सुपर-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग

सुपर-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग (एसआर) तकनीकों का एक वर्ग है जो इमेजिंग सिस्टम के रिज़ॉल्यूशन को बढ़ाता है (बढ़ाता है)। ऑप्टिकल एसआर में सिस्टम की विवर्तन सीमा पार हो जाती है, जबकि ज्यामितीय एसआर में डिजिटल इमेजिंग सेंसर का रिज़ॉल्यूशन बढ़ जाता है।

सुपर-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग (एसआर) तकनीकों का वर्ग है जो डिजिटल इमेजिंग सिस्टम के इमेज रिज़ॉल्यूशन को बढ़ाना (वृद्धि करना) है। ऑप्टिकल एसआर में सिस्टम के विवर्तन-सीमित को पार किया जाता है, जबकि ज्यामितीय एसआर में डिजिटल इमेज सेंसर का रिज़ॉल्यूशन बढ़ाया जाता है।

कुछ रडार और सोनार इमेजिंग अनुप्रयोगों में (उदाहरण के लिए चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई), उच्च-रिज़ॉल्यूशन गणना टोमोग्राफी), मानक पीरियोडोग्राम एल्गोरिदम पर एसआर प्राप्त करने के लिए उप-स्थान अपघटन-आधारित तरीकों (जैसे संगीत ^[1]) और संपीड़ित सेंसिंग-आधारित एल्गोरिदम (जैसे, एसएएमवी^[2]) को नियोजित किया जाता है।

सुपर-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग तकनीकों का उपयोग सामान्य इमेज प्रोसेसिंग और सुपर-रिज़ॉल्यूशन माइक्रोस्कोपी में किया जाता है।

मूल अवधारणा

चूँकि सुपर-रिज़ॉल्यूशन से जुड़े कुछ विचार मूलभूत विषयों को उठाते हैं, इसलिए सबसे पहले प्रासंगिक भौतिक और सूचना-सैद्धांतिक सिद्धांतों की जांच करने की आवश्यकता है:

विवर्तन सीमा: किसी भौतिक वस्तु का विवरण जिसे ऑप्टिकल उपकरण इमेज में पुन: प्रस्तुत कर सकता है, उसकी सीमाएं भौतिकी के नियमों द्वारा अनिवार्य हैं, चाहे प्रकाश के तरंग सिद्धांत में विवर्तन समीकरणों द्वारा तैयार किया गया हो ^[3] या क्वांटम यांत्रिकी में फोटॉन के लिए समकक्ष अनिश्चितता सिद्धांत है।^[4] सूचना हस्तांतरण को इस सीमा से आगे कभी नहीं बढ़ाया जा सकता है, लेकिन सीमा के बाहर के पैकेटों को चतुराई से इसके अंदर के कुछ पैकेटों से बदला जा सकता है (या इसके साथ मल्टीप्लेक्स किया जा सकता है)।^[5] कोई व्यक्ति विवर्तन सीमा को इतना अधिक "तोड़ता" नहीं है जितना कि "चारों ओर भागता है"। आणविक स्तर पर (तथाकथित निकट क्षेत्र में) विद्युत-चुंबकीय गड़बड़ी की जांच करने वाली नई प्रक्रियाएं^[6] मैक्सवेल के समीकरणों के साथ पूरी तरह से सुसंगत रहती हैं।
- स्थानिक-आवृत्ति डोमेन: स्थानिक-आवृत्ति डोमेन में विवर्तन सीमा की संक्षिप्त अभिव्यक्ति दी गई है। फूरियर प्रकाशिकी में प्रकाश वितरण को फ्रिंज चौड़ाई, तकनीकी रूप से स्थानिक आवृत्तियों की श्रृंखला में झंझरी प्रकाश पैटर्न की श्रृंखला के सुपरपोजिशन के रूप में व्यक्त किया जाता है। सामान्यतः यह सिखाया जाता है कि विवर्तन सिद्धांत एक ऊपरी सीमा, कट-ऑफ स्थानिक-आवृत्ति निर्धारित करता है, जिसके परे पैटर्न तत्व ऑप्टिकल इमेज में स्थानांतरित होने में विफल होते हैं, यानी हल नहीं होते हैं। लेकिन वास्तव में विवर्तन सिद्धांत द्वारा जो निर्धारित किया जाता है वह पासबैंड की चौड़ाई है, कोई निश्चित ऊपरी सीमा नहीं। जब कट-ऑफ स्थानिक आवृत्ति से परे एक स्थानिक आवृत्ति बैंड को उसके अंदर स्थानिक आवृत्ति बैंड से बदल दिया जाता है, तो भौतिकी का कोई भी नियम नहीं टूटता है: यह लंबे समय से डार्क-फील्ड माइक्रोस्कोपी में लागू किया गया है। न ही कई बैंडों को आरोपित करते समय सूचना-सैद्धांतिक नियम तोड़े जाते हैं,^[7]^[8]^[9] प्राप्त इमेज में उन्हें हल करने के लिए कई एक्सपोज़र के दौरान वस्तु अपरिवर्तनीयता की धारणाओं की आवश्यकता होती है, यानी, एक प्रकार की अनिश्चितता को दूसरे के साथ प्रतिस्थापित करना है।
जानकारी: जब सुपर-रिज़ॉल्यूशन शब्द का उपयोग मानक रिज़ॉल्यूशन सीमा के भीतर इमेज के सांख्यिकीय उपचार से ऑब्जेक्ट विवरण का अनुमान लगाने की तकनीकों में किया जाता है, उदाहरण के लिए, कई एक्सपोज़र का औसत, इसमें एक प्रकार की जानकारी का आदान-प्रदान (शोर से सिग्नल निकालना) सम्मिलित होता है दूसरा (यह धारणा कि लक्ष्य अपरिवर्तित रहा है)।
रिज़ॉल्यूशन और स्थानीयकरण: सच्चे रिज़ॉल्यूशन में यह भेद सम्मिलित होता है कि क्या कोई लक्ष्य है, उदाहरण के लिए। सितारा या वर्णक्रमीय रेखा, एकल या दोहरी होती है, सामान्यतः इमेज में अलग-अलग चोटियों की आवश्यकता होती है। जब किसी लक्ष्य को एकल के रूप में जाना जाता है, तो उसकी इमेज प्रकाश वितरण के केन्द्रक (गुरुत्वाकर्षण का केंद्र) का पता लगाकर इमेज की चौड़ाई की तुलना में उसका स्थान अधिक सटीकता के साथ निर्धारित किया जा सकता है। इस प्रक्रिया के लिए अल्ट्रा-रिज़ॉल्यूशन शब्द प्रस्तावित किया गया था [10] लेकिन यह लोकप्रिय नहीं हुआ, और उच्च-सटीक स्थानीयकरण प्रक्रिया को सामान्यतः सुपर-रिज़ॉल्यूशन के रूप में जाना जाता है।

इमेजिंग-फॉर्मिंग और -सेंसिंग उपकरणों के प्रदर्शन को बढ़ाने की तकनीकी उपलब्धियों को अब सुपर-रिज़ॉल्यूशन के रूप में वर्गीकृत किया गया है, लेकिन वे हमेशा भौतिकी और सूचना सिद्धांत के नियमों द्वारा लगाए गए सीमाओं के भीतर रहते हैं।

तकनीक

ऑप्टिकल या विवर्तनिक सुपर-रिज़ॉल्यूशन

स्थानिक-आवृत्ति बैंड को प्रतिस्थापित करना: हालांकि विवर्तन द्वारा स्वीकार्य बैंडविड्थ तय है, इसे स्थानिक-आवृत्ति स्पेक्ट्रम में कहीं भी स्थित किया जा सकता है। माइक्रोस्कोपी में डार्क-फ़ील्ड रोशनी इसका उदाहरण है। एपर्चर संश्लेषण भी देखें.

मोइरे घटक होते हैं जो विवर्तन सीमा के भीतर होते हैं और इसलिए इमेज (निचली पंक्ति) में समाहित होते हैं जो बारीक की उपस्थिति की अनुमति देते हैं। फ्रिजों का अनुमान लगाया जाना चाहिए, भले ही वे स्वयं इमेज में प्रदर्शित न हों।

स्थानिक-आवृत्ति बैंडों का बहुसंकेतन

इमेज ऑप्टिकल डिवाइस के सामान्य पासबैंड का उपयोग करके बनाई जाती है। फिर कुछ ज्ञात प्रकाश संरचना, उदाहरण के लिए, प्रकाश फ्रिंजों का सेट, जिसे पासबैंड के भीतर होने की भी आवश्यकता नहीं है, लक्ष्य पर आरोपित किया जाता है।^[10]^[9] इमेज में अब लक्ष्य और सुपरइम्पोज़्ड प्रकाश संरचना के संयोजन से उत्पन्न घटक सम्मिलित हैं, जैसे मोइरे फ्रिन्जेस, और लक्ष्य विवरण के बारे में जानकारी रखता है जो साधारण असंरचित रोशनी में नहीं होता है। हालाँकि, "सुपर सॉल्व्ड" घटकों को उजागर करने के लिए उन्हें सुलझाने की जरूरत है। उदाहरण के लिए, संरचित रोशनी देखें (बाईं ओर का चित्र)।

पारंपरिक विवर्तन सीमा के भीतर बहु पैरामीटर का उपयोग

यदि किसी लक्ष्य में कोई विशेष ध्रुवीकरण या तरंग दैर्ध्य गुण नहीं हैं, तो दो ध्रुवीकरण अवस्था या गैर-अतिव्यापी तरंग दैर्ध्य क्षेत्रों का उपयोग लक्ष्य विवरण को एनकोड करने के लिए किया जा सकता है, कट-ऑफ सीमा के अंदर स्थानिक-आवृत्ति बैंड में और दूसरा इसके बाहर किया जा सकता है। दोनों सामान्य पासबैंड ट्रांसमिशन का उपयोग करेंगे, लेकिन फिर विस्तारित रिज़ॉल्यूशन के साथ लक्ष्य संरचना को पुनर्गठित करने के लिए अलग से डीकोड किया जाएगा।

निकट-क्षेत्र विद्युतचुंबकीय अस्तव्यस्तता का पता लगाना

सुपर-रिज़ॉल्यूशन की सामान्य चर्चा में ऑप्टिकल प्रणाली द्वारा किसी वस्तु की पारंपरिक कल्पना सम्मिलित होती है। लेकिन आधुनिक तकनीक स्रोत की आणविक दूरी के भीतर विद्युत चुम्बकीय गड़बड़ी की जांच करने की अनुमति देती है ^[6] जिसमें बेहतर रिज़ॉल्यूशन गुण हैं, वाष्पशील तरंगें और नए सुपर लेंस का विकास भी देखें।

ज्यामितीय या इमेज-प्रोसेसिंग सुपर-रिज़ॉल्यूशन

सुपर-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग (एसआर) तकनीकों का एक वर्ग है जो इमेजिंग सिस्टम के रिज़ॉल्यूशन को बढ़ाता है (बढ़ाता है)। ऑप्टिकल एसआर में सिस्टम की विवर्तन सीमा पार हो जाती है, जबकि ज्यामितीय एसआर में डिजिटल इमेजिंग सेंसर का रिज़ॉल्यूशन बढ़ जाता है।

सुपर-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग (एसआर) तकनीकों का वर्ग है जो डिजिटल इमेजिंग सिस्टम के इमेज रिज़ॉल्यूशन को बढ़ाता (बढ़ाता) है। ऑप्टिकल एसआर में सिस्टम के विवर्तन-सीमित को पार किया जाता है, जबकि ज्यामितीय एसआर में डिजिटल इमेज सेंसर का रिज़ॉल्यूशन बढ़ाया जाता है।

कुछ रडार और सोनार इमेजिंग अनुप्रयोगों में (उदाहरण के लिए चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई), उच्च-रिज़ॉल्यूशन गणना टोमोग्राफी), मानक पीरियोडोग्राम एल्गोरिदम पर एसआर प्राप्त करने के लिए उप-स्थान अपघटन-आधारित तरीकों (जैसे संगीत ^[11]) और संपीड़ित सेंसिंग-आधारित एल्गोरिदम (जैसे, एसएएमवी^[2]) को नियोजित किया जाता है।

सुपर-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग तकनीकों का उपयोग सामान्य इमेज प्रोसेसिंग और सुपर-रिज़ॉल्यूशन माइक्रोस्कोपी में किया जाता है।

सिग्नल-टू-शोर अनुपात को कई अलग-अलग प्राप्त इमेज (दाएं) के उपयुक्त संयोजन द्वारा बेहतर बनाया जाता है। इस तरह के विवरण को प्रकट करने के लिए इमेजिंग प्रक्रिया की आंतरिक रिज़ॉल्यूशन क्षमता के भीतर ही इसे प्राप्त किया जा सकता है।

सिंगल-फ़्रेम डीब्लरिंग

किसी दी गई इमेजिंग स्थिति में ज्ञात दोष, जैसे कि डिफोकस या विपथन, को कभी-कभी एकल इमेज के उपयुक्त स्थानिक-आवृत्ति फ़िल्टरिंग द्वारा पूर्ण या आंशिक रूप से कम किया जा सकता है। ऐसी सभी प्रक्रियाएँ विवर्तन-अनिवार्य पासबैंड के भीतर रहती हैं, और इसे बढ़ाती नहीं हैं।

दोनों विशेषताएं 3 पिक्सेल से अधिक लेकिन अलग-अलग मात्रा में विस्तारित होती हैं, जिससे उन्हें पिक्सेल आयाम से बेहतर सटीकता के साथ स्थानीयकृत किया जा सकता है।

सबपिक्सेल इमेज स्थानीयकरण

एकल स्रोत का स्थान कई आसन्न पिक्सेल पर फैले प्रकाश वितरण के "गुरुत्वाकर्षण के केंद्र" (केन्द्रक) की गणना करके निर्धारित किया जा सकता है (बाईं ओर का चित्र देखें)। बशर्ते कि पर्याप्त रोशनी हो, इसे मनमाने परिशुद्धता के साथ प्राप्त किया जा सकता है, जो पता लगाने वाले उपकरण की पिक्सेल चौड़ाई और स्रोत एकल या डबल है या नहीं, इसके निर्णय के लिए रिज़ॉल्यूशन सीमा से बहुत बेहतर है। यह तकनीक, जिसके लिए यह पूर्वधारणा आवश्यक है कि सारा प्रकाश एक ही स्रोत से आता है, उस पर आधारित है जिसे सुपर-रिज़ॉल्यूशन माइक्रोस्कोपी के रूप में जाना जाता है, उदाहरण के लिए स्टोकेस्टिक ऑप्टिकल पुनर्निर्माण माइक्रोस्कोपी (STORM), जहां अणुओं से जुड़ी फ्लोरोसेंट जांच नैनोस्केल दूरी की जानकारी देती है। यह दृश्य अतिसक्रियता का अंतर्निहित तंत्र भी है।^[12]

बायेसियन प्रेरण पारंपरिक विवर्तन सीमा से परे

कुछ वस्तु विशेषताएं, हालांकि विवर्तन सीमा से परे हैं, उन्हें अन्य वस्तु सुविधाओं से संबद्ध माना जा सकता है जो सीमा के भीतर हैं और इसलिए इमेज में निहित हैं। फिर, पूर्ण वस्तु की उपस्थिति के बारे में उपलब्ध इमेज डेटा से, सांख्यिकीय तरीकों का उपयोग करके निष्कर्ष निकाला जा सकता है।^[13] शास्त्रीय उदाहरण टोराल्डो डि फ्रांसिया का प्रस्ताव^[14] है, जिसमें यह निर्धारित किया जाता है कि कोई इमेज एकल या दोहरे तारे की है या नहीं, यह निर्धारित करके कि क्या इसकी चौड़ाई एक तारे के प्रसार से अधिक है। इसे शास्त्रीय रिज़ॉल्यूशन सीमा से काफी नीचे पृथक्करण पर प्राप्त किया जा सकता है, और इसके लिए "एकल या दोहरा?" विकल्प की पूर्व सीमा की आवश्यकता होती है।

यह दृष्टिकोण आवृत्ति डोमेन में इमेज को एक्सट्रपलेशन करने का रूप ले सकता है, यह मानकर कि ऑब्जेक्ट एक विश्लेषणात्मक फ़ंक्शन है और हम कुछ अंतराल में फ़ंक्शन मानों को सटीक रूप से जान सकते हैं। यह विधि डिजिटल इमेजिंग सिस्टम में हमेशा उपस्थित शोर से गंभीर रूप से सीमित है, लेकिन यह रडार, खगोल विज्ञान, माइक्रोस्कोपी या चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग के लिए काम कर सकती है।^[15] अभी हाल ही में, $\ell _{2}-\ell _{2}$ समस्याओं के बंद-फॉर्म समाधान पर आधारित एक तेज़ सिंगल-इमेज सुपर-रिज़ॉल्यूशन एल्गोरिदम प्रस्तावित किया गया है और अधिकांश उपस्थित बायेसियन सुपर-रिज़ॉल्यूशन विधियों को महत्वपूर्ण रूप से तेज करने के लिए प्रदर्शित किया गया है।^[16]

उपनाम

ज्यामितीय एसआर पुनर्निर्माण एल्गोरिदम तभी संभव है जब इनपुट कम रिज़ॉल्यूशन वाली इमेज का नमूना कम लिया गया हो और इसलिए उनमें अलियासिंग सम्मिलित हो। इस अलियासिंग के कारण, वांछित पुनर्निर्माण इमेज की उच्च-आवृत्ति सामग्री प्रत्येक देखी गई इमेज की कम-आवृत्ति सामग्री में एम्बेडेड होती है। पर्याप्त संख्या में अवलोकन इमेज को देखते हुए, और यदि अवलोकनों का सेट उनके चरण में भिन्न होता है (यानी यदि दृश्य की इमेज को उप-पिक्सेल राशि द्वारा स्थानांतरित किया जाता है), तो चरण की जानकारी का उपयोग उपनामित उच्च-आवृत्ति को अलग करने के लिए किया जा सकता है वास्तविक निम्न-आवृत्ति सामग्री से सामग्री, और पूर्ण-रिज़ॉल्यूशन इमेज को सटीक रूप से पुनर्निर्मित किया जा सकता है।^[17]

व्यवहार में, इस आवृत्ति-आधारित दृष्टिकोण का उपयोग पुनर्निर्माण के लिए नहीं किया जाता है, लेकिन स्थानिक दृष्टिकोण (उदाहरण के लिए शिफ्ट-ऐड फ़्यूज़न^[18]) के स्थिति में भी, एसआर पुनर्निर्माण के लिए अलियासिंग की उपस्थिति अभी भी एक आवश्यक शर्त है

तकनीकी कार्यान्वयन

एसआर के सिंगल-फ्रेम और मल्टीपल-फ्रेम दोनों प्रकार के कई संस्करण हैं। मल्टीपल-फ़्रेम एसआर एक ही दृश्य की कई कम-रिज़ॉल्यूशन इमेज के बीच उप-पिक्सेल शिफ्ट का उपयोग करता है। यह सभी कम-रिज़ॉल्यूशन वाली इमेज से जानकारी को मिलाकर एक बेहतर रिज़ॉल्यूशन वाली इमेज बनाता है, और बनाई गई उच्च रिज़ॉल्यूशन वाली इमेज दृश्य का बेहतर विवरण देती हैं। एकल-फ़्रेम एसआर विधियाँ धुंधलापन उत्पन्न किए बिना इमेज को बड़ा करने का प्रयास करती हैं। उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली इमेज कैसी दिखनी चाहिए, इसका अनुमान लगाने के लिए ये विधियाँ कम-रिज़ॉल्यूशन वाली इमेज के अन्य हिस्सों या अन्य असंबंधित इमेज का उपयोग करती हैं। एल्गोरिदम को उनके डोमेन द्वारा भी विभाजित किया जा सकता है: फ़्रीक्वेंसी या स्पेस डोमेन मूल रूप से, सुपर-रिज़ॉल्यूशन विधियां केवल ग्रेस्केल इमेज पर अच्छी तरह से काम करती थीं,^[18] लेकिन शोधकर्ताओं ने उन्हें रंगीन कैमरे की इमेज में अनुकूलित करने के तरीके ढूंढ लिए हैं।^[19] हाल ही में, 3D डेटा के लिए सुपर-रिज़ॉल्यूशन का उपयोग भी दिखाया गया है।^[20]

अनुसंधान

सुपर-रिज़ॉल्यूशन निष्पादित करने के लिए गहरे कन्वोल्यूशनल नेटवर्क का उपयोग करने पर आशाजनक शोध उपस्थित है।^[21] विशेष कार्य में पराग कणों की 20x माइक्रोस्कोप इमेज को 1500x स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप इमेज में परिवर्तित करके इसका उपयोग करके प्रदर्शित किया गया है।^[22] हालांकि यह तकनीक किसी इमेज की सूचना सामग्री को बढ़ा सकती है, लेकिन इस बात की कोई प्रत्याभूति नहीं है कि मूल इमेज में अपस्केल की गई विशेषताएं उपस्थित हैं और अस्पष्ट इनपुट के साथ विश्लेषणात्मक अनुप्रयोगों में गहरे कन्वोल्यूशनल अपस्केलर्स का उपयोग नहीं किया जाना चाहिए। ये विधियां इमेज विशेषताओं को मतिभ्रम कर सकती हैं, जो उन्हें चिकित्सा उपयोग के लिए असुरक्षित बना सकती हैं।^[23]

यह भी देखें

संदर्भ

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अन्य संबंधित कार्य

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