分區(qū)域管理的高效超分辨率成像裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于圖像重建技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種圖像分區(qū)域管理的高效超分辨率成 像裝置及方法，可以用于視頻監(jiān)控、衛(wèi)星遙感成像、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著高清晰度數(shù)字電視、衛(wèi)星遙感成像、醫(yī)學(xué)成像等技術(shù)的迅速發(fā)展，國家經(jīng)濟(jì)社 會發(fā)展對高分辨率成像要求越來越高。提高分辨率最直接的方法就是增大光學(xué)系統(tǒng)的焦距 或減小CCD像素單元尺寸。然而，增大系統(tǒng)焦距會增大成像系統(tǒng)的體積、提高成本;減小CCD 像素尺寸會引入圖像噪聲等，因此，綜合軟件處理的方法成為研究焦點(diǎn)，采用圖像的超分辨 率重建技術(shù)可以在不增加復(fù)雜硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，由低分辨率的圖像通過圖像處理的方法 增加圖像的高頻細(xì)節(jié)信息，產(chǎn)生單幅高質(zhì)量、高分辨率的圖像。
[0003] 目前超分辨率成像裝置包括成像鏡頭組、高分辨率探測器、圖像存儲模塊、圖像超 分辨率重建模塊和圖像輸出顯示模塊模塊五大部分，其中在圖像超分辨率重建模塊中采用 的現(xiàn)有方法有多幀超分辨率重建與單幀超分辨率重建兩種，由于實(shí)時(shí)性的限制，單幀超分 辨率成像技術(shù)更具實(shí)用性，其主要有基于重建和基于學(xué)習(xí)兩種方法，基于重建的方法效率 較高，但是由于圖像模糊、噪聲、位移等因素的影響，重構(gòu)圖像質(zhì)量會有所下降?；趯W(xué)習(xí)的 方法有效的解決了該問題，其原理是首先通過訓(xùn)練低分辨率圖像和高分辨率圖像之間的關(guān) 系，然后在學(xué)習(xí)過程中由輸入的低分辨率圖像重構(gòu)出一幅高分辨率圖像。
[0004] 現(xiàn)有的超分辨率圖像的成像裝置和方法，例如北京智谷技術(shù)服務(wù)有限公司的中國 專利申請，申請公布號為CN 104320596 A，名稱為"超分辨率圖像的獲取方法和獲取裝置" 的發(fā)明中，提出了一種通過調(diào)節(jié)相機(jī)陣列中各相機(jī)的圖像傳感器的像素點(diǎn)分布來獲取場景 圖像，再對獲取的場景圖像進(jìn)行重建，該裝置在控制位移時(shí)精度要求較高、技術(shù)難度大、成 本高且超分辨率重建區(qū)域?yàn)榕臄z場景的至少局部?；趯W(xué)習(xí)的超分辨率重建方法，例如北 京大學(xué)的中國專利申請，申請公布號為CN 104103052 A，名稱為"基于學(xué)習(xí)的超分辨率重建 方法"的發(fā)明中，提出將樣本圖像分為顯著區(qū)和非顯著區(qū)并分別訓(xùn)練字典，通過求解非顯著 稀疏系數(shù)并與字典相乘得到高分辨率圖像塊，但是因?yàn)樵摲椒ㄔ谟?jì)算過程中對整幅待重建 圖像同時(shí)做相同處理，所以對大尺寸待重建圖像處理效率較低，而且內(nèi)存消耗較大，同時(shí)由 于算法原因，導(dǎo)致重建圖像會存在嚴(yán)重的偽重建部分，影響重建圖像質(zhì)量。再如西安電子科 技大學(xué)的中國專利申請，申請公布號為CN 103295197 A，名稱為"基于字典學(xué)習(xí)和雙邊正則 的圖像超分辨重建方法"的發(fā)明中，提出對待重建圖像做不同尺度插值后提取高頻特征，對 特征部分進(jìn)行字典訓(xùn)練，但由于其字典訓(xùn)練樣本的局限性，因而重建圖像分辨率也受到約 束。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出了一種分區(qū)域管理的高效 超分辨率成像裝置及方法，用于解決現(xiàn)有超分辨率成像裝置及方法成像時(shí)間長和分辨率低 的技術(shù)問題。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0007] 一種分區(qū)域管理的高效超分辨率成像裝置，包括:成像鏡頭組1，用于獲取實(shí)際場 景的光信號；高分辨率探測器2，位于成像鏡頭組1的后焦平面上，用于采集成像鏡頭組1捕 獲的光信號，獲取低分辨率圖像;圖像存儲模塊3,存儲高分辨率探測器2上獲得的低分辨率 圖像；圖像超分辨率重建模塊5,用于對獲得的低分辨率圖像進(jìn)行超分辨率重建；圖像輸出 顯示模塊6,用于輸出和顯示重建后圖像；
[0008] 圖像存儲模塊3和圖像超分辨率重建模塊5之間設(shè)置有圖像預(yù)處理模塊4,該圖像 預(yù)處理模塊4由圖像去噪子模塊41、去模糊子模塊42和樣本分塊子模塊43組成，用于對高分 辨率探測器2上獲得的低分辨率圖像進(jìn)行預(yù)處理，獲取待重建低分辨率圖像和字典訓(xùn)練樣 本圖像；圖像超分辨率重建模塊5由圖像區(qū)域化管理子模塊51和字典訓(xùn)練與區(qū)域化重建子 模塊52組成，用于對經(jīng)過預(yù)處理的低分辨率圖像進(jìn)行分區(qū)域管理、樣本訓(xùn)練和圖像超分辨 率重建，得到超分辨率圖像。
[0009] 上述分區(qū)域管理的高效超分辨率成像裝置，成像鏡頭組1采用變焦成像鏡頭組。
[0010]上述分區(qū)域管理的高效超分辨率成像裝置，樣本分塊子模塊43對經(jīng)過去噪和去模 糊后的低分辨率圖像進(jìn)行分塊，得到大小為KXK的子塊，其中50 100,各子塊之間無重 疊像素。
[0011]上述分區(qū)域管理的高效超分辨率成像裝置，區(qū)域化管理模塊51對待重建低分辨率 圖像進(jìn)行區(qū)域劃分，得到大小為WXW的子區(qū)域，其中100 150,相鄰子區(qū)域間重疊的像 素?cái)?shù)為Ρ，其中3<Ρ<6。
[0012] 上述分區(qū)域管理的高效超分辨率成像裝置，區(qū)域化管理模塊51采用Canny算子邊 緣檢測方法對子區(qū)域進(jìn)行信息量判斷，得到高信息量區(qū)域和低信息量區(qū)域。
[0013] 上述分區(qū)域管理的高效超分辨率成像裝置，字典訓(xùn)練與區(qū)域化重建子模塊52對高 信息量區(qū)域采取基于字典學(xué)習(xí)和稀疏表示方法進(jìn)行超分辨率重建，并對低信息量區(qū)域采取 雙三次插值方法進(jìn)行超分辨率重建，得到超分辨率重建子區(qū)域。
[0014] 上述分區(qū)域管理的高效超分辨率成像裝置的成像方法，包括如下步驟：
[0015] 步驟1:獲取實(shí)際場景的光信號；
[0016] 步驟2:獲取低分辨率圖像；
[0017]步驟3:存儲低分辨率圖像；
[0018]步驟4:對低分辨率圖像進(jìn)行預(yù)處理，
[0019] 步驟4a):對低分辨率圖像去噪聲；
[0020] 步驟4b):對步驟4a)得到的圖像去模糊，得到待重建低分辨率圖像；
[0021 ]步驟4c):對低分辨率圖像去噪、去模糊和樣本分塊，得到字典訓(xùn)練樣本；
[0022]步驟5:對待重建低分辨率圖像進(jìn)行區(qū)域化管理，
[0023]步驟5a):對待重建低分辨率圖像進(jìn)行區(qū)域劃分；
[0024]步驟5b):對步驟5a)中得到的子區(qū)域進(jìn)行信息量判斷，得到高信息量區(qū)域和低信 息量區(qū)域；
[0025]步驟6:對字典訓(xùn)練樣本進(jìn)行字典訓(xùn)練，得到高分辨率字典與低分辨率字典;對高 信息量區(qū)域和低信息量區(qū)域進(jìn)行超分辨率重建，得到超分辨率重建子區(qū)域；
[0026]步驟7:對超分辨率重建子區(qū)域進(jìn)行圖像拼接，得到超分辨率重建圖像。
[0027]上述分區(qū)域管理的高效超分辨率成像裝置的成像方法，步驟6中對字典訓(xùn)練樣本 進(jìn)行字典訓(xùn)練，包括如下步驟：
[0028] 步驟6a):對字典訓(xùn)練樣本進(jìn)行高頻特征提取，采用二維濾波算子濾波器組，該濾 波器組表示為：/ =丨乂，// ,Λ,/Π ，
[0029] 其中fi= [1-1]，f2為5X5的二維LOG算子，Τ表示矩陣轉(zhuǎn)置操作；
[0030]步驟6b):對提取的高頻特征進(jìn)行字典訓(xùn)練，采用離線K-SVD算法，獲得高分辨率字 典Dh和低分辨率字典m，即求解如下方程：
[0031]
[0032] 其中Xh為高頻特征，α為稀疏表示系數(shù)矩陣，cii為矩陣中各元素，Το為稀疏度，DhBP 為所求的高分辨率字典，對將樣本圖像降采樣后提取高頻信息，采用相同的方法可以獲得 低分辨率字典Di。
[0033] 上述分區(qū)域管理的高效超分辨率成像裝置的成像方法，步驟6中的高信息量區(qū)域 重建采用基于字典學(xué)習(xí)與稀疏表示的方法，包括如下步驟：
[0034] 步驟6c):采用0ΜΡ算法求解稀疏表示系數(shù)，即求解如下方程：
[0035]
[0036] 其中，y為低分辨率待重建子區(qū)域，β為稀疏表示系數(shù)；
[0037]步驟6d):將β與高分辨率字典Dh相乘，得到重建的超分辨率重建子區(qū)域。
[0038]上述分區(qū)域管理的高效超分辨率成像裝置的成像方法，基于字典學(xué)習(xí)與稀疏表示 的方法，所使用的低分辨率字典D4P高分辨率字典Dh，可以采用離線訓(xùn)練結(jié)果或裝置中已有 的訓(xùn)練字典。
[0039] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
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