[發明專利]一種用于定位系統的光斑圖像亞像素級別重心提取方法

在審

• 申請號: 202011049755.2
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112270703A
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 陳梅云;張智勇;吳衡;龐水玲;陳錦標;覃勝均;張啟洋;羅龍俊
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: G06T7/66
• 分類號: G06T7/66;G06T7/187;G06T7/269;G06T7/70;G06T7/90;G06T7/11;G06T5/30;G06T5/00
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 孔祥健

1.一種用于定位系統的光斑圖像亞像素級別重心提取方法，其特征在于，首先利用質心法得到光斑重心位置，然后通過取整的方式獲得整像素級別精度的重心坐標，最后將梯度法運用到重心提取中，得到亞像素級別的重心坐標。

2.根據權利要求1所述的一種用于定位系統的光斑圖像亞像素級別重心提取方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、獲取定位系統的原始光斑圖像Img1；

S2、對原始光斑圖像Img1進行預處理，得到圖像Img2；

S3、利用光斑圖像的連通特性，運用二值圖像連通域標記法將圖像Img2的連通區域作同一個標記，根據連通域標記的參數對圖像進行分割，將多個光斑轉化成單光斑的定位問題；

S4、利用質心法對每個連通區域光斑圖像的重心進行初步定位，然后取整，得到整像素級別的重心坐標P(x₀,y₀)；

S5、將梯度法運用到重心提取中，得到亞像素級別的重心坐標。

3.根據權利要求2所述的一種用于定位系統的光斑圖像亞像素級別重心提取方法，其特征在于，所述步驟S1利用調制器將信息源發送的信息調制到激光載波上，信息隨著激光載波傳送出去，當接收端CCD探測器接收到來自另一終端的信標光后，獲得定位系統的原始光斑圖像Img1。

4.根據權利要求2所述的一種用于定位系統的光斑圖像亞像素級別重心提取方法，其特征在于，所述步驟S2對原始光斑圖像Img1進行預處理從而得到圖像Img2的具體過程如下：

S2-1、對原始光斑圖像Img1進行灰度化；

S2-2、使用最大類間方差法找到合適的閾值T將Img1二值化；

S2-3、對二值圖像執行形態學閉運算，先膨脹運算再腐蝕操作，進行非線性濾波去噪得到圖像Img2。

5.根據權利要求2所述的一種用于定位系統的光斑圖像亞像素級別重心提取方法，其特征在于，所述步驟S4利用質心法對每個連通區域光斑圖像的重心進行初步定位，然后取整，得到整像素級別的重心坐標P(x₀,y₀)；質心法計算的光斑重心坐標公式如下：

上式中：x和y是質心法計算的重心橫縱坐標；M和N是圖像的尺寸；I(i,j)是圖像上第i行第j列像素點的灰度值。

6.根據權利要求2所述的一種用于定位系統的光斑圖像亞像素級別重心提取方法，其特征在于，所述步驟S5將梯度法運用到重心提取中，得到亞像素級別的重心坐標的具體過程如下：

S5-1、選擇第k個連通區域；

S5-2、對第k個連通區域剪切并保持為圖像Mask；

S5-3、運用梯度法對圖像Img2和圖像Mask進行重心匹配，搜索重心坐標P(x₀,y₀)，從而算出x和y方向上的亞像素位移Δu和Δv，獲得亞像素級別的重心坐標P(x′₀,y′₀)，其中x′₀＝x₀+Δu，y′₀＝y₀+Δv；

S5-4、選擇下一個連通區域，再次循環步驟S5-2至S5-3，直到完成所有光斑的重心定位。

7.根據權利要求6所述的一種用于定位系統的光斑圖像亞像素級別重心提取方法，其特征在于，所述步驟S5-3的具體過程如下：

梯度法將圖像子區運動視為剛體運動，則有：

f(x,y)＝g(x′,y′)＝g(x+u+Δu,y+v+Δv)

上式中：f(x,y)和g(x′,y′)分別表示位移前和位移后的子區圖像；u和v分別為x和y方向上的整像素位移；Δu和Δv為相應的亞像素位移；

通過一階的泰勒級數展開，同時舍棄高階小量，可得：

g(x+u+Δu,y+v+Δv)≈g(x+u,y+v)+Δu·g_x(x+u,y+v)+Δv·g_y(x+u,y+v)

g_x和g_y為子區灰度一階梯度，選用抗噪聲能力強的標準化協方差互相關函數的平方：

上式中，和分別為變形前后圖像子區的灰度平均值，將選用的相關函數代入上式，所求位移Δu和Δv將使得最小平均距離相關函數取駐值，即：

g_x和g_y由Barron算子計算得出：

為了便于計算，記則：

上式中，和分別為變形后圖像子區x和y方向上的偏導平均值，則可以將相關函數C進一步表示為：

對上式取駐值，即：時，便可求出亞像素位移：

式中：

算出x和y方向上的亞像素位移Δu和Δv后，通過計算x′₀＝x₀+Δu，y′₀＝y₀+Δv即可獲得亞像素級別的重心坐標P(x′₀,y′₀)。