[发明专利]FiDrizzle多次采样图像重建技术

说明书

FiDrizzle多次采样图像重建技术是在我们之前发明专利的基础上对实现方法改进后的一次技术升级。主要是集合了fiDrizzle方法计算快速以及低频段收敛速度快的优势和iDrizzle方法在高频段具有高保真度的强项。该FiDrizzle多次采样图像重建技术在之前fiDrizzle算法基础上加入了频率域的低通滤波，从而整合了前面两种方法的优点。能快速高保真地从低采样率图像重建高分辨率图像。所以在对图像的像素分辨率有极高要求的天文学，微观物理学等领域有广泛用途，甚至在微生物学，医学和数字监控领域也有用武之地。

September 30，2019

1技术领域

在数字信号通信和图像采集处理领域，数据的采集都是通过CCD，CMOS等采集器。这些采集器原理上是光子计数器阵列。也就是说都是说采样是离散的，实际中不可能做到无限精细的连续采样。因此这里就涉及到一个采样率的问题。另外由于光的衍射效应，任何光学仪器和光学波段都不可能给出无限精密细节的成像。也就是说光学仪器都是有最高分辨率极限的。我们这个发明的目的就是要快速和高保真地把原本低采样率的图像叠加成在仪器最高分辨率下的图像。

2背景技术

如前所述，由于工艺局限方面和经济成本方面的考虑，很多成像设备采样率其实是达不到设备最高光学分辨率的2倍的，也就是说达不到采样率定理(Nyquist定理)所要求的能完全描述信号需要的最低采样率，也就是所谓的低采样率(under sampling)。低采样率会导致最终图像表现出模糊，马赛克化(也就是像素化，pixelation)等问题，像素化相当于一个滤镜，是模拟信号离散化采样的表现。人们发现虽然一次采样率低，但通过记录仪器的震颤(dither)在不同位置拍摄目标物体，就会得到很多低采样率样本，而把这些样本通过合理的技术进行叠加就可以得到突破仪器采集器限制的高分辨率或同时实现对像素化滤镜的反卷积，也就是去像素化。前人的去像素化技术已经用在哈勃空间望远镜(HST)的图像拼接上如Fruchter等人发展的Drizzle和iDrizzle技术。Drizzle的特点是速度快，但内秉的像素化滤镜(pixelation)并没有被反卷积出来，所以Drizzle只是图像在高分辨率网格下的单纯叠加，不涉及反卷积，因而也没有很好地去像素化。随后在Drizzle的基础上，Fruchter于2011年又发展出了多次迭代结合傅立叶空间平滑的方法来多次提取残留信号，也即iDrizzle技术。iDrizzle首先要通过Drizzle技术把多次观测到原始图像放到一个过采样的网格上，再多次与原始图像对比，从残差图像中提取大部分信号，并加到结果中，最后通过sinc插值到目标分辨率，比如临界采样分辨率(简称临界采样率，criticalsampling)。iDrizzle能比较好地实现反卷积，给出的图像跟真实图像差不太多，缺点也很明显，就是耗费大量计算资源而且效果也不如后来我们发展的两套方法《细分有理曲面(正向)去像素化技术》(即TSSF，专利号：201510982531X)和《一种快速有效去像素化技术》(即hDrizzle，专利号：201611173333X)。《细分有理曲面(正向)去像素化技术》的思想是在跟观测图像像素相当的标准网格(或目标网格)上建立一群小的简单曲面(曲面参数未知)，然后用所有观测图像(或dither图像)来拟合这些曲面的参数。特点是速度较快，而且以后进行的对这群小曲面的任何观测都能跟直接观测源图像相当。《一种快速有效去像素化技术》即fiDrizzle，是去掉iDrizzle的滤波和插值过程并且直接在需要的分辨率上重建图像。特点是收敛速度快，计算速度快，稳定，而且图像在中低频比iDrizzle更加高保真。缺点是在最高频率端有一点点不如iDrizzle。但在本次发明中，我们改进了fiDrizzle技术，为了区别以前的fiDrizzle我们称之为FiDrizzle(A Fine iDrizzle)，一方面我们保持了fiDizzle的快速特点，另一方面我们又保持了iDrizzle在高频端的优势。

3发明内容

3.1 FiDrizzle技术我们的目的是集fiDrizzle和iDrizzle的优点于一身。FiDrizzle的步骤如下：

步骤(1)：获取原始观测图像