低功耗異構(gòu)計算架構(gòu)的高光譜遙感圖像分類研究

劉鵬飛，朱健晨，萬良易，江波

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十二研究所，上海 201808）

0 概述

高光譜遙感圖像可在獲取目標(biāo)場景二維空間信息的同時對一維光譜波段信息進(jìn)行感知，因此高光譜遙感圖像具備分辨率高、波段多、豐富的輻射空間和光譜信息、連續(xù)成像等特點［1-3］。當(dāng)前主流的高光譜成像儀通過掃描目標(biāo)場景來構(gòu)建空間高光譜三維數(shù)據(jù)立方體，無論是在光譜上還是在空間上，均與所需的空間或光譜分辨率成正比。隨著高光譜成像儀硬件技術(shù)的進(jìn)步，使得探測波段范圍逐漸從可見光延伸至紅外光，光譜分辨率從毫米級細(xì)化至納米級，波段數(shù)從百個增至千個。隨著高光譜成像儀硬件輕量化的發(fā)展，使得搭載成像儀的平臺載體涵蓋衛(wèi)星、偵察機/船、無人機。近些年來，作為新興遙感技術(shù)的基于無人機平臺載體的高光譜遙感成像技術(shù)成為主流的研究熱點［4］。利用目標(biāo)場景中不同物體與其關(guān)聯(lián)的分子組成相關(guān)的獨特模式反射、散色、吸收和發(fā)射電磁能，能夠幫助人類對所觀測到的物質(zhì)表面的細(xì)微差別進(jìn)行區(qū)分和識別。因此，高光譜圖像作為遙感應(yīng)用的一個重要分支被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)［5］、城市規(guī)劃［6］、礦業(yè)［7］、戰(zhàn)場環(huán)境分析［8-9］等實際場景，根據(jù)不同材料的反射光譜或像素（也稱為光譜像素）的光譜特征來檢測和分類不同的材料。

高光譜遙感圖像分類技術(shù)依據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)簽的使用可以分為監(jiān)督和非監(jiān)督分類方法。監(jiān)督分類方法對具有高維屬性的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行貼標(biāo)簽操作，屬于非確定性多項式完全問題，也稱為維度災(zāi)難問題［10］。因此，非監(jiān)督分類方法在無需先驗知識的條件下可以直接對圖像樣本進(jìn)行分類識別［11］。迄今為止，研究人員已提出了諸多不同類型的高光譜遙感聚類方法?，F(xiàn)有聚類方法大致可以分為基于迭代、基于代數(shù)、基于統(tǒng)計和基于譜聚類［12-13］4 類。其中，基于譜聚類的方法實現(xiàn)簡單，具有更為顯著的聚類性能，因此受到廣泛關(guān)注?；谧V聚類的方法主要包含兩個步驟：首先通過將圖像中每個像素點是其他點的線性組合構(gòu)建相鄰矩陣；其次將質(zhì)心聚類算法應(yīng)用于由相鄰矩陣誘導(dǎo)的拉普拉斯矩陣完成像素點的分割。具體而言，基于局部譜聚類的方法利用每個數(shù)據(jù)點近鄰的局部信息來構(gòu)建相似矩陣，但無法處理兩個子空間交點附近的點。因為該方法無法辨別這些點應(yīng)屬于哪個子空間，導(dǎo)致聚類模型存在較大的誤差?；谌肿V聚類的方法通過全局信息來更好地建立數(shù)據(jù)點之間的相似矩陣。然而，作為先驗知識的子空間對此類方法在很大程度上起到了限定的作用，例如子空間的數(shù)量和維度，不同子空間具有相同的維度。因為高光譜遙感圖像的光譜強變異性導(dǎo)致特征點的均勻分布，使得多數(shù)基于譜聚類的方法均存在嚴(yán)重的錯誤分類。為解決上述問題，當(dāng)前提出的稀疏子空間聚類方法引入自稀疏表示機制，將圖像中的數(shù)據(jù)點分至對應(yīng)的子空間中構(gòu)建鄰接矩陣，之后對該矩陣使用譜聚類方法獲得較高的聚類精度［14］。總而言之，因為固有的數(shù)據(jù)復(fù)雜性和計算成本使得高光譜遙感分類是一項非常困難的任務(wù)，其計算復(fù)雜度正比于遙感數(shù)據(jù)集的維度。此外，處理高維、多源數(shù)據(jù)需要消耗巨大的計算資源和存儲容量，這意味著現(xiàn)有的單一平臺計算資源無法對這些數(shù)據(jù)和圖像分類算法進(jìn)行有效支撐［15］。因此，需要引入異構(gòu)計算資源對基于譜聚類的方法進(jìn)行加速，完成數(shù)據(jù)的實時處理。

隨著高光譜遙感應(yīng)用中圖像數(shù)據(jù)的規(guī)模和分辨率的提高，利用基于譜聚類的方法實時處理圖像數(shù)據(jù)成為關(guān)鍵要素之一?？紤]到圖像分類方法因固有的高計算復(fù)雜度和長時間運算在實時性要求較高的遙感應(yīng)用領(lǐng)域受到極大限制，那么具備高性能計算、高可擴張性、高資源利用率等性能的異構(gòu)計算為算法實時性問題的解決帶來了契機。異構(gòu)計算的核心思想是整合了不同類型的指令集和數(shù)據(jù)驅(qū)動并行計算架構(gòu)的所有計算單元，尤其對大容量圖像、視頻類數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，從根本上解決了能耗高、可擴展性差等問題，實現(xiàn)了計算性能的飛躍式提升。常見的計算單元類別包括CPU、GPU［16-17］、TPU 等。雖然GPU 具有多核并行計算、高訪問速度、高浮點運算等特點，可以支持海量數(shù)據(jù)的并行計算，然而存在功耗高、體積大、價格貴等缺陷，使得其在中小型設(shè)備中的使用受到極大的制約。因此，需要引入一種體積小、功耗低、計算能力高、計算效率高的ASIC 專用芯片NPU。當(dāng)今前沿的NPU 異構(gòu)計算模式采用基于big.LITTLE 計算范式的CPU+NPU 架構(gòu)［17］，其分別利用CPU 和NPU 各自的優(yōu)勢對海量的圖像數(shù)據(jù)以高性能及高效能的方式進(jìn)行采集、觀測和分析，其中，CPU 負(fù)責(zé)復(fù)雜的邏輯任務(wù)處理，NPU 作為協(xié)處理器將負(fù)載均衡、任務(wù)遷移等電源管理技術(shù)融合到計算架構(gòu)中對功耗進(jìn)行全局優(yōu)化，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)密集型并行任務(wù)的處理，共同發(fā)揮異構(gòu)計算模式在高性能計算領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢，利用該計算模式的加速能力提升圖像算法性能。目前，國內(nèi)外市場針對CPU、NPU 等器件開展領(lǐng)域優(yōu)化、異構(gòu)編程、高速互聯(lián)等研究，并將研究成果投入到實際計算平臺進(jìn)行量產(chǎn)，例如：Google Edge TPU 包含4K MAC 單元，該單元由8 bit 64×64 NPU 構(gòu)成［18］；三星面向嵌入式的NPU 使用6K MAC 單元［18］。此外，還有集成在Apple 的M1芯片特定域芯片上和英特爾Nervana 中的神經(jīng)計算引擎［19］。大量研究表明在市場推動下NPU 在速度、內(nèi)存和性能方面取得了巨大的進(jìn)步，可用于可視化大型數(shù)據(jù)集的處理。

本文使用編碼孔徑快照光譜成像（Coded Aperture Snapshot Spectral Imaging，CASSI）技術(shù)將高光譜三維數(shù)據(jù)立方體經(jīng)過編碼孔徑、色散元件的共同作用后得到具有低維空間特性的二維壓縮測量值，有效避免了數(shù)據(jù)重構(gòu)過程。假設(shè)具有相似特征的測量值存在于同一子空間中，利用低秩稀疏子空間聚類（Low-Rank Sparse Subspace Clustering，LRSSC）算法對空間像素點進(jìn)行精確分割，顯著提升聚類性能。通過提高NPU 中的乘法累加單元，使得系統(tǒng)能耗降低的同時改善網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間，大幅提升數(shù)據(jù)處理能力及算法性能。

1 低秩稀疏子空間聚類算法整體設(shè)計流程

高光譜遙感圖像的感知和處理在現(xiàn)代軍事領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，成為當(dāng)前軍事情報來源的重要途徑之一。高光譜遙感在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用包括軍事目標(biāo)的定位和識別、地形分析與測繪、戰(zhàn)爭潛力評估和戰(zhàn)時氣象保障等。如圖1 所示（彩色效果見《計算機工程》官網(wǎng)HTML 版），通過搭載編碼孔徑高光譜成像系統(tǒng)的海、陸、空、天遙感探測設(shè)備對目標(biāo)場景進(jìn)行感知，從而獲取具備高空間、高光譜、高時間分辨率特性的三維數(shù)據(jù)立方體。將獲取的遙感數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶鲬?zhàn)指揮系統(tǒng)對海量且多源的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，其中圖像分類識別算法選用基于異構(gòu)計算架構(gòu)的稀疏子空間聚類算法，為作戰(zhàn)人員提供了便利，極大縮短作戰(zhàn)系統(tǒng)“觀察-判斷-決策-行動”閉環(huán)周期，成為贏取現(xiàn)代化數(shù)字戰(zhàn)場的重要因素。

圖1 高光譜遙感圖像分類在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用Fig.1 Application of hyperspectral remote sensing image classification in military field

1.1 編碼孔徑快照光譜成像

如圖2 所示（彩色效果見《計算機工程》官網(wǎng)HTML 版），編碼孔徑快照光譜成像系統(tǒng)可以對目標(biāo)場景中的空間信息和光譜信息進(jìn)行編碼，分別經(jīng)過編碼孔徑的透射作用和色散棱鏡的分光作用后將三維數(shù)據(jù)立方體投影到探測器陣列上，從而獲得壓縮測量值［20-21］。首先，定義目標(biāo)場景中的高光譜密度函數(shù)為f1(x，y，λ)，其中，x，y表示空間坐標(biāo)，λ表示光譜坐標(biāo)，透射函數(shù)是T(x，y)，得到經(jīng)過編碼孔徑后的高光譜密度函數(shù)的數(shù)學(xué)表示如下：

圖2 編碼孔徑高光譜成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 CASSI system structure

編碼后得到的密度函數(shù)經(jīng)過色散元件的光譜色散作用后，最終在聚焦平面陣列探測器上完成了二維壓縮測量值的獲取，整個過程可以表示如下：

其中：h(x′-aλ-x，y′-y)是光譜濾波函數(shù)，a是由棱鏡引起的線性色散率。因此，數(shù)據(jù)立方體的每個光譜切片都由編碼孔徑進(jìn)行調(diào)制，并由色散元件進(jìn)行色散?？紤]到探測器陣列的像素特性，假設(shè)密度函數(shù)f1(x，y，λ)的離散形式為Fi，j，l，其中，i和j均是空間坐標(biāo)索引，l是第l個光譜平面，透射函數(shù)T(x，y)的離散形式為Ti，j。探測器上的離散化輸出表示如下：

其中：YS∈是的向量 表示；f∈是Fi，j+l的向量表示；Hs∈是CASSI系統(tǒng)的感知矩陣?？紤]到光譜豐富的場景或者非常詳細(xì)的空間場景，單次的曝光測量無法提供足夠數(shù)量的壓縮測量值，需要增加額外的曝光次數(shù)從而提供所需的測量值，彌補了CASSI 系統(tǒng)高壓縮性的缺陷，其中多次曝光是通過數(shù)字微反射鏡（Digtial Micromirror Device，DMD）或基于微型壓低裝置的移動彩色光刻掩模實現(xiàn)的。因此，單次曝光感知模型（如式（3）所示）可以擴展至多次曝光感知模型，整個過程可以表示如下：

如圖3 所示（彩色效果見《計算機工程》官網(wǎng)HTML 版），假設(shè)N=5、L=4、S=2，感知矩陣H是通過隨機編碼孔徑和散色棱鏡的分光作用共同構(gòu)建的，可以觀察到該矩陣具備高稀疏和高結(jié)構(gòu)性，其中編碼孔徑（藍(lán)線部分）依次分布于H的主對角線并且編碼孔徑中的所有元素均服從于高斯隨機分布。注意到白色方塊（像素點）表示值為1 的元素，黑色部分表示值為0 的元素。在實際場景中，矩陣H的維數(shù)是很大的，在此僅為舉例說明。

圖3 感知矩陣H 結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of perception matrix H

1.2 低秩稀疏子空間聚類算法

根據(jù)式（7），向量表示的壓縮測量值可以排列成數(shù)據(jù)矩陣的表示，即Y∈RS×NV，其中Y中的每一列均對應(yīng)特定的光譜特征信息。如圖4 所示（彩色效果見《計算機工程》官網(wǎng)HTML 版），假設(shè)矩陣中的所有數(shù)據(jù)點位于k=4 線性子空間中，利用稀疏、低秩子空間等聚類算法將這些數(shù)據(jù)點分割為不同的組或者集群。具體而言，當(dāng)給定壓縮數(shù)據(jù)矩陣Y，子空間聚類算法依據(jù)低維子空間特性完成數(shù)據(jù)點的分割。首先，是相似度矩陣的構(gòu)造W∈RNV×NV，W=|C|T+|C|，其中矩陣中的所有元素表示數(shù)據(jù)點之間的關(guān)聯(lián)程度，一個理想的相似度矩陣是分塊對角矩陣。然后，譜聚類算法應(yīng)用于相似度矩陣，以獲取數(shù)據(jù)點與子空間的隸屬關(guān)系。

圖4 譜聚類算法示意圖Fig.4 Schematic diagram of spectral clustering algorithm

低秩表示（Low Rank Representation，LRR）旨在通過解決以下凸優(yōu)化問題來找到輸入數(shù)據(jù)矩陣Y的低秩系數(shù)矩陣［22-23］：

其中：核范數(shù)用來近似系數(shù)矩陣C。假設(shè)Y=UΣVT為Y的奇異值分解（Singular Value Decomposition，SVD）。問題式（8）的閉式解表示如下：

考慮到實際場景中系統(tǒng)噪聲存在的必然性，因此數(shù)據(jù)點會受到噪聲的擾動，問題式（8）重新表示如下：

其中：β1是低秩約束條件下的正則化常數(shù)；E是噪聲引起的表示誤差。問題式（10）的最優(yōu)解表示如下：

其中：U=[U1U2]；V=[V1V2]。

稀疏子空間聚類（Spare Subspace Clustering，SSC）算法將每個數(shù)據(jù)點表述為其他數(shù)據(jù)點的稀疏線性組合，并解決以下凸優(yōu)化問題：

其中：約束diag(C)=0 用于避免每個數(shù)據(jù)表示為自身特殊情況的出現(xiàn)，從而消除問題式（12）的平凡解。對于被噪聲污染的數(shù)據(jù)，通過解決如下最小化問題得到稀疏系數(shù)矩陣的近似表示：

其中：τ是稀疏約束條件下的正則化常數(shù)。一般而言，LRR 表示通過對稀疏矩陣施加低秩約束來捕獲數(shù)據(jù)的全局結(jié)構(gòu)，而SSC 表示通過對系數(shù)矩陣進(jìn)行稀疏化來獲取數(shù)據(jù)的局部線性關(guān)系。因此，需要考慮LRR 和SSC 表示的各自優(yōu)勢，從而為本文提出的子空間聚類算法的設(shè)計提供保障。

低秩稀疏子空間聚類要求系數(shù)矩陣C是低秩且稀疏性的，LRSSC 解決了以下問題（含噪聲）：

其中：正則化參數(shù)α用于在稀疏、低秩、噪聲三者之間取得平衡；參數(shù)β2表示空間信息的權(quán)重；空間正則項用于減少LRSSC模型中的表示誤 差，從而增強數(shù)據(jù)對噪聲的魯棒性。式（14）中的最小化問題通過交替方向乘子法（Alternating Direction Method of Multipliers，ADMM）［24］來解決。

1.3 基于低功耗異構(gòu)計算架構(gòu)的高光譜圖像像素點切割

根據(jù)式（14），通過ADMM 算法求得的優(yōu)化系數(shù)矩陣Copt可以用于相似度矩陣Wopt的構(gòu)造。然而，考慮到遙感數(shù)據(jù)的高維特性，譜聚類算法因為自身計算復(fù)雜度的缺陷無法對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理且會消耗過多的計算資源。NPU 從更簡單的邏輯中受到啟發(fā)，表現(xiàn)為它們的工作負(fù)載在各類圖網(wǎng)絡(luò)的計算模式中具有高規(guī)律性。因此，通過NPU 來加速網(wǎng)絡(luò)的運行可以有效解決其他主流芯片GPU 在網(wǎng)絡(luò)運算時效率低下等問題。

圖5 給出了低功耗CPU+NPU 異構(gòu)計算架構(gòu)。在設(shè)計時，從電路層級開始，使用電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation，EDA）執(zhí)行脈沖MAC 陣列芯片，這一設(shè)計思路來源于Google TPU 微架構(gòu)。相比于傳統(tǒng)的8 bit NPU，通過低位寬（例如6或7 bit）MAC陣列使其具備更低的能耗。又因為MAC 單元的縮放功能，在使用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)加速周期精確級仿真器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)推演期間，低精度NPU 在響應(yīng)時間上具有顯著的優(yōu)勢。在運行時，采用快速高效的量化后策略和網(wǎng)絡(luò)-NPU調(diào)度策略，使得網(wǎng)絡(luò)工作負(fù)載隊列的引入可以彌補低位寬NPU 和精度損失之間的差距。在滿足規(guī)定精度閾值的情況下，網(wǎng)絡(luò)-NPU 調(diào)度策略可以最大化NPU 的性能，以減少網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間。

圖5 低功耗CPU+NPU 異構(gòu)計算架構(gòu)Fig.5 Low-power heterogeneous CPU+NPU computing architecture

類似于網(wǎng)絡(luò)工作負(fù)載隊列在邊緣服務(wù)器場景的應(yīng)用，服務(wù)器可處理各種各樣的網(wǎng)絡(luò)請求。因此，網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間會隨著到達(dá)率的波動而變化。例如，無人駕駛飛行器通過使用無人機來協(xié)助和加速基于遙感的應(yīng)用程序。在這種情況下，無人機配備了硬件加速器，從而對邊緣端內(nèi)容的傳輸和分析速度進(jìn)行提升，同時滿足低功耗需求。可以看出，許多基于無人機的服務(wù)嚴(yán)重依賴對并發(fā)網(wǎng)絡(luò)的使用，例如用于軍事任務(wù)的目標(biāo)檢測和分類。

譜聚類算法的特點反映了其對指定計算和功耗的需求。當(dāng)具有不同特征的多個網(wǎng)絡(luò)作為輸入傳輸至異構(gòu)架構(gòu)時，利用網(wǎng)絡(luò)的容錯性來滿足特定的閾值精度，同時顯著降低服務(wù)器上使用加速器的能耗并提高平均網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間，最終實現(xiàn)像素點的實時分割。

2 實驗結(jié)果與分析

將本文提出的基于低功耗異構(gòu)計算架構(gòu)的LRSSC 算法在具有特定成像環(huán)境的真實高光譜遙感數(shù)據(jù)集上進(jìn)行測試，為了評估所提計算架構(gòu)的有效性，以基于CPU 和CPU+GPU 計算架構(gòu)的LRSSC 算法作為基準(zhǔn)算法用于數(shù)據(jù)集的測試。Pavia University 數(shù)據(jù)集由德國制造的機載反射光學(xué)光譜成像儀（Reflective Optics Spectrographic Imaging System，ROSIS-03）于2003 年在意大利帕維亞城對目標(biāo)區(qū)域上空拍攝獲?。?5-26］。圖像數(shù)據(jù)的空間維度為610×340 像素，具有115 個連續(xù)的波段。此外，需要從原來的115 波段中剔除總共12 個噪聲的波段，保留剩余的103 個波段。為測試數(shù)據(jù)選取一個特定區(qū)域，大小為140 × 80 像素，包含8 個主要的地標(biāo)類別，如圖6 所示（彩色效果見《計算機工程》官網(wǎng)HTML 版）。因為大量背景像素的干擾，使得聚類成為一項非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

圖6 Pavia University 遙感數(shù)據(jù)集Fig.6 Pavia University remote sensing dataset

在實驗中，類別數(shù)k=8 被設(shè)定為LRSSC 算法的輸入。此外，正則化參數(shù)是需要手動調(diào)整的。具體而言，參數(shù)λ是系數(shù)矩陣的稀疏、低秩與噪聲大小之間的權(quán)衡，可以表示如下：

其中：β是校準(zhǔn)參數(shù)；μ是與當(dāng)前數(shù)據(jù)集關(guān)聯(lián)的參數(shù)，y是數(shù)據(jù)矩陣Y的任意列。式（14）中的參數(shù)λ的設(shè)定情況會直接影響聚類結(jié)果，這表明空間信息在聚類過程中起到非常重要的作用。簡單起見，本文對參數(shù)α和β的值進(jìn)行設(shè)定，即α=30×105，β=2 000。將信噪比為25 dB 的高斯白噪聲添加到數(shù)據(jù)矩陣中用于模擬數(shù)據(jù)采集中存在的系統(tǒng)噪聲。

每種類別的視覺聚類結(jié)果通過總體準(zhǔn)確率（OA）、平均準(zhǔn)確率（AA）、Kappa 系數(shù)進(jìn)行定量評估，其中，總體準(zhǔn)確率是正確分類的像素點與需要分類的像素點的比值，平均準(zhǔn)確率是正確分類的每個類別的準(zhǔn)確率總和與類別數(shù)量的比值，Kappa 系數(shù)是一個用于一致性檢驗的指標(biāo)，可用于衡量分類效果。運行時間用以計算基于不同計算架構(gòu)的LRSSC算法（包括CN-LRSSC、CG-LRSSC、C-LRSSC）完成聚類所需的時間，其中，CN-LRSSC 表示基于低功耗異構(gòu)計算架構(gòu)的LRSSC 算法；CG-LRSSC 表示基于CPU+GPU 異構(gòu)計算架構(gòu)的LRSSC 算法；C-LRSSC表示基于CPU 計算架構(gòu)的LRSSC 算法。

仿真實驗在Intel Core i7 18 GHz、32 位CPU 處理器以及Google TPUv4i 處理器上執(zhí)行，并使用Windows 11 操作環(huán)境下的Matlab 2019b。本文使用的TPU 總共由4 個NPU 組成，因為4 個NPU 可以通過2 個接口控制信息快速訪問附近的芯片內(nèi)存從而獲得較高的整體性能，其中每個NPU 分別包含7 bit 72×72 MAC陣列、6 bit 72×72 MAC 陣列、6 bit 80×80 MAC 陣列來獲得更多的功率增益。

為測試編碼孔徑（包括高斯隨機、伯努利、藍(lán)噪聲）對聚類性能的影響，本文給出特定高光譜場景的聚類圖和定量評估結(jié)果，其中曝光次數(shù)設(shè)定為S=20用于編碼孔徑的構(gòu)建。LRSSC 算法直接作用于壓縮數(shù)據(jù)（通過不同種類的編碼孔徑的壓縮采樣和色散棱鏡的分光作用后得到的壓縮測量值）完成聚類過程，其中，高斯隨機策略為將LRSSC 算法直接作用于高斯隨機測量值得到的聚類結(jié)果，伯努利策略為將LRSSC 算法直接作用于伯努利測量值得到的聚類結(jié)果，藍(lán)噪聲策略為將LRSSC 算法直接作用于藍(lán)噪聲測量值得到的聚類結(jié)果。圖7 和表1 分別給出了Pavia University 數(shù)據(jù)集的視覺聚類效果和定量評估結(jié)果，可以看出高斯隨機策略的聚類結(jié)果存在偏差，伯努利和藍(lán)噪聲策略相比于高斯隨機策略明顯減少了錯誤分類，從而獲得更好的聚類效果，其中在OA 評估指標(biāo)中分別提升了16.67 和8.4 個百分點。因此，本文選取伯努利編碼孔徑對高光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，之后利用CN-LRSSC、CG-LRSSC、C-LRSSC 算法實現(xiàn)聚類。表2 給出了3 種基于不同計算架構(gòu)的LRSSC 算法的時間損耗，通過低比特MAC 陣列的引入，LRSSC 算法的計算速度得到了提升。此外，通過表2 的實驗數(shù)據(jù)可以看出，與64×64 MAC 陣列相比，72×72 MAC 陣列的延遲增益為9%，80×80 MAC 陣列的增益為18%?？梢姡洗鎯ζ骺臻g大小嚴(yán)重制約圖網(wǎng)絡(luò)加速器的性能，因此大型片上存儲器廣泛用于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)加速器。

表1 定量評估聚類結(jié)果Table 1 Clustering results of quantitative evaluation

表2 基于不同計算架構(gòu)的LRSSC 算法運行時間Table 2 Running times of LRSSC algorithms based on different computing architectures 單位：s

圖7 視覺聚類結(jié)果Fig.7 Visual clustering results

3 結(jié)束語

高光譜遙感數(shù)據(jù)處理本質(zhì)上屬于復(fù)雜計算任務(wù)，本文闡述了低功耗異構(gòu)計算架構(gòu)在高光譜遙感數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域的應(yīng)用與研究，通過優(yōu)化計算機系統(tǒng)并行處理、AI 協(xié)處理、互操作等能力，實現(xiàn)基于譜聚類圖像分類算法性能的提升。實驗結(jié)果表明，與基于CPU+GPU 異構(gòu)計算架構(gòu)和CPU 計算架構(gòu)的LRSSC 算法相比，基于低能耗異構(gòu)計算架構(gòu)的LRSSC 算法降低了網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間和系統(tǒng)能耗。后續(xù)將考慮LRSSC 算法的負(fù)載均衡問題，進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)處理能力及算法性能，從而擴展其適用范圍。