[發(fā)明專(zhuān)利]超分辨率成像的裝置及方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810056002.7
• 申請(qǐng)日: 2008-01-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101217625A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周峰;李光偉;王東生;張海濤;劉永堅(jiān);閆海;趙達(dá)尊
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 清華大學(xué);中國(guó)人民解放軍空軍裝備研究院雷達(dá)與電子對(duì)抗研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H04N5/33
• 分類(lèi)號(hào): H04N5/33;G02B26/10
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1.一種利用微旋轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)超分辨率成像的裝置，該裝置包括光學(xué)成像物鏡、光電探測(cè)器陣列及讀出電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理及同步電路和顯示器件，其特征在于：在光學(xué)成像物鏡的前面、光學(xué)成像物鏡和光電探測(cè)器陣列之間或光學(xué)成像物鏡的內(nèi)部加裝轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu)，該轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu)由光學(xué)轉(zhuǎn)像部件、驅(qū)動(dòng)部件和控制電路組成，光學(xué)轉(zhuǎn)像部件采用棱鏡、平面反射鏡或二者的組合，光學(xué)轉(zhuǎn)像部件的光軸與光學(xué)成像物鏡的光軸重合，與光電探測(cè)器陣列所在平面垂直，并且經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器陣列的幾何中心，光學(xué)轉(zhuǎn)像部件繞自身光軸的旋轉(zhuǎn)能使目標(biāo)像相對(duì)于光電探測(cè)器陣列發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

2.如權(quán)利要求1所述的利用微旋轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)超分辨率成像的裝置，其特征在于：所述轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件采用壓電陶瓷或電機(jī)。

3.如權(quán)利要求1所述的利用微旋轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)超分辨率成像的裝置，其特征在于：所述的光電探測(cè)器陣列采用固態(tài)成像器件CCD、CID或CMOS，并且這些器件的工作波段是紅外、可見(jiàn)光、紫外或它們的組合。

4.一種利用微旋轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)超分辨率成像的裝置，該裝置包括光學(xué)成像物鏡、光電探測(cè)器陣列及讀出電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理及同步電路和顯示器件，其特征在于：光學(xué)成像物鏡的光軸與光電探測(cè)器陣列所在平面垂直，并且經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器陣列的幾何中心，使光電探測(cè)器陣列繞光學(xué)成像物鏡的光軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)像相對(duì)于光電探測(cè)器陣列發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

5.如權(quán)利要求4所述的利用微旋轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)超分辨率成像的裝置，其特征在于：使光電探測(cè)器陣列繞光學(xué)成像物鏡的光軸旋轉(zhuǎn)采用壓電陶瓷或電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

6.如權(quán)利要求4所述的利用微旋轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)超分辨率成像的裝置，其特征在于：所述的光電探測(cè)器陣列采用固態(tài)成像器件CCD、CID或CMOS，并且這些器件的工作波段是紅外、可見(jiàn)光、紫外或它們的組合。

7.一種采用如權(quán)利要求1所述裝置實(shí)現(xiàn)超分辨率成像的微旋轉(zhuǎn)方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行：

a)將光學(xué)成像物鏡對(duì)準(zhǔn)待拍攝目標(biāo)，通過(guò)調(diào)焦使目標(biāo)清晰成像在光電探測(cè)器陣列上；

b)光電探測(cè)器陣列讀出電路輸出目標(biāo)像的模擬信號(hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到一幀低分辨率的數(shù)字圖像并存儲(chǔ)下來(lái)，該低分辨率圖像像素?cái)?shù)目等于光電探測(cè)器陣列的有效像素?cái)?shù)目；

c)控制轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)像相對(duì)于光電探測(cè)器陣列的微旋轉(zhuǎn)，微旋轉(zhuǎn)角度為預(yù)置量，使光電探測(cè)器陣列四個(gè)角處像的最大位移量小于一個(gè)像素間隔；然后按步驟b)得到一幀低分辨率的數(shù)字圖像并存儲(chǔ)下來(lái)；

d)再重復(fù)步驟c)至少n-2次，各次微旋轉(zhuǎn)角度要有所不同；這里n為待求高分辨率圖像與低分辨率圖像像素?cái)?shù)之比；至此共得到至少n幀低分辨率圖像；

e)低分辨率圖像的每個(gè)像素在高分辨率圖像上存在一個(gè)對(duì)應(yīng)的“相關(guān)區(qū)域”，相關(guān)區(qū)域內(nèi)所有像素灰度值的線(xiàn)性加權(quán)和即為低分辨率圖像像素的灰度值，線(xiàn)性加權(quán)系數(shù)由高分辨率圖像像素被相關(guān)區(qū)域覆蓋的歸一化面積決定；這樣，對(duì)所有低分辨率圖像的每個(gè)像素的灰度值列出一個(gè)線(xiàn)性方程

g(m)=Σr=1NWr(θm)f(r)+η(m),1≤m≤pM]]>

其中，N為高分辨率圖像的像素?cái)?shù)；M為每幀低分辨率圖像的像素?cái)?shù)；g為所有p幀低分辨率圖像的聯(lián)合向量形式，g(m)為g的第m個(gè)像素的灰度值；f為高分辨率圖像的向量形式，f(r)為f的第r個(gè)像素的灰度值；η為所有p幀低分辨率圖像中含有的加性高斯噪聲的向量形式，η(m)為g的第m個(gè)像素中含有的加性高斯噪聲的灰度值；θ_m為g的第m個(gè)像素原所在幀相對(duì)于初始幀的微旋轉(zhuǎn)量，決定了高分辨率圖像像素上“相關(guān)區(qū)域”的位置；W_r(θ_m)為f(r)的線(xiàn)性加權(quán)系數(shù)，由f的第r個(gè)像素被“相關(guān)區(qū)域”覆蓋的歸一化面積決定；

聯(lián)立g的所有像素灰度值的線(xiàn)性方程得到一個(gè)稀疏線(xiàn)性方程組

g＝Wf+η

其中，W為線(xiàn)性加權(quán)系數(shù)組成的矩陣；

f)求取步驟e)中所述稀疏線(xiàn)性方程組的最小二乘解，即得到超分辨率重建出的高分辨率圖像。

8.一種采用如權(quán)利要求4所述裝置實(shí)現(xiàn)超分辨率成像的微旋轉(zhuǎn)方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行：

a)將光學(xué)成像物鏡對(duì)準(zhǔn)待拍攝目標(biāo)，通過(guò)調(diào)焦使目標(biāo)清晰成像在光電探測(cè)器陣列上；

b)光電探測(cè)器陣列讀出電路輸出目標(biāo)像的模擬信號(hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到一幀低分辨率的數(shù)字圖像并存儲(chǔ)下來(lái)，該低分辨率圖像像素?cái)?shù)目等于光電探測(cè)器陣列的有效像素?cái)?shù)目；

c)使光電探測(cè)器陣列繞光學(xué)成像物鏡的光軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)像相對(duì)于光電探測(cè)器陣列的微旋轉(zhuǎn)，微旋轉(zhuǎn)角度為預(yù)置量，使光電探測(cè)器陣列四個(gè)角處像的最大位移量小于一個(gè)像素間隔；然后按步驟b)得到一幀低分辨率的數(shù)字圖像并存儲(chǔ)下來(lái)；

d)再重復(fù)步驟c)至少n-2次，各次微旋轉(zhuǎn)角度要有所不同；這里n為待求高分辨率圖像與低分辨率圖像像素?cái)?shù)之比；至此共得到至少n幀低分辨率圖像；

e)低分辨率圖像的每個(gè)像素在高分辨率圖像上存在一個(gè)對(duì)應(yīng)的“相關(guān)區(qū)域”，相關(guān)區(qū)域內(nèi)所有像素灰度值的線(xiàn)性加權(quán)和即為低分辨率圖像像素的灰度值，線(xiàn)性加權(quán)系數(shù)由高分辨率圖像像素被相關(guān)區(qū)域覆蓋的歸一化面積決定；這樣，對(duì)所有低分辨率圖像的每個(gè)像素的灰度值列出一個(gè)線(xiàn)性方程

g(m)=Σr=1NWr(θm)f(r)+η(m),1≤m≤pM]]>

其中，N為高分辨率圖像的像素?cái)?shù)；M為每幀低分辨率圖像的像素?cái)?shù)；g為所有p幀低分辨率圖像的聯(lián)合向量形式，g(m)為g的第m個(gè)像素的灰度值；f為高分辨率圖像的向量形式，f(r)為f的第r個(gè)像素的灰度值；η為所有p幀低分辨率圖像中含有的加性高斯噪聲的向量形式，η(m)為g的第m個(gè)像素中含有的加性高斯噪聲的灰度值；θ_m為g的第m個(gè)像素原所在幀相對(duì)于初始幀的微旋轉(zhuǎn)量，決定了高分辨率圖像像素上“相關(guān)區(qū)域”的位置；W_r(θ_m)為f(r)的線(xiàn)性加權(quán)系數(shù)，由f的第r個(gè)像素被“相關(guān)區(qū)域”覆蓋的歸一化面積決定；

聯(lián)立g的所有像素灰度值的線(xiàn)性方程得到一個(gè)稀疏線(xiàn)性方程組

g＝Wf+η

其中，W為線(xiàn)性加權(quán)系數(shù)組成的矩陣；

f)求取步驟e)中所述稀疏線(xiàn)性方程組的最小二乘解，即得到超分辨率重建出的高分辨率圖像。