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2015年  第41卷  第4期

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2015, 41(4).
综述与评论
计算摄像学:核心、方法与应用
索津莉, 刘烨斌, 季向阳, 戴琼海
2015, 41(4): 669-685. doi: 10.16383/j.aas.2015.c130855
摘要:
针对现有计算机视觉、图形学、信号处理、数字图像处理、应用光学等领域无法通过现有成像模型与装置及计算方法获取足够目标场景信息的难题,计算摄像学研究提出新的成像机制与对应的计算重构方法,在光信号观测领域另辟蹊径,创新性地将视觉信息处理与计算前移至成像过程,从而极大地提高了信息优化计算的自由度,能够在维度、尺度与分辨率上实现质的突破,从而观测到传统成像系统看不清与看不见的场景信息.本文沿着计算摄像学思路、方法与目标三条主线,对国内外研究现状进行分析与综述,期望能够帮助读者更快地了解及进入相关研究.
无界Petri网的可达树的综述
干梦迪, 王寿光, 周孟初, 李俊, 李月
2015, 41(4): 686-693. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140097
摘要:
Petri网自提出以来得到了学术界和工业界的广泛关注. Petri网系统的可达性是最基本性质之一.系统的其他相关性质都可以通过可达性进行分析.利用等价的有限可达树来研究无界Petri网可达性,依然是一个开放性问题.该研究可以追溯到40年前,但由于问题本身的复杂性和难度太大,直到最近20年,经过国内外诸多学者的不懈努力,才逐渐取得了一些阶段性的成果和部分突破.本文回顾了近40年来国内外学者为彻底解决该问题作出的贡献.重点对4种开创性的研究成果展开讨论,分别为有限可达树、扩展可达树、改进可达树及新型改进可达树.探讨了今后无界Petri网可达性问题的研究方向.
长论文
基于概率图模型的点集匹配方法研究
曲寒冰, 王加强, 李彬, 王松涛
2015, 41(4): 694-710. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140376
摘要:
在概率图模型框架下提出了一种将回归分析和聚类分析相结合的贝叶斯点集匹配方法,其中,回归分析用来估计两个点集之间的映射函数,而聚类分析用来建立两个点集中点与点之间的对应关系.本文将点集匹配问题表示为一种多层的概率有向图,并提出了一种由粗到精的变分逼近算法来估计点集匹配的不确定性;此外,还利用高斯混合模型估计映射函数回归中的异方差噪声和场景点密度估计中离群点的分布;同时,引入转移变量建立起模型点集与场景点集之间的关系,并与离群点混合模型共同对场景点的分布进行估计.实验结果表明,该方法与其他点集匹配算法相比,在鲁棒性和匹配精度方面均达到了较好的效果.
论文与报告
基于条件随机场和图像分割的显著性检测
钱生, 陈宗海, 林名强, 张陈斌
2015, 41(4): 711-724. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140328
摘要:
针对当前常见的显著性方法检测得到的显著性区域边界稀疏不明确、内部不均匀致密等问题,提出了一种基于条件随机场(Condition random field, CRF)和图像分割的显著性检测方法.该方法综合利用边界信息、局部信息以及全局信息,从图像中提取出多种显著性特征;在条件随机场框架下融合这些特征,通过显著性区域与背景区域的区域标注实现显著性区域的粗糙检测;结合区域标注结果和交互式图像分割方法实现显著性区域的精确检测.实验结果表明本文提出的方法能够清晰而准确地提取出图像中的显著性区域,有效提高显著性检测精度.
基于序列轮廓线的凸面目标全自动重构方法
周朗明, 张小虎, 关棒磊
2015, 41(4): 725-734. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140369
摘要:
凸面目标在成像时会表现尺寸较小、纹理稀疏或缺乏、透光、反光等特点.在对其进行三维重构时,传统的立体视觉匹配、主动视觉扫描(激光或结构光)等重构方法无法提供良好的解决方案.针对此类目标的重构难题,本文提出一种基于序列轮廓线的全自动重构方法.该方法首先采集目标的序列轮廓影像,然后提取高精度的轮廓线,再利用多个视角的轮廓线对初始外包体进行空间切割得到目标的初始三维模型,接着根据角度和面积约束对初始三维模型中的面进行合并,最后利用合并后的面重新对外包体进行精细切割得到目标的精确三维刻面模型.通过对凸面目标(注射器针头,直径约为3mm)的重构实验证明,利用本文的方法重构得到的模型角度误差小于0.7,执行时间小于15s,重构过程无需人工干预,能有效解决凸面目标的三维重构及视觉测量难题.
基于中心线匹配的导管三维重建技术
张天, 刘检华, 唐承统, 刘少丽
2015, 41(4): 735-748. doi: 10.16383/j.aas.2015.c130287
摘要:
针对工业领域中导管的三维重建效率低的问题,提出了一种基于中心线匹配的导管三维重建方法.该方法首先通过导管的平面灰度图像提取出中心线和边缘线,根据立体视觉原理,以非均匀有理 B样条(Non-uniform rational B-spline, NURBS)曲线作为导管中心线的描述工具和匹配基元,利用其透视投影不变性,重建导管的空间中心线,并通过边缘线计算导管的外径,最后利用三维建模技术重建导管的CAD模型.相对于现有导管三维重建方法,该方法具有测量效率高,操作简单的特点.实验结果表明,该方法的导管三维重建时间可控制在1分钟内,重投影误差为0.284像素,导管两端面中心点的测量误差为0.242mm,外径测量误差为0.158mm.
基于免疫离散差分进化算法的复杂网络社区发现
张英杰, 龚中汉, 陈乾坤
2015, 41(4): 749-757. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140018
摘要:
针对复杂网络社区发现问题,在标准差分进化算法的框架下,提出一种新型免疫离散差分进化算法(Immune discrete differential evolution, IDDE).该算法通过标签传播策略生成初始种群,采用离散差分进化策略来保证种群在问题空间的全局搜索能力,同时对种群中的优秀个体执行针对性的高频克隆变异操作,以提高算法的局部开发能力,改善算法的收敛性能.在计算机生成网络与真实世界网络中的仿真实验结果表明:IDDE算法具有较强的寻优性能与鲁棒性,能够有效探测复杂网络中存在的社区结构.
模板化的人体运动合成
夏贵羽, 孙怀江
2015, 41(4): 758-771. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140457
摘要:
为解决现有运动合成方法中控制方式过于复杂的问题,提出一种模板化的运动合成模型,旨在降低运动合成技术的应用门槛.利用稀疏主成分分析(Sparse principal component analysis, SPCA)、Group lasso和Exclusive group lasso对人体运动进行建模,使其对应的每一个低维参数只依赖于少数几个人体关节,构成人体运动的一个内在自由度(Degree of freedom, DOF),并具有直观语义;同时,每个关节被尽量少的低维参数所控制,以减少低维参数对彼此所控制的自由度的交叉影响.实验表明,通过直观地修改低维参数,就能够实时地控制每个参数对应的摆臂幅度、踢腿高度、跳跃距离等运动属性.这种模板学习、模板定制的两步方法,有效地降低了运动合成控制的复杂度,即便非专业人员也可以用其进行艺术创作.
数据场典型相关分析及其在图像分割中的应用
李文平, 杨静, 印桂生, 张健沛
2015, 41(4): 772-784. doi: 10.16383/j.aas.2015.c130896
摘要:
针对数据场环境下多维数据的低维特征提取问题,本文将数据之间的相互作用纳入其相关性求解中,提出一种基于数据场的典型相关分析(Data field based canonical correlation analysis, DFCCA)方法. DFCCA提取的特征具有良好的分布特性,原空间上相隔较远的数据点对的特征聚集在一个较小区域内,而相邻数据点对的特征却有规律地分布在其他点所聚集区域的周围.此特性使得DFCCA具有较好的边界辨识能力,将其应用于图像分割的实验结果表明, DFCCA提取的复杂图像边界具有较好的保真度.
基于箱式粒子滤波的群目标跟踪算法
李振兴, 刘进忙, 李松, 白东颖, 倪鹏
2015, 41(4): 785-798. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140222
摘要:
在现有群目标跟踪方法中,粒子滤波(Particle filter, PF)算法常被用来解决点量测的非线性滤波问题.而当量测数据受到测量偏差或未知分布边界误差的影响时,传感器获得的点量测需要转换成区间量测,此时原有PF算法不能直接适用.因此,本文提出基于广义似然(Generalized likelihood, GL)函数加权的PF算法.该算法在原有PF算法的基础上,利用广义似然函数的积分解来计算区间量测下的粒子权重.为了降低算法的运算量问题,又提出基于箱式粒子滤波(Box particle filter, Box-PF)的群跟踪算法.首先,在目标状态空间内抽样矩形区域的箱式粒子.然后采用区间分析和约束传播方法,利用区间量测压缩后的粒子与预测粒子的容积比来计算粒子权重.最后,在群目标状态估计结果和群演化网络模型的基础上估计群结构.仿真实验结果表明,与GL-PF算法相比, Box-PF算法具有更高的运算效率,并能降低估计结果中的峰值误差.
利用层次先验估计的显著性目标检测
徐威, 唐振民
2015, 41(4): 799-812. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140281
摘要:
有效的显著性目标检测在计算机视觉领域一直是具有挑战性的问题.本文首先对图像进行树滤波处理,采用Quick shift方法将其分解为超像素,再通过仿射传播聚类把超像素聚集为代表性的类.与以往方法不同,本文提出根据各类中拥有的超像素的类内和类间的空间离散程度及其位于图像边界的数目,自适应地估计先验背景,并提取条状背景区域;由目标性度量(Objectness measure)粗略地描述前景范围后,通过与各类之间的空间交互信息,估计先验前景;再经过连通区域优化前景与背景信息.最后,综合考虑各超像素与先验背景和前景在CIELab颜色空间的距离,并进行显著性中心加权,得到显著图.在MSRA-1000和复杂的SOD数据库上的实验结果表明,本文算法能准确、完整地检测出显著性目标,优于21种State-of-the-art算法,包括基于部分类似原理的方法.
基于稀疏点云的多平面场景稠密重建
缪君, 储珺, 张桂梅, 王璐
2015, 41(4): 813-822. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140279
摘要:
多平面场景是生活中常见的一种场景,然而由于该类场景中常常存在物体表面纹理缺乏和纹理重复的现象,导致从多视图像重建获得的三维点云数据中存在点云过于稀疏甚至孔洞等问题,进而导致以微面片拟合三维点云所得到的重建表面出现平面颠簸现象.针对这些问题,本文提出了一种基于稀疏点云的分段平面场景重建方法.首先,利用分层抽样代替随机抽样,改进了J-Linkage多模型估计算法;然后,利用该方法对稀疏点云进行多平面拟合,来获得场景的多平面模型;最后,将多平面模型和无监督的图像分割相结合,提取并重建场景中的平面区域.场景中的非平面部分用CMVS/PMVS(Clustering views for multi-view stereo/patch-based multi-view stereo)算法重建.多平面模型估计的实验表明,改进的J-Linkage算法提高了模型估计的准确度.三维重建的实验证实,提出的重建方法在有效地克服孔洞和平面颠簸问题的同时,还能重建出完整平面区域.
基于坐标补偿的自动泊车系统无模型自适应控制
侯忠生, 董航瑞, 金尚泰
2015, 41(4): 823-831. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140026
摘要:
针对自动泊车系统,提出了无模型自适应控制(Model-free adaptive control, MFAC)方案.控制方案的设计仅利用泊车系统的前轮转角输入数据和车身角输出数据,不包含车辆模型信息.因此,针对不同车型的自动泊车系统,该方案均能实现无模型自适应控制.为了改善期望轨迹的坐标跟踪误差,进一步提出基于坐标补偿的无模型自适应控制方案,该方案由控制算法、参数估计算法、参数重置算法和坐标补偿算法构成.针对不同车型不同泊车速度的仿真结果表明,基于坐标补偿的MFAC方案和原型MFAC方案均能较好地完成自动泊车过程,且基于坐标补偿的MFAC方案相比原型MFAC方案和PID控制方案,在轨迹坐标和车身角等方面均具有更小的跟踪误差和更快的响应速度.
实体异构性下证据链融合推理的多属性群决策
沈江, 余海燕, 徐曼
2015, 41(4): 832-842. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140650
摘要:
针对多属性群决策中可解释性证据融合推理的实体异构性问题,给出了一个实体异构性下证据链融合推理的多属性群决策方法.基于证据推理理论,引入证据链关联的概念,从多数据表提供的数据矩阵中获取可区分的近邻证据集,推导了各数据表的相似度矩阵,并构建半正定矩阵的二次优化模型,共享群决策专家的经验知识.使用Dempster正交规则,论证了异构实体之间可解释性推理中可信度融合的合理性,并使用证据融合规则集成各个数据表的近邻证据中获得的可信度,验证了调和多源异构数据中不一致信息的有效性.通过具有实体异构性的心脏病多决策数据诊断实例说明了方法的可行性与合理性.
基于轮廓几何稀疏表示的刚性目标模型及其分级检测算法
林煜东, 和红杰, 陈帆, 尹忠科
2015, 41(4): 843-853. doi: 10.16383/j.aas.2015.c130431
摘要:
刚性目标轮廓具有明显几何特性且不易受光照、纹理和颜色等因素影响.结合上述特性和图像稀疏表示原理,提出一种适用于刚性目标的分级检测算法.在基于部件模型(Part-based model, PBM)的框架下,采用匹配追踪算法将目标轮廓自适应地稀疏表示为几何部件的组合,根据部件与目标轮廓的匹配度,构建描述部件空间关系的有序链式结构.利用该链式结构的有序特性逐级缩小待检测范围,以匹配度为权值对各级部件显著图进行加权融合生成目标显著图. PASCAL图像库上的检测结果表明,该检测方法对具有显著轮廓特征的刚性目标有较好的检测结果,检测时耗较现有算法减少约60%~90%.
短文
基于传感器校正与融合的农用小型无人机姿态估计算法
彭孝东, 张铁民, 李继宇, 陈瑜
2015, 41(4): 854-860. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140277
摘要:
实时姿态信息获取是运用农用小型无人机(Unmanned aerial vehicle, UAV)进行变量作业控制的重要环节,本文采用STM32单片机、微机电系统(Micro-electro mechanical system, MEMS)加速度计、陀螺仪、磁强计和无线收发模块设计出农用小型无人机姿态实时解算系统,文中对三轴数字传感器的校正方法以及基于四元数和梯度下降法的多传感器融合姿态估计做了详细地介绍与推导.结果表明,在72MHz时钟频率下模拟集成电路总线(Inter-integrated circuit, ⅡC)传感器数据采集及滤波消耗6.2ms,迭代步长取0.8,一次姿态解算消耗约0.96ms,数据更新频率可达100Hz,能满足实时性要求.经测试在静态时俯仰角和翻滚角输出的平均绝对误差小于1.5,偏航角平均绝对误差小于2.9,小幅震动条件下的俯仰角、翻滚角和偏航角平均绝对误差增加1~2左右.这表明该传感器校正方法与姿态融合算法实用有效,能为农用小型无人机的飞行控制与变量作业实施提供准确的姿态数据.