一種基于圖像識別的太陽入射方向檢測方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于圖像識別的太陽入射方向檢測方法，主要使用了攝像頭，內(nèi)壁為標(biāo)準(zhǔn)半球面的碗形裝置，處理圖像的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度入射光線的方位檢測，能夠同時(shí)檢測水平角和高度角，計(jì)算量小，對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件要求低，所采用的設(shè)備不需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于圖像識別技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種太陽入射方向檢測方法。
技術(shù)介紹
太陽能利用的前景非常廣闊，為了保證太陽能板被太陽光線垂直照射，必須實(shí)現(xiàn)太陽入射方向的測量。現(xiàn)有的太陽入射方向檢測裝置在角度檢測范圍上，檢測方案的復(fù)雜度上和實(shí)現(xiàn)水平角，高度角同時(shí)測量上有著局限性。基于視覺的太陽方位檢測裝置的研究，文章編號1671-4598（2008）07-0911-03，計(jì)算機(jī)測量與控制.2008.16（7），文中所述方案利用了計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，但是收到接受屏大小和位置的限制，無法測量全部入射角度。專利技術(shù)專利CN103604410提供了一種以數(shù)字信號形式輸出的太陽方向檢測傳感器，該方案需要用步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)分時(shí)檢測水平角和高度角，不能同時(shí)檢測水平角和高度角，而且還需要精確控制檢測機(jī)構(gòu)內(nèi)機(jī)械裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是：提供一種利用圖像識別技術(shù)，無需電機(jī)控制，能測量全方位太陽入射角度的技術(shù)方法。本專利技術(shù)所提供的技術(shù)解決方案是：一種基于圖像識別的太陽入射方向檢測方法，包括如下步驟1）用攝像頭拍攝碗形裝置；2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)獲取攝像頭拍攝的圖像；3）生成紅色單通道圖像；4）做霍夫圓變換求出目標(biāo)圓形的圓心和半徑；5）生成綠色單通道圖像；6）做霍夫直線變換求出目標(biāo)指向0°水平方向的直線段；7）對圓內(nèi)像素進(jìn)行局部二值化操作；8）提取明暗區(qū)交界線；9）求出明暗區(qū)交界線上與圓心最近的點(diǎn)，并求出該點(diǎn)與圓心的距離；10）求出太陽入射光線的水平角和高度角。所述碗形裝置的內(nèi)壁為標(biāo)準(zhǔn)半球體曲面，太陽光線照射所述碗形裝置在半球體曲面內(nèi)壁上形成陰影區(qū)和照射區(qū)，所述陰影區(qū)和照射區(qū)之間的邊沿線是由半個(gè)碗體頂部邊沿投影形成的。所述碗形裝置的頂部的圓形邊沿線涂成紅色，所述碗形裝置標(biāo)準(zhǔn)半球體曲面內(nèi)壁涂成藍(lán)色，同時(shí)在半球面內(nèi)壁中涂一條綠色曲線線段，所述綠色曲線線段以半球面最低點(diǎn)為一端點(diǎn)，頂部圓形邊沿線上任意一點(diǎn)為另一端點(diǎn)，使得該綠色曲線段的在碗體的俯視圖投影中呈一條綠色直線段，所述綠色直線段在安放裝置時(shí)要對準(zhǔn)0°水平方位角。所述攝像頭鏡頭中心線對準(zhǔn)所述碗形裝置半球曲面的球心和最低點(diǎn)所在直線，當(dāng)攝像頭鏡頭中心線產(chǎn)生了偏差，但仍然拍攝到碗形裝置內(nèi)壁的全景，能夠從產(chǎn)生角度偏差的拍攝圖像中恢復(fù)出對準(zhǔn)拍攝的圖像。所述拍攝的圖像擁有紅綠藍(lán)三色通道，從中提取碗形裝置頂部邊沿的紅色圓形，同時(shí)提取所述的綠色線段，從所述紅綠藍(lán)三色通道中提取太陽光線照射在所述碗形裝置的半球體曲面內(nèi)壁形成的陰影區(qū)和照射區(qū)以及其邊沿線。所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接收和處理所述拍攝的圖像。本專利技術(shù)的有益效果是：與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠以圖像識別的技術(shù)實(shí)現(xiàn)對任意角度入射光線的方位檢測，能夠同時(shí)檢測水平角和高度角，計(jì)算量小，對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件要求低，所采用的設(shè)備不需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單。附圖說明圖1是碗形裝置的俯視圖；圖2是過球心點(diǎn)且平行于太陽光線的碗形裝置剖面圖；圖3是圖1和圖2中各處位置關(guān)系對應(yīng)圖；圖4是計(jì)算機(jī)利用圖像計(jì)算太陽光線入射角度檢測方法的流程圖。具體實(shí)施方式下面，結(jié)合實(shí)例對本專利技術(shù)的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和優(yōu)勢作進(jìn)一步的說明，但本專利技術(shù)并不局限于所列的實(shí)施例。請參閱圖1~4所示，一種基于圖像識別的太陽入射方向檢測方法，所述太陽入射方向檢測方法使用包括內(nèi)壁為標(biāo)準(zhǔn)半球面的碗形裝置，攝像頭以及與攝像頭相連的計(jì)算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)。所述內(nèi)壁為標(biāo)準(zhǔn)半球面的碗形裝置，太陽光線15照射在碗形裝置上，會(huì)在碗形裝置半球面內(nèi)壁形成陰影區(qū)1和照射區(qū)2，所述陰影區(qū)1和照射區(qū)2之間的分界線3為碗頂圓形邊沿形成的。把碗形裝置頂部邊沿線10涂成紅色，半球面內(nèi)壁涂成藍(lán)色，同時(shí)在半球面內(nèi)壁中涂一條綠色曲線線段4，綠色線段以半球面最低點(diǎn)O’5為一端點(diǎn)，頂部圓形邊沿線10上任意一點(diǎn)Q6為另一端點(diǎn)，使得該綠色曲線段4在碗體的俯視圖投影中呈一條綠色直線段4，所述綠色直線段4在檢測光線角度時(shí)，要對準(zhǔn)水平方位角0°。攝像頭以俯視角度拍攝到碗體半球面內(nèi)壁，如圖1所示，能夠?qū)⒄麄€(gè)半球面內(nèi)壁的圓形俯視圖包含在鏡頭內(nèi)，并且將拍攝圖像傳輸?shù)脚c之相連的計(jì)算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)，所述與攝像頭之相連的計(jì)算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)接收到圖像后，運(yùn)行圖像處理和識別算法程序，從圖像中提取出有效的用于檢測計(jì)算太陽入射方向的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，具體的通過圖像信息確定太陽入射方向的步驟如下：1）確立碗體俯視圖在圖像中的準(zhǔn)確位置碗體的俯視圖在攝像頭拍攝的原圖像中為紅色邊沿線10包含的閉合區(qū)域，提取原圖像的紅色單通道灰度圖，對紅色單通道灰度圖使用霍夫圓形檢測算法，檢測出圖像中碗體頂部紅色圓形邊沿線，同時(shí)求出上述圓形在圖像中的圓心O7的像素坐標(biāo)和像素半徑R8；2）確立俯視圖坐標(biāo)系，確立照射區(qū)與陰影區(qū)在圖像中的邊界線以上述檢測出的圖像中圓心O7為原點(diǎn)，建立俯視圖的平面坐標(biāo)系；對上述的紅色圓形邊沿線內(nèi)圍住的像素點(diǎn)，提取其灰度圖，進(jìn)行局部二值化處理，以區(qū)分照射區(qū)2和陰影區(qū)1，所述局部二值化處理可以采用OTUS算法或基于直方圖的算法；再用邊緣提取算法找出圖像中照射區(qū)和陰影區(qū)的分界線上像素點(diǎn)的集合，求出分界線上每個(gè)像素和圓心O7的距離，找出距離最小的像素點(diǎn)P9；3）測算出太陽入射光線的水平角度α11上述圖像中圓心O7與圖像中照射區(qū)和陰影區(qū)的分界線上距離最近的像素點(diǎn)P9的連線所指向的方向就是太陽入射光線的水平方向，求出向量OP；對上述的紅色圓形邊沿線10內(nèi)圍住的像素點(diǎn)，提取綠色單通道灰度圖，使用霍夫直線檢測算法，檢測出上述指向0°水平方向的綠色直線段4，記為向量OQ；通過向量角公式，計(jì)算向量OP和向量OQ的向量角，就可以求出太陽入射光線的水平角度α11；4）測算出太陽入射光線的高度角β12如圖2所示，過半球形曲面球心點(diǎn)，以平行于光線入射方向且垂直于水平的平面，截取碗體的剖面圖，上述在圖像中的照射區(qū)和陰影區(qū)分界線上的像素點(diǎn)P，和形成該投影點(diǎn)P的碗體上部邊沿線上的點(diǎn)M,必在該截面上。在該截面上以曲面球心點(diǎn)為原點(diǎn)12，水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，建立坐標(biāo)系，M點(diǎn)13的坐標(biāo)為（R,0），M點(diǎn)13投影在曲面上的點(diǎn)P’14的坐標(biāo)為（X,Y），因?yàn)镻點(diǎn)在截面上處于以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心，R為半徑的圓周線上，滿足X2+Y2=R2，所以P的坐標(biāo)又等于（X，-(R2-X2)0.5），太陽入射光線的高度角β12的正切值等于點(diǎn)M和點(diǎn)P所在直線的斜率k，tanβ=k={0-[-(R2-X2)0.5]本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于圖像識別的太陽入射方向檢測方法，其特征在于，包括如下步驟1）用攝像頭拍攝碗形裝置；2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)獲取攝像頭拍攝的圖像；3）生成紅色單通道圖像；4）做霍夫圓變換求出目標(biāo)圓形的圓心和半徑；5）生成綠色單通道圖像；6）做霍夫直線變換求出目標(biāo)指向0°水平方向的直線段；7）對圓內(nèi)像素進(jìn)行局部二值化操作；8）提取明暗區(qū)交界線；9）求出明暗區(qū)交界線上與圓心最近的點(diǎn)，并求出該點(diǎn)與圓心的距離；10）求出太陽入射光線的水平角和高度角。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于圖像識別的太陽入射方向檢測方法，其特征在于，包括如下步驟
1）用攝像頭拍攝碗形裝置；
2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)獲取攝像頭拍攝的圖像；
3）生成紅色單通道圖像；
4）做霍夫圓變換求出目標(biāo)圓形的圓心和半徑；
5）生成綠色單通道圖像；
6）做霍夫直線變換求出目標(biāo)指向0°水平方向的直線段；
7）對圓內(nèi)像素進(jìn)行局部二值化操作；
8）提取明暗區(qū)交界線；
9）求出明暗區(qū)交界線上與圓心最近的點(diǎn)，并求出該點(diǎn)與圓心的距離；
10）求出太陽入射光線的水平角和高度角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖像識別的太陽入射方向檢測方法，其特征在于，所
述碗形裝置的內(nèi)壁為標(biāo)準(zhǔn)半球體曲面，太陽光線照射所述碗形裝置在半球體曲面內(nèi)壁上形
成陰影區(qū)和照射區(qū)，所述陰影區(qū)和照射區(qū)之間的邊沿線是由半個(gè)碗體頂部邊沿投影形成
的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于圖像識別的太陽入射方向檢測方法，其特征在于，所
述碗形裝置的頂部的圓形邊沿線涂成紅色，所述碗形裝置標(biāo)準(zhǔn)半球體曲面內(nèi)壁涂成藍(lán)色，
同時(shí)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：姜琴，扈健瑋，徐森月，
申請(專利權(quán))人：青島工學(xué)院，
類型：發(fā)明
國別省市：山東;37