高帧率、高分辨率视频在各种机器视觉领域应用广泛。军事上,如红外探测器、电光相机等侦察设备,要克服高速飞行和恶劣天气等因素,获取高帧率、高分辨率视频图像;公共交通安全中,监测飞机的飞行姿态、跟拍高速运行的列车,也要获取高帧率、高分辨率视频才能满足这些高速暂态运动场景;生活中,随着各种数字视频产品的快速发展,人们对高分辨率、高质量视频的需求越来越大。但由于IC工艺水平、数据处理和传输技术等多方面因素的限制,视频的帧率和分辨率难以同时达到高水平,因此,高帧率、高分辨率视频获取成为视频图像处理领域的研究热点。本文以高帧率、高分辨率视频获取为研究课题,设计高帧率、高分辨率视频采集系统,并提出了一种新颖的图像超分辨率重建算法。具体研究内容包括以下三个方面:首先,本文设计了由CCD高帧率支路和CMOS高分辨率支路两部分构成的高帧率、高分辨率视频采集系统,并完成了CCD高帧率支路的高速CCD控制单元模块、AD9928模数转换模块的设计与实现;其次,本文提出了一种基于自适应NLM的图像超分辨率重建算法,该算法的一个特色为不同特性的像素块可以自适应地选择平滑因子,更好地保留原始图像信息,另一个特色为利用双参考帧进行超分辨率重建,补充更多的高频信息,从而提高图像质量;最后,改进提出的超分辨率重建算法,使其适合硬件实现,并利用FPGA的并行特性,对图像进行分块,完成了图像超分辨率重建算法的硬件仿真。利用多个标准图像序列进行多项实验,对比多种经典的图像超分辨率重建算法,结果表明,本文提出的图像超分辨率重建算法在主观评价和客观评价上都有更高的性能。同时,硬件仿真实现的超分辨率重建图像质量与软件实现效果相当,有很高的PSNR和SSIM。