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7期

• 基于量子生成对抗网络的信息隐藏方案

  罗佳, 周日贵, 李尧翀, 刘广钟

  针对量子图像信息隐藏技术在面对基于统计的隐写分析算法检测时的不安全问题,提出基于量子生成对抗网络(QGAN)的信息隐藏方案.首先利用映射规则将秘密信息映射为单量子比特门,演化得到QGAN生成器G的参数化量子电路的输入态;然后通过QGAN中的生成电路生成含密量子图像;最后通过测量含密量子图像得到样本数据后与真实数据样本作为判别器D的输入进行迭代优化,使G能够得到接近于目标图像的含密图像.实验结果表明,所提方案能生成与目标图像分布较好拟合的含密图像,完成信息的非嵌入式隐藏.

• 结合密集连接块和自注意力机制的腺体细胞分割方法

  赵宝奇, 尉飞, 孙军梅, 李秀梅, 袁珑, 肖蕾

  针对目前常用的细胞分割方法在对腺体细胞进行分割时易出现误分割和分割不精细的问题,提出一种以U-Net为基本框架,结合密集连接块和自注意力机制的腺体细胞分割模型.首先将U-Net结构中卷积层组合构建成密集连接块,以不同尺度从图像中提取信息;然后在解码端引入自注意力机制,通过对局部特征建立丰富的上下文依赖模型,抑制不必要的特征传播,提高腺体细胞分割的精度.在2015MICCAI腺体分割挑战赛数据集上的实验结果表明,与U-Net等其他模型相比,在增加少量参数的情况下,该模型在F1值、MeanDice和Hausdorff距离评价指标上均具有较大的提升.

• 结合L_0优化与拉普拉斯算子的图像平滑方法

  李孟航, 高珊珊, 韩慧健, 张彩明

  针对平滑过度使图像的细节特征损失导致失真的现象,提出了一种L0测度优化与二阶拉普拉斯算子结合的图像平滑方法,采用拉普拉斯算子约束图像颜色变化,通过对L0模型的优化减缓颜色梯度的变化,达到图像颜色平滑过渡的目的.为了在平滑过程中更好地保持图像边缘特征,引入Sobel算子作为能量函数正则项,并采用交替求解策略求解能量函数.在图像平滑领域经典图像以及通过网络引擎搜索得到的图像上与6种平滑方法以及7种去噪方法进行了定性和定量比较实验,结果表明,所提方法在图像平滑的同时能够降低图像细节特征的损失,有效地处理图像平滑中存在的阶梯状边缘以及颜色块状分布的现象,并去除图像中的多种噪声,而且所提方法的峰值信噪比和运行时间也较其他方法有所提升.

• 基于RGB-D视频流的室内环境3D目标高效检测

  缪永伟, 陈佳慧, 张新杰, 马文娟, 孙树森

  由于室内复杂环境RGB-D扫描数据不完整﹑物体相互遮挡等缺陷,以及表示部分场景的单帧数据输入的局限性,导致难以通过一次操作高效检测室内场景中的所有3D目标物体.为了克服难以感知获取室内场景中全部物体信息以及场景3D目标检测效率低等的难点,提出一种基于RGB-D视频流的室内环境3D目标高效检测方法.首先,利用Kinect相机获取待检测的室内环境RGB-D视频流,经预处理得到连续帧彩色图及其对应的扫描点云信息;其次,利用哈希算法从连续帧彩色图中提取内容敏感的视频关键帧,并根据相邻关键帧所包含的物体种类及个数为其构建目标语义关系,以确保各关键帧均出现不一样的目标物体;然后,利用神经网络VoteNet对视频关键帧点云数据进行3D目标检测,并利用四元数球面线性插值算法插值相邻关键帧的相对位姿关系以估计其余帧检测结果,最终实现RGB-D视频流中各帧数据的3D目标检测.使用SUN RGB-D数据集对关键帧检测网络进行训练,与基于VoteNet的视频流逐帧检测方法相比,该方法的目标检测结果准确,同时大大缩短了视频流整体检测耗时.实验结果表明该方法的有效性和高效性.

• 无人驾驶中的场景实时语义分割方法

  秦飞巍, 沈希乐, 彭勇, 邵艳利, 袁文强, 计忠平, 白静

  无人驾驶的一个重要组成部分是汽车行驶环境感知,使人们对可在低功耗移动设备上实时运行的高精度语义分割方法产生了强烈的需求.然而,在分析影响语义分割网络精度和速度的因素时可以发现,空间信息和上下文特征很难兼顾,而使用2路网络分别获取空间信息和上下文信息的方法,又会增加计算量及存储量.因此,提出从残差结构网络中划分出空间信息路径和上下文信息路径的想法,并基于此设计一个双路语义分割网络.该网络还含有用于融合2路多尺度特征的特征融合模块,以及用于优化上下文语义路径输出结果的注意力精炼模块.该网络基于PyTorch框架实现,使用NVIDIA1080Ti显卡进行实验,在道路场景数据集Cityscapes上,mIoU达到78.8%,运行速度达到27.5帧/s.

• 基于古代绘画的古诗自动生成方法

  陈佳舟, 黄可妤, 封颖超杰, 张玮, 谭思危, 陈为

  中国题画诗是世界艺术史上一种极为特殊的艺术形式,它结合了中国古代文学和美术,诗与画相得益彰、浑然一体.为实现计算机为画题诗的功能,提取和使用古代绘画的多句现代文描述,提高古诗对绘画的文学表达能力,提出一种基于古代绘画的古诗自动生成方法.首先根据古画建立多句现代文标注数据集,然后通过改进的图像描述方法提取古画语义特征得到多句现代文描述,最后通过双向LSTM编解码框架将这些现代文描述转化为律诗.针对宋代小品画的实验表明,所提方法生成的古诗前后连贯、押韵规律,符合古画原有的内容且符合上下文语境;用户调查评估结果表明了该方法的有效性,其内容一致性和总体满意度等指标均优于基于关键词的方法.

• 改进轻量级卷积神经网络的复杂场景口罩佩戴检测方法

  薛均晓, 程君进, 张其斌, 郭毅博, 鲁爱国, 李鉴, 万曦, 徐静

  针对复杂光照和人脸倾斜条件下口罩佩戴检测准确率低的问题,提出一种利用轻量级卷积神经网络在复杂环境下的口罩佩戴检测方法.该方法利用难样本挖掘预训练学习更多的人脸特征,结合多任务级联卷积神经网络先判别是否有人脸信息,对其进行精准的人脸定位;在特征金字塔网络中添加注意力机制,增强了人脸关键点信息的权重,利用轻量级神经网络将口罩佩戴检测视为简单的二分类问题进行判断.在TensorFlow的环境下完成了数据训练、数据预处理、与AIZOO方法对比实验,收集建立了包含816张图片的数据集进行标注并训练;在对数据进行预处理操作时先将图片设定为固定大小以降低运算量,提高检测速度,再利用图像增强算法进行扭曲处理提高模型的鲁棒性.在此基础上,利用MTCNN检测图片中的人脸并对其进行修正和归一化操作,然后传入神经网络并利用已经训练好的模型进行检测.实验结果表明,在复杂光照和人脸倾斜等复杂条件下,文中方法的准确率分别达到83%和91%,可以有效地进行口罩佩戴检测.

• 结合多注意力机制与时空图卷积网络的人体动作识别方法

  李炫烨, 郝兴伟, 贾金公, 周元峰

  人体动作识别因其难以结合时空域信息成为计算机视觉方向中一项具有挑战性的任务.提出一个多注意力时空图卷积网络,其核心思想是根据时间序列信息和人体骨架的自然连接构建一个连通图,然后利用具有多注意力机制的时空图卷积网络自动地学习空间和时间特征并且优化该连通图,最后实现对人体动作的预测.引入图注意力模块,模型构建的图的拓扑结构在初始化后会随着网络训练的过程进行优化,最终得到更适合表达人体动作的拓扑结构.此外,加入通道注意力模块,使网络能够更加注意相对重要的通道信息,从而提取更有效描述动作的特征.在公认的大型数据集NTU-RGBD和Kinetics上进行了大量的实验,结果表明该方法具有更高的识别准确率.

• 对称可区分的三维人体模型语义分割

  罗闪, 张栖桐, 冯结青

  针对三维人体模型语义获取和对称区分的难题,提出一种自动的、左右可区分的三维人体模型语义分割方法.对于输入的人体模型,首先采用模板嵌入的方法提取其左右可区分的、具有语义信息的运动骨架;然后基于运动骨架确定人体模型的分割块数量,并提取各个分割块对应的关键点;再以关键点为边界约束计算模型的调和场,获取分割线的候选集;最后以关键点为聚类中心对模型进行谱聚类,利用聚类结果引导分割线的筛选,确定其中准确的分割线.该方法使骨架的语义信息可直接传递至三维人体模型的分割块,且借助骨架的结构可以控制分割块的数量.在SCAPE数据库、MPI-FAUST数据库和普林斯顿分割数据集上的结果表明,对不同形状和姿态的三维人体模型,该方法均能自动、鲁棒地实现对称可区分的语义分割.

• 基于图神经网络的东巴画小样本分类

  黎克, 钱文华, 王成学, 徐丹

  针对纳西族东巴画艺术形象线条突出、色彩分明、样本较少的特点,提出一种端到端的基于图神经网络的东巴画小样本分类方法.首先,设计多分辨率多尺度的图像特征提取网络,图像特征与边缘特征融合后嵌入图神经网络中作为节点,构建分类图神经网络;其次,以边标记作为架构并采用二维边标记特征作为图像分类依据,保留节点分类时所需的类内相似性和类间相异性;最后,提出自注意力机制与特征显著性注意力机制相结合的方法更新节点特征,增强了节点之间的特征关联性.模型使用Python实现并用RTX2080Ti在自建东巴画数据集上进行实验,结果表明,所提方法较好地提取了东巴图像特征,保留了东巴画分类所需的图像局部细节和节点间相似性特征,与对比算法相比,提高了分类准确度,并有更低的分类精度标准差.

• 利用离散最优传输的纹理重整算法

  周宇明, 苏科华, 焦冲, 辛宁, 任术波

  随着建模与扫描技术的不断发展,三维模型的精细程度不断提高,场景数据量不断提升.为了解决纹理碎片化、纹理空间利用率过低的问题,提出了一种基于离散最优传输的纹理重整算法.给定一个带纹理的模型,首先计算其保形参数化映射;接下来通过离散最优传输对保形参数化进行调整,计算得到原始模型的保测参数化映射;最后根据网格的初始参数化与计算得到的保测参数化对原始纹理进行重新映射,将数量众多的小纹理整合得到一个大纹理.为验证算法的有效性,从Sketchfab上选择了不同种类与复杂度的扫描模型进行实验,对整合前后的纹理空间利用率、采样率和渲染图像的峰值信噪比进行了计算并与其他算法进行了对比.实验结果表明,所提算法的空间利用率能够始终保持在100%,且纹理采样率分布平均,同时渲染图像的峰值信噪比与其他方法不相上下,均在35 dB以上.

• APP图标计算审美评估

  戴凌宸, 郑月儿, 彭韧, 于金辉

  近年来,计算美学已经成为一个活跃的研究领域.移动终端APP充斥着人们的生活,但关于APP图标的计算美学评估却鲜有尝试.提出一个基于设计准则感知模型的APP图标计算审美评估框架.首先定义一些特征变量量化评估APP图标中的某些方面,如色彩度、和谐度、对比度,同时收集了60名志愿者对240个APP图标在色彩度、和谐度、对比度以及美感的人工评估结果,然后构建相应统计线性回归模型.实验结果表明APP图标计算审美模型可以解释84%~91%人类对APP图标中的色彩度、和谐度、对比度以及美感的判断,并与人工评估结果具有高度显著相关.

• 基于深度强化学习的舰载机动态避障方法

  薛均晓, 孔祥燕, 郭毅博, 鲁爱国, 李鉴, 万曦, 徐明亮

  针对高度异构、动态的航母甲板作业场景中的舰载机避障问题,提出一种结合预测算法和深度强化学习的避障方法.该方法包含场景建模、奖励模型和轨迹预测模型等模块.首先基于智能体状态和动作空间对航母甲板场景进行建模;然后利用最小二乘法对场景中动态障碍物的位置进行实时轨迹预测,并构造了包含路径预测模块的深度强化学习方法——环境预测深度Q网络(PDQN);最后利用该方法实现航母甲板作业场景中的舰载机动态避障.利用Python绘图集Matplotlib进行仿真实验,实验数据结果表明,相比于Q-learning,SARSA等方法,所提方法的准确率提升了15%~25%,路径长度短9%~39%,平均奖励值高30%~100%,收敛速度快1~2倍且训练平稳后准确率的标准差小2%~50%.

• 面向复杂动态场景的多无人机协同摄影

  崔云鹏, 谢科, 周漾, 黄惠

  当前,对复杂动态场景的实时拍摄仍然以人为操控的方式为主.为了使用无人机对这种场景自动地进行完整拍摄,提出将其分解为场景分割、拍摄构图和无人机调度3个子问题的方法.首先采用带有阈值的K-means聚类算法完整、有效地对场景进行合理分割,以获得一系列小场景,每个小场景对应一架无人机;然后根据小场景之间的位置关系计算获得无人机最佳的拍摄位置,保证在完整拍摄每个小场景的同时,无人机群拍摄的画面有一定的关联性和整体性;最后将无人机飞行调度问题转化为任务指派问题,使用匈牙利算法将拍摄位置指派给每架无人机完成相应的拍摄任务,使无人机群的飞行距离总和最短,完成对复杂动态场景的实时持续拍摄.实验结果表明,该方法可以有效地使用仿真程序控制多架无人机,对复杂动态场景进行多角度且包含全部对象的实时持续自动拍摄.通过观察无人机的飞行轨迹和拍摄结果中目标物体的位置,可以发现,该方法相比场景均分等直接方式,拍摄效果有明显的提升.

• 对四端忆阻器的建模及其电路仿真

  张章, 魏亚东, 葛志恒, 闫林, 曾剑敏, 刘钢

  在传统二端忆阻器的理论基础上,提出了一种四端忆阻器的模型.该器件的4个端口分别对应于MOS场效应晶体管的栅、源、漏和衬底4个极,可以代替数字电路中的MOS晶体管实现电路功能.利用Verilog-A对该模型的电学特性进行了描述,在Hspice软件环境中利用该模型构建了与非、或非等逻辑电路以及1 bit数据的1R-1R随机存取电路,并搭建外围电路对其进行了功能验证,在仿真层面实现了四端忆阻器在数字电路方面的简单应用,实验结果符合预期.作为一种纳米器件,与MOS晶体管相比,四端忆阻器的尺寸更小、功耗更低.在CMOS工艺尺寸渐渐趋于极限的今天,对四端忆阻器的应用是一个具有一定合理性的发展方向.

• 面向陶瓷3D打印的双尺度放样曲面建模

  周宇, 刘文强, 钟凡超, 闫鑫, 吕琳

  针对陶瓷3D打印的特点,提出基于放样曲面与周期参数曲线嵌入的双尺度轻量化交互式建模和制造工具.对于用户输入的2条封闭曲线,首先在它们之间插值生成中间截面采样点,并在免支撑、路径无干涉等陶瓷3D打印制造约束下对当前曲面形状进行调整,完成基于放样曲面的大尺度曲面建模;然后将采样点之间的直线路径用周期性曲线路径代替,通过调整曲线函数的周期和振幅完成小尺度几何纹理建模;最后按螺旋方式逐层连接各个截面采样点,直接生成单一连续的打印路径并制造.为验证文中方法的有效性,基于绘制的3组曲线进行建模并利用CERAMBOT Plus陶瓷3D打印机制造模型.实验结果表明,该工具为用户提供了充足的建模空间且模型生成效率高,能够有效地生成可直接进行陶瓷3D打印的带纹理放样曲面的G-code文件.

• 承载散热一体化的功能梯度多孔结构拓扑优化设计

  杜义贤, 张跃, 付君健, 田启华, 周祥曼, 王林军

  针对多功能结构承载散热一体化需求,提出面向功能梯度多孔结构的拓扑优化设计方法.首先基于三周期极小曲面实现C0连续梯度多孔结构建模;然后引入数值均匀化法计算多孔结构宏观等效弹性张量和宏观等效热传导张量;最后以多孔结构体积分数为设计变量,建立散热弱度和结构柔度最小化加权多目标拓扑优化模型,采用优化准则法求解.数值算例结果表明,相比于单目标拓扑优化设计,该方法通过牺牲较低的散热性能换取较大的承载性能提升,显著地提高了多孔结构的综合性能.