基于亚像元CCD几何超分辨方法研究

摘要:为了在现有CCD像元尺寸的基础上提高CCD像元分辨力,对CCD几何超分辨问题进行了研究。从研究现状入手,给出了现有算法及其存在的不足,建立了亚像元超分辨成像数学模型,提出了基于亚像元的CCD几何超分辨方法：两片线阵CCD集成在同一器件中,在线阵方向上错开半个像元,同时读出时间减半,最终交织重组图像数据,以合成高分辨率图像。利用MATLAB7.0.1软件对双线性插值方法及亚像元成像方法进行了仿真,并定性定量地比较两种方法的效果。结果显示：亚像元方法合成图像分辨率约为低分辨率图像的2倍,且PSNR比双线性插值图像高0.2dB。该方法可以实时合成高分辨率图像,显著地减轻欠采样引起的图像模糊。     

利用异形像元探测器的超分辨成像方法

随着光学成像全面进入光电数字成像时代,大多数成像系统的空间分辨率受限于探测器,所以提高探测器分辨率成为高分辨光电成像系统中的核心问题。而探测器的低分辨率主要是由于低采样频率和像元感光区的孔径效应而造成。最直接的解决方法就是减小像元尺寸,但会降低其他性能参数;针对最主要的限制因素——采样频率不足,目前多采用基于过采样原理的超分辨重建技术,通过提高探测器采样的频率来提高探测器的空间分辨率,但是其提升效果受到像元孔径效应的制约。为了进一步提高探测器受限的成像系统的空间分辨率,提出一种基于异形像元探测器的超分辨成像方法,将两列线阵异形像元探测器亚像元推扫实现像元细分,然后利用两列探测器所输出的灰度矩阵信息,重建出最终的高分辨图像。并分别通过理论评估和具体实验两方面验证该方法可以同时提高探测器的采样频率和截止频率,拓展带宽,从而实现高分辨率的目的。     

CCD数字像元的合并方法及其应用

星载差分吸收光谱仪中的科学级帧转移型电荷耦合器件(CCD)通常使用四行像元合并(4-Binning)方法提升载荷的信噪比,但该方法仅能工作在目标光强较弱的环境。为使载荷适应目标光线较强的环境,设计了数字像元合并方法(4-AVR)来提升载荷的探测能力。考虑相对常规的4-Binning方法,4-AVR方法会产生CCD信号衰减现象,故对这一现象进行了理论分析,得到由于CCD读出速率导致的信号衰减系数为0.699。在实验室搭建了测试装置,验证了上述结果,结果表明,4-AVR方法下获取的CCD像素值相对于4-Binning方法获取的像素值的衰减系数为0.698,从而证实了理论分析的正确性。实验显示,使用这一系数可完成对4-AVR方式下获取的像素值的校正,从而实现两种方法的无差别化。将校正方法作为载荷一级数据处理的一部分,进行了大气痕量气体的反演测试。结果表明数字像元合并方法可保证大气痕量气体的反演精度,进一步验证了数字像元合并方法的可靠性。     

基于自学习局部线性嵌入的多幅亚像元超分辨成像

研究了软硬件相结合的亚像元超分辨成像技术。首先通过探测器扫描获得同一场景彼此错位亚像元像素的多帧图像作为训练样本和输入图像;然后针对传统的局部线性嵌入(LLE)实例学习超分辨算法过于依赖外部训练样本,不利于光电成像系统直接处理等缺点,提出了一种基于自学习的改进LLE算法;采用新的LLE权值计算方法获得正数权值,同时对初始估计再次运用自学习LLE方法恢复丢失的高频细节信息。仿真实验结果表明,该算法重构的图像的信噪比比传统LLE超分辨算法提高了0.8dB,运行时间提高了75%,视觉上可感知重构图像的细节信息更丰富。与其它方法相比,用搭载的微位移实验平台运行本文算法所获得重构图像的信噪比和信息熵都有很大提高,表明本文算法能获得高质量和高分辨率的重构图像。     

利用异形像元探测器提高空间分辨率

为了解决光电系统成像中探测器分辨率低的问题,针对造成探测器分辨率低的两大主要因素-采样率不足及感光区域的低通滤波效应,提出一种基于异形像元探测器的超分辨成像方法.综合现有的超分辨重建技术和减少像元尺寸方法的优缺点,将现有的探测器矩形像元逐一"变形",去除同一位置1/4象限;利用该异形像元探测器阵列获取一序列相互错位1/2像元的欠采样图像;最后利用图像算法计算出这些图像的灰度矩阵信息,重建最终的高分辨图像.该方法可同时提高探测器的采样频率和截止频率,拓展带宽,从而实现高分辨率成像.为了验证该方法的有效性,在试验中选取填充因子100%的46 μm×46 μm中波红外探测器,利用焦距为6 000 mm、口径为600 mm的红外平行光管和焦距为50 mm的中波红外镜头成像,如果不采用任何技术,物方分辨率为11.04 mm;过采样技术可将分辨率提高1.60倍,物方分辨率为6.9 mm;而采用异形像元探测器超分辨成像方法,在试验中将每个像元都抠掉23 μm×23 μm后, 物方分辨率为3.1 mm.     

一种实现CCD亚像元位移分辨率的新方法

基于 CCD子窗口内四个像限的光积分量随目标位置而变化的机理 ,可从摄取的 CCD数字图像提取目标的位移信号 ,本文提出一种新的方法可实现目标位移探测的亚像元分辨率。理论及实验结果表明 ,对于直径为 1μm的球体而言 ,在± 40 0 nm的范围内 ,光积分量的变化同球体的位移关系具有良好的线性度。物方和像方位移分辨率分别可达 1nm和 1/ 3 0个像元宽度 ,可满足光镊系统位移测量要求。     

光学掩模实现几何超分辨成像的仿真

将基于实际CCD模型的频谱编码方法引入光电成像系统,以克服CCD对空间分辨率的限制,实现几何超分辨成像。介绍了光学掩模实现几何超分辨成像的工作原理,基于实际的CCD模型在4f成像系统的频谱面上放置光学编码掩模来提高图像分辨率。对该成像系统模型进行了数学分析,从理论上证明了这种基于实际CCD模型的频谱编码方法的有效性。根据建立的理论完成了基于一维光学编码掩模方法的仿真实验。仿真结果表明:提出的方法能实现几何超分辨成像,解决了光电成像系统中因CCD欠采样造成的物频谱混叠和因像素尺寸非零而造成的低通效应问题。与传统的超分辨方法相比,该方法的系统结构简单、易实现。     

空间相机焦平面CCD交错拼接重叠像元数计算

针对大视场空间相机焦平面采用的多片CCD交错拼接,提出了一种适用于多种姿态模式的重叠像元数解析计算方法,以保证空间相机成像视场中不出现漏缝。分析了CCD交错拼接的成像特性和产生漏缝的原因;基于空间坐标系变换和中心投影共线方程建立了重叠像元数计算模型,对像点、相机摄像中心、地面景物点建立动态数学关系,通过追踪像点在像面上的运动轨迹计算了拼接缝像元重叠情况。结合实际工程样例,计算和分析了空间相机机动角度、星下点纬度、视场位置等因素对重叠像元数的影响,并将各工况下计算的最多漏像元数作为最终拼接量。结果表明:重叠像元数理论误差小于1pixel;对比侧摆,俯仰成像时所需拼接像元数更多;该计算模型可扩展应用于其他类型空间相机在任何姿态模式下的重叠像元数计算。     

基于3线阵探测器的亚像元成像超分辨率重构

虽然增加探测器的时间和空间采样频率可以提高亚像元成像系统空间分辨率,但探测器采集到的数据易发生混叠,使重构得到的图像的分辨率无法达到理想值。本文以3片线阵探测器亚像元成像为基础,提出一种超分辨率重构算法。首先,在高分辨率网格上建立插值模型;然后,辨识插值重构图像在线阵列方向和扫描方向的模糊核,得到整幅图像的模糊核;最后,采用带有Neumman边界条件的梯度平滑正则化模型去除模糊,抑制振铃效应。实验结果表明,该算法使亚像元成像系统分辨率为单线阵探测器无过采样成像系统分辨率的2.6倍;与双线性插值法相比,平均灰度等级(GMG)提高了7.71。该算法可以进一步实现对更多片线阵探测器亚像元成像的超分辨率重构,获取更高的系统分辨率。     

多光谱 CCD 相机几何标定技术研究

多光谱CCD相机的技术特点是利用不同遥感谱段获得同一目标图像,通过不同谱段图像的组合,获取地物目标的物理特性。为了使多光谱CCD相机同时还具备测绘功能,能对获取的地物目标进行精确定位,发射前需要在实验室对多光谱CCD相机的几何参数进行精确标定。多光谱CCD相机几何标定是相机研制过程中的关键环节,是确定相机在惯性坐标系中姿态的必不可少的关键技术。本文着重介绍了多光谱CCD相机几何标定设备、标定方法和标定精度。多次标定结果表明：主距的标定精度优于10μm （1σ）,主点的标定精度优于2.1μm （1σ）,畸变的标定精度优于1.5μm （1σ）,满足多光谱CCD相机几何标定精度的要求。     

应用面阵CCD的优化光点定位方法

传统的灰度重心法是一种用于对称目标的亚像素定位算法,其计算精度不高而且抗噪声性能较差.提出一种隔离算法,将其边缘像素分离,然后对内部像素灰度进行均值化,从而有效抑制内部像素噪声.同时,利用数据误差理论对这种算法的误差进行分析.最后,通过基于大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)标定实验,验证了这种算法的正确性,并表明优化算法有较好的噪声抑制性能.     

基于CCD的在线厚度测量方法研究

基于光学三角法的测量原理,采用CCD作为光电转换器件,根据成像于CCD上的像点的位移变化来实现物体厚度或微位移变化的测量方法,具有高精度、高灵敏度等优点.该方法能够实现在线动态检测和非接触测量.     

精密测角法的线阵CCD相机几何 参数实验室标定方法

建立了线阵CCD相机几何参数标定系统,对该标定方案所用的设备、实验条件、基于精密测角法的算法和精度进行研究。根据标定精度要求,确定了实验室主要测试设备和环境条件。利用高精度二维转台和CCD细分技术测得被标定系统的一系列视场角和对应像高。最后,利用建立的数学模型,应用最小二乘回归的方法,求得相机几何参数。误差分析结果表明:该方法对主距主点的标定精度可以达到μm级,相对畸变的标定精度可以优于1×10^-4。该方法可以满足线阵相机的高精度几何标定要求,具有较高的实际应用价值。     

彩色CCD比色测温的修正方法

基于彩色CCD图像传感器的非接触式温度检测是一种新颖的高温检测方法,减少其测量误差具有重要意义.在介绍CCD测温原理的基础上,提出了标定修正的CCD比色测温方法,将CCD响应特性曲线的非理想性和信号转换等因素引入的测温误差归结到比色测温公式的K值中,再利用黑体炉对K值进行标定修正.实验结果表明,标定修正的CCD比色测温方法能有效减小测温误差,提高测温精度.     

一种基于位形空间理论的几何建模方法

基于李群李代数的位形空间理论，给出了常见特征的位形空间与基于特征原型位形表示的零件几何建模方法，建立了装配设计定位的数学模型，提出了基于零件几何模型及其位形表示的装配几何模型的建模方法。     

基于CCD相机的礼花弹燃烧时间测量方法

礼花弹燃烧时间是指其升空后,从炸开到熄灭的全部时间。为了实现对该参数的测量,从光电检测方面入手,提出了一种基于CCD相机的礼花弹燃烧时间精确测量方法,通过处理采集的视频图像,统计出含有目标图像的帧数,根据CCD相机帧频计算出时间,实现了礼花弹燃烧时间的自动化测量。实验表明该测量方法具有测试精度高、操作简单、安全性能好等优点。     

CCD视觉检测系统的整体标定

为了实现粒度分析仪对复合肥粒度分布的准确检测,提出了CCD视觉检测系统的整体标定方法.首先,分析了检测系统的检测精度;对光源进行了伺服控制,以减小光源的不稳定性、不均匀性对视觉检测系统检测精度的影响.然后,确定CCD合适的扫描速度,还原了被检测物体的真实形状.最后,基于直纹曲面理论,通过对不同直径的钢球进行多次标定,获...