[發明專利]二維高斯分布光斑圖像中心快速高精度定位方法

有效

• 申請號: 201110371950.1
• 申請日: 2011-11-22
• 公開（公告）號: CN102496015A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 馮新星;張麗艷;葉南;楊博文
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06K9/32
• 分類號: G06K9/32
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 艾中蘭

技術領域

本發明涉及一種可用于視覺測量、天文導航、天文觀測等領域的二維高斯分布光斑圖像中心快速、高精度定位方法，屬于測量/測試與數字圖像處理交叉領域。

背景技術

高斯分布型光斑圖像中心定位在視覺測量、天文導航、天文觀測等領域有著廣泛的應用，其中最典型的應用是星敏感器和光筆式視覺坐標測量系統。星敏感器是以恒星為參照系，以星空為工作對象的高精度姿態監測裝置，可為衛星、洲際戰略導彈、宇宙飛船等提供準確的空間方位和基準。光筆式視覺坐標測量系統具有測量范圍廣、操作簡單、對作業環境和待測物體的要求較低的特性，在汽車、船舶、航空航天等領域都有著廣泛的應用。在上述應用中，恒星(也稱為星點)和視覺坐標測量中的點光源靶標(也稱為靶點)通過離焦成像在圖像平面上形成高斯分布型光斑。快速、精確地提取星點和光靶點在成像平面上的高斯分布型光斑的中心坐標是上述系統的基本前提，一個精確、高效的光斑中心定位算法對系統整體性能有重要影響，特別是對于實時的動態跟蹤、檢測、定位而言，在保證中心定位精度的前提下，方法的時間效率十分重要。

目前對于光斑圖像中心定位的方法主要有灰度質心法、灰度加權質心法、高斯曲面擬合法、拋物面擬合法等。對于已知灰度分布為高斯型分布的光斑圖像而言，高斯曲面擬合法是最精確的方法，但是該算法需要求解廣義逆矩陣以及較多的對數運算，因此運算過程復雜，程序運行效率低，無法滿足當前衛星導航、多靶點動態跟蹤測量等應用對算法實時性的要求。灰度質心法和加權灰度質心法常用于一般的光斑中心定位，計算過程簡單，運行效率高，但對于高斯型分布的光斑圖像而言，精度比高斯曲面擬合法低，難以滿足當前衛星導航、視覺測量等領域的精度要求。拋物面擬合法是高斯曲面擬合法的一種簡化算法，效率略有提高，但精度明顯低于高斯曲面擬合法。

因此，發明一種既能保證高定位精度，又能夠快速實時處理的高斯分布型光斑圖像中心定位方法有很高的實用價值，在視覺測量及星敏感器等方面有廣泛應用。

發明內容

本發明旨在針對現有方法的不足，提出一種新的高斯分布光斑圖像中心定位方法。光斑中心定位一般可分為粗定位和精定位，粗定位是要確定出目標光點所在的區域，對此目前已有多種方法可以實現，精定位一般需要將光斑中心定位至0.01像素等級甚至更高的亞像素精度，是方法的關鍵所在，也最終決定測量的精度。

本發明具體技術方案如下：

一種二維高斯分布光斑圖像中心快速高精度定位方法，其特征在于包含如下步驟：

1)利用CCD(電荷耦合器件)相機對一個或多個光學目標進行離焦拍攝，獲取符合二維高斯分布的光斑圖像；

2)對圖像二值化后進行邊界查找，根據形狀和大小對封閉邊界區域進行篩選，初步分割出圖像中的多個光斑，并對各光斑進行編號；

3)對于當前光斑，利用步驟2)中得到的光斑邊界計算其外接正方形的邊長L，令l等于L/2的整數部分，確定光斑窗口大小為(2l+1)×(2l+1)；

4)在(2l+1)×(2l+1)的窗口內確定相應光斑的整像素坐標([x_c]，[y_c])，其計算公式為：