专利名称：快速高精度光斑图像质心定位方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器视觉检测技术，特别是涉及一种快速高精度光斑图像质心定位方法及装置。
背景技术：
光斑图像是机器视觉和模式识别中常见的图像信息，光斑中心是光斑图像的特征。光斑中心被广泛应用于机器视觉中的目标跟踪，视觉检测中高精度三维测量的特征点提取，以及空间应用的深空激光通讯中激光光斑中心的定位、姿态测量部件星敏感器的星点定位、太阳敏感器的太阳光斑定位。
目前，对光斑中心的定位方法可分为两大类基于灰度的定位方法和基于边缘的定位方法。其中，基于灰度的定位方法一般是利用目标光斑图像的灰度分布信息进行定位，可采用质心法、曲面拟合法等等；基于边缘的定位方法一般是利用目标光斑图像的边缘形状信息进行定位，包括边缘圆(椭圆)拟合、哈夫(Hough)变换等等。
基于灰度的定位方法比基于边缘的定位方法具有更高的精度，通常，基于灰度的曲面拟合法采用高斯曲面对目标光斑图像的灰度分布进行拟合，但常用的二维高斯曲面函数的计算比较复杂，因此，质心法由于实现较为简单且定位精度较高，成为使用最多的一种定位方法。质心法有一些改进的形式，主要包括带阈值的质心法和平方加权质心法，其中，带阈值的质心法相当于将原图像与背景阈值相减，对原图像中大于阈值的像素点求质心；平方加权质心法采用灰度值的平方代替灰度值作为权值，该方法突出了离中心较近的较大灰度值像素点对中心位置的影响。
现有技术中，在实时性要求较高的视觉动态跟踪、测量以及小型化要求的空间应用中，光斑中心定位是对大数据量的图像进行处理，且这些处理过程存在很大的并行性，包括操作并行、图像并行、邻域并行、像素位并行等。但是，目前光斑中心的定位方法主要是在计算机上由软件实现的，由于软件实现是按指令方式串行执行的，使得光斑中心定位成为图像数据预处理的瓶颈。故此，在实时光斑中心定位方面，美国的喷气动力实验室(JPL)提出了一种基于窗口的质心定位装置，该装置采用模拟电路实现并嵌入在图像传感器芯片中。这种质心定位装置可同时对多个窗口进行图像质心定位，但由于该装置主要采用的是模拟电路，且采用基于窗口的数据处理方式，所以在实现上存在以下缺陷1)光斑处理窗口设定不灵活，不能设定太大窗口，否则会将窗口中可能存在的两个以上光斑当作一个光斑进行处理，得到的结果有误差；2)必须预先知道光斑在图像中的大致位置和范围，才能进行窗口的设定；3)受到处理速度和传输速度的限制，不能设置太多的窗口，因此当图像中光斑数目多时，不能获取图像中所有的光斑；4)由于采用模拟电路实现，该方法对噪声比较敏感，而噪声的存在会对定位产生较大的误差。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种快速高精度光斑图像质心定位方法，能提高光斑图像质心定位中的数据处理速度和抗噪声能力，且能对任意大小的任意多个光斑图像进行处理。
本发明的另一目的在于提供一种快速高精度光斑图像质心定位装置，能解决光斑图像质心定位中大数据量图像预处理的瓶颈问题和噪声敏感问题，并能对任意大小的任意多个光斑图像进行处理。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种快速高精度光斑图像质心定位方法，包括以下步骤A、对像素灰度值进行高斯卷积运算，并判断经高斯卷积运算后的像素灰度值是否大于预设阈值，如果是，执行步骤B，否则，执行步骤C；
B、对当前读取像素进行标记，识别当前像素所属光斑，并计算当前像素灰度值和坐标值的乘积与已处理的同一光斑所有像素灰度值和坐标值乘积的累加值，当前像素的灰度值与已处理的同一光斑所有像素灰度值的累加值，保存得到的累加值，执行步骤D；C、将当前像素标记为背景像素，并判断是否调整当前像素所属光斑的存储数据，如果是，则调整当前像素所属光斑的存储数据，否则执行步骤D；D、判断是否处理完整个输出图像，如果未处理完，则返回步骤A，如果处理完，计算步骤B所得到的各个光斑灰度值和坐标值乘积的累加值与灰度值累加值之商，并将得到的商作为各个光斑图像质心坐标值输出。
其中，所述步骤B中，在标记的同时进一步包括合并同一光斑中等价标记的步骤。所述进行高斯卷积运算之前进一步包括读取当前像素灰度值，并将当前所读的像素灰度值进行缓存。
上述方法中，步骤B所述对当前像素进行标记进一步包括B11、判断当前像素左边像素的标记值是否为零，如果不为零，则将当前像素标记为左边像素的标记值，执行步骤B13，否则，执行步骤B12；B12、判断当前像素上方像素的标记值是否不为零，如果是，则将当前像素标记为上方像素的标记值，执行步骤B13，否则，将当前像素标记为新标记值，并更新新标记值；B13、将当前像素标记值赋给左标记参数和上标记参数组中对应的标记参数。
上述方法中，所述合并同一光斑中等价标记进一步包括B21、判断当前像素左边像素和上方像素的标记值，如果均为零，则将当前像素对应的等价标记参数置为新等价标记值，更新新等价标记值，执行步骤B22；如果均不为零，且二者不相等，则将合并标记数+1，执行步骤B22；B22、判断合并标记数是否为1，如果合并标记数为1，则将当前像素左边像素的等价标记合并为当前像素上方像素的等价标记，并更新新等价标记值为前一新等价标记值；如果合并标记数不为1，则执行步骤B23；
B23、判断当前像素左边像素的等价标记值与当前像素上方像素的等价标记值是否相等，如果不相等，则合并等价数据，并将当前像素上方像素的等价标记合并为当前像素左边像素的等价标记，如果相等，则不作处理。
上述方法中，所述步骤C进一步包括将上标记参数组、左标记参数清零；步骤C所述判断为判断当前像素左边像素的标记值是否大于零，如果是，则调整当前像素所属光斑的存储数据，否则不调整；所述调整为将累加器的值累加到等价标记值对应的数据存储器中，并将累加器清零。
本发明还提供一种快速高精度光斑图像质心定位装置，包括高斯滤波单元、光斑识别单元和光斑质心计算单元，其中，高斯滤波单元，用于对输出图像像素的灰度值进行高斯滤波，并将经过高斯滤波处理的像素灰度值送至光斑质心计算单元；光斑识别单元，用于接收光斑质心计算单元输入的进行光斑识别的控制信号，完成光斑图像的像素标记；光斑质心计算单元，根据像素标记值进行不同光斑图像质心的计算，并将最后的计算结果输出。
所述光斑识别单元进一步包括标记判断器、左标记寄存器、上标记寄存器组、当前标记寄存器、新标记寄存器；其中，标记判断器，用于对像素进行标记；左标记寄存器、上标记寄存器组、当前标记寄存器、新标记寄存器，用于存储并向标记判断器提供当前像素左边像素的标记值、当前像素上方像素的标记值、当前像素的标记值、新标记值。
所述光斑识别单元还包括合并等价标记判断器、合并标记寄存器、新等价标记寄存器、等价标记缓存器；其中，合并等价标记判断器，用于对同一光斑中的等价标记进行合并；等价标记缓存器，用于存储合并后的等价标记值；合并标记寄存器，用于存储合并标记值；新等价标记寄存器，用于向合并等价标记判断器提供新等价标记值；左标记寄存器、上标记寄存器组、当前标记寄存器，进一步用于向合并等价标记判断器提供当前像素左边像素的标记值、当前像素上方像素的标记值、当前像素的标记值。
上述装置中，所述高斯滤波单元进一步包括图像缓存和高斯卷积运算单元，其中，图像缓存，用于缓存所读出像素的灰度值，并提供给高斯卷积运算单元；高斯卷积运算单元，用于对缓存的像素灰度值完成高斯卷积运算，并将计算结果输出给光斑质心计算单元。
所述光斑质心计算单元进一步包括行列计数器，用于计算并提供每个像素点的坐标值；阈值比较器，用于比较高斯卷积运算单元输出的经过高斯卷积运算的像素灰度值和预设阈值，并将比较结果作为控制信号输出；第一和第二乘法器，分别用于计算像素灰度值和x坐标值的乘积、像素灰度值和y坐标值的乘积；第一和第二加法器，分别用于计算像素灰度值和x坐标值乘积的累加值、像素灰度值和y坐标值乘积的累加值，并将得到的累加值分别送至第一和第二数据存储器存储；第三加法器，用于计算像素灰度值的累加值，并将得到的累加值送至第三数据存储器存储；第一、第二和第三数据存储器，分别用于存储像素灰度值和x坐标值乘积的累加值、像素灰度值和y坐标值乘积的累加值、像素灰度值的累加值；第一除法器和第二除法器，分别用于计算像素灰度值和x坐标值乘积累加值与像素灰度值累加值之商、像素灰度值和y坐标值乘积累加值与像素灰度值累加值之商。
本发明所提供的快速高精度光斑图像质心定位方法及装置，对输出图像的像素灰度值进行高斯滤波处理后，对输出图像的每个像素同时进行标记和计算处理，从而能快速地对一个或多于一个的光斑图像进行自动识别与处理。本发明具有以下优点1)本发明采用高斯加权的质心定位方法，对输出的图像数据先进行高斯卷积运算，完成高斯滤波，再进行光斑识别，进而提高了该方法和装置的抗噪声能力，实现了高精度的定位。
2)本发明是对整个输出图像的每个像素进行标记、处理，而不是采用窗口形式，因此可识别和处理图像中任意多个光斑，且光斑的大小和形状不受限制。
3)本发明在光斑初始标记时，由于对同一光斑可能存在一个以上等价标记，使得同一光斑的图像数据存在一个以上数据缓存器中，因此，本发明在标记像素的同时对属于同一光斑的等价标记进行合并，通过合并等价标记及等价标记值的压缩，将属于同一光斑的图像数据缓存于同一数据缓存器中，能大大节省数据存储空间。
4)由于本发明将标记像素、合并等价标记、对像素的累加计算并行实现，且采用FPGA硬件装置实时实现，因此解决了大数据量图像预处理的瓶颈问题，使得数据更新率最高能达到30MHz，可实现实时的质心提取。
图1为本发明光斑图像质心定位方法一具体实施例的流程图；图2为图1所示流程中进行像素标记的流程图；图3为经过标记的一种光斑图像示意图；图4为图1所示流程中进行合并等价标记的流程图；图5为图3所示光斑图像进行等价标记合并后的光斑图像示意图；图6为本发明光斑图像质心定位装置一具体实施例的组成结构示意图。
具体实施例方式
本发明的基本思想是先对输出图像的像素灰度值进行高斯滤波处理，再对输出图像的每个像素同时进行标记和计算处理，从而能对一个或多于一个的光斑图像进行自动识别和处理。
这里，所述标记和计算处理具体是对每个输出像素进行比较，对每个光斑像素进行标记，并在需要时对同一光斑中的不同像素进行等价标记合并，以保证同一光斑的每个像素给予相同的标记，不同光斑像素标记不同；在标记、合并的同时对相同标记的像素进行灰度值和坐标值乘积的累加以及灰度值的累加处理；在整个图像数据输出结束后，将相同标记的像素的灰度值和坐标值乘积的累加值与灰度值的累加值相除，得到每个光斑的质心定位坐标。如此，即可实现对多光斑、大小形状不限的光斑的快速高精度光斑质心定位。
从现有技术的质心定位过程可以看出，噪声对定位精度影响很大，因此，本发明中采用高斯加权质心定位方法，即在质心定位时不采用原图像像素灰度值进行计算，而是通过公式(1)对原图像像素的灰度值进行高斯滤波，再采用原图像像素经过高斯滤波后的灰度值进行计算。
I(x,y)=Σi=-k2k2Σj=-k2k2F(x+i,y+j)g(i,j)---(1)]]>公式(1)中，F(x，y)表示输出图像数据灰度值，I(x，y)表示高斯卷积处理后输出图像数据的灰度值，g(i，j)表示高斯滤波系数。
图1所示为本发明光斑图像质心定位方法一具体实施例的处理过程，参见图1，本实施例的光斑图像质心定位方法包括以下处理步骤步骤101读取当前像素灰度值，并将当前所读取的像素灰度值进行缓存。
这里，所述缓存像素灰度值，一般是根据高斯卷积模版大小，即输出图像的行数据量来确定，比如高斯卷积模版是7×7的，则每次缓存6行数据，读出第7行后再进行后续处理。
步骤102～103对缓存的灰度值进行高斯卷积运算，并将高斯卷积运算后得到的像素灰度值与预先设定的阈值进行比较，运算后像素灰度值是否大于设定阈值，如果是，则表示当前像素是光斑，执行步骤104进行光斑识别；否则，表示当前像素是背景，执行步骤107。
这里，所述进行高斯卷积运算也是根据高斯卷积模版确定，比如对于7×7的高斯卷积模版，每次对输出图像的7行7列数据进行处理，处理顺序通常为以输出图像起始点为准，从左向右、从上向下；具体高斯卷积运算采用公式(1)的计算方式，实际上，具体的实现方式只要达到实现公式(1)的计算目的即可。所述阈值通常根据输出图像本身的灰度与背景的对比度来确定，一般光斑对比度越小，阈值设置越低；光斑对比度越大，阈值设置越高。
步骤104对当前读取的像素进行标记，并识别当前像素所属的光斑。
其中，背景像素可以零标记，非背景像素以非零值标记。当然，在实际应用中，也可以将背景像素标记为其它值，相应的，非背景像素标记为非背景像素标记值，只要能区分背景和非背景以及不同光斑即可。为了计算和标记的方便，一般采用零和正整数作为可选标记值，当然，也可以采用负整数、小数等值。下面步骤以背景像素标记为零，非背景像素标记为非零的正整数为例进行说明。
具体每个像素的标记过程如图2所示，包括以下步骤步骤104～104b判断当前像素左边像素的标记值是否为零，如果不为零，则将当前像素标记为左边像素的标记值，执行步骤104f，如果为零，执行步骤104c。
步骤104c～104e判断当前像素上方像素的标记值是否为零，如果不为零，则将当前像素标记为上方像素的标记值，执行步骤104f，如果为零，将当前像素标记为新标记值，并更新新标记值。
这里，所述新标记值可采用专门的寄存器存储，用于给像素提供新的标记值，新标记值可以采用不同的方式进行更新，只要保证每次提供的新标记值不重复即可。比如每次使用新标记值后，将新标记值加1重新保存，以供下次像素标记使用。
步骤104f将当前像素标记值赋给左标记参数和上标记参数组中对应的标记参数，以备下一个像素和下一行像素标记使用。
这里，可由缓存器存储上标记参数组，由寄存器存储左标记参数。其中，左标记参数为一个标记值，初始化时置为零，上标记参数组用于保存一组标记参数值，可以采用一个数组，该组中每个标记分别对应一个像素，比如一行有10个像素，该上标记参数组就是由10个标记组成的标记组，每个标记对应该行中的一个像素，该组标记参数的初始值均为零。相应的，在赋值时，就将当前像素的标记值赋给对应当前像素的上标记参数组中的标记参数，比如一行有10个像素，上标记参数组包括10个标记参数，当前像素为所属行的第5个像素，那么，所述赋值就是指将当前像素的标记值赋给上标记参数组中的第5个标记参数。在进行判断时，所述当前像素的上方像素的标记值也是在上标记参数组中找与当前像素序号对应的标记参数进行判别。
步骤104a～104f是一个像素的标记过程，重复执行104a～104f就可以对输出图像中的每个像素进行标记。比如对于图3中第2行第4列的像素，先判断当前像素左边像素的标记值，因为等于零，所以再继续判断当前像素上方像素的标记值，也等于零，则将当前像素标记为新标记值，并更新新标记值。再比如对于图3中第2行第5列的像素，先判断当前像素左边像素的标记值，因为等于2，所以直接将当前像素标记为2。
步骤105合并同一光斑中的等价标记。
图3为一个采用图2方法进行标记后的图像示意图，图3中阴影覆盖的区域为光斑，图3中有四个光斑。从图3可以看出，对于同一个光斑，可能存在多个不同的标记，这些标记对于同一个光斑是等价的，因此，为了统一同一个光斑中的所有标记，本发明采用图4所示的流程进行等价标记的合并，给每个光斑赋予一个相同的等价标记值，在背景标记为零的情况下，等价标记值也是从1开始的正整数。等价标记合并的具体过程如图4所示，包括步骤105a～105c判断当前像素左边像素和上方像素的标记值，如果均为零，则将当前像素对应的等价标记参数置为新等价标记值，更新新等价标记值，执行步骤105d；如果均不为零，且二者不相等，则说明二者的标记是等价的，将合并标记数+1，执行步骤105d。
这里，所述新等价标记值可采用专门的寄存器存储，用于给像素提供新的等价标记值，新等价标记值可以采用不同的方式进行更新，只要保证每次提供的新等价标记值不重复即可。比如每次使用新等价标记值后，将新等价标记值加1重新保存，以供下次像素标记使用。合并标记数用于记录需要合并的等价标记个数，可由寄存器存储合并标记数的值，最终得到的等价标记值可采用专门的缓存器存储。
步骤105d～105h判断合并标记数是否等于1，如果是，则将当前像素左边像素的等价标记合并为当前像素上方像素的等价标记，并更新新等价标记值为前一新等价标记值。如果步骤105b中的更新新等价标记值是每次将新等价标记值加1，那么，这里更新新等价标记值为前一新等价标记值就是将当前新等价标记值减1。
由于在合并等价标记的过程中将新等价标记值更新为前一新等价标记值，压缩了等价标记值的范围，而等价标记值是数据存储器对应的地址，新等价标记范围的压缩大大节省了数据存储单元。如图3所示的光斑，不进行等价标记压缩时所使用的数据存储单元为19，一个像素标记对应一个数据存储单元，其中大部分的存储单元是空的没有用，而进行等价标记压缩后的光斑图像如图5所示，只需4个数据存储单元。
如果合并标记数不等于1，则进一步判断当前像素左边像素的等价标记值与当前像素上方像素的等价标记值是否相等，如果不相等，则进行等价数据的合并和等价标记的合并。这里，等价数据是指等价标记所对应的存储空间的数据。具体就是将上方像素的等价标记对应的数据存储器空间的数据合并到左边像素的等价标记对应的存储空间中，将上方像素的等价标记对应的数据存储器空间清零，同时将当前像素上方像素的等价标记合并为当前像素左边像素的等价标记，如果相等，则不作处理。
图3所示图像经过合并处理后的结果如图5所示，要说明的是，图5中每个像素上的标记实际为该像素所属光斑图像数据最终存储的数据存储器地址，比如图5中左上方的光斑标记为1，表示此光斑的光斑图像数据存储于等价标记为1的数据存储器中。
在实际应用中，如果一个光斑中的所有像素均已采用同一标记值，那就不需要进行等价标记合并；或者，如果不考虑减少存储空间的占用，也可以不做此步骤，所以步骤105是可选的。
步骤106将当前像素灰度值和坐标值的乘积与已处理的同一光斑所有像素灰度值和坐标值乘积的累加值进行累加，并将当前像素的灰度值与已处理的同一光斑所有像素的灰度累加值进行累加，保存得到的累加值，执行步骤110。
本发明中，上述步骤104、105和106对于每个像素而言是并行实现的，如此，可以大大提高处理速度。
步骤107将当前像素标记为背景像素，本实施例中将当前像素标记为零，并将上标记参数组、左标记参数清零。
这里，所述上标记参数组、左标记参数的定义与步骤104f所述完全相同。
步骤108～109判断当前像素左边像素的标记值是否大于零，如果不是，则直接执行步骤110；如果是，则调整当前像素所属光斑的存储数据，具体操作是将累加器的值累加到等价标记值对应的数据存储器中，并将累加器清零。
步骤110判断是否处理完整个输出图像，如果是，则执行步骤111，否则返回步骤101。这里，可根据是否读到当前输出图像的结束标志确定是否处理完该输出图像。
步骤111按照公式(2)将步骤106计算得到的灰度值和坐标值乘积的累加值与灰度值的累加值相除，将得到的商作为光斑图像质心坐标值输出。
x0=Σx=1nΣy=1mI(x,y)xΣx=1nΣy=1mI(x,y),]]>y0=Σx=1nΣy=1mI(x,y)yΣx=1nΣy=1nI(x,y)---(2)]]>公式(2)中，I(x，y)表示高斯卷积处理后输出图像数据的灰度值；x0、y0为光斑图像质心的x、y坐标值。
为实现上述方法，本发明提出一种相应的光斑图像质心定位装置，如图6所示，本发明的光斑图像质心定位装置包括光斑识别单元61、高斯滤波单元62、光斑质心计算单元63。其中，光斑识别单元61用于接收光斑质心计算单元63中阈值比较器632输入的进行光斑识别的控制信号，完成光斑图像的像素标记、同一光斑的等价标记合并。光斑识别单元61进一步包括标记判断器611、合并等价标记判断器612、左标记寄存器613、上标记寄存器组614、当前标记寄存器615、新标记寄存器616、合并标记寄存器617、新等价标记寄存器618、等价标记缓存器619。
其中，标记判断器611用于对像素进行标记，具体标记过程采用图2所示的过程，结合当前标记寄存器615、左标记寄存器613、上标记寄存器组614、新标记寄存器616保存的标记值完成对当前像素的标记。
合并等价标记判断器612用于对同一光斑中的等价标记进行合并，具体合并过程采用图4所示的过程，结合左标记寄存器613、上标记寄存器组614、合并标记寄存器617以及新等价标记寄存器618完成对同一光斑不同像素的等价标记合并并将等价标记值保存在等价标记缓存器619中。
当前标记寄存器615、左标记寄存器613、上标记寄存器组614、新标记寄存器616、合并标记寄存器617、新等价标记寄存器618、等价标记缓存器619分别用于存储并向标记判断器611、合并等价标记判断器612提供当前像素的标记值、当前像素左边像素的标记值、当前像素上方像素的标记值、新标记值、合并标记值、新等价标记值和最终的等价标记值。其中，上标记寄存器组614和等价标记缓存器619用于存储一组标记参数值，比如一行像素的标记值，其余寄存器中仅存储一个标记值。等价标记缓存器619还将合并后每个光斑的等价标记作为地址提供给光斑质心计算单元63中的数据存储器635a、635b和635c，以便将每个光斑的图像数据最终存储在合并后的等价标记对应的数据存储器中。
如果不做等价标记合并，则合并等价标记判断器612、合并标记寄存器617、新等价标记寄存器618和等价标记缓存器619可省略。
高斯滤波单元62用于对输出图像像素的灰度值进行高斯滤波，并将经过高斯滤波处理的像素灰度值送至光斑质心计算单元63；高斯滤波单元62进一步包括图像缓存621和高斯卷积运算单元622，其中，图像缓存621用于缓存所读出像素的灰度值，并提供给高斯卷积运算单元622；高斯卷积运算单元622用于对缓存的像素灰度值完成高斯卷积运算，并将计算结果输出给光斑质心计算单元63中的阈值比较器632、乘法器633a和633b、加法器634c。
光斑质心计算单元63用于计算光斑图像的质心，并将最后的计算结果输出。光斑质心计算单元63进一步包括行列计数器631，用于计算并提供每个像素点的坐标值，将每个像素的x、y坐标值分别输入给乘法器633a和633b；阈值比较器632，用于接收高斯卷积运算单元622输出的经过高斯卷积运算的像素灰度值、以及单独输入的预设阈值，将两者进行比较，并将比较结果作为控制信号发送给标记判断器611、合并等价标记判断器612、加法器634a、634b和634c。
光斑质心计算单元63还包括乘法器633a和633b，加法器634a、634b和634c，数据存储器635a、635b和635c，以及除法器636a和636b。其中，乘法器633a、633b接收高斯卷积运算单元622输出的经过高斯滤波的像素灰度值、以及行列计数器输入的x、y坐标值，输出像素灰度值与坐标值的乘积；加法器634a、634b和634c接收阈值比较器632的输出结果、自身的累加结果，并分别接收乘法器633a、633b和高斯卷积运算单元622输出的结果进行累加运算。实际上，乘法器633a和加法器634a用于计算同一光斑所有像素x坐标值与像素灰度值乘积的累加值，并将计算结果存储于数据存储器635a中；乘法器633b和加法器634b用于计算同一光斑所有像素y坐标值与像素灰度值乘积的累加值，并将计算结果存储于数据存储器635b中；加法器634c用于计算同一光斑所有像素灰度值的累加值，并将计算结果存储于数据储器635c中。除法器636a和636b分别用于计算x坐标值和像素灰度值乘积的累加值与像素灰度值累加值之商、y坐标值和像素灰度值乘积的累加值与像素灰度值累加值之商，得到光斑质心的x坐标值和y坐标值。乘法器633a和633b、加法器634a、634b和634c、数据存储器635a、635b和635c、除法器636a和636b就是用于完成公式(2)的计算。
本发明的光斑图像质心定位装置可采用现场可编程门阵列(FPGA，Fieldprogrammable gate array)、或专用集成电路(ASIC，Application Specific IntegratedCircuit)实现。
在对输出图像进行光斑质心定位时，图6所示装置从当前输出图像中读取当前像素灰度值，并将当前所读入的像素灰度值缓存在图像缓存621中，之后，图像缓存621中的像素灰度值被送入高斯卷积运算单元622进行高斯卷积运算，完成高斯滤波；经过高斯卷积运算的像素灰度值被输入到阈值比较器632中，与单独输入的预设阈值进行比较，再根据比较结果确定是否进行光斑识别，如果是，则将阈值比较结果作为控制信号输入给光斑识别单元61中的标记判断器611和合并等价标记判断器612，启动对光斑像素点的标记以及等价标记的合并，具体标记和合并过程通过标记判断器611、合并等价标记判断器612、左标记寄存器613、上标记寄存器组614、当前标记寄存器615、新标记寄存器616、合并标记寄存器617、新等价标记寄存器618及等价标记缓存器619之间的配合，按图2和图4所示的流程完成；同时，通过乘法器633a和633b、加法器634a、634b和634c、数据存储器635a、635b和635c完成像素灰度值与坐标值乘积的累加以及像素灰度值的累加和存储；在确定处理完整个输出图像后，通过除法器636a和636b计算出光斑质心的x、y坐标值。其中，每个像素的x、y坐标值由行列计数器631提供。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
权利要求
1.一种快速高精度光斑图像质心定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤A、对像素灰度值进行高斯卷积运算，并判断经高斯卷积运算后的像素灰度值是否大于预设阈值，如果是，执行步骤B，否则，执行步骤C；B、对当前读取像素进行标记，识别当前像素所属光斑，并计算当前像素灰度值和坐标值的乘积与已处理的同一光斑所有像素灰度值和坐标值乘积的累加值，当前像素的灰度值与已处理的同一光斑所有像素灰度值的累加值，保存得到的累加值，执行步骤D；C、将当前像素标记为背景像素，并判断是否调整当前像素所属光斑的存储数据，如果是，则调整当前像素所属光斑的存储数据，否则执行步骤D；D、判断是否处理完整个输出图像，如果未处理完，则返回步骤A，如果处理完，计算步骤B所得到的各个光斑灰度值和坐标值乘积的累加值与灰度值累加值之商，并将得到的商作为各个光斑图像质心坐标值输出。
2.根据权利要求1所述的光斑图像质心定位方法，其特征在于，所述步骤B中，在标记的同时进一步包括合并同一光斑中等价标记的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的光斑图像质心定位方法，其特征在于，所述进行高斯卷积运算之前进一步包括读取当前像素灰度值，并将当前所读的像素灰度值进行缓存。
4.根据权利要求1或2所述的光斑图像质心定位方法，其特征在于，步骤B所述对当前像素进行标记进一步包括B11、判断当前像素左边像素的标记值是否为零，如果不为零，则将当前像素标记为左边像素的标记值，执行步骤B13，否则，执行步骤B12；B12、判断当前像素上方像素的标记值是否不为零，如果是，则将当前像素标记为上方像素的标记值，执行步骤B13，否则，将当前像素标记为新标记值，并更新新标记值；B13、将当前像素标记值赋给左标记参数和上标记参数组中对应的标记参数。
5.根据权利要求2所述的光斑图像质心定位方法，其特征在于，所述合并同一光斑中等价标记进一步包括B21、判断当前像素左边像素和上方像素的标记值，如果均为零，则将当前像素对应的等价标记参数置为新等价标记值，更新新等价标记值，执行步骤B22；如果均不为零，且二者不相等，则将合并标记数+1，执行步骤B22；B22、判断合并标记数是否为1，如果合并标记数为1，则将当前像素左边像素的等价标记合并为当前像素上方像素的等价标记，并更新新等价标记值为前一新等价标记值；如果合并标记数不为1，则执行步骤B23；B23、判断当前像素左边像素的等价标记值与当前像素上方像素的等价标记值是否相等，如果不相等，则合并等价数据，并将当前像素上方像素的等价标记合并为当前像素左边像素的等价标记，如果相等，则不作处理。
6.根据权利要求1或2所述的光斑图像质心定位方法，其特征在于，所述步骤C进一步包括将上标记参数组、左标记参数清零；步骤C所述判断为判断当前像素左边像素的标记值是否大于零，如果是，则调整当前像素所属光斑的存储数据，否则不调整；所述调整为将累加器的值累加到等价标记值对应的数据存储器中，并将累加器清零。
7.一种快速高精度光斑图像质心定位装置，其特征在于，该装置包括高斯滤波单元、光斑识别单元和光斑质心计算单元，其中，高斯滤波单元，用于对输出图像像素的灰度值进行高斯滤波，并将经过高斯滤波处理的像素灰度值送至光斑质心计算单元；光斑识别单元，用于接收光斑质心计算单元输入的进行光斑识别的控制信号，完成光斑图像的像素标记；光斑质心计算单元，根据像素标记值进行不同光斑图像质心的计算，并将最后的计算结果输出。
8.根据权利要求7所述的光斑图像质心定位装置，其特征在于，所述光斑识别单元进一步包括标记判断器、左标记寄存器、上标记寄存器组、当前标记寄存器、新标记寄存器；其中，标记判断器，用于对像素进行标记；左标记寄存器、上标记寄存器组、当前标记寄存器、新标记寄存器，用于存储并向标记判断器提供当前像素左边像素的标记值、当前像素上方像素的标记值、当前像素的标记值、新标记值。
9.根据权利要求8所述的光斑图像质心定位装置，其特征在于，所述光斑识别单元还包括合并等价标记判断器、合并标记寄存器、新等价标记寄存器、等价标记缓存器；其中，合并等价标记判断器，用于对同一光斑中的等价标记进行合并；等价标记缓存器，用于存储合并后的等价标记值；合并标记寄存器，用于存储合并标记值；新等价标记寄存器，用于向合并等价标记判断器提供新等价标记值；左标记寄存器、上标记寄存器组、当前标记寄存器，进一步用于向合并等价标记判断器提供当前像素左边像素的标记值、当前像素上方像素的标记值、当前像素的标记值。
10.根据权利要求7至9任一项所述的光斑图像质心定位装置，其特征在于，所述高斯滤波单元进一步包括图像缓存和高斯卷积运算单元，其中，图像缓存，用于缓存所读出像素的灰度值，并提供给高斯卷积运算单元；高斯卷积运算单元，用于对缓存的像素灰度值完成高斯卷积运算，并将计算结果输出给光斑质心计算单元。
11.根据权利要求7至9任一项所述的光斑图像质心定位装置，其特征在于，所述光斑质心计算单元进一步包括行列计数器，用于计算并提供每个像素点的坐标值；阈值比较器，用于比较高斯卷积运算单元输出的经过高斯卷积运算的像素灰度值和预设阈值，并将比较结果作为控制信号输出；第一和第二乘法器，分别用于计算像素灰度值和x坐标值的乘积、像素灰度值和y坐标值的乘积；第一和第二加法器，分别用于计算像素灰度值和x坐标值乘积的累加值、像素灰度值和y坐标值乘积的累加值，并将得到的累加值分别送至第一和第二数据存储器存储；第三加法器，用于计算像素灰度值的累加值，并将得到的累加值送至第三数据存储器存储；第一、第二和第三数据存储器，分别用于存储像素灰度值和x坐标值乘积的累加值、像素灰度值和y坐标值乘积的累加值、像素灰度值的累加值；第一除法器和第二除法器，分别用于计算像素灰度值和x坐标值乘积累加值与像素灰度值累加值之商、像素灰度值和y坐标值乘积累加值与像素灰度值累加值之商。
全文摘要
本发明公开了一种快速高精度光斑图像质心定位方法，对像素灰度值进行高斯卷积运算，并判断经高斯卷积运算后的像素灰度值是否大于预设阈值，如果是则对当前像素进行标记，识别所属光斑，并计算当前像素灰度值和坐标值的乘积与已处理的同一光斑所有像素灰度值和坐标值乘积的累加值，当前像素的灰度值与已处理的同一光斑所有像素灰度值的累加值，保存得到的累加值，否则将当前像素标记为背景像素并处理；在处理完整个输出图像后，计算灰度值和坐标值乘积累加值与灰度值累加值之商，并将计算结果作为光斑图像质心坐标值输出。本发明还同时公开了一种质心定位装置，本发明能提高光斑图像质心定位中的数据处理速度和抗噪声能力，且能处理多个光斑图像。
文档编号G01B21/04GK1987346SQ20061016180
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月1日 优先权日2006年11月1日
发明者张广军, 江洁, 樊巧云, 郝雪涛 申请人:北京航空航天大学