一种基于像素移动切割的光斑亚像素中心定位方法

技术领域

本发明涉及一种光斑中心定位方法，具体涉及一种基于像素移动切割的光斑亚像素中心定位方法。

背景技术

光斑中心定位作为图像自动定位的一个重要方式已经广泛应用于计算机视觉、模式识别和光学测量等方面。提高定位和测量精度的最直接方法是提高CCD的分辨率，即增加像素点阵数。然而这种提高硬件分辨率的方法代价十分昂贵，所以对图像目标的亚像素定位成为高精度测量和定位中的重要技术。

目前比较常见的定位方法有质心法、高斯分布拟合法和椭圆拟合、高斯累计分布等方法。质心法简单明了，但该算法只对灰度对称分布的目标才能获得理想效果；椭圆拟合法算法相对简单，效率也较高，但是对于边缘模糊的光斑定位时，阈值的选择对最终定位结果有很大影响；高斯拟合法能够较好的获取有强弱分布的光斑中心，同时能抑制噪声的影响，但是对于完全饱和的光斑无法获取位置信息。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术中已有的定位方法存在的只能处理某种特定的光斑场景的问题，提供一种基于像素移动切割的光斑亚像素中心定位方法，该光斑中心定位方法能够处理多种光斑场景。

技术方案：本发明所述的基于像素移动切割的光斑亚像素中心定位方法，所述中心定位方法通过位移平台带动CCD像面沿x方向和y方向移动，选取目标像素对光斑进行移动切割，记录目标像素的灰度值变化并构建灰度值和位移的映射关系，然后对灰度值和位移的映射曲线进行差分变换，最后进行插值拟合，得到光斑中心点亚像素坐标值。

上述基于像素移动切割的光斑亚像素中心定位方法，具体包括如下步骤：

(1)选取与光斑距离最近的像素作为目标像素，选取方法为选取任意感光的像素(像素灰度值大于感光阈值)作为目标像素；通过高精度移动平台带动CCD在x方向进行微小多次移动，利用目标像素去切割待测光斑；

(2)观察并记录步骤(1)中目标像素的灰度值变化，同时记录每次的位移，建立目标像素灰度值和位移的映射关系：

Gray(k)＝f(x

其中，x

(3)根据步骤(2)中获取的目标像素灰度值和位移的映射关系，进行一阶差分运算，这里采用前向差分计算：

ΔGray(k)＝f(x

其中，ΔGray(k)表示每次差分后的结果，通过ΔGray(k)得到差分后灰度值与位移的关系；

(4)利用插值和非线性最小二乘法对步骤(3)中获取的差分后的灰度差值与位移的关系进行处理，获取空域中对应像素灰度差分值最大的点，该点为光斑中心在x方向的位置坐标，记为x

(5)在y方向上，采用步骤(1)～(4)的方法，改成移动平台带动CCD在y方向上移动切割，定位到光斑中心在y方向的位置坐标，记为y

其中，步骤(1)中，所述光斑尺寸小于目标像素尺寸。

其中，步骤(2)中，每次位移等距且每次移动距离为光斑直径的1/20到1/10。

其中，步骤(3)中，采用的插值和非线性最小二乘法处理的具体方法为采用高斯拟合对目标像素的灰度差值与位移的关系进行拟合处理。

其中，步骤(4)中，对由步骤(3)前向差分引入的偏移量进行补偿作为最终结果，补偿方法为在结果x

有益效果：本发明的光斑定位方法，通过高精度位移平台带动CCD在x和y方向上进行多次微小位移来切割扫描光斑，关注目标像素灰度值变化与位移量的关系，进行差分和插值拟合运算，最终获取目标光斑亚像素中心坐标；本发明方法的测量精度可保持在1/2个切割单步位移量以内，同时该方法不但适用于强弱分布的光斑也同样适用于完全饱和的光斑，对不对称分布和边缘模糊的光斑也同样具有好的测量效果，能够处理多种光斑场景，实现各种光斑场景的光斑亚像素中心定位。

附图说明

图1为本发明基于像素移动切割的光斑亚像素中心定位方法的流程图；

图2为本发明中像素切割光斑示意图；

图3是移动切割位移与对应像素灰度值的映射关系曲线；

图4为图3中映射关系曲线做差分后的结果；

图5为图4经过插值拟合后的结果；

图6为利用相同方法在y方向切割得到的结果。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明技术方案作进一步说明。

如图1～6所示，本发明光斑中心定位方法，利用高精度位移平台，在CCD像面的x和y方向上，分别进行扫描，利用像素边缘去切割待测光斑，目标像素灰度值在切割过程中的变化，利用差分和拟合计算，分析出灰度值变化率最大的位置即为光斑中心，实现亚像素定位，具体包括如下步骤：

(1)选取与光斑距离最近的像素(如图2c所示)作为目标像素，选取方法为选取任意感光的像素(像素灰度值大于感光阈值)作为目标像素；通过高精度移动平台带动CCD在x方向进行微小多次移动(从图2c开始，开始切割光斑，图2c-图2a-图2b-图2d)，利用目标像素去切割待测光斑，实际的被测量光斑尺寸小于目标像素尺寸；

(2)观察并记录步骤(1)中目标像素的灰度值变化，同时记录每次的位移，建立目标像素灰度值和位移的映射关系：

Gray(k)＝f(x

其中，x

(3)根据步骤(2)中获取的目标像素灰度值和位移的映射关系，进行一阶差分运算，这里采用前向差分：

ΔGray(k)＝f(x

其中，ΔGray(k)表示每次差分后的结果，于是可以得到差分后的灰度值与位移的关系；

(4)利用插值和非线性最小二乘法对步骤(3)中获取的差分后的灰度差值与位移的关系进行处理，获取空域中对应像素灰度差分值最大的点，即为光斑中心在x方向的位置坐标，x

同时，对由步骤(3)前向差分引入的偏移量进行补偿作为最终结果，补偿方法为在结果x

(5)在y方向上，采用步骤(1)～(4)的方法，改成移动平台带动CCD在y方向上移动切割，可以定位到光斑中心在y方向的位置坐标，y

图5和图6为基于本发明方法得到的光斑中心坐标为(0.3455，0.5864)，光斑原始坐标为(0.3442，0.5877)，从而可以说明本发明光斑亚像素定位方法的误差小于1％像素，对光斑中心定位的精度为亚像素级别。