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2021年第12期

• 面向精度可控的大规模结构化数据集约减方法

  艾志玮, 冷珏琳, 夏芳, 王华维, 曹轶

  科学与工程模拟产生的数据规模可达TB甚至PB量级,数据约减已成为降低I/O时间开销和存储成本的重要手段.为实现高精度的科学可视化和数据分析,面向大规模结构化数据集,提出一个精度可控的数据约减方法.该方法首先以可视分析数据的插值误差为约束条件,根据物理场量的空间分布特征构造多层嵌套的自适应背景网格;然后,将原始数据插值映射到轻量化的背景网格,减少冗余数据的存储;最后,将约减后的数据集并行输出至高效存储的可视化文件.数据约减算法基于并行编程框架JASMIN实现,能够无缝对接基于JASMIN框架研发的数值模拟程序.经测试,并行算法可扩展至上万CPU核.数据约减方法已成功应用于无人机辐照电磁模拟,在不超过10%的相对误差范围内,将千亿结构网格数据集的规模降低了99.8%.基于约减数据绘制的图像与原始数据图像之间的峰值信噪比为47.08 dB,具有较高的相似度,满足可视分析的分辨率要求.

• 面向高性能工业仿真的交互可视分析引擎

  曹轶, 王华维, 夏芳, 张哲, 艾志玮, 吴付坤, 曹斯铭

  针对大规模仿真数据对仿真设计分析造成的前后连贯交互力弱、可视交互力低的问题,提出一个面向高性能工业仿真的交互可视分析引擎.首先构建可高效耦合几何模型和计算网格的三维混合数据模型;然后提出面向前后连贯仿真设计的并行可视分析流程;最后通过体网格外表面提取的图元数据轻量化方法,耦合GPU真实感绘制,以支撑实时高质量的仿真设计与分析.该引擎已集成到国产航空发动机仿真软件中,结果表明,可流畅地支持大规模仿真应用的设计分析,Trent-1000发动机模型数千万非结构网格的一键导入交互性能高出ANSYS商业软件8倍以上.

• 面向流场可视化的沉浸式虚拟现实协作框架

  郑志文, 杨超, 韩永国, 杨洋, 吴亚东, 王昉, 张晓蓉

  针对现有流场协作分析应用协作模式单一、协作环境搭建成本高等问题,根据流场协作分析的需求,提出面向流场可视化的沉浸式虚拟现实协作框架.首先定义支持流场协作同步的协作消息;然后提出支持流场可视化结果共享的协作管线树;最后设计并实现了沉浸式虚拟现实流场可视化协作分析的演示协作分析模式和自由协作分析模式,用户可以根据实际任务选择合适的协作分析模式,以支持团队进行流场协作分析.通过构建原型系统并对流场数据分别进行演示协作分析和自由协作分析,从不同用户的观察视角出发,展示了2种协作分析模式的协作过程.

• 面向异构信息嵌入模型的交互对比可视分析系统

  王攸妍, 汤颖

  为理解不同异构网络嵌入模型之间的差异,并解决评估异构网络嵌入模型所存在的定性分析复杂且隐藏的问题,对比分析方法首先应统一模型的评估指标和任务,然后训练模型以获取模型训练过程中的大量参数和特征信息,并保留完整且非均值化的评估结果进行可视化.基于模型参数和特征数据,设计并实现一个交互对比可视分析工具——HINCompare,包括基础评估指标的分布概览和推荐结果对比视图,以及模型嵌入过程中融合的局部拓扑结构特征视图.该工具支持探索模型中不同特征聚合方法所存在的共同模式和不同架构的模型之间的差异.此外,HINCompare通过热力图展示了用户在电影类型和年份上的偏好特征,可结合推荐结果的上下文信息进行分析和评估,解决推荐中的黑盒问题,提供推荐结果的来源信息,增加可解释性.最后,通过真实的豆瓣电影数据验证了系统的有效性.

• 面向数据排名的可视分析方法综述

  周志光, 程奥圣, 朱申吉, 李国俊, 梅晓蔚

  根据属性关键字的大小对数据对象进行排名,能够帮助用户快速而精准地判断和决策.文中对面向数据排名的可视分析进行综述.首先从映射表示大小关系的视觉元素出发,介绍坐标轴位置、长度、角度、面积和亮度/饱和度等视觉元素在排名可视化过程中的设计与应用;然后从数据结构形式出发,介绍多维、时序、空间和拓扑等面向数据排名的可视分析方法;再概述面向数据排名的可视分析技术在经济金融、城市交通和文体传媒等领域的应用研究;最后总结面向数据排名的可视分析面临的挑战,并对未来工作进行了展望.

• 足球动态传球网络的可视化

  谢潇, 梁鸿业, 巫英才

  足球传球网络分析对提高球队的进攻效率起着重要作用.然而,大多数现有工作都将传球网络视为静态网络,忽略了比赛过程中传球的时空演变.该工作通过与领域专家的深入访谈总结了动态传球网络分析的重要任务,并提出了一个交互式可视分析系统支持对传球网络的时空动态性进行全面分析.该系统应用了基于图标的可视化方法和投影技术,以呈现不同时间下的传球网络拓扑结构和传球空间上下文信息.该系统可以辅助用户发现传球网络结构和传球所在的空间位置在时间上的变化模式以及两者之间的关联,并根据传球网络动态性对比赛过程进行更深入的解读,发现有价值的传球网络变化策略.通过案例分析和专家访谈,验证了该系统在分析传球网络动态性的可用性和有效性.

• 生物大分子可视化技术综述

  郭栋梁, 王艳芬, 李煜, 郭瑶瑶, 徐锡明, 聂俊岚

  生物大分子,如蛋白质、核酸,影响着生命体的微观行为,直接决定了物种的生命功能.生物大分子可视化技术,对分子生物学和生物化学领域具有重要的研究意义,是计算机辅助药物设计的重要研究方向.文中对近年来生物大分子可视化进行深入的分析.首先从分子结构的空间形态定义出发,概述分子骨架、表面、空腔3种基本空间形态的概念和可视化方法;然后论述近年来大规模生物分子场景可视化技术,包括分子组装、多细节层次和GPU加速;再阐述动态分子可视分析技术,包括分子轨迹和空腔可视分析,进而介绍面向虚拟现实的生物分子可视化交互技术;最后,总结生物大分子可视化研究面临的挑战,并对其未来发展趋势进行展望.

• 基于嵌入色彩的自适应色彩优化

  赵勇威, 曾琼, 汪云海, 钟凡, 屠长河

  针对基于控制点参数位置的自动色彩优化方法无法有效表达全局数据特征的问题,提出一种基于嵌入色彩的自适应色彩优化方法,该方法包含色彩嵌入位置估计和嵌入色彩优化2个核心过程.首先基于色彩可辨别性以及数据分布选取合理的色彩嵌入位置,然后在固定色彩嵌入位置的基础上,建立能量优化方程求解最优嵌入色彩,使其既满足视觉可辨别,又能够尽量保证与原始色彩表的一致性.在此基础上,开发了一个交互式数据可视探索系统,该系统可有效支持整体数值感知和局部感兴趣区域探索.为了评估方法的有效性和系统实用性,在6种不同特性的色彩表、8种具有不同数据分布的数据集上开展用户实验以及案例分析.实验表明,该方法相比其他方法可产生细节更加丰富的视觉信息,为用户探索数据提供条件.

• 中医病案可视分析

  胡晓璇, 彭苏元, 侯海晶, 杨霓芝, 吕永杰, 周亮

  中华中医药是传统文化宝库,研究及继承中医医案是更好地对其内容进行传承与创新的方式之一.提出中医病案可视分析方法,对多变量、多模态时变病案数据和药物对应的现代医学症状高维数据进行分析.提出流图、降维图、实验室检查指标图等多关联视图和交互关联更新构成的可视分析方法,支持医学专家运用中医整体观和辨证论治理论分析病案;根据视觉感知原理设计方便对比的可视映射和交互操作,探索不同中药对应现代医学症状的相似程度,展示中西医结合辨病特点.医学专家对名医的3个不同类型肾脏病例的病案进行分析,证明提出的可视分析方法在中医传承教学、挖掘核心处方进行新药方设计等方面具有潜力.

• 面向火电控制系统辨识的循环神经网络可视分析

  纪连恩, 杨云, 邱诗荣, 王艺, 田彬

  针对火电控制过程产生的数据连续性强、复杂度高,循环神经网络模型行为与实际控制过程难以建立语义关联,不能直观地进行模型的调试、优化和语义上的分析等问题,将可视分析技术引入面向系统辨识的循环神经网络建模过程中,提出可视分析系统iaRNN.首先,通过可视化隐藏单元激活值分布与覆盖范围设计模型评估组合视图,支持内外结合多方面评价模型性能;然后,从时序关系演变和敏感性分析等角度设计可视化视图,以支持探索模型对控制参数的响应行为;最后,基于序列符号化和聚类分析提出了一种用于探索强时序依赖的实值时间序列与隐藏单元关联模式的可视化方法.使用电厂真实数据进行案例分析,验证了iaRNN在辅助用户理解模型工作机理和诊断模型缺陷方面的有效性.

• 组件感知的高分辨率三维物体重建方法

  沈伟超, 马天朔, 武玉伟, 贾云得

  基于体素表示的三维物体重建计算代价会随着体素分辨率的增加呈立方增长.为了缓解这一问题,提出组件感知的三维物体重建方法,将三维物体分解成多个组件,通过预测组件几何结构和组装组件的方式重建三维物体,从而将高分辨率三维物体的重建问题分解成一系列低分辨率组件的重建问题.组件感知的三维物体重建方法使用组件位置预测模块预测所有组件的位置;使用组件特征提取模块融合组件表观特征与组件几何特征生成组件联合特征;使用组件几何结构重建模块根据组件联合特征重建组件的几何形状;最后将所有组件按其位置信息组装成高分辨率的三维物体.实验使用ShapeNet数据集在一个拥有12 GB内存的NVIDIA 1080 Maxwell GPU上进行.对比方法包括一个基于八叉树的高分辨率重建方法、一个基于LSTM的低分辨率重建方法和一个使用编码器-解码器架构的Baseline方法.高分辨率重建结果显示,组件感知的三维物体重建方法能够以较小的计算代价取得满意的高分辨率三维物体重建精度.在低分辨率重建实验上,该方法也取得了更高的重建精度,在13个类别上的平均精度达到了0.618.

• 基于三维手部骨架数据的连续手语识别

  王卓程, 张景峤

  为有效地消除手语识别过程中背景、光照等干扰因素带来的视觉问题,采用低冗余的骨架数据表达手语信息,设计了一个端到端连续手语识别模型.首先,分别从帧内和帧间提取手型和轨迹特征,可以有效地降低原始样本的离散程度;其次,构建一系列并行的双路残差网络对手型和轨迹特征进行优化与融合,生成时空特征序列;最后,基于注意力机制的编码-解码网络实现时空特征序列到翻译文本的映射.使用Leap Motion收集建立了一个基于三维手部骨架数据的手语数据集LMSLR.实验结果表明,在LMSLR数据集和公共的CSL数据集上,该模型与大多数基于视频处理的模型相比具有较高的准确率和较小的计算量.

• 注意力机制在自然场景文字检测中的应用

  王延昭, 顾晓东

  针对目前主流的基于分割的文字检测方法中由于需要复杂的后处理过程保证检测精度,通常难以实现高检测速度的问题,提出一种应用位置注意力模块和金字塔注意力网络2种注意力机制的方法.首先用金字塔注意力网络对图像进行特征提取及语义分割;同时将位置注意力模块应用于高层特征,通过加强图像中相似物体的权重加强对文字的检测效果;最后进行简单有效的后处理,在实现较高检测准确度的前提下提高检测速度.实验结果表明,在Total-text数据集中,采用更轻量化的骨干网络时,所提方法在检测速度上优势明显;采用更深层的骨干网络时,所提方法的检测准确度领先2.0%.

• 几何连续曲线上的Laplace-Beltrami方程的等几何分析求解

  吴梦, 王旭辉, 倪倩, 魏明强

  复杂计算域上的等几何分析是一个热点问题.通常情况下,复杂计算域可用多片具有几何连续性的简单区域拼接,因此有必要讨论计算域的几何连续性对等几何分析收敛性的影响.针对G1(一阶几何连续)曲线上Laplace-Beltrami方程数值求解问题,从理论上分析了其等几何分析框架下的求解误差,根据理论分析给出了具有最优收敛阶的样条函数空间选择方法.此外,根据样条函数空间的逼近性质,数值上验证了选择的样条函数空间具有最优收敛阶.相关分析初步为复杂计算域的最优收敛的等几何分析提供了理论依据.

• 基于序列操作数据的元素布局预测

  李应金, 徐鹏飞, 黄惠

  创建规则的元素布局在许多场景下是常见的任务.用户在完成该任务的时候往往需要进行大量烦琐的元素操作.针对该问题,提出了一种布局预测方法以协助用户高效地创建规则元素布局.从SmartDraw中选取30组流程图模板作为基础数据集并进行数据增强,以视觉图像和属性编码2种形式对数据进行联合编码,训练以图像字幕网络为基础框架的神经网络,使该网络有效地学习到进行元素布局时的规则,并据此进行布局的预测.对布局进行预测时提供包含局部到全局的多个候选结果,保证预测具有可接受的准确率,有效地协助用户完成布局操作.设计了包括简单与复杂布局任务的用户调研;采用量化指标从性能、效率和稳定性对所提方法进行评价和分析.结果表明,与传统布局工具相比,所提方法可显著地减少用户定位元素的次数,缩减完成布局任务的时间,有效地提高用户的布局效率.

• 基于深度学习的三维点云修复技术综述

  刘彩霞, 魏明强, 郭延文

  三维点云是最常用的三维场景/物体表示方法之一.根据点云修复侧重点不同,将基于深度学习的三维点云修复技术划分为密集重建、补全重建和去噪重建3类;详细分析了相关典型修复模型及关键技术,如特征编码、特征扩展和损失函数设计;总结了常用的网络模块、点云数据集和评估准则;最后讨论了3类修复技术之间的关系,并从旋转不变性特征提取、细节信息修复、拓扑关系保持、几何算法应用和多模态数据融合5个方面探讨了点云修复技术面临的挑战及未来发展趋势.