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2022年第4期

• 纳米工艺下大规模线网的快速随机行走电容提取技术

  宋明烨, 喻文健

  为了解决悬浮随机行走算法在处理超过十万级别的大规模线网电容提取任务时耗时过长的问题,提出一种适用于悬浮随机行走电容提取算法中的快速虚拟高斯面构造技术.首先对已有的虚拟高斯面采样方法进行时间复杂度分析,并在其基础上发现影响效率的计算瓶颈——导体块之间的距离计算和高斯面相交关系计算;然后提出采用空间管理代替多线程并行加速的方法,利用网格的空间管理优化大线网的虚拟高斯面构造过程,从而显著减少构造的时间,极大地加快了大规模线网的高斯面构造.在一台32核服务器上的数值实验结果表明,在一个包含约100万块导体块的大规模测例上的高斯面构造过程中,该方法获得高达372×的加速比,远远优于多线程并行的效果.

• 通过电源完整性分析和电迁移修复提高供电网络可靠性

  王晶, 蔡懿慈, 周强

  电迁移是集成电路供电网络的关键失效因素,由于芯片集成度和电流密度的增加,供电网络设计留给电迁移优化的余量越来越小.供电网络的传统设计缺乏电迁移和电压降的综合分析,会造成设计的过度约束.为避免上述问题,提出一种基于通孔灵敏度分析的供电网络优化方法.首先,通过伴随矩阵的方法验证通孔的灵敏度对电迁移和电压降的影响;然后,结合供电网络的结构,针对关键通孔制定梯度优化策略,避免电迁移过度优化;最后,采用配置通孔阵列结构的方法提高通孔的可靠性.所提分析方法基于32核服务器实现,并通过IBM benchmark进行验证.实验结果表明,与全通孔优化的策略比较,所提方法以极小的面积代价实现电迁移优化,并且协同优化后,电路不存在电压降违规.

• 面向集成电路互连电容提取的三维交互显示程序设计与实现

  严韫洲, 喻文健, 裴春艳, 胡超

  为了辅助电容提取程序包RWCap的开发和调试,并增强三维结构数据Cap3D文件的可视性,开发了三维交互显示程序RWCapView,直观、清晰地展示Cap3D文件描述的导体空间结构.首先读入Cap3D文件,利用ANTLR辅助生成的LL语法分析器解析出三维坐标数据;再利用深度缓冲算法和扫描线算法进行图像的输出,并同步显示导体空间坐标轴和标尺以标识其方位和尺寸;通过实现基础仿射变换支持对导体空间的多角度细致观察,建立导体和金属层、介质层的关联,支持多种导体筛选方式.基于实际版图的实验结果表明,该程序解析并输出10 000块以上导体的设计版图总耗时3 s左右,进行各种变换的响应时间约100 ms,可以快速处理导体数量很大的大规模集成电路设计版图.

• 延时特征分析识别硬件木马

  宋钛, 黄正峰, 闫爱斌

  针对芯片生产链长、安全性差、可靠性低,导致硬件木马防不胜防的问题,提出一种改进的机器学习分类算法.首先采集不同电压下电路的延时信号,通过KNN分类算法找出延时差异,若延时与干净电路相同,则判定为干净电路,否则判定有木马;然后联合多项式回归算法对木马延时特征进行拟合,基于回归函数建立木马特征库,最终实现硬件木马的准确识别.实验结果表明,对2 000组延时单元的19个不同电压进行延时提取,同时考虑电压数目、K值与识别准确率,则电压数目与木马的识别准确率成正比,而参数K与识别准确率成反比;综合考虑的电压数目为19时,其预测准确率达到最高的95.2%;所提算法能明显地提升硬件木马的识别准确率和自动化程度.

• 概率计算脉冲神经网络异步架构

  高云飞, 陈宇昊, 祝亚楠, 薛翔宇, 李洪革

  概率计算是将二进制数编码为概率脉冲序列进行运算,具有功耗低、资源消耗少的优势,将概率计算应用于脉冲神经网络(spiking neuron network,SNN)的硬件电路设计,有利于实现类脑模式的运算.为了实现神经网络的低功耗边缘计算,本文提出一种基于概率计算的SNN异步架构.使用异步微流水线控制的交叉阵列实现LIF(leakyintegrate and fire)神经元模型,可用于实现全连接结构的SNN运算;在SNN的输入层使用概率逻辑将输入数值编码为概率脉冲串.通过累加完成神经元突触权值与输入脉冲的计算,并基于逻辑计算实现神经元膜电位数值的衰减;使用异步架构控制概率脉冲序列的编码与概率脉冲数据流的信息传输,降低了SNN运算的功耗.所提出的架构实现了784输入、10输出的SNN运算;在Xilinx KCU116平台进行验证,获得了78.4 GSOPS的峰值性能与137.47 GSOPS/W的能耗比.

• 面向轻量级分组密码的高性能可重构架构

  黄海, 徐江, 孙铭玮, 于斌, 马超, 方舟, 曲家兴

  针对目前采用专用集成电路的硬件实现架构难以满足不同应用对灵活性需求的问题,提出一种面向轻量级分组密码的高性能可重构架构(HRALBC).通过分析42种主流的轻量级分组密码算法,提取出算法的模式特征和组合特征;以模式特征结果和组合特征结果为依据设计出可重构处理单元;根据算法映射规律设计可重构处理单元阵列,进而进行架构整体设计.将不同类型算法映射到HRALBC上,验证其功能正确性并分析映射结果.实验结果表明,在TSMC 55 nm CMOS工艺下,HRALBC的工作频率最高可达429MHz,总面积为1.23百万等效门(GE),对于不同密码算法面积效率最高可达22.33Gbit·s-1·MGE-1;与Anole相比,对于PRESENT64/80,SPECK64/128和SIMON64/128算法,可重构单元利用率分别提高16.67%,16.67%和13.89%,面积效率分别提高66.64%,66.64%和11.04%.

• 连续微流控生物芯片下基于序列对的流层物理设计算法

  朱予涵, 黄鸿斌, 林泓星, 陈伟斌, 刘耿耿, 徐宁, 黄兴

  针对流层物理设计的2个阶段,即组件布局与布线通常被分开考虑,忽略了它们之间的交互作用,从而导致设计质量以及生物芯片执行效率下降的问题,提出一种有效的连续微流控生物芯片下基于序列对的流层物理设计算法.首先基于可以快速对布局方案进行枚举和计算的序列对表示方法,通过具有更高求解效率的离散粒子群优化算法得到组件布局解,进一步提高布局解的质量;然后在布线阶段将组件对之间的曼哈顿距离作为布线顺序的考虑依据,并通过基于协商布线算法进行布线,有效地减少流通道交叉点数量;最后考虑布局和布线的交互作用,根据布线的反馈信息进行针对流通道交叉点区域的布局调整,从而衔接组件布局与流通道布线阶段.采用实际生化应用反应与合成的基准测试集,复现基于模拟退火布局和协商布线的流层物理设计算法作为对比算法进行实验,结果表明,所提算法的流通道交叉点数量优化了74.94%,芯片面积优化了5.04%,流通道总长度优化了16.88%,得到高质量流层物理设计方案.

• 考虑总线时序匹配的多策略层分配算法

  刘耿耿, 魏凌, 徐宁

  在总体布线的过程中,层分配阶段通过控制总线线网的层次影响总线的时序匹配效果.为此,提出考虑总线时序匹配的多策略层分配算法.首先基于线网属性的线网优先级策略,针对线网不同属性的特点得到一个兼顾线长和总线偏差的布线顺序;然后基于贪心策略的初始布线策略,每次布线都对正在布线的线网选择当前最短路径,使相同总线内的线网都尽可能等长;最后基于总线线长的局部调整策略对初始的布线结果进行拆线重绕,延长部分线网以缩短其与最长的总线线网之间的线长差距.算法在2.60GHzCPU和64 GB内存的Linux环境下运行,使用ISPD竞赛中提供的测试数据进行算法的有效性验证.实验结果表明,所提算法产生的总线偏差降低了23.5%,能够显著优化总线时序匹配效果.

• 融合哈希编码及分块策略的双自编码器电路可靠性预测

  黄抒意, 黄正峰, 施莹, 楼俊钢

  为实现门级电路可靠性的快速评估,提出一种融合哈希编码和分块策略的双自编码器电路可靠性评估方法.首先分析并提取与门级电路可靠性相关的主要特征,构建面向电路可靠性评估的特征数据集;然后针对电路输入向量不定长、量纲不同等难点,提出一种融合CRC20哈希算法和分块策略的电路输入向量特征标准化方法;再采用不同激活函数的栈式自编码器学习数据不同特征,建立双自编码器模型.在74系列、ISCAS85和EPFL等不同规模电路上的实验结果表明,在不同网络层数情况下,哈希融合分块策略的预测性能可以提升1.79%~8.29%,而双自编码器模型相较于基准模型的预测性能可以提升21.10%~47.08%.

• 抑制背景干扰的行人重识别方法

  刘志刚, 黄朝, 谢东军, 田枫, 李婷玉

  为解决行人重识别中的相似背景干扰问题,提出抑制背景干扰的行人重识别方法.首先对多摄像头监控场景下的行人重识别中的前景与背景的隐含关系进行分析;然后设计背景抑制网络模型,包括前景子网络、背景子网络和噪声抑制模块;最后在噪声抑制损失函数的作用下增强前景子网络对行人特征的提取能力,抑制背景噪声.在Market1501和DukeMTMC-reID数据集上进行仿真实验,结果表明,所提方法具有较低的计算复杂度,在提高模型识别性能的同时,可迁移能力有明显提高.

• 基于二次关键点匹配的药盒位姿估计方法

  杨旭升, 王帅炀, 张文安, 仇翔

  针对药品自动拣选过程中出现的位姿估计难度大、效率低等问题,提出一种平面分割与关键点匹配相结合的位姿估计方法.首先使用点云层次聚类算法对平面区域进行分割,并利用改进的二次关键点匹配方法对各线程中的药盒进行识别与定位,便于多线程处理.然后采用基于最小二乘的点云平面法向量估计方法实现药盒的姿态重建.实验采集存在视点变化、旋转变换和尺度变化的600幅图像进行测试,实验结果表明药盒位姿估计速度可达11帧/s,定位偏差小于5 mm,姿态估计偏差在2°以内.因此,所提方法是高效的,可以准确地识别药盒的位姿.

• 融合全局与随机局部特征的鸟类姿态识别模型

  林梦翔, 林志玮, 黄秀萍, 洪思弟

  为了高效地进行鸟类姿态分类,提出一种基于全局与随机局部特征融合的鸟类姿态识别模型.首先利用融合多分辨率的网络提取鸟类姿态全局特征;然后于网络中浅层与深层的高分辨率特征引入随机定位模块,即根据随机抽取的特征图求取最大值位置,形成包围盒裁剪原图;再将裁剪的局部图片送入子分类网络提取鸟类姿态局部特征;最后将全局和随机局部特征进行融合,并采用融合全局损失和局部损失的多损失策略进行网络调整,构建一种融合全局与随机局部特征的鸟类姿态识别模型.对CUB200-2011中存在完整单种姿态的鸟类图片进行整理汇总得到包含蹲伏、飞翔、游水和站立4种姿态的鸟类姿态数据集,基于该数据集进行实验的结果表明,所提模型的分类精度优于主流卷积神经网络框架,达到96.1%;对随机定位模块及其内部是否随机、分组情况和多损失策略等进行消融实验的结果表明,引入随机定位模块和多损失策略能够提高识别正确率,证明了随机定位模块和多损失策略的有效性.

• 藏汉双语场景图像数据集合成及文本检测方法

  郝玉胜, 王维兰, 李金成, 林强

  为满足大量藏汉双语场景图像中的文字检测和识别的需求,合成数据集并训练深度学习模型,提出场景图像藏汉双语文本检测方法.首先,针对缺乏藏汉双语场景图像数据集的问题,提出基于轮廓检测和泊松图像编辑的合成方法,采用人工标注和自动化合成方式生成了具有相当规模的藏汉双语场景图像数据集BiTCSD,其中包含合成图像87680幅、人工标注图像5550幅;其次,验证了使用合成数据集训练模型的有效性;最后,在不同数据集上训练了深度文本框连接网络CTPN,并在测试集上针对不同语种评价了模型的文本检测性能.实验结果表明:通过合成样本训练CTPN模型,能够使模型的文本检测指标大幅提升;训练后的CTPN能够以较高的准确率和召回率检测场景图像中的藏汉双语文本区域,针对藏语文本的检测准确率P、召回率R和F值分别为0.91,0.85和0.88;针对汉语文本的检测准确率P、召回率R和F值分别为0.89,0.83和0.86.

• 双域级联决策和协作标注自提升的鲁棒弱监督语义分割

  缪佩翰, 包翠竹, 高佳, 李玺

  引入网络图像是提升弱监督语义分割性能的有效方法,为了鲁棒地利用外部数据实现知识迁移,提出双域协作自提升的鲁棒迁移学习方法.首先通过网络域和目标域双域级联决策实现网络域到目标域数据的知识迁移,提升弱监督语义分割决策的鲁棒性;然后利用双域协作学习减少噪声图像,改善标注质量,提升网络域知识的可靠性.在通用数据集PASCAL VOC 2012验证集和测试集上, mIoU分别达到65.4%和65.9%,性能优于当前大多数弱监督语义分割方法,证明了所提方法的有效性.

• 融合UV位置图与CGAN的单图像大视角三维彩色人脸重建

  沈铖潇, 钱丽萍, 俞宁宁

  基于图像的物体三维重建一直是计算机视觉领域的研究热点.与二维人脸图像相比,三维人脸模型能够承载更多的信息从而具有更广泛的应用前景,如更精准的身份信息识别标志、更准确的情感表达媒介等.为了从单幅大视角的二维人脸图像中重建出具有真实感的三维彩色人脸模型,提出一种结构简单但有效的算法.首先设计一个编码-解码网络,从原始RGB图像生成并记录完整的三维人脸信息的二维UV位置图;然后使用一个卷积神经网络从中重塑出三维人脸;最后考虑人脸大视角时的自遮挡情况,进一步通过条件生成对抗网络补全UV纹理图的缺失.使用Stirling/ESRC 3D Face Database与其他三维人脸重建的算法进行对比实验,结果表明,所提算法能够实现更高的重建精度,特别是在大视角人脸图像重建应用中,即使在复杂环境下也可以获得完整和真实的三维人脸模型.

• 面向效应场数值模拟的颜色映射自动调优框架

  王晓华, 曹轶, 王华维, 艾志玮, 张哲, 吴付坤

  在科学计算的效应场数值模拟中,变量数据的数值分布通常极不均匀,且存在大量背景噪声.针对传统数据到颜色的可视化线性映射难以获得清晰的物理特征的问题,提出一个基于颜色控制点自动调优的颜色映射框架.首先基于信息熵和高斯混合分布自动去除背景数据,然后基于累积分布函数自动调整颜色控制点位置,再基于分段亮度参数增强颜色表感知辨识性,最终生成自适应数据分布特征的颜色映射.采用爆轰冲击波、电磁辐射和高功率微波3类典型效应场模拟数据的实验结果表明,相比线性映射方法,所提框架能够获得具有高质量细节特征的可视结果,颜色辨识性可提升一个数量级,该框架是有效的.

• 重排机制下的多目标选择技术

  辛义忠, 杨慧敏, 张丽莹, 李岩, 郭骁

  针对多目标选择过程中的耗时和误选问题,提出动态重排机制,并提出了动态魔方技术.首先依据目标具备属性的特点提出动态重排机制;然后按照拉近目标、改变光标形状、动态重排目标和额外使用笔的其他通道的原则提出动态魔方技术;并在Wacom Cintiq 21UX上展开多目标选择实验和动态重排机制评价实验,实验结果表明,动态魔方技术的速度和准确率综合性能优于其他对比技术,动态重排机制的引入可以有效地改善目标选择技术的性能;最后对比多目标选择技术的性能,分析动态重排机制的效果,并讨论了多属性目标的动态重排.

• 乱针绣风格化生成方法的计算机辅助DIY设计

  朱意灏, 赵玉, 张玲燕, 刘肖健

  乱针绣采用参差交叉的线条表现图像的画理和绣理,需要刺绣者反复推敲绣制技法、操作步骤并预测刺绣效果,其绣品极具个人艺术特色.为解决乱针绣构思难度高、创作时间长和效果难以预测等问题,提出一种辅助用户进行乱针绣DIY设计的交互技术思想.通过生成创作预览图和带有标记的刺绣底稿,以便用户快速进行绣制.输入目标图像作为乱针绣底稿参考,基于聚类算法将图像分割成子区域,用于后续细节绘制;基于物像的纹理特征构建单针模型和多层针法模型,并设置相应的长度、朝向、密度和粗细等参数;基于图像风格构建交互式重构矢量场绘制技术和光照模拟技术,供用户进行DIY设计和效果预览;基于CorelDraw平台开发乱针绣DIY绘制系统和底稿生成系统,设计人机交互界面,并进行案例模拟.实验结果表明,该DIY交互设计工具提高了绣稿构思过程中的效率和创造力.同时,生成带有标记的底稿还可以提供给乱针绣初学者,方便其快速掌握乱针绣绘制方法与技巧.