PV dizilerde yeniden düzenleşim için gerçek zamanlı gölge tespit algoritmalarının geliştirilmesi
Development of real-time shadow detection algorithms for reconfiguration in PV arrays
Yazar: KAZIM FIRILDAK
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET KARAKÖSE
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Günümüzde birçok alanda kullanılan bilgisayar görmesi tabanlı algoritmalar, özellikle görüntü işleme teknolojilerinin ilerlemesiyle birlikte gerçek dünya problemlerinin çözümünde etkili olarak kullanılmaktadır. Özellikle endüstriyel problemlerde görüntü işleme algoritmalarının kullanımı, temassız ve sensörsüz yaklaşımlarla düşük maliyetli ve yüksek doğrululuk çözümlerin geliştirilmesini sağlamaktadır.
Görüntü işleme teknikleri ile nesne tespiti, nesne takibi, kenar çıkarımı ve anomali tespiti gibi algoritmalarda performansı etkileyen faktörlerden birisi gölgedir. Bu nedenle literatürdeki çeşitli uygulamalarda gölgelerin tespitine yönelik çalışmalar yapılmıştır. Bunlardan en önemlisi hareketli taşıtların tespiti için nesneleri gölgelerinden ayırt etmeyi kolaylaştırmak için geliştirilen gölge tespit algoritmalarıdır. Gölge tespiti görüntü işleme açısından karmaşık bir problem olmakla birlikte uygulamaya göre çok çeşitli yaklaşımlar kullanılmaktadır. Bunlar, görüntülerdeki piksellerin renklilik değerlerini temel alan renklilik tabanlı algoritmalar, görüntünün fiziki özelliklerini kullanan fiziksel tabanlı algoritmalar, sahnelerdeki cisimlerin geometrik özelliklerinin kullanıldığı geometrik tabanlı algoritmalar ve piksel toplulukları birden fazla özellik de benzerlik göstermesiyle gruplanarak doku tabanlı algoritmalar olarak sınıflandırılır.
Bu tez çalışmasında ilk olarak gölge modeli oluşturularak çeşitli gölge tespit algoritmalarının farklı uygulamalardaki performansını ortaya koymak için deneysel veriler üzerinden karşılaştırma sonuçları elde edilmiştir. Sonrasında bu karşılaştırma sonuçlarından elde edilen bilgilere göre gerçek zamanlı kullanıma uygun yeni gölge tespit algoritmaları önerilmiştir. Tez çalışmasının esas amacını oluşturan üçüncü kısımda ise fotovoltaik (PV) dizilerde çok önemli bir yeri olan gölgelerin tespiti için, tez kapsamında geliştirilen algoritmalar kullanılarak PV dizilerde yeniden düzenleşim yaklaşımı için giriş bilgileri elde edilmiştir. PV dizilerde etkili olarak gölgelerin ve gölge yoğunluklarının tespit edilerek maksimum enerjiyi verecek en iyi bağlantı konfigürasyonunu bulmak için kullanılan gölge tespit algoritması için yapay bağışıklık sistem tabanlı ve bulanık mantık tabanlı gölge tespit algoritması önerilmiş ve gerçek zamanlı olarak gerçekleştirilmiştir.
Önerilen gölge tespit algoritmaları deneysel veriler ile doğrulanarak birçok görüntü üzerinde test edilmiştir. Tez kapsamında özellikle PV dizilerde yeniden düzenleşim açısından ihtiyaç duyulan gölgelenme değerlerinin kameradan alınan görüntüler üzerinden bulunması için geliştirilen gölge tespit algoritmalarının etkinliği çok çeşitli gölgelenme senaryoları ile ortaya konulmuştur. Elde edilen deneysel sonuçlar dikkate alındığında önerilen gerçek zamanlı gölge tespit algoritmalarının doğruluğu yüksek, karmaşıklığı düşük ve etkili olduğu görülmüştür. Özellikle PV dizilerde oluşan kısmi gölgelenmelerin yerlerinin ve yoğunluklarının tespiti sonucunda PV dizinin o an ki durumuna göre en yüksek gücü veren bağlantı düzeninin bulunması sağlanmış ve önemli oranda verimlilik artışı sağlanmıştır. Gerçekleştirilen uygulamalarda gölge tespit algoritmalarının görüntüdeki gürültü ve gölge ile benzerlik gösteren nesne bölümleri gibi noktalarda kısmen dezavantajları olsa da gürültüden arındırılmış, görüntüdeki nesne modellerinin bilindiği ve gölge bölgeleriyle benzer olmayan nesne bölgelerinin bulunduğu senaryolarda algoritmalar etkili sonuçlar vermektedirler.
Sonuç olarak bu tez çalışmasında gölgelerin özellikleri ve modeli ortaya konulmuş, görüntü işleme tabanlı gölge tespit algoritmalarının performansı karşılaştırmalı olarak incelenmiş, yapay bağışık ve bulanık mantık tabanlı gölge tespit algoritmaları önerilmiş ve PV dizilerde yeniden düzenleşim amacıyla görüntü işleme tabanlı gölge tespit algoritmaları kullanılarak önemli avantajlar sunulmuştur. Yapılan çalışmalar ve önerilen yöntemlerin tamamı deneysel veriler üzerinden çeşitli senaryolar ile doğrulanmış ve gerçek zamanlı olarak gerçekleştirilmiştir.
Bu tez kapsamında hedeflenen algoritmaların geliştirilmesi için yapılan çalışmalar 112E214 numaralı TÜBİTAK 1001 araştırma projesi ile desteklenmiştir.

Abstract:
In todays, computer vision based algorithms is used in many fields such as in solving real-world problems with the progress of image processing technology. Especially, the use of image processing algorithms in industrial problems provide the development of low measure and high-precision solution with lower computing costs and sensorless approaches.
One of the factors that affect performance such as object detection with image processing techniques, object tracking, edge detection and anomaly detection is shadow. Therefore, various applications in the literature are studied about the detection of the shadow. The most important one is shadow detection algorithms that developed to simplify distinguish from the shadows to objects in order to detect moving vehicles. As well as, shadow detection is a complex problem in terms of image processing, variety of approaches are used according to applications. Chromacity-based algorithms are based on chromacity values of the pixels in the images, physically based algorithms that use the physical properties of the image, geometric-based algorithms that uses geometric properties of objects in the scene and pixel communities grouped similarities in more than one property are classified as texture-based algorithms.
In the first place, in this thesis comparison results were obtained through the experimental data in order to demonstrate in different applications performances of shadow detection algorithms via creating a shadow model. After then, new shadow detection algorithms suitable for used in real-time has been proposed according to the information obtained from this comparison results. In the third part constitutes the main aim of the thesis, for shadow detection has a very important place of the photovoltaic(PV) array, input information was obtained re-configuring approach in the PV array by using algorithms developed within the thesis. Being effectively at PV orders, determining shadow and the intensity of shadow fort he shadow determining algorithms which is used to find the best link configuration that is going to give maximum energy, artificial immunity system based and fuzzy logic based of shadow detecting algorithm had been suggested and executed as real time.
Proposed shadow detection algorithms has been tested on many image with validated experimental data.The extent of thesis, developed activities of shadow detection algorithms has been demonstrated with several shadowing many scenarios in order to find needed especially in terms of re-configuring in the PV array shading values where the images taken from the camera. When the obtained experimental results taken into account, proposed real time shadow detection algorithms have been shown to be high accuracy,low-complexity and effective. Especially the a results of the determination place and intensity of partial shading that occurred in the PV array have obtained the highest power connection scheme according to current status of PV array and so has productivity gains in significant ratio.Although there are partial disadvantages as the point in object sections are similar to noise and shadow in image of application detection algorithms.Algorithms provide effective results in the scenarios which consist of clean of noise, it is known in the image of the object model and the dissimilar objects region to shadow region.
As a result at this thesis work, the qualifications and model of shadows had been presented, image entering based of shadow determining algorithm had been analized relatively, artifical immunity and dreamy logic based algorithms had been offered and with an aim for a new order at PV array, using image entering based shadow determining algorithm, important advantages had been presented. All of the studies and proposed methods validated with various scenarios on experimental data and carried out in real time.
The studies aimed to develop algorithms in this thesis is supported by TUBITAK 112E214 No. 1001 research project.