[发明专利]基于视觉仿生的超分辨率图像信息获取方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像处理领域，具体属于超分辨率图像获取技术。

背景技术

人类视觉系统的视网膜承担着视觉信号的初级处理功能，总的来说，视网膜由三层细胞组成。第一层是感光细胞层，主要负责感受外界的光照刺激；第二层是双极细胞层，负责联络作用，将感光细胞与神经节细胞相联系；第三层是神经节细胞层，它是唯一能将视网膜处理后的视觉信息编码为神经电信号传输到大脑的细胞。视网膜中有一个非常重要的概念—感受野。神经节细胞的感受野是指一定区域范围内的神经节细胞，这些细胞能够同时感受来自上一层细胞的某个刺激，并产生相应的响应输出。在感知外界自然场景时，外部光信号入射到视网膜的感光细胞上，并经视网膜双极细胞回路传递至神经节细胞，神经节细胞将接收到的光刺激转化为神经电信号，经视交叉神经和外膝体神经中转，最终到达大脑的视觉皮层，视觉皮层对电信号进行处理加工后还原出视觉图像。

18世纪30年代，科学家们发现人眼具有固视微动现象，即在注视某一静止物体时，人眼并不是静止不动的，而是以自身无法觉察的频率和幅度进行着微小运动，这种微小运动称为人眼的固视微动。19世纪70年代，Westhemer G.发现人眼具有超分辨能力现象，即在正常人眼视网膜的中央凹区，两个视锥细胞的最小中心距离为30″到1′，理论分析认为，人眼的分辨能力受视网膜内感光细胞的排列密度限制。心理物理实验研究表明，在某些刺激图形下，人眼可以分辨空间上相距大约1″到6″视角的两个点，这大大超出了视网膜中央窝区感光细胞的最大排列密度，比理论值高出一个数量级，这种现象被称为人眼的超分辨率。

2000年，S.Martinez通过在实验室条件下建立绝对的眼球固定状态，以抑制固视微动的发生，实验证实当不存在眼球的微动时，视网膜上成的像将突然模糊并消失，这就是著名的“Troxler效应”，可见眼球的微动与视网膜感知成像有着密切的关系。对于“Troxler效应”，早期的科学家认为，由于视觉系统对于移动的物体更加敏感，因此固视微动的意义就是制造这样的运动以防止视觉信号的持续不变导致视觉神经系统的适应过程，而使得感知信息退化消失。但是越来越多的观测和实验结果表明这样的理解并不能够解释固视微动的全部意义，因此持续涌现出对于眼动功能的大量解释。当前主流意见一致认为，当人注视着一个特殊的物体或者背景时，固视微动对于视觉的敏度和精度也有相应的意义和作用，但眼球固视微动与超分辨率之间的具体关系并没有被详细研究。

发明内容

采用人工神经元MP模型来模拟视觉神经元的工作过程，即通过构建一个MP神经单元来模拟视觉神经对外界输入光强的感知、响应及编码过程。MP神经元有一个阈值，当输入光强信号累加超过神经细胞阈值时，神经元即被激活，否则处于抑制状态。假定x₁,x₂…x_n是传来的输入信号，w₁,w₂…w_n表示输入信号的权重，θ_i表示神经元的响应阈值，则第i个神经元的输入与输出关系表示为在不同光强L的刺激下，神经元激发出的响应信号不同，每个神经元的激励响应输出由式进行表达，式中L为入射光强，O为神经元响应输出，i表示第i个神经元被激励，R为各神经元响应阈值所满足的分辨率。这样由多个神经元被激励后所构成的光强量化序列，即形成了一组神经编码，不同的神经编码序列代表不同的外界输入光强。

在人眼固视微动模式下，眼球的随机运动使得外界入射到视网膜上的光强信号发生随机变化，即L_R(x,y)＝L(x,y)+ΔL(x,y)，其中L_R为固视微动后的光强，ΔL为固视微动引起的随机变化量。人眼固视微动导致视觉刺激的变化可用光流方程表达为ΔL(x,y)＝a(x,y)Δx+b(x,y)Δy，式中ΔL(x,y)表示点(x,y)上的光强度变化，a(x,y)、b(x,y)分别为点(x,y)的水平方向梯度和垂直方向梯度，Δx,Δy分别表示固视微动引起的水平和垂直方向的眼动幅度。本发明采用分数阶微分表示a(x,y)、b(x,y)，即：