CN105631865B - 一种基于图像识别的太阳入射方向检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像识别的太阳入射方向检测方法，主要使用了摄像头，内壁为标准半球面的碗形装置，处理图像的计算机系统，能够实现任意角度入射光线的方位检测，能够同时检测水平角和高度角，计算量小，对计算机系统的硬件要求低，所采用的设备不需要电机驱动，结构简单。

Description

一种基于图像识别的太阳入射方向检测方法

技术领域

本发明属于图像识别技术应用领域，具体涉及一种太阳入射方向检测方法。

背景技术

太阳能利用的前景非常广阔，为了保证太阳能板被太阳光线垂直照射，必须实现太阳入射方向的测量。现有的太阳入射方向检测装置在角度检测范围上，检测方案的复杂度上和实现水平角，高度角同时测量上有着局限性。基于视觉的太阳方位检测装置的研究，文章编号1671-4598（2008）07-0911-03，计算机测量与控制.2008.16（7），文中所述方案利用了计算机视觉技术，但是收到接受屏大小和位置的限制，无法测量全部入射角度。发明专利CN 103604410提供了一种以数字信号形式输出的太阳方向检测传感器，该方案需要用步进电机来实现分时检测水平角和高度角，不能同时检测水平角和高度角，而且还需要精确控制检测机构内机械装置的转动角度。

发明内容

本发明的目的是：提供一种利用图像识别技术，无需电机控制，能测量全方位太阳入射角度的技术方法。

本发明所提供的技术解决方案是：一种基于图像识别的太阳入射方向检测方法，包括如下步骤

1）用摄像头拍摄碗形装置；

2）计算机系统获取摄像头拍摄的图像；

3）生成红色单通道图像；

4）做霍夫圆变换求出目标圆形的圆心和半径；

5）生成绿色单通道图像；

6）做霍夫直线变换求出目标指向0°水平方向的直线段；

7）对圆内像素进行局部二值化操作；

8）提取明暗区交界线；

9）求出明暗区交界线上与圆心最近的点，并求出该点与圆心的距离；

10）求出太阳入射光线的水平角和高度角。

所述碗形装置的内壁为标准半球体曲面，太阳光线照射所述碗形装置在半球体曲面内壁上形成阴影区和照射区，所述阴影区和照射区之间的边沿线是由半个碗体顶部边沿投影形成的。

所述碗形装置的顶部的圆形边沿线涂成红色，所述碗形装置标准半球体曲面内壁涂成蓝色，同时在半球面内壁中涂一条绿色曲线线段，所述绿色曲线线段以半球面最低点为一端点，顶部圆形边沿线上任意一点为另一端点，使得该绿色曲线段的在碗体的俯视图投影中呈一条绿色直线段，所述绿色直线段在安放装置时要对准0°水平方位角。

所述摄像头镜头中心线对准所述碗形装置半球曲面的球心和最低点所在直线，当摄像头镜头中心线产生了偏差，但仍然拍摄到碗形装置内壁的全景，能够从产生角度偏差的拍摄图像中恢复出对准拍摄的图像。

所述拍摄的图像拥有红绿蓝三色通道，从中提取碗形装置顶部边沿的红色圆形，同时提取所述的绿色线段，从所述红绿蓝三色通道中提取太阳光线照射在所述碗形装置的半球体曲面内壁形成的阴影区和照射区以及其边沿线。

所述计算机系统接收和处理所述拍摄的图像。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，能够以图像识别的技术实现对任意角度入射光线的方位检测，能够同时检测水平角和高度角，计算量小，对计算机系统的硬件要求低，所采用的设备不需要电机驱动，结构简单。

附图说明

图1是碗形装置的俯视图；

图2是过球心点且平行于太阳光线的碗形装置剖面图；

图3是图1和图2中各处位置关系对应图；

图4是计算机利用图像计算太阳光线入射角度检测方法的流程图。

具体实施方式

下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。

请参阅图1~4所示，一种基于图像识别的太阳入射方向检测方法，所述太阳入射方向检测方法使用包括内壁为标准半球面的碗形装置，摄像头以及与摄像头相连的计算机或嵌入式系统。所述内壁为标准半球面的碗形装置，太阳光线15照射在碗形装置上，会在碗形装置半球面内壁形成阴影区1和照射区2，所述阴影区1和照射区2之间的分界线3为碗顶圆形边沿形成的。

把碗形装置顶部边沿线10涂成红色，半球面内壁涂成蓝色，同时在半球面内壁中涂一条绿色曲线线段4，绿色线段以半球面最低点O’5为一端点，顶部圆形边沿线10上任意一点Q6为另一端点，使得该绿色曲线段4在碗体的俯视图投影中呈一条绿色直线段4，所述绿色直线段4在检测光线角度时，要对准水平方位角0°。

摄像头以俯视角度拍摄到碗体半球面内壁，如图1所示，能够将整个半球面内壁的圆形俯视图包含在镜头内，并且将拍摄图像传输到与之相连的计算机或嵌入式系统，所述与摄像头之相连的计算机或嵌入式系统接收到图像后，运行图像处理和识别算法程序，从图像中提取出有效的用于检测计算太阳入射方向的关键数据信息，具体的通过图像信息确定太阳入射方向的步骤如下：

1）确立碗体俯视图在图像中的准确位置

碗体的俯视图在摄像头拍摄的原图像中为红色边沿线10包含的闭合区域，提取原图像的红色单通道灰度图，对红色单通道灰度图使用霍夫圆形检测算法，检测出图像中碗体顶部红色圆形边沿线，同时求出上述圆形在图像中的圆心O7的像素坐标和像素半径R8；

2）确立俯视图坐标系，确立照射区与阴影区在图像中的边界线

以上述检测出的图像中圆心O7为原点，建立俯视图的平面坐标系；对上述的红色圆形边沿线内围住的像素点，提取其灰度图，进行局部二值化处理，以区分照射区2和阴影区1，所述局部二值化处理可以采用OTUS算法或基于直方图的算法；再用边缘提取算法找出图像中照射区和阴影区的分界线上像素点的集合，求出分界线上每个像素和圆心O7的距离，找出距离最小的像素点P9；

3）测算出太阳入射光线的水平角度α11

上述图像中圆心O7与图像中照射区和阴影区的分界线上距离最近的像素点P9的连线所指向的方向就是太阳入射光线的水平方向，求出向量OP；对上述的红色圆形边沿线10内围住的像素点，提取绿色单通道灰度图，使用霍夫直线检测算法，检测出上述指向0°水平方向的绿色直线段4，记为向量OQ；通过向量角公式，计算向量OP和向量OQ的向量角，就可以求出太阳入射光线的水平角度α11；

4）测算出太阳入射光线的高度角β12

如图2所示，过半球形曲面球心点，以平行于光线入射方向且垂直于水平的平面，截取碗体的剖面图，上述在图像中的照射区和阴影区分界线上的像素点P，和形成该投影点P的碗体上部边沿线上的点M,必在该截面上。在该截面上以曲面球心点为原点12，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，建立坐标系，M点13的坐标为（R,0），M点13投影在曲面上的点P’14的坐标为（X,Y），因为P点在截面上处于以坐标原点为圆心，R为半径的圆周线上，满足X²+Y²=R²，所以P的坐标又等于（X，-(R²-X²)^0.5），太阳入射光线的高度角β12的正切值等于点M和点P所在直线的斜率k，tanβ=k={0-[-(R²-X²)^0.5]}/(R-X)=[(R+X)/(R-X)]^0.5，所以太阳入射光线的高度角β=arctan[(R+X)/(R-X)]^0.5 。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于图像识别的太阳入射方向检测方法，其特征在于，包括如下步骤

1）用摄像头拍摄碗形装置；

2）计算机系统获取摄像头拍摄的图像；

3）生成红色单通道图像；

4）做霍夫圆变换求出目标圆形的圆心和半径；

5）生成绿色单通道图像；

6）做霍夫直线变换求出目标指向0°水平方向的直线段；

7）对圆内像素进行局部二值化操作；

8）提取明暗区交界线；

9）求出明暗区交界线上与圆心最近的点，并求出该点与圆心的距离；

10）求出太阳入射光线的水平角和高度角;

所述碗形装置的内壁为标准半球体曲面，太阳光线照射所述碗形装置在半球体曲面内壁上形成阴影区和照射区，所述阴影区和照射区之间的边沿线是由半个碗体顶部边沿投影形成的;所述碗形装置的顶部的圆形边沿线涂成红色，所述碗形装置标准半球体曲面内壁涂成蓝色，同时在半球面内壁中涂一条绿色曲线线段，所述绿色曲线线段以半球面最低点为一端点，顶部圆形边沿线上任意一点为另一端点，使得该绿色曲线线段的在碗体的俯视图投影中呈一条绿色直线段，所述绿色直线段在安放装置时要对准0°水平方位角。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像识别的太阳入射方向检测方法，其特征在于，所述摄像头镜头中心线对准所述碗形装置半球曲面的球心和最低点所在直线，当摄像头镜头中心线产生了偏差，但仍然拍摄到碗形装置内壁的全景，能够从产生角度偏差的拍摄图像中恢复出对准拍摄的图像。

3.根据权利要求2所述的一种基于图像识别的太阳入射方向检测方法，其特征在于，所述拍摄的图像拥有红绿蓝三色通道，从中提取碗形装置顶部边沿的红色圆形，同时提取所述的绿色直线段，从所述红绿蓝三色通道中提取太阳光线照射在所述碗形装置的半球体曲面内壁形成的阴影区和照射区以及其边沿线。

4.根据权利要求3所述的一种基于图像识别的太阳入射方向检测方法，其特征在于，所述计算机系统接收和处理所述拍摄的图像。