一种并行共焦扫描的快速二维高斯拟合方法

本发明涉及共焦扫描光学测量，特别涉及一种并行共焦扫描的快速二维高斯拟合方法。

背景技术：

1、在并行共焦扫描系统中，由于采用相机代替探测端针孔与点探测器，因此需要提前进行标定，确定照明针孔在相机靶面上的共轭位置。一种标定方法通过在物镜焦面放置平面标靶生成光斑阵列图进行标定，在标定的过程中需要通过二维高斯曲面拟合的方法确定针孔在光斑图像中的具体位置。然而，高斯拟合的速度较慢，在数据量大时花费时间长，导致数据处理效率低。

2、因此，如何优化二维高斯曲面拟合方法，准确、快速的完成多组光斑光强拟合计算是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提供了一种并行共焦扫描的快速二维高斯拟合方法。所述方法可以通过线性化计算与矩阵化计算提高多组数组二维高斯拟合的效率。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种并行共焦扫描的快速二维高斯拟合方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤a、遍历所有需要处理的光斑数组得到像素数量的最大值，补齐数量不足最大值的数组；

4、步骤b、对于单个光斑数组，遍历所有像素得到像素灰度最大值，以最大值的一半作为阈值与所有像素灰度进行比较，根据结果构造权值矩阵；

5、步骤c、将对光斑的二维高斯曲面拟合转为线性拟合，结合权值矩阵通过加权最小二乘法计算得到拟合参数；

6、步骤d、采用向量化计算同时处理所有光斑数组，得到多组拟合参数；

7、步骤e、根据拟合参数确定探测端虚拟针孔位置；

8、步骤f、构建高斯权值矩阵，通过针孔中心坐标得到加权光斑中心光强值。

9、进一步地，所述步骤a中的单个光斑数组形状为[n,3]，像素数量为n，每一行中的三个元素[xp,yp,i]分别代表像素横坐标、像素纵坐标、像素灰度。

10、进一步地，所述步骤a中在补齐数量不足最大值的数组时，将数组形状从[n,3]扩大为[nmax,3]，多余部分在原数组下新增[nmax-n,3]的全0数组。

11、进一步地，所述步骤b中在构建权值矩阵时，当像素灰度大于等于阈值时，对应权值赋为1，当像素灰度小于阈值时，对应权值赋为一极小数。

12、进一步地，所述步骤c中通过对数化方法将二维高斯曲面拟合转为线性拟合。

13、进一步地，所述步骤d中的向量化计算为矩阵运算，其步骤如下：

14、步骤1、对于m个[n,3]的数组，先将其合并为[m,n,3]的三维数组，再将其拆为[m,n,2]的数组1与[m,n]的数组2，其中数组1包含像素位置信息，数组2包含像素灰度信息；

15、步骤2、固定数组1与数组2的第一维，对第二维与第三维进行最小二乘矩阵运算，得到m组拟合参数。

16、进一步地，所述步骤e中根据得到的拟合参数得到标准差σ、x方向均值x、y方向均值y和幅值g，其中(x,y)即为光斑光强中心坐标。

17、进一步地，所述步骤f中的高斯权值矩阵的权值符合高斯分布。

18、进一步地，所述步骤f中加权光斑中心光强由以针孔坐标为中心的n2个像素(n＝2,3…)的灰度值乘以其对应权值后累加得到。

19、本发明具有的有益效果是：

20、本发明提出了一种并行共焦扫描的快速二维高斯拟合方法。本发明所述方法在并行共焦扫描系统中实现快速光斑拟合，能够更快速、更准确的完成并行共焦扫描系统虚拟针孔的标定。

技术特征：

1.一种并行共焦扫描的快速二维高斯拟合方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a中的单个光斑数组形状为[n,3]，像素数量为n，每一行中的三个元素[xp,yp,i]分别代表像素横坐标、像素纵坐标、像素灰度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a中在补齐数量不足最大值的数组时，将数组形状从[n,3]扩大为[nmax,3]，多余部分在原数组下新增[nmax-n,3]的全0数组。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b中在构建权值矩阵时，当像素灰度大于等于阈值时，对应权值赋为1，当像素灰度小于阈值时，对应权值赋为一极小数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c中通过对数化方法将二维高斯曲面拟合转为线性拟合。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤d中的向量化计算为矩阵运算，其步骤如下：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤e中根据得到的拟合参数得到标准差σ、x方向均值y方向均值和幅值g，其中即为光斑光强中心坐标。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤f中的高斯权值矩阵的权值符合高斯分布。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤f中加权光斑中心光强由以针孔坐标为中心的n2个像素(n＝2,3…)的灰度值乘以其对应权值后累加得到。

技术总结
本发明提出一种并行共焦扫描的快速二维高斯拟合方法，所述方法包括：遍历所有光斑，得到光斑中像素数量的最大值，补齐数量不足的光斑；遍历单个光斑内像素的灰度值，以最大值的一半作为阈值跟所有灰度值进行比较，根据比较结果构成权值矩阵；将直接二维高斯曲面拟合转为线性拟合，结合权值矩阵以最小二乘法求得拟合曲面参数，确定光斑质心；采用矩阵式运算对多组光斑数据同时处理，快速得到所有光斑质心位置；构建高斯权值矩阵根据质心坐标得到加权光斑中心光强值。本发明在并行共焦扫描系统中实现快速光斑拟合，能够更快速、更准确的完成并行共焦扫描系统虚拟针孔的标定。

技术研发人员：刘辰光,刘俭,陈思达,蒋耀廷
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/25