基于微纳运动平台的超分辨率重构系统及重构方法技术方案

本公开提供了一种基于微纳运动平台的超分辨率重构系统及重构方法。其中，基于微纳运动平台的超分辨率重构系统，包括：微纳运动平台，所述微纳运动平台上连接有观测物；图像采集装置，所述图像采集装置安装在显微镜的目镜上，显微镜的物镜位于微纳运动平台的正上方且可观测到观测物；信号处理装置，所述信号处理装置被配置为向微纳运动平台传送位置指令，控制微纳运动平台拖动观测物运动到指定位置；当观测物到达指定位置后，向图像采集装置发送图像采集指令，接收图像采集装置发送的观测物序列图像。

Super-resolution Reconstruction System and Reconstruction Method Based on Micro-nano Motion Platform

【技术实现步骤摘要】
基于微纳运动平台的超分辨率重构系统及重构方法
本公开属于超分辨率重构领域，尤其涉及一种基于微纳运动平台的超分辨率重构系统及重构方法。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。图像超分辨率重构技术最早出现在20世纪60年代，Harris和Goodman首次提出了单张图像复原的概念，并研究了复原的方法。随后许多人对图像复原进行了研究，创新出了多种复原方法。比如椭圆球波函数法，线性外推法，叠加正弦模板法等等。虽然这些方法做出了比较好的仿真结果，但在实践应用中并没有取得理想的效果。80年代初，Tsai和Huang首次提出了基于序列或多帧影像的超分辨率重构的问题，并给出了基于频率域逼近的重建影像的方法。在国内，图像超分辨率重构技术的研究已经起步，北京理工大学的刘新平博士在1999年提出“亚像元成像”的概念，他利用面阵CCD和线阵CCD做探测器验证了亚像元成像原理，进行了仿真实验研究。得到了分辨率提高到1.8倍的图像，说明了亚像元成像的原理的正确性。苏秉华等提出了基于Markov约束的泊松最大后验概率(Poisson-MAP)超分辨率图像复原方法(MPMAP)，该方法把Poisson-MAP法和Markov随机场先验分布有机地结合在一起。他们所做的实验表明，该方法能有效地减少和去除复原图像中的噪声和振荡条纹，提高图像复原的质量，具有很好的超分辨率复原能力。专利技术人发现，目前国内外对超分辨率重构技术的研究主要针对具有普适性的算法实现，还没有对特定的显微视觉领域进行研究。由于现有的超分辨率重构技术主要的信息来源是图像之间的亚像素位移信息，而这种信息一般来自相机的抖动，这样最终能够收集得到的亚像素信息十分有限。同时，现有超分辨率重构技术获取图像帧间运动关系主要依靠的是精度不高的运动估计算法。鉴于显微视觉对图像的重构精度有很高要求，本专利技术利用微纳运动平台主动提供亚像素运动信息以及利用光栅尺提供图像帧间运动关系，最终可以大幅提高图像的超分辨率重构精度。
技术实现思路
为了解决上述问题，本公开的第一个方面提供一种基于微纳运动平台的超分辨率重构系统，其采用微纳运动平台直接驱动观测物进行亚像素尺度运动，能够实现图像的高精度和高分辨重构。为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：一种基于微纳运动平台的超分辨率重构系统，包括：微纳运动平台，所述微纳运动平台上连接有观测物；图像采集装置，所述图像采集装置安装在显微镜的目镜上，显微镜的物镜位于微纳运动平台的正上方且可观测到观测物；信号处理装置，所述信号处理装置被配置为：向微纳运动平台传送位置指令，控制微纳运动平台拖动观测物运动到指定位置；当观测物到达指定位置后，向图像采集装置发送图像采集指令，接收图像采集装置发送的观测物序列图像；选择观测物序列图像中的第一幅作为参考图像并将其放大至和重构后图像相同的尺寸；其中，观测物序列图像中的分辨率为第一分辨率；重构后图像的分辨率为第二分辨率，第二分辨率大于第一分辨率；建立从第二分辨率到第一分辨率的图像退化模型；根据图像退化模型和与其它图像的运动信息，将参考图像退化为和其它序列图像具有相同亚像素运动信息的第三分辨率图像，再将其和图像采集装置采集得到的第二分辨率图像进行对比，将它们之间的灰度误差作为输入量用以修正参考图像，直到分辨率误差小于设定值为止。为了解决上述问题，本公开的第二个方面提供一种基于微纳运动平台的超分辨率重构系统的重构方法，其采用微纳运动平台直接驱动观测物进行亚像素尺度运动，能够实现图像的高精度和高分辨重构。为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：一种基于微纳运动平台的超分辨率重构系统的重构方法，包括：接收观测物序列图像；选择观测物序列图像中的第一幅作为参考图像并将其放大至和重构后图像相同的尺寸；其中，观测物序列图像中的分辨率为第一分辨率；重构后图像的分辨率为第二分辨率，第二分辨率大于第一分辨率；建立从第二分辨率到第一分辨率的图像退化模型；根据图像退化模型和与其它图像的运动信息，将参考图像退化为和其它序列图像具有相同亚像素运动信息的第三分辨率图像，再将其和图像采集装置采集得到的第二分辨率图像进行对比，将它们之间的灰度误差作为输入量用以修正参考图像，直到分辨率误差小于设定值为止。本公开的有益效果是：目前现有的超分辨率成像技术的重构精度主要依赖于序列图像之间运动估计的精度，而本实施例采用微纳运动平台直接驱动观测物进行亚像素尺度运动，运动信息是从光栅传感器读取得到的，光栅测量精度高达2nm，因此本实施例极大地提高了显微尺度下超分辨率重构的精度。附图说明构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。图1为本公开实施例的基于微纳运动平台的超分辨率重构系统结构示意图；图2为本公开实施例的待测物图像；图3为本公开实施例的微纳运动平台Simulink控制算法框图；图4为本公开实施例的微纳运动平台轨迹图；图5为本公开实施例的微纳运动平台稳态运动精度图；图6为本公开实施例的自适应图像采集算法程序框图；图7为本公开实施例的图像处理算法中图像退化模型图；图8为本公开实施例的超分辨率重构算法程序框图；图9(a)为本公开实施例的双线性插值的高分辨率图像；图9(b)为本公开实施例的使用重构处理得到的高分辨率图像。图10为本公开实施例的微纳运动平台结构图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。图1是本公开实施例提供的一种基于微纳运动平台的超分辨率重构系统结构示意图。如图1所示，本实施例的基于微纳运动平台的超分辨率重构系统，包括微纳运动平台、图像采集装置和信号处理装置。其中，所述微纳运动平台上连接有观测物。作为一种实施方式，微纳运动平台可与观测物刚性连接。作为一种实施方式，微纳运动平台包括：柔性板簧、压电陶瓷、光栅尺、固定架和活动台，如图10所示。作为一种实施方式，所述微纳平台的上表面与观测物之间设有镀金薄膜，所述镀金薄膜作为观测物的背景，这样可以保证探针所处背景的洁净度，不会对图像处理造成干扰。作为一种实施方式，所述显微镜和微纳运动平台均封闭在密闭空间内，从而减少空气中颗粒物对参照物造成的污染。例如：所述显微镜和微纳平台均封闭在玻璃罩内，从而减少空气中微小颗粒物对参照物造成的污染。作为一种实施方式，所述微纳运动平台内置位移传感器，所述位移传感器用于采集观测物的运动信息并传送至信号处理装置。其中，位移传感器包括但不限于光栅传感器。在具体实施中，所述图像采集装置安装在显微镜的目镜上，显微镜的物镜位于微纳运动平台的正上方且可观测到观测物；在本实施例中，图像采集装置采用摄像本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微纳运动平台的超分辨率重构系统，其特征在于，包括：微纳运动平台，所述微纳运动平台上连接有观测物；图像采集装置，所述图像采集装置安装在显微镜的目镜上，显微镜的物镜位于微纳运动平台的正上方且可观测到观测物；信号处理装置，所述信号处理装置被配置为：向微纳运动平台传送位置指令，控制微纳运动平台拖动观测物运动到指定位置；当观测物到达指定位置后，向图像采集装置发送图像采集指令，接收图像采集装置发送的观测物序列图像；选择观测物序列图像中的第一幅作为参考图像并将其放大至和重构后图像相同的尺寸；其中，观测物序列图像中的分辨率为第一分辨率；重构后图像的分辨率为第二分辨率，第二分辨率大于第一分辨率；建立从第二分辨率到第一分辨率的图像退化模型；根据图像退化模型和与其它图像的运动信息，将参考图像退化为和其它序列图像具有相同亚像素运动信息的第三分辨率图像，再将其和图像采集装置采集得到的第二分辨率图像进行对比，将它们之间的灰度误差作为输入量用以修正参考图像，直到分辨率误差小于设定值为止。

【技术特征摘要】
1.一种基于微纳运动平台的超分辨率重构系统，其特征在于，包括：微纳运动平台，所述微纳运动平台上连接有观测物；图像采集装置，所述图像采集装置安装在显微镜的目镜上，显微镜的物镜位于微纳运动平台的正上方且可观测到观测物；信号处理装置，所述信号处理装置被配置为：向微纳运动平台传送位置指令，控制微纳运动平台拖动观测物运动到指定位置；当观测物到达指定位置后，向图像采集装置发送图像采集指令，接收图像采集装置发送的观测物序列图像；选择观测物序列图像中的第一幅作为参考图像并将其放大至和重构后图像相同的尺寸；其中，观测物序列图像中的分辨率为第一分辨率；重构后图像的分辨率为第二分辨率，第二分辨率大于第一分辨率；建立从第二分辨率到第一分辨率的图像退化模型；根据图像退化模型和与其它图像的运动信息，将参考图像退化为和其它序列图像具有相同亚像素运动信息的第三分辨率图像，再将其和图像采集装置采集得到的第二分辨率图像进行对比，将它们之间的灰度误差作为输入量用以修正参考图像，直到分辨率误差小于设定值为止。2.如权利要求1所述的一种基于微纳运动平台的超分辨率重构系统，其特征在于，所述微纳平台上表面与观测物之间设有镀金薄膜，所述镀金薄膜作为观测物的背景。3.如权利要求1所述的一种基于微纳运动平台的超分辨率重构系统，其特征在于，所述显微镜和微纳运动平台均封闭在密闭空间内，从而减少空气中颗粒物对参照物造成的污染。4.如权利要求1所述的一种基于微纳运动平台的超分辨率重构系统，其特征在于，所述微纳运动平台内置位移传感器，所述位移传感器用于采集观测物的运动信息并传送至信号处理装置。5.如权利要求1所述的一种基于微纳运动平台的超分辨率重构系统，其特征在于，所述信号处理装置，包括计算机终端和控制器，所述计算机终端，用于发送图像采集指令至图像采集装置；以及发送位置指令至控制器，由控制器控制微纳运动平台拖动观测物运动到指定位置。6.一种如权利要求1-5...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢国梁，苏高照，闫鹏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37