[发明专利]基于预放大非负邻域嵌入的单帧图像超分辨重建方法

权利要求书

1.一种基于预放大非负邻域嵌入的单帧图像超分辨重建方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)构建高分辨率训练图像集

(2)对进行模糊和下采样操作得到临时低分辨率图像集

(3)对临时低分辨率图像集预放大2倍得到低分辨率训练图像集具体操作如下：

(a)将临时低分辨率图像集中每幅图像用双立方插值方法预放大2倍得到图像集

(b)基于图像块的非局部相似性，计算图像集中每幅图像的相似像素矢量和相似性权值矢量，矢量变形后转化为非局部权值矩阵W；

(c)分别将图像集中每幅图像作为迭代初值，按如下公式迭代：

X^t+1＝X^t+τ{H^TD^T(Y-DHX^t)-μ(I-W)^T(I-W)X^t}

其中，t表示梯度下降法当前迭代次数；

X^t表示第t次梯度下降法迭代更新的图像；

τ表示梯度下降步长；H表示模糊矩阵；

D表示下采样矩阵；T表示矩阵转置操作；

Y表示中与对应的低分辨率图像；

W表示非局部权值矩阵；

I表示和W大小相同的单位矩阵；

μ表示正则化因子；

逐步迭代更新，最终得到低分辨率训练图像集其中表示第p幅低分辨率训练图像，n表示图像的数量，与是一一对应的；

(4)构建低分辨率训练图像块集

(5)构建高分辨率训练图像块集

(6)读取低分辨率输入图像T_LR，设定需要放大的倍数为3倍，预先将其放大2倍；

(7)构建低分辨率输入图像块集X_T；

(8)根据低分辨率训练图像块集非负邻域嵌入表示输入图像块集X_T，得到重建系数；

(9)输出高分辨率图像T_HR。

2.根据权利要求1所述的一种基于预放大非负邻域嵌入的单帧图像超分辨重建方法，其特征在于：所述步骤(1)具体操作如下：

(a)搜集多幅彩色高分辨率自然图像；

(b)将高分辨率自然图像从红、绿、蓝RGB颜色空间转换到亮度、蓝色色度、红色色度YCbCr颜色空间；

(c)收集所有亮度图像作为高分辨率训练图像集其中表示第p幅高分辨率亮度图像，n表示图像的数量。

3.根据权利要求1所述的一种基于预放大非负邻域嵌入的单帧图像超分辨重建方法，其特征在于：所述步骤(2)具体操作如下：

(a)对中的每幅图像，使用模糊核对其进行模糊操作；

(b)对图像隔点取像素得到下采样3倍后的临时低分辨率图像集 其中表示第p幅低分辨率亮度图像，n表示图像的数量。

4.根据权利要求1所述的一种基于预放大非负邻域嵌入的单帧图像超分辨重建方法，其特征在于：所述步骤(4)具体操作如下：

(a)将低分辨率训练图像集中所有图像按从上到下、从左到右的顺序分成相互重叠的方形图像块；

(b)将所有方形图像块分别用列矢量表示；

(c)收集所有列矢量生成低分辨率训练图像块集其中表示 中的第p个列矢量，N_s表示训练图像块的数量。

5.根据权利要求1所述的一种基于预放大非负邻域嵌入的单帧图像超分辨 重建方法，其特征在于：所述步骤(5)具体操作如下：

(a)将高分辨率训练图像集中所有图像按从上到下、从左到右的顺序分成相互重叠的方形图像块；

(b)将所有方形图像块分别用列矢量表示；

(c)收集所有列矢量生成高分辨率训练图像块集其中表示 中的第p个列矢量，N_s表示训练图像块的数量，它们与是一一对应的。

6.根据权利要求1所述的一种基于预放大非负邻域嵌入的单帧图像超分辨重建方法，其特征在于：所述步骤(6)具体操作如下：

(a)读入待处理的低分辨率彩色图像T_LR，将其从RGB颜色空间转换到YCbCr颜色空间，可分别得到亮度图像蓝色色度图像和红色色度图像

(b)将其中的亮度图像预放大2倍得到图像

所述步骤(7)具体操作如下：

(a)将图像按从上到下、从左到右的顺序分成相互重叠的方形图像块；

(b)将所有方形图像块分别用列矢量表示；

(c)收集所有列矢量生成低分辨率输入图像块集其中x_t^q表示低分辨率输入图像块集中的第q个列矢量，N_t表示输入图像块的数量；

所述步骤(8)具体操作如下：

(a)对于低分辨率输入图像块集X_T中的每一个图像块x_t^q，在低分辨率训练图像块集中寻找低分辨率K近邻即与x_t^q相距最近的前K个图像块；

(b)用低分辨率K近邻线性表示x_t^q，求得重建系数w保证如下公式中的重建误差最小：

其中ε^q表示重建误差；x_t^q表示输入低分辨率图像块；表示x_t^q的低分辨率K近邻；表示的第p个近邻；w_qp是第p个近邻的重建系数；w_qp≥0表示系数需要满足非负要求；

所述步骤(9)具体操作如下：

(a)对低分辨率输入图像块集X_T中的每个图像块x_t^q,其对应的高分辨率输出图像块由如下公式求得：

其中表示待求的高分辨率输出图像块；表示与对应的高分辨率训练图像块；表示与对应的高分辨率K近邻；w_qp是步骤(8)中(b)步骤求得的重建系数；

(b)将所有得到的高分辨率输出图像块拼接起来，重叠区域像素取平均值，得到最终的高分辨率亮度图像

(c)将步骤(6)中(a)步骤得到的彩色图像的色变图像和插值放大到与同样的大小，得到和联合高分辨率亮度图像由YCbCr颜色空间转换到RGB颜色空间，将转换结果作为高分辨率输出图像T_HR。