近年来,高分辨率图像在众多应用场合中的需求日益增大。然而,理论及实际因素常限制了很多数字成像系统的可达分辨率。图像超分辨率重建在这一背景下诞生并迅速发展,其目的是利用数字图像处理技术,从多幅降质的低分辨率图像中重建出一幅或多幅高分辨率图像,以超越成像系统的分辨率极限。本论文主要研究了核回归在多帧超分辨率重建中的应用。首先详细介绍了经典核回归插值理论,通过参数实验讨论了其性质,并说明了经典核回归的实质。接下来,针对经典核回归的固有局限,引出两种改进:方向性核回归和迭代的方向性核回归;针对测量数据中存在异常值的情况,本文提出一种基于l1误差范数的鲁棒核回归。最后,将上述核回归技术应用到基于非均匀插值的多帧超分辨率重建中,即在高分辨率网格上对配准、融合后的低分辨率图像进行非均匀插值,得到初始高分辨率图像,再对其进行复原,作为最终输出。对模拟及真实图像序列的实验结果验证了核回归方法的有效性和鲁棒性。