作者:高雅丽 来源:中国科学报 发布时间:2024/11/28 20:31:33
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提升25倍!我国科研团队首次实现像素“分割”成像

 

11月27日,记者从中国科学院空天信息创新研究院(空天院)获悉,空天院研究员张泽团队首次提出了超采样成像的概念,通过测定像素内量子效率,实现了像素“分割”成像。相关成果发表在《激光与光子学评论》。

超采样成像技术流程示意图。空天院供图

数字图像传感器(CCD、CMOS)的像素规模和性能是影响天文、遥感等领域成像质量的核心,目前图像传感器芯片制造已趋近技术极限。张泽说,数字图像传感器的工作原理本质上对光场进行采样显像的过程,类似于传统的胶卷。根据奈奎斯特采样定律,一个信息光场周期至少需要两个像素采样才能不丢失信息,因此图像传感器的像素分辨率是图像显示的细节极限。超采样成像是突破像素分辨率极限,利用少数像素传感器实现大规模像素显像能力的技术。

自从数字图像传感器取代胶卷以来,成像技术一直受传感器采样极限的困扰,人类制造的数字图像传感器在像素尺寸、数量规模和响应均匀性上远不及胶卷。依据当前的制造水平,数字图像传感器的像素分辨率和成像质量难以大幅提升。超采样成像技术绕过了芯片制造水平的限制,为突破像素分辨率成像提供了一条鲁棒性很强的技术途径。“鲁棒性指的是在面对内部结构或外部环境改变时,仍然能够维持其功能稳定运行的能力。超采样成像技术具备这样的稳定性。”张泽介绍道。

在实现原理上,空天院科研团队采用稳态激光技术扫描数字图像传感器,通过稳态光场表达式和输出图像矩阵的关联关系,精确求解出了图像传感器像素内量子效率分布。当使用相机拍摄动态目标,或者移动相机拍摄静态场景时,利用获取的像素内量子效率和像素细分算法,即可以突破原始像素分辨率,实现超采样成像。据悉,稳态激光技术是由该团队首创的锋芒稳态激光技术演化而来,在原理上具有极稳定的光场形式。

超采样成像技术目前可以把像素规模提高5×5倍,即利用1k×1k的芯片可以实现5k×5k像素分辨率的成像。并且随着标校精度的进一步提升,像素分辨率还具有进一步的提升空间。

“原有像素是一个方块,通过我们的技术可以将像素分割,等效变成25个像素(方块),对应着像素规模提升了25倍。”张泽说。

该项技术具有很大的应用发展潜力。以红外图像传感器为例,市场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产品,而采用超采样成像技术则可以利用2k×2k芯片实现8k×8k以上的像素分辨率,这在光学遥感、安防等成像领域具有广阔的应用前景。

目前,该技术已分别在室内、室外对无人机、建筑、高铁、月亮等目标进行了成像试验,显示了良好的技术鲁棒性。

部分超采样成像效果对比图及相应的定量评价。空天院供图

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/lpor.202401306

 
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