一種圖像穩定的超解析度成像系統及方法
2023-05-24 14:04:31 1
一種圖像穩定的超解析度成像系統及方法
【專利摘要】本發明是一種圖像穩定的超解析度成像系統及方法，其包括在被觀測的目標光束的傳播路徑的成像光路方向依次放置成像光學元件組、擺鏡、分光鏡、成像鏡頭組和成像相機，超解析度圖像合成單元的輸入端與成像相機的輸出端連接，超解析度圖像合成單元，用於將接收成像相機傳送的多幅欠採樣圖像合成為超解析度圖像；在被觀測的目標光束的傳播路徑的探測光路方向依次放置成像光學元件組、擺鏡、分光鏡、探測鏡頭組和探測相機，探測相機的輸出端與計算控制單元的輸入端連接，擺鏡驅動器的輸入端與計算控制單元的輸出端連接，擺鏡驅動器的輸出端與擺鏡的驅動端連接，擺鏡驅動器，用於將計算控制單元發送的電壓模擬量放大成擺鏡驅動電壓模擬量輸出到擺鏡。
【專利說明】一種圖像穩定的超解析度成像系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於高解析度成像領域，具體地說，它涉及一種圖像穩定的超解析度成像 系統與方法。
【背景技術】
[0002] 光電成像是人類獲取可見光紅外多光譜圖像信息的重要技術手段，廣泛應用於國 民經濟和國防建設的各個領域。光電成像系統的解析度一般指圖像通過系統後可分辨的最 小細節，是表徵系統探測能力的重要技術指標，影響該指標的因素主要有成像透鏡的孔徑 尺寸和圖像傳感器的幾何參數等。受物理條件限制，人們獲得圖像的解析度較低，而這些低 解析度圖像不能很好地滿足實際需要，尤其是在航天、遙感、軍事偵察等領域，於是人們希 望利用多幅低解析度圖像之間存在的像素內位移含有原始高解析度圖像的信息來重建超 解析度圖像。
[0003] 目前的超分辨重建技術包括微掃描和亞像元技術兩種實現方式。微掃描可以看作 是一個過採樣過程，它利用微掃描裝置將光學系統所成的圖像在水平和垂直方向進行亞像 素位移，得到多幀欠抽樣圖像，並運用數字圖像處理器將這些圖像按照獲得圖像的方式和 順序進行交叉重建成一幀圖像，從而達到最終實現提高解析度的目的。二級微掃描技術是 用四幅欠採樣圖像合成一幅高解析度圖像，如圖1所示，其中1、2、3、4分別表示按二級微掃 描順序獲得的四幅欠採樣圖像的順序號，最終合成的高解析度圖像是這四幅欠採樣圖像像 素融合的結果，所含的像素增加了四倍。亞像元技術是通過把採樣式成像系統常規焦平面 上的一排探測器線陣列改成在線陣方向和垂直線陣方向上錯位排列若干探測器線陣列，在 線陣列方向上通過錯位、在垂直線陣方向上通過提高或不提高時間採樣頻率的手段來提高 物方空間解析度的一種方法。總體說來微掃描和亞像元技術兩種實現方式都是將相機連續 採集到的互相錯位不足一個像元距離的一序列離散圖像，通過之後的數字軟體融合技術合 成為一張高解析度的圖像。
[0004] 在實際的航天、遙感、軍事偵察等領域應用中，採用陣列排布多個探測器的亞像元 技術實現超解析度重建增加了項目的經濟成本，且探測器與探測器間隙的存在產生了欠採 樣噪聲，使系統得到的圖像並不能完全再現被觀察的場景。採用微掃描技術實現超解析度 重建可有效地減少了欠採樣噪聲，提高了系統解析度，改善了成像質量。實現微掃描技術的 形式多種多樣，按驅動方式的不同大致可以分為電機驅動和壓電陶瓷驅動兩類。這兩類微 掃描都是通過控制光學系統中的光學元件轉動、改變其光學面的法線方向從而使光學系統 像面上的被觀測場景圖像產生微小移動。然而不論哪類微掃描技術都不能克服系統平臺姿 態控制的殘餘抖動所導致的探測器採樣積分時間內的圖像抖動，即系統平臺抖動直接影響 微掃描獲得的一系列欠採樣圖像序列的解析度，進而影響被觀測視場的超分辨重建。
【發明內容】
[0005] (一）要解決的技術問題
[0006] 為提高航天、遙感、軍事偵察等領域的空間光電系統的解析度，克服系統平臺姿態 控制的殘餘抖動對單幅欠採樣圖像解析度的影響，將一系列圖像穩定的欠採樣圖像合成為 一幅超解析度圖像，本發明提出了一種即可穩定單幅圖像又可實現超解析度成像的靈活多 用的超解析度成像系統及方法。
[0007] (二）技術方案
[0008] 本發明的第一方面，提供一種圖像穩定的超解析度成像系統，該系統含有成像光 路和探測光路，所述包括成像光學元件組、分光鏡、探測鏡頭組、探測相機、計算控制單元、 擺鏡驅動器、擺鏡、成像鏡頭組、成像相機、超解析度圖像合成單元，其中：
[0009] 被觀測的目標光束的第一傳播路徑為在成像光路方向依次放置成像光學元件組、 擺鏡、分光鏡、成像鏡頭組和成像相機，超解析度圖像合成單元的輸入端與成像相機的輸出 端連接；來自於被觀測的目標光束入射到成像光學元件組後再入射到擺鏡，經擺鏡反射面 反射後入射到分光鏡，目標光束中的一部分光能量經分光鏡透射到成像鏡頭組並形成目標 像面，成像相機位於目標像面上，成像相機，用於對接收的入射光信號進行光電轉換形成並 以無線或有線形式傳輸的多幅欠採樣圖像，超解析度圖像合成單元，用於將接收的多幅欠 採樣圖像合成為超解析度圖像；
[0010] 被觀測的目標光束的第二傳播路徑為在探測光路方向依次放置成像光學元件組、 擺鏡、分光鏡、探測鏡頭組和探測相機，探測相機的輸出端與計算控制單元的輸入端連接， 擺鏡驅動器的輸入端與計算控制單元的輸出端連接，擺鏡驅動器的輸出端與擺鏡的驅動端 連接，來自於被觀測的目標光束入射到成像光學元件組後再入射到擺鏡，經擺鏡反射面反 射後入射到分光鏡，目標光束中的另一部分光能量經分光鏡反射到探測鏡頭組並形成探測 像面，探測相機位於探測像面上；入射到探測相機上的光信號經光電轉換後形成並傳輸探 測窗口圖像，計算控制單元將接收的探測窗口圖像進行計算生成並輸出擺鏡的位置控制電 壓模擬量；擺鏡驅動器，用於將接收的擺鏡的位置控制電壓模擬量放大成擺鏡驅動電壓模 擬量輸出到擺鏡。
[0011] 本發明的第二方面，提供一種圖像穩定的超解析度成像方法，該方法採用本發明 圖像穩定的超解析度成像系統實現的步驟如下：
[0012] 步驟Sl :對圖像穩像的超解析度系統初始化，進入圖像穩定超解析度成像工作模 式；
[0013] 步驟S2 :探測相機對目標場景成像，獲得探測窗口圖像；
[0014] 步驟S3 :計算控制單元存儲第一次獲得的探測窗口圖像作為參考圖像，並對當前 探測窗口圖像與參考圖像進行互相關函數計算得到相關峰值的位置，即得到探測窗口圖像 在探測像面上的偏移量，再根據探測光路與成像光路之間的幾何光學關係，獲得目標像面 圖像偏移量；計算目標像面圖像偏移量與目標像面圖像偏移量的設定值之間的偏差；
[0015] 步驟S4:計算控制單元再將目標像面圖像偏移量偏差轉換為成像光路中擺鏡轉 動的位置控制量；
[0016] 步驟S5 :擺鏡驅動器根據位置控制量驅動成像光路中的擺鏡偏轉；重複步驟S2? 步驟S4,直至成像相機完成一次圖像穩定的欠採樣圖像成像；
[0017] 步驟S6 :判斷成像相機是否完成所有欠採樣圖像成像，如果沒有完成所有欠採樣 圖像成像，則執行步驟S7,如果已經完成所有欠採樣圖像成像，則執行步驟S8 ;
[0018] 步驟S7 :設置下一次成像相機成像時的目標像面圖像偏移量的設定值，執行步驟 S2 ；
[0019] 步驟S8 :超解析度圖像合成單元對得到的多幅欠採樣圖像進行圖像配準，計算欠 採樣圖像之間的偏移量；
[0020] 步驟S9 :超解析度圖像合成單元根據欠採樣圖像之間的偏移量，採用圖像融合復 原方法由多幅欠採樣圖像得到一幅目標的超解析度圖像。
[0021] (三）有益效果
[0022] 本發明與現有技術相比的優點如下：
[0023] (1)本發明得到的超解析度圖像比現有技術得到的超解析度圖像的解析度更高。 本發明在現有的成像光學裝置中增加了探測相機、計算控制單元、擺鏡驅動器和能動可控 的擺鏡，通過他們的實時探測與校正避免了系統平臺姿態控制殘餘抖動對單幅欠採樣圖像 解析度的影響，保證了超分辨成像中單幅欠採樣圖像的解析度，進而保證最終得到的超分 辨率圖像是多幅穩定的欠採樣圖像的合成結果，這是現有超解析度成像系統無法達到的。
[0024] (2)本發明較現有技術更靈活多用。本發明系統可以有四種工作模式：一是不進 行圖像穩定超解析度成像工作，此時本發明系統中的擺鏡靜止不動，與現有的成像光學裝 置的成像方式相同，等同於現有的成像光學裝置；二是圖像穩定的成像工作，此時本發明系 統中的擺鏡僅實時校正成像相機積分時間內的光軸抖動，所述系統獲得的單幅圖像的圖像 解析度較傳統成像系統圖像解析度高；三是超解析度成像工作，此時本發明中的擺鏡僅作 為微掃描超解析度重建技術獲得多幅欠採樣圖像的微掃描裝置，不再進行光軸抖動的實時 校正，等同於傳統的微掃描超解析度成像裝置；四是圖像穩定的超解析度成像工作，此時本 發明中的擺鏡既是實時校正成像光路光軸抖動的校正裝置又是微掃描超解析度重建技術 獲得多幅欠採樣圖像的微掃描裝置，使目標像面上的圖像產生亞像元偏移。所述系統獲得 的超解析度圖像的解析度較圖5示出現有技術獲得的圖像的解析度高。上述四種工作模式 可由計算控制單元的軟體控制，切換靈活、易於實現。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1為超解析度成像二級微掃描概念圖；
[0026] 圖2為本發明系統的組成框圖；
[0027] 圖3為本發明方法的流程圖；
[0028] 圖4為本發明的欠採樣圖像獲取順序圖；
[0029] 圖5為現有技術成像系統獲得的圖像。
[0030] 圖6為本發明實施例得到的四幅欠採樣圖像。
[0031] 圖7為本發明實施例得到的超解析度圖像。
【具體實施方式】
[0032] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0033] 超解析度（Super-Resolution)即通過硬體或軟體的方法提高原有圖像的分辨 率。超解析度成像就是利用能動可控元件使相機連續採集到互相錯位不足一個像元距離的 一序列離散圖像，通過圖像融合復原方法對這一系列離散圖像重建，輸出一幅高解析度的 圖像。
[0034] 請參閱圖2示出的本發明圖像穩定的超解析度成像系統，含有成像光路和探測光 路，所述成像光路和探測光路包括：成像光學元件組10、分光鏡11、探測鏡頭組12、探測相 機13、計算控制單元14、擺鏡驅動器15、擺鏡16、成像鏡頭組17、成像相機18和超解析度圖 像合成單元19,其中：
[0035] 被觀測的目標光束的第一傳播路徑為在成像光路方向依次放置成像光學元件組 11、擺鏡16、分光鏡11、成像鏡頭組17和成像相機18,超解析度圖像合成單元19的輸入端 與成像相機18的輸出端連接；來自於被觀測的目標光束入射到成像光學元件組11後再入 射到擺鏡16,經擺鏡16的反射面反射後入射到分光鏡11，目標光束中的一部分光能量經分 光鏡11透射到成像鏡頭組17並形成目標像面，成像相機18位於目標像面上，成像相機18， 用於對接收的入射光信號進行光電轉換形成並以無線或有線形式傳輸的多幅欠採樣圖像， 超解析度圖像合成單元19,用於將接收的多幅欠採樣圖像合成為超解析度圖像；
[0036] 被觀測的目標光束的第二傳播路徑為在探測光路方向依次放置成像光學元件組 10、擺鏡16、分光鏡11、探測鏡頭組12和探測相機13,探測相機13的輸出端與計算控制單 元14的輸入端連接，擺鏡驅動器15的輸入端與計算控制單元14的輸出端連接，擺鏡驅動 器15的輸出端與擺鏡16的驅動端連接，來自於被觀測的目標光束入射到成像光學元件組 10後再入射到擺鏡16,經擺鏡16的反射面反射後入射到分光鏡11，目標光束中的另一部 分光能量經分光鏡11反射到探測鏡頭組12並形成探測像面，探測相機13位於探測像面 上；入射到探測相機13上的光信號經光電轉換後形成並傳輸探測窗口圖像，計算控制單元 14將接收的探測窗口圖像進行計算生成並輸出擺鏡16的位置控制電壓模擬量；擺鏡驅動 器15,用於將接收到擺鏡16的位置控制電壓模擬量放大成擺鏡驅動電壓模擬量後經高壓 電纜輸出到擺鏡16。
[0037] 當本發明提出的系統進行圖像穩定的超解析度成像時，探測相機13採集的被觀 測目標的探測窗口圖像，計算控制單元14通過探測窗口圖像計算得到目標像面上圖像運 動的方向和大小，用伺服控制算法得到擺鏡16實際的控制量，由擺鏡驅動器15驅動擺鏡16 偏轉，使經擺鏡16的鏡面反射的成像光路光線不發生偏轉，此時擺鏡僅實時校正成像相機 積分時間內的光軸抖動，用於提高單幅圖像的圖像解析度，從而達到在成像相機18的積分 時間內穩定圖像的目的，使成像相機18獲得一幅穩定的欠採樣圖像。計算控制單元14再 根據微掃描超解析度重建所需的欠採樣圖像獲取順序和相應的目標像面圖像偏移量設定 值，控制驅動擺鏡16偏轉固定角度，並在下一次欠採樣圖像積分曝光時間內實時校正目標 像面圖像晃動，保證獲得穩定的欠採樣圖像，並與上一次獲得的欠採樣圖像具有預先設定 的偏移量，從而獲得多幅欠採樣圖像，再將所有欠採樣圖像合成為一幅超解析度圖像。
[0038] 成像光學元件組10,本發明實例的光學系統採用經典的卡塞格林（Cassegrain) 望遠鏡系統，所以成像光學元件組包括一個面形為旋轉拋物面的主鏡和一個面形為旋轉雙 曲面的副鏡；
[0039] 分光鏡11，採用一個半反半透鏡；
[0040] 探測鏡頭組12,採用一個雙膠合透鏡，使探測光路焦距為F探；
[0041] 探測相機13,用於穩定目標像面圖像時的探測視場成像，採用高速CM0S(互補金 屬氧化物半導體）相機或CCD (電荷耦合元件）相機，探測相機13解析度為64X64像素， 輸出幀頻在2000幀/秒以上，像元尺寸為32微米，探測相機13將探測到的數字圖像信號 傳輸到計算控制單元14,並接收來自計算控制單元14的探測相機13控制指令；
[0042] 計算控制單元14是由現場可編程邏輯門陣列（FPGA)和數據處理器（DSP)實現的 自製產品。計算控制單元14分別與探測相機13和擺鏡驅動器15連接，用於接收探測相機 13輸出的探測視場圖像，對探測視場圖像進行相關計算得到探測像面上圖像的運動量，進 而得到擺鏡16的位置控制數字量，並轉換成擺鏡16位置控制電壓模擬量輸出到擺鏡驅動 器15 ;
[0043] 擺鏡驅動器15,將計算控制單元14輸出的擺鏡位置控制電壓模擬量放大為擺鏡 驅動電壓模擬量輸出到擺鏡16,採用市場上供應的擺鏡驅動器；
[0044] 擺鏡16,由擺鏡驅動器15輸出的擺鏡驅動電壓模擬量驅動偏轉，即可減小成像光 路光軸抖動以穩定目標像面圖像，又可實現超解析度成像時給定角度的偏轉，採用市場上 供應的擺鏡平臺，擺鏡16鏡片為自研產品，口徑由成像光路光學設計決定；
[0045] 成像鏡頭組17,採用一個雙膠合透鏡，使成像光路焦距為F成；
[0046] 成像相機18,用於獲得圖像穩定的目標欠採樣圖像，採用高速CMOS相機或CCD相 機，成像相機18的解析度為1024X 1024像素，輸出幀頻在3-10幀/秒，像元尺寸為14微 米，成像相機18將目標欠採樣圖像信號傳輸到超解析度圖像合成單元19,成像相機18將探 測穩像控制指令傳輸到計算控制單元14,並接收來自計算控制單元14的成像相機18曝光 控制指令；
[0047] 超解析度圖像合成單元19採用Windows作業系統的商業計算機，超解析度圖像合 成單元19與成像相機18相連，用於對成像相機18獲得的多幅欠採樣圖像進行圖像配準與 數據融合，得到目標的超解析度圖像。
[0048] 請參閱圖3示出的應用本發明所述成像系統進行超解析度成像的方法包括以下 步驟：
[0049] 步驟Sl :啟動成像相機18的圖像穩定控制組件，包括：探測相機13、計算控制單 元14、擺鏡驅動器15和擺鏡16,由超解析度圖像合成單元19傳輸圖像穩定超解析度成像 電子啟動信號到計算控制單元14,使圖像穩定的超解析度成像系統進入圖像穩定超解析度 成像工作模式。
[0050] 本發明中的圖像穩定的超解析度成像系統採用了超分辨重建技術中的微掃描概 念，以擺鏡16作為獲得多幅欠採樣圖像的微掃描裝置，計算控制單元14根據微掃描順序設 置成像相機18的欠採樣圖像曝光時的目標像面圖像偏移量設定值，控制擺鏡16在各欠採 樣圖像成像時保持目標像面圖像穩定在偏移量設定值附近。以k表示成像相機18的欠採 樣圖像成像次數，第k次成像相機18的欠採樣圖像成像時的目標像面圖像偏移量設定值表 示為x0k，y0k。本實施例採用的二級、三級和四級微掃描順序如圖4所示，各次成像相機18 的欠採樣圖像成像時的目標像面圖像偏移量設定值見圖4中的""中的坐標值。以二級 微掃描為例，順時針掃描獲得四幅欠採樣圖像，四次欠採樣圖像成像時的目標像面圖像偏 移量設定值分別為=XO1 = 0, y〇i = 0、x02 = 1/2, y02 = 0、x03 = 1/2, y03 = 1/2、x04 = 0， y04 = 1/2〇
[0051] 步驟S2 :探測相機13的幀頻為fhigh，單位為幀每秒，1000 < fhigh < 10000 ;接收目 標場景的光信號，經光電轉換和模擬數字轉換後輸出目標場景探測窗口數字圖像W，以下簡 稱為探測窗口圖像W。探測窗口圖像W長度和寬度均為P個像素。
[0052] 步驟S3 :計算控制單元14接收來自探測相機13的探測窗口圖像，存儲第一次獲 得的探測窗口圖像作為參考圖像，並對當前探測窗口圖像與參考圖像進行互相關函數計 算，得到相關峰值的位置即探測窗口圖像在探測像面上的偏移量，再根據探測光路與成像 光路之間的幾何光學關係，獲得目標像面圖像偏移量，計算目標像面圖像偏移量與目標像 面圖像偏移量的設定值之間的偏差；
[0053] 計算控制單元14接收來自探測相機13的探測窗口圖像，以t表示接收探測窗口 圖像的次數，第t次接收稱為當前接收。計算控制單元14的內部存儲區存儲第一次接收的 探測窗口圖像作為參考圖像，表示為R，以當前接收的探測窗口圖像作活動圖像，表示為L。 計算活動圖像與參考圖像的互相關函數C (x，y)，見公式1，x，y是互相關函數C (x，y)的坐 標變量。
[0054] C (x，y) = IFFT [FFT(R) XFFT* (L)] (1)
[0055] 公式1中FFT、IFFT分別表示正、逆快速傅立葉變換，*號表示傅立葉變換的復共 軛，X號表示矩陣叉乘。
[0056] 找出相關函數C(x, y)最大值所在位置的坐標（xmax, ymax)，xmax, ymax是坐標（xmax， y_)的坐標點，是個常量。以相關函數C(x，y)最大值的位置為中心，用相關函數C(x，y)最 大值周圍的3X3矩陣區域的相關函數值進行曲面擬合，擬合得到的曲面最大值為相關峰 值Cmax，相關峰值Cmax的位置為探測窗口圖像的偏移量6x s，Sys，單位為探測相機13像 元，計算公式見公式2。所有探測窗口圖像的相關峰值都保存在計算控制單元14的存儲區 內以備後續使用。
[0057]
【權利要求】
1. 一種圖像穩定的超解析度成像系統，其特徵在於，該系統含有成像光路和探測光路， 所述成像光路和探測光路包括成像光學元件組、分光鏡、探測鏡頭組、探測相機、計算控制 單元、擺鏡驅動器、擺鏡、成像鏡頭組、成像相機、超解析度圖像合成單元，其中： 被觀測的目標光束的第一傳播路徑為在成像光路方向依次放置成像光學元件組、擺 鏡、分光鏡、成像鏡頭組和成像相機，超解析度圖像合成單元的輸入端與成像相機的輸出端 連接；來自於被觀測的目標光束入射到成像光學元件組後再入射到擺鏡，經擺鏡反射面反 射後入射到分光鏡，目標光束中的一部分光能量經分光鏡透射到成像鏡頭組並形成目標像 面，成像相機位於目標像面上，成像相機，用於對接收的入射光信號進行光電轉換形成並以 無線或有線形式傳輸的多幅欠採樣圖像，超解析度圖像合成單元，用於將接收的多幅欠採 樣圖像合成為超解析度圖像； 被觀測的目標光束的第二傳播路徑為在探測光路方向依次放置成像光學元件組、擺 鏡、分光鏡、探測鏡頭組和探測相機，探測相機的輸出端與計算控制單元的輸入端連接，擺 鏡驅動器的輸入端與計算控制單元的輸出端連接，擺鏡驅動器的輸出端與擺鏡的驅動端連 接，來自於被觀測的目標光束入射到成像光學元件組後再入射到擺鏡，經擺鏡反射面反射 後入射到分光鏡，目標光束中的另一部分光能量經分光鏡反射到探測鏡頭組並形成探測像 面，探測相機位於探測像面上；入射到探測相機上的光信號經光電轉換後形成並傳輸探測 窗口圖像，計算控制單元將接收的探測窗口圖像進行計算生成並輸出擺鏡的位置控制電壓 模擬量；擺鏡驅動器，用於將接收的擺鏡的位置控制電壓模擬量放大成擺鏡驅動電壓模擬 量輸出到擺鏡。
2. 根據權利要求1所述圖像穩定的超解析度成像系統，其特徵在於，所述系統進行圖 像穩定的超解析度成像時，探測相機採集被觀測目標的探測窗口圖像，計算控制單元通過 探測窗口圖像計算得到目標像面圖像運動的方向和大小，用伺服控制算法得到擺鏡實際的 控制量，由擺鏡驅動器驅動擺鏡偏轉，使經擺鏡的鏡面反射的成像光路光線不發生偏轉，此 時擺鏡僅實時校正成像相機積分時間內的光軸抖動，用於提高單幅欠採樣圖像的圖像分辨 率，從而達到在成像相機的積分時間內穩定圖像的目的，使成像相機獲得一幅穩定的欠採 樣圖像。
3. 根據權利要求2所述圖像穩定的超解析度成像系統，其特徵在於，所述計算控制單 元存儲第一次獲得的探測窗口圖像作為參考圖像，並對當前探測窗口圖像與參考圖像進行 互相關函數計算得到相關峰值的位置，即得到探測窗口圖像在探測像面上的偏移量，再根 據探測光路與成像光路之間的幾何光學關係，獲得目標像面圖像偏移量；計算目標像面偏 移量與目標像面圖像偏移量的設定值之間的偏差。
4. 根據權利要求3所述圖像穩定的超解析度成像系統，其特徵在於，所述計算控制單 元根據微掃描超解析度重建所需的欠採樣圖像獲取順序和相應的目標像面圖像偏移量設 定值，控制驅動擺鏡偏轉固定角度，並在下一次欠採樣圖像積分曝光時間內實時校正目標 像面圖像晃動，保證獲得穩定的欠採樣圖像，並與上一次獲得的欠採樣圖像具有預先設定 的偏移量，從而獲得多幅欠採樣圖像，再將所有欠採樣圖像合成為一幅超解析度圖像。
5. -種使用權利要求1-4所述圖像穩定的超解析度成像系統，實現圖像穩定的超分辨 率成像方法的步驟如下： 步驟S1 :對圖像穩像的超解析度系統初始化，進入圖像穩定超解析度成像工作模式； 步驟S2 :探測相機對目標場景成像，獲得探測窗口圖像； 步驟S3 :計算控制單元存儲第一次獲得的探測窗口圖像作為參考圖像，並對當前探測 窗口圖像與參考圖像進行互相關函數計算得到相關峰值的位置，即得到探測窗口圖像在探 測像面上的偏移量，再根據探測光路與成像光路之間的幾何光學關係，獲得目標像面圖像 偏移量；計算目標像面圖像偏移量與目標像面圖像偏移量的設定值之間的偏差； 步驟S4 :計算控制單元再將目標像面圖像偏移量偏差轉換為成像光路中擺鏡轉動的 位置控制量； 步驟S5 :擺鏡驅動器根據位置控制量驅動成像光路中的擺鏡偏轉；重複步驟S2?步驟 S4,直至成像相機完成一次圖像穩定的欠採樣圖像成像； 步驟S6 :判斷成像相機是否完成所有欠採樣圖像成像，如果沒有完成所有欠採樣圖像 成像，則執行步驟S7,如果已經完成所有欠採樣圖像成像，則執行步驟S8 ; 步驟S7 :設置下一次成像相機成像時的目標像面圖像偏移量的設定值，執行步驟S2 ; 步驟S8 :超解析度圖像合成單元對得到的多幅欠採樣圖像進行圖像配準，計算欠採樣 圖像之間的偏移量； 步驟S9 :超解析度圖像合成單元根據欠採樣圖像之間的偏移量，採用圖像融合復原方 法由多幅欠採樣圖像得到一幅目標的超解析度圖像。
6. 根據權利要求5所述圖像穩定的超解析度成像方法，其特徵在於，所述計算控制單 元根據擺鏡的微掃描順序設置成像相機的欠採樣圖像曝光時的目標像面圖像偏移量設定 值，控制擺鏡在各欠採樣圖像成像時保持目標像面圖像穩定在偏移量設定值附近。
7. 根據權利要求6所述圖像穩定的超解析度成像方法，其特徵在於，根據成像相機的 像元尺寸、探測相機的像元尺寸以及成像光路與探測光路的幾何光學關係，由探測窗口圖 像的偏移量得到目標像面圖像偏移量，再計算得到目標像面圖像偏移量與第k次成像相機 的欠採樣圖像成像時的目標像面圖像偏移量設定值之間的偏差。
8. 根據權利要求7所述圖像穩定的超解析度成像方法，其特徵在於，所述成像相機按 微掃描順序完成了所有欠採樣圖像成像，獲得N幅欠採樣圖像，以n表示獲取欠採樣圖像的 順序號，按微掃描順序獲得的第n幅欠採樣圖像，每幅欠採樣圖像的長度為1個像素、寬度 為w個像素；以第一幅欠採樣圖像為圖像配準的基準圖像，每幅欠採樣圖像都與基準圖像 進行圖像配準；所述每幅欠採樣圖像與基準圖像之間在水平和垂直方向上的平移在傅立葉 頻域表示為線性的相位平移，通過計算每幅欠採樣圖像與基準圖像傅立葉變換後的相位差 的最小二乘估計得到每幅欠採樣圖像與基準圖像之間的偏移量。
【文檔編號】H04N5/232GK104394309SQ201410779707
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月16日 優先權日:2014年12月16日
【發明者】戴妍峰, 姜愛民 申請人:中國科學院國家天文臺