随着数字成像技术在卫星遥感、生物医疗、公共安全等领域的广泛应用,人们对数字图像质量的要求也越来越高,现有成像设备的分辨率往往不能满足实际需求。图像超分辨率技术能够在不改变现有成像设备的前提下,只采用合适的数字信号处理方法,即可提升图像的分辨率,在成本上具有很大的优势,因此近年来受到了广泛的关注。然而,大部分的超分辨率技术都需要借助计算机来完成,无法实现实时处理,极大地限制了该技术的应用范围。因此,将超分辨率技术与嵌入式系统结合,研发小型化、便携式的图像处理产品,具有重要的实用意义。本文的研究目标是设计超分辨率重建系统,实现对图像的脱机超分辨率处理。主要研究内容包括图像超分辨率处理系统的硬件平台设计、超分辨率算法的选取与改进、算法的硬件实现及系统优化等。具体工作如下:(1)设计了一种以ARM+FPGA为框架的嵌入式图像处理系统,该系统以ARM为控制中心,以FPGA为数据处理中心,具有良好的系统管理能力和出色的数据并行处理能力,能满足大部分图像处理算法对硬件的要求。(2)分析了现有图像超分辨率算法的优缺点。在考虑硬件移植的基础上,针对嵌入式系统的特点,选取了基于稀疏表示的超分辨率算法作为本系统的重建算法。(3)研究嵌入式Linux移植的方法,介绍如何建立交叉编译环境,并给出u-boot和Linux内核裁剪与移植过程。(4)深入探析基于稀疏表示的超分辨率算法的原理,对现有算法进行了部分改进,并采用联合字典训练方式来训练高低分辨率字典对,提出了基于分类的多字典重建算法、优化了图像特征的提取算子。实验结果表明,这些改进能够提高图像的重建质量、降低算法的运行时间。(5)根据系统软硬件的特点,给出了算法的移植方案和移植过程,将能够并行处理且运算量较大的OMP算法移植到FPGA中,其余部分由ARM处理完成,在此基础上,给出了系统的优化方案,包括算法的优化,编译的优化和硬件系统的优化。(6)完成系统的整体调试,并利用该系统实现图像的超分辨率重建,验证了系统的有效性。