基于视觉技术的太阳视位置检测装置的研究

郝慧芬　郝巧梅　王慧　杜瑞

摘 要：该文主要研究一种基于视觉技术的太阳视位置检测装置，它利用太阳照射物体形成影子图像，工业相机对该图像进行采集，经Matlab分析处理，获取影子的尺寸和位置，从而获取太阳的高度角和方位角，以此得到太阳的视位置。

关键词：视觉技术；太阳视位置；检测装置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.240

1 引言

随着能源消耗日益加剧，环境急剧恶化，新能源开发的需求日益迫切，其中太阳能作为一种新兴能源正在被广泛开发和利用。但绝大部分太阳能产品都存在着太阳能利用率低的问题，主要由于地球自转引起太阳的光照角度时时刻刻发生变化。因此，能够时时获取太阳位置，有助于后续对太阳的自动跟踪，最大限度的获取太阳能。目前，太阳运行轨迹跟踪控制系统类型主要分为两种方式：光电传感式太阳跟踪控制系统和视日运动轨迹跟踪控制系统[1]，这两种方式获取的太阳位置都比较精准，在对日跟踪上起到了显著的效果，但同时也存在着各自的弊端，基于视觉技术的太阳视位置采集装置的工作原理是借助视觉技术代替人眼来获取太阳视位置，结构简单，并可以准确、快速地获得太阳视位置信息，为日后对太阳的精准跟踪开创了一种新方式。

2 检测装置的总体设计

本文主要介绍的是一种基于视觉技术的太阳视位置检测装置，该装置主要由图像采集模块、图像处理和输出模块两部分组成，其基本机构如图1所示[2]。

2.1 图像采集模块

图像采集模块作为检测装置的重要部分，主要用来时时采集影子图像，是准确获取太阳视位置的基础。

2.1.1 太阳视位置

太阳视位置是指从地面上人眼看到的太阳位置[3]，它与天文意义上的实际太阳位置不同，是用太阳高度角和方位角作为坐标表示的太阳位置。

所谓太阳高度角是指太阳直射光线与地平面间的夹角（见图2中 Hs）；太阳方位角是指太阳直射光线在地平面上的投影线与地平面正南向所夹的角（见图2中As），通常以南点S为0°，向西为正值，向东为负值[4，5]，可近似地看作是竖立在地面上的直杆在阳光下的阴影与正南方的夹角。

2.1.2 图像采集模块的机构和布局

机构和布局的设计方案直接影响着图像采集模块的稳定性与可行性[6]。因此，一方面要求结构设计要合理，另一方面布局要满足工作环境的需求，其次整体设计还要保证采集到的图像清晰便于后续处理和分析。

（1）机构设计。图像采集模块的机构简图如图3所示，该机构的设计难点主要是待测目标和地平坐标平台。

首先，要选择一个尺寸合理不透明直杆作为待测目标，直杆尺寸要能满足设定的地平坐标系平台和摄像系统的相关参数，使拍摄到的直杆投影完整清晰不失真。

其次，设计一个地平坐标平台，通过改变机构整体放置方位和调节支撑的高低，使该平台坐标满足测试地点的地平坐标系。

（2）布局设计。图像采集模块的布局直接影响着机构性能的稳定性和可行性，布局不当将导致影子图像受影响甚至无法采集到影子图像，也会增加影子轮廓提取的难度和运算时间，使获得的太阳视位置不准确。因此，在布局设计上需要考虑场地布局和采集板坐标系的布局。1）场地布局设计。太阳升起与落下的方位每天都在变化，每年春分到秋风日，是从东北升起西北落下；從秋分日到次年的春风日，太阳则是从东南升起，西南落下；春分日和日秋分，这两天太阳是正东升，正西落。因此，图像采集场地应当选择在北回归线以北，太阳照射充足的地方。另外，要求场地四周应当无障碍物、无反射阳光强的物体。 2）采集板坐标系布局设计。采集板坐标系是用来放置直杆获取影子图像的，它的布局设计直接影响影子的提取和太阳视位置的算法。本次研究过程中先后设计了三种类型的坐标系，如图4所示。通过对三种坐标系下影子图像的处理，发现前两种坐标系下影子图像的提取比较困难，前期所需处理的算法比较多，最终提取的影子图像效果不好。相对于前两种，坐标系3效果明显较好，减少了假边缘点的产生，提高了提取图像边缘的速度，图像前期处理步骤少，缩短了算法的执行时间，提高了算法的运行效率，使获得的太阳视位置更加精准。

2.2 图像处理和输出模块

2.2.1 图像处理模块

图像处理模块包括图像处理、图像分析和视位置算法三部分。

（1）图像处理。视觉系统采集的图像，在形成、传输、接收和处理的整个过程中，由于受到噪声和图像特征衰减等方面的影响，会降低图像的质量。因此，对图像进行分析之前，必须先对图像进行处理，以便为后续图像分析处理等高层操作提供基础[7]。采集到的影子图像如图5（a）所示，处于倒置状态，不利于获取影子坐标系，因此在处理前应当将图像翻转，如图5（b）。另外，由于受某些因素的影响，采集到的影子图像存在噪声，背景不均匀，而且采集到的图像是灰度图影子轮廓，边缘与背景有些模糊，使图像轮廓不清楚，为后续提取影子边缘点制造了极大的困难。综合以上情况，经研究分析发现阀值法能将图像中要提取的物体和背景准确分割，如图5（c）。而且经过图像分割后，图像变成二值图像，图像轮廓提取分析就变得非常简单[8]。

（2）图像分析。图像分析主要针对图像轮廓的提取和分析，包括：坐标的提取分析和影子轮廓的提取分析。

坐标的提取分析。坐标的提取分析主要是为了确定图像的东西方向和标准长度，以及标示出影子图像的位置。坐标轮廓提取和分析的步骤如下：

1）对坐标系左右两个方格的四个坐标位置（左方格的左上方坐标和右下方坐标、右方格的右上方坐标和左下方坐标）进行初始化；

2）通过双重循环逐行逐列的扫描搜索获取四个坐标位置的真实坐标值；

3）根据四坐标值设计算法，通过两方格综合对角线长度，计算方格边长，即标准长度的像素值；

4）依据两个左上角或者右上角坐标构成的向量确定图像的东西方向；

5）获取四个坐标位置中最下方的坐标点，标示出影子图像所在区域在此坐标下方，为后续影子图像的提取分析节省搜索时间。

影子图像的提取分析。影子图像的提取分析主要是获取影子像素长度，实验采用的直杆在图像中形成的影子，如图6所示， 在太阳照射时直杆两端的影子会出现圆弧，因此，要想准确获取影子像素长度，需要找出影子图像两端中心位置的边缘点。具体步骤如下：

1）对影子图像左上、左下、右上、右下四个边缘点坐标进行初始化；

2）通过逐行逐列的扫描搜索影子所在区域，获取四个坐标位置的真实坐标值；

3）计算左上和右上、左下和右下两两距离，求均值作为上下端的边缘点；

4）两边缘点之间的向量是影子的方向，两点之间的距离是影子的像素长度。

3）视位置算法。经过图像处理和图像分析后，可得到东西方向向量、影子方向向量、标准长度的像素值和影子的像素长度值。直杆的长度和坐标标定单位长度是初期设计参数，可由GUI程序界面直接输入。

影子与东西方向的夹角为：

（1）

影子的实际长度为：

（2）

因此，太阳方位角为：

（3）

太阳高度角为：

（4）

2.2.2 图像输出模块

本次实验采用GUI程序界面显示图像输出结果（见图7），该界面实现了采集图像的调入和参数的输入和调试，并通过程序实现了图像的处理和数据的输出，完成了太阳视位置的检测和数据的输出，大大的提升了实验效果的可行性和准确性[7]。

3 结论

本文研究的基于视觉技术的太阳视位置采集装置，是一种准确获取太阳视位置的新方式，装置结构简单，性能稳定，采集原理可行性高，影子图像轮廓易于提取，图像前期处理所需步骤少，获取的太阳视位置算法精度高，运行时间段，效率高。

参考文献：

[1]王东江，刘亚军.太阳自动跟踪控制系统的设计[J].数字技术与应用，2010（07）：19-25.

[2]高飞.基于机器视觉技术测量轴类零件尺寸的研究[D].吉林大学，2007.

[3]张菲菲.关于日出日落方位的浅析[J].城市地理，2015：76.

[4]金卫东.揭开太阳方位角的神秘面纱[J].求学，2015（05）：53-54.

[5]王国安，米鸿涛，邓天宏等.太阳高度角和日出日落时刻太阳方位角一年变化范围的计算[J].气象与环境科学，2007（30）：161-164.

[6]贾冰慧.基于机器视觉的刀具状态在机检测关键技术研究[D].华南理工大学，2014.

[7]李平阳.基于图像处理的太阳质心位置检测算法研究[D].太阳科技大学，2013.

[8]徐平，邵定宏，魏楹等.最佳阀值分割和轮廓提取技术及其应用[J].计算机工程与设计，2009，30（02）：437-439.

基金項目：内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJZC13376）

作者简介：郝慧芬（1983-），女，呼和浩特人，硕士研究生，讲师，主要从事视觉技术研究。