CN108648147B - 一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法及系统，属于光电成像技术领域。本发明的方法根据人眼视网膜旋转和尺度不变性能够获得具有水平亚像素位移和竖直亚像素位移的低分辨率对数极坐标图像的特点，通过水平亚像素位移和竖直亚像素位移的组合变换，获取超分辨率重建需要的低分辨率图像，简化图像配准参量，减少超分辨率重建的复杂度；同时由于人眼视网膜空间非均匀采样结构具有中间高分辨率边缘低分辨率成像的特点，减少参与超分辨率重建的数据量，提高超分辨率重建的效率，进一步提高超分辨率重建后目标识别和跟踪的速度。本发明还公开用于实现所述方法的一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取系统。

Description

一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法及系统
技术领域
本发明涉及一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法及系统，属于光电成像技术领域。
背景技术
高分辨率图像中的像素密度更高，相同尺寸下比低分辨率图像能够提供更多的图像细节信息，可用于进行精确的目标识别和跟踪，因此在医学数字影像、视频监控、空间遥感和目标定位等领域发挥着日益重要的作用。通过减少成像系统中成像器件像元大小和增加成像系统中成像器件像元密度的方法能够获得高分辨率图像，但是目前成像器件的生产制造水平尚不成熟，技术工艺复杂，研制成本高。利用超分辨率重建技术，再不改变成像系统中成像器件的前提下，通过对多幅具有互补信息的低分辨率图像进行处理，能够提高图像分辨率从而获得高分辨图像。
现有的图像超分辨率重建方法中，成像系统获得的是采样均匀的低分辨率图像，即目标和背景的像素分辨率相同，进行超分辨重建后，目标和背景的像素分辨率获得同等程度的提高。但是在目标识别和跟踪的过程中，只需要目标是高分辨，背景高分辨会增加计算的数据量和超分辨率重建的时间。
人眼视网膜采样机理能够实现中间感兴趣区域(目标)的高分辨率成像，用于目标识别和跟踪，同时压缩边缘无关区域(背景)的信息量，减少参与超分辨率重建的数据量。人眼视网膜旋转尺度不变性和空间非均匀采样结构，在目标识别和跟踪等领域具有明显优势。随着传感器技术的飞速发展，仿人眼视网膜机理的传感器制造技术已逐渐趋于成熟，这为人眼视网膜机理的超分辨率图像获取提供可能。
发明内容
本发明公开的一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法及系统要解决的技术问题为：根据人眼视网膜机理获得具有空间变分辨率的初始低分辨率图像，进而实现超分辨率图像重建，具有系统简单、重建复杂度小和数据计算量少等优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法，根据人眼视网膜旋转和尺度不变性能够获得具有水平亚像素位移和竖直亚像素位移的低分辨率对数极坐标图像的特点，通过水平亚像素位移和竖直亚像素位移的组合变换，获取超分辨率重建需要的低分辨率图像，简化图像配准参量，减少超分辨率重建的复杂度。同时由于人眼视网膜空间非均匀采样结构具有中间高分辨率边缘低分辨率成像的特点，减少参与超分辨率重建的数据量，提高超分辨率重建的效率，进一步提高超分辨率重建后目标识别和跟踪的速度。
本发明公开的一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法，包括如下步骤：
步骤一：根据输入的超分辨率倍率k，获取低分辨率图像。
根据实际要求输入超分辨率倍率k，控制模块根据输入的超分辨率倍率值严格控制液体透镜电流值的变化，从而改变液体透镜的焦距，使得目标能够在景深范围内呈现清晰图像的同时获得视场大小变化的低分辨率图像。视场大小变化得到的低分辨率图像在笛卡尔坐标中显示为采样点径向方向变化，在对数极坐标中显示为竖直方向变化，获得具有竖直亚像素位移的低分辨率对数极坐标图像。控制模块根据输入的超分辨率倍率值精密的控制伺服电机运动，使得仿人眼传感器发生细小的旋转。仿人眼传感器的旋转得到的低分辨率图像在笛卡尔坐标中显示为采样点环向变化，在对数极坐标中显示为水平方向变化，即获得具有水平亚像素位移的低分辨率对数极坐标图像。通过竖直亚像素位移和水平亚像素位移的组合变换，获取低分辨率图像。
步骤一具体实现方法为：
根据输入的超分辨率倍率k，控制模块严格控制液体透镜电流值的变化和伺服电机的运动，液体透镜电流值不变，伺服电机控制仿人眼传感器旋转使得对数极坐标中所有像素依次水平方向变化n/k个像素，其中n依次取0,1,2,...,k-1，仿人眼传感器依次旋转变化k次，仿人眼传感器每次旋转对数极坐标中所有像素水平方向变化1/k个像素，仿人眼传感器每次旋转后对图片进行采集，共采集k次低分辨率图像。液体透镜电流值变化使得对数极坐标中所有像素竖直方向变化1/k个像素，伺服电机控制仿人眼传感器旋转使得对数极坐标中所有像素依次水平方向变化n/k个像素，其中n依次取0,1,2,...,k-1，仿人眼传感器依次旋转变化k次，仿人眼传感器每次旋转对数极坐标中所有像素水平方向变化1/k个像素，仿人眼传感器每次旋转后对图片进行采集，共采集k次低分辨率图像。以此类推，液体透镜电流值变化使得对数极坐标中所有像素竖直方向变化n/k个像素，伺服电机控制仿人眼传感器旋转使得对数极坐标中所有像素依次水平方向变化n/k个像素，其中n依次取0,1,2,...,k-1，仿人眼传感器依次旋转变化k次，仿人眼传感器每次旋转对数极坐标中所有像素水平方向变化1/k个像素，仿人眼传感器每次旋转后对图片进行采集，共采集k次低分辨率图像。直到调整液体透镜电流值的变化使得对数极坐标中所有像素竖直方向变化k-1/k个像素时，共获得k*k个具有水平和竖直亚像素位移变换的低分辨率对数极坐标图像，即通过竖直亚像素位移和水平亚像素位移的组合变换，获取低分辨率图像。
步骤二：对步骤一获取的低分辨率图像进行配准和超分辨率重建。
利用基于特征点的尺度不变特征转换(Scale-invariant feature transform，SIFT)算子对感兴趣点进行识别，识别之后实现低分辨率图像配准，然后利用投影变换矩阵将子图像投影到参考图像空间，组成散射点云，通过插值的方法实现对低分辨率图像的超分辨率重建，得到超分辨率图像。
本发明还公开用于实现上述一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法的一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取系统，包括液体透镜、仿人眼传感器、伺服电机、控制模块和图像处理模块。液体透镜用于调整系统的焦距，使目标在景深范围内呈现清晰像的同时获得视场大小变化的图像。仿人眼传感器用于获取中间高分辨率边缘低分辨率的空间非均匀采样的低分辨率图像。伺服电机用于控制仿人眼传感器的旋转，由于人眼视网膜的旋转不变性，从而能够获得具有水平亚像素位移的低分辨率图像。控制模块用于系统的总体控制，根据输入的超分辨倍率控制液体透镜焦距的变化和伺服电机的旋转，低分辨率图片全部获取后控制图像处理模块开始工作。图像处理模块用于将低分辨率图片在人眼视网膜采样的对数极坐标下进行超分辨率重建，获得超分辨率图像。
有益效果：
1、本发明公开的一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法及系统，利用人眼视网膜的旋转尺度不变性，将图像的旋转和尺度变换转换为对数极坐标中的水平和竖直变换，简化图像配准参量，减少超分辨率重建的复杂度。
2、本发明公开的一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法及系统，利用人眼视网膜的旋转尺度不变性，有利于对超分辨率重建后目标的识别和跟踪。进一步的，利用人眼视网膜传感器中间高分辨率边缘低分辨率成像的优点，还能够进一步提高对超分辨率重建后目标识别和跟踪的速度。
3、本发明公开的一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法及系统，利用人眼视网膜传感器中间高分辨率边缘低分辨率成像的优点，压缩边缘无关区域的信息量，能后减少参与超分辨率重建的数据量，提高超分辨率重建的效率。
附图说明
图1是本发明公开的一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法的工作流程图；
图2是本发明公开的一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取系统的系统结构图；
图3视场大小改变后像素位移图，图3(a)为笛卡尔坐标中像素位移图，图3(b)为对数极坐标中像素位移图；
图4仿人眼传感器旋转后像素位移图，图4(a)为笛卡尔坐标中像素位移图，图4(b)为对数极坐标中像素位移图。
其中：1-液体透镜，2-仿人眼传感器，3-伺服电机，4-控制模块，5-图像处理模块。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本实施例公开一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法，工作流程图如图1所示，包括如下步骤：
步骤一：根据输入的超分辨率倍率k，获取低分辨率图像。
根据实际要求输入超分辨率倍率k，控制模块4根据输入的超分辨率倍率值严格控制液体透镜1电流值的变化，从而改变液体透镜1的焦距，使得目标能够在景深范围内呈现清晰图像的同时获得视场大小变化的低分辨率图像。视场大小变化得到的低分辨率图像在笛卡尔坐标中显示为采样点径向方向变化，在对数极坐标中显示为竖直方向变化，获得具有竖直亚像素位移的低分辨率对数极坐标图像，如图3所示。控制模块4根据输入的超分辨率倍率值精密的控制伺服电机3运动，使得仿人眼传感器2发生细小的旋转。仿人眼传感器2的旋转得到的低分辨率图像在笛卡尔坐标中显示为采样点环向变化，在对数极坐标中显示为水平方向变化，即获得具有水平亚像素位移的低分辨率对数极坐标图像，如图4所示。通过竖直亚像素位移和水平亚像素位移的组合变换，获取低分辨率图像。
步骤一具体实现方法为：
根据输入的超分辨率倍率k，控制模块严格控制液体透镜1电流值的变化和伺服电机3的运动，液体透镜1电流值不变，伺服电机3控制仿人眼传感器2旋转使得对数极坐标中所有像素依次水平方向变化n/k个像素，其中n依次取0,1,2,...,k-1，仿人眼传感器2依次旋转变化k次，仿人眼传感器2每次旋转对数极坐标中所有像素水平方向变化1/k个像素，仿人眼传感器2每次旋转后对图片进行采集，共采集k次低分辨率图像。液体透镜1电流值变化使得对数极坐标中所有像素竖直方向变化1/k个像素，伺服电机3控制仿人眼传感器2旋转使得对数极坐标中所有像素依次水平方向变化n/k个像素，其中n依次取0,1,2,...,k-1，仿人眼传感器2依次旋转变化k次，仿人眼传感器2每次旋转对数极坐标中所有像素水平方向变化1/k个像素，仿人眼传感器2每次旋转后对图片进行采集，共采集k次低分辨率图像。以此类推，液体透镜1电流值变化使得对数极坐标中所有像素竖直方向变化n/k个像素，伺服电机3控制仿人眼传感器2旋转使得对数极坐标中所有像素依次水平方向变化n/k个像素，其中n依次取0,1,2,...,k-1，仿人眼传感器2依次旋转变化k次，仿人眼传感器2每次旋转对数极坐标中所有像素水平方向变化1/k个像素，仿人眼传感器2每次旋转后对图片进行采集，共采集k次低分辨率图像。直到调整液体透镜1电流值的变化使得对数极坐标中所有像素竖直方向变化k-1/k个像素时，共获得k*k个具有水平和竖直亚像素位移变换的低分辨率对数极坐标图像，即通过竖直亚像素位移和水平亚像素位移的组合变换，获取低分辨率图像。
步骤二：对步骤一获取的低分辨率图像进行配准和超分辨率重建。
利用基于特征点的尺度不变特征转换(Scale-invariant feature transform，SIFT)算子对感兴趣点进行识别，识别之后实现低分辨率图像配准，然后利用投影变换矩阵将子图像投影到参考图像空间，组成散射点云，通过插值的方法实现对低分辨率图像的超分辨率重建，得到超分辨率图像。
本发明还公开用于实现上述一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法的一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取系统，如图2所示，包括液体透镜1、仿人眼传感器2、伺服电机3、控制模块4和图像处理模块5。液体透镜1用于调整系统的焦距，使目标在景深范围内呈现清晰像的同时获得视场大小变化的图像。仿人眼传感器2用于获取中间高分辨率边缘低分辨率的空间非均匀采样的低分辨率图像。伺服电机3用于控制仿人眼传感器2的旋转，由于人眼视网膜的旋转不变性，从而能够获得具有水平亚像素位移的低分辨率图像。控制模块4用于系统的总体控制，根据输入的超分辨倍率控制液体透镜1焦距的变化和伺服电机3的旋转，低分辨率图片全部获取后控制图像处理模块5开始工作。图像处理模块5用于将低分辨率图片在人眼视网膜采样的对数极坐标下进行超分辨率重建，获得超分辨率图像。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：根据输入的超分辨率倍率k，获取低分辨率图像；
根据实际要求输入超分辨率倍率k，控制模块根据输入的超分辨率倍率值严格控制液体透镜电流值的变化，从而改变液体透镜的焦距，使得目标能够在景深范围内呈现清晰图像的同时获得视场大小变化的低分辨率图像；视场大小变化得到的低分辨率图像在笛卡尔坐标中显示为采样点径向方向变化，在对数极坐标中显示为竖直方向变化，获得具有竖直亚像素位移的低分辨率对数极坐标图像；控制模块根据输入的超分辨率倍率值精密的控制伺服电机运动，使得仿人眼传感器发生细小的旋转；仿人眼传感器的旋转得到的低分辨率图像在笛卡尔坐标中显示为采样点环向变化，在对数极坐标中显示为水平方向变化，即获得具有水平亚像素位移的低分辨率对数极坐标图像；通过竖直亚像素位移和水平亚像素位移的组合变换，获取低分辨率图像；
步骤二：对步骤一获取的低分辨率图像进行配准和超分辨率重建；
利用基于特征点的尺度不变特征转换(Scale-invariant feature transform，SIFT)算子对感兴趣点进行识别，识别之后实现低分辨率图像配准，然后利用投影变换矩阵将子图像投影到参考图像空间，组成散射点云，通过插值的方法实现对低分辨率图像的超分辨率重建，得到超分辨率图像。
2.如权利要求1所述的一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法，其特征在于：步骤一具体实现方法为：
根据输入的超分辨率倍率k，控制模块严格控制液体透镜电流值的变化和伺服电机的运动，液体透镜电流值不变，伺服电机控制仿人眼传感器旋转使得对数极坐标中所有像素依次水平方向变化n/k个像素，其中n依次取0,1,2,...,k-1，仿人眼传感器依次旋转变化k次，仿人眼传感器每次旋转对数极坐标中所有像素水平方向变化1/k个像素，仿人眼传感器每次旋转后对图片进行采集，共采集k次低分辨率图像；液体透镜电流值变化使得对数极坐标中所有像素竖直方向变化1/k个像素，伺服电机控制仿人眼传感器旋转使得对数极坐标中所有像素依次水平方向变化n/k个像素，其中n依次取0,1,2,...,k-1，仿人眼传感器依次旋转变化k次，仿人眼传感器每次旋转对数极坐标中所有像素水平方向变化1/k个像素，仿人眼传感器每次旋转后对图片进行采集，共采集k次低分辨率图像；以此类推，液体透镜电流值变化使得对数极坐标中所有像素竖直方向变化n/k个像素，伺服电机控制仿人眼传感器旋转使得对数极坐标中所有像素依次水平方向变化n/k个像素，其中n依次取0,1,2,...,k-1，仿人眼传感器依次旋转变化k次，仿人眼传感器每次旋转对数极坐标中所有像素水平方向变化1/k个像素，仿人眼传感器每次旋转后对图片进行采集，共采集k次低分辨率图像；直到调整液体透镜电流值的变化使得对数极坐标中所有像素竖直方向变化k-1/k个像素时，共获得k*k个具有水平和竖直亚像素位移变换的低分辨率对数极坐标图像，即通过竖直亚像素位移和水平亚像素位移的组合变换，获取低分辨率图像。
3.用于实现如权利要求1或2所述一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取方法的一种人眼视网膜机理的超分辨率图像获取系统，其特征在于：包括液体透镜、仿人眼传感器、伺服电机、控制模块和图像处理模块；液体透镜用于调整系统的焦距，使目标在景深范围内呈现清晰像的同时获得视场大小变化的图像；仿人眼传感器用于获取中间高分辨率边缘低分辨率的空间非均匀采样的低分辨率图像；伺服电机用于控制仿人眼传感器的旋转，由于人眼视网膜的旋转不变性，从而能够获得具有水平亚像素位移的低分辨率图像；控制模块用于系统的总体控制，根据输入的超分辨倍率控制液体透镜焦距的变化和伺服电机的旋转，低分辨率图片全部获取后控制图像处理模块开始工作；图像处理模块用于将低分辨率图片在人眼视网膜采样的对数极坐标下进行超分辨率重建，获得超分辨率图像。
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