本发明公开了基于图像处理的槽式抛物面聚光器切线偏差及焦线偏差的获取方法，涉及太阳能应用技术领域。本发明技术要点：图像采集步骤：距离槽式抛物面聚光器一定距离架设一台图像采集装置；控制图像采集装置拍摄槽式抛物面聚光器的正视图；位置数据记录步骤：测量图像采集装置与抛物面聚光器的相对位置；集热管黑带理论位置计算步骤；坐标转换步骤：将黑带在抛物面纵截面上的理论位置转换到抛物面上相应反光镜的像素坐标中；黑带图像处理步骤；根据某一块反光镜理论黑带图像序列及实际黑带图像序列计算该反光镜的切线偏差及焦线偏差。
1.基于图像处理的槽式抛物面聚光器切线偏差的获取方法，其特征在于，包括：
图像采集步骤：距离槽式抛物面聚光器一定距离架设一台图像采集装置；控制图像采集装置拍摄槽式抛物面聚光器的正视图；
位置数据记录步骤：测量图像采集装置与抛物面聚光器的相对位置；并根据所述相对位置计算出图像采集装置与抛物面聚光器纵截面的相对位置；
集热管黑带理论位置计算步骤：根据图像采集装置与抛物面聚光器纵截面的相对位置、抛物面聚光器的抛物面纵截面方程、抛物面聚光器的集热管纵截面与抛物面纵截面的相对位置计算黑带在抛物面纵截面上的理论位置；
坐标转换步骤：将黑带在抛物面纵截面上的理论位置转换到抛物面上相应反光镜的像素坐标中；将反光镜上黑带理论位置的像素点像素值设为“1”，其余像素点的像素值设为“0”，得到反光镜的理论黑带图像序列；
黑带图像处理步骤：根据各个反光镜的角点将抛物面聚光器的正视图的图像划分为各个反光镜图像块；对各反光镜图像块进行相机误差修订、透视变换得到各个反光镜图像块的正视图图像；对各个反光镜图像块的正视图图像进行阈值分割确定黑带在相应反光镜的实际区域的像素坐标；并将反光镜图像上黑带实际区域的像素点像素值设为“1”，其余像素点的像素值设为“0”，得到该反光镜的实际黑带图像序列；
计算Ck＝Ak∪Bk-Ak；其中，Ak为该反光镜实际黑带图像序列，Bk为该反光镜理论黑带图像序列，Ck为该反光镜的理论黑带的缺失区域；
计算Dk＝Ak+n-Ak+n∩Bk+n；Ak+n为抛物面聚光器旋转角度θ后该反光镜的实际黑带图像序列，Bk+n为抛物面聚光器旋转角度θ后该反光镜的理论黑带图像序列，Dk为抛物面聚光器旋转角度θ后该反光镜的理论黑带的缺失区域；
计算Ck与Dk连通域重合的面积，若重合面积大于设定值；则该反光镜处的切线偏差为θ。
2.根据权利要求1所述的基于图像处理的槽式抛物面聚光器切线偏差的获取方法，其特征在于，重复执行图像采集步骤、位置数据记录步骤、集热管黑带理论位置计算步骤、坐标转换步骤、黑带图像处理步骤以及切线偏差计算步骤以得到抛物面聚光器各个反射镜的切线偏差。
3.根据权利要求1所述的基于图像处理的槽式抛物面聚光器切线偏差的获取方法，其特征在于，集热管黑带理论位置计算步骤进一步包括：确定图像采集装置出射的经过抛物面反射后与集热管相切的两条光线；
计算这两条光线与抛物面纵截面的交点；两交点及其之间的区域为黑带在抛物面纵截面上的理论位置。
4.根据权利要求1或3所述的基于图像处理的槽式抛物面聚光器切线偏差的获取方法，其特征在于，坐标转换步骤进一步包括：过这两个交点且在抛物面正视图横向延伸的两条直线及其之间的区域为黑带在抛物面上的理论位置；
将黑带的在抛物面上的理论位置的坐标投影到相应的反光镜平面坐标中；
再将黑带在各个反光镜平面的理论位置的坐标转换到该反光镜的像素坐标中。
5.根据权利要求1所述的基于图像处理的槽式抛物面聚光器切线偏差的获取方法，其特征在于，黑带图像处理步骤中对反光镜图像进行阈值分割确定黑带在该反光镜的实际区域的像素坐标进一步包括：遍历反光镜图像的所有像素点，判断其像素值是否大于设定阈值，若大于则该像素点属于黑带实际区域。
6.基于图像处理的槽式抛物面聚光器焦线偏差的获取方法，其特征在于，图像采集步骤：距离槽式抛物面聚光器一定距离架设一台图像采集装置；控制图像采集装置拍摄槽式抛物面聚光器的正视图；
位置数据记录步骤：测量图像采集装置与抛物面聚光器的相对位置；并根据所述相对位置计算出图像采集装置与抛物面聚光器纵截面的相对位置；
集热管黑带理论位置计算步骤：根据图像采集装置与抛物面聚光器纵截面的相对位置、抛物面聚光器的抛物面纵截面方程、抛物面聚光器的集热管纵截面与抛物面纵截面的相对位置计算黑带在抛物面纵截面上的理论位置；
坐标转换步骤：将黑带在抛物面纵截面上的理论位置转换到抛物面上相应反光镜的像素坐标中；将反光镜上黑带理论位置的像素点像素值设为“1”，其余像素点的像素值设为“0”，得到反光镜的理论黑带图像序列；
黑带图像处理步骤：根据各个反光镜的角点将抛物面聚光器的正视图的图像划分为各个反光镜图像块；对各反光镜图像块进行相机误差修订、透视变换得到各个反光镜图像块的正视图图像；对各个反光镜图像块的正视图图像进行阈值分割确定黑带在相应反光镜的实际区域的像素坐标；并将反光镜图像上黑带实际区域的像素点像素值设为“1”，其余像素点的像素值设为“0”，得到该反光镜的实际黑带图像序列；
计算Ck＝Ak∪Bk-Ak；其中，Ak为该反光镜实际黑带图像序列，Bk为该反光镜理论黑带图像序列，Ck为该反光镜的理论黑带的缺失区域；
计算Dk＝Ak+n-Ak+n∩Bk+n；Ak+n为抛物面聚光器旋转角度θ后该反光镜的实际黑带图像序列，Bk+n为抛物面聚光器旋转角度θ后该反光镜的理论黑带图像序列，Dk为抛物面聚光器旋转角度θ后该反光镜的理论黑带的缺失区域；
计算Ck与Dk连通域重合的面积，若重合面积大于设定值；则该反光镜处的切线偏差为θ，进一步计算fd＝(f+y)sin2θ，式中fd为抛物面上纵坐标为y的位置处的焦线偏差，f为抛物面纵截面的焦距，其中坐标系为：聚光器纵截面中的转轴为坐标原点，竖直方向为y轴，水平方向为z轴，垂直于yoz面的方向为x轴。
7.根据权利要求6所述的基于图像处理的槽式抛物面聚光器焦线偏差的获取方法，其特征在于，重复执行图像采集步骤、位置数据记录步骤、集热管黑带理论位置计算步骤、坐标转换步骤、黑带图像处理步骤以及焦线偏差计算步骤以得到抛物面聚光器各个反射镜的切线偏差。
8.根据权利要求6所述的基于图像处理的槽式抛物面聚光器焦线偏差的获取方法，其特征在于，集热管黑带理论位置计算步骤进一步包括：确定图像采集装置出射的经过抛物面反射后与集热管相切的两条光线；
计算这两条光线与抛物面纵截面的交点；两交点及其之间的区域为黑带在抛物面纵截面上的理论位置。
9.根据权利要求6或8所述的基于图像处理的槽式抛物面聚光器焦线偏差的获取方法，其特征在于，坐标转换步骤进一步包括：过这两个交点且在抛物面正视图横向延伸的两条直线及其之间的区域为黑带在抛物面上的理论位置；
将黑带的在抛物面上的理论位置的坐标投影到相应的反光镜平面坐标中；
再将黑带在各个反光镜平面的理论位置的坐标转换到该反光镜的像素坐标中。
10.根据权利要求6所述的基于图像处理的槽式抛物面聚光器焦线偏差的获取方法，其特征在于，黑带图像处理步骤中对反光镜图像进行阈值分割确定黑带在该反光镜的实际区域的像素坐标进一步包括：遍历反光镜图像的所有像素点，判断其像素值是否大于设定阈值，若大于则该像素点属于黑带实际区域。
基于图像处理的槽式抛物面聚光器切线偏差及焦线偏差的获
取方法
技术领域
[0001] 本发明涉及太阳能应用技术领域，尤其是槽式抛物面聚光器的切线偏差及焦线偏差的获取方法。
背景技术
[0002] 槽式抛物面聚光器是太阳能利用的一种经典方式。参见图1。太阳能经由抛物面反射汇聚到位于抛物面前方的集热管上，从而将太阳能转化为热能。理想情况下，人们希望抛物面能将更多的光线汇聚到集热管中，因此抛物面能将多少太阳光汇聚到集热管中是人们关心的问题。这就需要对聚光器的一些指标进行检测，如拦截因子、焦线误差以及切线误差等。
[0003] 现有技术是技术人员现场对抛物面进行测量，获知其聚光性能。这样的方式无疑是十分耗费人力且效率低下的。如果能将聚光器聚光参数的获取或者是检测放到计算机上进行，那将大大提高工作效率。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于图像处理的槽式抛物面聚光器切线偏差及焦线偏差的获取方法。
[0005] 本发明采用的技术方案如下：包括：
[0006] 图像采集步骤：距离槽式抛物面聚光器一定距离架设一台图像采集装置；控制图像采集装置拍摄槽式抛物面聚光器的正视图；
[0007] 位置数据记录步骤：测量图像采集装置与抛物面聚光器的相对位置；并根据所述相对位置计算出图像采集装置与抛物面聚光器纵截面的相对位置；
[0008] 集热管黑带理论位置计算步骤：根据图像采集装置与抛物面聚光器纵截面的相对位置、抛物面聚光器的抛物面纵截面方程、抛物面聚光器的集热管纵截面与抛物面纵截面的相对位置计算黑带在抛物面纵截面上的理论位置；
[0009] 坐标转换步骤：将黑带在抛物面纵截面上的理论位置转换到抛物面上相应反光镜的像素坐标中；将反光镜上黑带理论位置的像素点像素值设为“1”，其余像素点的像素值设为“0”得到反光镜的理论黑带图像序列；
[0010] 黑带图像处理步骤：根据各个反光镜的角点将抛物面聚光器的正视图的图像划分为各个反光镜图像块；对各反光镜图像块进行相机误差修订、透视变换得到各个反光镜图像块的正视图图像；对各个反光镜图像进行阈值分割确定黑带在相应反光镜的实际区域的像素坐标；并将反光镜图像上黑带实际区域的像素点像素值设为“1”，其余像素点的像素值设为“0”得到该反光镜的实际黑带图像序列；
[0011] 切线偏差计算步骤：对某一块反光镜进行如下处理：
[0012] 计算Ck＝Ak∪Bk-Ak；其中，Ak为该反光镜实际黑带图像序列，Bk为该反光镜理论黑带图像序列，Ck为该反光镜的理论黑带的缺失区域；
[0013] 计算Dk＝Ak+n-Ak+n∩Bk+n；Ak+n为抛物面聚光器旋转角度θ后该反光镜的实际黑带图像序列，Bk+n为抛物面聚光器旋转角度θ后该反光镜的理论黑带图像序列，Dk为抛物面聚光器旋转角度θ后该反光镜的理论黑带的缺失区域；
[0014] 计算Ck与Dk连通域重合的面积，若重合面积大于设定值；则该反光镜处的切线偏差为θ。
[0015] 进一步，重复执行图像采集步骤、位置数据记录步骤、集热管黑带理论位置计算步骤、坐标转换步骤、黑带图像处理步骤以及切线偏差计算步骤以得到抛物面聚光器各个反射镜的切线偏差。
[0016] 集热管黑带理论位置计算步骤进一步包括：
[0017] 确定图像采集装置出射的经过抛物面反射后与集热管相切的两条光线；
[0018] 计算这两条光线与抛物面纵截面的交点；两交点及其之间的区域为黑带在抛物面纵截面上的理论位置。
[0019] 坐标转换步骤进一步包括：
[0020] 过这两个交点且在抛物面正视图横向延伸的两条直线及其之间的区域为黑带在抛物面上的理论位置；
[0021] 将黑带的在抛物面上的理论位置的坐标投影到相应的反光镜平面坐标中；
[0022] 再将黑带在各个反光镜平面的理论位置的坐标转换到该反光镜的像素坐标中。
[0023] 黑带图像处理步骤中对反光镜图像进行阈值分割确定黑带在该反光镜的实际区域的像素坐标进一步包括：遍历反光镜图像的所有像素点，判断其像素值是否大于设定阈值，若大于则该像素点属于黑带实际区域。
[0024] 在得到切线偏差的基础上，可进一步计算得到槽式抛物面聚光器焦线偏差即进一步计算fd＝(f+y)sin2θ，式中fd为抛物面上纵坐标为y的位置处的焦线偏差，f为抛物面纵截面的焦距，其中坐标系为：聚光器纵截面中的转轴为坐标原点，竖直方向为y轴，水平方向为z轴，垂直于yoz面的方向为x轴。
[0025] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0026] 本发明提供了基于能反映聚光器在不同角度下对太阳光的汇聚情况的模型以及图像处理技术，实现了计算机检测聚光器切线偏差及焦线偏差的方法，只需要拍摄聚光器的图像，便能自动获取聚光器的聚光参数，大大提高了工作效率、节省了人力成本。
附图说明
[0027] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0028] 图1为槽式抛物面聚光器的结构示意图。
[0029] 图2为聚光器抛物面展开平面图。
[0030] 图3为聚光器纵截面与图像采集装置的相对位置示意图。
[0031] 图4为坐标系中的聚光器纵截面与图像采集装置。
[0032] 图5为反光面上实际黑带区域出现缺失的效果示意图(图示为反光面平面展开图)。
[0033] 图6为旋转一定角度后在反光面同一位置出现曾经消失的黑带缺失区域的效果示意图(图示为反光面平面展开图)。
[0034] 图中标记：1为反光面；11为反光镜；2为集热管；3为转轴；4为黑带，41为黑带缺失，42为实际黑带，43为理论黑带区域；5为图像采集装置。
具体实施方式
[0035] 本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0036] 本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0037] 图1展示的是槽式抛物面聚光器的结构示意图。其结构十分简单，抛物面1将太阳光反射并汇聚到集热管2中，从而将太阳能转换为热能。实际应用中，抛物面1并不是一块完整、连续的面镜，而是由多块方形平面镜贴在抛物面上，图2是抛物面展开的平面图，本实施例中抛物面上铺设有7×4块小方形平面镜。
[0038] 工作时，聚光器会以其上下对称轴为转轴4进行转动，参见图1。在不同的角度，太阳光因被集热器吸收在抛物面的反光镜上呈现出不同位置的黑带5，如黑带5位于第一行反光镜上，随着聚光器沿转轴旋转，黑带转移到第2、3行反光镜上。本发明的目的在于求解出聚光器旋转到不同角度时其抛物面黑带在相应反光镜上的理论位置的像素坐标，并拍摄不同角度时聚光器的正视图图像，并根据二者获取聚光器的拦截因子。
[0039] 具体步骤包括：
[0040] 图像采集步骤：距离槽式抛物面聚光器一定距离架设一台图像采集装置6；控制图像采集装置拍摄槽式抛物面聚光器的正视图。
[0041] 位置数据记录步骤：测量图像采集装置与抛物面聚光器的相对位置；参见图3，具体实施的测量方式是过图像采集装置“做”聚光器的纵截面，即图像采集装置的中心与纵截面共面。测量图像采集装置在所述纵截面中到聚光器转轴连线的长度以及该连线与水平面的夹角，从而确定图像采集装置与抛物面聚光器纵截面的相对位置。
[0042] 集热管黑带理论位置计算步骤：根据图像采集装置与抛物面聚光器纵截面的相对位置、抛物面聚光器的抛物面纵截面方程(实际就是抛物线方程)、抛物面聚光器的集热管纵截面与抛物面纵截面的相对位置计算黑带在抛物面纵截面上的理论位置。
[0043] 在一个具体实施例中，参见图4，建立坐标系，坐标原点为聚光器纵截面中的转轴(即纵切抛物面得到的抛物线的顶点)，竖直方向为y轴，水平方向为z轴，垂直于yoz面的方向为x轴。
[0044] 抛物线标准方程为： 其中f为抛物线的焦点，即集热管中心与抛物面中心的距离。
[0045] 在yoz坐标系内，计算B(zb，yb)点的坐标。B点满足：B点在抛物线上，入射光线PB经过B点反射，反射光线BA与集热管相切并与z轴交于M点。
[0046] 由于点B在聚光器抛物面上，因此满足标准的抛物线方程：
[0047]
[0048] 根据BB1//OG且BG为B点的法线方向，可得BF＝FG，G(zg，yg)为法线BG与Z轴的焦点，F为集热管的中心，则有：
[0049]
[0050] 由光线反射定理可知，入射角和出射角相等，即∠PBG＝∠ABG，因此A(za，ya)点为反射光线BA与集热管的切点。
[0051] ，则有：
[0052]
[0053] P(yp，zp)点为相机主点。
[0054] 又根据ΔBDM～ΔFAM， 得到
[0055]
[0056] 其中r为集热管半径，f为抛物线焦距。
[0057] 在ΔBDM中：(令α＝∠DBM)
[0058]
[0059]
[0060] 再根据ΔBDM～ΔFAM，有∠MFA＝∠DBM＝α，则A点的坐标(za，ya)为
[0061] ya＝-rsinα； (3.7)
[0062] za＝f-rcosα； (3.8)
[0063] (3.4)式是实际工程问题求解，可以求得DM的关于yb、zb的实数解，根据图4几何关系舍去其中一个根。将DM的解带入(3.5)、(3.6)式，去除中间变量DM。通过(3.1)、(3.2)、(3.3)、(3.5)、(3.6)、(3.7)、(3.8)式可以快速求解B点坐标。
[0064] 同理，可以求解E(ze，ye)点坐标，E点满足：E点在抛物线上，入射光线PE经过E点反射，反射光线EH与集热管相切，H点为切点。
[0065] 只需将(3.7)，(3.8)式改变为求H点的坐标(zh，yh)：
[0066] yh＝rsinα； (3.9)
[0067] zh＝f+rcosα； (3.10)
[0068] 得到了B、E点坐标，就可以计算出上下端点在YOZ坐标系下的黑带在抛物面纵截面上的理论位置的坐标。
[0069] 实际计算中，还需要考虑镜面的工艺误差，以及相机与聚光器横截面的夹角，对模型进行修正。
[0070] 坐标转换步骤：将黑带在抛物面纵截面抛物线上的理论位置转换到抛物面上相应反光镜的像素坐标中。
[0071] 具体的，过这两个交点且在抛物面正视图横向延伸的两条直线及其之间的区域为黑带在抛物面上的理论位置；如果将前述yoz坐标中过原点且垂直于yoz平面的轴作为x轴，那么根据B点、E点的坐标可得分别过这两点且与x轴平行的直线方程。
[0072] 将黑带的在抛物面上的理论位置的坐标投影到相应的反光镜平面坐标中。各个反光镜在抛物面上的坐标点是可以通过测量得到的，因此可根据黑带在抛物面上的理论位置坐标得到其位于那一行反光镜上，且在该行反光镜上的宽度，如果以反光镜左上角为原点，以反光镜上边为x轴，左边为y轴建立平面坐标系，进而可以确定黑带的理论位置在相应反光镜上的坐标。
[0073] 再将黑带在各个反光镜平面的理论位置的坐标转换到该反光镜的像素坐标中。
[0074] 根据上述步骤得到某一转角状态下，抛物面聚光器上理论黑带在相应反光镜上的像素坐标后，再结合该转角状态下图像采集装置拍摄到的聚光器正视图图像，进而获得在这一转角状态下某一反光镜的切线偏差及其上某一区域的焦线偏差。
[0075] 接下来阐述聚光器图像的处理过程：
[0076] 首先，根据各个反光镜的角点将抛物面聚光器的正视图的图像划分为各个反光镜图像块。所述角点为预先在聚光器上各个反光镜四个角标注的特征点，以便进行图像分割。
[0077] 对各反光镜图像块进行相机误差修订、透视变换得到各个反光镜图像块的正视图图像。相机误差修订、透视变换为图像处理领域中的现有技术，在此不再赘述其过程。
[0078] 对各个反光镜图像进行阈值分割确定黑带在相应反光镜的实际区域的像素坐标。一般来说，图像中黑带区域颜色为黑色，如像素值在255附近，其余部分为高亮，如像素值在
0附近。通过设置合适的阈值可以将反光镜图像中的黑带实际区域准确分开。例如，设置阈值为200，像素值大于该阈值的像素点为黑带区域内，小于该阈值的像素点位于黑带区域外。
[0079] 之后，可将反光镜图像进行二值化，将黑带实际区域的像素点像素值设为“1”，其余像素点的像素值设为“0”得到该反光镜的实际黑带图像序列。
[0080] 同样，可以对之前建模得到的反光镜图像进行二值化处理，将反光镜上黑带理论位置的像素点像素值设为“1”，其余像素点的像素值设为“0”得到反光镜的理论黑带图像序列。
[0081] 反光镜切线偏差计算步骤：
[0082] 根据分析，在整个槽式抛物面镜旋转时，会因为玻璃反射镜本身安装时的缺陷存在一些角度偏差，会造成相较于理论黑带图像有圆形块状集热管投影像的缺失41，参见图5。而这种缺失41的投影像是因为角度的偏差而发生了位置的偏移，将镜面旋转一定角度就会在同一位置出现之前所缺失41的投影像部分，参见图6，而镜面的这个旋转角度就是其切线偏差值。
[0083] 计算Ck＝Ak∪Bk-Ak；其中，Ak为该反光镜实际黑带图像序列，Bk为该反光镜理论黑带图像序列，Ck为该反光镜的理论黑带的缺失区域。
[0084] 计算Dk＝Ak+n-Ak+n∩Bk+n；Ak+n为抛物面聚光器旋转角度θ后该反光镜的实际黑带图像序列，Bk+n为抛物面聚光器旋转角度θ后该反光镜的理论黑带图像序列，Dk为抛物面聚光器旋转角度θ后该反光镜的理论黑带的缺失区域。
[0085] 计算Ck与Dk连通域重合的面积，若重合面积大于设定值；则该反光镜处的切线偏差为θ。具体的，令计算得到Ck的连通域{Pk1,Pk2,...,Pkn}，Dk的连通域{Qk1,Qk2,...,Qkm}，n、m均为非零正整数。遍历Ck连通域中的每一个子集Pki，分别与Dk连通域中的每一个子集Pkj计算重叠区域Rkij＝Pki∩Qkj，其中i取1、2、…n，j取1、2、…、m，重叠比例为 当反光面旋转θ角度后，若出现一组Pkj与Qkj的重叠比例大于一个设定值时，则该反光镜处的切线偏差为θ。在一个优选实施例中，所述设定值为80％。
[0086] 根据分析可知，焦线与切线空间呈垂直关系，因此，得到切线偏差后可进一步计算得到焦线偏差，计算fd＝(f+y)sin2θ，式中fd为抛物面上纵坐标为y的位置处的焦线偏差，f为抛物面纵截面的焦距。
[0087] 重复执行图像采集步骤、位置数据记录步骤、集热管黑带理论位置计算步骤、坐标转换步骤、黑带图像处理步骤以及反光镜切线偏差计算步骤以得到抛物面聚光器上各反光镜的切线偏差。
[0088] 重复执行图像采集步骤、位置数据记录步骤、集热管黑带理论位置计算步骤、坐标转换步骤、黑带图像处理步骤以及反光镜焦线偏差计算步骤以得到抛物面聚光器上各反光镜y坐标处的焦线偏差。
[0089] 本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
