[发明专利]二维高斯分布光斑图像中心快速高精度定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于视觉测量、天文导航、天文观测等领域的二维高斯分布光斑图像中心快速、高精度定位方法，属于测量/测试与数字图像处理交叉领域。

背景技术

高斯分布型光斑图像中心定位在视觉测量、天文导航、天文观测等领域有着广泛的应用，其中最典型的应用是星敏感器和光笔式视觉坐标测量系统。星敏感器是以恒星为参照系，以星空为工作对象的高精度姿态监测装置，可为卫星、洲际战略导弹、宇宙飞船等提供准确的空间方位和基准。光笔式视觉坐标测量系统具有测量范围广、操作简单、对作业环境和待测物体的要求较低的特性，在汽车、船舶、航空航天等领域都有着广泛的应用。在上述应用中，恒星(也称为星点)和视觉坐标测量中的点光源靶标(也称为靶点)通过离焦成像在图像平面上形成高斯分布型光斑。快速、精确地提取星点和光靶点在成像平面上的高斯分布型光斑的中心坐标是上述系统的基本前提，一个精确、高效的光斑中心定位算法对系统整体性能有重要影响，特别是对于实时的动态跟踪、检测、定位而言，在保证中心定位精度的前提下，方法的时间效率十分重要。

目前对于光斑图像中心定位的方法主要有灰度质心法、灰度加权质心法、高斯曲面拟合法、抛物面拟合法等。对于已知灰度分布为高斯型分布的光斑图像而言，高斯曲面拟合法是最精确的方法，但是该算法需要求解广义逆矩阵以及较多的对数运算，因此运算过程复杂，程序运行效率低，无法满足当前卫星导航、多靶点动态跟踪测量等应用对算法实时性的要求。灰度质心法和加权灰度质心法常用于一般的光斑中心定位，计算过程简单，运行效率高，但对于高斯型分布的光斑图像而言，精度比高斯曲面拟合法低，难以满足当前卫星导航、视觉测量等领域的精度要求。抛物面拟合法是高斯曲面拟合法的一种简化算法，效率略有提高，但精度明显低于高斯曲面拟合法。

因此，发明一种既能保证高定位精度，又能够快速实时处理的高斯分布型光斑图像中心定位方法有很高的实用价值，在视觉测量及星敏感器等方面有广泛应用。

发明内容

本发明旨在针对现有方法的不足，提出一种新的高斯分布光斑图像中心定位方法。光斑中心定位一般可分为粗定位和精定位，粗定位是要确定出目标光点所在的区域，对此目前已有多种方法可以实现，精定位一般需要将光斑中心定位至0.01像素等级甚至更高的亚像素精度，是方法的关键所在，也最终决定测量的精度。

本发明具体技术方案如下：

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(电荷耦合器件)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([x_c]，[y_c])，其计算公式为：