哈达玛变换光谱仪压缩系统研究

陈小来 ， 胡炳樑 ， 钱情明 ，2， 刘彩芳 ，2

（1.中国科学院西安光学精密机械研究所 光谱成像技术重点实验室，陕西 西安 710119；2.中国科学院研究生院 北京 100084）

哈达玛变换光谱仪压缩系统研究

陈小来1， 胡炳樑1， 钱情明1，2， 刘彩芳1，2

（1.中国科学院西安光学精密机械研究所 光谱成像技术重点实验室，陕西 西安 710119；2.中国科学院研究生院 北京 100084）

基于数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device，DMD）的哈达玛变换光谱技术是一种新型的光谱成像技术，在国内很少有专门的文献介绍[1-3]。文中先介绍了本实验采用的哈达玛光谱仪样机的原理以及哈达玛成像光谱仪优于传统模板的独特之处，即获得多通道高能量高信噪比的光谱数据，然后描述对采集到的数据做高信噪比，高分辨率压缩处理，最后说明此方法实时性强、图像失真小、实用价值高、应用范围广。

FPGA；ADV212；JPEG2000；图像压缩；DMD；哈达玛变换光谱仪

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：

输出的单个信号可以写成是：

其中yj为用第j个模板调制的光谱信号的叠加。对式Y=SX两边同时乘以S-1，

即可复原图像的光谱信息。

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。

图1 哈达码变换光谱成像仪原理图Fig.1 Imaging theory of hadamard transform spectral imager

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。

图2 哈达玛光谱仪获取的7个波段图像Fig.2 7 Different wavelengths images captured by hadamard transform spectral imager

图3 JPEG200基本系统框图Fig.3 Block diagram of JPEG200 basic system

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。

2.2 基于FPGA的光谱图像压缩系统

图像压缩系统采用FPGA+ADV212框架，开发工具是XilinxEDK9.0。ADV212芯片先后被配置在压缩、解压不同的模式下。ADV212设定在HIPI[8]Custom-specific Mode模式，程序的工作流程：原始图像通过LVDS模块由数据源板传输到FPGA的FIFO，然后缓存到32位SDRAM，再通过 HDATA bus传到ADV212的像素接口（PIXEL FIFO寄存器），这时只要ADV212的PIXEL FIFO寄存器的数据容量大于CODE FIFO THRESHOLD REGISTER寄存器设置的32个32 bit数据，ADV212会自动向FPGA请求中断，开始进行数据压缩处理，生成的压缩码流xx.j2c从ADV212CODE FIFO读出存储到SDRAM中，再通过Xmodem串口传输协传输至上位机；同时也可以继续进行解压，但须先将ADV212配置成解压缩模式：将ADV212 CODE FIFO中的j2c文件传到 ADV212中的CODE FIFO中，解压重构的xx.bmp图像由ADV212的PIXEL FIFO读出，再经由SRAM传回PC机。ADV212压缩参数设置：采用 9/7滤波器的有损压缩，压缩比是8:1，5层小波分解。图4是系统压缩解压缩流程图。

3 图像质量分析

表1是经由硬件压缩系统压缩、解压后光谱图像和图2中的源图像进行比较、分析结果。 对解压缩图像的质量评价主要的指标：信噪比（SNR）、峰值信噪比（PSNR）、均方误差（MSE），x（i，j）和 y（i，j）分别代表原始图像和解压缩图像后的像素值，M，N代表图像分辨率）

图4 压缩系统框图Fig.4 Compression System Block Diagram

实验结果分析：

1）由压缩、解压系统复原出的7幅图如图5所示，主观视觉效果无失真，图像清晰可见，峰值信噪比（PSNR）达到48以上，信噪比（SNR）41.5以上，重构图像质量优；

2）本实验同时进行了1:1、2:1、4:1、16:1压缩比的图像压缩与解压，图6中绘制不同压缩比解压缩后的哈达玛变换变换光谱仪复原后图像的光谱曲线（取图中石头点、三角点如图5所示为例）。从图中可以看出随着压缩比的增大，光谱曲线的准确率在下降，但是在8:1时解压缩后光谱图像绘制成的光谱曲线与未失真的曲线依然很相近。

图5 解压缩后七个波段图像Fig.5 Recovered 7 wave bands images

表1 8:1压缩、解压实验结果分析Tab.1 Analysis of experimental results （8:1 compression、decompression）

4 结 论

试验表明，文中构建的基于FPGA+ADV212高精度实时压缩、解压缩系统用于基于DMD哈达玛变换成像光谱仪的光谱数据压缩，可靠性高，图像复原清晰，信噪比高。结DMD优越的多通道编码模板技术，可将采集到的光谱数图像曲线成功准确的复原。这为光谱仪采集到的高信噪比数据提供了高质量的传输保障。因此，此压缩方案稳定可靠。同时由于高光谱图像有着强烈的谱间干扰，因此去除谱间干扰尤为重要，目前该理论解决已近成功实现，其硬件化将是作者下一步重点的工作目标。

图6 不同压缩比对应光谱曲线（图中石头上点的光谱）Fig.6 Spectral Curve of different compression ratio

[1]贾辉.星载太阳紫外光谱监视器辐射定标的研究 [D].长春:中国科学院长春光精密机械与物理研究所，2003.

[2]曾文华.基于并行DSP的干涉超光谱实时复原的研究[D].西安:中国科学院西安光学精密机械研究所，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]贾辉，李福天.阿达玛变换成像光谱仪模板的设计与制作[J].光电工程，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]周锦松，相里斌，魏儒义.空间调制干涉型阿达玛变换光谱成像仪[J].光谱学与光谱分析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 稿件编号：201112010

陈小来（1974—），男，陕西户县人，硕士，工程师。研究方向：信号与信息处理。