计算机辅助设计与图形学学报杂志

计算机辅助设计与图形学学报杂志2019年第2期

• 面向3D CT影像处理的无监督推荐标注算法

  冯浩哲, 张鹏, 徐欣楠, 郝鹏翼, 吴福理, 吴健, 陈为

  在3D CT影像分析上应用深度学习技术时,通常需要采用交互标注工具标注一组训练数据.针对3D CT影像一般包含数量较多的切片,医学影像交互标注工作量非常巨大且标注成本非常高的问题,提出一种面向3DCT影像数据交互标注的无监督推荐标注算法,通过构造稠密深度自动编码器DCDAE (densely-connected deep auto encoder)提取3D影像的高层特征,同时采用密度-谱聚类来筛选最具标注价值的影像,从而极大减少需要标注的数据量.算法提出了全自动的推荐标注流程,在提取图像特征时采用稠密连接结构改进DCDAE,减少了参数量并使得提取的特征更有区分度,同时对特征采用密度-谱聚类算法进行孤立点鉴别,并依据相关性矩阵自适应调整聚类个数;在肺结节语义分割任务上采用LIDC-IDRI数据集对算法进行了实验.

• 面向HARDI模型的脑纤维三维可视化系统

  刘义鹏, 蒋哲臣, 徐超清, 池华炯, 蒋莉, 冯远静, 梁荣华

  脑纤维是大脑各区域间信息交互的重要通道,而高角度分辨率扩散成像是表征人脑复杂神经纤维通路的有效方法,能对多种神经性疾病的诊断提供参考.但脑纤维分布错综复杂,如何对局部区域进行直观展示是可视化领域的研究难点.通过设计脑纤维三维可视化系统,实现对HARDI脑纤维数据的追踪和处理,并将处理结果在三维空间中呈现出来,实现光照技术以增加脑纤维可视化的空间层次感.文中提出基于散布矩阵的纤维筛选方法以降低三维可视化效果的视觉混杂性,并在此基础上实现2种算法对纤维进行聚类,增强了局部区域的直观展示,为临床诊断提供辅助分析工具.

• 基于蓝噪声采样的多维标准井筛选可视分析

  周志光, 方明权, 方婷, 张汝敏, 陈伟锋, 刘玉华

  面向石油矿区大规模的测井数据,有效地抽取少量的钻井(即标准井)进行置信度较高的专家人工匹配,进而对全局钻井进行有监督的自动或半自动匹配,对于石油开采矿区的地质构造精确解释具有重要的意义.然而,标准井筛选是一个复杂而耗时的过程,和钻井的空间分布以及钻井之间的地质特征密切相关.因此,综合考虑钻井的地理空间位置和多维地质属性特征,提出一种基于蓝噪声采样的多维标准井筛选可视分析方法.首先,根据大量钻井的地理空间位置,利用蓝噪声采样算法自适应地确定标准井采样率及其采样范围;然后在标准井的局部采样范围内,设计基于动态规划的地层匹配算法,计算钻井之间的多维属性差异以度量钻井之间的地质特征相似度,进而利用MDS算法对钻井的匹配关系进行降维投影,将钻井的空间分布与多维属性差异协同可视化,支持标准井的自动或交互筛选;进一步设计属性视图和矩阵视图,直观地呈现钻井的原始多维属性数据和匹配关系,引导领域专家对标准井的筛选过程进行探索分析和迭代优化.最后,集成便捷的用户交互模式,开发基于蓝噪声采样的多维标准井筛选可视分析系统,帮助用户交互式地探索和分析多维属性测井数据,在综合考虑钻井空间分布及多维属性特征的基础上,有效筛选具有代表性的标准井,为后续的地质构造解释提供准确而可靠的数据资料和经验支持.大量实验结果进一步验证了文中算法的有效性和实用性.

• 基于游标模型的沉浸式医学可视化非接触式手势交互方法

  雷金树, 王松, 朱东, 吴亚东

  在高度沉浸式的虚拟环境中,由于用户的整体视觉空间被渲染的可视化映射所覆盖,传统鼠标、键盘以及触控屏幕等交互方式无法直接应用到沉浸式环境下,大大影响了分析和理解3D医学数据的效率与准确性.为实现沉浸式虚拟环境下对3D医学数据的交互操作,提出一种基于游标模型的非接触式手势交互方法.首先借助游标模型快速确定手势状态,定义4种手势动作实现位移、缩放、旋转以及剖切4种医学可视化交互操作,并借助弹簧模型改善手势抖动问题;最后以HTC VIVE+Leap Motion构建沉浸式医学可视化系统,定义6项分析任务,对比鼠标、手柄等交互方式,从训练时间、完成时间、操作难度和用户反馈4个方面验证文中方法的有效性.

• 动物群体逃生行为实验和群体虚拟仿真研究综述

  王瑾, 刘婷婷, 刘箴, 许辉煌, 钟志光, 柴艳杰

  群体虚拟仿真能够以三维可视化方式直观呈现紧急情况下的人群逃生行为,对人群的安全管理具有重要的指导价值.由于真实紧急事件案例样本的数据往往不够全面,很难用于虚拟仿真模型的系统验证,而逃生演习也很难重现真实的紧急情景.近年来,人们开始引入动物逃生实验来辅助发现人群逃生规律.文中总结了以蚂蚁和老鼠为主要代表的动物群体逃生行为实验,针对已有的典型群体行为仿真模型,探讨了用动物逃生实验来辅助群体仿真模型验证的可行性;并讨论了动物逃生实验的局限性,提出了动物逃生实验的改进建议,为更好地开展群体行为模型研究提供一些借鉴.

• 基于工况划分的大规模电厂机组控制数据可视化探索

  纪连恩, 陈宗艳, 黄凯鸿, 赵妮, 孔雨萌

  对电厂控制过程中的历史数据进行有效展示与探索,能帮助用户快速深入理解机组的运行状况.由于历史数据涉及时间跨度长,具有多尺度和高密度的特点,并且包含高维多元的复杂参数集合,为可视化设计带来了很大挑战.从机组运行工况和参数相关性角度研究时序数据空间和高维参数空间的集成可视化映射方法,设计了多角度概览视图和多分辨率层次化工况视图用于导航机组的整体运行状态,有效地支持多层次运行工况的展示与探索;然后,设计了高维多元参数分层导航视图,实现了机组参数的灵活筛选和过滤,并与工况视图联动支持用户对不同时段和不同系统层级的参数特征进行探索.基于上述方法,开发了可视化工具iDCS,并将其应用于实际机组控制数据的可视化与分析中,验证了该系统的有效性和适用性.

• 基于多维时空数据可视化的传染病模式分析

  金思辰, 陶煜波, 严宇宇, 戴浩然

  近年来,诸如非典型性肺炎、甲型H1N1、手足口病等传染病在社会各界引起了广泛关注,传染病的暴发往往具有季节性、空间性和相关性.为此提出了传染病可视分析系统,以直观分析传染病的时空模式,交互挖掘不同疾病、地区之间的关联性和相似性.时间模式通过时序折线图、季节变化堆叠图可视化不同传染病的长期趋势、季节消长规律,同时通过构建时序平行坐标系,交互利用地区分布对比图进行异常值分析.空间模式通过地图分类图以及交叉对比热力图来反应疾病在不同省份的空间分布规律、空间聚类结果以及相似性分析.通过对39种法定传染病的整体、个别趋势以及其中异常值的分析结果,表明所提系统能够综合考虑传染病数据的多维时空特性,可有效帮助用户挖掘传染病传播的时空模式,快速寻找传染病暴发时间节点和空间分布转移事件,从而更好地进行预防、把控和分析.

• 虚实融合交互系统辅助脑卒中后失语症康复训练

  彭晓兰, 陈辉, 王岚, 裴新, 田丰, 王宏安

  脑卒中后失语症是一个普遍的致残性疾病.研究表明,虚拟现实及实物交互技术对该疾病的康复训练具有重要意义.然而现有的计算机辅助言语康复系统很少能将这2类技术有效结合并发挥它们各自的优势,且没有对言语训练素材进行合理编排以适应实际的康复训练需求.提出了一种虚实融合辅助的言语康复训练系统,构建了一个"超市购物"的虚拟场景,基于语义网络理论编排言语训练素材,实现了对操作实物的实时跟踪和识别;并将其映射到虚拟购物场景中,使得脑卒中后失语症患者可以通过对实物的操作去完成在虚拟空间的购物任务;患者在虚实融合辅助的言语康复训练系统中的任务完成时间和行为表现结果表明了系统的可用性,问卷调查结果表明,系统得到了康复治疗师的普遍认可,患者和治疗师在用户访谈中提出的多项建议对未来在这一方面的研究工作具有指导意义.

• 基于FBS的卧室在线自动布局算法

  王超, 宋佩华, 张惠娟, 贾金原

  针对室内布局计算时间较长、无法在网页上在线自动放置家具的问题,提出一种基于FBS(功能—行为—结构)的卧室移动网页在线自动布局算法.该算法从卧室家具的功能出发,分析其使用行为,确定家具摆放顺序,构建面向卧室布局的FBS模型.首先根据家具功能设计初始静态能量函数,然后针对用户在线家具编辑设计动态布局能量函数,并设计了增量式家具自动布局算法.实验结果表明,文中算法的布局结果与实际案例相符,其适应性、多样性与轻量性均良好,可达到网页在线卧室自动布局.

• 兼顾采样与光照影响的改进多通路Metropolis光照传播算法

  贺怀清, 湛少胜, 刘浩翰, 任玮洁

  为了解决多通路Metropolis光照传播算法局部明暗混合位置采样数量和光照分布不对称的问题,提出一种兼顾采样数量和光照影响的改进算法.首先记录采样数量和光照强度;其次当采样数量达到阈值,根据采样数量和光照强度计算出当前像素八邻域位置的采样权重;最后,以采样权重来影响不同位置的采样比重.采用不同算法在不同光照和材质场景下进行实验,结果表明,该算法改进了明暗混合位置的对称性问题,提升了渲染逼真度.

• 基于眼部追踪技术的产品意象草图认知差异研究

  王新亭, 邓玮丹

  情感匹配度是评价设计草图品质的重要指标,设计师的认知在其心理意象外显为草图的过程中起着关键作用.分析其认知差异可提高设计协作效率,并高效筛选出情感匹配度较高的优质草图.针对此问题,首先提出了循环设计流程,筛选感性意象语汇并定义意象属性;其次运用Tobii眼动仪采集设计师阅读任务文本、创作草图时眼动指标数据;然后拆分草图计算情感匹配值再择优组合为意象草图;最后对比分析设计师观察意象草图进行感性评价时的眼动指标.结果表明,草图组合法则可获得情感匹配度较高意象草图,设计师自身经验与信息资源调用的数量、维度、回视次数和方案质量成正比,与作业时间和评判准确度成反比.

• 深度非对称跳跃连接的图像降噪方法

  公绪超, 李宗民

  图像降噪可有效地改善图像质量,提升感官效果,也是图像特征提取与理解的前提.针对目前比较流行的卷积神经网络降噪方法中顺序连接的卷积层-反卷积层会使图像在梯度反传过程中逐渐弱化图像噪声的学习问题,提出一种深度非对称跳跃连接的方法用于图像降噪.该方法设计多组非对称跳跃连接卷积-反卷积算子,以有效学习图像细节及噪声信息,并对不同深度的卷积操作进行权重量化,以加强图像降噪及恢复;通过非对称跳跃连接可使图像噪声信息能够直接反传到对应的多个卷积层中,对梯度扩散有良好的抑制作用.采用伯克利分割数据集BSD300进行实验的结果表明,文中算法比基准方法在结构相似性(SSIM)和峰值信噪比(PSNR)2种指标上都有提升.

• 基于卷积神经网络和投票机制的三维模型分类与检索

  白静, 司庆龙, 秦飞巍

  针对现有基于深度学习的三维模型多视图分类算法利用最大池化、平均池化等像素级运算完成视图信息的融合,可能造成模型有益信息淹没和混淆的问题,提出一种基于卷积神经网络和投票机制的三维模型分类检索算法.首先将三维模型转化为一组二维视图,然后基于丰富的数字图像库ImageNet和成熟的图像深度学习模型CaffeNet完成二维视图的分类,最后利用加权投票的方式完成三维模型的分类;同时基于投票机制,提出4种三维模型距离度量算法,支持三维模型的检索.将文中算法应用于刚性三维模型库ModelNet10,ModelNet40,非刚性三维模型库SHREC10, SHREC11和SHREC15中,分类准确率分别为93.18%, 93.07%, 99.5%, 99.5%和99.4%,检索性能突出;并通过实验验证该算法的有效性.

• 基于樽海鞘群体优化非负矩阵分解的高光谱图像解混算法

  刘森, 贾志成, 陈雷, 郭艳菊

  针对鲁棒非负矩阵分解应用于高光谱图像处理时,存在对初始值的敏感性,求解目标函数时易陷入局部最优的缺点,提出基于樽海鞘群体优化鲁棒非负矩阵分解的高光谱图像解混算法.该算法基于鲁棒线性混合模型,在RNMF框架下,采用樽海鞘群体算法取代乘法迭代策略,以增强算法全局搜索能力,在约束空间内随机搜索满足目标函数的全局最优解,可有效地完成非线性高光谱图像解混.仿真数据与真实遥感数据实验结果表明,本文算法在处理高光谱图像时,能够有效地避免RNMF算法易陷入局部最优解的局限性,具有更好的解混性能.

• 高效深度特征提取及其在显著性检测中的应用

  方正, 曹铁勇, 郑云飞, 杨吉斌

  针对卷积神经网络(CNN)中间层特征维度高,含噪声较多的问题,提出一种CNN特征降维的方法,首先利用主成分分析(PCA)对CNN特征进行降维,在数据层面和人类感知层面证明了其有效性;然后将降维后的CNN特征作为区域特征向量,利用多水平超像素分割和随机森林回归构建了一个融合手工特征及降维CNN特征的显著性检测模型;最后选取了10个显著性检测传统模型进行对比,构建的融合模型性能优于仅使用传统手工特征的方法,降维后的CNN特征能够改进显著性模型的性能.

• Faster R-CNN行人检测与再识别为一体的行人检索算法

  陈恩加, 唐向宏, 傅博文

  为了缩小目前行人再识别算法与真实世界中行人检索任务之间在应用上的差距,将行人检测与再识别这2个模块融为一体,提出一种基于改进的FasterR-CNN的行人检索算法.首先采用对边框进行迭代回归的方法改进原FasterR-CNN中的候选行人边框精度;然后利用包含欧氏距离和余弦距离的混合相似性距离函数来增强网络对于行人相似度的辨识能力;最后利用中心损失函数对网络的损失函数进行改进,通过提高不同行人特征的可区分度,实现更加精准的目标行人检索功能.基于CUHK-SYSU数据集的仿真实验结果表明,该算法的累积匹配特性(CMC top-1)、平均精度均值(mAP)分别为81.6%和78.9%;与相关行人检索算法相比, CMC top-1提升3.0%～18.0%, mAP提升3.0%～23.0%.

• 基于Ordered-RAMP模型的热固耦合结构多材料拓扑优化方法

  赵清海, 张洪信, 华青松, 蒋荣超, 袁林

  针对传统单材料热固耦合拓扑优化设计难以实现结构材料与性能综合最优的问题,提出一种基于变密度理论有序材料属性有理近似模型的多材料拓扑优化方法.该方法通过搭建比例系数与平移系数,将多种材料属性采用0,1连续分布的单设计变量进行描述,并研究和比较与有序固体各向同行惩罚微结构模型的优缺点;其次借助归一化加权方法定义以结构柔度最小化和散热弱度最小化为目标函数的数学模型.结合设计变量敏度分析,详细推导多材料、多目标条件下热固耦合结构拓扑优化的迭代公式.通过数值算例分析对比了不同权系数以及不同材料属性组合对优化结果的影响;结果表明,所提出的优化方法在热固耦合结构多材料多目标拓扑优化设计中具有可行性和有效性.