文档介绍：南京理工大学
《学科前沿系列讲座》结课论文
基于人眼注视眼动特性的高分辨率成像方案
2014-1-14
该成像方案核心思想是：采用人眼视网膜的注视眼动模式，将视场内目标的空间位 置信息转化为高精度的时间信息，并进行时域数据处理和超分Poisson-MAP超分辨力图像复原算法结合的超分辨率重建方法，研究了基于凝视 成像探测器的平板调制器原理和设计方法，在微扫描技术的深入发展和高分辨图 像的重建方面做出了较大贡献［14,15］；昆明物理研究所的蔡毅、吴新社。007）对 传统的微扫描成像方法进行了研究，从理论上分析了各微扫描方案遇到的科学问 题［16］；长春光学精密机械与物理研究所的刘妍妍、张新等（2009）提出了将光 学编码技术与亚像元技术相结合的超分辨率重建技术，拓展了重建带宽［17］。
红外微扫描成像是提高红外图像空间分辨率的有效方法。目前普遍采用的微 扫描成像方法是利用微扫描装置（或者成像装置、场景）的微小移动，使汇聚于 焦平面上的图像产生亚像素距的位移，得到多帧欠采样图像，再运用超分辨率算 法将多帧欠采样图像重建成一帧图像，从而实现图像空间分辨率的提高［18］；但 该方法在几倍尤其是数十倍地提升分辨率的问题上面临诸多难题。例如，对可控 的微扫描而言，空间分辨率与成像性能在空间分辨率提高到一定程度时互相限 制，空间分辨率越高，探测器的积分时间就越短，探测器像元获得的能量就越小， 从而造成红外图像的信噪比降低，成像性能反而可能下降；非可控的微扫描需要 依赖成像装置或者场景的移动所产生的微位移来实现超分辨率［19,20 ］，而事实上， 成像装置或者场景不可能一直保持着移动状态，因此这种方法的应用也受到相当 的限制，寻求一种新的微扫描成像理论和方法迫在眉睫。
随着人眼注视眼动特性与人眼的超分辨能力之间的因果关系逐渐明朗，研究 基于该特性的红外微扫描成像方法以大幅度地提高红外图像的空间分辨率成为
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电光学院 可能。
3基于人眼注视眼动特性的高分辨率成像方案创新之处
紧密追踪国内外关于人眼视网膜的注视眼动理论、红外微扫描成像理论 以及技术的最新研究成果，深入研究视网膜注视眼动与当前红外微扫描成像的共 同点，创新性地将两个不同学科领域的理论有机地结合在一起，提出了微扫描成 像的新方法，为红外微扫描成像开辟了一条新的途径。
创新性地在人眼视网膜注视眼动模式的基础上，将目标的空间信息转换 为能够精细划分的时间信息，并建立视网膜注视眼动模式下的空域-时域模型， 为“视网膜微扫描”成像方法能够大幅度地提高空间分辨率提供了理论支持。
为了从表征同一目标位置的大量“响应时间差”信息中获得准确的目标 位置，该方案提出了目标空间信息的计算准则，该准则通过设置不同的“响应时 间差”在计算目标空间位置中所占的权重来保证目标空间位置的精度。采用目标 空间信息的计算准则来保证目标空间位置的准确性，也具有其独特性。
4基于人眼注视眼动特性的高分辨率成像方案核心思想
基于人眼视网膜注视眼动特性的红外微扫描成像方法(以下简称：“视网膜 微扫描”成像方法)，其核心思想是：采用人眼视网膜的注视眼动模式，将视场 内目标的空间位置信息转化为高精度的时间信息，并进行时域数据处理和超分辨 率图像重建，从而达到数十倍地提高红外图像空间分辨率的目的。
5基于人眼注视眼动特性的高分辨率成像方案原理
“视网膜微扫描”成像方法的原理示意图如图1所示，压电陶瓷控制器控制光 电接收器进行微扫描运动，光电接收器的输出数据经空域-时域转换、时域数据 处理和超分辨率图像重建后，最终转化为高分辨率的红外图像。
图1 “视网膜微扫描”成像方法原理示意图
视网膜的注视眼动特性是产生人眼超视锐度的直接原因，该特性是“视网 膜微扫描”成像方法前提。人眼视网膜微扫描运动的频率、幅度、持续时间等参 数的固有特点以及视网膜的注视眼动规律与人眼超视锐度的具体关系，其中，视 网膜的注视眼动规律与人眼超视锐度的具体关系是设计“视网膜微扫描”运动方 式的依据。
-时域信息转换理论
在人眼视网膜的微扫描过程中，任意两个感光细胞（光电接收单元对）对同 一目标的响应均存在着时间差（下文简称“响应时间差”），该“响应时间差”反 映了目标的空间位置信息，且在理论上可以无限细分，因此，只要建立合适的空 域-时域转换模型，就能够获得高分辨率的图像信息。进而建立视网膜注视眼动 模式下的空域-时域转化方程，并通过计算机软件进行求解。
红外光
1
理单元
1、N分别为光电楼收单元
图2初级光电接收器原理示意图
图3人眼视网膜运动模式下的空域-时域信