哈達瑪變換光譜儀壓縮系統(tǒng)研究

陳小來 ， 胡炳樑 ， 錢情明 ，2， 劉彩芳 ，2

（1.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所 光譜成像技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710119；2.中國科學(xué)院研究生院 北京 100084）

哈達瑪變換光譜儀壓縮系統(tǒng)研究

陳小來1， 胡炳樑1， 錢情明1，2， 劉彩芳1，2

（1.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所 光譜成像技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710119；2.中國科學(xué)院研究生院 北京 100084）

基于數(shù)字微鏡器件（Digital Micro-mirror Device，DMD）的哈達瑪變換光譜技術(shù)是一種新型的光譜成像技術(shù)，在國內(nèi)很少有專門的文獻介紹[1-3]。文中先介紹了本實驗采用的哈達瑪光譜儀樣機的原理以及哈達瑪成像光譜儀優(yōu)于傳統(tǒng)模板的獨特之處，即獲得多通道高能量高信噪比的光譜數(shù)據(jù)，然后描述對采集到的數(shù)據(jù)做高信噪比，高分辨率壓縮處理，最后說明此方法實時性強、圖像失真小、實用價值高、應(yīng)用范圍廣。

FPGA；ADV212；JPEG2000；圖像壓縮；DMD；哈達瑪變換光譜儀

當(dāng)今社會科技發(fā)展，海量的數(shù)據(jù)信息需要在傳輸和存儲過程中先進行壓縮處理，尤其對于包含光譜信息的光譜儀的數(shù)據(jù)采集。在國內(nèi)基于哈達瑪變換光譜儀研究還比較少，基于DMD哈達瑪變換光譜成像技術(shù)是國內(nèi)新創(chuàng)的色散型光譜技術(shù)。結(jié)合Diehl等[4]提出的線性微鏡陣列和哈達瑪變換光譜調(diào)制技術(shù)，就是文中DMD的雛形，較之其他兩種模板：移動式機械編碼模板（movable mechanical mask）和固定式光電模板 （stationary electro-optic mask），DMD可實現(xiàn)簡單編碼快速、高分辨HT成像。而對于光譜數(shù)據(jù)，壓縮的好壞，直接關(guān)系到光譜復(fù)原的質(zhì)量。關(guān)于JPEG2000ADV212的壓縮已有好多文章在研究，但很多都只停留在理論介紹性的層面。本文針對哈達瑪變換成像光譜儀設(shè)計了硬件實時壓縮系統(tǒng)。采用FPGA+ADV212，F(xiàn)PGA用于邏輯控制和輔助數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，而ADV212是ADI公司2006年更新的基于JPEG2000的專用圖像壓縮編解碼芯片。給出并分析了了相應(yīng)的處理結(jié)果。

1 哈達碼變換成像光譜儀原理

哈達瑪變換成像原理的關(guān)鍵是哈達瑪變換模板，該變換模板是一個7階（或者15階）方陣（以7階為例），應(yīng)用該模板對輸入信號的7個譜段進行選擇，從而可以實現(xiàn)對光譜信號的編碼。其矩陣表達式為：

輸出的單個信號可以寫成是：

其中yj為用第j個模板調(diào)制的光譜信號的疊加。對式Y(jié)=SX兩邊同時乘以S-1，

即可復(fù)原圖像的光譜信息。

基于DMD的哈達瑪變換光譜成像儀用DMD取代傳統(tǒng)光柵作為分光器件[4]，由前置光學(xué)系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、空間光調(diào)制器（DMD）以及后置光學(xué)系統(tǒng)等組成，儀器原理如圖1所示。其成像過程如下：目標(biāo)物反射的平行光（混合光）經(jīng)過前置光學(xué)系統(tǒng)后到達反射光柵1，經(jīng)反射光柵1分光后得到單色光。單色光經(jīng)會聚鏡1會聚后將目標(biāo)成像于Hadamard編碼模板表面，通過DMD控制電路來改變hadarmard變換模板，從而得到一組編碼光譜圖像。經(jīng)過DMD編碼的圖像經(jīng)準(zhǔn)直鏡2，反射光柵2和會聚鏡2后成像在面陣CCD的靶面上。

圖1 哈達碼變換光譜成像儀原理圖Fig.1 Imaging theory of hadamard transform spectral imager

哈達瑪變換光譜儀獲得的光譜圖片：

原始圖像是512×256，位深是8 bit的bmp格式的灰度圖。圖2是哈達瑪變換7階編碼后采集的7幅不同譜段未進行復(fù)原的二維光譜數(shù)據(jù)。

2 實時光譜圖像壓縮系統(tǒng)

2.1 JPEG200圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)以及專用芯片ADV212

JPEG2000是新一代靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，與JPEG標(biāo)準(zhǔn)相比，可支持有損和無損壓縮，采用WT小波變換取代傳統(tǒng)DCT變換 ，克服了方塊效應(yīng) ，且在低比特速率下，能獲得比較滿意的視覺效果。在壓縮率相同的條件下，JPEG2000的信噪比將比JPEG提高 30%左右。JPEG2000具有高壓縮比，支持無損壓縮和有損壓縮，漸進傳輸，還有對感興趣區(qū)域的壓縮（ROI），碼流可以隨機訪問和處理。

圖2 哈達瑪光譜儀獲取的7個波段圖像Fig.2 7 Different wavelengths images captured by hadamard transform spectral imager

圖3 JPEG200基本系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of JPEG200 basic system

ADV212[5-7]是ADI公司2006新推出的一款單片實現(xiàn)視頻和高帶寬圖像的JPEG2000編解碼的專用芯片，相比2004年的ADV202功耗至少降低50%。內(nèi)部采用5/3或者9/7小波濾波器構(gòu)造，支持無損或有損壓縮。使用了ADI專利權(quán)的空間高效遞歸濾波（SURF）小波技術(shù)，最大的輸速率在不可逆模式是65MSPS，可逆模式40MSPS，單色圖像寬度可達到4 096 pixels，可支持8/10/16 bit的像素輸入。系統(tǒng)上電之后，為了使ADV212工作在設(shè)定的模式下，需要由FPGA對ADV212內(nèi)部控制系統(tǒng)進行初始化，下載ADV212壓縮、解壓固件。ADV212參數(shù)設(shè)置包括系統(tǒng)時鐘，壓縮和解壓模式，有損或無損，壓縮率設(shè)置等。

2.2 基于FPGA的光譜圖像壓縮系統(tǒng)

圖像壓縮系統(tǒng)采用FPGA+ADV212框架，開發(fā)工具是XilinxEDK9.0。ADV212芯片先后被配置在壓縮、解壓不同的模式下。ADV212設(shè)定在HIPI[8]Custom-specific Mode模式，程序的工作流程：原始圖像通過LVDS模塊由數(shù)據(jù)源板傳輸?shù)紽PGA的FIFO，然后緩存到32位SDRAM，再通過 HDATA bus傳到ADV212的像素接口（PIXEL FIFO寄存器），這時只要ADV212的PIXEL FIFO寄存器的數(shù)據(jù)容量大于CODE FIFO THRESHOLD REGISTER寄存器設(shè)置的32個32 bit數(shù)據(jù)，ADV212會自動向FPGA請求中斷，開始進行數(shù)據(jù)壓縮處理，生成的壓縮碼流xx.j2c從ADV212CODE FIFO讀出存儲到SDRAM中，再通過Xmodem串口傳輸協(xié)傳輸至上位機；同時也可以繼續(xù)進行解壓，但須先將ADV212配置成解壓縮模式：將ADV212 CODE FIFO中的j2c文件傳到 ADV212中的CODE FIFO中，解壓重構(gòu)的xx.bmp圖像由ADV212的PIXEL FIFO讀出，再經(jīng)由SRAM傳回PC機。ADV212壓縮參數(shù)設(shè)置：采用 9/7濾波器的有損壓縮，壓縮比是8:1，5層小波分解。圖4是系統(tǒng)壓縮解壓縮流程圖。

3 圖像質(zhì)量分析

表1是經(jīng)由硬件壓縮系統(tǒng)壓縮、解壓后光譜圖像和圖2中的源圖像進行比較、分析結(jié)果。 對解壓縮圖像的質(zhì)量評價主要的指標(biāo)：信噪比（SNR）、峰值信噪比（PSNR）、均方誤差（MSE），x（i，j）和 y（i，j）分別代表原始圖像和解壓縮圖像后的像素值，M，N代表圖像分辨率）

圖4 壓縮系統(tǒng)框圖Fig.4 Compression System Block Diagram

實驗結(jié)果分析：

1）由壓縮、解壓系統(tǒng)復(fù)原出的7幅圖如圖5所示，主觀視覺效果無失真，圖像清晰可見，峰值信噪比（PSNR）達到48以上，信噪比（SNR）41.5以上，重構(gòu)圖像質(zhì)量優(yōu)；

2）本實驗同時進行了1:1、2:1、4:1、16:1壓縮比的圖像壓縮與解壓，圖6中繪制不同壓縮比解壓縮后的哈達瑪變換變換光譜儀復(fù)原后圖像的光譜曲線（取圖中石頭點、三角點如圖5所示為例）。從圖中可以看出隨著壓縮比的增大，光譜曲線的準(zhǔn)確率在下降，但是在8:1時解壓縮后光譜圖像繪制成的光譜曲線與未失真的曲線依然很相近。

圖5 解壓縮后七個波段圖像Fig.5 Recovered 7 wave bands images

表1 8:1壓縮、解壓實驗結(jié)果分析Tab.1 Analysis of experimental results （8:1 compression、decompression）

4 結(jié) 論

試驗表明，文中構(gòu)建的基于FPGA+ADV212高精度實時壓縮、解壓縮系統(tǒng)用于基于DMD哈達瑪變換成像光譜儀的光譜數(shù)據(jù)壓縮，可靠性高，圖像復(fù)原清晰，信噪比高。結(jié)DMD優(yōu)越的多通道編碼模板技術(shù)，可將采集到的光譜數(shù)圖像曲線成功準(zhǔn)確的復(fù)原。這為光譜儀采集到的高信噪比數(shù)據(jù)提供了高質(zhì)量的傳輸保障。因此，此壓縮方案穩(wěn)定可靠。同時由于高光譜圖像有著強烈的譜間干擾，因此去除譜間干擾尤為重要，目前該理論解決已近成功實現(xiàn)，其硬件化將是作者下一步重點的工作目標(biāo)。

圖6 不同壓縮比對應(yīng)光譜曲線（圖中石頭上點的光譜）Fig.6 Spectral Curve of different compression ratio

[1]賈輝.星載太陽紫外光譜監(jiān)視器輻射定標(biāo)的研究 [D].長春:中國科學(xué)院長春光精密機械與物理研究所，2003.

[2]曾文華.基于并行DSP的干涉超光譜實時復(fù)原的研究[D].西安:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所，2007.

[3]XILINX.Logicore IP on chip peripheral bus v2.0 with opbarbiterv1.00d [EB/OL] （2010-04-19） [2011-05-24].http//wenku.baidu.com/view/f3fa5ed5b9f3f90f76c61bff.html

[4]ADV212 JPEG2000 Video Process or User’s Guide Revi2si on 1.1.Anal og Devices （2006） http://wenku.baidu.com/view/e414c1b069dc5022aaea00eb.html

[5]HU Hong-ping，ZHAO Zhong-yuan.A real-time high resolution image compressionsystembasedonADV212[J].IEEEComputer Society， 2010（2）：1331.

[6]賈輝，李福天.阿達瑪變換成像光譜儀模板的設(shè)計與制作[J].光電工程，2003，30（4）：53-58.JIA Hui，LI Fu-tian.Hadarmad transform imaging spectrometer design and production of the template[J].Opto-Electronic Engineering，2003，30（4）:53-58.

[7]周錦松，相里斌，魏儒義.空間調(diào)制干涉型阿達瑪變換光譜成像儀[J].光譜學(xué)與光譜分析2009，29（11）3163-3166.ZHOU Jin-song，XIANG Li-bin，WEI Ru-yi.Spatially modulated interference hadamard transform spectral imager[J].Spectroscopy and Spectral Analysis，2009，29（11）：3163-3166.

Compression system for Hadamard transform spectral imager

CHEN Xiao-lai1， HU Bing-liang1， QIAN Qing-ming1，2， LIU Cai-fang1，2
（1.Laboratory of Spectral Imaging Technique Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Xi’an710119，China； 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100084，China）

Hadamard transform spectral imager technology based on Digital Micro-mirror Device （DMD）is a new technic.And few paper introduce it at home.This paper has introduced DMD Hadamard transform spectral imaging spectrometer firstly，and points that the unique places which is much better than traditional ones.Secondly，By compressing the original datas sampled from the spectrometer，the high SNR and high resolulion datas are obtained.Finally，the compression method is of good real time，little distortion and high practical value and broad application scope.

FPGA；ADV212；JPEG2000；image compression；DMD；Hadamard transform imaging spectrometer

TN919.81

A

1674－6236（2012）03-0178-03

2011-12-03 稿件編號：201112010

陳小來（1974—），男，陜西戶縣人，碩士，工程師。研究方向：信號與信息處理。