[发明专利]利用已知背景的独特数字成像方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及数字成像。更具体而言，本发明涉及一种用于增加使用数字图像传感器可以实现的分辨率的方法。具体而言，利用数字图像传感器和已知背景上样本集合之间的相对移动以允许计算并复制具有的分辨率高于图像传感器的分辨率的图像。

背景技术

数字技术已经成为用于科学，媒体和娱乐应用的成像的主导形式。电荷耦合设备(CCD)和互补型金属氧化物(CMOS)传感器自从20世纪70年代已可被利用；然而，由于像素尺寸、色彩深度和空间分辨率上的限制，有必要利用创造性的装置以改进分辨率。已经进行了多项努力以去除噪音并平滑边缘。随着包含数学抽象的曲线拟合算法，改进了图像的可视化。用于子像素化的技术是在分辨率改进中的重要步骤，特别是对于诸如高清晰度电视和视频的常用技术。

于1992年提交的美国专利No.5,251,037描述了利用微处理器以便处理来自CCD的多幅图像的能力。该方法通过控制曝光并同时移动具有独立CCD的摄像机实现高分辨率。

在由Telkap等于1992年发表的论文“High Resloution ImageReconstruction From Lower-Resolution Image Sequences and Space-VaryingImage Restoration”中的工作展示了通过使用傅里叶变换如何评价像素值的频率并减少噪音。虽然这在实现分辨率改进方面是一项重要的步骤，但在没有高密度CCD的帮助下，插入改进了图像而不是整体分辨率。

标题为“IEEE Transaction on Image Processing，VOL.5，NO.6，JUNE1996”的技术论文进一步描述了该类型的改进。其中模糊像素以便提供平滑曲线并避免混叠的处理帮助数字视频在空间上变得更加有吸引力。

已提出多种方法用于获取多幅图像(诸如电影中所用的30帧/秒)和大多数视频，并通过利用数学装置填充在像素之间的未知领域以便获得优于由屏幕或摄像机规格确定的图像。虽然该操作经常被称为子像素化，但并不能直接提供观察尺寸小于一个像素的对象的方法，而是或根据趋势外推或重叠已知值。

子像素化的示例如美国公开专利申请No.2007/0171284A1所述。样本被聚焦在成像器上，并连续获取多幅图像，以小于像素尺寸的距离相对于成像器移动样本。无论何时观察到颜色上的差异(即，红、蓝或绿值之一的改变)都利用平均化方法以获得像素之间的平滑过渡。

用于子像素化的现有技术已通过移动方向的精确确定描述，该精确确定以允许边缘检测和插入的方式切片像素以创建超分辨率图像。通过诸如曲线拟合、抖动和仿真的数字处理技术，可以对子像素指定像素值，而不是经获取的图像的较大像素。来自专利文献的示例可以在公开文件US2009/0028464看出。对于之前示例，由于增加的梯度子像素化产生更高的分辨率图像。

美国公开专利申请No.2006/0133641公开了通过评价强度整体移动中的改变获取子像素分辨率的方法。这类似于上述专利，但考虑z方向移动(向着或远离成像器的移动)。本发明利用三个维度的平均化，以便创建高级的二维最终图像。

已知高分辨率外推技术在由Borman于1998年4月5日在1998年期刊Midwest Symposium on Circuits and Systems中的“Super Resolution for ImageSequences-A Review”中详细描述。该深度论文描述了利用各种统计函数以实现经改进的最终图像的各种方法。对Markov链和其他复杂技术进行了成功描述，然而没有提供方法用于直接跟踪单个子像素或直接求解子像素值。

在纳米显微领域，Putman的美国专利申请No.2009/0028463描述了通过样本相对于成像器的压电纳米移动确定并映射子像素位置的方法。通过以小于给定像素的已知距离移动，可以确定并记录单个子像素的位置。如果随着确定的位置，可以采用统计函数(诸如中间、最大值或最小值)以及获得子像素分辨率。该方法仍需要统计近似而不是直接求解子像素，本专利将对其进行描述。

由于传感器上日益增加的像素数量以及增加的处理器速度，允许微观和宏观范围上的更明显更清晰的图像，因此所有这些都是可能的，并已在专利文献中进行探讨。压电转换阶段使得以小于像素的距离移动成为可能。即使当CCD和CMOS传感器上的像素尺寸和密度增加，本发明使得继续子像素化成为可能。分析并重建图像的独特算法更高效地通过子像素化进行数字静止和视频摄影。