一种折线式扫描高分辨率成像系统和方法

摘要

本发明公开了一种折线式扫描高分辨率成像系统和方法，涉及成像领域，能够实现高分辨率成像。折线式扫描高分辨率成像系统包括：图像采集装置，由两个线阵CCD相机组成，所述两个线阵CCD相机与水平分别以倾斜θ和-θ角度对待成像物体进行扫描取像，其中0＜θ＜90°，使得图像采集装置与待成像物体之间呈折线扫描状，且扫描内容互不相交；图像采集控制装置，控制CCD相机的图像采集过程；图像处理装置，对采集到的图像数据进行重建；显示装置，用于显示得到的高分辨率图像。本发明工程上实现简单，十分经济且便于维护，仅利用现有的成像装置即可获取更高分辨率的图像。

权利要求

1.一种折线式扫描高分辨率成像系统，包括：图像采集装置，由两个线阵CCD相机组成；图像采集控制装置，由两个图像采集卡组成，每个采集卡各控制一个CCD相机的图像采集过程；图像处理装置，首先建立失真图像的像素点坐标和对应的实际物体上的采样点坐标间的映射关系，根据映射关系对图像各个像素坐标进行校正；再利用像素插值的方法将图像的像素分布规则化，并将图像进行拼接，得到高分辨率的数字图像；显示装置，用于显示得到的高分辨率图像；其特征在于，所述两个线阵CCD相机与水平分别以倾斜θ和-θ角度对待成像物体进行扫描取像，其中0<θ<90°，使得图像采集装置与待成像物体之间呈折线扫描状，且扫描内容互不相交。

2.如权利要求1所述一种折线式扫描高分辨率成像系统，其特征在于，所述θ为

60°。

3.如权利要求1至2之一所述一种折线式扫描高分辨率成像系统，其特征在于：所述图像处理装置为可编程逻辑器件或具有图像处理功能的计算机处理系统。

4.一种折线式扫描高分辨率成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)相机空间布局，将两个相同的线阵CCD相机与水平分别以倾斜θ和-θ角度进行排列，其中0<θ<90°，使得图像采集装置与待成像物体之间呈折线扫描状，且扫描内容互不相交；

b)触发取像，图像采集控制装置分别控制两个相机的采集过程，它们同时向两个线阵相机发送取像触发信号，两个线阵相机同时曝光；

c)A/D转换，线阵CCD将光信号转换为模拟电信号传输至图像采集卡，图像采集卡完成A/D转换，将模拟电信号转化为数字图像信号输入图像处理装置；

d)图像几何校正，首先建立失真图像的像素点坐标和对应的实际物体上的采样点坐标间的映射关系，根据映射关系对图像各个像素坐标进行校正；再利用像素插值的方法将图像的像素分布规则化，并将图像进行拼接，得到高分辨率的数字图像。

说明书

一种折线式扫描高分辨率成像系统和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高分辨率成像领域，尤其涉及一种折线式扫描高分辨率成像系统和方法。

背景技术

[0002] 近几年来，线阵CCD由于其具有高集成度、高分辨率、高精度以及高灵敏度的特性，已广泛应用于航天，遥感，安全及工业检测等领域。如何提高线阵CCD成像的空间分辨率已成为一个热点研究问题。针对这一热点问题，许多学者已经提出各种有效的解决方法。根据不同的研究出发点，这些方法可以总结为两大类，即基于成像原理的方法和基于采样模式的方法。前者主要是从成像原理的角度出发，通过增大光学系统的焦距或减小CCD像元尺寸来提高CCD像元分辨率。但光学系统焦距的增大会带来设计难度增加、相机体积和重量加大以及费用增高等难题，而由于物理结构、制造、灵敏度及信噪比等因素的限制，CCD器件像元尺寸也不能做得太小；后者则从CCD采样模式出发，通过改变CCD的采样方式，利用图像重建技术来实现高分辨力成像。国内外关于基于采样模式的方法已经作了许多研究工作，典型的代表有法国SPOT-5HRG相机采用的超模式采样、中国空间技术研究院所研究的高模式采样以及北京空间机电研究所提出的单线阵倾斜45度采样技术等。

[0003] 超模式采样成像技术的关键在于如何精确地将两条相同的线阵CCD集成在一个器件中，使得它们沿着像元排列方向错开0.5个像元的位移，沿着扫描方向错开n+0.5(n为正整数)个像元的位移。这种采样方法要求两片CCD之间错开位移的误差不超过1/10～1/20个像元的距离，以像元大小为10μm为例，则要求两片线阵CCD之间的错位误差必须控制在0.5μm～1μm之间。因此，超模式采样技术的实现依赖于精密的器件集成技术，在CCD的实际集成过程中，对两条CCD之间的错位误差的控制有着极高的要求，如果误差不能控制在适当的范围内，就会对图像分辨率造成较大的影响。

[0004] 高模式采样成像技术与超模式基本类似，不同之处在于高模式采样方法除了采用像元错排技术外，还将线阵摄像机的扫描频率提高了一倍。但过高的扫描频率会导致其它硬件设备(马达编码器、运动控制卡、图像采集卡等)无法满足过快的取像速度，而升级这些硬件设备以适应高速数据采集和运动控制将造成很大的经济开销，且某些设备由于其性能瓶颈根本无法完成升级，因此依靠提高线扫描频率并不是一个很好的解决办法。

[0005] 北京空间机电研究所提出的单线阵倾斜45度采样技术是一种全新的采样模式。通过将线阵CCD旋转45度，使摄像设备沿着与线阵CCD像元排列方向成45度角的方向进行采样，提高了图像的空间分辨率，且克服了超模式和高模式采样技术中存在的CCD错位配准问题。但这种方法也存在明显的弊端，譬如摄像机的成像视野(View ofField)变窄，获取的图像信息变少，更重要的是这种方式下图像的空间分辨率并没有显著的提高，理论上仅为1.19倍，不能满足高分辨率成像的要求。

发明内容

[0006] 本发明解决的技术问题在于如何获得高分辨率图像。

[0007] 为了解决以上问题，本发明提供一种折线式扫描高分辨率成像系统和方法，对设备改动要求不高的情况下，并对视野影响不大的情况下，能够提高相机分辨率。

[0008] 本发明的实施例采用如下技术方案：

[0009] 一种折线式扫描高分辨率成像系统，包括：

[0010] 图像采集装置，由两个线阵CCD相机组成，所述两个线阵CCD相机与水平分别以倾斜θ和-θ角度对待成像物体进行扫描取像，其中0＜θ＜90°，使得图像采集装置与待成像物体之间呈折线扫描状，且扫描内容互不相交；

[0011] 图像采集控制装置，控制CCD相机的图像采集过程；

[0012] 图像处理装置，对采集到的图像数据进行重建；

[0013] 显示装置，用于显示得到的高分辨率图像。

[0014] 本发明的实施例还提供了一种折线式扫描高分辨率成像方法，包括：

[0015] a)相机空间布局，将两个相同的线阵CCD相机与水平分别以倾斜θ和-θ角度进行排列，其中0＜θ＜90°，使得图像采集装置与待成像物体之间呈折线扫描状，且扫描内容互不相交；

[0016] b)触发取像，图像采集控制装置分别控制两个相机的采集过程，它们同时向两个线阵相机发送取像触发信号，两个线阵相机同时曝光；

[0017] c)A/D转换，线阵CCD将光信号转换为模拟电信号传输至图像采集卡，图像采集卡完成A/D转换，将模拟电信号转化为数字图像信号输入图像处理装置；

[0018] d)图像几何校正，由图像处理装置对输入的数字图像信号进行几何校正。

[0019] 本发明实施例提供的一种折线式扫描高分辨率成像系统和方法，采用两个线阵CCD相机与水平分别以倾斜θ和-θ角度进行排列，其中0＜θ＜90°，使得图像采集装置与待成像物体之间呈折线扫描状，且扫描内容互不相交方式，在不减小成像视野的情况下，提高了成像的空间分辨率。

附图说明

[0020] 当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

[0021] 图1为本发明所述的高分辨率成像系统的系统结构框图；

[0022] 图2为本发明所述的高分辨成像系统的具体实施方案图；

[0023] 图3为线阵相机的成像视野示意图；

[0024] 图4为线阵相机的二维空间采样示意图；

[0025] 图5为倾斜采样得到的失真图像中的像素位置分布图；

[0026] 图6为经过像素坐标变换得到的校正图像中的像素位置分布图。

具体实施方式

[0027] 以下参照图1-6对本发明的实施例进行说明。

[0028] 实施例一：

[0029] 本实施例涉及一种折线式扫描高分辨成像系统，图1为实现高分辨率成像的系统结构框图。图像采集装置1包括线阵CCD相机11和线阵CCD相机12，按照与水平成一定角度方式排列组成，使得图像采集装置与待成像物体之间呈折线扫描状，且扫描内容互不相交；通讯采集控制装置2包括图像采集卡21和图像采集卡22，分别向相机11和相机12发送触发信号，触发相机取像，并将相机输出的模拟电信号转换为数字图像信号；图像处理装置3对图像采集卡21和图像采集卡22输出的图像数据进行重建和拼接，得到完整的高分辨率图像，图像处理装置3可以是可编程逻辑器件或具有图像处理功能的计算机处理系统；最后经由显示装置4将高分辨率数字图像显示出来。

[0030] 图2为具体的实施方案图，设相机11和相机12分别以倾斜θ和-θ角度进行扫描取像，L为相机CCD的像元间距，沿相机扫描方向的采样间距为L×N，N＞0，为一系数，调节相机扫描方向的采样间距的大小。那么相机11和相机12的采样矩阵分别为：

[0031]

[0032]

[0033] 则相机11和相机12的采样密度为：

[0034]

[0035] 采样密度表示单位面积上采集的像素点的个数，图像空间分辨率和采集密度成正比。从式中可以看出，N越小，θ角越大，采样密度就越大，从而图像的空间分辨率就越高。减小N可以通过提高相机的扫描频率来实现，但正如前文所提到的，提高扫描频率并不是一个好的解决方案。本发明通过调整相机的空间位置，使得线阵CCD倾斜θ角度对物体进行扫描采样，如图3所示。从图中可以看到，倾斜采样使得相机的成像视野由原来的D减小为D cosθ，且θ角越大，相机的成像视野越小。当θ为5度时，视野变大，但分辨率改善变小。当θ为85度时，视野变小，但分辨率有很大改善。因此，综合考虑成像系统的分辨率和视野，本发明采用了两个相同的线阵CCD，且倾斜角θ取为60度，每个相机的视野为原来的1/2，采样密度提高了一倍，将两个相机分别采集到的图像进行校正和拼接，即可得到高分辨图像且保持视野不变。

[0036] 如图4所示，相机的扫描过程始终存在一个角度，而线阵相机的扫描线是以列或行的形式输出至图像，因此得到的图像必然存在几何失真。图像处理装置对输入的数字图像信号进行几何校正，是实现高分辨成像的关键一步，主要包括两个步骤：

[0037] (1)像素坐标变换：建立失真图像的像素点坐标和对应的实际物体上的采样点坐标间的映射关系，根据映射关系对图像各个像素坐标进行校正。

[0038] 图4所示为相机的二维采样空间，图中每个小圆点代表一个采样点，记作S(x，y)(x＝1，2，…，m；y＝1，2，…，n)，图5所示为实际的空间采样点在失真图像中的位置，像素坐标变换就是通过将失真图像中的像素值进行重新分配坐标位置，使得图像的像素分布与相机的采样空间的采样点的分布相一致，从而得到如图6所示的校正图像。令失真图像为g(u，v)，校正图像为f(i，j)，则可通过下式实现像素坐标变换

[0039]

[0040] (2)像素插值：经过初步坐标变换得到的图像其像素分布是不规则的，具体表现为当图像中的横纵坐标值的奇偶性不同时，这些位置是没有像素值的，因此还需要利用像素插值的方法将图像的像素分布规则化。如图6所示，黑色小方框表示待插值的像素点位置，本发明采用线性插值法完成插值，如下式

[0041]

[0042]

[0043] 按照上述方法将相机11和相机12采集到的图像数据进行校正后，最后还需要将这两幅独立的高分辨图像进行拼接，从而在提高分辨率的同时保持成像系统的视野不变。

[0044] 完成图像的校正和拼接后，就得到了完整的高分辨率图像，此时就可以将图像输出至显示装置4显示出来。

[0045] 实施例二：

[0046] 本实施例对实施例一描述的高分辨成像方法进行了实验仿真，验证该方法的实际成像效果。

[0047] 实验平台为Matlab 7.9.0，首先选取一幅480×480的灰度图像模拟待成像物体，然后按照实例一中描述的采样方法进行采样。设相机CCD的像元间距L＝10，沿相机扫描方向的间距为 则相机11和相机12的采样矩阵为

[0048]

[0049] 单个线阵相机在像元间距L＝10，倾斜角θ＝0，扫描间距 时的采样矩阵为：

[0050]

[0051] 即相机的线扫描方向与CCD像元排列方向垂直，图像的分辨率为48×28。

[0052] 将本发明获得的图进行拼接，图像分辨率为96×56。

[0053] 可以看出本发明确实能够利用低分辨相机实现高分辨率成像。

[0054] 实施例三：

[0055] 本实施例对实施例一描述的高分辨成像系统进行扩展，提供了一个开放式的高分辨率成像框架。

[0056] 通过升级两个线阵CCD相机(11，12)(如将单线阵CCD相机升级为超分辨率相机)，可以达到更高的图像分辨率；

[0057] 通过增大倾斜角θ，同时相应的扩展线阵CCD相机(11，12)的个数，也可以得到更高的分辨率。

[0058] 如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。