二维高斯分布光斑图像中心快速高精度定位方法

摘要

本发明涉及一种二维高斯分布光斑图像中心快速高精度定位方法，通过CCD相机的离焦成像，获取近似二维高斯分布的图像，将图像进行处理，初步分割出图像中的多个光斑并标定序号，先确定出光斑中心的整像素坐标，然后以整像素坐标为原点建立局部图像坐标系，计算高斯光斑的方差，以及光斑中心在x方向和y方向的亚像素坐标分量，最后将整像素坐标与亚像素坐标合成得到光斑中心的实际精确坐标。本发明方法综合利用了窗口内的所有像素灰度信息，通过解析表达式直接计算高斯分布光斑的亚像素中心位置，无需求解广义逆矩阵，与传统的高斯曲面拟合法相比，效率提高200倍以上且没有精度上的损失，可实现多个光斑中心的实时提取。

主权项

一种二维高斯分布光斑图像中心快速高精度定位方法，其特征在于包含如下步骤：1)利用CCD相机对一个或多个光学目标进行离焦拍摄，获取符合二维高斯分布的光斑图像；2)对图像二值化后进行边界查找，根据形状和大小对封闭边界区域进行筛选，初步分割出图像中的多个光斑，并对各光斑进行编号；3)对于当前光斑，利用步骤2)中得到的光斑边界计算其外接正方形的边长L，令l等于L/2的整数部分，确定光斑窗口大小为(2l+1)×(2l+1)；4)在(2l+1)×(2l+1)的窗口内确定相应光斑的整像素坐标([xc]，[yc])，其计算公式为： [ x c ] = arg max x i ( Σ j = 1 2 l + 1 f ( x i , y j ) ) , i = 1,2 , · · · , 2 l + 1 [ y c ] = arg max y j ( Σ i = 1 2 l + 1 f ( x i , y j ) ) , j = 1,2 , · · · , 2 l + 1 (xi，yj)表示窗口内的各像素坐标，其中i＝1，2，…，2l+1，j＝1，2，…，2l+1；f(xi，yj)表示像素(xi，yj)处的灰度值；5)建立以整像素坐标([xc]，[yc])为原点的局部图像坐标系，则以局部图像坐标系原点为窗口中心的(2l+1)×(2l+1)窗口内的各像素坐标相应地表示为(m，n)，其中m＝‑l，‑l+1，…，0，…，l‑1，l；n＝‑l，‑l+1，…，0，…，l‑1，l，像素(m，n)处的灰度值相应地表示为f(m，n)；6)根据局部坐标系下窗口内各像素灰度f(m，n)，按式(1)计算高斯光斑的方差： σ 2 = Σ m = - l l Σ n = - l l ( m 2 + n 2 ) / 2 ( ( 2 l + 1 ) 2 ln f ( 0,0 ) - Σ m = - l l Σ n = - l l ln f ( m , n ) ) - - - ( 1 ) 7)根据步骤6)计算出来的高斯光斑方差σ2，以及局部坐标系下光斑窗口内各像素灰度f(m，n)，按式(2)计算当前光斑中心坐标在x方向的亚像素部分： dx = σ 2 l ( l + 1 ) ( 2 l + 1 ) ln ( Π m = 1 l Π n = - l l f ( m , n ) f ( - m , n ) ) - - - ( 2 ) 8)根据步骤6)计算出来的高斯光斑方差σ2，以及局部坐标系下光斑窗口内各像素灰度f(m，n)，按式(3)计算当前光斑中心坐标在y方向的亚像素部分： dy = σ 2 l ( l + 1 ) ( 2 l + 1 ) ln ( Π m = - l l Π n = 1 l f ( m , n ) f ( m , - n ) ) - - - ( 3 ) 9)分别求出([xc]，[yc])和(dx，dy)后，即得到当前光斑的实际中心的精确坐标(xc，yc)：xc＝[xc]+dxyc＝[yc]+dy10)将步骤9)所获坐标值与当前光斑所对应的序号一起存储在寄存器中，然后按光斑序号的顺序对下一光斑重复步骤3)～步骤10)，直至所有高斯光斑中心精确定位完毕。