[发明专利]一种基于面阵CMOS光学相机的星上超分辨率重建方法

说明书

一种基于面阵CMOS光学相机的星上超分辨率重建方法，步骤如下：步骤一：通过面阵CMOS探测器获取K幅同一场景多时相待处理的低分辨率图像序列；步骤二：针对非地球同步轨道的光学遥感卫星，依据卫星轨道参数计算偏移像元数P；步骤三：构建退化模型；步骤四：计算得到退化模型参数；步骤五：对感兴趣区域图像进行预处理，包括序列图像配准区域截取和图像去模糊；步骤六：通过图像配准，得到位置错位和几何变形的矩阵；步骤七：利用超分辨率重建算法进行重构；步骤八：对剩余感兴趣区域图像重复步骤六至步骤七，直至完成整幅ROI区域的重构，经图像拼接得到完整超分辨率图像。

技术领域

本发明属于卫星遥感领域，涉及一种基于面阵CMOS光学相机的星上超分辨率重建方法。

背景技术

图像作为获取信息最直接途径，如何提升其所承载信息量一直是重点研究方向，从近年来高分辨率图像的不断更新发展中可见一斑。但在很多领域如遥感、医疗、安防等，图像分辨率的提升往往受到成像传感器的硬件成本、制造工艺和信息传输条件的限制。就光学遥感相机的分辨率而言有两层含义：光学系统的分辨率和探测器的分辨率，也就是说光学遥感相机的空间分辨率受光学系统与探测器的双重约束。最佳的相机设计应该满足以下条件：探测器阵列对光学系统艾利斑(Airy disk)的采样满足奈奎斯特采样定理，然而对于受卫星平台高速运动和图像信噪比等客观因素限制的低轨星载遥感相机而言，目前探测器的工艺水平是无法与光学系统分辨率相匹配的，所以往往星载遥感光学相机是探测器分辨率受限的系统。在航天遥感领域，最直接提高分辨率的方法就是加大光学系统口径和提高CCD/CMOS阵列密度来实现，一方面，增加光学系统口径就必然带来成像设备体积和重量的增加，这对体积、功耗、重量要求苛刻的遥感卫星来说尤为艰难；另一方面，提高CCD或CMOS的密度，即减小每个感光单元尺寸，然而当CCD或CMOS的感光单元小到一定程度时，图像的质量将开始下降，这是因为随着感光单元的减小，在曝光过程中，每个感光单元所收集到的光子会被热噪声所掩盖。而且一旦发射，卫星的成像设备就很难更新，因此如何利用已有的低分辨率图像获取更多的高频信息，即遥感图像超分辨率重建问题成为研究重点。

超分辨率重建方法分为基于单帧图像重建和基于多帧图像重建两种方式。基于单帧图像的超分辨率方法只有目标区域的一幅图像，通过插值、重构和学习等方法重建出高分辨率图像；基于多帧图像的超分辨率方法获取相对运动关系已知或可以求解的多张图像，利用图像中包含的采样信息构建重叠区域的高分辨率细节，即利用多时相、同一场景的低分辨率遥感图像采用后处理的方式重建出高分辨率图像的技术。目前，超分辨率重建技术在遥感领域尚未达到实用化阶段，且多采用基于单帧图像重建的方式，这是由于早期发射的遥感载荷多为线阵CCD探测器，且轨道高度较低，卫星很难在一次过境时获取同一场景多时相的图像，能够获取的同一场景多时相图像间时间间隔较长，导致地物场景发生变化无法准确进行超分辨率重建。然而随着高分四号的发射，面阵CMOS探测器作为遥感载荷已开始日渐发展，并使短时获取同一场景多时相数据成为可能，因此基于多帧图像的超分辨率重建技术优势凸显。并且，基于单帧图像的超分辨率技术，因插值方式效果较差，故而多采用字典训练方式重建，需获得高、低分辨率的图像作为训练图像，这对于遥感数据来说较难实现，且从数学角度仅利用单帧图像重建可以看成退化图像的求逆过程，是病态求逆过程，在实际应用中无法得到理想结果，相比之下，利用面阵CMOS获取多帧图像进行超分辨率重建，能够获得更丰富的图像信息，取得良好重建效果。然而此方面尚未有可以星上应用的解决方案。

另一方面，图像的信噪比是考量图像质量的一个重要指标。图像的信噪比与相机的曝光时间息息相关，在同样的轨道高度和同样太阳高度角的前提下，曝光时间越短，信噪比越低，这也是为什么线阵CCD相机一般都采用TDI(延迟积分)的工作模式。CCD相机的TDI是电荷在传感器内部进行累加的过程，通常采取模拟电路实现，因此称之为模拟TDI技术。模拟TDI传感器进行时间延迟积分时，串行扫过同一景物形成的电荷是在传感器内部进行累加，然后经由读出电路读出后，在后端信息处理电路中进行差分放大和数字量化。而针对面阵CMOS相机来说，由于曝光时间应严格小于相机的相对地速且无法采用原始物理结构的TDI工作模式，因而获取的图像信噪比较低。

发明内容