[发明专利]一种基于FPGA的高光谱图像异常检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA的高光谱图像异常检测系统。

背景技术

虽然高光谱遥感图像在波段数和分辨率方面表现出色，但是其巨大的数据量和极高的数据率对于要求时效性的数据处理造成很大的障碍，为解决这一难题科研人员提出许多新的高效数据处理方法对高光谱图像进行处理。

高光谱遥感技术的快速发展使得遥感图像数据海量增长，设在地球地面的数据处理中心站不能对爆炸性增长的遥感图像数据进行及时处理，严重阻碍了海量有价值数据的有效和充分利用。

并且，由于受到传输链路带宽的限制，高光谱遥感图像传送到地面之前需进行大比率的有损压缩，以至于地面对传回图像进行恢复时会丢失图像的大量细节信息，造成严重的图像质量损失。因此高光谱高速处理技术是解决这一问题的一种必要方法，尤其在卫星上便可以对遥感图像数据进行实时预处理，大幅度提高数据的利用率。经过处理的图像数据可以在尽量减少失真的情况下进行大比例压缩，减轻数据传输链路带宽要求较高的压力。

随着电子设计自动化技术的高速发展，半导体工艺的显著提高使得FPGA规模越来越大，计算性能越来越强，许多传统软件方法实现的高光谱图像处理算法得以变为硬件电路高速实现。

发明内容

本发明的目的是为了解决在对高光谱图像进行异常检测处理时PC机的计算效率不能满足实时性要求的问题，提出一种基于FPGA的高光谱图像处理实现装置。可以实现高光谱图像数据的高速实时处理，并可以根据需要对硬件进行升级，以实现更高性能要求。

本发明解决技术问题所采取的技术方案：

一种基于FPGA的高光谱图像异常检测系统包括数据输入模块、协方差矩阵求解模块、广义逆求解模块和结果求解模块，数据输入模块负责窗口矩阵数据的均值化处理，它的输出端连接协方差矩阵求解模块的输入端，协方差矩阵求解模块的输出端连接广义逆求解模块的输入端，广义逆求解模块用来求解协方差矩阵的广义逆，它的输出端连接结果计算模块的输入端。

所述的数据输入模块主要包括窗口矩阵模块、均值计算模块、矩阵减法模块和矩阵转置模块。窗口矩阵模块产生窗口矩阵数据，均值计算模块产生的均值数据输入到矩阵减法模块，矩阵减法模块数据结果输入到矩阵转置模块求解矩阵的转置。

所述的协方差矩阵求解模块主要包括矩阵乘法模块和定点转浮点数据模块。矩阵乘法计算结果输入到定点转浮点模块进行数据类型转换。

所述的广义逆求解模块是整个系统的核心模块，主要包括广义逆求解控制器、矩阵求秩模块、矩阵乘法模块、广义逆计算模块和数据存储组成。数据存储模块用来暂时存储输入矩阵数据，矩阵求秩模块和矩阵乘法模块读取数据存储中的矩阵数据进行并行计算，两者结果输入到广义逆计算模块进行广义逆求解，广义逆求解控制器主要负责调度数据流动和控制其它模块的动作。

所述的结果计算模块主要包括均值向量计算模块，向量矩阵点乘模块和向量点乘模块，主要涉及向量点乘运算。

本发明的有益效果：

（1）系统采用了具有并行计算性能优势的FPGA作为平台，并且充分挖掘了计算过程的并行性，最终映射为具体的硬件电路结构来实现运算过程，提高了系统运算性能，相比传统软件方法大大提高了数据处理速度。

（2）核心计算模块采用了单精度数据类型充分保证了计算结果的精确性。

（3）FPGA同时具有高度的灵活性，FPGA具有重配置能力只需要修改配置文件既可以实现对内部电路的修改和维护。基于FPGA开发的系统可以进行快速升级和方便维护，可以节约研发成本降低研发风险。

附图说明

图1 RX算法流程图；

图2为本发明的系统结构示意图；

图3为数据输入模块设计框架图；

图4为协方差矩阵求解模块设计框架图；

图5为广义逆求解模块设计框架图；

图6为矩阵求秩模块设计框架图；

图7为结果计算模块设计框架图。

具体实施方式

结合附图，对本发明作进一步描述。

如图1所示为RX算法流程图，从单窗口RX算法原理可以看出该算法是通过计算局部检测窗口内数据的RX算子值来寻找异常目标的。移动检测窗口对整幅高光谱图像进行检测就可以找到图像内的所有异常目标。因此，我们可以认为整个算法是以局部检测窗口内的数据所组成的窗口矩阵为单位进行计算的。