ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2016, № 10 · СМЕЖНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

К вопросу о сверхразрешении чувствительных матриц

А.Ю. Гришенцев1, А.Г. Коробейников2, И.Б. Бондаренко2

1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», Россия
2 Санкт-Петербургский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова Российской академии наук», Россия
Полный текст EDN XBDPWZ

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.

  • сверхразрешение
  • светочувствительные матрицы
  • однопиксельная камера
  • обратная свёртка
  • цифровая обработка сигналов
Abstract (in English)

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.

Для цитирования

Гришенцев А.Ю., Коробейников А.Г., Бондаренко И.Б. К вопросу о сверхразрешении чувствительных матриц // Журнал радиоэлектроники. – 2016. – № 10.

Литература

  1. Герасимов И. В. Научно-исследовательская работа на кафедре САПР СПбГЭТУ «ЛЭТИ»: Материалы к научному сообщению заведующего кафедрой САПР, д.т.н., проф. Герасимова И. В. на семинаре заведующих кафедрами СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (5 июня 2014 г.) - СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. - 107 с.
  2. Шовенгердт Р. А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений. М.: Техносфера, 2010. 560 с.
  3. Bates W.H. The cure of defective eyesight by treatment without glasses; or, The radical cure of errors of refraction by means of central fixation.- New York: A.R.Elliott Publ. Co., 1915
  4. Bates W. H. The Bates method for better eyesight without glasses.- New York: Holt, Rinehart and Winston, 1981
  5. Бейтс У. Г. Улучшение зрения без очков по методу Бейтса // Переработанное издание первой книги У. Г. Бейтса «The cure of imperfect sight by treatment without glasses» (New York city. Central Fixation Publishing Company, 1920). Изд-во: «Воздушный транспорт», 1990. - 86 с.
  6. Самойлов В. О. Медицинская биофизика. СПб: СпецЛит, 2007. 560 с.
  7. Ярбус, А. Л. Роль движений глаз в процессе зрения / А.Л. Ярбус. - М.: Наука. - 1965. - 166 с.
  8. Kumar, G. Characteristics of fixational eye movements in people with macular disease / G. Kumar, S.T. Chung // Invest Ophthalmol Vis Sci. - 2014. - V. 55. - No8. - P. 5125-33
  9. Сироткина И. В., Фахретдинова Д. А., Кошелев Д. И. Острота зрения и показатели фиксации при нарушении центрального зрения различного генеза // Вестник ОГУ №12 (173), декабрь 2014 - С.: 271-275.
  10. Гришенцев А. Ю. Эффективное сжатие изображений на базе диф-ференциального анализа // Журн. радиоэлектроники. 2012. № 11, URL: http://jre.cplire.ru/jre/nov12/1/text.pdf.
  11. Гришенцев А. Ю., Коробейников А. Г. Методы и модели цифровой обработки изображений - Монография. СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. - 190 с.
  12. Котельников В. А. О пропускной способности «эфира» и проволоки в электросвязи // Сб. Всесоюз. энергетический комитет. Матер. к I съезду по вопросам и технической реконструкции дела связи и развития слаботочной промышленности. М.: Управление связи РККА, 1933. С. 1-19.
  13. MathWorks, MatLab URL: www.mathworks.com
  14. Компания НТ-МДТ, URL: www.ntmdt.ru
  15. ИНТЕГРА Прима, заголовок с экрана, язык русский, URL: www.ntmdt.ru/modular-afm/prima
  16. ICX205 Datasheet - Sony Corporation Diagonal 8mm (Type 1/2) Progressive Scan CCD Image Sensor with Square Pixel for B/W Cameras, Sony, 22 p.
  17. Foveon, Inc. URL: www.foveon.com
  18. Richard F. Lyon and Paul M. Hubel Eyeing the Camera: into the Next Century // Foveon, Inc. Santa Clara, California, USA, URL: www.foveon.com/files/CIC10_Lyon_Hubel_FINAL.pdf
  19. Paul M. Hubel, John Liu and Rudolph J. Guttosch Spatial Frequency Response of Color Image Sensors: Bayer Color Filters and Foveon X3 Foveon, Inc. Santa Clara, California, USA, URL: www.foveon.com/files/FrequencyResponse.pdf