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2024年第4期

• 开放环境下的跨域物体检测综述

  何贞苇, 张治龙, 张磊

  传统的物体检测模型假设模型的训练和测试数据来自相同或相似的场景,然而该假设在实际运用中难以满足,即检测模型被要求在不同的环境或场景下进行工作,使得传统模型不可避免地受到影响,导致检测精度明显下降.为了解决这个问题,近年来跨域物体检测问题受到了广泛关注.文中介绍了近几年跨域物体检测问题的发展历程和相关方法,将跨域物体检测方法归纳为基于迁移学习的、自学习的和图像生成的3大类.其中,基于迁移学习的方法结合域适应和物体检测方法,提升模型对不同环境的适应能力;基于自学习的方法利用伪标签提升模型在目标域上的迁移能力;基于图像生成的方法利用生成式对抗网络生成相关的图像辅助模型训练,提升模型在目标域的效果.同时,介绍了用于跨域物体检测的相关数据集和代表性方法的性能.最后总结跨域物体检测现阶段的分类以及存在的不足,并指出对未知域泛化性能的探索、数据隐私问题的解决,以及视觉提示技术的应用等新发展方向.

• 基于叙事结构抽象的可视分析方法综述

  叶力, 王磊, 周志光, 王毅刚

  基于叙事结构抽象的可视分析方法是通过挖掘数据背后存在的叙事逻辑,提供富有洞察力和沟通力的方法.首先介绍叙事结构数据的来源,包括文本数据、图表图像数据、音视频数据、地理空间数据和多模态融合数据;然后讨论叙事结构抽象方法,包括连续性、单元式和离散化3种表示;再探讨叙事结构可视化设计,包括基于视觉通道与表达形式的设计,同时介绍叙事结构交互生成方法,包括基于设计空间和注释的手动生成、AI辅助交互生成和AI自动生成;最后讨论叙事结构可视分析的创作工具以及在文化传媒、医疗健康和体育娱乐等领域的应用,并对该领域现阶段工作的不足进行总结,指出多模态融合数据可视分析、跨平台与多设备的叙事结构展示以及加强情感在叙事结构可视分析中的作用等是未来工作的研究方向.

• 面向牙科三维网格数据的非流形结构检测及快速修复

  魏广顺, 马龙, 杨润泽, 周元峰

  针对现有口腔扫描设备获取的网格数据存在自相交、孔洞等一系列问题,提出一种快速、有效的自相交检测算法.为了降低全局网格自相交检测的时间复杂度,引入一种特殊的八叉树算法,利用细分的思想把三角面片放置在不同的立方体内以实现快速自相交检测,并通过删除操作消除错误连接;为了修复上一步骤中形成的大量网络孔洞,设计一种特殊的双边数据结构,能够快速有效地检测单连通封闭孔洞,并正确处理多个孔洞共用同一顶点的问题;孔洞修复完成后,利用拉普拉斯平滑策略对孔洞区域进行处理,获得过渡自然平滑的补洞效果.在80套口腔内扫描数据上的实验结果表明,所提算法不仅能够快速检测网格数据的自相交区域,而且能够高效完成补洞操作;与现有算法相比,在网格数量大于100万的数据上,处理速度提高大约10倍.

• 基于多尺度特征融合的由粗到精点云形状补全

  张德军, 王杨, 谭雪峰, 吴亦奇, 陈壹林, 何发智

  为了以由粗到精的方式实现点云形状补全,提出一个端到端的两阶段多尺度特征融合网络,其中的每个阶段都是由一个编码器-解码器构成.第1阶段中,首先利用点集抽取模块提取残缺点云的全局特征,在获取不同分辨率点特征的同时能关注更多的局部邻域特征,然后使用多层感知机作为解码器生成粗糙的点云骨架;第2阶段中,利用点云骨架和残缺点云提取多尺度局部特征,并通过注意力机制与第1阶段中的多尺度全局特征相互融合,使得每个点都包含全局和局部几何信息;最后将第2阶段中的全局特征和多尺度局部特征逐步进行上采样,并通过多层感知机生成精细的完整点云.采用倒角距离作为评价标准,在ShapeNet,MVP和Completion3D数据集上进行点云补全实验的结果表明,误差分别比基准网络降低17.1%,3.9%和13.9%,验证了所提网络的有效性.

• 基于虚拟纤维的各向异性超弹性材料本构模型设计

  卢子璇, 何浩, 吴笛, 刘学慧

  为了拓展图形学弹性体模拟中的各向异性超弹性虚拟材料种类,建立了基于虚拟纤维的本构模型.首先从能量可加性出发,将超弹性体应变能量密度函数分解为轴向、剪切、体积分量的纤维加和形式,然后建立单根纤维的轴向应变、剪切应变、体积应变的应变度量,最后推导出各分量的应力表示.仿真实验使用基于四面体的非线性有限元法(finite element method,FEM),半隐式时间积分进行解算,并采用CPU串行算法,测试了不同场景下非线性能量函数以及纤维权重组合对虚拟纤维材料刚度、泊松效应、轴向特性的影响.结果表明,虚拟纤维本构模型具有大变形稳定性,材料参数设置可良好地展现上述物理特性,相比现有的横观各向同性模型具有更丰富的可调节能力.

• 基于跨视角一致约束的单视角三维人脸重建

  钟易澄, 裴玉茹, 李培鑫

  基于深度神经网络的无监督单视角三维人脸重建已取得显著成功,其依赖光度渲染以及对称正则化从二维单视角图像进行训练,但是单视角图像由于自遮挡与光照影响缺乏可信的人脸几何与纹理约束.因此,提出了一种基于跨视角一致约束的两阶段的单视角三维人脸重建框架.首先,局部网络并行地估计多个视角的局部人脸纹理与UV位置图,利用低维统计人脸模型3DMM对自遮挡造成的缺失区域几何与纹理进行填充;在第2阶段中,补全网络对各视角的局部纹理与UV位置图进行补全并改进,重建具有细节的完整三维人脸几何与纹理.设计了关于光度渲染、人脸纹理、与UV位置图的跨视角一致约束函数,以无监督学习机制从多视角人脸图像数据优化端到端模型.实验结果表明,所提方法可有效地从单视角图像估计人脸姿态,对遮挡区域中人脸几何与纹理合理补全,重建带有几何与纹理细节的高质量三维人脸.特别地,在MICC Florence数据集上,所提方法较对比算法重建人脸的均方根误差降低了6.36%.

• 伪时空图卷积网络修复姿态引导的Transformer行人视频修复方法

  唐福梅, 聂勇伟, 余嘉祺, 张青, 李桂清

  为解决监控视频中被遮挡行人的修复问题,提出了一种基于人体姿态的行人视频修复方法,即先修复视频中残缺的行人姿态序列,然后在修补后的姿势序列的引导下修复视频帧中人体的缺失部分.该方法采用OpenPose从视频中提取被遮挡的人体姿态序列,针对其因存在遮挡情况导致未识别出和未准确识别部分关节点的问题,提出了一种伪时空图卷积网络模型对缺失姿态进行修复,得到一个相对准确的姿态序列;基于修复后的姿态,提出了基于姿态序列引导的Transformer行人视频修复模型.在Human3.6M数据集上进行了测试,所提出的方法在4个指标PSNR,RMSE,SSIM,LPIPS上均比对比方法有提升,特别是RMSE指标提升了9.50%,LPIPS指标提升了21.67%.

• 面向复杂光照的舞台演员检测

  赵国庆, 董天阳, 童程凯, 沈冰雁

  复杂舞台场景存在多个光源产生的偏色和光照不均匀问题,严重影响了演员检测的精度.针对上述问题,提出一种基于伪多模态融合的演员检测方法.首先随机选取一种光照处理方法构建增强图像,与原图像构成伪多模态图像对;然后在增强图像中以演员关键点建立候选集合,从集合中随机选取部分关键点所在的区域构建增强补丁集合,并将补丁替换到原始图像中进行训练;最后在传统特征金字塔网络的基础上借鉴Transformer编码器的构建形式,利用视觉注意力模块构建视觉注意力编码器,强化多尺度特征的交互逻辑.在自建4 543幅包含舞台演员的图像数据集上与3个模型进行组合,舞台演员检测的均值平均精度分别提升0.4%~2.9%,表明所提方法能够较好地降低偏色和不均匀光照的影响.

• 面向三重版图曝光约束的详细布线算法

  梁小宇, 孙若涵, 徐宁, 张亚东

  在进一步缩小特征尺寸的问题上,三重版图曝光技术(triple patterning lithography,TPL)发挥着重要的作用.针对TPL中的版图分解问题,提出了一种基于TPL约束的详细布线算法.将版图分解问题转化为满足同色间距约束和最小间距约束的详细布线问题,使用网格编码的方法来满足2种间距约束;利用与2种间距约束相结合的Hannan网格来提升布线资源的利用率以及布线的速度;结合多源迪杰斯特拉算法进行多端线网的最短路径搜索;最后将布线结果进行版图分解,实现最小化冲突数量和缝合点数量的目标.算法在2.20 GHz CPU和32 GB内存的Ubuntu20.04环境下运行,使用2018年ISPD详细布线比赛的测试集.实验结果表明,与普通详细布线相比,可降低约60%的冲突数量以及70%的缝合点数量.

• 电磁脉冲攻击下片上配电网络IR Drop分析方法

  刘强, 张培然

  电磁脉冲攻击对集成电路的安全具有很强的威胁性.为了有效地抵御电磁脉冲攻击,针对片上配电网络易受电磁脉冲影响的问题,提出了一种电磁脉冲攻击下片上配电网络IR drop分布的分析方法.首先,在集成电路布局规划阶段,基于有限元仿真构建片上配电网络模型和电磁脉冲攻击模型,仿真获得电磁脉冲下配电网络上感应电流密度的分布并计算感应电流,然后将感应电流加载到配电网络模型上,使用IR分析工具分析IR drop分布.基于TSMC180 nm工艺版图的IR drop分析结果显示,电磁脉冲攻击能够在电源和地网络中引入2.3 V以上的IR drop.与现有基于电流分布理论值的分析方法相比,该分析方法能够更准确地获取电磁脉冲下配电网络中的IR drop分布.该分析方法可用于指导改进配电网络的设计,提升抗电磁脉冲攻击能力.实验结果显示,增加一组供电端口后,电源和地网络中的最大IR drop分别降低了28%和24%.

• 多重掩模场景详细布线算法

  武洁, 吴皓莹, 徐宁, 张亚东

  为了在多重掩模自动布线场景中取得缝线数目较少、总线长较小的布线效果,提出一种基于虚拟格点(virtual-vertex,V-V)模型的满足多重掩模约束的详细布线算法.首先在均匀网格下构建可以支持同色及异色间距的V-V模型,V-V的规模由工艺文件中定义的布线层的掩模数决定;然后为每个多端线网生成考虑多重掩模约束的最短路径拓扑结构,并将多端线网分解为多个双端线网;最后基于提出的V-V模型结合搜索算法,以最短路径拓扑结构作为指导,对每个双端线网完成自动布线,并通过代价函数严格控制缝线的引入,保证了以最小缝线数完成线网的连接.在详细布线比赛的基准测试集及其衍生测例进行实验的结果表明,与布线完成后再进行掩模分配的技术方案相比,所提算法可以减少约26%的缝线数.

• 多模态高精度非线性激活函数协处理器设计

  欧文辉, 王峥, 吴卓宇, 王伟伦, 甘志银

  针对片上部署非线性激活函数产生的精度损失以及硬件资源开销大的问题,提出一种基于三分法指数方法的多模态高精度非线性激活函数协处理器设计.首先分析激活函数在不同拟合参数下的近似误差以及运算量,为设计提供指导;然后设计一种模块化的硬件框架,通过复用指数、对数、sigmoid模块并结合浮点计算单元,能够以较低的面积开销部署多种激活函数.在Xilinx的Vertix系列FPGA上完成原型测试,实验结果表明,在仅增加32个查找表的情况下,所提设计tanh和sigmoid的近似误差仅为2项拆分指数方法的65.02%和69.00%,同时拟合范围扩大60%;与高精度分段线性逼近方法相比,该设计在仅用4%的查找表数量的情况下,将近似误差缩小82%.

• 基于多阶段优化的高质量总体布线算法

  刘耿耿, 裴镇宇, 徐宁

  总体布线是VLSI物理设计中关键的一个环节.针对现有总体布线算法的布线容量利用率低和布线结果容易陷入局部最优的问题,提出一种基于多阶段优化的高质量总体布线算法.首先在预连接阶段和全局考量下的布线重组阶段中引入虚拟容量动态调整策略,提高布线容量利用率;然后在布线重组阶段引入布线子区域自适应扩展策略,缩小算法全局搜索的空间,提高算法的布线效率;最后采用A*算法启发式搜索并结合粒子群算法全局搜索的能力,避免算法在布线过程中单一地选择最短路径,陷入局部最优.与现有总体布线算法在ISPD基准电路上的实验结果表明,所提算法的布线结果取得了6.0%~22.8%的线长优化.

• 多级混合极性Reed-Muller逻辑电路功耗优化

  赵子豪, 储著飞, 王伦耀, 夏银水

  针对多级混合极性Reed-Muller (MPRM)电路功耗优化问题,提出一种基于列表法和onset法的多级MPRM功耗优化算法.对于电路的各个割集,结合列表法和多输入AND/XOR门低功耗分解模型,遍历所有极性下的二级MPRM最优功耗函数;然后在二级MPRM函数的基础上,通过onset法得到多级MPRM函数,对其中的多输入AND/XOR门进行低功耗分解.在MCNC和EPFL测试集上的实验结果表明,与原电路相比,所提算法的平均功耗优化率达到49.90%和27.87%;与二级MPRM功耗优化算法相比,该算法的平均面积优化率为20.52%,平均功耗优化率达到21.24%.

• 先进制程下基于多策略融合的时延优化层分配算法

  刘耿耿, 江列湫, 李泽鹏, 吴若昕, 徐宁

  引入层分配算法能够有效地优化物理设计过程中的时延和通孔数等指标,提高电路性能.为此,提出一种同时考虑非默认规则线和耦合效应的基于多策略融合的时延优化层分配算法.首先针对现有工作对线网差异性考虑不细致的问题,提出线网异化策略;然后针对网格边拥塞情况评估不够合理的问题,提出段分级策略;再对非法线网进行拆线重绕时更注重考虑拥塞约束而导致时延过高的问题,提出重绕调整策略;最后提出多目标驱动排序策略,对布线顺序不够合理的问题设计多种新颖的确定布线顺序的方法.在2.60 GHz CPU和64 GB内存的Linux环境下,使用DAC12基准电路得到的实验结果表明,在保证不发生溢出的情况下,所提算法能够有效地优化时延和通孔数.

• HEVC自适应去方块滤波器的VLSI设计与实现

  陈焯淼, 陈志峰, 陈建, 汪家华

  去方块滤波是高效视频编码(HEVC)的重要组成部分,能够有效地改善编码图像的主观质量,是提升视频整体编码性能的重要手段之一.针对HEVC硬件编码器中去方块滤波技术复杂度较高的问题,为了在节省资源消耗的同时减少处理周期,改善滤波效率,提出HEVC自适应去方块滤波的硬件算法和VLSI架构.首先基于HEVC编码结构的边界规则,提出一种无需递归循环计算的快速边界判断算法,降低硬件实现的复杂度;然后基于上述边界判断结果,提出一种可自主选择滤波边界进行去方块滤波的4级流水结构,减少滤波处理周期;最后将亮度和色度并行滤波,设计一种高度并行且兼容共享的存储架构,改善滤波效率且节约存储资源消耗.实验结果表明,在TSMC90 nm工艺下,所设计的去方块滤波结构的硬件面积比已有结构减少60%左右,并且最高能达到250 MHz的工作频率,可满足8K@60帧/s的超高清视频的实时编码.