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Bridging the sim2real gap: Training deep neural networks for heliostat detection with purely synthetic data

Broda, Rafal und Schnerring, Alexander und Schnaus, Dominik und Nieslony, Michael und Krauth, Julian und Röger, Marc und Kallio, Sonja und Triebel, Rudolph und Pitz-Paal, Robert (2025) Bridging the sim2real gap: Training deep neural networks for heliostat detection with purely synthetic data. Solar Energy, 300, Seite 113728. Elsevier. doi: 10.1016/j.solener.2025.113728. ISSN 0038-092X.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
5MB

Kurzfassung

Deep neural networks have demonstrated remarkable success in image processing across various domains. However, to achieve state-of-the-art performance, a substantial amount of high-quality training data is essential. In the context of optical heliostat monitoring, acquiring such data remains a challenge which is why deep neural networks are still scarcely used. We propose the use of synthetic training data to address this deficit and conduct a comprehensive investigation of scene parameters within our simulation environment to mitigate the sim2real gap. Our findings demonstrate that training models for object and keypoint detection in aerial images of heliostat fields with purely synthetic data is feasible and yields promising results with the appropriate scene configuration. Our best model achieves an average precision (AP) of 0.63 in heliostat detection and accurately detects 61% of outer mirror corners on our test dataset, comprising six manually annotated real-world drone images of a heliostat field. By evaluating the model on a simulated replication of this test dataset, we measure a remaining sim2real gap of 30% and 35% for the respective tasks. Furthermore, we showcase the model’s transferability to other heliostat geometries. By generating an additional 200 synthetic images showing the new geometry and performing a brief fine-tuning of the model, we achieve promising qualitative results on real-world images of another plant. To the best of our knowledge, this work is the first application of deep learning achieving such results in mirror corner detection in airborne imagery of heliostat fields while offering a straightforward approach for power plant transfer.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/217954/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Bridging the sim2real gap: Training deep neural networks for heliostat detection with purely synthetic data
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Broda, RafalRafal.Broda (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0000-2378-1776195271409
Schnerring, Alexanderalexander.schnerring (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0004-1700-6481195271418
Schnaus, Dominikdominik.schnaus (at) tum.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Nieslony, Michaelmichael.nieslony (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6110-0895195271422
Krauth, JulianJulian.Krauth (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7769-650X195271424
Röger, MarcMarc.Roeger (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-0618-4253NICHT SPEZIFIZIERT
Kallio, SonjaSonja.Kallio (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1409-7793195271425
Triebel, RudolphRudolph.Triebel (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Pitz-Paal, RobertRobert.Pitz-Paal (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-3542-3391NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:1 November 2025
Erschienen in:Solar Energy
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:300
DOI:10.1016/j.solener.2025.113728
Seitenbereich:Seite 113728
Verlag:Elsevier
ISSN:0038-092X
Status:veröffentlicht
Stichwörter:heliostat, deep learning, object detection, keypoint detection, sim2real, photorealism
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Thermische Hochtemperaturtechnologien
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SW - Solar- und Windenergie
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Condition Monitoring, R - Multisensorielle Weltmodellierung (RM) [RO]
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Solarforschung > Qualifizierung
Institut für Robotik und Mechatronik (ab 2013) > Perzeption und Kognition
Hinterlegt von: Broda, Rafal
Hinterlegt am:27 Okt 2025 10:17
Letzte Änderung:27 Okt 2025 10:17

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