基于人眼固视微动机制的超分辨率红外成像方法与实验研究

Super-resolution imaging has become an increasingly urgent demand in the fields of infrared imaging application.It is of great significance in the military, avigation and spaceflight, civil and other fields. Although super- reslolution imaging methods based on microscanning technology have been developed in domestic and abroad, they encounter great difficulties in obviously improving spatial resolution of the infrared image. Inspired by the vision research that the fixation eye movement can produce visual hyperacuity(the number of times to increase the theoretical resolution of the human eye),a new super-resolution infrared imaging mehtod is proposed.On the basis of simulation of human eye micro movement,the spatial location information of infrared target is converted to high precision time infromation in order to obtain hyperacuity image data.The main research contents include: human eye fixation micro movement character,retinal space-time information conversion in the condition of eye micro movement and infrared imaging method and experimental research under fixation eye movement mode.With the accomplishment of the project, it will provide a new research method for super resolution infrared imaging in theory, and a implementable solution for super-resolution infrared imaging in engineering.The research prodcution of this project will effectively improve the infrared system performance in target detection, accurate positioning and effective recognition,which provide basic guarantee for hyperacuity of infrared imaging system used in military and civil fields.

超分辨率成像已经成为红外成像技术应用中越来越迫切的需求，在军事、航空航天、民用等领域具有重要意义。虽然国内外已开展以微扫描技术为代表的超分辨率成像方法的研究，但该类方法在大幅提升红外图像空间分辨率上却遇到了瓶颈。项目受人眼固视微动模式下能够产生超视锐度（数十倍地提升人眼理论分辨率）这一视觉成果的启示，提出开展超分辨率红外成像新理论的研究。项目在模拟人眼微运动的基础上，将视场内目标的空间位置信息转换为高精度时间信息，从而获取超视锐度图像数据。主要研究内容包括：人眼固视微动特性的研究；人眼固视微动模式下的视网膜空时信息转换研究；固视微动模式下的红外成像方法及实验研究。课题的完成，在理论上将为超分辨率红外成像提供新的研究方法；在工程上将为超分辨率红外成像提供可实现的解决方案。本课题的研究成果将有效提高红外系统的目标探测、精确定位和有效识别能力，为超视锐度红外成像系统应用于军民领域提供基础性保证。

红外成像技术在军事和民用领域均具有广阔的应用前景，受限于红外探测器材料及制造工艺的影响，红外成像系统的空间分辨率大大低于可见光成像系统，因此开展超分辨率红外成像理论和实验研究具有重要意义。项目在国家自然科学基金的资助下，深入研究了人眼固视微动模式下的视觉信息获取与复原机理，在此基础上研究了红外微扫描超分辨率图像信息获取与重建，并搭建了图像信息获取的一维扫描和二维扫描实验平台。具体研究内容包括：1）人眼固视微动特性的研究；2）固视微动模式下视网膜空时信息转换方法的研究；3)连续低分辨率图像序列重建高分辨率图像；4）研制了一维红外扫描成像实验系统，在此基础上设计了二维探测器阵列扫描成像系统。在项目的研究工作中取得了以下重要成果：1）人眼超视锐度信息的获取与固视微动的幅度和频率有关。研究发现人眼微运动的幅度与视觉感光细胞的尺寸在同一数量积时有利于超分辨率信息的获取，而微运动的频率在65-90Hz时有利于超分辨率信息的空时转换；2）研究了视网膜空时转换与超视锐度信息获取之间的关系，并建立了相应的数学模型，尤其重要的是在研究超分辨率信息获取的过程中发现了视觉侧抑制的作用，利用侧抑制进行红外图像处理明显提升了图像的细节；3）在研究视觉固视微动特性的基础上，设计了一维扫描路径和二维扫描路径，并对扫描过程中获取的低分辨率图像序列进行了高分辨率重建；4）搭建了图像信息获取的一维和二维扫描实验系统。利用微型电机带动扫描镜头对旋转热目标进行了一维扫描成像，验证了空时信息转换及图像重建过程，在此基础上又利用压电陶瓷驱动阵列探测器进行了二维扫描成像，并对扫描目标进行了图像信息的重建。课题的研究工作在理论上为超分辨率成像提供了新的思路，在工程上为超分辨率成像提供了可实现方案。