本發(fā)明涉及混合物成分解析
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種混合物光譜分析方法。
背景技術(shù)：
：混合物成分解析技術(shù)在各個行業(yè)中均有廣泛的應用。在現(xiàn)有技術(shù)中，對混合物進行成分解析是一項非常困難的工作，即使事先知道混合物的組分，也很難采用人工的方式去分辨單一組分的構(gòu)成。因此用軟件分析的方式來進行混合物的譜庫檢索已經(jīng)成為混合物成分解析中的一個重要手段。傳統(tǒng)的混合物譜庫檢索的過程是一個檢索數(shù)據(jù)量非常大、分析過程耗時比較久的過程。混合物光譜解析的核心目的就是在已知光譜庫中找到某一個光譜或者某幾個光譜的組合與目標光譜之間存在最好的最小二乘擬合(所謂“最好”的含義是要使殘差光譜后的均方根殘差值最小)。然而現(xiàn)有的光譜庫中的已知光譜越多，計算次數(shù)也就越多，系統(tǒng)內(nèi)存和系統(tǒng)資源的占用率也就越高，并且混合物光譜的計算能力會受到系統(tǒng)內(nèi)存和系統(tǒng)處理能力的限制，即上述系統(tǒng)內(nèi)存和系統(tǒng)處理能力的限制會在一定程度上降低混合物光譜的分析效率。技術(shù)實現(xiàn)要素：根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，現(xiàn)提供一種混合物光譜分析方法的技術(shù)方案，旨在降低混合物光譜分析的計算復雜度，避免系統(tǒng)內(nèi)存對計算過程的限制，提高光譜分析效率。上述技術(shù)方案具體包括：一種混合物光譜分析方法，適用于混合物成分解析的過程中，依據(jù)所述混合物的目標光譜向量、所述混合物的每個樣本的樣本光譜向量以及分別關(guān)聯(lián)于每個所述樣本的光譜濃度表示所述混合物的光譜；其中，形成依序排列有所述目標光譜向量以及每個所述樣本光譜向量的第一行矩陣，以及形成依序排列有包括所述目標光譜向量以及每個所述樣本光譜向量的第一列矩陣，還包括：步驟S1，計算并暫存由所述第一行矩陣和所述第一列矩陣相乘形成的協(xié)方差矩陣中的多個基礎(chǔ)矩陣元素；步驟S2，去除所述第一行矩陣中的第一個矩陣元素以形成第二行矩陣，以及去除所述第一列矩陣中的第一個矩陣元素以形成第二列矩陣；步驟S3，將所述第二行矩陣中的所有矩陣元素按順序劃分為包括在多個第一行矩陣塊中，以及將所述第二列矩陣中的所有矩陣元素按順序劃分為包括在多個第二列矩陣塊中；步驟S4，分別將每個所述第二行矩陣塊中的矩陣元素與每個所述第二列矩陣塊中的矩陣元素相乘，以分別計算形成多個協(xié)方差矩陣塊；步驟S5，根據(jù)所有所述協(xié)方差矩陣塊以及暫存的所有所述基礎(chǔ)矩陣元素，計算得到所述協(xié)方差矩陣，并根據(jù)所述協(xié)方差矩陣計算得到所述混合物的光譜。優(yōu)選的，該混合物光譜分析方法，其中，采用下述表達式表示所述混合物的光譜：y→=a1x→1+a2x→2+a3x→3+...+anx→n+ϵ→;]]>其中，表示所述混合物的所述目標光譜向量；xn(n為自然數(shù))表示所述混合物的不同的樣本的所述樣本光譜向量；an(n為自然數(shù))表示對應xn的光譜的光譜濃度；表示所述目標光譜向量減去所述樣本光譜向量的組合之后的殘差光譜向量。優(yōu)選的，該混合物光譜分析方法，其中，多個所述基礎(chǔ)矩陣元素包括：所述協(xié)方差矩陣中第一行中包括的所有矩陣元素；以及所述協(xié)方差矩陣中對角線上包括的所有矩陣元素。優(yōu)選的，該混合物光譜分析方法，其中，每個所述第二行矩陣塊中包括的矩陣元素的數(shù)量相同，以及每個所述第二列矩陣塊中包括的矩陣元素的數(shù)量相同；所述步驟S4具體包括：步驟S41，讀取第一個所述第二行矩陣塊；步驟S42，讀取第一個所述第二列矩陣塊；步驟S43，根據(jù)被讀取的所述第二行矩陣塊和被讀取的所述第二列矩陣塊計算形成一對應的所述協(xié)方差矩陣塊；步驟S44，判斷是否存在尚未被讀取的所述第二列矩陣塊：若存在，則轉(zhuǎn)向讀取下一個所述第二列矩陣塊，并返回所述步驟S43；若不存在，則轉(zhuǎn)向讀取下一個所述第二行矩陣塊，并返回所述步驟S42，直至所有所述第二行矩陣塊均被讀取完畢。優(yōu)選的，該混合物光譜分析方法，其中，每個所述第二行矩陣塊中包括的矩陣元素的數(shù)量為2000個。優(yōu)選的，該混合物光譜分析方法，其中，每個所述第二列矩陣塊中包括的矩陣元素的數(shù)量為2000個。優(yōu)選的，該混合物光譜分析方法，其中：所述第一行矩陣被表達為：所述第一列矩陣被表達為：其中，表示所述混合物的所述目標光譜向量；xn(n為自然數(shù))表示所述混合物的不同的樣本的所述樣本光譜向量。優(yōu)選的，該混合物光譜分析方法，其中，采用圖形處理器，利用所述混合物光譜分析方法計算得到所述混合物的光譜。上述技術(shù)方案的有益效果是：提供一種混合物光譜分析方法，能夠降低混合物光譜分析的計算復雜度，避免系統(tǒng)內(nèi)存對計算過程的限制，提高光譜分析效率。附圖說明圖1是本發(fā)明的較佳的實施例中，一種混合物光譜分析方法的總體流程示意圖；圖2是本發(fā)明的較佳的實施例中，對協(xié)方差矩陣進行計算的具體流程示意圖。具體實施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不作為本發(fā)明的限定?，F(xiàn)有技術(shù)中，通常根據(jù)多組分體系的朗伯-比爾定律和加和定律，混合物的光譜可以被表示為下述的表達式：y→=a1x→1+a2x→2+a3x→3+...+anx→n+ϵ→;---(1)]]>其中，表示混合物的目標光譜向量；(n為自然數(shù))表示混合物的不同的樣本的樣本光譜向量；an(n為自然數(shù))表示對應xn的光譜的光譜濃度；表示所述目標光譜向量減去所述樣本光譜向量的組合之后的殘差光譜向量。如上文中所述，在上述混合物解析過程中，核心目的就是在已知光譜庫中找到某一光譜或者某些光譜組合和目標光譜之間存在最好的最小二乘擬合，即能夠使得殘差光譜向量進行均方根(rms)計算后得到的均方根殘差(rmsresidual)值最小?，F(xiàn)有技術(shù)中，通常利用最小二乘法來解決上述光譜的多元線性回歸問題，并通過整理得到下述正規(guī)方程組：XTXa→=XTy→;---(2)]]>其中，XT表示樣本光譜矩陣X(對應于樣本光譜向量)的轉(zhuǎn)置矩陣。在實際的求殘差的計算過程中，由內(nèi)積原理和矩陣計算可以推到得到，殘差光譜向量的值的計算工程和XTX以及有關(guān)，并進而在上述表達式的基礎(chǔ)上組合形成一個新的協(xié)方差矩陣：y→x→1x→2x→3...x→n]]>由于上述協(xié)方差矩陣(3)為對稱矩陣，因此忽略下三角矩陣部分。從上面的協(xié)方差矩陣中可以看到，在混合物的光譜解析計算的過程中，存在大量的協(xié)方差計算。例如，當在已存在1000張光譜的光譜庫中計算一個組分的最小二乘擬合，則需要計算1000次。如果擴展到2個組分(仍然是1000張光譜)，則需要計算1000*999/2＝499500次。當然若需要計算3個組分甚至更多時，計算次數(shù)會呈幾何級數(shù)上升。目前，在上述計算過程中，為了不重復計算以及提高計算的速度，會預先計算得到所有協(xié)方差矩陣元素并存儲在內(nèi)存中。當實際計算中，用到哪一個矩陣元素，再去內(nèi)存中取出相應的值。但是對于每個協(xié)方差數(shù)據(jù)來說，其數(shù)據(jù)大小通常為8byte，而現(xiàn)有的計算機處理設(shè)備在操作系統(tǒng)和硬件的各種限制下，其可用的內(nèi)存空間通常被限定在2G。因此當存在有25000張樣本光譜時，系統(tǒng)內(nèi)存已經(jīng)無法支持上述計算過程。換言之，若采用現(xiàn)有的處理方法進行混合物光譜分析，其計算速度較慢，計算效率較差，并且在光譜庫中的光譜數(shù)到達一定數(shù)量時會受到系統(tǒng)內(nèi)存的限制導致無法繼續(xù)計算下去，阻礙混合物光譜分析和處理的整體進程。基于上文中存在的幾個問題，在本發(fā)明的較佳的實施例中，提供一種混合物光譜分析方法，該方法適用于混合物成分解析的過程中，并依據(jù)混合物的目標光譜向量、混合物的每個樣本的樣本光譜向量以及分別關(guān)聯(lián)于每個樣本的光譜濃度表示混合物的光譜。具體地，上述混合物的光譜表達式如式(1)所示，在此不再贅述。則本發(fā)明的較佳的實施例中，上述方法中，首先形成依序排列有目標光譜向量以及每個樣本光譜向量的第一行矩陣，以及形成依序排列有包括目標光譜向量以及每個樣本光譜向量的第一列矩陣，還包括如圖1所示的下述步驟：步驟S1，計算并暫存由第一行矩陣和第一列矩陣相乘形成的協(xié)方差矩陣中的多個基礎(chǔ)矩陣元素；步驟S2，去除第一行矩陣中的第一個矩陣元素以形成第二行矩陣，以及去除第一列矩陣中的第一個矩陣元素以形成第二列矩陣；步驟S3，將第二行矩陣中的所有矩陣元素按順序劃分為包括在多個第一行矩陣塊中，以及將第二列矩陣中的所有矩陣元素按順序劃分為包括在多個第二列矩陣塊中；步驟S4，分別將每個第二行矩陣塊中的矩陣元素與每個第二列矩陣塊中的矩陣元素相乘，以分別計算形成多個協(xié)方差矩陣塊；步驟S5，根據(jù)所有協(xié)方差矩陣塊以及暫存的所有基礎(chǔ)矩陣元素，計算得到協(xié)方差矩陣，并根據(jù)協(xié)方差矩陣計算得到混合物的光譜。在一個具體實施例中，根據(jù)表達式(1)中的混合物的光譜，可以依序形成一個第一行矩陣以及一個第一列矩陣。所謂第一行矩陣，其可以表達為：y→x→1x→2x→3...x→n;---(4)]]>所謂第一列矩陣，其可以表達為：y→x→1x→2x→3···x→n;---(5)]]>則首先計算得到上述第一行矩陣和第一列矩陣相乘形成的協(xié)方差矩陣(如式(3)所示)中的多個基礎(chǔ)矩陣元素，并將這些基礎(chǔ)矩陣元素保存在系統(tǒng)內(nèi)存中。具體地，由于在后續(xù)的計算過程中，這些基礎(chǔ)矩陣元素會被多次用到，因此事先將這些基礎(chǔ)矩陣元素計算出來并暫存在系統(tǒng)內(nèi)存中，以避免之后的后續(xù)計算中對其進行重復計算。具體地，上述基礎(chǔ)矩陣元素可以包括上述式(3)中的協(xié)方差矩陣中的第一行包括的所有矩陣元素以及對角線上包括的所有矩陣元素。在上述步驟執(zhí)行完畢之后，去除上述式(4)中表示的第一行矩陣中的第一個矩陣元素，以形成一個第二行矩陣：x→1x→2x→3...x→n;---(6)]]>以及去除上述式(5)中表示的第一列矩陣中的第一個矩陣元素，以形成一個第二列矩陣：x→1x→2x→3···x→n;---(7)]]>隨后，上述實施例中，將第二行矩陣內(nèi)的所有矩陣元素按照先后順序分別劃分為包括在多個第二行矩陣塊中，以及將第二列矩陣內(nèi)的所有矩陣元素按照先后順序分別劃分為包括在多個第二列矩陣塊中。隨后分別將每個第二行矩陣與每個第二列矩陣相乘，以分別得到不同的協(xié)方差矩陣塊，具體如下述表達式所示：x→1...x→kxk+1→...x2k→...x→n]]>上述表達式(8)中，可以將第二行矩陣中的矩陣元素至劃分為包括在第一個第二行矩陣塊中，并將至劃分為包括在第二個第二行矩陣塊中，以此類推。相應地，可以將第二列矩陣中的矩陣元素至劃分為包括在第一個第二列矩陣塊中，并將至劃分為包括在第二個第二列矩陣塊中，以此類推。隨后，可以將每個第二行矩陣塊分別與每個第二列矩陣塊相乘，以得到不同的協(xié)方差矩陣。具體地，同樣參考表達式(8)，其中的協(xié)方差矩陣中，第一個行矩陣塊和第一個列矩陣塊相乘計算形成的協(xié)方差矩陣塊可以為從到的矩陣塊，第二個行矩陣塊和第一個列矩陣塊相乘計算形成的協(xié)方差矩陣可以為從到以此類推。最后根據(jù)所有協(xié)方差矩陣塊形成由第二行矩陣和第二列矩陣相乘得到的協(xié)方差矩陣。最后，上述實施例中，根據(jù)所有協(xié)方差矩陣塊以及暫存的所有基礎(chǔ)矩陣元素，計算得到協(xié)方差矩陣，并根據(jù)協(xié)方差矩陣計算得到混合物的光譜。綜上所述，本發(fā)明技術(shù)方案中，首先將在計算過程中會多次重復用到的基礎(chǔ)矩陣元素預先計算并暫存到內(nèi)存中，隨后將剩下的行矩陣和列矩陣分別劃分為包括在不同的矩陣塊中，每次取一個行矩陣塊和一個列矩陣塊進行計算得到相應的一個協(xié)方差矩陣塊，最后將計算得到的所有協(xié)方差矩陣塊和上述暫存的基礎(chǔ)矩陣元素結(jié)合形成代表混合物光譜解析結(jié)果的協(xié)方差矩陣，并根據(jù)該協(xié)方差矩陣最終得到混合物的目標光譜。換言之，上述技術(shù)方案中，對協(xié)方差矩陣的計算分割成多塊進行，從而能夠在現(xiàn)有系統(tǒng)內(nèi)存容量的限制下實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量光譜的計算和處理，并且也可用于分布式處理技術(shù)，進一步加快光譜分析和處理的速度，提升處理效率。本發(fā)明的較佳的實施例中，在上述表達式(8)的協(xié)方差矩陣中，由于對角線上的基礎(chǔ)矩陣元素已經(jīng)被預先計算并暫存，因此該協(xié)方差矩陣中的對角線上的矩陣元素不再被計算。本發(fā)明的較佳的實施例中，每個第二行矩陣塊中包括的矩陣元素的數(shù)量相同，以及每個第二列矩陣塊中包括的矩陣元素的數(shù)量相同；則上述步驟S4具體如圖2所示，包括：步驟S41，讀取第一個第二行矩陣塊；步驟S42，讀取第一個第二列矩陣塊；步驟S43，根據(jù)被讀取的第二行矩陣塊和被讀取的第二列矩陣塊計算形成一對應的協(xié)方差矩陣塊；步驟S44，判斷是否存在尚未被讀取的第二列矩陣塊：若存在，則轉(zhuǎn)向讀取下一個第二列矩陣塊，并返回步驟S43；若不存在，則轉(zhuǎn)向讀取下一個第二行矩陣塊，并返回步驟S42，直至所有第二行矩陣塊均被讀取完畢。具體地，本發(fā)明的較佳的實施例中，上述步驟S4中，首先按照順序讀取第一個第二行矩陣塊和第一個第二行矩陣塊，并根據(jù)這兩個被讀取的矩陣塊進行相乘計算，以得到一個相應的協(xié)方差矩陣塊。隨后保持讀取第一個第二行矩陣塊，繼續(xù)讀取第二個第二列矩陣塊，并相乘得到相應的協(xié)方差矩陣塊。上述過程以此類推，直到保持讀取第一個第二行矩陣塊的情況下，所有的第二列矩陣塊均被讀取并計算一遍之后，再轉(zhuǎn)向第二個第二行矩陣塊，并重新從第一個第二列矩陣塊開始讀取并進行計算。最終形成一個完整的協(xié)方差矩陣。本發(fā)明的一個較佳的實施例中，以上述每個第二行矩陣塊中包括2000個矩陣元素，以及每個第二列矩陣塊中包括2000個矩陣元素為例(即已知光譜庫中包括2000張光譜)，上述步驟S41-S44可以采用下述方式實現(xiàn)：設(shè)定一個初始為0的計數(shù)變量i以及一個初始為0的計數(shù)變量j，并且設(shè)置一個第一處理模塊和一個第二處理模塊，第一處理模塊對應于處理第二行矩陣中的矩陣元素，第二處理模塊對應于處理第二列矩陣中的矩陣元素。首先采用第一處理模塊讀取上述第二行矩陣中的矩陣元素，并在讀取過程中進行判斷：是否讀完(處理完)所有光譜，即是否讀完(處理完)第二行矩陣中的所有矩陣元素，并在判斷結(jié)果為是時確認計算過程結(jié)束。若上述第一處理模塊尚未處理完所有光譜，則該第一處理模塊讀取i到i+2000號的光譜(即讀取i到i+2000號的矩陣元素)作為a塊，隨后使計數(shù)變量j＝i，再判斷第二處理模塊是否讀完(處理完)所有光譜，即是否讀完(處理完)第二列矩陣中的所有矩陣元素：若判斷結(jié)果為是，則使計數(shù)變量i＝i+2000，并返回到第一處理模塊處理的步驟，以繼續(xù)讀取和處理第二行矩陣中的矩陣元素；若判斷結(jié)果為否，則第二處理模塊讀取j到j(luò)+2000號的光譜(即讀取j到j(luò)+2000號的矩陣元素)作為b塊，隨后第一處理模塊和第二處理模塊結(jié)合計算a塊和b塊，以將a塊和b塊相乘得到相應的協(xié)方差矩陣塊，隨后使得計數(shù)變量j＝j(luò)+2000，并再次返回到第二處理模塊處理的過程中，以繼續(xù)讀取和處理第二列矩陣中的矩陣元素。由于圖形處理器(GraphicProcessingUnit，GPU)在處理大量數(shù)據(jù)時的計算能力比中央處理器(CentralProcessingUnit，CPU)具有更明顯的優(yōu)勢，因此在本發(fā)明的較佳的實施例中，為了使得上述混合物光譜的解析過程中計算效率更高，計算性能更強，可以采用GPU，利用混合物光譜分析方法計算得到混合物的光譜。以上所述僅為本發(fā)明較佳的實施例，并非因此限制本發(fā)明的實施方式及保護范圍，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，應當能夠意識到凡運用本發(fā)明說明書及圖示內(nèi)容所作出的等同替換和顯而易見的變化所得到的方案，均應當包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。當前第1頁1 2 3