基于低秩約束的光伏面板清潔度檢測方法技術

本發明專利技術公開了一種基于低秩約束的光伏面板清潔度檢測方法。主要解決對光伏面板圖像的清潔度自動分析問題。其實現步驟為：（1）拍攝一幅光伏面板圖像，并檢測面板的4個角點；（2）將檢測到的角點與逆透視投影圖中固定的角點配對，通過最小二乘法計算出透視投影變換矩陣；（3）通過透視投影變換矩陣恢復逆透視投影圖；（4）通過霍夫變換提取圖像中的直線，并通過直線將圖像分成多個子塊；（5）將子塊通過雙線性插值歸一化到同樣大小，并列向量化，組成矩陣；（6）建立低秩分解模型，通過Inexact?ALM以及近似的快速SVD分解方法計算出灰塵圖像；（7）通過灰塵圖像計算圖像子塊的清潔度以及整體的清潔度。本發明專利技術不僅能夠評估累積的散落灰塵，也可以評估成塊的沙塵覆蓋。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于太陽能發電領域的光伏面板的清潔度檢測技術，具體地說，是一種通過圖像來自動計算光伏面板清潔度的方法。
技術介紹
隨著生態環境的逐步惡化，化石燃料日趨緊張的今天，能源與環境問題已經成為全球關注的焦點。與傳統的化石燃料相比，太陽能有著非常大的優勢，太陽能作為清潔、安全的可再生資源，必將成為21世紀化石能源的最佳替代者之一。太陽能發電有兩種主要的形式，集熱發電與光伏發電，對于長期運行的光伏系統而言，面板積灰及其影響是一個不容忽視的問題。光伏面板表面的灰塵具有反射、散射和吸收太陽輻射的作用，導致電池前蓋玻璃的透光率降低，從而導致光電轉換效率降低，輸出功率隨之減小此外，灰塵吸收太陽輻射可使電池板升溫，并且灰塵中含有一些腐蝕性的化學成分，若聚集到一起可形成“黑斑”，降低電池板的使用壽命。電池板表面的灰塵在不同的太陽輻射、環境溫度、遮擋和腐蝕等作用下，對光伏發電系統的發電性能和使用情況等有不同程度的影響。目前有許多的專利技術及論文都提及到了光伏面板的除塵，包括使用機械臂定期打掃，采用不同的清潔劑實現對灰塵的清除等。然而，眾多的專利技術只說了如何清除灰塵，但是如何檢測光伏面板的清潔度并沒有任何的介紹。目前，光伏表面清潔度的檢測大多是只能通過人工進行，或者在未知面板清潔程度的情況下，定期的對面板進行清潔，這樣就浪費了大量的人力、物力。如果能夠在清潔前，采用自動檢測的方法探明面板的清潔程度，提醒相關工作人員，合理的安排清潔時機，有針對性的對相應的目標進行清潔，可以在人力、物力的損耗以及光伏面板發電效率之間找到一個最優的平衡，節省大量的成本。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種能夠滿足在無人情況下，通過拍攝光伏表面的圖像自動分析光伏面板清潔程度的方法。實現本專利技術目的的技術解決方案為：一種基于低秩約束的光伏表面清潔度檢測方法，其步驟為：1.光伏圖像的逆透視變換1)不需要考慮拍攝角度，對光伏面板拍攝一幅圖像，但是光伏面板要全部包含在圖像內；2)通過顏色檢測的方法檢測出光伏面板，并提取其四個角點，并對應到逆透視投影圖像上，3)計算出透視投影變換矩陣，通過此矩陣將圖像中光伏面板全部恢復的逆透視變換圖像中。2.圖像的分塊處理1)將逆透視變換圖像采用Sobel算子檢測邊緣，并進行二值化；2)采用霍夫變換在上面獲得圖像中提取近似豎直和水平的直線，霍夫變換過程中采用投票點篩選法篩選出正確的光伏表面分割線；3)按照分割線將圖像分塊，分成的圖像塊采用雙線性插值縮放到同一尺寸；4)將處理后的圖像塊向量化為列向量，并將所有的列向量組成一個圖像矩陣；3.清潔度計算1)建立含噪聲圖像矩陣的低秩分解模型；2)根據此模型，采用增廣拉格朗日乘子法(ALM)恢復出干凈的光伏面板圖像以及面板灰塵圖像；在ALM中采用快速的近似方法計算SVD分解；3)針對面板灰塵圖像，可以計算每一個小塊的清潔度以及整體的清潔度。本專利技術與現有技術相比，其顯著優點為：利用光伏表面的相似性，使用低秩特性對其約束，并恢復出灰塵圖像，進行清潔度評估。本專利技術不僅能夠評估累積的散落灰塵，也可以評估成塊的沙塵覆蓋。附圖說明圖1是在任意拍攝角度下的光伏面板示意圖像。圖2是光伏面板逆透視投影示意圖像。圖3是含噪聲圖像低秩分解示意圖。具體實施方式本專利技術基于低秩約束的光伏面板清潔度檢測方法。其實現步驟為：(1)拍攝一幅光伏面板圖像，并檢測面板的4個角點；(2)將檢測到的角點與逆透視投影圖中固定的角點配對，通過最小二乘法計算出透視投影變換矩陣；(3)通過透視投影變換矩陣恢復逆透視投影圖；(4)通過霍夫變換提取圖像中的直線，并通過直線將圖像分成多個子塊；(5)將子塊通過雙線性插值歸一化到同樣大小，并列向量化，組成矩陣；(6)建立低秩分解模型，通過Inexact-ALM以及近似的快速SVD分解方法計算出灰塵圖像；(7)通過灰塵圖像計算圖像子塊的清潔度以及整體的清潔度。下面結合附圖對本專利技術做進一步說明。1.光伏圖像的逆透視投影變換對任意的一個光伏面板的任意一個角度拍攝一幅圖像It，光伏面板要全部包含在圖像中，光伏面板在圖像中的形狀如圖1所示。由于光伏面板的顏色基本固定，通常為藍色或者黑色，中間的接縫處為白色線條，所以通過顏色就很容易檢測出光伏面板，并提取光伏面板的四個角點分別為C1，C2，C3，C4；為了將對應角點的位置標注好，本專利技術設定在某一個角點上(或者附近)做一個紅色或者易檢測的標志。針對圖1所示的光伏面板透視投影圖像，我們可以通過逆透視投影變換恢復成規則化的平整圖像Is，如圖2所示，透視投影變換矩陣為P，那么可以得到公式如下，It＝P*Is(1)其中，It＝(xt,yt,1)T為光伏圖像上一個點的坐標，Is＝(xs,ys,1)T為逆透視變換后圖像上對應于光伏面板圖像上It的點，為透視投影變換矩陣。設逆透視投影變換后圖像的大小為(w,h)，那么設定與光伏面板原始圖像的四個角點對應關系為這里得到檢測到的對應角點數為4組，每組3個方程，共12個方程，這樣就形成了超定方程。為了計算方便，本專利技術將4組對應點拼接成矩陣形式，其中將逆透視投影四個角點拼接為A＝[(1,1,1)T,(1,w,1)T,(h,1,1)T,(h,w,1)T]；透視投影圖中檢測到的四個角點拼接為B＝[C1,C2,C3,C4]，那么，P的求解寫成最小二乘公式為，此公式有閉解為P＝BAT(AAT)-1，由于AAT可能為奇異矩陣，導致其沒有逆矩陣，這樣就會導致無法求解。為了保證解的穩定性，我們AAT將加上一個很小的非奇異矩陣ηI，可選擇η≤0.01，保證AAT+ηI非奇異，這樣就一定存在解，其結果為P＝BAT(AAT+ηI)-1。這樣逆透視投影圖像中的任意一點都可以通過求解透視投影圖像中的對應點位置P*Is進行恢復。2.圖像的分塊處理恢復后的光伏面板逆透視投影圖像如圖2所示，圖像中的內容全部為光伏面板，其中有較多的白色的光伏塊連接線，且接近水平或豎直。本專利技術采用Sobel算子對圖像進行邊緣檢測，可以得到圖像的所有邊緣線，對此邊緣圖像設定一個閾值T再進行二值化；然后采用霍夫變換檢測二值化圖像中近似垂直和水平的直線，在霍夫變換過程中，由于Sobel算子會檢測出非常接近的兩條直線，但是此兩條直線其實是一條光伏面板間隔線的兩邊，所以本專利技術在極坐標投影圖上采用投票點篩選法，只保留兩條中的一條待選直線，其過程如下：1)設定一個閾值，在投影圖中選擇值最大的點為備選點；2)判斷此點是否大于所設定的閾值，且所代表的直線在原始圖像坐標中是否滿足角度在(-15°,15°)或者(75°,105°)之間，如果是則選擇并記錄此點為滿足要求的直線，否則不記錄；3)將投影圖中此點及周圍的k×k鄰域用0填充(k根據圖像大小選取，通常選用30)；4)然后重復(1)至(3)的步驟，直至沒有新點出現；5)將所有記錄的點繪制成直線。統計水平和垂直的直線數分別為α和β，那么我們就可以將圖像按照直線分成(α+1)(β+1)塊。分塊后的圖像可能尺寸互不相同，我們采用雙線性插值法將所有的圖像塊統一縮放到大小為(w/(α+1),h/(β+1))。然后將每個圖像塊向量化為列向量，并拼接成一個矩陣，記為其中為塊圖像列向量，N＝(α+1)(β+1)為圖像塊的數量。3.清潔度檢測考慮到光伏面本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于低秩約束的光伏表面清潔度檢測方法，其特征在于包括以下步驟：步驟1，光伏圖像的逆透視變換1)對光伏面板拍攝一幅圖像It，圖像內包含全部的光伏面板；2)采用顏色檢測的方法從It中檢測出光伏面板，并提取其四個角點C1，C2，C3，C4；3)對It逆透視投影變換后圖像Is的大小為(w,h)，設定與光伏面板原始圖像的四個角點對應關系為4)將逆透視投影四個角點拼接為矩陣A＝[(1,1,1)T,(1,w,1)T,(h,1,1)T,(h,w,1)T]，透視投影圖中檢測到的四個角點拼接為矩陣B＝[C1,C2,C3,C4]；5)通過計算得到閉解為P＝BAT(AAT)?1，對AAT加上一個值ηI，結果為P＝BAT(AAT+ηI)?1；6)通過矩陣P將圖像It中光伏面板內容全部恢復到逆透視變換圖像Is中；步驟2，圖像的分塊1)將恢復的逆透視變換圖像Is采用Sobel算子檢測邊緣，并進行二值化；2)采用霍夫變換在獲得的二值化圖像中提取近似豎直和水平的直線，霍夫變換過程中在投影圖中采用投票點篩選法篩選出正確的光伏表面分割線；3)按照直線將圖像分塊為(α+1)(β+1)塊，分成的圖像塊采用雙線性插值縮放到同一尺寸(w/(α+1),h/(β+1))；4)將處理后的圖像塊向量化為列向量，并將所有的列向量組成一個圖像矩陣其中為塊圖像列向量，N＝(α+1)(β+1)為圖像塊的數量；步驟3，清潔度計算1)建立含噪聲圖像矩陣的低秩分解模型X＝L+E；2)根據此模型，采用增廣拉格朗日乘子法Inexact?ALM恢復出干凈的光伏面板圖像L以及面板灰塵圖像E；在Inexact?ALM中采用快速的近似方法計算SVD分解；3)針對面板灰塵圖像E，設定一個閾值T并對其進行二值化，二值化后為0/1圖像，計算||Ei||1，則每一個小塊的清潔度以及整體的清潔度...

【技術特征摘要】
1.一種基于低秩約束的光伏表面清潔度檢測方法，其特征在于包括以下步驟：步驟1，光伏圖像的逆透視變換1)對光伏面板拍攝一幅圖像It，圖像內包含全部的光伏面板；2)采用顏色檢測的方法從It中檢測出光伏面板，并提取其四個角點C1，C2，C3，C4；3)對It逆透視投影變換后圖像Is的大小為(w,h)，設定與光伏面板原始圖像的四個角點對應關系為4)將逆透視投影四個角點拼接為矩陣A＝[(1,1,1)T,(1,w,1)T,(h,1,1)T,(h,w,1)T]，透視投影圖中檢測到的四個角點拼接為矩陣B＝[C1,C2,C3,C4]；5)通過計算得到閉解為P＝BAT(AAT)-1，對AAT加上一個值ηI，結果為P＝BAT(AAT+ηI)-1；6)通過矩陣P將圖像It中光伏面板內容全部恢復到逆透視變換圖像Is中；步驟2，圖像的分塊1)將恢復的逆透視變換圖像Is采用Sobel算子檢測邊緣，并進行二值化；2)采用霍夫變換在獲得的二值化圖像中提取近似豎直和水平的直線，霍夫變換過程中在投影圖中采用投票點篩選法篩選出正確的光伏表面分割線；3)按照直線將圖像分塊為(α+1)(β+1)塊，分成的圖像塊采用雙線性插值縮放到同一尺寸(w/(α+1),h/(β+1))；4)...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張浩峰，單晨星，蔡云飛，朱凱，
申請(專利權)人：南京理工大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32