一种基于FPGA的高光谱目标检测OSP算法的实现系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于FPGA的高光谱目标检测OSP算法的实现系统至少包括：数据输入模块，输入高光谱图像数据；储存模块，所述数据输入模块输入后的高光谱图像数据；矩阵相乘子模块，对所述输入后的高光谱图像数据；矩阵求逆模块，投影计算模块，将像元向量投影到正交于干扰特征的子空间上，消除冗杂信号，再将剩余的信号投影到待识别的特征上；所述投影计算模块至少包括：矩阵相乘子模块及矩阵减法子模块；结果计算模块，计算待检测目标的位置并显示；以及数据输出模块。本发明专利技术采用OSP算法抑制背景特征光谱对信号的影响，另一方面在考虑到各种噪声的情况下最大化的将信号提取出来,运算速度快，执行效率好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的高光谱目标检测OSP算法的实现系统
本专利技术涉及目标检测
，具体而言，尤其涉及一种基于FPGA的高光谱目标检测OSP算法的实现系统。
技术介绍
高光谱图像目标检测作为高光谱图像处理领域的热点问题之一，目前主要有两个发展方向：一个是高光谱目标检测算法的理论研究。目标检测的本质上是把图像中比较重要的点或者物质从场景中分离出来，充分利用高光谱图像丰富的光谱维进行目标检测的技术越来越受到人们的重视。另一个是高光谱目标检测算法的实现方法。高光谱图像一个显著特点就是数据量大，这给实际应用系统中的传输和处理都带来了一定困难，高光谱图像中的大量信息需要在实际应用中得以体现，随着电子设计自动化的高速发展，使得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。高光谱图像信息包括空间信息和光谱信息，具有图谱合一的观测特性，所以，除了利用高光谱图像的空间信息之外，还可以利用光谱信息。由于光谱信息是不同化学成分的物质所具有的固有特性，结合该信息可以大大提高对目标和背景进行识别与检测的能力。利用高光谱信息特征，在高光谱图像目标检测方面提出了许多算法。基于光谱空间的检测算法是比较传统和常用的高光谱图像目标检测算法。例如，RX算法、CEM算法，这些算法都是建立在纯点模型的基础上，而且在检测时假设背景的统计特性均一，因而他们对异常和背景的分离能力较弱。随着对高光谱数据的认识加深，越来越多的人开始基于混合模型的检测算法研究，例如，OSP算法，该方法不需要确定数据统计模型，且从线性混合模型中直接推导得到。正交子空间投影方法可降低图像维度的同时去除不想要检测的物质(如背景或者干扰)，最终检测出感兴趣的目标。由于具有并发式的硬件结构，FPGA在进行并行计算时具有不可替代的优势，且由于高光谱图像数据量大、波段多等特点，采用FPGA实现高光谱数据处理，执行效率好、速度快，而且最后的模块可以固化，比较稳定。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于FPGA的高光谱目标检测OSP算法的实现系统。本专利技术一种基于FPGA的高光谱目标检测OSP算法的实现系统，至少包括：数据输入模块，输入高光谱图像数据；储存模块，所述数据输入模块输入后的高光谱图像数据；矩阵相乘子模块，对所述输入后的高光谱图像数据；所述矩阵相乘子模块至少包括：行列地址控制子模块、端元数据存储子模块，元素乘运算子模块，结果累加子模块；矩阵求逆模块，至少包括：cholesky分解子模块、上/下三角矩阵求逆子模块、对角阵求逆子模块、求逆矩阵相乘子模块；投影计算模块，将像元向量投影到正交于干扰特征的子空间上，消除冗杂信号，再将剩余的信号投影到待识别的特征上；所述投影计算模块至少包括：矩阵相乘子模块、矩阵减法子模块结果计算模块，计算待检测目标的位置并显示；以及数据输出模块。更进一步的，所述储存模块储存所述数据输入模块数据，先将所述高光谱图像数据进行整理，确定数据输入范围，对数据进行归一化处理，将十进制的小数转换为定点的13位二进制数表示。进一步的，所述矩阵相乘子模块，将端元数据U按照像素点的顺序存储在所述储存模块中，在所述行列地址控制子模块中产生读地址使能和读地址信号，设置列计数器k、li分别表示两个矩阵的行列变换。更进一步的，当列计数器li达到被乘矩阵的行时，则进行自加换列操作，当列循环后，进行换行操作，则所乘矩阵的地址为Addr_a＝189*k+li，由于UTU，相乘的两个矩阵数据同为U，则被乘矩阵U的地址循环4次。进一步的，所述矩阵求逆模块，根据OSP算法矩阵UTU为对称正定矩阵，采用cholesky分解求逆方法，A＝LLT，将矩阵分解为一个三角矩阵以及它的转置矩阵；对所述cholesky求逆方法进行优化，则A＝LDLT，将矩阵分解为两个对角线为1的三角矩阵和一个对角矩阵，并且两个三角矩阵互为转置。更进一步的，所述优化的cholesky分解方法至少包含以下步骤：S1：对矩阵进行分解；S2：对分解得到的上三角、下三角、对角矩阵分别进行求逆；S3：将得到的三个逆矩阵进项相乘得到原矩阵的逆。进一步的，所述矩阵分解公式为：A＝LDLT；则矩阵L和矩阵D为：所述下三角矩阵求逆公式为：U＝(uij)＝L-1(i,j＝1,2,...,n)其中，A表示待分解的矩阵，L表示分解得到的下三角矩阵，lij表示L中的元素，i表示元素所在的行数，j表示元素所在的列数，D表示分解得到的对角矩阵，U表示L的逆矩阵，其中uij代表U中的元素。更进一步的，所述上/下三角矩阵求逆子模块为乘累加模块，对角线元素为1，则逆矩阵的对角线元素保持不变，再依次求出紧邻对角线的斜列元素，根据公式(1)，次斜对角线矩阵化简为uij＝-lij，取反赋值计算；所述下三角矩阵的第三、四斜列元素根据公式(1)计算。进一步的，所述对角阵求逆子模块，对角阵D-1的求逆公式为：所述求逆矩阵相乘子模块调用矩阵相乘子模块，通过行列地址控制子模块计算A-1＝(L-1)TD-1L-1，得到矩阵求逆的结果输出。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术采用的目标检测算法是正交子空间投影算法，简称OSP算法，一方面抑制背景特征光谱对信号的影响，另一方面在考虑到各种噪声的情况下最大化的将信号提取出来,运算速度快，执行效率好。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术整体系统示意图。图2为本专利技术投影计算模块系统示意图。图3为本专利技术矩阵相乘模块系统示意图。图4为本专利技术矩阵求逆模块系统示意图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。如图1所示，本专利技术提供了一种基于FPGA的高光谱目标检测OSP算法的实现系统，至少包括：数据输入模块，输入高光谱图像数据；储存模块，数据输入模块输入后的高光谱图像数据；矩阵相乘子模块，对输入后的高光谱图像数据；矩阵相乘子模块至少包括：行列地址控制子模块、端元数据存储子模块，元素乘运算子模块，结果累加子模块；矩阵求逆模块，至少包括：cholesky分解子模块、上/下三角矩阵求逆子模块、对角阵求本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的高光谱目标检测OSP算法的实现系统，其特征在于，至少包括：数据输入模块，输入高光谱图像数据；储存模块，所述数据输入模块输入后的高光谱图像数据；矩阵相乘子模块，对所述输入后的高光谱图像数据；所述矩阵相乘子模块至少包括：行列地址控制子模块、端元数据存储子模块、元素乘运算子模块以及结果累加子模块；矩阵求逆模块，至少包括：cholesky分解子模块、上/下三角矩阵求逆子模块、对角阵求逆子模块以及求逆矩阵相乘子模块；投影计算模块，将像元向量投影到正交于干扰特征的子空间上，消除冗杂信号，再将剩余的信号投影到待识别的特征上；所述投影计算模块至少包括：矩阵相乘子模块及矩阵减法子模块；结果计算模块，计算待检测目标的位置并显示；以及数据输出模块；所述储存模块储存所述数据输入模块数据，先将所述高光谱图像数据进行整理，确定数据输入范围，对数据进行归一化处理，将十进制的小数转换为定点的13位二进制数表示。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的高光谱目标检测OSP算法的实现系统，其特征在于，至少包括：数据输入模块，输入高光谱图像数据；储存模块，所述数据输入模块输入后的高光谱图像数据；矩阵相乘子模块，对所述输入后的高光谱图像数据；所述矩阵相乘子模块至少包括：行列地址控制子模块、端元数据存储子模块、元素乘运算子模块以及结果累加子模块；矩阵求逆模块，至少包括：cholesky分解子模块、上/下三角矩阵求逆子模块、对角阵求逆子模块以及求逆矩阵相乘子模块；投影计算模块，将像元向量投影到正交于干扰特征的子空间上，消除冗杂信号，再将剩余的信号投影到待识别的特征上；所述投影计算模块至少包括：矩阵相乘子模块及矩阵减法子模块；结果计算模块，计算待检测目标的位置并显示；以及数据输出模块；所述储存模块储存所述数据输入模块数据，先将所述高光谱图像数据进行整理，确定数据输入范围，对数据进行归一化处理，将十进制的小数转换为定点的13位二进制数表示。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高光谱目标检测OSP算法的实现系统，其特征还在于：所述矩阵相乘子模块，将端元数据U按照像素点的顺序存储在所述储存模块中，在所述行列地址控制子模块中产生读地址使能和读地址信号，设置列计数器k、li分别表示两个矩阵的行列变换；当列计数器li达到被乘矩阵的行时，则进行自加换列操作，当列循环后，进行换行操作，则所乘矩阵的地址为Addr_a＝189*k+li，由于UTU，相乘的两个矩阵数据同为U，则被乘矩阵U的地址循环4次。3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高光谱目标检测OSP算法的实现系统，其特征还在于：所述矩阵求...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐小芳，李森，宋梅萍，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21