本發(fā)明涉及天基成像領(lǐng)域，特別涉及基于偏置穩(wěn)像的超分辨成像系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著對(duì)地成像分辨率越來(lái)越高的需求，除在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上進(jìn)行技術(shù)開發(fā)外，考慮采取超分辨成像技術(shù)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，進(jìn)一步提升衛(wèi)星整體的對(duì)地成像分辨率。

超分辨率重建技術(shù)利用低分辨率圖像(lr)序列之間的冗余性、相似性及一些先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合從而重建出一個(gè)具有更高空間分辨率的圖像(hr)，同時(shí)去除圖像噪聲、模糊等。基于重建的方法是指按照?qǐng)D象退化模型，利用一定的數(shù)學(xué)理論對(duì)退化圖象進(jìn)行反退化，得到超分辨重建圖象，如頻域解混疊超分辨重建方法、基于集合理論的超分辨重建方法、基于概率統(tǒng)計(jì)理論的超分辨重建方法等。

自1984年tsai和huang首次提出了利用具有亞像素位移的多幀lr圖像進(jìn)行hr重建的頻域解混疊方法，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)超分辨率重建方法進(jìn)行了研究并取得豐碩的成果。所有這些方法都是希望能從一系列同一場(chǎng)景多幀欠采樣低分辨率視覺(jué)影像來(lái)獲得更高分辨率的圖像，采用無(wú)噪聲、無(wú)退化、大小和輻射亮度完全相同的重采樣成像模型，并用相應(yīng)頻譜混疊公式給出了一個(gè)解混疊方法。在此基礎(chǔ)上，研究了混入噪聲和圖像有模糊退化情形下的模型，并給出了加權(quán)迭代和正則化迭代兩種解混疊方法。這些方法利用的是圖像之間的相對(duì)位移量和不同的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)所提供的信息，而并沒(méi)有利用圖像分辨率差異所能提供的信息。所以進(jìn)一步發(fā)展中，人們?cè)诮y(tǒng)計(jì)先驗(yàn)知識(shí)的使用上也采用了新的方法，如使用了基于高斯平滑先驗(yàn)知識(shí)的map估計(jì)器來(lái)增強(qiáng)衛(wèi)星遙感圖像。

目前，將數(shù)字超分辨率成像技術(shù)應(yīng)用于星載平臺(tái)的典型系統(tǒng)主要有spot衛(wèi)星和skysat衛(wèi)星，其中，spot衛(wèi)星主要采用了亞像元采樣方式提升分辨率，而skysat衛(wèi)星主要采用光學(xué)-數(shù)字處理聯(lián)合設(shè)計(jì)技術(shù)以及亞像元偏移多幀曝光采樣方式提升分辨率。我國(guó)目前衛(wèi)星的超分辨成像技術(shù)未見(jiàn)有報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問(wèn)題是現(xiàn)有穩(wěn)像成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于使用，且成像分辨率低；為解決所述問(wèn)題，本發(fā)明提供基于偏置穩(wěn)像的超分辨成像系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明提供的基于偏置穩(wěn)像的超分辨成像系統(tǒng)包括：系統(tǒng)成像組鏡、分光鏡、高幀頻探測(cè)器、高分辨成像探測(cè)器及數(shù)據(jù)處理器；平行光經(jīng)系統(tǒng)成像組鏡匯聚后在分光鏡表面分成兩路，一路由高幀頻探測(cè)器成像；數(shù)據(jù)處理器根據(jù)圖像數(shù)據(jù)計(jì)算位移補(bǔ)償值；驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)高分辨成像探測(cè)器成像像面移動(dòng)所述位移補(bǔ)償值。

本發(fā)明提供的基于偏置穩(wěn)像的超分辨成像方法，包括：

步驟一、高幀頻探測(cè)器成像，數(shù)據(jù)處理器根據(jù)圖像數(shù)據(jù)計(jì)算探測(cè)位移數(shù)據(jù)，形成位移補(bǔ)償值；

步驟二、驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)高分辨成像探測(cè)器成像像面移動(dòng)，移動(dòng)量為所述位移補(bǔ)償值；

步驟三、高分辨成像探測(cè)器獲取當(dāng)前幀，并存入緩存，并判斷緩存內(nèi)圖像數(shù)是否達(dá)到預(yù)設(shè)量，如果達(dá)到則對(duì)緩存內(nèi)圖像做超分辨處理；如果沒(méi)有達(dá)到則進(jìn)入步驟四；

步驟四、驅(qū)動(dòng)高分辨成像探測(cè)器成像像面移動(dòng)，移動(dòng)量為所述位移補(bǔ)償值與固定偏置之和；高分辨成像探測(cè)器再次獲取當(dāng)前幀圖像；

步驟五、再次判斷緩存內(nèi)圖像數(shù)是否達(dá)到預(yù)設(shè)量，達(dá)到則對(duì)緩存內(nèi)圖像做分辨處理；沒(méi)達(dá)到則回到步驟四。

進(jìn)一步，所述分辨處理包括：

步驟5.1、對(duì)緩沖內(nèi)圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，形成低分序列圖像；

步驟5.2、對(duì)所述低分序列圖像進(jìn)行超分辨重建。

進(jìn)一步，所述步驟5.1包括：以緩沖內(nèi)圖像序列中的任意一幀為原參考圖像，其他幀為待配準(zhǔn)圖像；建立數(shù)字金字塔對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣處理，得到新的圖像序列；對(duì)新的圖像序列依次進(jìn)行特征提取、特征匹配、相似性計(jì)算、幾何校正，完成待配準(zhǔn)圖像的配準(zhǔn)，形成低分序列圖像。

進(jìn)一步，所述步驟5.2包括：采用map、貝葉斯超分辨重構(gòu)算法對(duì)低分序列圖像進(jìn)行處理，并判斷是否達(dá)到收斂條件；如果達(dá)到則進(jìn)行去模糊去噪聲處理，得到高分圖像；如果沒(méi)有達(dá)到收斂條件，則重復(fù)步驟5.1和步驟5.2，或者只重復(fù)步驟5.2，直至達(dá)到收斂條件。

進(jìn)一步，所述固定偏置為0.5像元偏置。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括：

本發(fā)明所提供的基于偏置穩(wěn)像的超分辨成像系統(tǒng)及方法綜合考慮系統(tǒng)相機(jī)本身的特性及超分辨方法的約束，在穩(wěn)像中采用亞像素的固定偏置，使得系統(tǒng)獲取序列圖像的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)亞像元采樣，獲取一個(gè)穩(wěn)定的亞像元變化，并能有效地降低衛(wèi)星姿態(tài)變化導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)模糊，從而為下一步超分辨圖像重構(gòu)提供優(yōu)質(zhì)的圖像。

本發(fā)明充分利用穩(wěn)像裝置，加入固定亞像元偏置量，獲取了錯(cuò)位采樣圖像，通過(guò)后期的圖像處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行超分辨處理，提高了圖像分辨，并節(jié)約了系統(tǒng)資源。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于偏置穩(wěn)像的超分辨成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于偏置穩(wěn)像的超分辨成像方法的圖像配準(zhǔn)流程示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于偏置穩(wěn)像的超分辨成像方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下文中，結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)做進(jìn)一步闡述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于偏置穩(wěn)像的超分辨成像系統(tǒng)包括：系統(tǒng)成像組鏡01、分光鏡02、高幀頻探測(cè)器03、高分辨成像探測(cè)器04及數(shù)據(jù)處理器；平行光經(jīng)系統(tǒng)成像組鏡01匯聚后在分光鏡02表面分成兩路，一路由高幀頻探測(cè)器03成像；數(shù)據(jù)處理器根據(jù)圖像數(shù)據(jù)計(jì)算位移補(bǔ)償值；驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)高分辨成像探測(cè)器04的探測(cè)面移動(dòng)所述位移補(bǔ)償值。

所述驅(qū)動(dòng)裝置可以采用壓電陶瓷，在移動(dòng)過(guò)程中，可以配合曝光時(shí)間加入0.5像元偏置，獲取亞采樣圖像。

本發(fā)明實(shí)施例提供的基于偏置穩(wěn)像的超分辨成像方法，包括：

步驟一、地面發(fā)出穩(wěn)像偏置超分成像的指令，星上緩存清零；高幀頻探測(cè)器成像，數(shù)據(jù)處理器獲取圖像計(jì)算探測(cè)位移數(shù)據(jù)，計(jì)算探測(cè)位移數(shù)據(jù)指的是數(shù)據(jù)處理器根據(jù)所成圖像計(jì)算成像系統(tǒng)位置偏移量，該技術(shù)已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，在此不再詳述。

步驟二、星上數(shù)據(jù)處理器根據(jù)當(dāng)前位移數(shù)據(jù)形成位移補(bǔ)償值，并反饋至高分辨成像探測(cè)器，通過(guò)壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)高分辨成像像面移動(dòng)；所述位移補(bǔ)償數(shù)據(jù)用于彌補(bǔ)用于成像系統(tǒng)位置偏移引起的光學(xué)模糊和運(yùn)動(dòng)模糊；計(jì)算位移補(bǔ)償數(shù)據(jù)的方法已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再詳述。

步驟三、高分辨探測(cè)器獲取當(dāng)前幀圖像f1并存入緩存；對(duì)緩存內(nèi)圖像數(shù)目進(jìn)行判斷，如果圖像數(shù)小于預(yù)設(shè)量，星上數(shù)據(jù)處理器將位移量加入固定偏置，由壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)高分辨成像像面移動(dòng)；

所述固定偏置為經(jīng)驗(yàn)值，用于進(jìn)一步彌補(bǔ)運(yùn)動(dòng)模糊，本實(shí)施例中為0.5像元，在其他實(shí)施例中由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，也可以選擇0；所述預(yù)設(shè)量本實(shí)施例中取4，在其他實(shí)施例中由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

步驟四、高分辨成像探測(cè)器再次獲取當(dāng)前幀圖像f2；再對(duì)緩存內(nèi)圖像數(shù)目進(jìn)行判斷，如果圖像數(shù)小于預(yù)設(shè)量，回到步驟二；

步驟五、當(dāng)圖像數(shù)目等于預(yù)設(shè)量時(shí)，星上處理器對(duì)緩存內(nèi)圖像進(jìn)行超分辨處理，獲得高清的超分辨圖像，將圖像存儲(chǔ)至相機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)，將緩存內(nèi)的圖像清空；

步驟六、若不發(fā)送任務(wù)中止指令，返回步驟二重新進(jìn)行成像及超分辨過(guò)程。

所述超分辨處理包括：

步驟5.1、對(duì)緩沖內(nèi)圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，形成低分序列圖像；

圖像配準(zhǔn)指對(duì)同一區(qū)域的兩幅或多幅圖像進(jìn)行最佳匹配的處理過(guò)程。圖像配準(zhǔn)是解決本系統(tǒng)圖像超分辨的必要前提?；谛禽d相機(jī)的特性及星載遙感圖像數(shù)據(jù)處理的要求，圖像配準(zhǔn)方案需具備處理速度快、配準(zhǔn)精度高、算法魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。

如圖2所示，圖像配準(zhǔn)包括：原始影像序列經(jīng)由圖像金字塔處理后再依次進(jìn)行特征提取、特征匹配、相似性計(jì)算等操作，映射回原圖像位置后進(jìn)行幾何校正，得到配準(zhǔn)圖像。其中圖像金字塔、積分圖像、box濾波等處理大大改進(jìn)了傳統(tǒng)方法處理速度慢的缺點(diǎn)，并保證了配準(zhǔn)精度。

特征提取指從圖像中提取出用來(lái)匹配的信息，本實(shí)施例中，采用積分圖像和不斷增大的盒子濾波模板求取響應(yīng)圖像，能夠快速找到感興趣點(diǎn)(即圖像中較亮或較暗的位置)，作為用于特征匹配的圖像特征。從待配準(zhǔn)圖像中提取特征之后，依據(jù)圖像特征點(diǎn)的描述子進(jìn)行特征匹配，并和特征點(diǎn)關(guān)聯(lián)，再釋放積分圖像，亦可增加迭代模塊，進(jìn)一步檢查全局匹配一致性，消除不匹配特征對(duì)。相似性計(jì)算用于估計(jì)圖像之間相似程度的指標(biāo)，以判斷所提取的特征點(diǎn)是否能夠匹配。幾何校正指根據(jù)待配準(zhǔn)圖像與參考圖像之間的幾何畸變選擇能擬合兩幅圖像之間變化的最佳幾何變換模型，并根據(jù)優(yōu)化策略求取兩圖像之間最佳變換參數(shù)，進(jìn)而通過(guò)坐標(biāo)變換與插值對(duì)待配準(zhǔn)圖像進(jìn)行處理，得到校正后的圖像，所述圖像為低分辨序列圖像。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)所述描述實(shí)現(xiàn)圖像配準(zhǔn)，在此不再詳述。

步驟5.2、對(duì)所述低分序列圖像進(jìn)行超分辨重建，對(duì)圖像進(jìn)行基于重構(gòu)的超分辨重建，利用該過(guò)程優(yōu)化成像系統(tǒng)退化模型，使其更加符合成像實(shí)際情況。超分辨重建包括：依次利用map、貝葉斯超分辨重建算法對(duì)將圖像配準(zhǔn)獲取的低分辨序列圖像進(jìn)行恢復(fù)重建。配準(zhǔn)和重建這兩個(gè)步驟獨(dú)立或者聯(lián)合反復(fù)迭代進(jìn)行，直到收斂條件成立。然后通過(guò)圖像去噪聲和去模糊的后期處理得到重建后的高分辨圖像。map、貝葉斯超分辨重建算法已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再詳述。

本發(fā)明所提供的方法已經(jīng)用于型號(hào)，所成圖像分辨率提高。

本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來(lái)限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動(dòng)和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。