太陽能電池板直線檢測的切空間角度投影方法

孫　雯，洪留榮，葛方振（淮北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000）

太陽能電池板直線檢測的切空間角度投影方法

孫雯，洪留榮，葛方振①
（淮北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000）

為實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池板邊緣直線的快速檢測，文章提出基于切空間的角度投影方法.對(duì)太陽能電池板進(jìn)行預(yù)處理，得到邊緣信息，將其邊緣特征進(jìn)行切平面表示.在切平面內(nèi)，直線表示成一條水平線，且該水平線的角度為直線的偏轉(zhuǎn)角度.對(duì)切空間特征進(jìn)行角度方向投影之后，該水平線上的點(diǎn)大量聚集，產(chǎn)生一個(gè)峰值點(diǎn)，該峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)于原始直線.由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽能電池板邊緣直線的定位.實(shí)驗(yàn)表明該方法速度快，抗噪能力強(qiáng)，精確度可達(dá)到97%.

直線檢測；切空間；投影；破損

0　引言

硅材料太陽能電池板大多通過多晶體或者單晶體棒材切片形成，在生產(chǎn)過程中，很容易出現(xiàn)破損，斷裂［1］.很多情況下，可以將部分破損程度較輕的太陽能電池板重新切割，成為較小規(guī)格的無破損板繼續(xù)使用，同時(shí)要保證重新切割的太陽能電池板保留原始板子的最大無破損區(qū)域.因此需要精確定位太陽能電池板的邊緣直線，盡量得到太陽能電池板的實(shí)際尺度，從而更好地實(shí)現(xiàn)最大無破損區(qū)域的重新切割.針對(duì)太陽能電池板的特性，本文提出了新的直線檢測算法——切空間角度投影方法.

圖1是本文算法具體步驟，首先對(duì)太陽能電池板進(jìn)行預(yù)處理得到其邊緣圖像［2］，由于太陽能板的邊緣曲線一般情況下為直線，而直線在切空間［3］表示下為對(duì)應(yīng)直線方向的水平線，將邊緣曲線轉(zhuǎn)換到切空間可以得到邊緣曲線的角度特征，對(duì)角度方向投影［4］之后的極大值點(diǎn)則對(duì)應(yīng)邊緣直線，由此實(shí)現(xiàn)太陽能電池板邊緣圖像的直線探測.

圖1　切空間角度投影方法的實(shí)驗(yàn)步驟

在實(shí)驗(yàn)中使用了一個(gè)遮光性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)箱，箱頂中間位置固定采樣相機(jī)，箱底采用抽拉板進(jìn)行太陽能電池板的快速抽放.箱子內(nèi)部表面顏色為黑色，太陽能電池板為灰色.試驗(yàn)箱如圖2所示.

實(shí)驗(yàn)中使用背景差法分割出太陽能電池板的完整信息.直線檢測問題其實(shí)就是找到組成直線的所有的像素點(diǎn)［5］，所以太陽能電池板的內(nèi)部不需要進(jìn)行過多分析，只需要考慮邊緣信息.使用梯度算子，進(jìn)行邊緣檢測，得到邊緣點(diǎn)的信息.

有了邊緣信息，就可以使用切空間角度投影方法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池板邊緣直線的檢測.

圖2　試驗(yàn)箱

1　切空間介紹

將直角坐標(biāo)系中的曲線ζ轉(zhuǎn)化到由Ti2T（i+1）1，T（i+1）1T（i+1）2表示的切空間內(nèi)，轉(zhuǎn)化規(guī)則如下：

值得注意的是，當(dāng)ζ是一條沿順時(shí)針方向的封閉曲線時(shí)，Tn1的坐標(biāo)為（1，2π）.

圖3　曲線的切空間表示示意圖

特別的，當(dāng)曲線是一條直線的時(shí)候，可以知道偏轉(zhuǎn)角度θi恒等于0，則對(duì)應(yīng)的切空間表示為一條水平直線.

2　切空間角度投影方法

2.1太陽能電池板邊緣曲線的切空間表示

由切空間的變換規(guī)則，可以得到曲線轉(zhuǎn)化到切空間后的特征：

（1）當(dāng)ζ是弧線時(shí)，對(duì)應(yīng)在切空間內(nèi)的曲線?以角度θi遞增變化；

（2）當(dāng)ζ是存在噪聲的直線時(shí)，噪聲處的角度突變，對(duì)應(yīng)在切空間內(nèi)的曲線?以角度θi變化.無噪聲處的直線部分，角度變化為0°，對(duì)應(yīng)在切空間內(nèi)的曲線?是一條水平直線.

（3）當(dāng)ζ是理想直線時(shí)，對(duì)應(yīng)在切空間內(nèi)的曲線為一條過（0，0）點(diǎn)的水平直線，此時(shí)角度差θi≡0.

由此可知，切空間能更好地表示直線及其對(duì)應(yīng)角度的關(guān)系.

為不失一般性，考慮無破損太陽能電池板邊緣曲線的切空間表示.沿順針方向定義邊緣曲線為ζ1，ζ2，ζ3，ζ4，可以得到太陽能電池板邊緣曲線的角度特征如下（定義Δθ為角度變化值）：

（1）分布于同一曲線ζi上的基元段，Δθ≈0°；

（2）分布于相鄰邊緣曲線ζ1ζ2、ζ2ζ3、ζ3ζ4或ζ4ζ1上的基元段，Δθ=90°；

（3）分布于相互平行的曲線ζ1ζ3或ζ2ζ4上的基元段，Δθ=180°；

（4）從ζ1到ζ1，Δθ=360°.

當(dāng)太陽能電池板邊緣出現(xiàn)破損時(shí)，非破損部分滿足上述特征，破損部分角度變化是隨機(jī)的.在實(shí)際中，破損部分大多小于非破損部分，在轉(zhuǎn)化到切空間表示之后，破損部分對(duì)應(yīng)于水平線上的突變.但是對(duì)于水平線來說，突變只是少數(shù)部分，不會(huì)影響水平線的整體水平走向.

由于太陽能電池板相鄰的邊緣曲線角度變化為90°，也就是Ti2=90°，在切空間表示時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高度為90°的突變.太陽能電池板的4條邊緣曲線對(duì)應(yīng)不同的角度，則不同曲線將分布到不同的區(qū)域內(nèi)，其切空間表示將4條邊緣曲線劃分到不同區(qū)域內(nèi).如圖4所示.

圖4　邊緣曲線圖的切空間表示

由于太陽能電池板的邊緣圖像在預(yù)處理過程中可能存在一定毛刺，為了消除噪聲，在試驗(yàn)中每隔4個(gè)像素取一個(gè)邊緣點(diǎn)，也就是基元段的長度為4個(gè)像素大小.算法的抗噪聲能力得到增強(qiáng).此時(shí)，Tn1的坐標(biāo)為（4，2π）.

由圖4可以看到切空間表示太陽能電池板的邊緣特征如下：

（1）板子的4個(gè)邊緣在切空間內(nèi)被劃分到4個(gè)區(qū)域；

（2）每一區(qū)域內(nèi)，邊緣曲線的切空間表示都是圍繞一個(gè)水平線上下波動(dòng)（我們提取的邊緣圖像并不是理想直線，存在噪聲）；

（3）當(dāng)某一邊緣曲線上存在明顯破損時(shí)，表示在切空間內(nèi)是劇烈且密集的角度變化，如圖4b所示；

（4）每一條邊緣曲線的切空間表示，都在對(duì)應(yīng)的角度上大量聚集，角度值偏差較小.相反，不同邊緣曲線的切空間表示，角度變化巨大，離散度很高.

因此，邊緣曲線圖中的邊緣直線，在切空間內(nèi)表現(xiàn)為一條水平線，在角度方向上離散度極小.

2.2對(duì)切空間內(nèi)的曲線特征進(jìn)行投影

已知基元段對(duì)應(yīng)的角度為θi，在切空間表示中為Ti2，若邊緣曲線為直線，則Ti2-T（i+1）2≡0.在實(shí)際中，邊緣曲線不是理想直線，為了消除預(yù)處理帶來的邊緣噪聲影響，提高算法的抗噪能力，保證直線定位的精確性，定義容錯(cuò)角度［6］Δθ=15°.

S（Ti2）表示在角度為Ti2時(shí)，在容錯(cuò)角度內(nèi)，共存在基元段的個(gè)數(shù).

由上面的分析，可以將切空間曲線進(jìn)行角度方向的投影.投影圖像的橫坐標(biāo)表示角度值Ti2，縱坐標(biāo)是對(duì)應(yīng)該角度值的基元段的個(gè)數(shù)S（Ti2）.投影之后的圖像特點(diǎn)如圖5所示.

（1）當(dāng)ζ是弧線［7］時(shí)，對(duì)其對(duì)應(yīng)的切空間曲線?進(jìn)行角度方向的投影，此時(shí)投影圖像中存在較多點(diǎn)數(shù)變化不大的峰值點(diǎn)，這些峰值點(diǎn)遠(yuǎn)小于n（曲線的總點(diǎn)數(shù)），如圖5a3所示.

（2）當(dāng)ζ是存在噪聲的直線時(shí)，對(duì)其對(duì)應(yīng)的切空間曲線?進(jìn)行角度方向的投影，此時(shí)投影圖像中僅有一個(gè)絕對(duì)峰值（峰值接近于n）.噪聲點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度值上存在少數(shù)點(diǎn)的聚集，如圖5b3所示.

（3）當(dāng)ζ是理想直線時(shí)，對(duì)其對(duì)應(yīng)的切空間曲線?進(jìn)行角度方向的投影，此時(shí)投影圖像中僅有一個(gè)點(diǎn).該點(diǎn)的橫坐標(biāo)是直線ζ的方向角度值，縱坐標(biāo)是組成直線的點(diǎn)的個(gè)數(shù)，如圖5c3所示.

圖5　當(dāng)原始圖像是曲線圖，噪聲直線和理想直線對(duì)應(yīng)的切空間表示和角度方向投影

由圖5可以看到，當(dāng)原圖像是理想直線時(shí)，對(duì)應(yīng)切空間曲線呈現(xiàn)水平特征，在角度方向上沒有變化.此時(shí)進(jìn)行角度方向的投影，投影圖像是一個(gè)點(diǎn).也就是說，當(dāng)進(jìn)行角度投影之后形成一個(gè)聚集點(diǎn)時(shí)，表示原圖像中存在直線.由角度方向投影圖，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣曲線圖的直線探測.

將太陽能電池板邊緣圖像的切空間表示進(jìn)行角度方向投影，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池板邊緣直線的探測，但太陽能電池板邊緣可能存在多種破損情況，對(duì)應(yīng)不同的破損情況，需要具體分析，以實(shí)現(xiàn)邊緣直線的精確定位.

2.3太陽能電池板邊緣直線的探測

對(duì)于無破損太陽能電池板，經(jīng)過切空間角度投影之后，存在4個(gè)相對(duì)峰值點(diǎn)（峰值點(diǎn)大小近似于n/ 4），每一個(gè)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)一條直線.

對(duì)于破損太陽能電池板，針對(duì)3種不同的破損情況，進(jìn)行直線探測如下.

1）當(dāng)邊緣曲線內(nèi)部存在破損時(shí)，在此僅分析在一條邊緣曲線中存在一個(gè)破損的情況（多條直線上存在多個(gè)破損的情況，分析相同）.

在經(jīng)過投影之后，處在同一邊緣曲線上的點(diǎn)會(huì)聚集同一區(qū)域內(nèi)，所以不存在無法確定破損所在直線的情況，可以直接確定破損部位處于圖像的哪一段邊緣區(qū)域內(nèi).

當(dāng)該曲線上存在破損情況時(shí)，投影后的峰值點(diǎn)上聚集的點(diǎn)必然不是連續(xù)的（其斷點(diǎn)即為破損處）.可以僅定位破損點(diǎn)一側(cè)的直線，也可以定位破損點(diǎn)兩側(cè)的直線段.假設(shè)只定位破損點(diǎn)一側(cè)的直線部分，由于邊緣處理過程中，邊緣存在一定的噪聲和幾何畸變，在破損端點(diǎn)處的基元段角度可能發(fā)生偏轉(zhuǎn)，或存在一定的上下浮動(dòng)的情況.此時(shí)，延長所定位的直線，可能導(dǎo)致直線位置發(fā)生較大變化，對(duì)于正確地確定角點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傾斜校正會(huì)產(chǎn)生巨大的影響.為了保證直線方向和位置的精確性，需要定位破損點(diǎn)兩側(cè)的直線部分［8］，如圖6a2.

2）當(dāng)邊緣曲線端點(diǎn)部分存在破損（也就是角點(diǎn)位置存在破損），邊緣內(nèi)部不存在破損時(shí)，投影后的峰值點(diǎn)上聚集的點(diǎn)即破損點(diǎn)之外的直線部分必然連續(xù).此時(shí)使用本文方法，可以直接定位邊緣中的直線部分，如圖6b2.

3）當(dāng)一條邊緣曲線完全破損時(shí)［9］，此時(shí)切空間圖像沿著曲線方向角度變化劇烈.角度方向呈梯度上下波動(dòng).在角度方向進(jìn)行投影后，對(duì)應(yīng)多個(gè)角度都存在點(diǎn)數(shù)相差不大的聚集點(diǎn).此時(shí)，該邊緣肯定是被全部切割的，選擇最大峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度作為該邊緣曲線，盡管精確度會(huì)下降，但是并不會(huì)影響最終太陽能電池板的切割，如圖6c2.

圖6　邊緣曲線分別在中間出現(xiàn)破損、斷點(diǎn)處出現(xiàn)破損和完全破損時(shí)的直線定位

經(jīng)過上述分析，當(dāng)破損太陽能電池板出現(xiàn)上述各種破損情況時(shí)，都可以實(shí)現(xiàn)邊緣直線的精確探測.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示：

圖7　太陽能電池板邊緣曲線分別為角點(diǎn)破損、中間破損和一條完整邊出現(xiàn)破損時(shí)的切空間圖像、角度方向投影圖像和最終直線定位圖像

3　實(shí)驗(yàn)分析

從實(shí)際工廠隨機(jī)抽取太陽能電池板45張，實(shí)際邊緣直線共180條.使用本文算法進(jìn)行直線檢測，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

產(chǎn)生錯(cuò)誤檢測的情況是：當(dāng)破損處呈現(xiàn)直線特征，算法會(huì)將破損處的直線部分檢測出來.這是因?yàn)橥ㄟ^角度特征進(jìn)行直線定位時(shí)，若角度變化滿足直線特征，則定位其為直線，并未區(qū)分直線特征出現(xiàn)在破損部分還是非破損部分.

4　結(jié)論

我國是世界上第一大太陽能電池板生產(chǎn)國，綠色能源的廣泛使用，使得太陽能電池板的產(chǎn)量迅速擴(kuò)大［10］.實(shí)現(xiàn)太陽能電池板的破損檢測和重新切割也變得越來越重要.

本文提出的切空間角度投影直線檢測方法，其算法規(guī)模為邊緣點(diǎn)的個(gè)數(shù)N，基本操作是賦值運(yùn)算，算法的執(zhí)行速度很快［11］.算法在進(jìn)行切空間轉(zhuǎn)化時(shí)采用了4個(gè)像素長度為一個(gè)基元段，在角度方向投影時(shí)采用了容錯(cuò)角度，使得算法的抗噪能力較強(qiáng).針對(duì)太陽能電池板可能存在的各種破損情況，本文做了詳細(xì)的分析，并提出了相應(yīng)的解決辦法，能夠有效地提高太陽能電池板邊緣直線的檢測效率，對(duì)太陽能電池板的重新切割有重要意義.

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Angle Projection in Tangent Space Method for Linear Detection of Solar Panels

SUN Wen，HONG Liurong，GE Fangzhen
（School of Computer Science and Technology，Huaibei Normal University，235000，Huaibei，Anhui，China）

In order to realize the rapid detection of the edge beeline of the solar panel，we propose a new pro?jection method based on tangent space，which can detect the edge line of the solar panel.We can get the edge information by the pretreatment，then transform the edge feature to the tangent plane representation.In tangent space，line is expressed as a horizontal line，and the angle of the horizontal line is the same as the straight line.The points on the horizontal line aggregates，resulting in a peak point after the angle projection. The peak point represents a beeline.So we realize the positioning of the edge beeline of the solar panel.The method is fast，anti noise ability is strong，and the accuracy can reach 97%.

linear detection；tangent space；projection；damage

TP 391.4

A

2095-0691（2016）02-0046-06

2015-10-08

安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（1408085MF130）；安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2013A229）；安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（KJ2013Z281）

孫雯（1992-），女，安徽淮北人，碩士生，研究方向：模式識(shí)別，圖像處理.通訊作者：洪留榮（1969-），男，博士，教授，研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別，圖像處理.