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2023年第5期

• 行人运动建模研究综述

  毛天露, 王吉, 孟若雨, 刘绍华, 蒋浩, 王兆其

  行人运动建模是近年来虚拟现实领域的热门研究方向,在游戏娱乐、公共安全以及智慧交通等领域有着重要的应用价值.文中按照规则驱动-数据驱动和宏观-微观2个维度将现有的行人运动建模方法划分为4大类.首先简述各类方法的典型模型,重点介绍各类方法的最新研究进展,分析了各类方法的特点;其次介绍行人运动建模工作中常用的数据集和评价指标,并从碰撞避免、运动多样性、场景迁移能力以及仿真精度等角度对各类方法进行评价;最后分析在数字孪生、元宇宙等新技术兴起背景下行人运动建模方法面临的挑战,指出该领域未来发展方向.

• 基于全尺度特征融合的自监督单目深度估计

  王聪, 陈莹

  针对自监督单目深度估计生成的深度图边界模糊、伪影过多等问题,提出基于全尺度特征融合模块(FSFFM)和链式残差池化模块(CRPM)的深度网络编解码结构.在解码时,将编码器得到的高分辨率和相同分辨率特征与之前解码器得到的低分辨率特征以及上一级逆深度图进行融合,使网络学习到的特征既包含全局信息又包含局部信息.使用CRPM从融合特征中获取背景上下文信息,最终得到更精确的深度图.在KITTI数据集上进行了实验,与之前工作相比,该方法深度值绝对误差降低了7.8%,阈值为1.25的精确度提高了1.1%,其结果优于现有大多数自监督单目深度估计算法.

• 基于毛发点云深度剥离的神经渲染与时域稳定性改进方法

  叶可扬, 潘曲利, 任重

  针对现有基于点云的神经渲染网络无法渲染具有时域稳定性的高质量毛发的问题,提出基于毛发点云深度剥离的神经渲染与时域稳定性改进方法.该方法通过对输入点云模型的分层投影,获取不同分层的特征信息;将结果进行融合,以适应毛发半透明特性;将训练好的结果输入到时域稳定性增强网络中,该模块利用相邻帧间点云的重投影得到当前帧和前几帧的依赖关系,生成当前帧的最终结果,从而保证了训练结果的时域稳定性.使用光线追踪生成的高质量毛发数据集进行实验,结果表明,与现有方法相比,该方法可以获得更好的时域稳定性和渲染结果.

• 多尺度特征融合注意力网络的水下图像增强

  刘玉珍, 刘美怡, 林森, 陶志勇

  水下图像在海洋资源探索中具有重要作用.针对现有的水下增强方法存在去雾不彻底和细节丢失等问题,提出一种基于多尺度特征融合注意力网络的水下图像增强方法.首先,采用多特征提取模块获取图像特征,学习不同空间的特征信息,并通过特征融合模块加强不同空间信息的有效联系,实现特征的复用和深层次的学习;然后,构建特征调制模块,将低质量信息特征转换为高质量信息特征,包括通道和像素注意残差块,将其堆叠成链式结构,通过动态调制多级特征增强图像细节,并抑制冗余信息;最后,构建包含均方差损失函数、L1损失函数和感知损失函数的多项式损失函数,引入异步训练模式提高网络性能.实验结果表明,基于EUVP数据集、合成的SUDS数据集和UFO-120数据集,该方法在主观视觉质量和客观评价指标(UCIQE,NIQE,SURF以及信息熵)上均优于其他经典及新颖方法,增强后水下图像去雾效果良好,并且在恢复图像细节方面也具有明显优势,显著地提高了水下图像的视觉质量.

• 融合缺失点云形状信息的保结构修复网络

  张磊, 缪永伟, 景程宇, 孙树森

  传统点云模型修复中由于未考虑输入的缺失点云形状固有特征,难以有效地保持原始形状结构特征信息.为此,提出一种融合缺失点云形状信息的保结构修复网络.该网络采用编码器-解码器结构,借助多层感知器和最大池化层以获得输入点云形状的特征码字.其中,编码器以缺失的点云数据作为输入;解码器则对编码得到的点云特征码字使用4个2D网格进行折叠操作以拟合点云形状得到粗修复结果,再将输入点云数据与粗修复结果进行拼接融合,并对融合后的点云数据经过迭代最远点采样得到最终的点云形状修复结果.实验结果表明,与已有网络修复结果相比,该网络在ModelNet40数据集上的平均误差低11%~53%,在ShapeNet数据集上的平均误差低15%~28%,而对具有精细结构的物体修复结果的平均误差低59%~70%.该网络在修复点云形状缺失部分的同时,能够有效地保持输入形状的结构特征信息,对不同程度的数据缺失具有鲁棒性;与已有网络相比,该网络点云修复结果的误差较小、点云分布较均匀.

• 3D场景立体画面绘制的视觉感知驱动光照复用方法

  申忠业, 陈纯毅, 于海洋, 张日培, 胡小娟

  针对用蒙特卡罗路径跟踪绘制3D场景立体画面的计算开销巨大,而3D warping根据左眼画面生成右眼画面,但无法正确地呈现镜面反射现象,且存在空洞的问题,提出3D场景立体画面绘制的视觉感知驱动光照复用方法.首先,逐像素地跟踪少量路径实现预绘制,通过获取左右眼画面的可视场景点表、显著性图和背景掩膜等辅助信息,完成左眼画面绘制;然后分别进行背景复用和3D warping复用,避免右眼画面部分像素的路径跟踪计算;最后,根据显著性图分配镜面反射区域及剩余空洞区域的路径样本数,在低采样水平下完成右眼画面绘制.在PBRT-V3通用测试场景下的实验表明,该方法能够准确地呈现镜面反射现象,提高绘制结果的视觉感知质量,与基于3D warping和路径跟踪的方法相比,其平均PSNR,SSIM和VSNR分别提高5.68%~22.62%,6.38%~19.36%和4.25%~34.53%.

• 带法向约束的隐式B样条曲线重构PIA方法

  季康松, 寿华好, 刘艳

  为使隐式曲线能够更好地拟合散乱数据点及其几何特征,提出一种带法向约束的隐式曲线重构渐进迭代(progressive and iterative approximation,PIA)方法.首先,基于隐式B样条函数提出有效的曲线拟合模型;其次,通过加入偏移数据点来消除额外零水平集,同时加入法向项来控制曲线的法向误差;最后,经多次优化迭代得到高精度的拟合曲线.在配置为2.6 GHz英特尔处理器,内存为16 GB的电脑上采用MATLAB实现编程.经多条不同形态封闭曲线拟合的实验结果表明,与隐式PIA (implicit PIA,I-PIA)方法和T样条曲线重构方法相比,从数据点精度和法向误差以及收敛速度3个评价指标进行评估,该方法能够在保证数据点精度的前提下,有效地降低法向误差,并具有更快的收敛速度.此外,实例结果也表明该方法具备鲁棒性.

• 点至平面代数曲线正交投影计算的混合算法

  吴志男, 李小武

  点至平面代数曲线的正交投影计算在计算机图形学、计算机辅助几何设计领域,特别是交互式设计等应用中有着非常重要而广泛的运用.基于牛顿梯度下降法、切线和曲率圆形成中点的中点脚点法,以及混合几何加速正交法的计算方法,提出一种混合算法用于计算点到平面代数曲线的正交投影问题.首先,采用牛顿梯度下降法使初始迭代点落在平面代数曲线上;其次,利用切线和曲率圆所形成的中点作为脚点,再结合牛顿梯度下降法,将落在平面代数曲线上的迭代点逐渐挪动至正交投影点很靠近位置;最后,使用混合几何加速正交法得到正交投影点.采用3个封闭平面代数曲线实例进行实验,通过收敛性计算验证,结果表明当测试点比较远或代数曲线次数比较高时,该算法是鲁棒和高效的.

• 代表性调色板提取及图像重着色

  夏子勋, 杜正君, 刘晓静

  基于调色板的图像编辑技术是近年的热门研究方向,在海报制作、服装设计、电影、短视频编辑等方向有着广泛的应用.通过计算凸包提取图像调色板是一个较新技术.然而,其目前仍然存在2个问题:一是忽略了凸包内部的颜色分布,使得调色板整体上缺乏代表性;二是插值权重缺乏稀疏性,难以实现针对性的局部编辑.针对上述问题,提出一种新颖的调色板提取算法,并在此基础上实现高效的图像重着色编辑.首先,提取图像在RGB空间的凸包并简化;其次,通过聚类算法捕捉凸包内部的颜色分布,构造代表性调色板;最后,在RGB空间对调色板颜色进行四面体剖分,并对图像像素进行插值.为了验证该算法的有效性,从互联网上获取了40余幅图像组成数据集进行实验,对插值权重的稀疏性、图像重着色效果等进行了对比分析和用户调研.大量实验结果表明,该算法提取的调色板具有更好的代表性,插值权重具有更好的稀疏性,实现了更精确的局部编辑.

• 内外特征一致性对齐的非等距三维模型对应关系计算

  吴衍, 杨军

  针对非等距三维模型对应关系计算准确率低且难以自动化的问题,提出一种基于局部流形调和基与内外积空间对齐的三维模型对应关系计算算法.首先利用局部流形调和基作为模型本征信息,并结合笛卡儿坐标等外部信息嵌入内外积空间,实现本征信息和外部信息对齐;其次将计算对齐的目标函数与一致性点偏移算法融合,提高结果的稳定性和准确性;最后利用基于交替方向乘子法的交替优化算法来求解目标函数,构建最终的对应关系结果.与已有算法的对比实验结果表明,所提算法在SMAL,SHERC’19,TOSCA和SHERC’16 Topology数据集上构建的对应关系测地误差最小,全局对应关系准确率最高,同时能够处理拓扑噪声和模型自身对称性影响对应关系计算的问题.

• 基于时空重采样的实时随机光源裁剪

  刘昊峰, 陈健蔚, 张建伟, 张严辞

  为了渲染含大量动态光源的动态场景,提出一种时空重采样算法.首先利用实时随机光源裁剪对光源进行重要性采样,生成重采样样本;然后提出一种快速时空样本有效性判断方式,通过检查几何属性与可见性,避免错误选择重采样样本而引入误差;最后通过重采样复用时空样本,依样本权重选择重要样本进行着色,提高样本质量.自建场景与NVIDIA ORCA场景的实验结果表明,所提算法能够取得较好的采样质量,通过修改空间重采样数可平衡该算法的耗时与渲染质量,使之具有一定的拓展性;与实时随机光源裁剪算法相比,在相同采样数时该算法能够取得更高的渲染质量,而渲染质量相近时该算法耗时可减少20%~40%.

• 面向WebVR会议的大规模人群在线可视化的关键技术

  刘志成, 冯恩旸, 黄安宁, 任鹏, 艾子豪, 梁栋, 贾金原

  大型移动WebVR会议面临诸如数据体量太大、网络传输异常卡顿、网页端渲染帧率低、视觉效果差等技术瓶颈.针对这些挑战,给出了一些系列关键技术,首先,提出了一种基于分散度的大规模人群轻量级动态建模方法,在保证轻量性与真实性的前提下,丰富了人群的多样性;其次,设计了动态参会人群情景的细粒度化传输调度算法,显著提升了动态情景的网络加载响应速度;最后,设计了基于WebGPU的大型参会情景的轻量级在线渲染方法,在移动网页端实现了动态人群的单DrawCall多样化渲染.在移动互联网上的各项实测技术指标表明,该解决方案在轻量性、真实性、多样性、规模性和效率效果等方面具有显著优势.

• 支持体参数化模型表达的翼面数据结构

  陈龙, 燕楠, 梁树勋, 汪中厚

  为了高效、简洁地存储体参数化模型中的信息,提出支持体参数化模型表达的翼面数据结构.首先,提取体参数化模型的几何信息、拓扑信息和参数化信息,其中,几何信息主要包括体参数化模型的节点矢量、阶数与控制点,拓扑信息主要包括体参数化模型子片之间的曲面共享信息,参数化信息主要包括子片的参数方向.然后,使用类似边界表达模型的翼边数据结构存储所提取的信息,形成支撑体参数化模型的翼面数据结构,基于该数据结构实现体参数化模型的查找、插入、细化与删除等操作.利用所开发的体参数化建模软件构建多个体参数化模型实例,展示翼面数据结构的存储与操作过程,结果表明该数据结构能够高效地实现查找、细化等操作,并且基于该数据结构的模型最大数据压缩量达到47.9%,为复杂体参数化模型的构建及应用提供了良好的支撑.

• 轻量化FPGA布线路径搜索算法

  王德奎, 张丽丽, 陆旭

  针对FPGA布线耗时较长的问题,提出一种基于最优节点预测的轻量化FPGA布线路径搜索算法.该算法通过预测最优布线资源节点,在搜索最优布线路径时只对最优节点进行详细计算、分析,无须搜索其他节点,从而提高搜索速度;当轻量化搜索失败时,以全局最优节点为源点重新进行轻量化搜索,提高全局搜索能力;在寻找全局最优节点时,只对可能出现在最优路径上的次优节点进行详细计算分析,减少无效计算.使用VTR标准电路对所提算法和VPR 8.0进行测试,并从布线所需时间和结果质量2个方面进行比较.实验结果表明,与VPR 8.0中布线路径搜索算法相比,所提算法在保证布线结果质量基本不变的情况下,将搜索的布线资源节点数量减少41.8%,可节省31.3%的运行时间.

• 铁电晶体管近似搜索存储器的电流模测量实现

  陈雨过, 王观涛, 黄文韬, 卓成, 尹勋钊

  在高硬件容错性模型中,近似搜索可应对数据量与运算量需求能效提高的问题.针对三态内容寻址存储器在近似搜索模式下精度低、可扩展性差等问题,提出了一种电流模测量方案.该方案基于铁电晶体管优化了存储单元的结构设计以降低面积与功耗;将阵列搜索不匹配度由原先的电压输出改为电流输出,提高了电路可扩展性;引入了将模拟电流信号转化为数字脉冲信号的感测放大器(sense amplifier,SA)作为外围电路以检测存储阵列的不匹配度输出.通过Hspice与Virtuoso仿真平台搭建瞬态仿真电路实验,验证了该方案成功地实现了高能效三态内容寻址存储器近似搜索.

• 面向功能向量的并行逻辑模拟

  赖李洋, 杨玉鑫, 李华伟, 林晓泽

  为了提高数字系统中功能向量的模拟效率并获得良好的性能扩展性,提出一种并行逻辑模拟算法.首先针对异质计算中图形显卡和多核微处理器的架构特性,结合同层级逻辑门仿真的任务并行性和竞争包容的事件管理机制;然后采用基于位操作的门运算、基于时帧的模拟以及基于VCD的功能向量进行逻辑仿真.在超百万门的开源电路openMSP和ISCAS89上的实验结果表明,对比单线程算法,功能向量模拟可以获得8.9~86.8的性能加速比,且加速比与电路的规模成正比.

• 异构多芯粒神经网络加速器

  朱郭益, 马胜, 张春元, 王波

  随着神经网络技术的快速发展,出于安全性等方面考虑,大量边缘计算设备被应用于智能计算领域.首先,设计了可应用于边缘计算的异构多芯粒神经网络加速器其基本结构及部件组成.其次,通过预计算异构芯粒上的计算负载,将计算任务在神经网络通道上进行划分,不断加入新的任务,逐芯粒测试并进行迭代,选取异构芯粒组合以构建神经网络加速器.最后,分别在抽样构造的测试神经网络、MobileNet以及ShuffleNet上使用这种粗粒度优化的方法构建了异构多芯粒神经网络加速器,并测试了其能耗与性能表现.实验结果表明,这种异构的设计方法可以在控制能耗同时,分别取得7.43,2.30和5.60的加速比.