基于预测与JPEG2000的高光谱图像无损压缩方法研究

论文摘要

成像光谱仪所获取的图像数据为高光谱图像，它是三维立方体数据，同时包含二维空间信息和一维光谱信息。高光谱图像数据量巨大，必须进行有效压缩才能便于传输和存储。高光谱图像又是用于地物光谱分析的重要数据源，有损压缩势必丢失有用信息，因此应当进行无损压缩。本文对高光谱图像无损压缩方法进行了研究，采用了基于预测与JPEG2000的压缩算法。第一，介绍了图像压缩原理及基本算法。首先，给出了图像压缩的信息论基础和常用的熵编码；然后，分别对三大类压缩算法（预测算法、变换算法和矢量量化算法）原理进行了介绍，并着重介绍了JPEG2000标准；最后，给出了压缩算法质量评价方法。第二，进行了高光谱图像无损压缩方法的分析和实现。首先，分析了高光谱图像的空间相关性和谱间相关性，为压缩提供指导；其次，从信息论的角度给出了高光谱图像无损压缩的可行性；最后，采用了三种压缩方法进行高光谱图像无损压缩，通过压缩效果对比得出基于预测与JPEG2000相结合的三维压缩方法能够获得更高的压缩比（2.06）。第三，编写了基于MATLAB GUI的高光谱图像分析及压缩软件。该软件的分析模块可以实现高光谱分析和相关性（包括空间相关性和谱间相关性）分析；压缩模块可以实现一阶线性预测无损编码、JPEG2000无损编码和二者相结合的无损编码。实验结果表明，该软件可以具有操作简单、功能准确有效等优点。第四，进行了凸面光栅成像光谱仪图像数据实时压缩系统设计。首先，介绍了凸面光栅成像光谱仪，给出了其光学结构和成像原理；其次，经算法分析，给出了基于一阶线性预测与JPEG2000相结合的压缩方案的具体实现流程；最后，根据系统设计方案进行了各功能模块的原理图和PCB设计，性能分析表明该系统满足图像数据实时压缩要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 成像光谱技术
• 1.2 高光谱图像无损压缩的必要性及研究现状
• 1.2.1 高光谱图像无损压缩的必要性
• 1.2.2 高光谱图像无损压缩的研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容及结构安排
• 1.3.1 论文工作的主要内容
• 1.3.2 论文的结构安排
• 第2章 图像压缩原理及基本算法
• 2.1 图像压缩的信息论基础
• 2.1.1 图像的信息论模型
• 2.1.2 基本编码定理
• 2.2 熵编码
• 2.2.1 Huffman 编码
• 2.2.2 算术编码
• 2.2.3 行程编码
• 2.3 基于预测的图像压缩算法
• 2.3.1 预测编码原理
• 2.3.2 无损预测编码
• 2.3.3 有损预测编码
• 2.4 基于变换的图像压缩算法
• 2.4.1 变换编码基本原理
• 2.4.2 子图像尺寸的选择
• 2.4.3 图像变换算法
• 2.4.4 比特分配
• 2.5 JPEG2000 标准
• 2.5.1 预处理
• 2.5.2 分量间变换
• 2.5.3 离散小波变换
• 2.5.4 量化
• 2.5.5 核心编码算法
• 2.6 基于矢量量化的图像压缩算法
• 2.7 图像压缩算法质量评价方法
• 2.7.1 压缩比
• 2.7.2 图像保真度
• 2.7.3 算法复杂度
• 2.8 小结
• 第3章 高光谱图像无损压缩方法
• 3.1 高光谱图像相关性分析
• 3.1.1 高光谱图像空间相关性分析
• 3.1.2 高光谱图像谱间相关性分析
• 3.2 高光谱图像无损压缩的可行性
• 3.3 基于谱内线性预测编码的高光谱图像无损压缩方法
• 3.3.1 高光谱图像无损压缩方案
• 3.3.2 高光谱图像无损压缩实验
• 3.3.3 高光谱图像重建
• 3.4 基于谱内 JPEG2000 编码的高光谱图像无损压缩方法
• 3.4.1 高光谱图像无损压缩方案
• 3.4.2 高光谱图像无损压缩
• 3.4.3 高光谱图像 JPEG2000 重建
• 3.5 基于预测与 JPEG2000 相结合的高光谱图像无损压缩方法
• 3.5.1 高光谱图像无损压缩方案
• 3.5.2 谱间一阶线性无损预测
• 3.5.3 谱内 JPEG2000 无损压缩
• 3.5.4 高光谱图像重建
• 3.5.5 高光谱图像无损压缩方案压缩效果对比
• 3.6 小结
• 第4章 基于 Matlab GUI 的高光谱图像分析及压缩软件
• 4.1 MATLAB GUI 简介
• 4.2 基于 MATLAB GUI 的高光谱图像光谱分析
• 4.2.1 高光谱图像光谱分析原理
• 4.2.2 基于 MATLAB GUI 的高光谱分析模块
• 4.2.3 高光谱分析实验
• 4.3 基于 MATLAB GUI 的高光谱图像相关性分析
• 4.3.1 高光谱图像相关性分析的重要性
• 4.3.2 高光谱图像相关性分析模块
• 4.3.3 高光谱图像相关性分析实验
• 4.4 基于 MATLAB GUI 的高光谱图像无损压缩
• 4.4.1 基于 MALAB GUI 的高光谱图像无损压缩模块
• 4.4.2 高光谱图像压缩实验
• 4.5 小结
• 第5章 凸面光栅成像光谱仪图像数据实时压缩系统
• 5.1 凸面光栅成像光谱仪
• 5.1.1 凸面光栅成像光谱仪的光学结构
• 5.1.2 凸面光栅成像光谱仪的成像原理
• 5.2 图像数据压缩方案
• 5.2.1 压缩算法分析
• 5.2.2 压缩方案实现流程
• 5.3 图像数据实时压缩系统设计方案
• 5.4 系统功能模块原理图设计
• 5.4.1 图像数据接收及接口控制模块设计
• 5.4.2 乒乓缓存模块设计
• 5.4.3 ADV212
• 5.4.4 USB 传输模块设计
• 5.4.5 主控 FPGA 模块设计
• 5.4.6 电源模块设计
• 5.4.7 原理图层次化设计
• 5.5 PCB 设计及实物图
• 5.6 系统性能分析及结论
• 5.7 小结
• 第6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.1.1 主要研究成果
• 6.1.2 创新点
• 6.2 展望
• 参考文献
• 在学期间学术成果情况
• 指导教师及作者简介
• 致谢