一種基于亮度閾值的激光光斑中心定位算法

郭玉靜， 魏 麗

(唐山學院 機電工程系， 唐山 063000)

一種基于亮度閾值的激光光斑中心定位算法

郭玉靜， 魏 麗

(唐山學院 機電工程系， 唐山 063000)

激光光斑圖像的光斑中心定位是激光位移檢測中的關鍵技術之一. 為提高橋梁撓度測量系統(tǒng)的實時性能， 本文針對測量中激光光斑圖像的特點， 提出了一種確定光斑中心位置的方法. 利用激光圖像中光斑區(qū)域與其它區(qū)域亮度差別較大的特點， 確定亮度閾值并將光斑圖像進行二值化處理， 得到一幅僅有激光光斑的圖像， 根據圓上平行弦的中點連線通過圓心的原理， 通過求弦的中點確定圓心. 本方法原理簡單， 計算量小， 計算速度快， 能夠滿足測量系統(tǒng)的實時性要求， 已在測量實驗中取得了較好的效果.

激光圖像； 光斑中心； 定位算法； 亮度閾值； 橋梁撓度測量

0 引 言

激光具有能力集中、 方向性好、 發(fā)散角小等優(yōu)點， 因此在橋梁撓度檢測領域獲得了比較廣泛的應用[1-3]. 激光位移測量是通過激光光斑中心位置的改變得到位移量， 因此， 如何確定激光光斑中心位置就成為激光位移檢測中的關鍵技術. 光斑中心定位方法有重心法[4]、 Hough變換法[5]、 圓擬合法[6]、 亮度梯度法[7]、 梯度算子法[8,9]等， 這些方法都能夠很好地定位激光光斑中心.

激光成像時， 激光信號經過較大距離的傳播到達投影靶， 由于激光本身的衍射和散射， 在投影靶上形成的圖像不再是均勻的光斑， 而是存在著一些衍射條紋和散射弱光的圖像， 并且由于測量環(huán)境的復雜性， 現(xiàn)場可能存在自然光以及其它光線等， 導致激光光斑亮度減弱、 局部出現(xiàn)亮點等. 針對這些問題， 可以對圖像進行差分運算、 濾波以得到相對純凈的激光光斑， 提高檢測系統(tǒng)的抗干擾性[9,10]. 本文對經過信號預處理后的激光光斑圖像提出了一種光斑中心定位方法并進行詳細的闡述. 經過實驗驗證， 該方法能夠滿足檢測系統(tǒng)的實時性要求.

1 圖像分析

在橋梁撓度測量實驗中采集激光圖像信號， 經過信號預處理之后的激光光斑圖像如圖 1 所示， 圖像中光斑亮度均勻、 飽和， 周圍存在衍射條紋， 其亮度遠遠低于光斑中心規(guī)則部分的亮度， 因此光斑邊緣清晰.

圖 1 信號預處理后的激光光斑圖像Fig.1 Laser spot image after signal preprocessing

將圖像轉換成灰度圖像， 設圖像數據矩陣大小為A*B， 圖像上每個像素的亮度值為G(i,j)(1≤i≤A， 1≤j≤B， 無量綱)， 以圖像像素列坐標j為自變量， 自上向下畫出6條等間隔行上的像素亮度曲線， 如圖 2 所示. 從圖 2 可以看出， 圖像上、 下部分((a)， (e), (f))的亮度曲線變化比較平緩， 亮度變化不是特別大， 其亮度最大值不超過150， 說明這部分應該是光斑周圍區(qū)域； 在圖像中間部分((b), (c), (d))， 隨著列坐標的變化， 亮度曲線在中間部分有一個突變， 越靠近中間的行((c))， 最大亮度值保持長度越長， 這應該是靠近光斑中心的行， 而越靠近上下兩邊的行((b), (d))， 最大亮度值保持長度比較短， 減弱越快， 這部分應該是靠近光斑邊緣的行. 根據圖像亮度分布的特點， 可以選擇合適的亮度閾值去除光斑周圍區(qū)域， 將圖像轉換成一個二值圖像， 再根據二值化結果確定光斑的中心.

圖 2 激光光斑圖像的亮度曲線Fig.2 Intensity curve of laser spot image

2 閾值選擇與圖像分割

隨著時間的增加， 激光光斑中心的亮度也會有所減弱， 因此， 閾值不能是固定的、 一成不變的值. 根據對光斑圖像的分析， 將閾值確定為

(1)

式中：m為圖像中的亮度最大值.

使用該閾值對光斑圖像進行二值化處理后的結果如圖 3 所示.

圖 3 閾值分割后的光斑二值圖像Fig.3 Binary image of laser spot after segmentation

3 光斑中心的確定

實際上對于位移檢測， 原理上是求光斑位置的相對變化量(即光斑的位移)， 不必精確確定光斑的中心或圓心， 因此在測量中， 用亮度閾值將光斑圖像轉換成一個二值圖像后求光斑中心， 兩次測量光斑中心的相對變化量就是光斑的位移. 二值化之后的光斑圖像形狀比較規(guī)則， 對稱性好， 使用簡單的中心計算方法即可求出光斑的中心.

二值圖像中光斑內部同一行上的像素連接成圓的弦， 根據幾何知識， 所有平行弦的中心連線是一條通過圓心的直線， 因此原理上所有水平平行弦中點的列坐標就是圓心的列坐標， 同樣的道理， 所有垂直平行弦中點的行坐標也是圓心的行坐標.

設二值圖像數據矩陣為X(i,j)， 其中光斑的集合為E， 則

(2)

逐行掃描光斑圖像， 求出E中某一行上像素列坐標的平均值Yi作為該水平弦中心列坐標， 對所有水平弦的中心列坐標求平均值， 即是圓心的列坐標y.

(3)

(4)

式中： n為E中i行像素的個數， N為E中包含的行數.

同樣的道理， 可以求出光斑中心的行坐標x.

4 結 論

本文采用相對亮度閾值對光斑圖像進行二值化處理， 利用圓的平行弦的中心連線通過圓心的原理， 使用簡單的計算方法即可得到光斑的中心坐標. 本方法算法簡單、 計算速度快， 可以滿足測量系統(tǒng)實時性的要求.

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An Algorithm of Center Locating of Laser Spot Based on Intensity Threshold

GUO Yujing, WEI Li

(Dept. of Mechanical & Electrical Engineering, Tangshan University, Tangshan, 063000， China)

Center locating of laser spot is the key technology to laser displacement measurement. In order to improve the real-time performance of bridge deflection measuring system, this paper proposed a method of center locating of laser spot for laser image. The light intensity of laser spot is much larger than the intensity of other region. According to this characteristic, an intensity threshold is defined in order to get the binary image which only has laser spot. The principle is used to fit the center of laser spot that the midpoints of all parallel chords are in one straight line which is through the center of a circle. This method is simple, and has less calculation, so the measuring system using this method will be fast, and meets the demand of the real-time capacity. A good result has been achieved in measuring equipment.

laser image; spot center; locating algorithm; intensity threshold; bridge deflection measurement

1671-7449(2017)03-0223-04

2017-01-20

河北省高等學?？茖W技術研究項目(Z2015120)

郭玉靜(1981-)， 女， 講師， 碩士生， 主要從事光纖傳感與光電檢測等研究.

TP212.1

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.03.007