圖為超采樣成像技術(shù)流程示意圖

數(shù)字圖像傳感器(CCD、CMOS)的像素規(guī)模和性能是影響天文、遙感等領(lǐng)域成像質(zhì)量的核心。目前，圖像傳感器芯片制造已趨近技術(shù)極限。中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院(空天院)張澤研究團(tuán)隊(duì)首次提出了超采樣成像的概念，相關(guān)成果于近日發(fā)表在《激光與光子學(xué)評(píng)論》(Laser & Photonics Reviews)上。

什么是超采樣成像?空天院團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、研究員張澤說，數(shù)字圖像傳感器的工作原理本質(zhì)上對光場進(jìn)行采樣顯像的過程，類似于傳統(tǒng)的膠卷。根據(jù)奈奎斯特采樣定律，一個(gè)信息光場周期至少需要兩個(gè)像素采樣才能不丟失信息，因此圖像傳感器的像素分辨率是圖像顯示的細(xì)節(jié)極限。超采樣成像是突破像素分辨率極限，利用少數(shù)像素傳感器實(shí)現(xiàn)大規(guī)模像素顯像能力的技術(shù)。

自從數(shù)字圖像傳感器取代膠卷以來，成像技術(shù)一直受傳感器采樣極限的困擾。人類制造的數(shù)字圖像傳感器(最小感光單元為像素)在像素尺寸、數(shù)量規(guī)模和響應(yīng)均勻性上遠(yuǎn)不及膠卷(最小感光單元為鹵化銀分子)。依據(jù)當(dāng)前的制造水平，數(shù)字圖像傳感器的像素分辨率和成像質(zhì)量難以大幅提升。超采樣成像技術(shù)繞過了芯片制造水平的限制，為突破像素分辨率成像提供了一條魯棒性很強(qiáng)的技術(shù)途徑。“魯棒性指的是在面對內(nèi)部結(jié)構(gòu)或外部環(huán)境改變時(shí)，仍然能夠維持其功能穩(wěn)定運(yùn)行的能力。超采樣成像技術(shù)具備這樣的穩(wěn)定性。”張澤介紹道。

在實(shí)現(xiàn)原理上，空天院科研團(tuán)隊(duì)采用穩(wěn)態(tài)激光技術(shù)掃描數(shù)字圖像傳感器，通過穩(wěn)態(tài)光場表達(dá)式和輸出圖像矩陣的關(guān)聯(lián)關(guān)系，精確求解出了圖像傳感器像素內(nèi)量子效率分布。當(dāng)使用相機(jī)拍攝動(dòng)態(tài)目標(biāo)，或者移動(dòng)相機(jī)拍攝靜態(tài)場景時(shí)，利用獲取的像素內(nèi)量子效率和像素細(xì)分算法，即可以突破原始像素分辨率，實(shí)現(xiàn)超采樣成像。據(jù)悉，穩(wěn)態(tài)激光技術(shù)是由該團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的鋒芒穩(wěn)態(tài)激光技術(shù)演化而來，在原理上具有極穩(wěn)定的光場形式。

圖為部分超采樣成像效果對比圖及相應(yīng)的定量評(píng)價(jià)，HSI為研究團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)效果

超采樣成像技術(shù)目前可以把像素規(guī)模提高5×5倍，即利用1k×1k的芯片可以實(shí)現(xiàn)5k×5k像素分辨率的成像。并且隨著標(biāo)校精度的進(jìn)一步提升，像素分辨率還具有進(jìn)一步的提升空間。張澤科普地介紹，打個(gè)比方，原有像素是一個(gè)方塊，通過我們的技術(shù)可以將像素分割，等效變成25個(gè)像素(方塊)，對應(yīng)著像素規(guī)模提升了25倍。

該項(xiàng)技術(shù)具有很大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿ΑＲ?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/紅外/" target="_blank">紅外圖像傳感器為例，市場化的成像芯片分辨率一般在2k×2k以下，3k×3k、4k×4k的成像芯片尚未有成熟的商用產(chǎn)品，而采用超采樣成像技術(shù)則可以利用2k×2k芯片實(shí)現(xiàn)8k×8k以上的像素分辨率，這在光學(xué)遙感、安防等成像領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，該技術(shù)已分別在室內(nèi)、室外對無人機(jī)、建筑、高鐵、月亮等目標(biāo)進(jìn)行了成像試驗(yàn)，顯示了良好的技術(shù)魯棒性。

審核編輯 黃宇