图像超分辨率重建简介

    图像超分辨率重建技术就是利用一组低质量、低分辨率图像(或运动序列)来产生单幅高质量、高分辨率图像。图像超分辨率重建应用领域及其宽广，在军事，医学，公共安全，计算机视觉等方面都存在着重要的应用前景。在计算机视觉领域，图像超分辨率重建技术有可能使图像实现从检出水平(detection level)向识别水平(recognition level)的转化，或更进一步实现向细辨水平(identification level)的转化。图像超分辨率重建技术可以提高图像的识别能力和识别精度。图像超分辨率重建技术可以实现目标物的专注分析，从而可以获取感兴趣区域更高空间分辨率的图像，而不必直接采用数据量巨大的高空间分辨率图像的配置。

目前超分辨率技术主要有以下两大类：基于重建的方法、基于学习的方法。

1、基于重建的超分辨率技术：

    基于重建的超分辨率方法的基础是均衡及非均衡采样定理。它假设低分辨率的输入采样信号(图像) 能很好地预估出原始的高分辨率信号(图像)。绝大多数超分辨率算法都属于这一类，其中主要包括频域法和空域法。

    频率域方法是图像超分辨率重建中一类重要方法，其中最主要的是消混叠重建方法。消混叠重建方法是通过解混叠而改善图像的空间分辨率实现超分辨率复原，最早的研究工作是由 Tsai 和 Huang在 1984 年进行的。在原始场景信号带宽有限的假设下，利用离散傅立叶变换和连续傅立叶变换之间的平移、混叠性质，给出了一个由一系列欠采样观察图像数据复原高分辨率图像的公式。多幅观察图像经混频而得到的离散傅立叶变换系数与未知场景的连续傅立叶变换系数以方程组的形式联系起来，方程组的解就是原始图像的频率域系数，再对频率域系数进行傅立叶逆变换就可以实现原始图像的准确复原。

在空域类方法中，其线性空域观测模型涉及全局和局部运动、光学模糊、帧内运动模糊、空间可变点扩散函数、非理想采样等内容。空域方法具有很强的包含空域先验约束的能力，主要包括非均匀空间样本内插、迭代反投影方法、凸集投影法、最大后验概率以及混合 MAP/ POCS 方法、最优和自适应滤波方法、确定性重建方法等。

 

2、基于学习的超分辨率技术

    基于学习的方法是近年来超分辨率算法研究中的热点，它采用大量的高分辨率图像构造学习库产生学习模型，在对低分辨率图像进行恢复的过程中引入由学习模型获得的先验知识，以得到图像的高频细节，获得较好的图像恢复效果。

具体步骤为：

（1）将高分辨率图像按照降质模型进行降质，产生训练集。

（2）根据高分辨率图像的低频部分和高频部分对应关系对图像分块，通过一定

算法进行学习，获得先验知识，建立学习模型。

（3）以输入的低分辨率块为依据，在建立好的训练集中搜索最匹配的高频块。

基于学习的超分辨率方法中关键是建立学习模型，获得先验知识。常用的学习模型有马尔科夫随机场模型、图像金字塔模型、神经网络模型、主成分分析模型等。基于学习的方法充分利用了图像本身的先验知识，在不增加输入图像样本数量的情况下仍能产生高频细节，获得比基于重建方法更好的复原结果，并能较好的应用于人脸和文字等图像的复原。

目前，图像超分辨率重建的研究比较成熟，但距离实用还有较大差距。未来研究方向主要集中在以下几个方面：

1）发展和寻求新的退化模型，使成像模型更加精确和全面，实现对点扩散函数和噪声的精确估计。图像超分辨率增强的成功依赖于准确的、符合实际成像系统特性和成像条件的降模型，而要获得符合实际成像过程的降质模型是十分困难的，通常采用简单、确定的降质模型进行近似，这样的近似模型与实际成像过程差距较大。

2）压缩域的超分辨率重建。传统的超分辨率算法都是针对图像序列，而实际中最常见的图像序列是视频文件。因而下一步的工作可以针对不同的视频压缩格式和编解码技术，在超分辨率算法中综合考虑成像模型和压缩算法带来的图像降质效果，以及运动补偿和编码传输机制，实现压缩域的超分辨率重建。

3）效率和鲁棒性问题。目前的超分辨率算法具有很高的计算复杂度，如何减少计算量，提高算法速度，是下一步值得研究问题。同时，在目前很多算法中都做了各种假设，如照度变等，这在实际应用中是很难满足的，因此需要研究稳健的算法满足实际应用的需要。

4）模糊图像和三维图像的超分辨率研究。模糊一直是图像处理中的一个难点，如何对模糊图像进行超分辨率需要进一步研究。目前针对三维图像的超分辨率研究还很少，如何对三维图像进行建模也是一个值得研究的课题。

5）超分辨率客观评价标准研究。目前对于图像超分辨率结果主要依靠人的主观评价，缺少一种客观的评价标准，现有的 PSNR、MSE 等并不能很好的反映超分辨率效果，需要发展一种客观的评价机制。