本发明公开了一种基于多方向特征预测先验的单幅图像超分辨率重建方法。主要包括以下步骤：构建特征预测深度卷积神经网络；针对四个方向特征，分别训练构建的网络；利用训练好的网络模型对输入的低分辨率图像进行多方向特征预测；利用上一步骤预测的四类方向特征，构建多方向特征预测先验；构建基于深度卷积神经网络特征预测与降质约束的超分辨率重建代价函数；利用TFOCS技术来最优化重建代价函数，得到高辨率图像估计。本发明所述的单幅图像超分辨率重建方法，能够获得很好的主客观效果，且抗噪声性能良好。因此，本发明是一种高性能的单幅图像超分辨率重建方法，在航空航天、交通监控、医学成像、影视娱乐等领域有着极高的应用潜力。