CN113808193A - 一种基于分块阈值的光斑质心定位方法 - Google Patents

一种基于分块阈值的光斑质心定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是提供一种基于分块阈值的光斑质心定位方法，首先得到光斑灰度图像，将光斑灰度图像划分成若干小块，每个小块由3×3个像素组成，得到若干的集合；以划分出来的小块灰度值总和作为基本单位，然后对划分出来的小块采用自适应阈值法求出小块的阈值V；当小块的灰度值之和小于阈值V时，整个小块内的所有像素点灰度值置为0，当小块内灰度值之和大于等于阈值V时，小块内所有像素点的灰度值置为当前块内所有像素点的平均值；最后利用质心法求出图像中光斑的中心位置坐标。本发明解决了现有技术中存在的自适应阈值法对质心法定位精度不高、抗噪声性能差的问题。

Description

一种基于分块阈值的光斑质心定位方法
技术领域
本发明属于图像分析处理技术领域，具体涉及一种基于分块阈值的光斑质心定位方法。
背景技术
图像阈值分割是利用图像中要提取的目标与背景在灰度上的差异，通过设置图像灰度值阈值来把图像中每个像素点分成若干类，从而实现目标与背景的分离。光斑中心定位是激光通信中一种关键技术，合理的阈值分割方法，可以有效的减少图像的背景噪声，在提高定位精度的同时减少了运算量。尤其在光斑图像定位中，需要有效地滤除背景噪声，同时要最大程度保留光斑的有效灰度值。
常见的阈值分割方法主要有五类，分别是基于阈值、基于边缘、基于区域、基于图论、基于能量泛函的阈值分割方法。在基于阈值的分割方法中，常用的阈值方法有最大类间方差法、迭代法、自适应阈值法等。而本发明主要是针对在光斑图像定位中基于质心定位算法下，自适应阈值分割算法定位精度低的问题，提出一种基于分块思想的阈值分割质心定位方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于分块阈值的光斑质心定位方法，解决了现有技术中存在的自适应阈值法对质心法定位精度不高、抗噪声性能差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于分块阈值的光斑质心定位方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、得到光斑灰度图像，将光斑灰度图像划分成若干小块，每个小块由3×3个像素组成，得到若干的集合；
步骤2、以划分出来的小块灰度值总和作为基本单位，然后对划分出来的小块采用自适应阈值法求出小块的阈值V；
步骤3、当小块的灰度值之和小于阈值V时，整个小块内的所有像素点灰度值置为0，当小块内灰度值之和大于等于阈值V时，小块内所有像素点的灰度值置为当前块内所有像素点的平均值；
步骤4、利用质心法求出图像中光斑的中心位置坐标。
本发明的特点还在于，
步骤1具体如下：
设高斯光斑标准灰度图像I(i,j)，I(i,j)代表像素点坐标为(i,j)的灰度值图像，由公式(1)将图像划分成若干3×3个像素组成集合的像素方块temp(x,y)，temp(x,y)代表坐标为(x,y)的像素块的灰度值总和，temp(1,1)是由9个像素点所得，temp(1,1)＝I(1,1)+I(1,2)+I(1,3)+I(2,1)+I(2,2)+I(2,3)+I(3,1)+I(3,2)+I(3,3)
Figure BDA0003237204040000021
步骤2具体如下：
步骤1划分出来的3×3像素方块灰度值总和求出这些方块的均值Vavg，如公式(2)所示，
Figure BDA0003237204040000022
其中m,n分别代表像素块的最大横纵坐标，再求出方差Vvar，如公式(3)所示，
Figure BDA0003237204040000031
然后由公式(4)中自适应阈值法，以及上文求出的Vavg和Vvar求出阈值V：
V＝Vavg+k×Vvar(k＝2) (4)。
步骤3具体如下：
由公式(5)得出阈值分割后的图像II(a,b)，图像II(a,b)的大小和初始的高斯光斑标准灰度图像I(i,j)大小一样，均为512×512像素，其中(a,b)代表图像II中的横纵坐标,(x,y)为像素块坐标，c为常数，依次取值为1、2、3，V为阈值，
Figure BDA0003237204040000032
步骤4具体如下：
由公式(6)根据步骤3得出的图像II得出光斑中心坐标(x0,y0)，其中mm,nn分别代表图像II的最大横纵坐标：
Figure BDA0003237204040000033
本发明的有益效果是，一种基于分块阈值的光斑质心定位方法，将整个光斑图像划分成像素值3×3的小块，将每个小块的灰度总值作为基本单位成为一个新的分辨率低的图像。再结合自适应阈值法[1]求得图像阈值，最后基于阈值，使用光斑定位算法进行定位。已有的自适应阈值法[1]方法基于图像像素统计方差特征，当一个像素点的噪声灰度值过高时，通过自适应阈值法得到的阈值不能有效的去除噪声。而通过分块法，将3×3的像素点集合看成一个整体，这样就避免了某个像素点灰度值过高而造成去燥不理想的结果，为下一步光斑图像处理提供了一个更加精准有效的范围。
附图说明
图1是划分像素方块示意图；
图2是光斑原始图；
图3是自适应阈值法和基于分块阈值分割法在质心法下的效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于分块阈值的光斑质心定位方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、得到光斑灰度图像，将光斑灰度图像划分成若干小块，每个小块由3×3个像素组成，得到若干的集合；
步骤1具体如下：
设高斯光斑标准灰度图像I(i,j)，I(i,j)代表像素点坐标为(i,j)的灰度值图像，由公式(1)将图像划分成若干3×3个像素组成集合的像素方块temp(x,y)，temp(x,y)代表坐标为(x,y)的像素块的灰度值总和，具体划分方式可见图1，如图1所示，temp(1,1)是由9个像素点所得，
temp(1,1)＝I(1,1)+I(1,2)+I(1,3)+I(2,1)+I(2,2)+I(2,3)+I(3,1)+I(3,2)+I(3,3)
Figure BDA0003237204040000041
步骤2、以划分出来的小块灰度值总和作为基本单位，然后对划分出来的小块采用自适应阈值法求出小块的阈值V；
步骤2具体如下：
步骤1划分出来的3×3像素方块灰度值总和求出这些方块的均值Vavg，如公式(2)所示，
Figure BDA0003237204040000051
其中m,n分别代表像素块的最大横纵坐标，再求出方差Vvar，如公式(3)所示，
Figure BDA0003237204040000052
然后由公式(4)中自适应阈值法，以及上文求出的Vavg和Vvar求出阈值V：
V＝Vavg+k×Vvar(k＝2) (4)。
步骤3、当小块的灰度值之和小于阈值V时，整个小块内的所有像素点灰度值置为0，当小块内灰度值之和大于等于阈值V时，小块内所有像素点的灰度值置为当前块内所有像素点的平均值；
步骤3具体如下：
由公式(5)得出阈值分割后的图像II(a,b)，图像II(a,b)的大小和初始的高斯光斑标准灰度图像I(i,j)大小一样，均为512×512像素，其中(a,b)代表图像II中的横纵坐标,(x,y)为像素块坐标，c为常数，依次取值为1、2、3，V为阈值，
Figure BDA0003237204040000053
步骤4、利用质心法求出图像中光斑的中心位置坐标。
步骤4具体如下：
由公式(6)根据步骤3得出的图像II得出光斑中心坐标(x0,y0)，其中mm,nn分别代表图像II的最大横纵坐标：
Figure BDA0003237204040000061
文献[1]王杰飞,刘洁瑜,赵晗,沈强.一种改进的激光光斑中心亚像素定位方法[J].激光技术,2015,39(04):476-479.
本发明生成标准高斯光斑图像如图2所示为512×512像素大小。首先对图像加入均值为0，方差为40的高斯白噪声，然后对图像根据公式(1)求出的temp(x,y)，对于图像temp(x,y)使用公式(2)求出像素块灰度值的均值为188.465，根据公式(3)求出像素块灰度值的方差为230.572，最后根据公式(4)求出像素块灰度值的阈值为649.608。最后由公式(5)采取阈值分割操作得到阈值分割后的图像。最终用质心法使用公式(6)得出最终的中心点(257.091,257.038)。
为了验证本算法在规则光斑定位上能够提高精度，因此分别采用自适应阈值法和基于分块阈值法对图像进行阈值分割处理，对于处理之后的图像，都使用传统质心法来计算光斑中心结果，标准高斯光斑图像为图2，自适应和基于分块阈值法计算出的定位点离标准中心(257,257)定位偏差值均值(分别运行30次)如下表1所示：
表1不同阈值算法下质心定位点离标准中心偏移量/像素
Figure BDA0003237204040000062
Figure BDA0003237204040000071
由表1可知，基于分块阈值法相较于自适应阈值法，可以大大提高质心定位算法下的光斑中心定位精度。根据表1数据进行计算，结果显示精度平均提高了32.5％。在图3的折线图也可以明显看出，基于分块阈值法相较于自适应阈值法，对质心法下的光斑中心定位精度提升效果明显。

Claims (5)

1.一种基于分块阈值的光斑质心定位方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、得到光斑灰度图像，将光斑灰度图像划分成若干小块，每个小块由3×3个像素组成，得到若干的集合；
步骤2、以划分出来的小块灰度值总和作为基本单位，然后对划分出来的小块采用自适应阈值法求出小块的阈值V；
步骤3、当小块的灰度值之和小于阈值V时，整个小块内的所有像素点灰度值置为0，当小块内灰度值之和大于等于阈值V时，小块内所有像素点的灰度值置为当前块内所有像素点的平均值；
步骤4、利用质心法求出图像中光斑的中心位置坐标。
2.根据权利要求1所述的一种基于分块阈值的光斑质心定位方法，其特征在于，所述步骤1具体如下：
设高斯光斑标准灰度图像I(i,j)，I(i,j)代表像素点坐标为(i,j)的灰度值图像，由公式(1)将图像划分成若干3×3个像素组成集合的像素方块temp(x,y)，temp(x,y)代表坐标为(x,y)的像素块的灰度值总和，temp(1,1)是由9个像素点所得，temp(1,1)＝I(1,1)+I(1,2)+I(1,3)+I(2,1)+I(2,2)+I(2,3)+I(3,1)+I(3,2)+I(3,3)
Figure FDA0003237204030000011
3.根据权利要求2所述的一种基于分块阈值的光斑质心定位方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：
步骤1划分出来的3×3像素方块灰度值总和求出这些方块的均值Vavg，如公式(2)所示，
Figure FDA0003237204030000021
其中m,n分别代表像素块的最大横纵坐标，再求出方差Vvar，如公式(3)所示，
Figure FDA0003237204030000022
然后由公式(4)中自适应阈值法，以及上文求出的Vavg和Vvar求出阈值V：
V＝Vavg+k×Vvar(k＝2) (4)。
4.根据权利要求3所述的一种基于分块阈值的光斑质心定位方法，其特征在于，所述步骤3具体如下：
由公式(5)得出阈值分割后的图像II(a,b)，图像II(a,b)的大小和初始的高斯光斑标准灰度图像I(i,j)大小一样，均为512×512像素，其中(a,b)代表图像II中的横纵坐标,(x,y)为像素块坐标，c为常数，依次取值为1、2、3，V为阈值，
Figure FDA0003237204030000023
5.根据权利要求4所述的一种基于分块阈值的光斑质心定位方法，其特征在于，所述步骤4具体如下：
由公式(6)根据步骤3得出的图像II得出光斑中心坐标(x0,y0)，其中mm,nn分别代表图像II的最大横纵坐标：
Figure FDA0003237204030000024
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