像素可以分割了！我國科研人員首次實(shí)現(xiàn)超采樣成像

本站 11 月 27 日消息，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。

本站從中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院官網(wǎng)獲悉，空天院張澤研究員團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)像素“分割”成像，成功開發(fā)出超采樣成像技術(shù)，該技術(shù)能夠顯著提升圖像傳感器的像素分辨率和成像質(zhì)量。相關(guān)研究成果發(fā)表于《激光與光子學(xué)評(píng)論》雜志。

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(duì)光場(chǎng)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(chǎng)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?！棒敯粜灾傅氖窃诿鎸?duì)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?！睆垵山榻B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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)形式。

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，通過該技術(shù)可以將像素分割，等效變成 25 個(gè)像素（方塊），對(duì)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约t外圖像傳感器為例，市場(chǎng)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(duì)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。