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基于FPGA的高光谱图像实时端元提取技术研究

作　者: 侯浩亮
导　师: 姚新宇
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 高光谱图像 端元提取 顶点成分分析 FPGA
分类号: TP751
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


由于遥感器的空间分辨力的限制以及自然界地物的复杂性,混合像元普遍存在于遥感图像中,为了提高遥感应用的精度,就必须解决混合像元的分解问题。而端元提取,则是光谱解混合的重要组成部分。然而,高光谱图像巨大的数据量和高维数据特性使高光谱图像实时端元提取成为技术难题。为了解决这一难题,论文开展了高光谱实时端元提取技术研究,其目的是实现高光谱图像的实时端元提取。论文的主要内容和研究成果是:(1)分析了高光谱图像数据的特点,归纳已有高光谱图像端元提取算法的优缺点,通过对比,选择顶点成份分析算法(VCA)作为高光谱图像端元提取的主要方法。(2)研究了VCA算法工作原理,并对算法做了优化以适应硬件实现的要求。仿真证明:优化后的算法计算速度是原算法的三倍。(3)比较了几种常用实时处理方案的特点,针对巨大数据量的实时处理的要求,选择FPGA作为开发高光谱图像实时端元提取系统的平台。(4)针对改进后的VCA算法特点,设计了高光谱图像实时端元提取的系统方案,根据TOP-DOWN设计思想,利用VHDL语言完成高光谱图像实时端元提取系统设计。(5)完成了系统主要模块的仿真测试方案的设计,对系统模块的功能仿真,并通过分析测试结果验证了各模块的功能。对一幅真实高光谱遥感图像进行端元提取,验证了系统的可行性,证明系统的设计达到预期目的。

全文目录


摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章 绪论  11-19
  1.1 研究目的与意义  11-12
  1.2 研究现状及发展趋势  12-17
    1.2.1 高光谱图像实时处理技术发展现状  12-14
    1.2.2 混合光谱模型及特点  14-15
    1.2.3 高光谱图像端元提取算法  15-17
  1.3 本文主要研究内容与结构  17-19
第二章 顶点成分分析算法的优化  19-32
  2.1 线性混合模型及端元描述  19-20
  2.2 几何端元数目的确定  20-21
    2.2.1 端元数目与本征维数之间的关系  20-21
    2.2.2 本征维数的估计  21
  2.3 顶点成分分析端元提取算法  21-23
    2.3.1 算法原理  21-22
    2.3.2 VCA算法求端元步骤  22-23
  2.4 VCA算法流程及优化  23-28
    2.4.1 计算自相关矩阵方法的确定  24-25
    2.4.2 计算特征值与特征向量方法的确定  25-27
    2.4.3 计算矩阵伪逆算法的确定  27-28
  2.5 仿真数据实验  28-31
  2.6 本章小结  31-32
第三章 实时端元提取系统整体设计  32-55
  3.1 实时端元提取系统硬件平台选取  32-39
    3.1.1 常用设计器件比较及系统器件的选取  32-34
    3.1.2 Virtex-5 系列FPGA性能  34-35
    3.1.3 VHDL语言及硬件设计  35-36
    3.1.4 FPGA的设计流程与指导原则  36-39
  3.2 系统主要参数的确定  39-41
    3.2.1 系统运算精度的确定  39-40
    3.2.2 系统参数的确定  40-41
  3.3 系统运算仿真模块结构设计的确定  41-53
    3.3.1 系统顶层模块设计  41-42
    3.3.2 系统底层模块设计  42-53
  3.4 本章小结  53-55
第四章 实时端元提取系统的仿真与验证  55-65
  4.1 测试方法  55
  4.2 系统各模块的功能验证  55-61
    4.2.1 数据缓存模块的仿真与验证  55-56
    4.2.2 运算子模块的仿真与验证  56-59
    4.2.3 计算矩阵自相关模块的仿真与验证  59-60
    4.2.4 计算特征值和特征向量的仿真与验证  60-61
    4.2.5 计算矩阵伪逆和投影模块的仿真与验证  61
  4.3 系统测试方案设计及真实实验验证  61-64
    4.3.1 系统测试方案的设计  61-62
    4.3.2 系统测试平台的真实数据实验  62-64
  4.4 本章小结  64-65
第五章 总结和展望  65-67
  5.1 论文工作总结  65-66
  5.2 研究工作展望  66-67
致谢  67-68
参考文献  68-72
作者在学期间取得的学术成果  72

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 遥感技术 > 遥感图像的解译、识别与处理 > 图像处理方法
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