CN109246343A - 一种获取过采样图像的方法 - Google Patents

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Abstract

一种获取过采样图像的方法，涉及面阵CMOS或CCD相机分辨率提升技术领域；包括如下步骤：步骤一、建立水平放置的L型半反射半透射棱镜组；步骤二、在L型棱镜组的一侧放置镜头；在L型棱镜组的对应位置放置第一面阵器、第二面阵器、第三面阵器和第四面阵器；步骤三、四个面阵器对同一对象同时曝光成像，均生成M×N个像元数的图像；其中第一面阵器生成第一图像；第二面阵器生成第二图像；第三面阵器生成第三图像；第四面阵器生成第四图像；步骤四、设定网格，将4个图像均嵌入设定网格中，即获取像元数为单个面阵器像元数2倍的过采样图像；本发明提升采用频率、获取过采样图像，然后进行超分辨率重建处理，最终提高分辨率。

Description

一种获取过采样图像的方法
技术领域
本发明涉及一种面阵CMOS或CCD相机分辨率提升技术领域，特别是一种获取过采样图像的方法。
背景技术
光电成像系统通常为典型的光学-离散采样成像系统，一般提高分辨力在设计上可采用增加成像系统物镜的焦距、增加探测器阵列的规模、减小探测器单元的几何尺寸并提高探测器的占空比等技术途径。在探测器和光学系统限制下，提高成像系统分辨率的图像数据处理有效方法具有较大实用价值。
减小探测器单元的几何尺寸图像的信噪比也随之下降，增大探测器单元的几何尺寸则光学系统和相机体积增大。因此，需要提供一种不增加探测器单元的几何尺寸、不增加光学系统体积的情况下，提升相机分辨率的方法。
采用多探测器通过分光拼接或机械拼接方式提升相机分辨率，备受国内外关注。基于线阵器件的亚像元成像，在遥感领域较为成功应用如SPOT5卫星、德国宇航中心研制的红外遥感器HSRS(Hot Spot Recognition Sensors)等。采用面阵器件亚像元成像提高分辨率，在航空遥感和航天遥感中具有诸多限制，如专利201210571279.X提出的一种地球静止轨道卫星平台面阵凝视相机分辨率提升方法需采用四个小幅面高速相机和压电陶瓷驱动等进行分辨率提升，存在亚像素位移判断和相机驱动等问题，不利于航空遥感或航天静止轨道以外的轨道运动环境。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种获取过采样图像的方法，提升了采用频率、获取过采样图像，然后进行超分辨率重建处理，最终提高分辨率。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种获取过采样图像的方法，包括如下步骤：
步骤一、建立水平放置的L型半反射半透射棱镜组；
步骤二、在L型棱镜组的一侧放置镜头；在L型棱镜组的对应位置放置第一面阵器、第二面阵器、第三面阵器和第四面阵器；
步骤三、四个面阵器对同一对象同时曝光成像，均生成M×N个像元数的图像；M为像元的行数，M为不小于1的正整数；N为像元的列数，N为不小于1的正整数；其中第一面阵器生成第一图像；第二面阵器生成第二图像；第三面阵器生成第三图像；第四面阵器生成第四图像；
步骤四、设定网格，将第一图像、第二图像、第三图像和第四图像均嵌入设定网格中，即获取像元数为单个面阵器像元数2倍的过采样图像。
在上述的一种获取过采样图像的方法，所述的步骤一中，半反半透棱镜组的建立方法为：
选取第一直角三棱柱体棱镜、第二直角三棱柱体棱镜、第三直角三棱柱体棱镜和平行四面体棱镜；第一直角三棱柱体棱镜的斜壁与平行四面体棱镜其中一个斜壁对接；第三直角三棱柱体棱镜的其中一个直角边与平行四面体棱镜另一个斜壁对接；第二直角三棱柱体棱镜的斜边与第三直角三棱柱体棱镜的另一个直角边对接。
在上述的一种获取过采样图像的方法，所述的步骤一中，第一直角三棱柱体棱镜与第二直角三棱柱体棱镜相同；第三直角三棱柱体棱镜的体积为第一直角三棱柱体棱镜的2倍；平行四面体棱镜的体积为第一直角三棱柱体棱镜的2倍；且第一直角三棱柱体棱镜、第二直角三棱柱体棱镜、第三直角三棱柱体棱镜和平行四面体棱镜材料相同；且4个棱镜的对接面均镀膜，实现对外部光线的半反射半透射。
在上述的一种获取过采样图像的方法，所述的步骤二中，镜头及4个面阵器的放置方法为：
镜头放置在平行四面体棱镜的竖直外侧壁处；且镜头与平行四面体棱镜的竖直外侧壁平行；第一面阵器放置在第三直角三棱柱体棱镜斜边处；第一面阵器与第二直角三棱柱体棱镜的直角边相对；第一面阵器与第三直角三棱柱体棱镜斜边平行；第二面阵器放置在镜头的对面，且第二面阵器与第二直角三棱柱体棱镜的外侧壁平行；第三面阵器放置在平行四面体棱镜的竖直内侧壁处，且第三面阵器与平行四面体棱镜的竖直内侧壁平行；第四面阵器放置在第一直角三棱柱体棱镜的竖直外侧壁处；第四面阵器与第一直角三棱柱体棱镜的竖直外侧壁平行，且第四面阵器与第三面阵器相邻。
在上述的一种获取过采样图像的方法，所述的步骤二中，第一面阵器与第三直角三棱柱体棱镜的距离、第二面阵器与第二直角三棱柱体棱镜的距离、第三面阵器与平行四面体棱镜的距离、第四面阵器与第一直角三棱柱体棱镜的距离均为镜头的定焦成像位置；且第一面阵器、第二面阵器、第三面阵器和第四面阵器的像元的分布均相同，像元个数均为M×N个；M为像元的行数，M为不小于1的正整数；N为像元的列数，N为不小于1的正整数；每个像元均为相同矩形结构，像元长为a，像元高为b；a＞0，b＞0。
在上述的一种获取过采样图像的方法，所述的步骤二中，第一面阵器放置在标准成像处；第二面阵器放置在标准成像处水平向右平移0.5a的位置；第三面阵器放置在标准成像处水平向右平移0.5a、竖直向下平移0.5b的位置；第四面阵器放置在标准成像处竖直向下平移0.5b的位置。
在上述的一种获取过采样图像的方法，所述的步骤四中，所述设定网格为为矩形网格，网格的行数为2M，网格的列数为2N。
在上述的一种获取过采样图像的方法，所述的步骤四中，将第一图像、第二图像、第三图像和第四图像均嵌入设定网格中的方法为：
将第一图像的M×N个像元中的第(i，j)个像元放置在设定网格的(2i-1，2j-1)网格中；将第二图像的M×N个像元中的第(i，j)个像元放置在设定网格的(2i-1，2j)网格中；将第三图像的M×N个像元中的第(i，j)个像元放置在设定网格中的(2i，2j)网格里；将第四图像的M×N个像元中的第(i，j)个像元放置在设定网格中的(2i，2j-1)网格里；i为M×N个像元的第i行；j为M×N个像元的第j列；1≤i≤M，且i为正整数；1≤j≤M，且j为正整数。
在上述的一种获取过采样图像的方法，所述过采样图像输出像元数为单个面阵器输出像元数的4倍。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明在探测器像元尺寸不变(信噪比不变)、探测器像面大小不变(光学系统像面大小不变，光学系统体积不变)下，牺牲面阵器件数量，通过四个低分辨率器件实现高像素数相机；
(2)本发明相机过采样图像输出像元数为单器件4倍，超分处理后像元分辨率与单器件比较可提升约1.7倍；
(3)本发明节约了入射能量和器件数量，时间分辨率不变情况下，提高空间分辨率，使得细节信息增加，极大的降低了成本。
附图说明
图1为本发明过采样图像设备放置俯视图；
图2为本发明过采样图像示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供一种获取过采样图像的方法，采用四个相同面阵器件和多棱镜分光方式、在装调中保证面阵器件间的亚像元偏移，提升采用频率、获取过采样图像，然后进行超分辨率重建处理，最终提高分辨率。
如图1所示为过采样图像设备放置俯视图，由图可知，一种获取过采样图像的方法，包括如下步骤：
步骤一、建立水平放置的L型半反射半透射棱镜组；
半反半透棱镜组的建立方法为：
选取第一直角三棱柱体棱镜1、第二直角三棱柱体棱镜2、第三直角三棱柱体棱镜3和平行四面体棱镜4；第一直角三棱柱体棱镜1的斜壁与平行四面体棱镜4其中一个斜壁对接；第三直角三棱柱体棱镜3的其中一个直角边与平行四面体棱镜4另一个斜壁对接；第二直角三棱柱体棱镜2的斜边与第三直角三棱柱体棱镜3的另一个直角边对接。第一直角三棱柱体棱镜1与第二直角三棱柱体棱镜2相同；第三直角三棱柱体棱镜3的体积为第一直角三棱柱体棱镜1的2倍；平行四面体棱镜4的体积为第一直角三棱柱体棱镜1的2倍；且第一直角三棱柱体棱镜1、第二直角三棱柱体棱镜2、第三直角三棱柱体棱镜3和平行四面体棱镜4材料相同；且4个棱镜的对接面均镀膜，实现对外部光线的半反射半透射。
步骤二、在L型棱镜组的一侧放置镜头5；在L型棱镜组的对应位置放置第一面阵器6、第二面阵器7、第三面阵器8和第四面阵器9；
镜头5及4个面阵器的放置方法为：
镜头5放置在平行四面体棱镜4的竖直外侧壁处；且镜头5与平行四面体棱镜4的竖直外侧壁平行；第一面阵器6放置在第三直角三棱柱体棱镜3斜边处；第一面阵器6与第二直角三棱柱体棱镜2的直角边相对；第一面阵器6与第三直角三棱柱体棱镜3斜边平行；第二面阵器7放置在镜头5的对面，且第二面阵器7与第二直角三棱柱体棱镜2的外侧壁平行；第三面阵器8放置在平行四面体棱镜4的竖直内侧壁处，且第三面阵器8与平行四面体棱镜4的竖直内侧壁平行；第四面阵器9放置在第一直角三棱柱体棱镜1的竖直外侧壁处；第四面阵器9与第一直角三棱柱体棱镜1的竖直外侧壁平行，且第四面阵器9与第三面阵器8相邻。
第一面阵器6与第三直角三棱柱体棱镜3的距离、第二面阵器7与第二直角三棱柱体棱镜2的距离、第三面阵器8与平行四面体棱镜4的距离、第四面阵器9与第一直角三棱柱体棱镜1的距离均为镜头5的定焦成像位置；且第一面阵器6、第二面阵器7、第三面阵器8和第四面阵器9的像元的分布均相同，像元个数均为M×N个；M为像元的行数，M为不小于1的正整数；N为像元的列数，N为不小于1的正整数；每个像元均为相同矩形结构，像元长为a，像元高为b；a＞0，b＞0。
其中，第一面阵器6放置在标准成像处；第二面阵器7放置在标准成像处水平向右平移0.5a的位置；第三面阵器8放置在标准成像处水平向右平移0.5a、竖直向下平移0.5b的位置；第四面阵器9放置在标准成像处竖直向下平移0.5b的位置。
步骤三、四个面阵器对同一对象同时曝光成像，均生成M×N个像元数的图像；M为像元的行数，M为不小于1的正整数；N为像元的列数，N为不小于1的正整数；其中第一面阵器6生成第一图像；第二面阵器7生成第二图像；第三面阵器8生成第三图像；第四面阵器9生成第四图像；
步骤四、设定网格，所述设定网格为矩形网格，网格的行数为2M，网格的列数为2N。将第一图像、第二图像、第三图像和第四图像均嵌入设定网格中。
将第一图像、第二图像、第三图像和第四图像均嵌入设定网格中的方法为：
将第一图像的M×N个像元中的第(i，j)个像元放置在设定网格的(2i-1，2j-1)网格中；将第二图像的M×N个像元中的第(i，j)个像元放置在设定网格的(2i-1，2j)网格中；将第三图像的M×N个像元中的第(i，j)个像元放置在设定网格中的(2i，2j)网格里；将第四图像的M×N个像元中的第(i，j)个像元放置在设定网格中的(2i，2j-1)网格里；i为M×N个像元的第i行；j为M×N个像元的第j列；1≤i≤M，且i为正整数；1≤j≤M，且j为正整数。
即获取像元数为单个面阵器像元数2倍的过采样图像；如图2所示为过采样图像示意图，由图可知，令第一图像中的像元用正方形图形表示；第二图像中的像元用五角星表示；第三图像中的像元用三角形图形表示；第四图像中的像元用圆形图形表示；四个图像在设定网格中的分布规律如图2所示；则最终获得的过采样图像输出像元数为单个面阵器输出像元数的4倍，超分处理后像元分辨率与单器件比较可提升约1.7倍。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种获取过采样图像的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、建立水平放置的L型半反射半透射棱镜组；
步骤二、在L型棱镜组的一侧放置镜头(5)；在L型棱镜组的对应位置放置第一面阵器(6)、第二面阵器(7)、第三面阵器(8)和第四面阵器(9)；
步骤三、四个面阵器对同一对象同时曝光成像，均生成M×N个像元数的图像；M为像元的行数，M为不小于1的正整数；N为像元的列数，N为不小于1的正整数；其中第一面阵器(6)生成第一图像；第二面阵器(7)生成第二图像；第三面阵器(8)生成第三图像；第四面阵器(9)生成第四图像；
步骤四、设定网格，将第一图像、第二图像、第三图像和第四图像均嵌入设定网格中，即获取像元数为单个面阵器像元数2倍的过采样图像。
2.根据权利要求1所述的一种获取过采样图像的方法，其特征在于：所述的步骤一中，半反半透棱镜组的建立方法为：
选取第一直角三棱柱体棱镜(1)、第二直角三棱柱体棱镜(2)、第三直角三棱柱体棱镜(3)和平行四面体棱镜(4)；第一直角三棱柱体棱镜(1)的斜壁与平行四面体棱镜(4)其中一个斜壁对接；第三直角三棱柱体棱镜(3)的其中一个直角边与平行四面体棱镜(4)另一个斜壁对接；第二直角三棱柱体棱镜(2)的斜边与第三直角三棱柱体棱镜(3)的另一个直角边对接。
3.根据权利要求2所述的一种获取过采样图像的方法，其特征在于：所述的步骤一中，第一直角三棱柱体棱镜(1)与第二直角三棱柱体棱镜(2)相同；第三直角三棱柱体棱镜(3)的体积为第一直角三棱柱体棱镜(1)的2倍；平行四面体棱镜(4)的体积为第一直角三棱柱体棱镜(1)的2倍；且第一直角三棱柱体棱镜(1)、第二直角三棱柱体棱镜(2)、第三直角三棱柱体棱镜(3)和平行四面体棱镜(4)材料相同；且4个棱镜的对接面均镀膜，实现对外部光线的半反射半透射。
4.根据权利要求3所述的一种获取过采样图像的方法，其特征在于：所述的步骤二中，镜头(5)及4个面阵器的放置方法为：
镜头(5)放置在平行四面体棱镜(4)的竖直外侧壁处；且镜头(5)与平行四面体棱镜(4)的竖直外侧壁平行；第一面阵器(6)放置在第三直角三棱柱体棱镜(3)斜边处；第一面阵器(6)与第二直角三棱柱体棱镜(2)的直角边相对；第一面阵器(6)与第三直角三棱柱体棱镜(3)斜边平行；第二面阵器(7)放置在镜头(5)的对面，且第二面阵器(7)与第二直角三棱柱体棱镜(2)的外侧壁平行；第三面阵器(8)放置在平行四面体棱镜(4)的竖直内侧壁处，且第三面阵器(8)与平行四面体棱镜(4)的竖直内侧壁平行；第四面阵器(9)放置在第一直角三棱柱体棱镜(1)的竖直外侧壁处；第四面阵器(9)与第一直角三棱柱体棱镜(1)的竖直外侧壁平行，且第四面阵器(9)与第三面阵器(8)相邻。
5.根据权利要求4所述的一种获取过采样图像的方法，其特征在于：所述的步骤二中，第一面阵器(6)与第三直角三棱柱体棱镜(3)的距离、第二面阵器(7)与第二直角三棱柱体棱镜(2)的距离、第三面阵器(8)与平行四面体棱镜(4)的距离、第四面阵器(9)与第一直角三棱柱体棱镜(1)的距离均为镜头(5)的定焦成像位置；且第一面阵器(6)、第二面阵器(7)、第三面阵器(8)和第四面阵器(9)的像元的分布均相同，像元个数均为M×N个；M为像元的行数，M为不小于1的正整数；N为像元的列数，N为不小于1的正整数；每个像元均为相同矩形结构，像元长为a，像元高为b；a＞0，b＞0。
6.根据权利要求5所述的一种获取过采样图像的方法，其特征在于：所述的步骤二中，第一面阵器(6)放置在标准成像处；第二面阵器(7)放置在标准成像处水平向右平移0.5a的位置；第三面阵器(8)放置在标准成像处水平向右平移0.5a、竖直向下平移0.5b的位置；第四面阵器(9)放置在标准成像处竖直向下平移0.5b的位置。
7.根据权利要求6所述的一种获取过采样图像的方法，其特征在于：所述的步骤四中，所述设定网格为矩形网格，网格的行数为2M，网格的列数为2N。
8.根据权利要求7所述的一种获取过采样图像的方法，其特征在于：所述的步骤四中，将第一图像、第二图像、第三图像和第四图像均嵌入设定网格中的方法为：
将第一图像的M×N个像元中的第(i，j)个像元放置在设定网格的(2i-1，2j-1)网格中；将第二图像的M×N个像元中的第(i，j)个像元放置在设定网格的(2i-1，2j)网格中；将第三图像的M×N个像元中的第(i，j)个像元放置在设定网格中的(2i，2j)网格里；将第四图像的M×N个像元中的第(i，j)个像元放置在设定网格中的(2i，2j-1)网格里；i为M×N个像元的第i行；j为M×N个像元的第j列；1≤i≤M，且i为正整数；1≤j≤M，且j为正整数。
9.根据权利要求1-8之一所述的一种获取过采样图像的方法，其特征在于：所述过采样图像输出像元数为单个面阵器输出像元数的4倍。
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