基于VC的太陽光斑圖像識(shí)別跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫雷+孫慶蘇

摘 要：塔式太陽能聚光發(fā)電系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)用中由于天氣、溫度和鏡子的執(zhí)行傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等因素產(chǎn)生誤差，太陽光不一定能夠按照理想的情況反射到聚光位置。為使定日鏡能夠準(zhǔn)確跟蹤太陽和反射太陽熱能，提出一種基于VC的太陽光斑圖像識(shí)別跟蹤系統(tǒng)，使用視頻捕捉和圖像處理技術(shù)，獲取太陽光斑的誤差偏移距離，并將這個(gè)修正數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給控制系統(tǒng)。根據(jù)定日鏡自動(dòng)跟蹤太陽軌跡、反射光斑并進(jìn)行圖像修正的試驗(yàn)，結(jié)果顯示能夠計(jì)算確定圖像中光斑的位置，獲取實(shí)際偏差，并且在監(jiān)視器上清晰看見每面定日鏡的輪廓及其反射的光斑。系統(tǒng)采用圖像匹配算法，具有精度高等特點(diǎn)，能夠有效實(shí)現(xiàn)太陽光斑的識(shí)別與跟蹤。

關(guān)鍵詞：太陽光斑；識(shí)別；跟蹤；定日鏡場(chǎng)； VC

DOIDOI：10.11907/rjdk.172320

中圖分類號(hào)：TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）002-0205-03

0 引言

太陽能是最豐富、持久的能源，但因能量密度低，使其被提取需要聚光，目前主要的太陽能聚光發(fā)電系統(tǒng)有塔式、槽式，其中，塔式是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中具有吸引力的一種方式[1]。

由于太陽東升西落，定日鏡場(chǎng)中的每一面鏡子也必須由東向西，同時(shí)由下而上、再由上而下運(yùn)動(dòng)，才能保證每一面鏡子對(duì)陽光的反射聚集到塔上的吸熱器上。根據(jù)每一面鏡子與吸熱器的相對(duì)位置、時(shí)間、地點(diǎn)等，可以計(jì)算出每一面鏡子在任何時(shí)刻的方位角和仰角[2]，但是，由于大氣折射、機(jī)械誤差、熱脹冷縮、材料老化等原因，將引起反射的偏差，影響發(fā)電效率。

圖像識(shí)別系統(tǒng)可作為控制系統(tǒng)的負(fù)反饋，及時(shí)調(diào)整每一面鏡子的方位角和仰角，使每一面鏡子對(duì)陽光的反射永遠(yuǎn)對(duì)準(zhǔn)吸熱器，提高發(fā)電效率。具體方法是安裝高清晰攝像頭，實(shí)時(shí)采集定日鏡反射的圖片，進(jìn)行圖像識(shí)別，找出圖像中的太陽光斑（即太陽的位置）與標(biāo)準(zhǔn)圖片進(jìn)行比對(duì)，如果所拍攝光斑X、Y向偏差與標(biāo)準(zhǔn)太陽光斑位置偏離，發(fā)出修正信息對(duì)鏡子設(shè)定值進(jìn)行修正[3]，同時(shí)記錄或報(bào)警。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

在太陽能熱發(fā)電電站中，定日鏡的作用是收集太陽輻射能并將其匯聚到吸熱器處，它由按一定方式排列的可繞雙軸跟蹤的定日鏡組成，每個(gè)定日鏡通過繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤太陽，并將輻射到其表面的太陽能反射到塔頂吸熱器[4]。

太陽光斑圖像識(shí)別跟蹤系統(tǒng)的功能是采用特殊的高清攝像圖像識(shí)別方法，用于定日鏡受外力位移出現(xiàn)的偏差修正，使得定日鏡能夠準(zhǔn)確跟蹤太陽和反射太陽熱能。

1.2 可行性分析

由于太陽不停在轉(zhuǎn)動(dòng)，為了使光線經(jīng)過定日鏡反射后能夠一直照射到這個(gè)面上，需要根據(jù)太陽在不同時(shí)間的位置來調(diào)整定日鏡的水平和垂直位置。但是，根據(jù)太陽的運(yùn)行規(guī)律計(jì)算的太陽軌跡會(huì)因?yàn)樘鞖狻囟群顽R子的執(zhí)行傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生誤差，太陽光不一定能夠按照理想的情況反射到聚光位置，而且當(dāng)其中的一面或幾面鏡子發(fā)生偏離，沒有反射到聚光位置的時(shí)候也無法知道。由此設(shè)計(jì)，利用圖像識(shí)別系統(tǒng)，將這個(gè)偏差值反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)可以利用偏差值進(jìn)行修正。

太陽能控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)（CCD）、聚光接收器、定日鏡和定日鏡控制系統(tǒng)組成，核心是圖像分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖1所示。利用攝像機(jī)拍攝整個(gè)定日鏡場(chǎng)的畫面，由于攝像頭和鏡場(chǎng)中的各面鏡子都相對(duì)固定，在抓取的圖片中可以區(qū)分出每一面鏡子位置太陽光線是平行的光線，鏡子上太陽光斑的偏移即是接收點(diǎn)的偏移。因此，在軟件中通過對(duì)光斑輪廓的判斷獲取光斑的中心值[5]，然后算出與中心點(diǎn)像素的偏差值，并將這個(gè)像素的偏差值轉(zhuǎn)化為實(shí)際的偏差值，發(fā)送給控制系統(tǒng)。

1.3 系統(tǒng)流程

太陽能圖像分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用Visual C++設(shè)計(jì)，使用視頻捕捉和圖像處理技術(shù)，獲取太陽光斑的誤差偏移距離，并將這個(gè)修正數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給控制系統(tǒng)。

軟件設(shè)計(jì)思想是獲取攝像機(jī)采集并通過圖像卡傳輸過來的視頻，對(duì)視頻圖像進(jìn)行圖片抓取，通過軟件算法進(jìn)行太陽光斑的識(shí)別，計(jì)算確定圖像中光斑的位置，然后通過計(jì)算獲取實(shí)際偏差，將光斑的實(shí)際偏移距離通過串口發(fā)送到控制系統(tǒng)中，圖2為軟件的流程圖。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 太陽光斑位置識(shí)別

太陽能圖像分析系統(tǒng)的基本思想是采用輪廓與特征提取相結(jié)合的方法，首先系統(tǒng)采用VC++定時(shí)器的功能，每5s進(jìn)行一次太陽光斑位置的識(shí)別[6]，獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，讀取圖片，然后獲取圖片的大小，根據(jù)圖片中點(diǎn)的像素值來判斷滿足要求的點(diǎn)，由滿足要求的點(diǎn)來判斷光斑的輪廓，根據(jù)輪廓來計(jì)算中心值。

計(jì)算實(shí)際偏差值流程是計(jì)算每像素值對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離參數(shù)，根據(jù)這個(gè)參數(shù)算出實(shí)際距離。

2.2 串口數(shù)據(jù)發(fā)送

在獲取太陽光斑的位置數(shù)據(jù)后，采用Modbus通訊協(xié)議，用串口將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，串口發(fā)送數(shù)據(jù)流程為，首先在初始化軟件時(shí)建立串口連接，然后監(jiān)聽端口，有數(shù)據(jù)發(fā)送過來后，執(zhí)行讀操作。獲取數(shù)據(jù)報(bào)文格式，根據(jù)報(bào)文格式組織數(shù)據(jù)，執(zhí)行寫操作，將數(shù)據(jù)發(fā)送過去。圖3為串口發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖[7]。

2.3 程序?qū)崿F(xiàn)

圖像分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是光斑的識(shí)別算法，還有主要的類的實(shí)現(xiàn)，使用類封裝函數(shù)功能，使程序有很好的可讀性，并減少一些重復(fù)的工作[8]。在封裝的類中實(shí)現(xiàn)視頻流讀入、圖片保存、位圖編程以及串口通訊的實(shí)現(xiàn)。

2.3.1 類的設(shè)計(jì)

圖像分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序主要包含以下幾個(gè)類：①Class CRecoSunView：一個(gè)從基類CView繼承的類；②Class CBmproDlg：圖片處理類；③Class CComm：一個(gè)串口通訊類；④Class CDib：從CObject類繼承的類；⑤Class CSampleGrabberCB：從基類ISampleGrabberCB繼承的類。endprint

主要類定義說明為：

（1）CRecoSunView類。此類主要完成了以下功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的初始化，視頻圖象接口的初始化，視頻圖象的顯示，以及定時(shí)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，圖象處理函數(shù)的調(diào)用，和串口通訊的實(shí)現(xiàn)。

（2）CBmproDlg類。此類的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)圖片的讀取，圖片的分割掃描，掃描后對(duì)斑點(diǎn)中心點(diǎn)的判斷。

（3）CComm類。此類的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的操作，包括串口的打開，設(shè)置，以及數(shù)據(jù)發(fā)送和接收以及一個(gè)數(shù)據(jù)接收響應(yīng)線程。

（4）CDib類。此類的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)位圖文件的裝載，讀文件，寫文件以及對(duì)位圖的各種屬性操作。

（5）CSampleGrabberCB類。此類的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻流中的圖片抓取，以及文件的保存。

2.3.2 光斑識(shí)別算法

識(shí)別光斑是在類CBmproDlg中進(jìn)行的，主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)位圖的讀取，識(shí)別位圖中的光斑位置。識(shí)別光斑的算法為：

（1）調(diào)用函數(shù)dib.load（）函數(shù)讀取位圖，調(diào)用dib.GetWidth（）和dib.GetHeight（）獲取圖片的寬、高。

（2）給數(shù)組xydata，line，pt分配空間大小。

（3）按照定義的分割區(qū)域，進(jìn)行像素掃描，對(duì)滿足條件的像素進(jìn)行標(biāo)記，保存在xydata數(shù)組中。

（4）掃描完成后，區(qū)域中的滿足條件的點(diǎn)組成線，對(duì)無法成線的斑點(diǎn)舍棄，得到的結(jié)果保存在line數(shù)組中。

（5）由線來構(gòu)成一個(gè)斑點(diǎn)的形狀，并由組成的斑點(diǎn)的輪廓來計(jì)算斑點(diǎn)的中心值，結(jié)果保存在pt數(shù)組中。

（6）由計(jì)算得到的斑點(diǎn)中心值與實(shí)際定義的中心相減，即得到偏差值。

2.3.3 算法的程序?qū)崿F(xiàn)

首先調(diào)用dib.load（lpszDibFile）函數(shù)來裝載圖片，ScanRect數(shù)組的數(shù)據(jù)即是分割的范圍，按照ScanRect數(shù)組定義的范圍進(jìn)行循環(huán)，獲取滿足條件的點(diǎn)，獲取點(diǎn)后，調(diào)用OnOpen（）函數(shù)。在OnOpen函數(shù)中，算法的實(shí)現(xiàn)為，當(dāng)點(diǎn)的標(biāo)志位為真時(shí)，則調(diào)用函數(shù)getline獲取線的范圍。依次調(diào)用，則最后獲取的就是線的范圍。然后調(diào)用OnGetp（）函數(shù)，函數(shù)的功能是有線獲取光斑的輪廓，當(dāng)line數(shù)組的標(biāo)志位為真時(shí)，調(diào)用getp（）函數(shù)來獲取后繼的線還原輪廓，由輪廓獲取中心值[9]。

if （dib.Load（lpszDibFile））

{

for（int scan=0；scan<4；scan=scan+2）

{

for（i=ScanRect[scan].x；i

{

m=0；

for（j=ScanRect[scan].y；j

{

if（pan（i，j）） //判斷此點(diǎn)像素值是否滿足太陽光斑的特征

{

……

huafen（）； //如滿足，找出y軸方向所有滿足光斑條件判斷的點(diǎn)

}

2.3.4 軟件代碼說明

軟件代碼如下：

float value=（float）254/（752*3）；//計(jì)算實(shí)際一個(gè)像素的實(shí)際表示

OnPhoto（）； //抓取圖片

CBmproDlg dlg；

const char *lpctStr=（LPCTSTR）mCB.str；

dlg.OnBrowse（lpctStr）；//處理抓取的圖片，獲取數(shù)據(jù)

for（int i=0；i<2；i++）

{

float x=（float）value*dlg.pot[i].x；

float y=（float）value*dlg.pot[i].y；

pot[i].x=（int）x；//（float）（value*dlg.pot[i].x））；

pot[i].y=（int）y；//（float）value*dlg.pot[i].y）；

}

ChangeStatusBar（）；

OnCOM（）；

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄與處理

根據(jù)多日來定日鏡自動(dòng)跟蹤太陽軌跡、反射光斑并進(jìn)行圖像修正的試驗(yàn)，對(duì)軟件結(jié)果檢測(cè)：鏡子的中心像素位置為X：350、Y：312，計(jì)算實(shí)際距離的參數(shù)為10/7。

利用算法得出的像素距離與鏡子的中心位置相減，即可得到光斑以鏡子中心位置為圓心的幾何坐標(biāo)值，再用計(jì)算實(shí)際距離的參數(shù)來算出實(shí)際距離。

在獲取的圖片中，選出一部分圖片，如圖4、圖5，利用這3個(gè)參數(shù)設(shè)置，軟件的運(yùn)行結(jié)果分別如下：

光斑中心點(diǎn)：X：354 Y：319

實(shí)際偏差：ΔX：5 ΔY：-10

光斑中心點(diǎn)：X：362 Y：309

實(shí)際偏差：ΔX：17 ΔY：4

4 結(jié)語

定日鏡的跟蹤控制是塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，由于定日鏡執(zhí)行機(jī)構(gòu)不可測(cè)的因素使定日鏡運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)偏差，本文設(shè)計(jì)了太陽光斑圖像識(shí)別跟蹤系統(tǒng)，采用VC++圖像分析算法，有效實(shí)現(xiàn)了太陽光斑的識(shí)別與跟蹤。

通過實(shí)際測(cè)試，在太陽光斑圖像識(shí)別跟蹤系統(tǒng)中，可以在監(jiān)視器上清晰看見每面定日鏡的輪廓及其反射的光斑，通過太陽光斑圖像識(shí)別跟蹤系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的結(jié)合，可以控制定日鏡跟蹤太陽運(yùn)行軌跡，把光斑實(shí)時(shí)反射到正確位置[10]。

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