CN103513295B - 一种基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统与方法，该系统通过采用多台相机实时拍摄天空，并可通过云台控制系统控制云台转动或采用超广角镜头使实现太阳和云层均位于图像画面上，该相机将所得到的天空中太阳及云层图像传入图像处理装置进行图像处理，根据图像处理结果得到一系列关于太阳、云层及其变化趋势的信息，并对定日镜场和电站系统进行预测和预警，为系统采取相应的操作提供依据。本发明克服了传统天气监测系统只针对较大区域范围，监测精度较低的缺陷，对局部特定区域的天气变化状况进行监测，更精确地反映和预测局部区域的天气情况。

Description

一种基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统与方法

技术领域

本发明涉及塔式太阳能热发电系统中对天气的监测和预警，尤其涉及一种基于多相机实时拍摄天空并进行图像处理的天气监测系统与方法。

背景技术

太阳能的开发和利用已成为全球重点研究的项目，塔式太阳能作为太阳能热发电的一种模式，其基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜组成定日镜群，将太阳光反射至固定于接收塔顶的集热器，加热工质产生过热蒸汽或高温蒸汽，推动汽轮机发电。

太阳辐射的大小受天气状况和云层等不可预知因素的影响，云层阴影遮挡将在段时间内改变集热器接收太阳辐射能量的大小，进而导致系统温度的急剧变化，使系统不稳定，甚至出现损坏。通常情况下，集热器接受定日镜反射过来的太阳光，其表面平均温度往往能达到数百度，当云层遮挡太阳后，镜场接受的太阳辐射能急剧下降，系统温度也会跟着降低；当云层阴影离开镜场，集热器接收的太阳辐射又恢复到原来的辐射值，集热器表面温度也随即上升，集热器表面温度在短时间内急剧上升、下降，其寿命将受到严重影响。

因此，为了避免因云层对镜场遮挡而影响乃至损坏整个塔式太阳能热发电系统，必须提出一种基于多相机实时拍摄和图像处理的天气监测系统与方法。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明旨在提供一种通过相机拍摄天空和计算机处理图像信息，可以精确细致的反应云层信息及其变法，对镜场上空特定区域进行实时监测和预警，并为整个太阳能光热发电系统采取相应措施提供依据的一种基于多相机实时拍摄和图像处理的天气监测系统与方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测方法，包括以下步骤：

步骤1:控制云台追日；每隔若干时间控制云台转动，确保太阳位于相机图像画面中心区域，或者通过控制相机广角镜头确保太阳始终位于相机图像画面内；

步骤2：云台巡航扫描；每隔若干时间控制云台按设置的巡航线路扫描，扫描结束云台恢复至追日角度，或者通过控制相机广角镜头确保足够广的监控视野；

步骤3：多相机图像采集；通过多个相机对天空图像进行实时采集，并将采集到的图像传送至一图像处理装置；

步骤4：多相机图像处理；多相机图像处理模块对不同相机在同一时刻拍摄的图像进行太阳中心位置的确定以及云层轮廓的查找和匹配，并根据匹配结构对云层进行编号；

步骤5：计算云层高度；图像处理装置接收相机拍摄到的天空图像，根据多相机图像处理结果获取云层匹配关系，对匹配的云层利用双目视觉三维测距算法计算云层高度；

步骤6：镜场遮挡判断；图像处理装置接收相机传输的图像，完成图像处理操作，获取云列表、云轮廓和云高信息，利用投影算法实现镜场投影计算，并通过镜场投影和云轮廓位置信息实现镜场遮挡判断；

步骤7：计算镜场遮挡时间；图像处理装置接收相机传输的图像，对前后帧图像进行云层跟踪操作，完成跟踪的云层利用特征点位置信息和前后帧图像时间间隔，计算云移动速度，基于云移动速度、云轮廓位置和镜场投影位置完成镜场遮挡时间计算；

步骤8：信息显示与预警；通过一显示装置显示云高、影响等级、遮挡时间、遮挡比例信息，并对定日镜场和整个发电系统后续的影响进行预测和预警。

较佳地，所述步骤1进一步包括：通过坐标变换原理建立云台转动角度和太阳角度间的数学模型，通过多组测试数据获取数学模型参数，根据所述数学模型设计云台实时追日算法，并通过控制云台转动确保太阳在相机视野中心。

较佳地，所述步骤2通过扩大监测范围进行云台巡航扫描，且所述步骤2进一步包括：设置若干云台巡航点数，按巡航点位置设置巡航线路，每隔若干时间控制所述云台按设置的巡航线路巡航，所述云台转至巡航点时，太阳刚好位于监控画面的顶点；

其中，所述每个巡航点对应一个画面顶点，每个巡航点停留若干时间搜集图像信息，巡航结束时控制所述云台转角使太阳位置处于监控画面中心；

而且，通过坐标转换原理建立云台转动角度和图像像素移动的数学模型，通过多组测试数据获取数学模型参数，并通过所述数学模型设计不同时刻的云台巡航点，实现云台巡航扫描。

较佳地，所述步骤5进一步包括：通过一图像处理装置接收相机拍摄到的天空图像，根据图像间的匹配关系，每个相机可以匹配所对应的同一片云层，对完成匹配的云层计算云高；其中，同一时刻下，太阳在两个相同的且主光轴平行的相机中成像位置相同，通过平移两幅图片中的太阳中心位置重合于同一点来等效相机主光轴平行，保持云层位置和太阳相对位置不变，结合云层在不同相机中的位置，并根据双目视觉三维测距原理计算云层高度。

较佳地，所述步骤6进一步包括：通过图像处理装置接收相机拍摄的天空图像，在所述天空图像中定位太阳位置并进行云层监测，获取云层信息列表，并通过判断云层是否遮挡镜场，且其具体判断方法包括：

其中，将定日镜场所在的区域投射至所述步骤5所计算的云高平面形成一个虚拟镜场，通过模拟该摄像机成像原理把真实世界坐标系的虚拟镜场投射到相机图像像素坐标系，完成镜场投影计算，比较镜场投影覆盖的像素和云层覆盖的像素；如果一个像素点既属于镜场投影覆盖的区域，又属于云层覆盖区域则可判断云层遮挡镜场，并根据符合遮挡判断条件的像素点数和镜场投影大小计算镜场遮挡比例。

较佳地，所述步骤7进一步包括：基于图像匹配算法查找出每台相机前后两帧图像中云层的位置，计算前后两帧图像云层移动的像素值，结合对应的云高，计算云移动速度大小及方向，通过对比镜场投影覆盖区域和云层覆盖区域计算云层进入镜场、离开镜场及遮挡持续的时间。

较佳地，所述步骤5和所述步骤7均根据云匹配跟踪算法进行计算云层高度和镜场遮挡时间，且所述云匹配跟踪算法进一步包括：首先采用图像特征匹配算法查找出两帧图像所有特征匹配点，通过特征匹配点和云轮廓点在图像中的位置关系，确定每帧图像云所包含的特征匹配点个数，并基于所有特征匹配点和云轮廓内部特征匹配点统计信息，设计云跟踪算法，实现两帧图像特定云层的匹配跟踪。

本发明还提出了一种基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统，包括：CCD相机组，包括至少两台CCD相机，通过所述CCD相机拍摄一定日镜场上方天空的太阳和云层；云台，所述云台设置在定日镜场中或定日镜场外围，且所述CCD相机装载在所述云台上；图像处理装置，所述图像处理装置分别连接所述CCD相机，且所述图像处理装置接收并处理所述CCD相机拍摄到的太阳和云层图像，并将处理后的信息发送至一显示装置；显示装置，所述显示装置接收所述图像处理装置发送的信息，并选择性地显示云高、影响等级、遮挡时间信息。

较佳地，所述基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统还包括一云台控制装置，所述云台控制装置连接所述图像处理装置，通过所述云台控制装置控制并调整所述云台的转角和所述CCD相机的视角，保证太阳和云层位于所述CCD相机的视野内。

较佳地，所述CCD相机上设置为超广角镜头，且所述超广角镜头的超广角视角可接近、达到或超过180°；此时该天气监测系统可不设置云台控制系统，可通过超广角镜头的超广角视角获取太阳和云层信息。

较佳地，所述CCD相机上设置为超广角镜头或普通镜头，且所述超广角镜头的超广角视角可接近、达到或超过180°；此时该天气监测系统可设置云台控制系统，通过该云台控制系统控制云台的转动，使该普通镜头或超广角镜头获取太阳和云层信息。

较佳地，所述超广角镜头包括鱼眼镜头，而且在该CCD相机使用该鱼眼镜头的时候，该基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统可不设置云台控制装置；可直接通过该鱼眼镜头的广角视角确保太阳和云层位于相机视野内；相反，当该CCD相机设置为普通镜头时，必须通过云台控制装置控制云台转动，从而保证太阳和云层能位于相机视野内。

较佳地，所述CCD相机之间的直线距离通过所监测的云层高度、相机视角以及双目测距（即双目视觉三维测距）需保证的精度决定；具体的，双目测距的误差由相机距离、相机视角、测试物体距离，假设测距物体在两张图像中像素点误差不变，那么相机距离越远，测试误差越大；通过图像处理分析两张图像物体像素误差，相机视角固定，已知测试云高的变化范围，则可以确定相机距离和测距精度的相关性，从而可以确定该CCD相机之间的直线距离。

较佳地，所述每个云台上设置有一台CCD相机，且所有的CCD相机安装在同一水平高度。

较佳地，所述云台通过算法校正安装位置，从而确保云台追日监控精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统与方法，通过云台控制装置实现对监控区域的精确定位和灵活调整，对镜场上空局部特定区域的天气变化状况进行监测，克服了传统天气监测系统针对较大区域范围，监测精度较低的缺陷，更准确地反映和预测局部区域的天气情况，为整个发电系统提供预警。

2、本发明的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统与方法，通过利用双目测距法，可有效避免相机主光轴在安置中要求平行这一难点，可以更方便快捷地利用相似原理计算云层高度。

3、本发明的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统与方法，通过把镜场平移至云层等高处形成一个虚拟区域，再把虚拟区域变换到CCD平面上对应的渔区判断遮挡，此方法一方面只需要进行一次坐标变换，大大提高了计算速度；另一方面，镜场轮廓比云层轮廓简单的多，在坐标变换中有效避免了云层等复杂轮廓在不同坐标系中的转换，降低了计算难度，提高了计算效率。

附图说明

图1为本发明实施的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统示意图；

图2为本发明实施的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监控系统的整体工作流程图；

图3为本发明实施的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监控系统的双目视觉三维测距示意图；

图4为本发明实施的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监控系统的双目视觉三维测距过程中拍摄的天空示意图；

图5为本发明实施的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监控系统的地面经常投影到云高平面示意图；

图6为本发明实施的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监控系统的地面镜场在相机监控画面投影示意图；

图7为本发明实施的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监控系统的单相机图像处理程序的工作流程图；

图8为本发明实施的双目视觉三维测距算法基本原理示意图。

符号列表：

1-CCD相机组，1a-第一台CCD相机，1b-第二台CCD相机，1c-第三台CCD相机，1d-第四台CCD相机，2-云台，3-图像处理装置，4-云台控制装置，5-显示装置，6-定日镜场，7-阴影，8-集热器。

具体实施方式：

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细的描述本发明。然而，本发明可以以不同形式、规格等实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使更多的有关本技术领域的人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚可见，可能放大或缩小了相对尺寸。

现参考图1至图7详细描述根据本发明实施的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统与方法，如图1所示，本发明提供的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统，CCD相机组1、云台2、图像处理装置3、云台控制装置4和显示装置5；其中，该CCD相机组1至少包括两台CCD相机，通过该CCD相机拍摄定日镜场6上方天空的太阳和云层；该云台2与CCD相机对应设置，该CCD相机设置在云台2上，且该云台2设置在镜场中或镜场外围；该图像处理装置3分别连接该CCD相机和显示装置5，且该图像处理装置3接收并处理该CCD相机拍摄到的太阳和云层图像，并将处理后的信息发送至一显示装置5；该显示装置5接收该图像处理装置3发送的信息，并选择性的显示云层高度、影响等级和遮挡时间等云层主要信息量及物理量；该云台控制装置4连接图像处理装置3，该云台控制装置4接收来自图像处理装置3的信息，用于对云台转角即CCD相机视角进行调整，保证太阳和云层能位于相机视野内，所有的云台2由一个云台控制装置4统一控制，且该云台控制装置4根据接收到的图像处理装置处理后的信息，适时调整云台2，从而保证相机始终以合适的角度拍摄天空。

其中，如图1所示，云层在定日镜场6上产生阴影7，该阴影7的变化引起集热器8接收太阳辐射的变化，该CCD相机组1形成阵列式排布，对天空中的太阳和云层进行实时拍摄，并将拍摄的图像传送至图像处理装置3中，通过该图像处理装置3对图像进行处理，并分析计算出云层对镜场的遮挡变化情况并为电站系统做出预报和预警。

而且，该CCD相机装载有超广角镜头，且该超广角镜头的视角范围可接近或超过180°，比如鱼眼镜头；在具体实施过程中，该鱼眼镜头可设置在一个仅仅支撑及装载CCD相机的护罩底座即可，可通过CCD相机的鱼眼镜头进行监测，而不需要通过云台控制装置4控制云台2对该CCD相机的姿态进行调整，则该云台控制装置4可省去；当然，该CCD相机的镜头也可以为普通镜头，可通过云台控制装置4控制云台2转动，从而控制该CCD相机转动，并拍摄近场上方天空的太阳和云层。而且，每个云台2上设置有一台CCD相机，所有的CCD相机均安装在同一水平高度，且CCD相机之间（或云台之间）的直线距离通过所需要监测的云层高度、相机视角以及双目测距需保证的精度决定；具体的，双目测距的误差由相机距离、相机视角、测试物体距离决定，假设测距物体在两张图像中像素点误差不变，那么相机距离越远，测试误差越大；通过图像处理并分析两张图像物体像素误差是，相机视角固定，已知测试云高的变化范围，可以确定相机距离和测距精度的相关性，进而，即可得出CCD相机之间的直线距离。

另外，该云台2通过云台姿态纠正算法纠正云台的安装位置，其中，该云台姿态纠正算法为建立并解析云台下发角度和实际位置间的数学模型，从而确保云台追日监控精度。该云台控制装置4控制所有的云台2，且能够独立下发命令，每个云台2根据对应的命令进行调整；该云台控制装置4可每隔若干时间控制云台2转动，采用云台追日算法确保太阳位于相机图像画面的中心区域。每台CCD相机对指定区域的天空进行实时拍摄，并将拍摄到的图像传给图像处理装置3；该图像处理装置3可以同时处理来自多个相机的图片，并能根据相机列表编号及对应设置的相机IP区分图片；该图像处理装置3的多相机处理程序处理同一时刻来自不同相机的图片，对每幅图片进行太阳中心位置的确定以及云层轮廓的查找和匹配，并完成对云层的编号和云层高度的计算；该图像处理装置3的单相机处理程序处理来自同一相机的前后两帧图片，对不同图片进行特征匹配，基于匹配信息实现不同图像云层的匹配跟踪，对完成匹配跟踪的云层计算移动速度，获取云高信息用投影算法实现镜场投影计算，并利用云移动速度、云轮廓信息和镜场投影位置信息判断云层是否遮挡镜场，并计算云层遮挡镜场时间、离开镜场时间、镜场遮挡比例等信息。图像处理之后把这些遮挡镜场时间、离开镜场时间、镜场遮挡比例等信息传到显示装置5显示云层信息，并对整个发电系统进行预警，为系统采取相应措施提供依据。同时，云台控制装置4接收来自图像处理装置3的信息，根据图片中云层和太阳的位置，判断是否符合云台巡航扫描条件，若满足条件则根据事先设定的云台巡航线路扫描，每搁若干时间控制云台转动至巡航点，扫描结束后云台回复至追日角度，并适时调整相机视角，从而保证相机始终能以合适的角度对天空进行拍摄。

如图2所述，整个天气监控系统的具体工作步骤包括：

步骤1：多个云台进行追日；启动云台进行追日，通过坐标转换原理建立云台的转动角度和太阳角度间的数学模型，通过多组测试数据获取数学模型参数，并根据该数学模型设计云台实时追日算法，从而根据当时太阳角度和云台的环境变量获取云台的追日角度，并每隔若干时间控制云台转动，确保太阳位于相机图像画面中心区域或者通过控制相机广角镜头确保太阳始终位于相机图像画面内。

步骤2：云台巡航扫描，具体的，通过设置若干云台巡航点数，在本实施例中，设置有四个云台巡航点数，按巡航点位置设置巡航线路，每隔若干时间控制所述云台转动并按设置的巡航线路巡航，云台转至巡航点时，太阳刚好位于监控画面的顶点，每个巡航点对应一个画面顶点，每个巡航点停留若干时间搜集图像信息，巡航结束控制云台转角使太阳位置处于监控画面中心。通过坐标转换原理建立云台转动角度和图像像素移动的数学模型，通过多组测试数据获取数学模型参数，并根据此数学模型设计不同时刻的云台巡航点，实现云台巡航扫描。

步骤3：多相机图像采集；首先开启每个CCD相机，多个CCD相机开始对天空图像进行实时采集，并将采集到的图像传送至图像处理装置。

步骤4：多相机图像处理；利用CCD相机编号以及图像编号的对应关系，多相机图像处理模块对获取的图像进行区分识别；图像处理装置对不同的CCD相机在同一时刻拍摄的图像进行图像处理，具体的处理过程包括：

1、太阳中心定位：将获取的RGB三通道彩图转换成灰度图，设置灰度阈值将灰度图转换成二值图，对高位区域拟合轮廓，获取轮廓中心点即为太阳中心位置；

2、云层轮廓识别：以太阳中心位置为圆心，取任意方向长度为r半径，利用半径上各个点到圆心距离和对应灰度值建立数学模型，即高斯模型，利用高斯模型去除图像中太阳区域，对去除太阳区域后的图像统计各像素点R\B和G\B比值，设置比值的阈值参数，并利用阈值参数将图像分割成天空和云层两部分，对云层部分拟合轮廓；

3、云层匹配跟踪：首先采用图像特征匹配算法查找出两帧图像所有特征匹配点，通过特征匹配点和云轮廓点在图像中的位置关系，确定每帧图像云层所包含的特征匹配点个数，基于所有特征匹配点和云轮廓内部特征匹配点统计信息，设计云跟踪算法，实现两帧图像特定云层的匹配跟踪；

4、云层编号：基于云层匹配跟踪结果，按照云层轮廓到太阳中心点的距离依次对图像中全部匹配的云层进行编号。

步骤5：计算云层高度；图像处理装置接收多个CCD相机拍摄到的天空图像和图像处理装置处理的图像结果，根据多相机图像处理云匹配跟踪结果，每个CCD相机可以匹配对应的同一片云层，根据同一片云层和太阳在不同CCD相机中的成像位置的不同，利用双目视觉三维测距算法完成对云高的计算。具体的，如图3所示，第一台CCD相机1a放置于原点O处，第二台CCD相机1b置距原点O距离为d（基线长度）的B处，物体A在空间任意一点（x,y,z），其中x-y轴平面为两台相机所在平面；O₁、O₂为两台CCD相机焦平面中心，即焦点；A1、A2是A在两台CCD相机上的像，焦平面坐标分别是(x₁,y₁)、(x₂,y₂)，两CCD相机焦平面上y₁,y₂方向一致且与基线方向垂直。假如相机1和相机2同一时刻拍到的天空图像如图4所示，根据同一时刻太阳高度角和方位角相同这个特点，平移两幅图，使得图像太阳中心重合，保持云层位置和太阳相对位置不变，结合云在不同相机中的位置，根据相似原理可以计算云层高度。

其中，双目视觉三维测距原理如图8所示，其中点P为目标点，x₁、y₁分别为图像像素坐标系坐标轴，P1、P2分别为P点在两台相机图像坐标系中的位置，假设相机焦距为f，相机距离为T，P点距离为Z，P1坐标为（x₁,y₁），P2坐标为（x₂,y₂），那么根据相似三角形原理：，得出，即云层高度；因此，双目视觉三维测距算法主要是求得相机焦距、相机距离、目标物体图像像素距离，从而得出测试距离。

在具体实施中，相机安装距离与相机太阳距离相比可以忽略不计，因此同一时刻不同位置双目测距相机的太阳光角度一样，若双目测距相机主光轴平行，那么两台相机拍摄的图像太阳中心点象素坐标一样；基于上述原理，通过图像算法定位太阳中心点，若两图像太阳中心点不重合，以其中一图像为标准，另一图像坐标平移，使两图像太阳中心点重合，即可达到相机主光轴平行效果；则通过本发明实施的双目测距方法与其他双目测距方法的应用相比，本发明避免了相机主光轴在安置中要求平行这一难点。

步骤6：镜场遮挡判断；选定一台CCD相机，获取一帧图像，在图像中定位太阳位置并进行云监测，获取云层信息（包括轮廓点、特征点信息）列表，并通过以下方式判断云层是否遮挡镜场；将镜场所在的区域投影至步骤5所计算的云层高度处，如图5所示，并结合相机安装角度、云台转动角度和摄像成型原理，将镜场投影坐标由实际三维世界坐标系转换到相机图像像素坐标系，比较镜场投影覆盖的像素和云层覆盖的像素，如果一个像素点既属于镜场覆盖的区域，又属于云层覆盖则可判断云层遮挡镜场，通过统计符合遮挡要求的像素点数与镜场投影像素数的比值即可得知镜场遮挡比例，如图6所示。

步骤7：计算镜场遮挡时间；利用图像特征匹配算法查找出前后帧图像所有特征匹配点，基于特征匹配点和云轮廓点在图像中位置信息，设计云跟踪算法，实现前后帧图像特定云层的识别跟踪；对完成跟踪的云层，比较其特征点在两帧图像中的位置，计算前后两帧图像云层所有特征点移动的像素值，结合前后帧图像时间间隔，计算出云层所有特征点像素移动速度，将所有特征点像素移动速度平均值当做云像素移动速度大小和方向，并利用云高度和相似原理计算出实际云移动速度大小和方向；其中，在较短时间内，一般认为太阳位置不会改变，对应的镜场在相机中覆盖的像素点也不改变，而云层所覆盖的像素点则认为照着云层移动方向规律性地变化，通过对比镜场投影覆盖区域与云覆盖区域，判断此云层是否会遮挡定日镜场；若预测会遮挡，则计算遮挡开始时间、离开时间、持续时间、镜场遮挡比例以及对镜场能量的影响。

其中，步骤6和步骤7所描述的单台相机处理循环流程如图7所示。

步骤8：信息显示与预警；根据需求，在显示装置上选择性地显示云高、影响等级、遮挡预测、遮挡时间、能量影响等云层主要信息及物理量，对整个发电系统进行预警，为后续采取相应的措施（如调整汽轮机运行参数，减少定日镜投射数量）提供依据。

步骤9：云台转动控制；为扩大云监测范围和提前遮挡预测时间，设置云台的巡航点数为4，按巡航点位置设置巡航线路，每隔若干时间控制云台按设置线路巡航，云台转至巡航点时，太阳刚好位于监控画面的顶点，4个巡航点对应4个画面顶点，每个巡航点停留若干时间搜集图像信息，巡航结束控制云台的转角使太阳位置处于监控画面中心。通过坐标转换原理建立云台的转动角度和图像像素移动的数学模型，通过多组测试数据获取数学模型参数，根据此数学模型设计不同时刻的云台的巡航点，实现云台的巡航扫描。云台控制装置接收信息显示结果，判断是否符合云台巡航扫描条件，若是，则根据事先设置的云台的巡航线路扫描，扫描结束云台将恢复至追日角度，若否，则继续保持云台的追日状态；

本发明提供的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统与方法主要用于塔式太阳能热发电系统中对天气的监测和预警，通过多个相机对天空太阳和云层进行拍摄，并将具体拍摄结果发送至图像处理装置，对多个相机拍摄下来的具体信息进行确认和计算，从而能够对天气作出预报和预警；其中该云台控制装置可根据CCD相机上设置的镜头进行确定，即该云台控制装置主要控制该云台转动进行对CCD相机视角的转动，从而进行拍摄；该超广角镜头并不仅限于鱼眼镜头，还可通过其他具有较大广角的镜头，从而能够达到不转动云台，通过镜头转动即可捕捉拍摄到太阳和云层。。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动在内。

Claims (15)

1.一种基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1:控制云台追日

每隔若干时间控制云台转动，确保太阳位于相机图像画面中心区域，或者通过控制相机广角镜头确保太阳始终位于相机图像画面内；

步骤2：云台巡航扫描

每隔若干时间控制云台按设置的巡航线路扫描，扫描结束云台恢复至追日角度，或者通过控制相机广角镜头确保足够广的监控视野；

步骤3：多相机图像采集

通过多个相机对天空图像进行实时采集，并将采集到的图像传送至一图像处理装置；

步骤4：多相机图像处理

多相机图像处理模块对不同相机在同一时刻拍摄的图像进行太阳中心位置的确定以及云层轮廓的查找和匹配，并根据匹配结构对云层进行编号；

步骤5：计算云层高度

图像处理装置接收相机拍摄到的天空图像，根据多相机图像处理结果获取云层匹配关系，对匹配的云层利用双目视觉三维测距算法计算云层高度；

步骤6：镜场遮挡判断

图像处理装置接收相机传输的图像，完成图像处理操作，获取云列表、云轮廓和云高信息，利用投影算法实现镜场投影计算，并通过镜场投影和云轮廓位置信息实现镜场遮挡判断；

步骤7：计算镜场遮挡时间

图像处理装置接收相机传输的图像，对前后帧图像进行云层跟踪操作，完成跟踪的云层利用特征点位置信息和前后帧图像时间间隔，计算云移动速度，基于云移动速度、云轮廓位置和镜场投影位置完成镜场遮挡时间计算；

步骤8：信息显示与预警

通过一显示装置显示云高、影响等级、遮挡时间、遮挡比例信息，并对定日镜场和整个发电系统后续的影响进行预测和预警。

2.根据权利要求1所述的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括：通过坐标变换原理建立云台转动角度和太阳角度间的数学模型，通过多组测试数据获取数学模型参数，根据所述数学模型设计云台实时追日算法，并通过控制云台转动确保太阳在相机视野中心。

3.根据权利要求1所述的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测方法，其特征在于，所述步骤2通过扩大监测范围进行云台巡航扫描，且所述步骤2进一步包括：设置若干云台巡航点，按云台巡航点位置设置巡航线路，每隔若干时间控制所述云台按设置的巡航线路巡航，所述云台转至云台巡航点时，太阳刚好位于监控画面的顶点；

其中，每个所述云台巡航点对应一个画面顶点，每个云台巡航点停留若干时间搜集图像信息，巡航结束时控制所述云台转角使太阳位置处于监控画面中心；

而且，通过坐标转换原理建立云台转动角度和图像像素移动的数学模型，通过多组测试数据获取数学模型参数，并通过所述数学模型设计不同时刻的云台巡航点，实现云台巡航扫描。

4.根据权利要求1所述的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测方法，其特征在于，所述步骤5进一步包括：通过一图像处理装置接收相机拍摄到的天空图像，根据图像间的匹配关系，每个相机可以匹配所对应的同一片云层，对完成匹配的云层计算云高；其中，同一时刻下，太阳在两个相同的且主光轴平行的相机中成像位置相同，通过平移两幅图片中的太阳中心位置重合于同一点来等效相机主光轴平行，保持云层位置和太阳相对位置不变，结合云层在不同相机中的位置，并根据双目视觉三维测距原理计算云层高度。

5.根据权利要求1所述的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测方法，其特征在于，所述步骤6进一步包括：通过图像处理装置接收相机拍摄的天空图像，在所述天空图像中定位太阳位置并进行云层监测，获取云层信息列表，并通过判断云层是否遮挡镜场，且其具体判断方法包括：

其中，将定日镜场所在的区域投射至所述步骤5所计算的云高平面形成一个虚拟镜场，通过模拟摄像成像原理把真实世界坐标系的虚拟镜场投射到相机图像像素坐标系，完成镜场投影计算，比较镜场投影覆盖的像素和云层覆盖的像素；如果一个像素点既属于镜场投影覆盖的区域，又属于云层覆盖区域则可判断云层遮挡镜场，并根据符合遮挡判断条件的像素点数和镜场投影大小计算镜场遮挡比例。

6.根据权利要求1所述的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测方法，其特征在于，所述步骤7进一步包括：基于图像匹配算法查找出每台相机前后两帧图像中云层的位置，计算前后两帧图像云层移动的像素值，结合对应的云高，计算云移动速度大小及方向，通过对比镜场投影覆盖区域和云层覆盖区域计算云层进入镜场、离开镜场及遮挡持续的时间。

7.根据权利要求4或6所述的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测方法，其特征在于，所述步骤5和所述步骤7均根据云匹配跟踪算法进行计算云层高度和镜场遮挡时间，且所述云匹配跟踪算法进一步包括：

首先采用图像特征匹配算法查找出两帧图像所有特征匹配点，通过特征匹配点和云轮廓点在图像中的位置关系，确定每帧图像云所包含的特征匹配点个数，并基于所有特征匹配点和云轮廓内部特征匹配点统计信息，设计云跟踪算法，实现两帧图像特定云层的匹配跟踪。

8.一种基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统，实现如权利要求1所述的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测方法的系统，其特征在于，包括：

CCD相机组，包括至少两台CCD相机，通过所述CCD相机拍摄一定日镜场上方天空的太阳和云层；

云台，所述云台设置在定日镜场中或定日镜场外围，且所述CCD相机装载在所述云台上；

图像处理装置，所述图像处理装置分别连接所述CCD相机，且所述图像处理装置接收并处理所述CCD相机拍摄到的太阳和云层图像，并将处理后的信息发送至一显示装置；

显示装置，所述显示装置接收所述图像处理装置发送的信息，并选择性地显示云高、影响等级、遮挡时间信息。

9.根据权利要求8所述的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统，其特征在于，所述基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统还包括一云台控制装置，所述云台控制装置连接所述图像处理装置，通过所述云台控制装置控制并调整所述云台的转角和所述CCD相机的视角，保证太阳和云层位于所述CCD相机的视野内。

10.根据权利要求8所述的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统，其特征在于，所述CCD相机上设置为超广角镜头，且所述超广角镜头的超广角视角可接近、达到或超过180°。

11.根据权利要求9所述的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统，其特征在于，所述CCD相机上设置为超广角镜头或普通镜头，所述超广角镜头的超广角视角可接近、达到或超过180°。

12.根据权利要求10或11所述的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统，其特征在于，所述超广角镜头包括鱼眼镜头。

13.根据权利要求8或9所述的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统，其特征在于，所述CCD相机之间的直线距离通过所监测的云层高度、相机视角以及双目测距需保证的精度决定。

14.根据权利要求8所述的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统，其特征在于，每个所述云台上设置有一台CCD相机，且所有的CCD相机安装在同一水平高度。

15.根据权利要求8所述的基于多相机实时拍摄与图像处理的天气监测系统，其特征在于，所述云台通过云台姿态纠正算法纠正安装位置，从而确保云台追日监控精度。