩種方式：光電傳感式太陽跟蹤控制系統和視日運動軌跡跟蹤控制系統[1]，這兩種方式獲取的太陽位置都比較精準，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，基于視覺技術的太陽視位置采集裝置的工作原理是借助視覺技術代替人眼來獲取太陽視位置，結構簡單，并可以準確、快速地獲得太陽視位置信息，為日后對太陽的精準跟蹤開創了一種新方式。

2 檢測裝置的總體設計

本文主要介紹的是一種基于視覺技術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，是準確獲取太陽視位置的基礎。

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和布局

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

（1）機構設計。圖像采集模塊的機構簡圖如圖3所示，該機構的設計難點主要是待測目標和地平坐標平臺。

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

其次，設計一個地平坐標平臺，通過改變機構整體放置方位和調節支撐的高低，使該平臺坐標滿足測試地點的地平坐標系。

（2）布局設計。圖像采集模塊的布局直接影響著機構性能的穩定性和可行性，布局不當將導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確。因此，在布局設計上需要考慮場地布局和采集板坐標系的布局。1）場地布局設計。太陽升起與落下的方位每天都在變化，每年春分到秋風日，是從東北升起西北落下；從秋分日到次年的春風日，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，圖像采集場地應當選擇在北回歸線以北，太陽照射充足的地方。另外，要求場地四周應當無障礙物、無反射陽光強的物體。 2）采集板坐標系布局設計。采集板坐標系是用來放置直桿獲取影子圖像的，它的布局設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計了三種類型的坐標系，如圖4所示。通過對三種坐標系下影子圖像的處理，發現前兩種坐標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，坐標系3效果明顯較好，減少了假邊緣點的產生，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。

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，以便為后續圖像分析處理等高層操作提供基礎[7]。采集到的影子圖像如圖5（a）所示，處于倒置狀態，不利于獲取影子坐標系，因此在處理前應當將圖像翻轉，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，為后續提取影子邊緣點制造了極大的困難。綜合以上情況，經研究分析發現閥值法能將圖像中要提取的物體和背景準確分割，如圖5（c）。而且經過圖像分割后，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：坐標的提取分析和影子輪廓的提取分析。

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

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

2）通過雙重循環逐行逐列的掃描搜索獲取四個坐標位置的真實坐標值；

3）根據四坐標值設計算法，通過兩方格綜合對角線長度，計算方格邊長，即標準長度的像素值；

4）依據兩個左上角或者右上角坐標構成的向量確定圖像的東西方向；

5）獲取四個坐標位置中最下方的坐標點，標示出影子圖像所在區域在此坐標下方，為后續影子圖像的提取分析節省搜索時間。

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圓弧，因此，要想準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進行初始化；

2）通過逐行逐列的掃描搜索影子所在區域，獲取四個坐標位置的真實坐標值；

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、標準長度的像素值和影子的像素長度值。直桿的長度和坐標標定單位長度是初期設計參數，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果（見圖7），該界面實現了采集圖像的調入和參數的輸入和調試，并通過程序實現了圖像的處理和數據的輸出，完成了太陽視位置的檢測和數據的輸出，大大的提升了實驗效果的可行性和準確性[7]。

3 結論

本文研究的基于視覺技術的太陽視位置采集裝置，是一種準確獲取太陽視位置的新方式，裝置結構簡單，性能穩定，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。

參考文獻：

[1]王東江，劉亞軍.太陽自動跟蹤控制系統的設計[J].數字技術與應用，2010（07）：19-25.

[2]高飛.基于機器視覺技術測量軸類零件尺寸的研究[D].吉林大學，2007.

[3]張菲菲.關于日出日落方位的淺析[J].城市地理，2015：76.

[4]金衛東.揭開太陽方位角的神秘面紗[J].求學，2015（05）：53-54.

[5]王國安，米鴻濤，鄧天宏等.太陽高度角和日出日落時刻太陽方位角一年變化范圍的計算[J].氣象與環境科學，2007（30）：161-164.

[6]賈冰慧.基于機器視覺的刀具狀態在機檢測關鍵技術研究[D].華南理工大學，2014.

[7]李平陽.基于圖像處理的太陽質心位置檢測算法研究[D].太陽科技大學，2013.

[8]徐平，邵定宏，魏楹等.最佳閥值分割和輪廓提取技術及其應用[J].計算機工程與設計，2009，30（02）：437-439.

基金項目：內蒙古自治區高等學校科學研究項目（NJZC13376）

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