一種基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)與方法，該系統(tǒng)通過采用多臺相機(jī)實(shí)時拍攝天空，并可通過云臺控制系統(tǒng)控制云臺轉(zhuǎn)動或采用超廣角鏡頭使實(shí)現(xiàn)太陽和云層均位于圖像畫面上，該相機(jī)將所得到的天空中太陽及云層圖像傳入圖像處理裝置進(jìn)行圖像處理，根據(jù)圖像處理結(jié)果得到一系列關(guān)于太陽、云層及其變化趨勢的信息，并對定日鏡場和電站系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測和預(yù)警，為系統(tǒng)采取相應(yīng)的操作提供依據(jù)。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)天氣監(jiān)測系統(tǒng)只針對較大區(qū)域范圍，監(jiān)測精度較低的缺陷，對局部特定區(qū)域的天氣變化狀況進(jìn)行監(jiān)測，更精確地反映和預(yù)測局部區(qū)域的天氣情況。
【專利說明】一種基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)與方

法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中對天氣的監(jiān)測和預(yù)警，尤其涉及一種基于多相機(jī)實(shí)時拍攝天空并進(jìn)行圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)與方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]太陽能的開發(fā)和利用已成為全球重點(diǎn)研究的項(xiàng)目，塔式太陽能作為太陽能熱發(fā)電的一種模式，其基本形式是利用獨(dú)立跟蹤太陽的定日鏡組成定日鏡群，將太陽光反射至固定于接收塔頂?shù)募療崞?，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽或高溫蒸汽，推動汽輪機(jī)發(fā)電。
[0004]太陽輻射的大小受天氣狀況和云層等不可預(yù)知因素的影響，云層陰影遮擋將在段時間內(nèi)改變集熱器接收太陽輻射能量的大小，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)溫度的急劇變化，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)損壞。通常情況下，集熱器接受定日鏡反射過來的太陽光，其表面平均溫度往往能達(dá)到數(shù)百度，當(dāng)云層遮擋太陽后，鏡場接受的太陽輻射能急劇下降，系統(tǒng)溫度也會跟著降低；當(dāng)云層陰影離開鏡場，集熱器接收的太陽輻射又恢復(fù)到原來的輻射值，集熱器表面溫度也隨即上升，集熱器表面溫度在短時間內(nèi)急劇上升、下降，其壽命將受到嚴(yán)重影響。
[0005]因此，為了避免因云層對鏡場遮擋而影響乃至損壞整個塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，必須提出一種基于多相機(jī)實(shí)時拍攝和圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)與方法。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明旨在提供一種通過相機(jī)拍攝天空和計算機(jī)處理圖像信息，可以精確細(xì)致的反應(yīng)云層信息及其變法，對鏡場上空特定區(qū)域進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警，并為整個太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)采取相應(yīng)措施提供依據(jù)的一種基于多相機(jī)實(shí)時拍攝和圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)與方法。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測方法，包括以下步驟:
步驟1:控制云臺追日；每隔若干時間控制云臺轉(zhuǎn)動，確保太陽位于相機(jī)圖像畫面中心區(qū)域，或者通過控制相機(jī)廣角鏡頭確保太陽始終位于相機(jī)圖像畫面內(nèi)；
步驟2:云臺巡航掃描；每隔若干時間控制云臺按設(shè)置的巡航線路掃描，掃描結(jié)束云臺恢復(fù)至追日角度，或者通過控制相機(jī)廣角鏡頭確保足夠廣的監(jiān)控視野；
步驟3:多相機(jī)圖像采集；通過多個相機(jī)對天空圖像進(jìn)行實(shí)時采集，并將采集到的圖像傳送至一圖像處理裝置；
步驟4:多相機(jī)圖像處理；多相機(jī)圖像處理`模塊對不同相機(jī)在同一時刻拍攝的圖像進(jìn)行太陽中心位置的確定以及云層輪廓的查找和匹配，并根據(jù)匹配結(jié)構(gòu)對云層進(jìn)行編號；步驟5:計算云層高度；圖像處理裝置接收相機(jī)拍攝到的天空圖像，根據(jù)多相機(jī)圖像處理結(jié)果獲取云層匹配關(guān)系，對匹配的云層利用雙目視覺三維測距算法計算云層高度；
步驟6:鏡場遮擋判斷；圖像處理裝置接收相機(jī)傳輸?shù)膱D像，完成圖像處理操作，獲取云列表、云輪廓和云高信息，利用投影算法實(shí)現(xiàn)鏡場投影計算，并通過鏡場投影和云輪廓位置信息實(shí)現(xiàn)鏡場遮擋判斷；
步驟7:計算鏡場遮擋時間；圖像處理裝置接收相機(jī)傳輸?shù)膱D像，對前后幀圖像進(jìn)行云層跟蹤操作，完成跟蹤的云層利用特征點(diǎn)位置信息和前后幀圖像時間間隔，計算云移動速度，基于云移動速度、云輪廓位置和鏡場投影位置完成鏡場遮擋時間計算；
步驟8:信息顯示與預(yù)警；通過一顯示裝置顯示云高、影響等級、遮擋時間、遮擋比例信息，并對定日鏡場和整個發(fā)電系統(tǒng)后續(xù)的影響進(jìn)行預(yù)測和預(yù)警。
[0009]較佳地，所述步驟I進(jìn)一步包括:通過坐標(biāo)變換原理建立云臺轉(zhuǎn)動角度和太陽角度間的數(shù)學(xué)模型，通過多組測試數(shù)據(jù)獲取數(shù)學(xué)模型參數(shù)，根據(jù)所述數(shù)學(xué)模型設(shè)計云臺實(shí)時追日算法，并通過控制云臺轉(zhuǎn)動確保太陽在相機(jī)視野中心。
[0010]較佳地，所述步驟2通過擴(kuò)大監(jiān)測范圍進(jìn)行云臺巡航掃描，且所述步驟2進(jìn)一步包括:設(shè)置若干云臺巡航點(diǎn)數(shù)，按巡航點(diǎn)位置設(shè)置巡航線路，每隔若干時間控制所述云臺按設(shè)置的巡航線路巡航，所述云臺轉(zhuǎn)至巡航點(diǎn)時，太陽剛好位于監(jiān)控畫面的頂點(diǎn)；
其中，所述每個巡航點(diǎn)對應(yīng)一個畫面頂點(diǎn)，每個巡航點(diǎn)停留若干時間搜集圖像信息，巡航結(jié)束時控制所述云臺轉(zhuǎn)角使太陽位置處于監(jiān)控畫面中心；
而且，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理建立云臺轉(zhuǎn)動角度和圖像像素移動的數(shù)學(xué)模型，通過多組測試數(shù)據(jù)獲取數(shù)學(xué)模型參數(shù)，并通過所述數(shù)學(xué)模型設(shè)計不同時刻的云臺巡航點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)云臺巡航掃描。
[0011]較佳地，所述步驟5進(jìn)一步包括:通過一圖像處理裝置接收相機(jī)拍攝到的天空圖像，根據(jù)圖像間的匹配關(guān)系，每個相機(jī)可以匹配所對應(yīng)的同一片云層，對完成匹配的云層計算云高；其中，同一時刻下，太陽在兩個相同的且主光軸平行的相機(jī)中成像位置相同，通過平移兩幅圖片中的太陽中心位置重合于同一點(diǎn)來等效相機(jī)主光軸平行，保持云層位置和太陽相對位置不變，結(jié)合云層在不同相機(jī)中的位置，并根據(jù)雙目視覺三維測距原理計算云層高度。
[0012]較佳地，所述步驟6進(jìn)一步包括:通過圖像處理裝置接收相機(jī)拍攝的天空圖像，在所述天空圖像中定位太陽位置并進(jìn)行云層監(jiān)測，獲取云層信息列表，并通過判斷云層是否遮擋鏡場，且其具體判斷方法包括:
其中，將定日鏡場所在的區(qū)域投射至所述步驟5所計算的云高平面形成一個虛擬鏡場，通過模擬該攝像機(jī)成像原理把真實(shí)世界坐標(biāo)系的虛擬鏡場投射到相機(jī)圖像像素坐標(biāo)系，完成鏡場投影計算，比較鏡場投影覆蓋的像素和云層覆蓋的像素；如果一個像素點(diǎn)既屬于鏡場投影覆蓋的區(qū)域，又屬于云層覆蓋區(qū)域則可判斷云層遮擋鏡場，并根據(jù)符合遮擋判斷條件的像素點(diǎn)數(shù)和鏡場投影大小計算鏡場遮擋比例。
[0013]較佳地，所述步驟7進(jìn)一步包括:基于圖像匹配算法查找出每臺相機(jī)前后兩幀圖像中云層的位置，計算前后兩幀圖像云層移動的像素值，結(jié)合對應(yīng)的云高，計算云移動速度大小及方向，通過對比鏡場投影覆蓋區(qū)域和云層覆蓋區(qū)域計算云層進(jìn)入鏡場、離開鏡場及遮擋持續(xù)的時間。
[0014]較佳地，所述步驟5和所述步驟7均根據(jù)云匹配跟蹤算法進(jìn)行計算云層高度和鏡場遮擋時間，且所述云匹配跟蹤算法進(jìn)一步包括:首先采用圖像特征匹配算法查找出兩幀圖像所有特征匹配點(diǎn)，通過特征匹配點(diǎn)和云輪廓點(diǎn)在圖像中的位置關(guān)系，確定每幀圖像云所包含的特征匹配點(diǎn)個數(shù)，并基于所有特征匹配點(diǎn)和云輪廓內(nèi)部特征匹配點(diǎn)統(tǒng)計信息，設(shè)計云跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)兩幀圖像特定云層的匹配跟蹤。
[0015]本發(fā)明還提出了一種基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)，包括:(XD相機(jī)組，包括至少兩臺C⑶相機(jī)，通過所述CXD相機(jī)拍攝一定日鏡場上方天空的太陽和云層；云臺，所述云臺設(shè)置在定日鏡場中或定日鏡場外圍，且所述CCD相機(jī)裝載在所述云臺上；圖像處理裝置，所述圖像處理裝置分別連接所述CXD相機(jī)，且所述圖像處理裝置接收并處理所述CXD相機(jī)拍攝到的太陽和云層圖像，并將處理后的信息發(fā)送至一顯示裝置；顯示裝置，所述顯示裝置接收所述圖像處理裝置發(fā)送的信息，并選擇性地顯示云高、影響等級、遮擋時間信息。
[0016]較佳地，所述基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)還包括一云臺控制裝置，所述云臺控制裝置連接所述圖像處理裝置，通過所述云臺控制裝置控制并調(diào)整所述云臺的轉(zhuǎn)角和所述CCD相機(jī)的視角，保證太陽和云層位于所述CCD相機(jī)的視野內(nèi)。
[0017]較佳地，所述C⑶相機(jī)上設(shè)置為超廣角鏡頭，且所述超廣角鏡頭的超廣角視角可接近、達(dá)到或超過180° ;此時該天氣監(jiān)測系統(tǒng)可不設(shè)置云臺控制系統(tǒng)，可通過超廣角鏡頭的超廣角視角獲取太陽和云層信息。
[0018]較佳地，所述CXD相機(jī)上設(shè)置為超廣角鏡頭或普通鏡頭，且所述超廣角鏡頭的超廣角視角可接近、達(dá)到或超過180° ;此時該天氣監(jiān)測系統(tǒng)可設(shè)置云臺控制系統(tǒng)，通過該云臺控制系統(tǒng)控制云臺的轉(zhuǎn)動，使該普通鏡頭或超廣角鏡頭獲取太陽和云層信息。
[0019]較佳地，所述超廣角鏡頭包括魚眼鏡頭，而且在該C⑶相機(jī)使用該魚眼鏡頭的時候，該基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)可不設(shè)置云臺控制裝置；可直接通過該魚眼鏡頭的廣角視角確保太陽和云層位于相機(jī)視野內(nèi)；相反，當(dāng)該CCD相機(jī)設(shè)置為普通鏡頭時，必須通過云臺控制裝置控制云臺轉(zhuǎn)動，從而保證太陽和云層能位于相機(jī)視野內(nèi)。
[0020]較佳地，所述CCD相機(jī)之間的直線距離通過所監(jiān)測的云層高度、相機(jī)視角以及雙目測距(即雙目視覺三維測距)需保證的精度決定；具體的，雙目測距的誤差由相機(jī)距離、相機(jī)視角、測試物體距離，假設(shè)測距物體在兩張圖像中像素點(diǎn)誤差不變，那么相機(jī)距離越遠(yuǎn)，測試誤差越大；通過圖像處理分析兩張圖像物體像素誤差，相機(jī)視角固定，已知測試云高的變化范圍，則可以確定相機(jī)距離和測距精度的相關(guān)性，從而可以確定該CCD相機(jī)之間的直線距離。
[0021]較佳地，所述每個云臺上設(shè)置有一臺C⑶相機(jī)，且所有的CXD相機(jī)安裝在同一水平高度。
[0022]較佳地，所述云臺通過算法校正安裝位置，從而確保云臺追日監(jiān)控精度。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
1、本發(fā)明的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)與方法，通過云臺控制裝置實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控區(qū)域的精確定位和靈活調(diào)整，對鏡場上空局部特定區(qū)域的天氣變化狀況進(jìn)行監(jiān)測，克服了傳統(tǒng)天氣監(jiān)測系統(tǒng)針對較大區(qū)域范圍，監(jiān)測精度較低的缺陷，更準(zhǔn)確地反映和預(yù)測局部區(qū)域的天氣情況，為整個發(fā)電系統(tǒng)提供預(yù)警。
[0024]2、本發(fā)明的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)與方法，通過利用雙目測距法，可有效避免相機(jī)主光軸在安置中要求平行這一難點(diǎn)，可以更方便快捷地利用相似原理計算云層高度。
[0025]3、本發(fā)明的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)與方法，通過把鏡場平移至云層等高處形成一個虛擬區(qū)域，再把虛擬區(qū)域變換到C⑶平面上對應(yīng)的漁區(qū)判斷遮擋，此方法一方面只需要進(jìn)行一次坐標(biāo)變換，大大提高了計算速度；另一方面，鏡場輪廓比云層輪廓簡單的多，在坐標(biāo)變換中有效避免了云層等復(fù)雜輪廓在不同坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)換，降低了計算難度，提高了計算效率。
[0026]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明實(shí)施的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)示意圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)控系統(tǒng)的整體工作流程圖；
圖3為本發(fā)明實(shí)施的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)控系統(tǒng)的雙目視覺三維測距示意圖；
圖4為本發(fā)明實(shí)施的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)控系統(tǒng)的雙目視覺三維測距過程中拍攝的天空示意圖；
圖5為本發(fā)明實(shí)施的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)控系統(tǒng)的地面經(jīng)常投影到云高平面示意圖；
圖6為本發(fā)明實(shí)施的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)控系統(tǒng)的地面鏡場在相機(jī)監(jiān)控畫面投影示意圖；
圖7為本發(fā)明實(shí)施的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)控系統(tǒng)的單相機(jī)圖像處理程序的工作流程圖；
圖8為本發(fā)明實(shí)施的雙目視覺三維測距算法基本原理示意圖。
[0028]符號列表:
1-CXD相機(jī)組，Ia-第一臺CXD相機(jī)，Ib-第二臺CXD相機(jī)，Ic-第三臺CXD相機(jī)，Id-第四臺CXD相機(jī)，2-云臺，3-圖像處理裝置，4-云臺控制裝置，5-顯示裝置，6-定日鏡場，7-陰影，8-集熱器。
[0029]【具體實(shí)施方式】:
參見示出本發(fā)明實(shí)施例的附圖，下文將更詳細(xì)的描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以以不同形式、規(guī)格等實(shí)現(xiàn)，并且不應(yīng)解釋為受在此提出之實(shí)施例的限制。相反，提出這些實(shí)施例是為了達(dá)成充分及完整公開，并且使更多的有關(guān)本【技術(shù)領(lǐng)域】的人員完全了解本發(fā)明的范圍。這些附圖中，為清楚可見，可能放大或縮小了相對尺寸。
[0030]現(xiàn)參考圖1至圖7詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)與方法，如圖1所示，本發(fā)明提供的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)，CXD相機(jī)組1、云臺2、圖像處理裝置3、云臺控制裝置4和顯示裝置5;其中，該CXD相機(jī)組I至少包括兩臺CXD相機(jī)，通過該CXD相機(jī)拍攝定日鏡場6上方天空的太陽和云層；該云臺2與(XD相機(jī)對應(yīng)設(shè)置,該(XD相機(jī)設(shè)置在云臺2上,且該云臺2設(shè)置在鏡場中或鏡場外圍；該圖像處理裝置3分別連接該CXD相機(jī)和顯示裝置5，且該圖像處理裝置3接收并處理該CXD相機(jī)拍攝到的太陽和云層圖像，并將處理后的信息發(fā)送至一顯示裝置5 ;該顯示裝置5接收該圖像處理裝置3發(fā)送的信息，并選擇性的顯示云層高度、影響等級和遮擋時間等云層主要信息量及物理量；該云臺控制裝置4連接圖像處理裝置3，該云臺控制裝置4接收來自圖像處理裝置3的信息，用于對云臺轉(zhuǎn)角即C⑶相機(jī)視角進(jìn)行調(diào)整，保證太陽和云層能位于相機(jī)視野內(nèi)，所有的云臺2由一個云臺控制裝置4統(tǒng)一控制，且該云臺控制裝置4根據(jù)接收到的圖像處理裝置處理后的信息，適時調(diào)整云臺2，從而保證相機(jī)始終以合適的角度拍攝天空。
[0031]其中，如圖1所示，云層在定日鏡場6上產(chǎn)生陰影7，該陰影7的變化引起集熱器8接收太陽輻射的變化，該CCD相機(jī)組I形成陣列式排布，對天空中的太陽和云層進(jìn)行實(shí)時拍攝，并將拍攝的圖像傳送至圖像處理裝置3中，通過該圖像處理裝置3對圖像進(jìn)行處理，并分析計算出云層對鏡場的遮擋變化情況并為電站系統(tǒng)做出預(yù)報和預(yù)警。
[0032]而且，該CXD相機(jī)裝載有超廣角鏡頭，且該超廣角鏡頭的視角范圍可接近或超過180°，比如魚眼鏡頭；在具體實(shí)施過程中，該魚眼鏡頭可設(shè)置在一個僅僅支撐及裝載CCD相機(jī)的護(hù)罩底座即可，可通過CCD相機(jī)的魚眼鏡頭進(jìn)行監(jiān)測，而不需要通過云臺控制裝置4控制云臺2對該CCD相機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，則該云臺控制裝置4可省去；當(dāng)然，該CCD相機(jī)的鏡頭也可以為普通鏡頭，可通過云臺控制裝置4控制云臺2轉(zhuǎn)動，從而控制該CCD相機(jī)轉(zhuǎn)動，并拍攝近場上方天空的太陽和云層。而且，每個云臺2上設(shè)置有一臺CXD相機(jī)，所有的CCD相機(jī)均安裝在同一水平高度，且CCD相機(jī)之間(或云臺之間)的直線距離通過所需要監(jiān)測的云層高度、相機(jī)視角以及雙目測距需保證的精度決定；具體的，雙目測距的誤差由相機(jī)距離、相機(jī)視角、測試物體距離決定，假設(shè)測距物體在兩張圖像中像素點(diǎn)誤差不變，那么相機(jī)距離越遠(yuǎn)，測試誤差越大；通過圖像處理并分析兩張圖像物體像素誤差是，相機(jī)視角固定，已知測試云高的變化范圍，可以確定相機(jī)距離和測距精度的相關(guān)性，進(jìn)而，即可得出CCD相機(jī)之間的直線距離。
[0033]另外，該云臺2通過云臺姿態(tài)糾正算法糾正云臺的安裝位置，其中，該云臺姿態(tài)糾正算法為建立并解析云臺下發(fā)角度和實(shí)際位置間的數(shù)學(xué)模型，從而確保云臺追日監(jiān)控精度。該云臺控制裝置4控制所有的云臺2，且能夠獨(dú)立下發(fā)命令，每個云臺2根據(jù)對應(yīng)的命令進(jìn)行調(diào)整；該云臺控制裝置4可每隔若干時間控制云臺2轉(zhuǎn)動，采用云臺追日算法確保太陽位于相機(jī)圖像畫面的中心區(qū)域。每臺CCD相機(jī)對指定區(qū)域的天空進(jìn)行實(shí)時拍攝，并將拍攝到的圖像傳給圖像處理裝置3 ;該圖像處理裝置3可以同時處理來自多個相機(jī)的圖片，并能根據(jù)相機(jī)列表編號及對應(yīng)設(shè)置的相機(jī)IP區(qū)分圖片；該圖像處理裝置3的多相機(jī)處理程序處理同一時刻來自不同相機(jī)的圖片，對每幅圖片進(jìn)行太陽中心位置的確定以及云層輪廓的查找和匹配，并完成對云層的編號和云層高度的計算；該圖像處理裝置3的單相機(jī)處理程序處理來自同一相機(jī)的前后兩幀圖片，對不同圖片進(jìn)行特征匹配，基于匹配信息實(shí)現(xiàn)不同圖像云層的匹配跟蹤，對完成匹配跟蹤的云層計算移動速度，獲取云高信息用投影算法實(shí)現(xiàn)鏡場投影計算，并利用云移動速度、云輪廓信息和鏡場投影位置信息判斷云層是否遮擋鏡場，并計算云層遮擋鏡場時間、離開鏡場時間、鏡場遮擋比例等信息。圖像處理之后把這些遮擋鏡場時間、離開鏡場時間、鏡場遮擋比例等信息傳到顯示裝置5顯示云層信息，并對整個發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警，為系統(tǒng)采取相應(yīng)措施提供依據(jù)。同時，云臺控制裝置4接收來自圖像處理裝置3的信息，根據(jù)圖片中云層和太陽的位置，判斷是否符合云臺巡航掃描條件，若滿足條件則根據(jù)事先設(shè)定的云臺巡航線路掃描，每擱若干時間控制云臺轉(zhuǎn)動至巡航點(diǎn)，掃描結(jié)束后云臺回復(fù)至追日角度，并適時調(diào)整相機(jī)視角，從而保證相機(jī)始終能以合適的角度對天空進(jìn)行拍攝。
[0034]如圖2所述，整個天氣監(jiān)控系統(tǒng)的具體工作步驟包括:
步驟1:多個云臺進(jìn)行追日；啟動云臺進(jìn)行追日，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理建立云臺的轉(zhuǎn)動角度和太陽角度間的數(shù)學(xué)模型，通過多組測試數(shù)據(jù)獲取數(shù)學(xué)模型參數(shù)，并根據(jù)該數(shù)學(xué)模型設(shè)計云臺實(shí)時追日算法，從而根據(jù)當(dāng)時太陽角度和云臺的環(huán)境變量獲取云臺的追日角度，并每隔若干時間控制云臺轉(zhuǎn)動，確保太陽位于相機(jī)圖像畫面中心區(qū)域或者通過控制相機(jī)廣角鏡頭確保太陽始終位于相機(jī)圖像畫面內(nèi)。
[0035]步驟2:云臺巡航掃描，具體的，通過設(shè)置若干云臺巡航點(diǎn)數(shù)，在本實(shí)施例中，設(shè)置有四個云臺巡航點(diǎn)數(shù)，按巡航點(diǎn)位置設(shè)置巡航線路，每隔若干時間控制所述云臺轉(zhuǎn)動并按設(shè)置的巡航線路巡航，云臺轉(zhuǎn)至巡航點(diǎn)時，太陽剛好位于監(jiān)控畫面的頂點(diǎn)，每個巡航點(diǎn)對應(yīng)一個畫面頂點(diǎn)，每個巡航點(diǎn)停留若干時間搜集圖像信息，巡航結(jié)束控制云臺轉(zhuǎn)角使太陽位置處于監(jiān)控畫面中心。通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理建立云臺轉(zhuǎn)動角度和圖像像素移動的數(shù)學(xué)模型，通過多組測試數(shù)據(jù)獲取數(shù)學(xué)模型參數(shù)，并根據(jù)此數(shù)學(xué)模型設(shè)計不同時刻的云臺巡航點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)云臺巡航掃描。
[0036]步驟3:多相機(jī)圖像采集；首先開啟每個CXD相機(jī)，多個CXD相機(jī)開始對天空圖像進(jìn)行實(shí)時采集，并將采集到的圖像傳送至圖像處理裝置。
[0037]步驟4:多相機(jī)圖像處理；利用CCD相機(jī)編號以及圖像編號的對應(yīng)關(guān)系，多相機(jī)圖像處理模塊對獲取的圖像進(jìn)行區(qū)分識別；圖像處理裝置對不同的CCD相機(jī)在同一時刻拍攝的圖像進(jìn)行圖像處理，具體的處理過程包括:
1、太陽中心定位:將獲取的RGB三通道彩圖轉(zhuǎn)換成灰度圖，設(shè)置灰度閾值將灰度圖轉(zhuǎn)換成二值圖，對高位區(qū)域擬合輪廓，獲取輪廓中心點(diǎn)即為太陽中心位置；
2、云層輪廓識別:以太陽中心位置為圓心，取任意方向長度為r半徑，利用半徑上各個點(diǎn)到圓心距離和對應(yīng)灰度值建立數(shù)學(xué)模型，即高斯模型，利用高斯模型去除圖像中太陽區(qū)域，對去除太陽區(qū)域后的圖像統(tǒng)計各像素點(diǎn)R\B和G\B比值，設(shè)置比值的閾值參數(shù)，并利用閾值參數(shù)將圖像分割成天空和云層兩部分，對云層部分?jǐn)M合輪廓；
3、云層匹配跟蹤:首先采用圖像特征匹配算法查找出兩幀圖像所有特征匹配點(diǎn)，通過特征匹配點(diǎn)和云輪廓點(diǎn)在圖像中的位置關(guān)系，確定每幀圖像云層所包含的特征匹配點(diǎn)個數(shù)，基于所有特征匹配點(diǎn)和云輪廓內(nèi)部特征匹配點(diǎn)統(tǒng)計信息，設(shè)計云跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)兩幀圖像特定云層的匹配跟蹤；
4、云層編號:基于云層匹配跟蹤結(jié)果，按照云層輪廓到太陽中心點(diǎn)的距離依次對圖像中全部匹配的云層進(jìn)行編號。
[0038]步驟5:計算云層高度；圖像處理裝置接收多個C⑶相機(jī)拍攝到的天空圖像和圖像處理裝置處理的圖像結(jié)果，根據(jù)多相機(jī)圖像處理云匹配跟蹤結(jié)果，每個CXD相機(jī)可以匹配對應(yīng)的同一片云層，根據(jù)同一片云層和太陽在不同C⑶相機(jī)中的成像位置的不同，利用雙目視覺三維測距算法完成對云高的計算。具體的，如圖3所示，第一臺C⑶相機(jī)Ia放置于原點(diǎn)O處，第二臺CXD相機(jī)Ib置距原點(diǎn)O距離為d (基線長度)的B處，物體A在空間任意一點(diǎn)(X，y，z)，其中χ-y軸平面為兩臺相機(jī)所在平面為兩臺(XD相機(jī)焦平面中心，SP焦點(diǎn)；A1、A2是A在兩臺(XD相機(jī)上的像，焦平面坐標(biāo)分別是(X1, Y1)、(x2, y2)，兩C⑶相機(jī)焦平面上y1， y2方向一致且與基線方向垂直。假如相機(jī)I和相機(jī)2同一時刻拍到的天空圖像如圖4所示，根據(jù)同一時刻太陽高度角和方位角相同這個特點(diǎn)，平移兩幅圖，使得圖像太陽中心重合，保持云層位置和太陽相對位置不變，結(jié)合云在不同相機(jī)中的位置，根據(jù)相似原
理可以計算云層高度。
[0039]其中，雙目視覺三維測距原理如圖8所示，其中點(diǎn)P為目標(biāo)點(diǎn)，Xl、yi分別為圖像像素坐標(biāo)系坐標(biāo)軸，P1、P2分別為P點(diǎn)在兩臺相機(jī)圖像坐標(biāo)系中的位置，假設(shè)相機(jī)焦距為f，相機(jī)距離為T，P點(diǎn)距離為Ζ，Ρ1坐標(biāo)為(Xl，Y1),Ρ2坐標(biāo)為(x2，y2)，那么根據(jù)相似三角形原
【權(quán)利要求】
1.一種基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:控制云臺追日 每隔若干時間控制云臺轉(zhuǎn)動，確保太陽位于相機(jī)圖像畫面中心區(qū)域，或者通過控制相機(jī)廣角鏡頭確保太陽始終位于相機(jī)圖像畫面內(nèi)； 步驟2:云臺巡航掃描 每隔若干時間控制云臺按設(shè)置的巡航線路掃描，掃描結(jié)束云臺恢復(fù)至追日角度，或者通過控制相機(jī)廣角鏡頭確保足夠廣的監(jiān)控視野； 步驟3:多相機(jī)圖像米集 通過多個相機(jī)對天空圖像進(jìn)行實(shí)時采集，并將采集到的圖像傳送至一圖像處理裝置； 步驟4:多相機(jī)圖像處理 多相機(jī)圖像處理模塊對不同相機(jī)在同一時刻拍攝的圖像進(jìn)行太陽中心位置的確定以及云層輪廓的查找和匹配，并根據(jù)匹配結(jié)構(gòu)對云層進(jìn)行編號； 步驟5:計算云層高度 圖像處理裝置接收相機(jī)拍攝到的天空圖像，根據(jù)多相機(jī)圖像處理結(jié)果獲取云層匹配關(guān)系，對匹配的云層利用雙目視覺三維測距算法計算云層高度； 步驟6:鏡場遮擋判斷` 圖像處理裝置接收相機(jī)傳輸?shù)膱D像，完成圖像處理操作，獲取云列表、云輪廓和云高信息，利用投影算法實(shí)現(xiàn)鏡場投影計算，并通過鏡場投影和云輪廓位置信息實(shí)現(xiàn)鏡場遮擋判斷； 步驟7:計算鏡場遮擋時間 圖像處理裝置接收相機(jī)傳輸?shù)膱D像，對前后幀圖像進(jìn)行云層跟蹤操作，完成跟蹤的云層利用特征點(diǎn)位置信息和前后幀圖像時間間隔，計算云移動速度，基于云移動速度、云輪廓位置和鏡場投影位置完成鏡場遮擋時間計算； 步驟8:信息顯示與預(yù)警 通過一顯示裝置顯示云高、影響等級、遮擋時間、遮擋比例信息，并對定日鏡場和整個發(fā)電系統(tǒng)后續(xù)的影響進(jìn)行預(yù)測和預(yù)警。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟I進(jìn)一步包括:通過坐標(biāo)變換原理建立云臺轉(zhuǎn)動角度和太陽角度間的數(shù)學(xué)模型，通過多組測試數(shù)據(jù)獲取數(shù)學(xué)模型參數(shù)，根據(jù)所述數(shù)學(xué)模型設(shè)計云臺實(shí)時追日算法，并通過控制云臺轉(zhuǎn)動確保太陽在相機(jī)視野中心。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟2通過擴(kuò)大監(jiān)測范圍進(jìn)行云臺巡航掃描，且所述步驟2進(jìn)一步包括:設(shè)置若干云臺巡航點(diǎn)數(shù)，按巡航點(diǎn)位置設(shè)置巡航線路，每隔若干時間控制所述云臺按設(shè)置的巡航線路巡航，所述云臺轉(zhuǎn)至巡航點(diǎn)時，太陽剛好位于監(jiān)控畫面的頂點(diǎn)； 其中，所述每個巡航點(diǎn)對應(yīng)一個畫面頂點(diǎn)，每個巡航點(diǎn)停留若干時間搜集圖像信息，巡航結(jié)束時控制所述云臺轉(zhuǎn)角使太陽位置處于監(jiān)控畫面中心； 而且，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理建立云臺轉(zhuǎn)動角度和圖像像素移動的數(shù)學(xué)模型，通過多組測試數(shù)據(jù)獲取數(shù)學(xué)模型參數(shù)，并通過所述數(shù)學(xué)模型設(shè)計不同時刻的云臺巡航點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)云臺巡航掃描。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟5進(jìn)一步包括:通過一圖像處理裝置接收相機(jī)拍攝到的天空圖像，根據(jù)圖像間的匹配關(guān)系，每個相機(jī)可以匹配所對應(yīng)的同一片云層，對完成匹配的云層計算云高；其中，同一時刻下，太陽在兩個相同的且主光軸平行的相機(jī)中成像位置相同，通過平移兩幅圖片中的太陽中心位置重合于同一點(diǎn)來等效相機(jī)主光軸平行，保持云層位置和太陽相對位置不變，結(jié)合云層在不同相機(jī)中的位置，并根據(jù)雙目視覺三維測距原理計算云層高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟6進(jìn)一步包括:通過圖像處理裝置接收相機(jī)拍攝的天空圖像，在所述天空圖像中定位太陽位置并進(jìn)行云層監(jiān)測，獲取云層信息列表，并通過判斷云層是否遮擋鏡場，且其具體判斷方法包括: 其中，將定日鏡場所在的區(qū)域投射至所述步驟5所計算的云高平面形成一個虛擬鏡場，通過模擬該攝像機(jī)成像原理把真實(shí)世界坐標(biāo)系的虛擬鏡場投射到相機(jī)圖像像素坐標(biāo)系，完成鏡場投影計算，比較鏡場投影覆蓋的像素和云層覆蓋的像素；如果一個像素點(diǎn)既屬于鏡場投影覆蓋的區(qū)域，又屬于云層覆蓋區(qū)域則可判斷云層遮擋鏡場，并根據(jù)符合遮擋判斷條件的像素點(diǎn)數(shù)和鏡場投影大小計算鏡場遮擋比例。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟7進(jìn)一步包括:基于圖像匹配算法查找出每臺相機(jī)前后兩幀圖像中云層的位置，計算前后兩幀圖像云層移動的像素值，結(jié)合對應(yīng)的云高，計算云移動速度大小及方向，通過對比鏡場投影覆蓋區(qū)域和云層覆蓋區(qū)域計算云層進(jìn)入鏡場、離開鏡場及遮擋持續(xù)的時間。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或6所述的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟5和所述步驟7均根據(jù)云匹配跟蹤算法進(jìn)行計算云層高度和鏡場遮擋時間，且所述云匹配跟蹤算法進(jìn)一`步包括: 首先采用圖像特征匹配算法查找出兩幀圖像所有特征匹配點(diǎn)，通過特征匹配點(diǎn)和云輪廓點(diǎn)在圖像中的位置關(guān)系，確定每幀圖像云所包含的特征匹配點(diǎn)個數(shù)，并基于所有特征匹配點(diǎn)和云輪廓內(nèi)部特征匹配點(diǎn)統(tǒng)計信息，設(shè)計云跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)兩幀圖像特定云層的匹配跟蹤。
8.一種基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括: CXD相機(jī)組，包括至少兩臺CXD相機(jī)，通過所述CXD相機(jī)拍攝一定日鏡場上方天空的太陽和云層； 云臺，所述云臺設(shè)置在定日鏡場中或定日鏡場外圍，且所述CCD相機(jī)裝載在所述云臺上； 圖像處理裝置，所述圖像處理裝置分別連接所述CXD相機(jī)，且所述圖像處理裝置接收并處理所述CXD相機(jī)拍攝到的太陽和云層圖像，并將處理后的信息發(fā)送至一顯示裝置； 顯示裝置，所述顯示裝置接收所述圖像處理裝置發(fā)送的信息，并選擇性地顯示云高、影響等級、遮擋時間信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)還包括一云臺控制裝置，所述云臺控制裝置連接所述圖像處理裝置，通過所述云臺控制裝置控制并調(diào)整所述云臺的轉(zhuǎn)角和所述CCD相機(jī)的視角，保證太陽和云層位于所述CCD相機(jī)的視野內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述CCD相機(jī)上設(shè)置為超廣角鏡頭，且所述超廣角鏡頭的超廣角視角可接近、達(dá)到或超過180°。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述CCD相機(jī)上設(shè)置為超廣角鏡頭或普通鏡頭，所述超廣角鏡頭的超廣角視角可接近、達(dá)到或超過180°。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述超廣角鏡頭包括魚眼鏡頭。
13.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述CCD相機(jī)之間的直線距離通過所監(jiān)測的云層高度、相機(jī)視角以及雙目測距需保證的精度決定。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述每個云臺上設(shè)置有一臺CCD相機(jī)，且所有的CCD相機(jī)安裝在同一水平高度。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于多相機(jī)實(shí)時拍攝與圖像處理的天氣監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述云臺通過云臺姿態(tài)糾正算法糾正安裝位置，從而確保云臺追日監(jiān)控精度。
【文檔編號】G01W1/04GK103513295SQ201310441359
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】宓霄凌, 徐斌, 金建祥, 徐能 申請人:青海中控太陽能發(fā)電有限公司