一种机载高光谱图像压缩方法、系统、设备及介质与流程

本发明涉及图像压缩，具体涉及一种机载高光谱图像压缩方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、在机载高光谱图像压缩领域，现有方法通常对图像进行空间分块后，计算各块的波段间协方差矩阵，再通过聚类手段构建光谱基码本，从而实现对各空间块高光谱数据的子空间投影与压缩编码。然而，在对协方差矩阵进行聚类时，普遍采用欧氏距离作为矩阵间的相似性度量准则。这一做法忽视了协方差矩阵作为对称正定矩阵所固有的黎曼流形几何结构，导致在欧氏空间中计算所得的矩阵均值与距离无法真实反映矩阵间的本征差异。

2、也就是说，当两个协方差矩阵在欧氏意义下被视为接近时，它们在流形几何上可能实际相距甚远，反之亦然，由此造成聚类结果失真，所构建的光谱基码本对原始光谱结构的代表性不足。

3、比如，对一幅同时覆盖城区建筑、植被与水体的机载高光谱图像进行分块处理，其中，某一城区块的协方差矩阵特征值集中于少数几个主方向，而某一植被块的协方差矩阵则呈现出更为分散的特征值分布，两者在黎曼流形上本应属于不同的聚类簇。然而，由于欧氏距离度量的膨胀效应，这两类矩阵在欧氏空间中的距离可能被低估，从而被错误地归入同一聚类簇，并以一个失真的欧氏均值矩阵作为代表，对其进行特征分解所得的光谱基矩阵既不能准确描述城区块的光谱主方向，最终导致两类空间块的投影重构残差均偏大，压缩质量下降。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，本发明提供一种机载高光谱图像压缩方法、系统、设备及介质。

2、因此，本发明解决的技术问题是：当两个协方差矩阵在欧氏意义下被视为接近时，它们在流形几何上可能实际相距甚远，反之亦然，由此造成聚类结果失真，所构建的光谱基码本对原始光谱结构的代表性不足。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种机载高光谱图像压缩方法，其包括以下步骤：对机载高光谱图像进行空间分块，计算各空间块的波段间光谱协方差矩阵，并对所述光谱协方差矩阵进行全局聚类，得到第一码本；通过所述第一码本对各空间块匹配最优基矩阵，对各所述空间块的高光谱数据进行空间投影，得到投影系数图；通过所述投影系数图对各空间块进行光谱重构，得到投影残差图，并根据所述投影残差图对各空间块执行一级分配，得到第一分配方案；按照所述第一分配方案对各空间块的投影系数图和投影残差图进行量化编码，将量化编码结果与所述第一码本进行合并，输出压缩码流。

4、作为本发明所述的一种机载高光谱图像压缩方法的一种优选方案，其中：对所述光谱协方差矩阵进行全局聚类的步骤包括：对各空间块的高光谱数据构建波段观测矩阵，对所述波段观测矩阵计算协方差，得到各空间块的所述光谱协方差矩阵；对所有的所述光谱协方差矩阵进行聚类划分，将各聚类簇内的光谱协方差矩阵取黎曼均值，得到各聚类簇的代表性协方差矩阵；对各代表性协方差矩阵进行特征值分解，根据特征值分解结果构成光谱基矩阵，将所有聚类簇的光谱基矩阵进行汇总，得到所述第一码本。

5、作为本发明所述的一种机载高光谱图像压缩方法的一种优选方案，其中：对所有的所述光谱协方差矩阵进行聚类划分的步骤包括：从所有光谱协方差矩阵中按照第一原则选取初始聚类中心；计算每个光谱协方差矩阵与各聚类中心的黎曼距离，将每个光谱协方差矩阵输入黎曼距离最小的聚类簇，通过重新计算的黎曼均值更新聚类中心，得到中间聚类中心；计算所有中间聚类中心的黎曼均值与上一轮聚类中心的黎曼均值之间的黎曼距离，响应于所述黎曼距离低于设定迭代标准，输出聚类划分结果。

6、作为本发明所述的一种机载高光谱图像压缩方法的一种优选方案，其中：得到所述投影系数图的步骤包括：将所述空间块的高光谱数据与每个光谱基矩阵分别进行投影重构，计算各重构结果与原始高光谱数据的重构误差；选取重构误差最小的光谱基矩阵作为最优基矩阵；将所述最优基矩阵作为投影基，对所述空间块的高光谱数据进行投影运算，得到投影系数；对所述投影系数进行排列，得到投影系数图。

7、作为本发明所述的一种机载高光谱图像压缩方法的一种优选方案，其中：对所述空间块的高光谱数据进行投影运算的步骤包括：对所述最优基矩阵进行分解，根据分解结果的能量贡献确定投影维度；从所述最优基矩阵中截取前所述投影维度列构成降维投影矩阵；以所述降维投影矩阵对空间块内每个空间像素的波段向量进行投影，得到所述投影系数。

8、作为本发明所述的一种机载高光谱图像压缩方法的一种优选方案，其中：执行一级分配的步骤包括：对各空间块的投影残差图，根据所述空间块内所有残差值的幅值水平确定各空间块的残差能量；对所有空间块的残差能量求和，得到全图残差总能量，以各空间块的残差能量除以所述全图残差总能量，得到各空间块的残差能量占比；以预设总编码比特预算乘以各空间块的残差能量占比，得到各空间块的初始比特分配量；对所述初始比特分配量取整后，将剩余比特按残差能量占比依次补偿至对应空间块，得到各空间块最终分配的编码比特数作为所述第一分配方案。

9、作为本发明所述的一种机载高光谱图像压缩方法的一种优选方案，其中：将剩余比特按残差能量占比依次补偿至对应空间块的步骤包括：将所有空间块按照残差能量占比进行排序，得到排序后的空间块序列；计算预设总编码比特预算减去所有空间块向下取整后的比特数之和，将计算结果作为剩余比特数；响应于剩余比特数大于0，将该空间块的最终编码比特数增加1，并将剩余比特数减1，继续遍历下一个空间块，直到剩余比特数为0时停止补偿。

10、本发明提供了一种机载高光谱图像压缩系统。

11、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种机载高光谱图像压缩系统，包括：空间分块计算模块，用于对机载高光谱图像进行空间分块，计算各空间块的波段间光谱协方差矩阵；

12、码本生成模块，用于对所述光谱协方差矩阵进行全局聚类，得到第一码本；

13、投影模块，通过所述第一码本对各空间块匹配最优基矩阵，对各所述空间块的高光谱数据进行空间投影，得到投影系数图；

14、比特分配模块，用于通过所述投影系数图对各空间块进行光谱重构，得到投影残差图，并根据所述投影残差图对各空间块执行一级分配，得到第一分配方案；

15、码流合并模块，用于按照所述第一分配方案对各空间块的投影系数图和投影残差图进行量化编码，将量化编码结果与所述第一码本进行合并，输出压缩码流。

16、本发明提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种机载高光谱图像压缩方法的步骤。

17、本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种机载高光谱图像压缩方法的步骤。

18、本发明的有益效果：通过空间分块及计算光谱协方差矩阵后进行全局聚类得到第一码本，使得第一码本能够匹配不同空间块的光谱分布特性；通过为各空间块匹配重构误差最小的最优基矩阵并进行空间投影，降低了投影系数图对原始数据的近似误差；

19、通过光谱重构得到投影残差图，并根据投影残差图对各空间块执行一级分配得到第一分配方案，实现了编码比特数在残差较大空间块上的倾斜分配；按照第一分配方案对投影系数图和投影残差图进行量化编码并与第一码本合并输出，在有限码率下优先保证高残差区域的编码精度，从而整体提升压缩后高光谱图像的重构质量与编码效率。