基于Otsu联合加权最小二乘的激光光斑质心定位方法及系统

本发明属于空间激光通信，具体涉及一种基于otsu联合加权最小二乘的激光光斑质心定位方法及系统。

背景技术：

1、通过空间激光通信技术以加载电信号在自由空间中进行数据传输，是近年来一项发展迅速的颠覆性通信技术，具有大通信容量、小体积、高保密性等优点，是目前研究的热点。

2、作为空间激光通信的一种，星间激光通信系统主要包括激光发射系统、激光接收系统、信号调制系统和捕获跟踪瞄准系统等。其中捕获跟踪瞄准系统是极其重要的一个环节，跟瞄的好坏直接关系到通信系统的可靠性和稳定性。为实现精确的激光捕获跟踪和瞄准，主星向从星发射激光，激光入射到从星上ccd探测器或者qd探测器上，如果光斑质心刚好位于ccd探测器或者qd探测器的中心，说明主从星处于对准状态。如果激光光斑质心偏离ccd探测器或者qd探测器中心，则说明两星未对准。主从星间的偏移量可通过计算光斑偏离ccd探测器或者qd探测器中心的位移量来确定。因此激光光斑质心的高精度定位具有重要的意义。

3、传统的光斑质心定位算法有中值法、重心法和hough变换法，中值法和重心法运算速度较快、但无法处理畸形或者不完整的光斑，当光斑信噪比较低时容易产生较大质心定位偏差。而hough变换法存在运算时间复杂度高，运算速度慢的问题。近年来，发展的最小二乘圆拟合法可改善传统算法精度不足和运算速度慢的问题，但易受离群点干扰，抗干扰能力弱。半径约束下的最小二乘法可提高抗噪能力，但只能在特定条件下使用，约束性较高。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种基于otsu联合加权最小二乘的激光光斑质心定位方法及系统。

2、本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供了一种基于otsu联合加权最小二乘的激光光斑质心定位方法，包括：

4、获取激光光斑图像；

5、通过otsu阈值分割方法对所述激光光斑图像进行阈值分割，使目标光斑与背景分割开，并得到目标光斑亮部；

6、对所述目标光斑亮部进行形态学处理，得到边缘平滑的目标光斑亮部；

7、通过canny算子对所述边缘平滑的目标光斑亮部进行边缘提取，得到目标光斑轮廓；

8、采用moore邻点跟踪法对所述目标光斑轮廓进行处理，得到目标光斑边缘坐标；

9、利用加权最小二乘拟合方法对所述目标光斑边缘坐标进行拟合得到目标光斑质心位置及半径。

10、可选地，所述获取激光光斑图像包括：

11、将入射到ccd上的初始激光光斑图像，通过中值滤波和维纳滤波进行去噪处理，得到去噪后的激光光斑图像。

12、可选地，所述通过otsu阈值分割方法对所述激光光斑图像进行阈值分割，使目标光斑与背景分割开，并得到目标光斑亮部，包括：

13、step1：计算激光光斑图像归一化直方图分量：所述激光光斑图像有l个灰度级，灰度级为i的像素点有ni个，像素总数mn＝n0+n1+…+nl-1，激光光斑图像归一化直方图分量pi＝ni/mn；

14、step2：计算所述激光光斑图像归一化直方图分量累积和：选择阈值t(k)＝k(0<k<l-1)，使用阈值k将像素分为两组，分别命名为c1和c2，c1包含灰度值为[0,k]的像素，c2包含灰度值为[k+1,l-1]内的像素，像素被分到c1中的概率为p1(k)，像素被分到c2中的概率为p2(k)：

15、

16、

17、step3：计算所述激光光斑图像归一化直方图分量累积和分别在c1、c2两个部分的累积均值m1(k)、m2(k)：

18、

19、

20、step4：计算激光光斑图像的全局灰度均值mg：激光光斑图像的全局灰度均值mg表示为：

21、step5：计算类间方差：全局方差和类间方差计算为：

22、

23、

24、step6：获取otsu阈值：使类间方差最大化的k值为k*，k*为otsu阈值，表示为：

25、

26、当的最大值对应多个k值时，对多个k值求平均值作为k*的值，令k*作为阈值对激光光斑图像进行分割，分割后的激光光斑图像为g(x,y)：

27、

28、其中，f(x,y)>k*作为目标光斑亮部，f(x,y)≤k*作为背景。

29、可选地，所述利用加权最小二乘拟合方法对所述目标光斑边缘坐标进行拟合得到目标光斑质心位置及半径，包括：

30、目标光斑亮部拟合圆上坐标为(x,y)，目标光斑亮部拟合圆圆心坐标为(a,b)，目标光斑亮部边缘坐标样本集为(xi,yi)，i∈(1,2,3,...,n)，目标光斑亮部拟合圆曲线方程模型为：

31、r2＝(x-a)2+(y-b)2＝x2-2ax+a2+y2-2by+b2   (10)

32、当a＝-2a、b＝-2b、c＝a2+b2-r2时，对公式(10)进行简化，公式(10)表示为：

33、x2+y2+ax+by+c＝0   (11)

34、目标光斑亮部边缘样本集到目标光斑亮部拟合圆圆心距离为di，di表示为：

35、di2＝(xi-a)2+(yi-b)2   (12)

36、目标光斑亮部边缘与目标光斑亮部拟合圆上点的偏差δi及偏差的平方和q为：

37、δi＝di2-r2＝(xi-a)2+(yi-b)2-r2   (13)

38、

39、根据最小二乘原理，q对参数a、b、c求一阶导数，当一阶导数为0时，公式(14)为：

40、

41、计算得到a、b、c最优值，并得到目标光斑质心(a,b)及目标光斑半径r的估计值。

42、可选地，在利用加权最小二乘拟合方法对所述目标光斑边缘坐标进行拟合得到目标光斑质心位置及半径之后，所述基于otsu联合加权最小二乘的激光光斑质心定位方法还包括：通过tukey权重函数对所述目标光斑质心位置及半径进行迭代拟合；

43、所述通过tukey权重函数对所述目标光斑边缘坐标进行迭代拟合，包括：

44、当tukey权重函数为ω(λi)时，λi表示要拟合的目标光斑边缘坐标点与目标光斑亮部拟合圆边缘的距离，λi表示为：

45、

46、使公式(16)误差最小化的q满足公式(17)：

47、

48、获取迭代次数m，在第一次迭代中，ω(λi)＝1，获得一个近似圆，在剩余m-1次迭代过程中，ω(λi)选用tukey权重函数进行计算，tukey权重表示为：

49、

50、其中τ为削波因子，

51、可选地，所述对所述目标光斑亮部进行形态学处理，得到边缘平滑的目标光斑亮部，包括：

52、采用形态学中开运算和闭运算对所述目标光斑亮部进行处理，得到所述边缘平滑的目标光斑亮部。

53、第二方面，本发明提供了一种基于otsu联合加权最小二乘的激光光斑质心定位装置，包括：获取单元、分割单元、处理单元、提取单元、以及拟合单元；

54、所述获取单元，用于获取激光光斑图像；

55、所述分割单元，用于通过otsu阈值分割方法对所述激光光斑图像进行阈值分割，使目标光斑与背景分割开，并得到目标光斑亮部；

56、所述处理单元，用于对所述目标光斑亮部进行形态学处理，得到边缘平滑的目标光斑亮部；

57、所述提取单元，用于通过canny算子对所述边缘平滑的目标光斑亮部进行边缘提取，得到目标光斑轮廓；

58、所述处理单元，还用于采用moore邻点跟踪法对所述目标光斑轮廓进行处理，得到目标光斑边缘坐标；

59、所述拟合单元，用于利用加权最小二乘拟合方法对所述目标光斑边缘坐标进行拟合得到目标光斑质心位置及半径。

60、可选地，所述获取单元，具体用于将入射到ccd上的初始激光光斑图像，通过中值滤波和维纳滤波进行去噪处理，得到去噪后的激光光斑图像。

61、第三方面，本发明提供一种基于otsu联合加权最小二乘的激光光斑质心定位系统，包括：处理器、存储介质和总线，所述存储介质存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当所述装置运行时，所述处理器与所述存储介质之间通过总线通信，所述处理器执行所述机器可读指令，以执行如上述第一方面所述方法的步骤。

62、第四方面，本发明提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如上述第一方面所述方法的步骤。

63、在本发明的又一方面中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述第一方面所述方法的步骤。

64、本发明提供了一种基于otsu联合加权最小二乘的激光光斑质心定位方法，包括：获取激光光斑图像；通过otsu阈值分割方法对所述激光光斑图像进行阈值分割，使目标光斑与背景分割开，并得到目标光斑亮部；对所述目标光斑亮部进行形态学处理，得到边缘平滑的目标光斑亮部；通过canny算子对所述边缘平滑的目标光斑亮部进行边缘提取，得到目标光斑轮廓；采用moore邻点跟踪法对所述目标光斑轮廓进行处理，得到目标光斑边缘坐标；利用加权最小二乘拟合方法对所述目标光斑边缘坐标进行拟合得到目标光斑质心位置及半径。在本发明提供的基于otsu联合加权最小二乘的激光光斑质心定位方法中，通过阈值分割、形态学处理、边缘平滑、邻点跟踪、以及加权最小二乘拟合方法等一系列处理，最终达到对目标光斑质心位置及半径的求取。实现了圆形激光光斑亚像素级的光斑质心定位，以及对变形、残缺的激光光斑的处理，提高了算法的鲁棒性。

65、以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。