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    2020年 第47卷 第2期 刊出日期:2020-04-20
      
    一种多路视频的360度实时拼接技术
    黄樟钦,母召,岑陈,高寒
    2020, 47(2):  1-8.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.001
    摘要 ( 1062 )   HTML ( 149 )   PDF (2402KB) ( 454 )   收藏
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    针对视频拼接实现过程中图像配准阶段耗时较大的问题,设计出一种基于二进制鲁棒尺度不变性特征算法与运动统计算法的组合式图像配准算法。在二进制鲁棒尺度不变性特征算法快速特征提取特性的基础上,利用网格化方法对重叠区域图像进行划分,使特征点分布更加均匀,从而减少需要操作的特征点数量以提高速率;在匹配环节, 利用运动统计算法剔除误匹配对,利用双向匹配策略提高匹配准确率。为使图像融合的更加自然流畅,设计出一种区域化的渐入渐出加权融合算法:为减少求解重叠区域存在的误差,构建融合区域并进行区域化划分,利用最佳缝合线法求得拼接缝,在不同区域使用渐入渐出加权算法实现图像融合,从而获取融合质量更高的全景图像。最后,设计出完整的全景视频拼接系统,通过实验验证了系统方案的可行性和实用性。实验证明,相对于传统的视频拼接技术,新算法在消除拼接时出现的重影和接缝问题的同时,保证了视频拼接的实时性。

    融合局部语义和全局结构信息的健康问句分类
    张志昌,张治满,张珍文
    2020, 47(2):  9-15.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.002
    摘要 ( 400 )   HTML ( 37 )   PDF (1328KB) ( 129 )   收藏
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    针对已有的中文医疗健康问句分类方法的不足,提出了一种融合句子局部语义信息和全局结构信息的中文医疗健康问句分类方法。首先,通过卷积神经网络和独立循环神经网络获得医疗健康问句的局部语义表示和全部结构表示;然后,利用自注意力机制将得到的局部语义表示和全局结构表示向量融合,生成医疗健康问句的最终语义表示向量;最后,通过分类层分类并输出分类结果。实验结果表明,这种方法可以有效地提高模型的语义表示能力,且有效地改善了梯度消失和梯度爆炸问题,在中文医疗健康问句数据集上具有很好的性能。

    车间环境下机器人语音控制的特征提取算法
    王晓华,要鹏超,马丽萍,王文杰,张蕾
    2020, 47(2):  16-22.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.003
    摘要 ( 441 )   HTML ( 42 )   PDF (1670KB) ( 127 )   收藏
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    针对移动机器人在车间实际工作环境中,由于噪声的影响导致对语音控制命令识别性能差的问题,提出了一种基于伽玛通倒谱系数和Teager能量算子混合特征提取的新算法。该算法用伽玛通滤波器代替抗噪性比较普通的梅尔滤波器,在提取伽玛通倒谱系数的过程中加入反映语音信号能量的Teager能量算子组成新的特征,并考虑语音信号的动态特性,将其与一阶差分参数融合组成混合特征;应用主成分分析法降维,将得到的混合特征用于移动机器人控制命令的语音识别系统。实验结果表明,在车间噪声以及信噪比为10dB的环境下,混合特征的识别率较梅尔倒谱系数提高了12.20%,通过主成分分析法得到的混合特征的识别率提高了1.02%。

    结合形变模型的人体姿态估计优化算法
    李健,张皓若,何斌
    2020, 47(2):  23-31.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.004
    摘要 ( 307 )   HTML ( 18 )   PDF (5771KB) ( 95 )   收藏
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    为了解决现有的基于人体形变模型的姿态估计算法容易出现误差、组成的运动序列不连贯等问题,提出利用深度相机获取的视频数据、点云数据进行优化的方法。对于视频数据:首先使用神经网络从视频每一帧彩色图像中提取模型参数,再利用人体关键点和轮廓的约束对参数进行优化求解,最后结合视频序列的帧间连贯性对视频全部帧的姿态估计结果进行误差纠正,使所得的运动序列更加流畅平滑。此外,为了进一步提升算法的精度,利用深度图所得点云与对应彩色图所得模型作为联合输入,然后利用点云与模型对应点的距离约束进行优化求解,最终得到一个与人体真实姿态相似的结果。将该算法与同类算法分别在公开数据集和真实数据上进行定性及定量的比较,实验结果表明,该算法能有效地纠正单帧姿态估计结果中出现的误差及运动不连续等问题,且在利用点云数据优化后,大幅提高了算法的精确度。

    AlN薄膜PMUT阵列指向性仿真分析与阵列优化
    娄利飞,安再芳,李艺宁,赵明阳,赵建新
    2020, 47(2):  32-38.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.005
    摘要 ( 416 )   HTML ( 20 )   PDF (3196KB) ( 89 )   收藏
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    由于氮化铝压电薄膜相对较低的压电常数限制了氮化铝基微机械超声换能器的发展和应用,因此针对该问题研究了氮化铝基微机械超声换能器阵列的指向性。首先依据瑞利原理计算了换能器阵的远场声压以及归一化指向性函数;进而仿真分析了阵元半径、阵元间距、阵元数量以及工作频率等因素对阵列波束宽度、方向锐度角和旁瓣级的影响,并对换能器阵进行了优化;最后根据优化结果、面积和填充效率等因素进行综合考虑,确定了换能器阵的最终结构尺寸,并对其声压分布进行了可视化仿真。仿真结果表明,优化后换能器阵具有较为理想的声压分布,指向性良好,主瓣尖锐,主瓣的-3dB波束宽度为9°左右,旁瓣级为0.228左右。

    压缩激励机制驱动的尿液细胞图像分类算法
    宋建锋,韦玥,苗启广,权义宁,陈毓生
    2020, 47(2):  39-45.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.006
    摘要 ( 278 )   HTML ( 79 )   PDF (1438KB) ( 60 )   收藏
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    针对尿液有形成分细胞图像的分类问题,提出了一种压缩激励机制驱动的GoogLeNet尿液细胞图像分类算法。该算法采用特征重标定机制,通过压缩操作和激励操作显式地建模Inception架构在训练过程中学习到的细胞特征通道之间的依赖关系,从而提升有用特征在当前任务中的重要程度。在尿液细胞数据集上的对比实验结果表明,在保证执行速度的情况下,该算法比GoogLeNet网络的分类准确率提升了3%,召回率提升了1%,具有更好的分类效果。

    一种用于点云分类的轻量级深度神经网络
    闫林,刘凯,段玫妤
    2020, 47(2):  46-53.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.007
    摘要 ( 499 )   HTML ( 21 )   PDF (1824KB) ( 119 )   收藏
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    在使用深度神经网络进行点云分类时,可以将点云转化为三维体素或是从多个角度将网格模型渲染成图片后进行处理,但转换过程会耗费额外的计算和存储资源;而使用原始点云作为输入的方法,其网络规模和计算复杂度又给算法在嵌入式环境部署带来困难。在对这些算法深入研究的基础上,提出一种轻量级的双路径神经网络模型,无须转换点云数据格式,使用0.8兆浮点数的参数量,达到和主流方法相当的分类精度。双路径结构利用点云的点内和点间表示方式,在避免多尺度学习引入的复杂结构和计算的同时,挖掘了全局特征和局部细粒度特征。实验结果表明,该网络模型可对ModelNet40和MNIST数据集进行准确分类,且设计具有合理性。

    采用羟乙基纤维素膜的光纤相对湿度传感器
    李金泽,张建奇,孙浩
    2020, 47(2):  54-59.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.008
    摘要 ( 318 )   HTML ( 13 )   PDF (1233KB) ( 53 )   收藏
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    为了验证羟乙基纤维素水凝胶用作光纤传感器湿敏材料的可行性,设计了一种新的基于羟乙基纤维素的光纤湿度传感器。首先将150μm长的空芯光纤熔接到单模光纤上,然后在空芯光纤的端面覆盖一层10μm厚的羟乙基纤维素水凝膜,最后将所制作的湿度传感器放置到恒温恒湿箱进行湿度响应测试。实验结果表明, 所设计的传感器具有良好的湿度响应特性,灵敏度可达224.5pm/%环境相对湿度,环境相对湿度从35%至85%的响应时间只需2.75s。作为一种良好的湿敏材料,羟乙基纤维素在各类湿度传感器中都具有很好的应用前景。

    SHVC中帧内预测快速算法
    李强,左静,王海宁
    2020, 47(2):  60-66.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.009
    摘要 ( 255 )   HTML ( 13 )   PDF (829KB) ( 38 )   收藏
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    为了降低质量可分级高性能视频编码的复杂度,提出了帧内预测快速算法。首先,利用层间和空间编码单元深度相关性,预测增强层编码单元的深度值范围;然后,在每一编码深度层下,通过Jarque-Bera检验层间预测模式的残差系数是否服从正态分布,判断层间预测模式是否为最优模式,以便跳过高复杂度的帧内预测;最后,对当前的深度进行假设检验,判断编码单元内残差系数是否呈现显著性差异,以便提前终止深度划分。实验结果表明,与标准可分级高性能视频编码编码器相比,所提出算法在保持整体编码效率的前提下,平均降低了约79%的增强层编码时间。

    利用非对称锁的高并发NVM存储系统
    蔡涛,刘佩瑶,王杰,牛德姣,贺庆建,陈志鹏
    2020, 47(2):  67-74.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.010
    摘要 ( 226 )   HTML ( 11 )   PDF (2552KB) ( 35 )   收藏
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    为了提高非易失性存储系统并发执行访问请求的能力,针对存储设备中的读写访问请求、文件数据和元数据的不同特性,设计了基于区间锁的文件数据并发写策略、基于读—拷贝修改的文件数据读写并发策略和基于最小自旋锁的元数据同步策略, 以提高访问请求执行的并发度;实现了利用非对称锁的高并发非易失存储系统原型,使用通用测试工具和方法进行了测试与分析,验证所实现的原型系统相比PMFS能提高40%~162%的吞吐率和61%~159%的每秒输入输出量。

    飞行器强化学习多模在轨控制
    张英,韦闽峰,王世会,陶磊岩,曹健,张兴
    2020, 47(2):  75-82.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.011
    摘要 ( 318 )   HTML ( 17 )   PDF (1779KB) ( 54 )   收藏
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    为了提高飞行器控制系统长期在轨飞行的可靠性,提出了一种基于强化学习的多模式控制系统方案。该系统包括传感器模块、控制模块和执行模块。其中,传感器模块用于向控制模块实时输入飞行器敏感的飞行数据,该数据分为可供飞行器控制直接使用的具有历史相关性的多维结构化浮点数据以及某特定传感器独有的物理表征量;控制模块使用实时并行化决策机制,分为输入层、特征抽取层和全连接层;执行模块用于接收控制模块实时输出的驱动数据,包括用于决策的状态最优值和用于评价的动作输出值。系统根据用于决策的回报最优值决定使用哪些具体的执行模块,而某个被选定的具体执行模块的输出值取决于用于评价的动作输出值。该系统使飞行器在多模式输入输出状态下具备15ms快响应,5.23GOPs/sec/W(性能功耗比单位)性能功耗比的能力。

    一种改进的引力搜索算法及其波束赋形
    孙翠珍,丁君,郭陈江
    2020, 47(2):  83-90.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.012
    摘要 ( 326 )   HTML ( 23 )   PDF (1376KB) ( 61 )   收藏
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    针对引力搜索算法初始值的随机性对算法性能以及收敛速度带来的不利影响,提出了一种改进算法——伪反向学习引力搜索算法。首先将伪反向学习机制用于算法中,并且把算法的迭代次数分为多个学习周期,根据过往学习周期中反向学习的成功率来调整反向概率, 设计了一种可调反向概率,用以优化反向机制在算法演化过程中的作用时机,提高了算法的收敛速度;其次为改善反向学习操作频繁对种群多样性带来的削弱,定义了“精英粒子”,用其替换掉种群中适应度值较差的个体,提高了算法的优化精度。与已有文献中的算法相比,改进算法对单峰及多峰测试函数的平均最优值优化精度可提高10 16;对不同类型波束的赋形结果中,改进算法对方向图旁瓣的优化精度可提高1.26dB至5.99dB; 在收敛速度最快的前提下,很大程度避免了其他几种优化算法易陷入局部最优的问题,整体性能最佳。

    高精度宽带欠定信号快速DOA估计方法
    蒋莹,冯明月,徐起,何翼
    2020, 47(2):  91-97.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.013
    摘要 ( 257 )   HTML ( 21 )   PDF (1113KB) ( 63 )   收藏
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    针对分布式同步正交匹配跟踪算法精度不高的问题,基于多次迭代搜索的思想,提出两种高精度宽带欠定信号到达角估计方法。首先,构建稀疏阵列宽带信号处理模型,并通过稀疏表示将到达角估计转化为分布式压缩感知问题;其次,利用矩阵变换去除噪声污染项,以消除噪声功率的影响;然后,分别利用邻近网格搜索和网格精细化搜索两种方式进行改进,以提高无网格失配和有网格失配条件下的到达角估计精度。仿真结果表明,所提算法是有效的,在保持运算速度优势的前提下,较分布式同步正交匹配跟踪算法显著提升了估计精度。

    卷积神经网络训练访存优化
    王吉军,郝子宇,李宏亮
    2020, 47(2):  98-107.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.014
    摘要 ( 460 )   HTML ( 21 )   PDF (2037KB) ( 72 )   收藏
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    虽然批归一化算法能有效加速深度卷积网络模型的收敛速度,但其数据依赖性复杂,训练时会导致严重的“存储墙”瓶颈。故对使用批归一化算法的卷积神经网络,提出多层融合且重构批归一化层的训练方法,减少模型训练过程中的访存量。首先,通过分析训练时批归一化层的数据依赖、访存特征及模型训练时的访存特征,分析访存瓶颈的关键因素;其次,使用“计算换访存”思想,提出融合“卷积层+批归一化层+激活层”结构的方法,并基于批归一化层的计算访存特征,将其重构为两个子层,分别与相邻层融合,进一步减少训练时对主存的读写,并构建了训练时的访存量模型与计算量模型。实验结果表明,使用NVIDIA TESLA V100 GPU训练ResNet-50、Inception V3及DenseNet模型时,同原始训练方法相比,其访存数据量分别降低了33%,22%及31%,V100的实际计算效率分别提升了20.5%,18.5%以及18.1%。这种优化方法利用了网络结构与模型训练时的访存特点,可与其他访存优化方法协同使用,进一步降低模型训练时的访存量。

    一种卫星影像RPC参数的HEIV估计方法
    周瑜,胡莘,曹锴郎,周拥军,李云松
    2020, 47(2):  108-117.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.015
    摘要 ( 402 )   HTML ( 56 )   PDF (1217KB) ( 49 )   收藏
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    由于卫星影像的定位精度主要受卫星影像有理多项式参数的估计精度影响,而现有算法中通常采用像点补偿或利用地面控制点改正的方法,未考虑设计矩阵元素的误差特性,存在系统误差剔除不完全、参数估计精度不高等问题。考虑到模型系统误差的影响,提出了一种异方差估计方法。首先建立了设计矩阵元素的随机模型,对系统特性进行更精准的描述;然后将设计矩阵元素的系统偏差考虑在内,采用马氏距离构建最小二乘模型,并使用广义特征值方法进行参数求解,从理论上降低了模型的系统误差。在天绘一号不同地形影像上的实验结果表明,新算法在影像纠正精度上较传统方法提升36倍以上,且精度一致性优良,对提高有理多项式参数估计和卫星影像定位精度具有重要意义。

    一种硬盘故障预测的非监督对抗学习方法
    姜少彬,杜春,陈浩,李军,伍江江
    2020, 47(2):  118-125.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.016
    摘要 ( 347 )   HTML ( 22 )   PDF (1507KB) ( 79 )   收藏
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    为解决传统监督学习方法在不均衡数据集异常检测上易出现过拟合的问题,提出一种非监督对抗学习方法用于硬盘故障预测。该方法使用长短期记忆神经网络和全连接层设计了一种可进行二次编码的自编码器,只需使用正常样本进行训练,通过减小样本重构误差和潜在向量之间的距离,使模型学习正常样本的数据分布,从而提高了模型的泛化能力。模型中还引入生成式对抗网络增强非监督学习的效果。在多个数据集上的对比实验显示, 该方法对异常样本的召回率和精确度都高于传统的监督学习和半监督学习分类器,泛化能力更强。所以,该非监督对抗学习方法在硬盘故障预测上是有效的。

    超密集异构网络中过载MEC服务器的协作卸载
    王忍,王翊,胡艳军,蒋芳,许耀华
    2020, 47(2):  126-134.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.017
    摘要 ( 335 )   HTML ( 83 )   PDF (1202KB) ( 46 )   收藏
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    由于移动边缘计算可通过借助边缘计算服务器实现计算任务卸载,不再受限于移动终端的计算能力, 所以当边缘服务器过载时,往往会选择排队、推迟或拒绝移动终端的业务请求。但现有研究大都没有考虑此时服务器如何缓解负载压力,由于服务中断和等待延长,用户的服务质量将明显恶化。研究了将过载移动边缘计算服务器的任务卸载到与其同一协作区间的其他服务器来提高计算卸载能力。将罚函数与两步拟牛顿法相结合给出了优化方法,联合优化包含边缘计算网络总时延和能耗的联合效用函数。针对优化目标对时延或者能效的不同需要,使用经验因子灵活调整时延和能量消耗最小化之间的优化偏差。仿真结果表明,卸载优化方法在提高关于时延和能耗的系统性能方面优于现有的两种比较方法,且以更快的速度收敛。

    RM逻辑伪装门的硬件混淆设计
    吴秋丰,张跃军,汪鹏君,张会红
    2020, 47(2):  135-141.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2020.02.018
    摘要 ( 341 )   HTML ( 16 )   PDF (3887KB) ( 75 )   收藏
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    为了提高集成电路抗逆向工程的能力,通过对逻辑混淆技术的研究,提出了一种基于Reed-Muller伪装门的逻辑混淆设计方案。该方案首先在同一版图上采用不同虚拟孔配置实现基本单元异或门/与门逻辑功能,并提取逻辑混淆单元的特征信息制作标准单元库;然后利用随机插入算法将混淆标准单元电路应用于电路网表;最后采用基准电路验证所提方案的有效性。仿真结果显示,Reed-Muller逻辑伪装门比标准单元库的版图相似度提高了14.36%,而较大规模测试电路功耗额外开销仅为2.36%。仿真结果表明,所设计的伪装门可以有效地防御逆向工程,提高了电路的硬件安全。