[發明專利]一種利用分析性稀疏表示的超分辨率圖像重建方法

有效

• 申請號: 201210524716.2
• 申請日: 2012-12-08
• 公開（公告）號: CN103049885A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 寧強;陳侃;弋力;范楚楚;陸垚;溫江濤
• 申請（專利權）人: 新疆公眾信息產業股份有限公司
• 主分類號: G06T3/40
• 分類號: G06T3/40;G06T5/50;G06K9/66
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

技術領域

本發明屬于圖像分辨率增強技術領域，特別涉及一種利用分析性稀疏表示的超分辨率圖像重建方法。

背景技術

在大量的電子圖像應用領域，人們經常期望得到高分辨率圖像。高分辨率意味著圖像中的像素密度高，能夠提供更多的細節，而這些細節在許多實際應用中不可或缺。例如高分辨率醫療圖像對于醫生做出正確的診斷是非常有幫助的；使用高分辨率衛星圖像就很容易從相似物中區別相似的對象；如果能夠提供高分辨的圖像，計算機視覺中的模式識別的性能就會大大提高。自從上世紀七十年代以來，電荷耦合器件(CCD)、CMOS圖像傳感器已被廣泛用來捕獲數字圖像。盡管對于大多數的圖像應用來說這些傳感器是合適的，但是當前的分辨率水平和消費價格不能滿足今后的需求。

一種很有前途的方法就是采用信號處理的方法從低分辨率（Low-Resolution，簡稱LR）圖像重建出高分辨率（High-Resolution，簡稱HR）圖像。最近這樣的一種分辨率增強技術正成為最熱的研究領域之一，在文獻中人們把它叫超分辨率圖像重建（Super-Resolution，簡稱SR），或者簡單地叫做分辨率增強。在克服低分辨率圖像系統固有的分辨率限制方面，“超分辨率”術語中的“超”字代表了一個非常好的技術特性。信號處理方法最大的好處就是它的成本低，同時現存的低分辨率圖像系統仍能使用。在許多實際應用中，特別是在醫療圖像、衛星圖像和視頻等領域，同樣場景的多幀低分辨率圖像很容易得到的情況下，SR被證明是非常有用的。由于超分辨率重建技術在一定條件下，可以克服圖像系統內在分辨率的限制，提高被處理圖像的分辨率，因而在視頻、遙感、醫學和安全監控等領域具都有十分重要的應用。例如：

（1）在數字電視（DTV）向高清晰度電視（HDTV）過度階段，僅有部分電視節目會以HDTV的形式播出，不少節目采用的是DTV的形式。因此，可以利用超分辨率重建技術將DTV信號轉化為與HDTV接收機相匹配的信號，提高電視節目的兼容性；

（2）在采集軍事與氣象遙感圖像時，由于受到成像條件與成像系統分辨率的限制，不可能獲得清晰度很高的圖像,而通過利用超分辨率重建技術，在不改變衛星圖像探測系統的前提下，可實現高于系統分辨率的圖像觀測；

（3）在醫學成像系統中（如CT、MRI和超聲波儀器等），可以用超分辨率重建技術來提高圖像質量，對病變目標進行仔細地檢測；

（4）在銀行、證劵等部門的安全監控系統中，當有異常情況發生后，可對監控錄像進行超分辨率重建，提高圖像要害部分的分辨率，從而為事件的處理提供重要的線索；

（5）可以將超分辨率重建技術用于圖像壓縮。平時存儲或傳輸低分辨率的圖像信息，當有不同需要時，再利用超分辨率重構技術獲得不同分辨率的圖像和視頻。

目前超分辨實現的方法有基于頻域、基于空域、凸集投影、最大后驗概率等。頻域方法實際上是在頻域內解決圖像內插問題，其觀察模型是基于傅里葉變換的移位特性。但這類方法的缺點是所基于的理論前提過于理想化，不能有效地應用于多數場合。空域方法的適用范圍較廣，具有很強的包含空域先驗約束的能力，但是該空域方法結合先驗信息的能力很弱，在改善超分辨率重建效果方面受到了一定的限制。

因此，研究和應用較多的是凸集投影方法和最大后驗概率估計方法。凸集投影方法的優點是可以方便地加入先驗信息，可以很好地保持高分辨率圖像上的邊緣和細節；缺點是解不唯一、解依賴于初始估計、收斂慢、運算量大和收斂穩定性不高等。而最大后驗概率估計方法的邊緣保持能力不如凸集投影方法，由這類方法獲得的高分辨率圖像上的細節容易被平滑掉。

總的來說，對于未壓縮圖像或視頻的超分辨率重建，考慮的主要問題是如何全面去除重建過程所帶來的模糊和噪聲，并且能在復雜的環境中有效地實現運動估計。

與本發明比較接近的一種超分辨率重建方法是由Jianchao?Yang,Yi?Ma等人在2010年IEEE?Transactions?on?Image?Processing的Image?Super-Resolution?via?Sparse?Reprensentation一文中提到的方法（以方法S指代）。方法S首次將稀疏表示引入圖像超分辨率重建領域，嚴格定義下，方法S利用的稀疏表示是合成性稀疏表示（Synthesis?Sparse?Representation）。用ω和η分別表示輸入信號和待重建信號，D_ω和D_η分別表示對應信號的字典，合成性稀疏表示可以表達如下：