基于仿生视觉的时空超分辨率重建方法研究

Current methods to solve the ill-posed problems in the space-time super-resolution image reconstruction is based on modification of the traditional modelling, or introduction of several restrictions, or generalling the prior models, or learning (non-biological) methods to acquir prior knowledge. However, they still have certain limitations to different extent. Being different from the old research schemes and views, this project is inspired by the drosophila visual system. Firstly, based on the biological vision attention mechanism of interesting regions or targets, it builds space-time super-resolution reconstruction information processing mode to imitate drosophila, which is different from the space-time super-resolution information processing mode for image or video. Secondly, by hyperacuity mechanism, large field (LF)-small field (SF) system, and "shared cells" engineering simulation, it builds space-time drosophila vision information computation model as the theory basis to design reconstruction algorithms. Thirdly, it proposes drosophila space-time super-resolution reconstruction methods based on "shared cells" to take the advantages of “space-time reconstruction” mechanisms of multiple small eyes of drosophila visual system. At last, it constructs drosophila vision space-time super-resolution reconstruction method, and validates the proposed theories by software simulation and hardware experimental devices.

目前现有方法通过对常规模型算法的修改，或引入诸多约束条件，或对先验模型的简单概化、或通过学习（非生物）的方法获取先验知识参与重建等，以解决时空超分辨率图像重建的求解病态或不适定问题，仍不同程度地存在着一定的局限性。本项研究受蝇类视觉系统的启发，与以往研究策略和角度不同，首先，有别于目前面向图像或视频全域的时空超分辨率信息处理模式，基于生物视觉对感兴趣区域或目标物体的注意机制，构建多序列图像的时空超分辨率仿蝇重建信息处理系统模式。其次，通过超视锐度机理、大小场景系统、以及“共享细胞群”的工程化部分模拟，建立时空域仿蝇视觉信息计算模型，作为重建算法设计的理论依据。然后，提出并设计基于“共享细胞群”管理方式下的的仿蝇时空超分辨率重建算法，转化蝇视觉系统多个小眼图像“时-空重构”机理的优势。最后，建立仿蝇视觉时空超分辨率重建方法，并通过实验对其理论成果进行验证。

针对现有方法通过对常规模型算法的修改，或引入诸多约束条件存在的局限，提出了基于亚像素偏移模型的核回归超分辨率重建算法、基于像素流和特征先验模型的时间超分辨率算法，以及自适应稀疏表示的图像超分辨重建算法。开展了基于内核稀疏编码及空间视觉词袋的快速目标检测的相关研究，提出了应用于图像分类的优化方法。另外结合水利测量领域中野外河道的图像测流应用，基于生物机制的图像超分辨重建策略，提出了基于粒子群体运动特征的PTV算法。在此基础上，比较研究了蝇视觉系统结构、机理及与工程化模拟蝇系统内在机制，分析了工程化模拟蝇复眼超分辨率重建的机制，构建了多序列图像的时空超分辨率仿蝇重建信息处理系统模式；工程化模拟了基于相位一致的复眼图像序列的时空配准，建立了时空域仿蝇视觉信息计算模型，开发了仿蝇复眼透镜阵列光电成像实验装置，实验仿真了基于时空域仿蝇视觉信息计算模型的多序列图像超分辨率重建方法的性能。