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      超分辨率成像的裝置及方法

      文檔序號(hào):7686719閱讀:264來源:國(guó)知局
      專利名稱:超分辨率成像的裝置及方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)超分辨率成像的裝置及方法,屬于光電成像技術(shù)領(lǐng)域。
      技術(shù)背景近年來,光電成像技術(shù)發(fā)展迅速,在軍事、安全、遙感、搜救等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,獲 取高分辨率的數(shù)字圖像是人們不懈的追求。但由于光電成像系統(tǒng)探測(cè)器單元的有限幾何尺寸 和探測(cè)器單元間距的存在,獲取的數(shù)字圖像存在模糊和混淆。特別是對(duì)于紅外成像探測(cè)器, 探測(cè)器單元幾何尺寸較大,探測(cè)器單元數(shù)目較少,常見的是320X240像素、640X480像素, 如此低的圖像分辨率常常不能滿足軍事偵察、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、遙感成像等方面的需求。通常,前端光學(xué)系統(tǒng)的分辨率是足夠的,提高光電成像系統(tǒng)的分辨率關(guān)鍵在于提高光電 探測(cè)器陣列的分辨率。通過減小探測(cè)器單元尺寸、增大探測(cè)器面積或采用新的像素形狀和排 列方式可以提高光電探測(cè)器陣列的分辨率,但常常受到靈敏度、工藝、價(jià)格等因素的限制。 可以考慮利用現(xiàn)有光電探測(cè)器陣列,對(duì)同一場(chǎng)景獲取略有差異的多幀低分辨率圖像,這種差 異是亞像素級(jí)的,以此增加獲取圖像的信息,通過圖像融合可以重建出超過探測(cè)器分辨率的 高分辨率圖像,即超分辨率成像。目前存在的超分辨率成像技術(shù)有微掃描法和微變焦法。微掃描法超分辨率成像是用微掃描技術(shù)獲取的多幀經(jīng)過亞像素平移的低分辨率圖像,進(jìn) 而重建出高分辨率圖像。US4633317(Uwira et al.)、 US5291327(McEwen)、 US5774179(Chevrette, Fortin)等專利給出了很多微掃描技術(shù),可以分為機(jī)械掃描法(壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等) 和幾何分光法(棱鏡分光、雙折射晶體分光等)。若采用機(jī)械掃描法,需要在縱、橫兩個(gè)方向 上做高精度微掃描,實(shí)施高頻振動(dòng)小位移的機(jī)械裝置復(fù)雜且昂貴;若采用分光法,不僅光路 復(fù)雜,而且分光后系統(tǒng)靈敏度降低,對(duì)紅外成像尤為不適用。微變焦法超分辨率成像是用微變光學(xué)系統(tǒng)焦距的方法獲取多幀放大倍率略微不同的低分 辨率圖像,進(jìn)而重建出高分辨率圖像。CN1208952專利給出了微變焦法的詳細(xì)描述。由于改 變光學(xué)系統(tǒng)焦距只需控制鏡片在光軸方向上的微位移,采用精確可控的變焦鏡頭即可實(shí)現(xiàn), 避免了采用微掃描中控制縱、橫兩個(gè)方向位移的高精度機(jī)械裝置,因而微變焦法比微掃描法 有一定優(yōu)越性。但微變焦后的像面位置會(huì)發(fā)生變化,需要做調(diào)焦補(bǔ)償;而且不同焦距下,微 變焦量和調(diào)焦補(bǔ)償量都不一樣,這無疑增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜度。因此,需要發(fā)展一種結(jié)構(gòu)上更為簡(jiǎn)單、控制上更為簡(jiǎn)便、實(shí)現(xiàn)成本更為低廉的超分辨率成像技術(shù)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是簡(jiǎn)化微掃描法和微變焦法在結(jié)構(gòu)和控制上的復(fù)雜度,降低實(shí)現(xiàn)超分辨率 成像的成本,提出一種利用微旋轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)超分辨率成像的裝置及方法。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提出一種利用微旋轉(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)。在本發(fā)明的上述方案中,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);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、可見光、 紫外或它們的組合。本發(fā)明提出一種按上述方案實(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,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;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性加權(quán)和即為低分辨率圖像像素的灰度值,線性加權(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)線性方程<formula>formula see original document page 6</formula>其中,A^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;/為高分辨率圖像的向量形 式,/0)為/的第r個(gè)像素的灰度值;T7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,;/(w)為g的第m個(gè)像素中含有的加性高斯噪聲的灰度值;^為g的第w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; 為/(0的線性加權(quán)系數(shù),由/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性方程得到一個(gè)稀疏線性方程組其中,『為線性加權(quán)系數(shù)組成的矩陣;f)求取步驟e)中所述稀疏線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。本發(fā)明的第二種技術(shù)方案是 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)。在本發(fā)明的第二種方案中,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)。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、可見光、紫外或它們的組合。本發(fā)明提出一種按第二種方案實(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,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;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性加權(quán)和即為低分辨率圖像像素的灰度值,線性加權(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)線性方程=且K +咖), 1 ^ pM其中,iV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;/為高分辨率圖像的向量形 式,/00為/的第r個(gè)像素的灰度值;7為所有戶幀低分辨率圖像中含有的加性高斯噪聲的 向量形式,;/(m)為g的第m個(gè)像素中含有的加性高斯噪聲的灰度值;^為g的第w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; 為的線性加權(quán)系數(shù),由/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性方程得到一個(gè)稀疏線性方程組其中,『為線性加權(quán)系數(shù)組成的矩陣;f)求取步驟e)中所述稀疏線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。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果本發(fā)明只需控制轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu)或使光 電探測(cè)器陣列微旋轉(zhuǎn),得到一系列有相對(duì)微旋轉(zhuǎn)的低分辨率圖像,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超分辨率圖像重 建,結(jié)構(gòu)上更為簡(jiǎn)單、控制上更為簡(jiǎn)便、實(shí)現(xiàn)成本更為低廉。


      圖1為本發(fā)明提出的一種微旋轉(zhuǎn)法超分辨率成像裝置實(shí)施例的系統(tǒng)方框圖。圖2a為圖1所示實(shí)施例中轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2b為圖2a所示轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu)中光學(xué)器件采用道威棱鏡的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性示意圖。圖2c為圖2a所示轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu)中光學(xué)器件采用平面反射鏡的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性示意圖。圖3為微旋轉(zhuǎn)法超分辨率成像的空域離散觀察模型。圖4為微旋轉(zhuǎn)法超分辨率成像中"相關(guān)區(qū)域"示意圖。圖1 圖4中l(wèi)一光學(xué)成像物鏡;2 —轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu);3 —光電探測(cè)器陣列;4一光電探測(cè)器 陣列讀出電路;5 —信號(hào)處理及同步電路;6 —模數(shù)轉(zhuǎn)換電路;7 —轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu)控制電路;8 —顯 示器件;9一光學(xué)轉(zhuǎn)像部件;IO—內(nèi)支撐框;ll一外支撐框;12 —壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器件。
      具體實(shí)施方式
      下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述利用微旋轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)超分辨率成像的裝置及方法 作進(jìn)一步詳細(xì)說明-圖1為一種利用微旋轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)超分辨率成像的裝置系統(tǒng)方框圖,由光學(xué)成像物鏡1、轉(zhuǎn)像 機(jī)構(gòu)2及其控制電路7和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器件12、光電探測(cè)器陣列3及其讀出電路4、模數(shù)轉(zhuǎn) 換電路6、信號(hào)處理及同步電路5和顯示器件8組成。轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu)2可以設(shè)置在光學(xué)成像物鏡1 的前面、光學(xué)成像物鏡1和光電探測(cè)器陣列3之間或光學(xué)成像物鏡1的內(nèi)部。圖2a為圖l所示實(shí)施例中轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu)2的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖,包含光學(xué)轉(zhuǎn)像部件9、內(nèi)支 撐框IO、外支撐框11和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器件12,其中光學(xué)轉(zhuǎn)像部件9和內(nèi)支撐框10固接。光學(xué)轉(zhuǎn)像部件9由棱鏡(圖2b所示為道威棱鏡,也可用阿貝棱鏡、別漢棱鏡等)、平面反射鏡(圖2C所示)或二者的組合構(gòu)成;光學(xué)轉(zhuǎn)像部件9的光軸與光學(xué)成像物鏡1的光軸重 合,與光電探測(cè)器陣列3所在平面垂直,并且經(jīng)過光電探測(cè)器陣列3的幾何中心;光學(xué)轉(zhuǎn)像部件9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3發(fā)生旋轉(zhuǎn)。光學(xué)轉(zhuǎn)像部件9繞自身光軸的旋轉(zhuǎn)可以采用壓電陶瓷或電機(jī)驅(qū)動(dòng),如圖2a所示內(nèi)支撐框 10在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器件12的推挽驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)轉(zhuǎn)像光學(xué)部件9相對(duì)于外框11微旋轉(zhuǎn);光學(xué)轉(zhuǎn) 像部件9的微旋轉(zhuǎn)要與低分辨率的數(shù)字圖像的獲取同步,也即每次微旋轉(zhuǎn)后信號(hào)處理及同步 電路5發(fā)出同步信號(hào),光電探測(cè)器陣列讀出電路4輸出目標(biāo)像的模擬信號(hào),通過模數(shù)轉(zhuǎn)換得 到一幀低分辨率的數(shù)字圖像并存儲(chǔ)下來。利用微旋轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)超分辨率成像的裝置中,光電探測(cè)器陣列可采用固態(tài)成像器件CCD、 CID或CMOS,并且這些器件的工作波段可以是紅外、可見光、紫外或它們的組合。利用微旋轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)超分辨率成像時(shí),先將光學(xué)成像物鏡l對(duì)準(zhǔn)待拍攝目標(biāo),通過調(diào)焦使 目標(biāo)清晰成像在光電探測(cè)器陣列3上。光電探測(cè)器陣列讀出電路4輸出目標(biāo)像的采樣模擬信號(hào),通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路6的量化得 到一幀低分辨率的數(shù)字圖像送至信號(hào)處理及同步電路5并存儲(chǔ)下來,該低分辨率圖像的像素 數(shù)目等于光電探測(cè)器陣列3的有效像素?cái)?shù)目。通過控制電路7控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器件12產(chǎn)生微位移,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu)2使目標(biāo)像繞光學(xué) 成像物鏡的光軸相對(duì)于光電探測(cè)器陣列3發(fā)生微旋轉(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;然后按前一段所述步驟得到一幀低分辨率 的數(shù)字圖像并存儲(chǔ)下來。再重復(fù)前一段所述步驟至少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。信號(hào)處理及同步電路5按照下面將要詳細(xì)敘述的超分辨率重建算法,根據(jù)以上得到的至 少n幀低分辨率圖像重建出高分辨率圖像,并顯示在顯示器件8上。下面詳細(xì)說明利用微旋轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)超分辨率成像的重建方法,這是一種基于空域離散觀察 模型的超分辨率重建算法圖3為利用微旋轉(zhuǎn)法超分辨率成像的空域離散觀察模型。把待求高分辨率圖像/看作對(duì)目 標(biāo)的高分辨率采樣;在第A次成像時(shí),控制轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu)使/微旋轉(zhuǎn)《角度,得到第A:幀微旋轉(zhuǎn) 的高分辨率圖像A。 A經(jīng)過低分辨率采樣,并受到與信號(hào)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的加性高斯噪聲/^的污染, 得到第A幀低分辨率圖像敘。設(shè)ft的大小為M= M XiV2, /和A的大小為iV=£7iV; X£2iV2, i^和丄2為沿光電探測(cè)器陣列橫向和縱向的采樣間隔,也是高分辨率圖像相對(duì)于低分辨率圖像 在橫向和縱向上的像素?cái)?shù)之比。使用微旋轉(zhuǎn)法重建高分辨率圖像/至少需要"二丄/X&幀低分 辨率圖像。令戶為獲取的低分辨率圖像的總幀數(shù),貝"《p, ; 》"。圖4所示為有相對(duì)微旋轉(zhuǎn)(為方便觀察和理解,旋轉(zhuǎn)角度畫得較大)的兩次成像。細(xì)網(wǎng)格代表待求高分辨率圖像/的像素,粗網(wǎng)格代表低分辨率觀測(cè)圖像&的像素,則gt的每個(gè)像 素在/上存在一個(gè)對(duì)應(yīng)的"相關(guān)區(qū)域",也即/上被&的該像素覆蓋的區(qū)域,如圖4中箭頭所 示的陰影部分,相關(guān)區(qū)域的位置由微旋轉(zhuǎn)角度《決定。高分辨率圖像上相關(guān)區(qū)域內(nèi)所有像素灰度值的線性加權(quán)和即為低分辨率圖像像素的灰度值,線性加權(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,對(duì)于已知 的微旋轉(zhuǎn)角度《可以在成像前求出各像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)『(《)并預(yù)置到信號(hào)處理及同步電路中去。 于是,可以對(duì)所有低分辨率圖像的每個(gè)像素的灰度值列出一個(gè)線性方程g(m) = S W)/(。 +咖), 1 s附《PM其中,iV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/7幀低 分辨率圖像的聯(lián)合向量形式,g(m)為g的第附個(gè)像素的灰度值;/為高分辨率圖像的向量形式,/0)為/的第r個(gè)像素的灰度值;T7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,;/(附)為g的第附個(gè)像素中含有的加性高斯噪聲的灰度值;^為g的第w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;R(&) 為/0)的線性加權(quán)系數(shù),由/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性方程得到一個(gè)稀疏線性方程組其中,『為線性加權(quán)系數(shù)組成的矩陣。用最速下降法、共軛梯度法或最小殘差法等可以求得上述稀疏線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/。
      權(quán)利要求
      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l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 見光、紫外或它們的組合。
      7. —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,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;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性加權(quán)和即為低分辨率圖像像素的灰度值,線性加權(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)線性方程g(m) g吼)/(r) +咖),其中,iV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;/為高分辨率圖像的向量形 式,/(0為/的第r個(gè)像素的灰度值;;;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,;K附)為g的第附個(gè)像素中含有的加性高斯噪聲的灰度值;A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;^(4)為/(。的線性加權(quán)系數(shù),由/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性方程得到一個(gè)稀疏線性方程組其中,『為線性加權(quán)系數(shù)組成的矩陣;0求取步驟e)中所述稀疏線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. —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,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;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性加權(quán)和即為低分辨率圖像像素的灰度值,線性加權(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)線性方程<formula>formula see original document page 3</formula>其中,iV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/7幀低 分辨率圖像的聯(lián)合向量形式,g(附)為g的第W個(gè)像素的灰度值;/為高分辨率圖像的向量形式,/0)為/的第r個(gè)像素的灰度值;;/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,/7(m)為g的第附個(gè)像素中含有的加性高斯噪聲的灰度值;^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; 為/(0的線性加權(quán)系數(shù),由/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性方程得到一個(gè)稀疏線性方程組其中,『為線性加權(quán)系數(shù)組成的矩陣;f)求取步驟e)中所述稀疏線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。
      全文摘要
      超分辨率成像的裝置及方法,涉及一種利用微旋轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)超分辨率成像的裝置及方法。本發(fā)明通過控制轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu)或使光電探測(cè)器陣列微旋轉(zhuǎn)得到一系列有相對(duì)微旋轉(zhuǎn)的低分辨率圖像,把低分辨率圖像的每個(gè)像素的灰度值看作是待求高分辨率圖像上對(duì)應(yīng)相關(guān)區(qū)域內(nèi)所有像素灰度值的線性加權(quán)和,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)線性方程,聯(lián)立得到一個(gè)稀疏線性方程組,其最小二乘解即為超分辨率重建出的高分辨率圖像。與現(xiàn)有的微掃描法、微變焦法超分辨率成像技術(shù)相比,微旋轉(zhuǎn)法只需控制轉(zhuǎn)像機(jī)構(gòu)或使光電探測(cè)器陣列微旋轉(zhuǎn),結(jié)構(gòu)上更為簡(jiǎn)單、控制上更為簡(jiǎn)便、實(shí)現(xiàn)成本更為低廉。
      文檔編號(hào)H04N5/33GK101217625SQ20081005600
      公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2008年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日
      發(fā)明者劉永堅(jiān), 峰 周, 張海濤, 李光偉, 王東生, 趙達(dá)尊, 海 閆 申請(qǐng)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
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