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        太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中角度求解改進(jìn)方法

        2012-10-16 10:10:48周俊平
        制造業(yè)自動(dòng)化 2012年21期
        關(guān)鍵詞:十字陰影分量

        周俊平

        (內(nèi)蒙古烏蘭察布職業(yè)學(xué)院,烏蘭察布 012000)

        0 引言

        從20世紀(jì)70年代至今,太陽(yáng)能科技發(fā)展迅猛,太陽(yáng)能利用方式層出不窮,降低成本,提高利用率,已經(jīng)成為科學(xué)家所面臨的主要問題。研究一種新的太陽(yáng)跟蹤方式提高太陽(yáng)能的接收效率,精確地跟蹤太陽(yáng)可以提高光伏發(fā)電的效率,緩解在利用過程中成本過高的壓力。

        1997年美國(guó)研制了單軸太陽(yáng)跟蹤器,通過手動(dòng)調(diào)節(jié)南北方向,完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤;1998年美國(guó)加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器,在太陽(yáng)能面板上裝有集中陽(yáng)光的菲聶耳透鏡,進(jìn)一步提高了熱接收率;2002年美國(guó)亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽(yáng)能跟蹤裝置,利用控制電機(jī)完成跟蹤,采用結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕的鋁型材框架結(jié)構(gòu),拓寬了跟蹤器的應(yīng)用范圍;雖然國(guó)內(nèi)外的很多科研人員對(duì)太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)做了研究,取得了一定的成效,但各種算法都存在自己特定的應(yīng)用局限性和缺陷。探求一個(gè)算法簡(jiǎn)單、魯棒性佳、自適應(yīng)性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的跟蹤系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外學(xué)者未來(lái)的研究重點(diǎn)。本文重點(diǎn)研究晷針陰影的檢測(cè)、分析算法和太陽(yáng)角度的求解方法,提出基于H分量的陰影檢測(cè)算法,對(duì)其進(jìn)行陰影檢測(cè),接著根據(jù)分析得到的陰影的長(zhǎng)度和位置信息,求出太陽(yáng)的高度角和方位角。

        1 由晷針陰影求太陽(yáng)角度的基本原理

        在陰影檢測(cè)過程中,成功檢測(cè)陰影有三個(gè)條件:1)背景是靜止的,并且攝像機(jī)也是靜止的;2)背景是平坦的,能被陰影平滑地覆蓋;3)光線足夠強(qiáng),以保證陰影與背景存在明顯的差異。根據(jù)上述條件,本文設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)用的簡(jiǎn)易日晷,攝像機(jī)和日晷晷面、晷針均固定不動(dòng),為了凸顯陰影,背景晷面選用平坦的白色防水材質(zhì),晷針為一黃色圓柱體。

        2 基于H分量的陰影檢測(cè)算法

        針對(duì)傳統(tǒng)算法的不足之處和論文環(huán)境,由于只有陰影和噪聲在不斷變化,前景區(qū)域和背景區(qū)域H、S、V三個(gè)分量的比較,可以近解為陰影區(qū)域與非陰影區(qū)域的比較。

        通過對(duì)比得出,除了V分量外,陰影區(qū)域和非陰影區(qū)域的色調(diào)H分量的對(duì)比也差異很大,由于在HSV顏色空間中,HSV三個(gè)分量存在相互獨(dú)立性,所以論文提出一種基于H分量進(jìn)行處理從而實(shí)現(xiàn)陰影檢測(cè)算法,只需對(duì)圖像中不同區(qū)域的H分量進(jìn)行對(duì)比判定即可檢測(cè)陰影區(qū)域,降低了傳統(tǒng)算法主要依賴V分量進(jìn)行檢測(cè)帶來(lái)的誤檢風(fēng)險(xiǎn),并且減少了計(jì)算量和參數(shù)設(shè)置量。其算法描述如下:

        其中Sk是第k幀圖像某坐標(biāo)點(diǎn)(x, y)處的像素替換值,Hk為視頻圖像陰影區(qū)域H分量值,Hk'為非陰影區(qū)域H分量值,TH分別代表H分量的分割閾值, 最終可以得到陰影區(qū)域的二值圖像。

        3 陰影長(zhǎng)度的求解

        3.1 標(biāo)準(zhǔn)霍夫變換檢測(cè)直線原理

        霍夫變換是一種形狀匹配技術(shù),其核心思想是建立一種點(diǎn)-線的對(duì)偶性關(guān)系,使得圖像在變換前為圖像空間,變換后為參數(shù)空間,通過對(duì)參數(shù)空間上的參數(shù)分布情況的分析,對(duì)已知形狀的曲線進(jìn)行檢測(cè)。由于直線檢測(cè)時(shí)可能出現(xiàn)垂直情況,為了避免出現(xiàn)m無(wú)窮大的情況,將參數(shù)空間采用極坐標(biāo)系的形式表達(dá):

        在圖像空間中過點(diǎn)(x, y)的所有直線構(gòu)成的直線簇,在參數(shù)空間上是一條直線,同理,在參數(shù)空間上所有過點(diǎn)(r, q)的直線簇,對(duì)應(yīng)圖像空間上的一條直線。對(duì)參數(shù)空間上通過每個(gè)點(diǎn)的直線數(shù)目進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì),通過求出參數(shù)空間上較多直線通過的焦點(diǎn),即對(duì)應(yīng)檢測(cè)到的圖像空間中的直線。在對(duì)論文圖像霍夫變換后,取參數(shù)空間中通過焦點(diǎn)直線數(shù)目最多的點(diǎn),即為圖像空間中所求的直線,最終可以得到直線檢測(cè)的結(jié)果。

        3.2 像素長(zhǎng)度的標(biāo)定

        第92幀圖像陰影長(zhǎng)度L示意圖如圖1(a)所示,根據(jù)霍夫變換原理進(jìn)行直線檢測(cè),結(jié)果如圖1(b)所示。

        定義圖1(b)中陰影線段左上角的端點(diǎn)為D1,右下角的端點(diǎn)為D2,二者的坐標(biāo)分別為(x1, y1)和(x2, y2),根據(jù)兩點(diǎn)間距離公式,則它們之間的距離L為:

        通過霍夫變換算法可以得到D1和D2的坐標(biāo),將兩個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)值代入式(3)得到第92幀圖像的陰影長(zhǎng)度,這里計(jì)算出的單位為像素個(gè)數(shù)值,即像素長(zhǎng)度。已知晷針長(zhǎng)度為4.6cm,為了計(jì)算的一致性,論文需要求出的是陰影的厘米長(zhǎng)度。所以需要對(duì)圖像的像素長(zhǎng)度進(jìn)行標(biāo)定。

        圖像像素長(zhǎng)度的標(biāo)定方法:在相同的拍攝環(huán)境下,采用相同的設(shè)備,從跟蹤系統(tǒng)相同的拍攝高度垂直俯拍晷面,拍攝一張10cm長(zhǎng)的黑條,將采集到的黑條圖像二值化,并利用霍夫變換檢測(cè)直線原理,測(cè)算其像素長(zhǎng)度,假設(shè)待求的陰影長(zhǎng)度為L(zhǎng),則有如下比例關(guān)系:

        其中實(shí)際測(cè)量得到黑條的實(shí)際長(zhǎng)度l=10cm,通過計(jì)算得到黑條的像素長(zhǎng)度n=289,通過霍夫變換檢測(cè)直線可求出視頻圖像序列中陰影的像素長(zhǎng)度為N,代入式(4),即可求出陰影的實(shí)際長(zhǎng)度L。

        4 太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算

        4.1 太陽(yáng)高度角的計(jì)算

        在由晷針、晷針陰影所組成的直角三角形中,已知晷針的長(zhǎng)度l=4.6cm,在前文的基礎(chǔ)上,論文計(jì)算出了陰影的實(shí)際長(zhǎng)度L,則太陽(yáng)高度角A的計(jì)算公式為:

        4.2 太陽(yáng)方位角的計(jì)算

        論文提出十字模板匹配法求解太陽(yáng)方位角,由于該算法的原理中構(gòu)造了一個(gè)“十字架”,顧論文將其命名為“十字模板匹配法”。其原理為:

        圖1 對(duì)第92幀陰影圖像進(jìn)行霍夫變換直線檢測(cè)

        首先,構(gòu)造一個(gè)十字模板圖。上文中已知陰影線段圖中端點(diǎn)D1的坐標(biāo)為(x1, y1),論文采集的圖像大小均為640×480,構(gòu)造一個(gè)像素值為0、大小也為640×480的二值矩陣圖像,在其中繪制一個(gè)像素值為1,寬度為一個(gè)像素的交叉直線,兩條直線構(gòu)成一個(gè)“十字架”,“十字架”的十字交叉點(diǎn)為D+,這里我們以上午的晷針陰影為例,其坐標(biāo)為(x1, y1+10),如果是下午的晷針陰影,則十字交叉點(diǎn)為D+的坐標(biāo)為(x1, y1-10),D+與D1的橫坐標(biāo)值相同,構(gòu)造出十字模板圖。

        然后定義陰影線段圖像,與第一步中構(gòu)造的模板圖做與運(yùn)算,得到交點(diǎn)D1和D*。

        最后,通過運(yùn)算,得到三個(gè)頂點(diǎn)D1、D+、D*構(gòu)造的一個(gè)直角三角形,進(jìn)而根據(jù)勾股定理可以求出太陽(yáng)的方位角。

        將十字模板匹配法應(yīng)用于第92幀簡(jiǎn)易日晷圖像(采集時(shí)間為上午)的方位角求解。根據(jù)霍夫變換原理進(jìn)行直線檢測(cè)得到D1點(diǎn)的坐標(biāo) (x1, y1)為(238, 333),根據(jù)“十字模板匹配法”的原理,可知D+點(diǎn)的坐標(biāo)(x1, y1+10)為(238, 343),構(gòu)造的十字模板圖,如圖2和圖3所示。

        將第92幀圖像的陰影線段圖1(b)即圖3和十字模板圖2做運(yùn)算,得到D*的坐標(biāo)(x*,y*)為(244,343)。對(duì)圖1(a)和圖1(b)做或運(yùn)算,并放大相交點(diǎn)部分的圖像,結(jié)果如圖3所示。

        結(jié)合圖3可知太陽(yáng)高度角B的求解公式為:

        其中l(wèi)D1D+為D1與D+之間的距離,lD1D*為D+和D*之間的距離,單位均為像素個(gè)數(shù)。

        這里我們還要考慮到一種特殊情況,當(dāng)晷針的投影正好為垂直方向上時(shí),圖2與圖3做相與運(yùn)算的時(shí)候,將只有一個(gè)交點(diǎn)D1,陰影線段和“十字模板”的豎線將沒有交點(diǎn)D*。當(dāng)出現(xiàn)陰影線段與“十字模板”的豎線正好垂直或者近似垂直的情況時(shí),系統(tǒng)默認(rèn)太陽(yáng)的方位角為90°。

        圖2 十字模板

        4.3 特殊天氣的輔助算法

        在陰雨、大霧、云層較密集等特殊天氣環(huán)境下,系統(tǒng)將上位機(jī)采集到的視頻圖像轉(zhuǎn)換至HSV顏色空間后,提取出亮度V分量圖像,并將V分量圖像中所有代表亮度的像素值求和后計(jì)算平均值,就得到了圖像的平均亮度值,預(yù)先設(shè)定一個(gè)亮度閾值,作為太陽(yáng)角度求解方法的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn),在圖像平均亮度值大于閾值時(shí),采用論文陰影檢測(cè)的方法計(jì)算太陽(yáng)角度;當(dāng)平均亮度值小于閾值時(shí),采用時(shí)鐘跟蹤法計(jì)算太陽(yáng)角度。

        1)太陽(yáng)時(shí)角w。規(guī)定在正午時(shí)w=0°,每隔一小時(shí)增加15°,上午為正,下午為負(fù)。即:

        其中Hs為跟蹤裝置放置地的太陽(yáng)時(shí):

        其中Hb為裝置所在地的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,即北京時(shí)間;Lso為裝置所在地的經(jīng)度,Lsm為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的經(jīng)度,即北京經(jīng)度東經(jīng)120°,E為一個(gè)修正值。

        根據(jù)上兩式可以求出任何地區(qū)、某一時(shí)刻的太陽(yáng)的高度角和方位角。

        圖3 匹配結(jié)果示意圖

        5 結(jié)論

        文章具體闡述了基于圖像陰影檢測(cè)下的太陽(yáng)角度求解原理與方法。對(duì)傳統(tǒng)的基于HSV顏色空間陰影檢測(cè)算法進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析,提出一種改進(jìn)的基于H分量的陰影檢測(cè)算法。該算法分析了論文陰影檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,發(fā)現(xiàn)陰影與周圍環(huán)境的色調(diào)對(duì)比度較強(qiáng),提出僅利用色調(diào)H分量進(jìn)行陰影區(qū)域的判定方法,并給出判定原理;針對(duì)傳統(tǒng)算法閾值選取不靈活的缺陷,利用基于Otsu法的自適應(yīng)閾值選??;針對(duì)檢測(cè)環(huán)境干擾噪聲較多的特點(diǎn),運(yùn)用形態(tài)學(xué)處理得到較為完整的陰影圖像。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于H分量的陰影檢測(cè)算法減少了陰影區(qū)域判定的計(jì)算量,由于采用自適應(yīng)閾值選取,算法的自適應(yīng)性得到了增強(qiáng),并且能夠較準(zhǔn)確的檢測(cè)圖像陰影區(qū)域。在得到陰影圖像的基礎(chǔ)上,論文提出一種十字模板匹配法求解太陽(yáng)方位角。首先根據(jù)陰影圖像構(gòu)造一副十字模板圖,然后對(duì)兩幅圖像先后做相與運(yùn)算和相或運(yùn)算,得到一個(gè)直角三角形和其三個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)位置,最后根據(jù)勾股定理求解方位角,并給方位角為90°時(shí)的判定標(biāo)準(zhǔn)。該方法靈活的運(yùn)用形態(tài)學(xué)運(yùn)算解決了進(jìn)行陰影檢測(cè)后方位角求解的問題。

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