К ВОПРОСУ О СВЕРХРАЗРЕШЕНИИ СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МАТРИЦ

А. Ю. Гришенцев ¹, А. Г. Коробейников ², И. Б. Бондаренко ²

¹ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

² Санкт-Петербургский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова Российской академии наук»

Статья поступила в редакцию 16 сентября 2016 г. 

Аннотация. Требования к методам и средствам регистрации излучений непрерывно растут, особые требования предъявляются к приёмникам оптического излучения: повышение чувствительности, разрешения являются необходимыми требованиями современных технологий. Как известно, самым совершенным известным биологическим приёмником оптического излучения является глаз человека, глаза многих биологических существ имеют высочайшее пространственное разрешение. Многие офтальмологи считают, что здоровый глаз находится в непрерывном движении, как бы ощупывая объект рассматривания, в результате чего достигается высочайшее разрешение. За счёт движения глаз формирует динамический образ, содержащий в себе пространственное приращение яркости и/или цветности исследуемого зрительной системой объекта. Такой динамический образ является аналогом производной,  вычисленной по траектории, эквивалентной траектории движения глаза. Новейшие исследования и разработки в области электронных цифровых приёмных устройств оптического излучения показывают, что одной из актуальных задач является повышение пространственного разрешения. В то же время, повышение пространственного разрешения за счёт уменьшения линейных размеров отдельных элементов (пикселей) светочувствительных матриц затруднено тем, что при уменьшении размеров полезной площади пикселей снижается чувствительность матрицы и, соответственно, отношение полезного сигнала к шуму. Таким образом, актуальной является задача повышения пространственного разрешения при сохранении линейных размеров пикселей. Предлагается повысить разрешающую способность оптических приёмников,  сверх разрешения, которое может обеспечить электронно-оптическая система с учётом размеров светочувствительных пикселей, за счёт формирования последовательности смещённых кадров и их последующих преобразований, направленных на восстановление изображения в сверхразрешении. В работе рассмотрен способ достижения сверхразрешения светочувствительных матриц за счёт формирования и последующей обработки последовательности смещённых изображений. В статье сформулированы предпосылки к его разработке и основы предлагаемого способа, разработан математический аппарат реализации, предложены методы и средства физической реализации, выполнено моделирование предлагаемого способа в среде MatLab, приведён листинг программы и пример результатов работы программы. В заключении статьи сформулированы выводы и список используемой литературы.

Ключевые слова: сверхразрешение, светочувствительные матрицы, однопиксельная камера, обратная свёртка, цифровая обработка сигналов.

Abstract. Potential methods and facilities of registration of radiation is growing. There are specific requirements for the detectors of optical radiation: high sensitivity and resolution. The most complex biological receiver of optical radiation is the human eye. Many ophthalmologists believe that a healthy eye is in constant motion, as if feeling the object of consideration. This leads to increasing of spatial resolution. Due to eye movements it is possible to form a dynamic image containing the spatial increment of the luminance and chrominance stare at the object. This dynamic image is an analogue of the derivative which is computed along a trajectory equivalent to the trajectory of the eyes motion. The latest research and development in the field of digital detectors of optical radiation show that one of the urgent tasks is to increase the spatial resolution. At the same time, increasing of spatial resolution by decreasing the linear dimensions of the pixels of the image sensor is complicated by the fact that reducing the size of the useful area of the pixel decreases the sensitivity of the matrices and, respectively, of the useful signal-to-noise ratio. Thus, the problem of improving of spatial resolution while preserving the linear size of the pixels is actual. It is proposed to increase the resolution of optical receivers due to the formation of a sequence of shifted frames and their further conversion. The goal of the transformation is the image recovery of  high resolution (super-resolution).

The article discusses the ways to achieve super-resolution image sensors due to the formation and subsequent processing of a sequence of shifted images. The article contains: the mathematical apparatus of realization, methods and tools for physical implementation, the simulation of the proposed method in MATLAB, given a program listing and an example of the results of the program.

Finally, it contains conclusions and references.

Keywords: superresolution, image sensor, single-pixel camera, deconvolution, digital signal processing.