高偉 高麗 西安工業(yè)大學電子信息工程學院

基于圖像傳感器的太陽光斑質心坐標獲取

高偉 高麗 西安工業(yè)大學電子信息工程學院

使用圖像傳感器拍攝太陽光斑，對其進行圖像處理和質心坐標檢測，并且對該坐標進行誤差分析，最后在單片機上的圖像傳感器-LCD模塊實現(xiàn)質心坐標的實時性獲取。實驗結果表明該方法可以準確地找到質心坐標，得出的結果在誤差范圍內，并且在圖像傳感器-LCD模塊上實現(xiàn)了該過程。該方法適用于太陽自動跟蹤系統(tǒng)，也可在其他目標檢測中予以應用。

太陽光斑 圖像處理 質心坐標 圖像傳感器—LCD模塊

1 引言

在太陽能的實際應用當中，存在著光照方向時間不斷變化等問題，這些問題影響和阻礙著太陽能技術的普及和發(fā)展，直到太陽自動跟蹤系統(tǒng)的出現(xiàn)才為這一問題提供了新的解決途徑。

為了實現(xiàn)太陽光的跟蹤，首先就要獲取到太陽的位置。太陽跟蹤的方法分為兩種：光電跟蹤和圖像傳感器跟蹤，傳統(tǒng)的光電式跟蹤容易受到光線的干擾，影響太陽位置的跟蹤精度。因此本文采用圖像傳感器—LCD模塊檢測太陽位置坐標,這種方法可以準確地獲得太陽光斑位置信息，實現(xiàn)了對太陽運動的實時檢測。

2 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)主要由圖像采集裝置、圖像傳感器、單片機、PC機等部分組成?？傮w設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

圖1中的虛線框部分是對太陽光斑進行圖像處理、質心檢測的研究。具體流程為：把拍攝的光斑圖像由單片機存儲至SD卡，之在電腦進行圖像處理，用以驗證質心坐標的精度。

之后在單片機上的圖像傳感器—LCD模塊內實現(xiàn)質心檢測算法,得到直觀的光斑處理效果以及太陽光斑質心坐標。

3 太陽光采集裝置的設計與硬件連接

3.1 太陽光采集裝置的設計

圖2 采集裝置示意圖

由圖2可以看出：太陽光經(jīng)小孔進入采集裝置內部在接收屏上形成太陽光斑圖像，之后在裝置底部的圖像傳感器拍攝接收屏上的光斑圖像，得到坐標參數(shù)。其中R為接收屏的半徑，H為接收屏與頂端的距離。該采集裝置可以安裝在極坐標式跟蹤系統(tǒng)之內，實時地檢測太陽的位置。

3.2 硬件連接

本系統(tǒng)的硬件包括帶有圖像處理功能的STM32F4單片機、3．2寸LCD、OV7670圖像傳感器。硬件連接圖如圖3所示。

圖3 硬件連接圖

OV7670中的YO—Y7接口可以把接收屏上的光斑圖像輸出給單片機，SOID接口可以使太陽光斑圖像保存在SD卡上。在LCD方面，讀取到光斑圖像之后，通過WR接口把圖像顯示在LCD上。

4 光斑處理研究與軟件實現(xiàn)

4.1 光斑處理研究

把采集到的太陽光斑保存至SD卡里，之后在計算機上用MATLAB對其進行圖像處理。本文所需要的圖像處理過程主要分為以下幾個步驟：

（1）采用中值濾波對原始圖像進行圖像增強，目的是排除原始圖像中含有的電子干擾噪聲。

（2）由于太陽光在不同時刻亮度會發(fā)生變化，因此采用最大類間方差法進行二值化處理，這種方法不受亮度和對比度的影響，對于太陽光斑的實時性處理而言最適合。圖4為光斑處理效果。

圖4 最大類間方差法二值化圖像

（3）光斑質心的提取

信息化建設是高校走向新世紀的必經(jīng)之路，高校在軟硬件兩個方面均做出了很大努力，雖在前進中取得可喜可賀的成績，但也仍然存在著亟待解決的問題：校園網(wǎng)基礎設施老化、校園網(wǎng)機房條件亟待改善、異地災備系統(tǒng)尚未建設、源數(shù)據(jù)質量有待提升、教學資源平臺等部分重要業(yè)務系統(tǒng)尚未建設、管理信息化平臺需進一步互聯(lián)互通。

一般的質心處理算法有以下兩種：

i．質心法

該方法是太陽光斑進行圖像一階矩的計算，掃描上一步處理的太陽光斑圖像，提取出像素值等于1的坐標然后根據(jù)以下公式進行計算：

其中（x0,y0）為計算的質心坐標。質心法計算簡單，但對噪聲比較敏感，抗干擾能力弱。

ii．圓的擬合算法

因為太陽傳感器采集到的太陽光斑為近似圓形，因此可以對光斑圖像進行擬合得出質心參數(shù)。首先對圖像進行canny邊緣檢測，之后掃描那些坐標值為1的點，完成光斑邊緣輪廓點的提取，最后進行最小二乘法圓的擬合。其中（x1,y1），（x2,y2）…(xn,yn)為邊緣點的像素坐標。這種方法尋找質心精度高，缺點是需要大量算法，從而給單片機實時性處理帶來了一定的困難。

圓的方程為：

取殘差為：

式中，（xi,yi）為圖像邊界點坐標。

殘差平方和為：

之后求殘差平方和的偏導數(shù)：

由上式可推導出圓心坐標的值（a，b）。即可得到光斑的質心坐標。兩種方法求得的坐標參數(shù)如表1所示。

表1 為兩種方法求得的太陽光斑質心坐標（4組）

兩種質心提取方法的誤差指標如表2所示。

表2 各個算法的誤差指標（單位：像素）

由于進行了圖像處理，因此要對圖像處理后的光斑質心參數(shù)進行誤差分析。在LCD屏幕上，像素點坐標為整數(shù)，即誤差標準lt;1個像素。若以誤差小的擬合法為誤差標準，質心法相對于擬合法的誤差如表3所示。

表3 以擬合法為標準的誤差分析（單位：像素）

由表1和表3可以看出質心法相比較于最小二乘圓擬合法，X軸方向誤差在0到0．1605個像素，Y軸方向誤差在0到0．1533個像素?？梢缘贸?，通過圖像處理，質心法誤差為0．1個像素，與表2的誤差參考一致，處理結果在誤差范圍內。

4.2 軟件實現(xiàn)

通過誤差分析，考慮到單片機的運行速度，本文選擇編寫算法更少的質心法作為圖像傳感器-LCD模塊獲取太陽光斑質心的算法。坐標獲取流程如圖5所示。

圖5 圖像傳感器-LCD模塊獲取坐標流程圖

LCD圖像處理結果和串口坐標顯示如圖6所示：

此次圖像傳感器—LCD模塊處理圖像速度為10幀/s,滿足了跟蹤太陽的實時性要求。

5 結論

在太陽自動跟蹤的系統(tǒng)中能否準確檢測出太陽光斑質心位置是實現(xiàn)太陽跟蹤的關鍵,決定著系統(tǒng)的精度和可靠性。本文設計的基于圖像傳感器的質心坐標獲取系統(tǒng),可以實現(xiàn)從圖像傳感器采集太陽圖像,并準確計算出光斑質心位置的圖像坐標。相比較于其他類似系統(tǒng)，該方法檢測方便，適用性強，可應用于極軸式太陽自動跟蹤裝置,也適用于其他相似的目標檢測系統(tǒng)。

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高偉，1992年10月出生,男，漢族，陜西咸陽人，在讀碩士,主要研究方向為太陽能跟蹤技術。E-mail：798712593@qq.com。