鄭曉斌，薛毓強(qiáng)

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，福建 福州 350007； 2.福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350000)

魚眼圖像識(shí)別技術(shù)在太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄭曉斌1，薛毓強(qiáng)2

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，福建 福州 350007； 2.福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350000)

通過對(duì)魚眼鏡頭拍攝的全景天空?qǐng)D像HIS顏色模型的處理，采用球面模式實(shí)現(xiàn)對(duì)魚眼圖像的平面快速轉(zhuǎn)換，提取符合太陽(yáng)區(qū)域的輪廓形狀特征、面積特征以及動(dòng)態(tài)偏移特征的高亮度光斑區(qū)域，計(jì)算太陽(yáng)區(qū)域重心實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)位置的精確定位.

HIS；魚眼圖像轉(zhuǎn)換；太陽(yáng)區(qū)域特征；太陽(yáng)跟蹤方法

太陽(yáng)能作為綠色可再生能源，具有地域分布廣、無污染等優(yōu)點(diǎn)，深受大眾青睞.但目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)存在總體利用效率低的難題，其解決辦法主要有提高光伏電池組件的轉(zhuǎn)換效率、增強(qiáng)光伏電池單位面積上的光照輻射強(qiáng)度和尋求光伏系統(tǒng)的最大功率輸出點(diǎn)(即MPPT)3種[1].由于當(dāng)前絕大多數(shù)太陽(yáng)能電池板采用固定安裝方式，無法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光線垂直照射電池板的接受面，加上太陽(yáng)能量接收效率的余弦效應(yīng)[2]，造成光伏整體利用效率不高.

1 常見的太陽(yáng)跟蹤方法

通過跟蹤定位太陽(yáng)方位技術(shù)和多倍聚光技術(shù)，可使得光伏發(fā)電系統(tǒng)在相同的太陽(yáng)光照強(qiáng)度下獲得更多的太陽(yáng)輻射能量，實(shí)現(xiàn)提高光伏發(fā)電效率和降低成本的目的.相關(guān)資料表明，與固定安裝方式相比，采用太陽(yáng)跟蹤技術(shù)，保持太陽(yáng)光線入射角垂直于太陽(yáng)電池的接受面，系統(tǒng)將提高35%的發(fā)電能力[2-3].

太陽(yáng)跟蹤方法就是要確定當(dāng)前太陽(yáng)相對(duì)于光伏電池組件的高度角(altitude)和方位角(azimuth)2個(gè)參數(shù)，使得太陽(yáng)能電池板的接受面自動(dòng)跟蹤太陽(yáng).目前常用的太陽(yáng)跟蹤算法主要有光強(qiáng)比較法、時(shí)鐘定位法等.幾種常見的太陽(yáng)跟蹤方法的原理及優(yōu)缺點(diǎn)見表1.

表1 幾種常見的太陽(yáng)跟蹤方法的原理及優(yōu)缺點(diǎn)

2 基于圖像識(shí)別的太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)總體框架

本文采用天空全景圖像識(shí)別定位方法可以有效消除太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算的誤差.通過對(duì)全景圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理、智能識(shí)別太陽(yáng)光斑區(qū),計(jì)算該區(qū)域的重心坐標(biāo),并與太陽(yáng)光線入射角垂直時(shí)的中心坐標(biāo)進(jìn)行比較，以高度角坐標(biāo)和方位角坐標(biāo)偏差，驅(qū)動(dòng)模糊PID控制器進(jìn)行高度角和方位角的調(diào)節(jié).該控制方法能自動(dòng)辨識(shí)由云朵、飛機(jī)等其他飛行物造成遮擋或反光所造成的定位誤判的問題，使得定位更加準(zhǔn)確.圖1為基于圖像識(shí)別的太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)總體拓?fù)鋱D.

3 魚眼圖像識(shí)別太陽(yáng)光定位設(shè)計(jì)

3.1 魚眼圖像識(shí)別定位設(shè)計(jì)原理

基于圖像識(shí)別定位的原理就是利用在晴朗的天空?qǐng)D像中，太陽(yáng)圖像占據(jù)亮度最高的區(qū)域這一特點(diǎn)，試圖通過對(duì)天空?qǐng)D像的處理和座標(biāo)變換后就得到太陽(yáng)的位置.

在北回歸線以北地區(qū)，從地面上觀測(cè)到的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡可近似為太陽(yáng)中心點(diǎn)自東向西方向畫出的一條半圓弧線，其方位角的變化不超過 180°(北回歸線以南、南回歸線以北的方位角大于180°).然而一般的固定式廣角鏡頭只能獲得62°～76°的視角，無法一次捕捉天空全景圖.而魚眼鏡頭(Fish-Eye Lens)是一種焦距在6～16 mm之間的超廣角短焦距鏡頭，其鏡頭前部凸出呈拋物狀，其最大的特點(diǎn)就是視角范圍最大可達(dá)230°.

魚眼圖像識(shí)別定位設(shè)計(jì)原理是模仿人眼對(duì)亮度敏感程度高的特點(diǎn)，首先對(duì)獲得的全景天空?qǐng)D像進(jìn)行HIS顏色模式的變換處理，凸顯全景圖像中高亮度區(qū)域；然后對(duì)經(jīng)過魚眼圖像平面轉(zhuǎn)化后的高亮度區(qū)域，依據(jù)外形輪廓、變化偏移量以及面積大小等特征信息進(jìn)行判斷，識(shí)別出真正的太陽(yáng)光斑區(qū)域；最后計(jì)算太陽(yáng)光斑區(qū)重心點(diǎn)，并與太陽(yáng)光線入射角垂直時(shí)的中心坐標(biāo)進(jìn)行比較(即圖像篇幅的中心點(diǎn))，得到高度角坐標(biāo)和方位角坐標(biāo)偏差，提供給控制器以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光源全方位準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)定位[9].魚眼圖像識(shí)別定位跟蹤設(shè)計(jì)原理流程圖如圖2所示.

3.2 識(shí)別魚眼睛圖像中的高亮度點(diǎn)

根據(jù)圖像中的高亮區(qū)域即可能是太陽(yáng)光斑區(qū)這先知條件，首先要識(shí)別出魚眼睛圖像中的高亮度點(diǎn)[10].依據(jù)人體仿生學(xué)中，人眼對(duì)亮度的敏感程度高于對(duì)色度的敏感，因此需要將圖像傳感器得到RGB顏色模型轉(zhuǎn)換為以色調(diào)、飽和度和強(qiáng)度為基本特征的HSI顏色模型，其轉(zhuǎn)換公式如下為：

(1)

其中：

(2)

通過上述轉(zhuǎn)換可得到HSI顏色模式的魚眼圖像[10]：

F(x,y)={H(x,y),S(x,y),I(x,y)}.

(3)

對(duì)得到的 HSI顏色模式的魚眼圖像，可以通過修改圖像色調(diào)H、飽和度S和亮度I屬性的敏感度加權(quán)系數(shù)的權(quán)重方式對(duì)圖像進(jìn)行優(yōu)化處理，改進(jìn)后的HSI顏色模式的魚眼圖像公式如下：

F′(x,y)={KHH(x,y),KSS(x,y),KII(x,y)}={H′(x,y),S′(x,y),I′(x,y)}.

(4)

式中KH、KS、KI分別為設(shè)定的色度、飽和度和亮度的敏感度加權(quán)系數(shù).

經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)比較，當(dāng)KH=0.15、KS=0.30、KI=0.65時(shí)，可以有效地消除圖像紋理噪聲、淡化背景顏色以及突出亮度區(qū)域，從而達(dá)到快速判定高亮度點(diǎn)的目的[11-13].

(5)

3.3 太陽(yáng)區(qū)域的識(shí)別3.3.1 確定和分割高亮光斑區(qū)域

3.3.2 魚眼圖像快速轉(zhuǎn)換

魚眼圖像會(huì)造成很大的變形，因此必須將魚眼圖像轉(zhuǎn)換成平面透視圖像，從而提取太陽(yáng)區(qū)域特征信息，再根據(jù)特征信息來確定太陽(yáng)區(qū)域.本文采用基于球面模式的經(jīng)度坐標(biāo)校正魚眼圖像，其校正運(yùn)算簡(jiǎn)單，復(fù)雜度不高，轉(zhuǎn)換后的圖像雖然還會(huì)存在一定程度的失真，但已可滿足本系統(tǒng)的識(shí)別使用[14-15].

假設(shè)魚眼鏡頭可近似為半球面，視角180°，魚眼攝像頭的拍攝方向OZ軸為光軸，XOY為成像平面，圖3所示.對(duì)于空間場(chǎng)景中的一點(diǎn)P0，連P2交于半球面于點(diǎn)P1，過點(diǎn)P1作OZ軸的平行線，交底面圓于點(diǎn)P2，則點(diǎn)P2就是空間點(diǎn)P0所成魚眼圖像的像素點(diǎn).畫面中心部分的直線保持原來狀態(tài)，經(jīng)度越大的經(jīng)線，它的彎曲度越大，圖4中最外層白色圓形所包含的區(qū)域就是魚眼圖像有效區(qū)域.

基于球面模式的經(jīng)度坐標(biāo)校正就是保持縱坐標(biāo)不變，把圖像中的像素點(diǎn)的橫坐標(biāo)還原到原先位置，從而通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換來降低魚眼圖像的畸變程度.魚眼圖像的圓形有效區(qū)域的提取，校正參數(shù)(圓心坐標(biāo)和半徑)直接影響校正精度，校正轉(zhuǎn)換公式如下：

(6)

y-y0=V-y0?y=V.

(7)

其中(x0,y0)魚眼圖像的圓心坐標(biāo)，R為半徑.

3.3.3 太陽(yáng)區(qū)域特征的提取與動(dòng)態(tài)識(shí)別

將魚眼圖像投影轉(zhuǎn)換到平面圖像后可能會(huì)產(chǎn)生有多個(gè)高亮度斑區(qū).通過建立太陽(yáng)特征規(guī)則，例如輪廓形狀特征、面積特征以及動(dòng)態(tài)偏移特征等對(duì)多個(gè)高亮度斑區(qū)圖像進(jìn)行識(shí)別認(rèn)定[14-15].

1) 輪廓形狀特征.完整的太陽(yáng)光斑在平面圖像中應(yīng)呈現(xiàn)圓形.由于采用球面模式的經(jīng)度坐標(biāo)校正魚眼圖像，轉(zhuǎn)換后在圖像邊緣部分還會(huì)存在失真現(xiàn)象，因此長(zhǎng)寬比不可能近似相等，該目標(biāo)特征閥值參數(shù)范圍取值要大一些.

Ωn=Wn/Ln∈(0.8,1.2),n=1,2,3,….

(8)

其中Wn、Ln為第n個(gè)高亮斑區(qū)的最大長(zhǎng)度與寬度.

2) 面積特征.在魚眼鏡頭參數(shù)不變的情況下，任意時(shí)刻一個(gè)完整的太陽(yáng)光斑區(qū)域在圖像中的像素個(gè)數(shù)基本不變(NT=400).利用真正的太陽(yáng)光斑區(qū)域像素點(diǎn)個(gè)數(shù)會(huì)在一定范圍內(nèi)來區(qū)分判別是否是真的太陽(yáng)光斑.將每個(gè)高亮度斑區(qū)的像素個(gè)數(shù)總數(shù)設(shè)為Nn.

Φn=Nn/NT∈(0.5,1.2)，n=1,2,3,….

(9)

3) 動(dòng)態(tài)偏移特征[9].依據(jù)太陽(yáng)移動(dòng)軌跡特點(diǎn)規(guī)律，在較短時(shí)間內(nèi)，位置的變化量應(yīng)在一定范圍內(nèi)(即前后兩次采樣的太陽(yáng)重心坐標(biāo)偏差).為此首先要求出當(dāng)前高亮度光斑及平面重心，見式(10).

(10)

可根據(jù)當(dāng)前高亮度光斑區(qū)的重心坐標(biāo)(Ui,Vi)與前一時(shí)刻的太陽(yáng)重心坐標(biāo)(Ui-1,Vi-1)的偏差量Δi進(jìn)行判斷，見式(11).

(11)

若晴朗的天空，空中無多個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，魚眼圖像中的高亮度區(qū)域有且只有一個(gè)，即高亮度區(qū)域就是太陽(yáng)區(qū)域；當(dāng)天空中同時(shí)含有多個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，如飛機(jī)或云朵等其他飛行物時(shí)，其遮擋或反光會(huì)造成太陽(yáng)區(qū)域光斑受損或形成偽光斑，從而造成誤判.所以只有當(dāng)某個(gè)高亮度區(qū)域同時(shí)符合輪廓形狀特征、面積特征以及動(dòng)態(tài)偏移特征匹配識(shí)別(即同時(shí)滿足式(8)、(9)、(11))時(shí)，才能確認(rèn)該高亮度斑區(qū)域?yàn)樘?yáng)區(qū)域[16].

3.4 視點(diǎn)與太陽(yáng)相對(duì)方位的定位算法

根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)，當(dāng)太陽(yáng)光線入射角垂直時(shí)，平面圖像上太陽(yáng)重心坐標(biāo)一定與圖像篇幅的中心重合.利用該特性既可以作為計(jì)算任意時(shí)刻的高度角坐標(biāo)偏差和方位角坐標(biāo)偏差的依據(jù)，也可以作為入射角是否垂直的判斷條件.已知本系統(tǒng)用的魚眼攝像頭輸出640×480像素圖像和當(dāng)前時(shí)刻太陽(yáng)重心坐標(biāo)(Ui,Vi)，可計(jì)算出：高度角坐標(biāo)偏差值Δh=Ui-320；方位角度角坐標(biāo)偏差值Δα=Vi-240.

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用工控機(jī)IPC-8610-A10-02(配置為：Intel Pentium D 3 GHz處理器、2 GB DDR2內(nèi)存、160 GB SATA硬盤，圖像分辨率為 640×480像素，USB數(shù)據(jù)接口，速率25幀/s)，在WINDOWS XP SP3 環(huán)境下使用 VB 語(yǔ)言編寫跟蹤算法.考慮到太陽(yáng)位置在短時(shí)間內(nèi)變化不大，因此每間隔15 min才對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一次跟蹤，圖像采集頻率為5幀/s即可.魚眼圖像處理，太陽(yáng)區(qū)域識(shí)別及重心計(jì)算如圖5～7所示(為顯示需要，該圖片經(jīng)過反白處理,即圖中黑色光斑區(qū)就是實(shí)際的太陽(yáng)區(qū)域).

5 結(jié)語(yǔ)

采用魚眼圖像識(shí)別技術(shù)可以大視角捕捉天空全景圖像，通過HIS顏色模型的處理和球面模式算法的有效轉(zhuǎn)換,可以利用太陽(yáng)區(qū)域特征快速識(shí)別真正的太陽(yáng)光斑，有效避免由于天空多個(gè)飛行物或反光云朵所造成的誤判問題，從而現(xiàn)實(shí)對(duì)太陽(yáng)精確定位.此外可在本系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)相應(yīng)的濾光技術(shù)，不僅能減少光照幅度對(duì)魚眼鏡頭的影響，避免燒毀圖像傳感器，也能在全陰天環(huán)境中準(zhǔn)確捕捉太陽(yáng)位置，這是值得繼續(xù)研究的方向.

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(責(zé)任編輯 莊紅林)

Application of fish-eye image recognition technology in the solar tracking system

ZHENG Xiao-bin1，XUE Yu-qian2

(1.Department of Mechanical Engineering,Fujian Chuangzheng Communications College，F(xiàn)uzhou 350007，China；2.College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350000, China)

Through the processing of the panoramic sky image of HIS color model obtained from fish-eye lens, the fast conversions of their plane with the help of the spherical model, the extraction of the features of the solar shape, the area features and dynamic displacement in its high facular brightness, this paper gives a precise positioning of the sun based on the gravity calculation of its regional center.

HIS;fish-eye image conversion;regional characteristics of the sun;solar tracking method

2014-07-15.

福建省教育廳中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA13377、JB13289).

鄭曉斌(1982-)，男，碩士,講師.主要研究方向：智能控制技術(shù)、可再生能源與新能源發(fā)電.

TP751.1

A

1672-8513(2015)01-0052-05