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哈达玛变换光谱仪压缩系统研究

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  当今社会科技发展,海量的数据信息需要在传输和存储过程中先进行压缩处理,尤其对于包含光谱信息的光谱仪的数据采集。 在国内基于哈达玛变换光谱仪研究还比较少,基于 DMD 哈达玛变换光谱成像技术是国内新创的色散型光谱技术。 结合 Diehl 等[4]提出的线性微镜阵列和哈达玛变换光谱调制技术,就是文中 DMD 的雏形,较之其他两种模板:移动  式机械编码模板(movable mechanical mask)和固定式光电模板 (stationary electro-optic mask),DMD 可实现简单编码快速、高分辨 HT 成像。而对于光谱数据,压缩的好坏,直接关系到光谱复原的质量。 关于 JPEG2000ADV212 的压缩已有好多文章在研究,但很多都只停留在理论介绍性的层面。 本文针对哈达玛变换成像光谱仪设计了硬件实时压缩系统。 采用FPGA +ADV212 ,FPGA 用 于 逻辑 控制和 辅 助 数 据 转换 , 而ADV212 是 ADI 公司 2006 年 更 新 的基 于 JPEG2000 的 专 用图像压缩编解码芯片。 给出并分析了了相应的处理结果。

  1 哈达码变换成像光谱仪原理

  哈达玛变换成像原理的关键是哈达玛变换模板,该变换模板是一个 7 阶(或者 15 阶)方阵(以 7 阶为例),应用该模板对输入信号的 7 个谱段进行选择,从而可以实现对光谱信号的编码。 其矩阵表达式为:

  

  基于 DMD 的哈达玛变换光谱成像仪用 DMD 取代传统光栅作为分光器件[4],由前置光学系统、分光系统、空间光调制器(DMD)以及后置光学系统等组成,仪器原理如图 1 所示。

  其成像过程如下:目标物反射的平行光(混合光)经过前置光学系统后到达反射光栅 1,经反射光栅 1 分光后得到单色光。单色光经会聚镜 1 会聚后将目标成像于 Hadamard 编码模板表面,通过 DMD 控制电路来改变 hadarmard 变换模板,从而得到一组编码光谱图像。 经过 DMD 编码的图像经准直镜 2,反射光栅 2 和会聚镜 2 后成像在面阵 CCD 的靶面上。

  

  哈达玛变换光谱仪获得的光谱图片:原始图像是 512×256, 位深是 8 bit 的 bmp 格式的灰度图。 图 2 是哈达玛变换 7 阶编码后采集的 7 幅不同谱段未进行复原的二维光谱数据。

  2 实时光谱图像压缩系统

  2.1 JPEG200 图像压缩标准以及专用芯片 ADV212

  JPEG2000 是新一代静止图像压缩标准,与 JPEG 标准 相比, 可支持有损和无损压缩, 采用 WT 小波变换取代传统DCT 变换 ,克 服了方 块 效应 ,且 在 低 比 特 速 率 下 ,能获 得比较满意的视觉效果。 在压缩率相同的条件下,JPEG2000 的信噪比将比 JPEG 提高 30 %左右。 JPEG2000 具有高压缩比,支持无损压缩和有损压缩, 渐进传输, 还有对感兴趣区域的压缩(ROI),码流可以随机访问和处理。ADV212[5-7]是 ADI 公司 2006 新推出的一款单片实现视频和高带宽图像的 JPEG2000 编解码的专用芯片,相比 2004年的 ADV202 功耗至少降低 50%。 内部采用 5/3 或者 9/7 小波滤波器构造,支持无损或有损压缩。 使用了 ADI 专利权的空间高效递归滤波(SURF)小波技术,最大的输速率在不可逆模式是 65MSPS,可逆模式 40MSPS,单色图像宽度可达到4 096 pixels,可支持 8/10/16 bit 的像素输入。 系统上电之后,为了 使 ADV212 工 作 在 设 定 的 模 式 下 , 需要 由 FPGA 对ADV212 内部控制系统进行初始化,下载 ADV212 压缩、解压固件。 ADV212 参数设置包括系统时钟,压缩和解压模式,有损或无损,压缩率设置等。

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