本发明涉及一种基于分析法稀疏表示的超分辨率图像重建方法，属于图像处理技术领域。该方法首先根据训练样本集进行字典的训练，利用分析法的稀疏表示方式，对提取的特征训练出高分辨率字典和低分辨率字典。对于待输入的图像，将其从RGB空间转换入lαβ空间，分割成相同尺寸的块，对这些块进行两种操作：一是将每一个块利用现有的放大方法进行放大；二是提取块的残差图像，计算出其在低分辨率字典中的稀疏表示，然后在高分辨率字典中进行重建，得到重建后的残差图像。将以上两步的结果相加，并转换回RGB空间中，进行逆投影后即可得到重建的超分辨率图像。该方法能够显著的降低重建图像噪声，并保有细节特征，同时具有操作简单，应用广泛的优点。