当期目录

    2017年 第37卷 第5期 刊出日期:2017-05-10
    第22届全国信息存储技术学术会议
    基于磁盘和固态硬盘的混合存储系统研究综述
    陈震, 刘文洁, 张晓, 卜海龙
    2017, 37(5):  1217-1222.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1217
    摘要 ( )   PDF (995KB) ( )  
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    大数据和云计算环境下海量增长的数据对存储系统的超高容量和体系结构带来了极大的挑战。目前存储系统的发展趋向于大容量、低成本和高性能,然而任何单一的存储器件如传统的机械磁盘(HDD)、固态硬盘(SSD)、非易失型性随机存储器等由于其固有的物理特性的限制,并不能满足以上的需求。将不同的存储介质混合组合成高效的存储系统是一个好的解决方法,固态硬盘作为一种高可靠性、低能耗、高性能的存储器被越来越广泛地运用到混合存储系统。通过将固态硬盘与传统磁盘进行组合,利用固态硬盘的高性能和传统磁盘低成本大容量的特点,能够为用户提供大容量的存储空间,保证系统的高性能,同时还能降低成本。通过阐述SSD与HDD混合存储系统的研究现状,对不同的SSD与HDD混合存储系统进行分类总结;然后针对缓存架构和设备同层架构这两种目前最流行的存储架构中涉及到的关键技术和不足进行讨论;最后对基于SSD和HDD的混合存储技术进行概括总结,并对今后该领域的研究重点和方向进行展望。
    基于FPGA的DDR3协议解析逻辑设计
    谭海清, 陈正国, 陈微, 肖侬
    2017, 37(5):  1223-1228.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1223
    摘要 ( )   PDF (1133KB) ( )  
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    针对采用DDR3接口来设计的新一代闪存固态盘(SSD)需要完成与内存控制器进行通信与交互的特点,提出了基于现场可编程门阵列(FPGA)的DDR3协议解析逻辑方案。首先,介绍了DDR3内存工作原理,理解内存控制器对存储设备的控制机制;然后,设计了接口协议解析逻辑的总体架构,采用FPGA实现并对其中的各个关键技术点,包括时钟、写平衡、延迟控制、接口同步控制等进行详细阐述;最后,通过modelsim仿真并进行板级验证,证明了该设计的正确性和可行性。在性能方面,通过单次读写、连续读写和混合读写三种模式下的数据读写测试,取得了最高77.81%的DDR3接口带宽利用率,在实际的SSD开发过程中能够有效提高系统的访问性能。
    公有云存储系统性能评测方法研究
    李阿妮, 张晓, 张伯阳, 柳春懿, 赵晓南
    2017, 37(5):  1229-1235.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1229
    摘要 ( )   PDF (1069KB) ( )  
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    随着云存储系统的迅速发展和广泛使用,许多企业开发者和个人用户将其应用从传统存储迁移至公有云存储系统,因此,云存储系统性能成为企业开发者和个人用户关注的焦点。由于传统测试难以模拟足够多的用户同时访问云存储系统;测试环境构建复杂,测试时间长,准备测试环境成本高;受网络因素及外界其他因素影响,评测结果不稳定。针对以上所述云存储系统性能评测的重点和难点,提出一种“云测试云”的公有云存储系统性能评测方法,该方法通过在云计算平台动态申请足够数量的实例,对公有云存储系统性能进行评测。首先,构建通用的性能评测框架,可动态伸缩申请实例,自动化部署评测工具及负载,控制并发访问云存储系统,自动释放实例及收集并反馈评测结果;其次,提出多维度的性能评测指标,涵盖不同典型应用、不同云存储接口;最后,提出一种可扩展通用的性能评测模型,该模型可以评测常见典型应用的性能,分析云存储性能影响因素,可适用于任何的公有云存储平台。为了验证该方法的可行性、合理性、通用性和可扩展性,利用所提方法对Amazon S3云存储系统进行性能评测,并使用s3cmd验证评测结果的准确性。实验结果表明,评测结果可以为企业开发者和个人用户提供参考意见。
    私有云平台服务能力检测方法
    柳春懿, 张晓, 李阿妮, 陈震
    2017, 37(5):  1236-1240.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1236
    摘要 ( )   PDF (908KB) ( )  
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    针对现阶段使用私有云评测方法缺失所导致搭建私有云供需不匹配的问题,提出了一种自适应、可扩展的私有云系统能力检测方法,可对基础设施即服务(IaaS)云计算系统能力进行评测。首先,通过私有云应用程序接口动态扩展虚拟机数量;然后,通过性能特征模型选取虚拟机所需配置的硬件信息和操作系统类别,并根据用户的需求差异使用不同的负载模型,形成相应的模拟运行环境;最后,使用云计算服务等级协议(SLA)作为测试标准来衡量私有云服务能力。使用所提方法对Openstack开源私有云平台的能力进行了评测,实验结果表明,所提方法可以准确得出私有云服务能力,结果和用户实测一致。该方法负载生成成本更低,测试效率更高。并将该方法与Openstack自带的组件Rally进行对比,拓展性和负载动态模拟有很大的改进。
    Pmfs中目录项索引的实现
    杨顺, 陈志广, 肖侬
    2017, 37(5):  1241-1245.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1241
    摘要 ( )   PDF (752KB) ( )  
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    可字节寻址的非易失存储介质,如相变存储器等,使数据可以在内存级别持久化。由于非易失存储器(NVM)本身的读写延时非常低,系统软件开销成为了决定整个持久化内存系统性能的主要因素。Pmfs是一个专门为持久化内存所设计的文件系统,然而,Pmfs下的每个目录操作(打开、创建或删除)都会遍历目录下的所有目录项,导致了随文件数增长而线性增长的目录项查找开销。通过测试发现,在特定类型负载下这种开销成为了整个文件系统的瓶颈。针对该问题,在Pmfs中实现了持久化的目录项索引来加速目录操作。测试结果显示,基于单目录下100000文件的负载,该优化使得文件创建速度提高了12倍,带宽增加了27.3%。
    基于多核DSP的星载并行遥感图像压缩系统设计与实现
    唐国斐, 周海芳, 谭庆平
    2017, 37(5):  1246-1250.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1246
    摘要 ( )   PDF (774KB) ( )  
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    随着星载遥感技术的不断发展,产生的遥感数据也变得日渐庞大,目前有限的通信带宽远不能满足遥感图像数据传输的需求。因此研究面向星载应用的图像压缩技术对空间应用技术的发展有着十分重要的意义。采用传统单核数字信号处理器(DSP)难以满足性能需求,而采用现场可编程门阵列(FPGA)则难以满足功耗需求,近年来随着硬件技术发展,多核DSP技术已经成熟,且在弹载场景已有比较成熟的多核DSP图像压缩解决方案,可供星载应用参考。基于多核DSP,即TI公司的C6678多核浮点DSP平台,构建一个并行图像压缩系统,并充分利用多核DSP的硬件资源。考虑星载遥感图像压缩对压缩质量、压缩速度等多方面指标都有着较高的要求,系统采用JPEG2000标准进行图像压缩,并且采用了主核负责外部通信与内部任务分配、从核执行JPEG2000图像压缩的设计方案。测试结果表明,该系统运行稳定可靠,且整体压缩性能优秀,能够满足对星载遥感图像压缩系统的性能要求。
    分布式数据库聚合计算性能优化
    肖子达, 朱立谷, 冯东煜, 张迪
    2017, 37(5):  1251-1256.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1251
    摘要 ( )   PDF (950KB) ( )  
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    针对分布式数据库在分析应用方面的聚合计算性能较低的问题,以MongoDB数据库为研究实例,提出了一种基于片键和索引的数据库性能提升方法。首先,通过分析业务特征指导选择的片键字段,该字段需要保证数据在分片节点上的均匀布局;其次,通过研究分布式数据库的索引效率,利用删除查询字段索引的方法进一步提升计算性能,该方法能充分利用硬件资源提高聚合计算的性能。实验结果表明,采用高基数粒度的分片片键能够让数据在集群上均匀地分布在各个数据节点上,而舍弃索引使用全表查询能够有效提高聚合计算的速度,聚合计算优化方法能够有效提高聚合计算的性能。
    全程优化的固态硬盘垃圾回收方法
    方才华, 刘景宁, 童薇, 高阳, 雷霞, 蒋瑜
    2017, 37(5):  1257-1262.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1257
    摘要 ( )   PDF (1128KB) ( )  
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    由于NAND闪存的固有限制,写前擦除和擦除粒度较大,基于NAND Flash的固态硬盘(SSD)需要执行垃圾回收以重用失效页。然而垃圾回收带来的高开销会显著降低SSD的性能,也会直接影响SSD的寿命。特别是对于频繁使用的有数据碎片的SSD,垃圾回收带来的性能下降问题将更为严重,现有的垃圾回收(GC)算法各自侧重垃圾回收操作的某个步骤,并没有给出全面考虑各步骤对整体影响的综合方案。针对该问题,在详细剖析垃圾回收过程的基础上,提出了一种全程优化的垃圾回收方法WPO-GC,在数据初始放置、垃圾回收目标块的选择、有效数据的迁移、触发回收的时间点以及中断处理方式上,尽可能全面地考虑各步骤对SSD正常读写请求和寿命的影响。通过开源模拟器SSDsim上的WPO-GC的有效性验证表明,同典型GC算法相比,WPO-GC可以减少SSD读请求延迟20%~40%和写请求延迟17%~40%,均衡磨损近30%。
    基于Spark Streaming的实时数据分析系统及其应用
    韩德志, 陈旭光, 雷雨馨, 戴永涛, 张肖
    2017, 37(5):  1263-1269.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1263
    摘要 ( )   PDF (1159KB) ( )  
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    为了实现对实时网络数据流的快速分析,设计一种分布式实时数据流分析系统(DRDAS),能有效解决并发访问数据流的收集、存储和实时分析问题,为大数据环境的网络安全检测提供了一种有效的数据分析平台;根据Spark Streaming运行的原理设计一种动态采样的K-Means并行算法,与DRDAS结合能实时有效地检测大数据环境下的各种分布式拒绝服务(DDoS)攻击。实验结果显示:DRDAS具有好的可扩展性、容错性和实时处理能力,与动态采样的K-Means并行算法结合能实时地检测各种DDoS攻击,缩短了攻击的检测时间。
    计算机软件技术
    SET-MRTS:一种多处理器实时系统可调度性实验平台
    陈泽玮, 杨茂林, 雷航, 廖勇, 谢玮
    2017, 37(5):  1270-1275.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1270
    摘要 ( )   PDF (894KB) ( )  
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    近年来,随着实时调度研究的快速发展,可调度性实验的复杂性随之增加,然而,由于缺乏标准化、模块化的可调度性实验工具,研究者往往需要耗费大量时间进行实验;此外,由于实验源码不能公开获得,使得实验结果难以验证,实验代码难以重用与扩展。针对可调度性实验重复工作量大、难以验证的问题,提出一种可调度性实验基础框架。该框架通过随机分布产生任务系统集合,并测试其可调度性,基于该框架设计并实现了一个新的可调度性实验开源平台——SET-MRTS。该平台采用模块化架构设计了任务模块、处理器模块、共享资源模块、算法库、配置解析模块以及输出模块。实验结果表明,SET-MRTS支持单/多处理器实时调度算法和实时同步协议分析,能够正确地进行可调度性对比实验,输出直观的实验结果,并且支持算法库的扩充,与算法库中已实现的算法进行对比实验,具有良好的兼容性与可扩展性。SET-MRTS是第一个支持完整实验流程,包括算法实现、参数配置、结果统计、图表绘制等的可调度性实验开源平台。
    针对并行软件待测行为测试的模型化简方法
    张玮, 孙涛, 万晓云
    2017, 37(5):  1276-1281.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1276
    摘要 ( )   PDF (927KB) ( )  
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    针对并行软件的状态空间规模大导致测试难度大的问题,提出一种基于着色Petri网(CPN)的针对待测行为的并行模型化简方法。首先,将原模型根据模型中出现的并发变迁、同步变迁、分叉库所、汇合库所等特殊节点的个数分成若干个子模块;其次,判断待测行为在模型中的位置,建立待测行为测试集;最后,对每一个并行模块中符合化简条件的非待测行为设定执行优先级。通过对化简前后状态空间分析报告的对比,状态空间中节点的缩减率至少达到40%以上,并且在化简前后对于待测行为生成的全覆盖测试路径不受影响。
    先进计算
    基于MapReduce的轨迹压缩并行化方法
    吴家皋, 夏轩, 刘林峰
    2017, 37(5):  1282-1286.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1282
    摘要 ( )   PDF (902KB) ( )  
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    带有全球定位系统(GPS)功能设备的增多,产生大量的时空轨迹数据,给数据的存储、传输和处理带来了沉重的负担。为了减轻这种负担,各种轨迹压缩方法也随之产生。提出了一种基于MapReduce的并行化轨迹压缩方法,针对并行化导致的分段点前后轨迹的相关性被破坏的问题,首先,采用两种分段点相互交错的划分方法划分轨迹;然后,将分段轨迹分配到多个节点上进行并行化压缩;最后,对压缩结果进行匹配合并。性能测试分析结果表明,所提出的并行化轨迹压缩方法能够大幅提高压缩效率,而且能完全消除因分段导致分段点前后相关性被破坏带来的误差。
    基于聚类和Spark框架的加权Slope One算法
    李淋淋, 倪建成, 于苹苹, 姚彬修, 曹博
    2017, 37(5):  1287-1291.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1287
    摘要 ( )   PDF (928KB) ( )  
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    针对传统Slope One算法在相似性计算时未考虑项目属性信息和时间因素对项目相似性计算的影响,以及推荐在当前大数据背景下面临的计算复杂度高、处理速度慢的问题,提出了一种基于聚类和Spark框架的加权Slope One算法。首先,将时间权重加入到传统的项目评分相似性计算中,并引入项目属性相似性生成项目综合相似度;然后,结合Canopy-K-means聚类算法生成最近邻居集;最后,利用Spark计算框架对数据进行分区迭代计算,实现该算法的并行化。实验结果表明,基于Spark框架的改进算法与传统Slope One算法、基于用户相似性的加权Slope One算法相比,评分预测准确性更高,较Hadoop平台下的运行效率平均可提高3.5~5倍,更适合应用于大规模数据集的推荐。
    变异蝙蝠算法求解折扣{0-1}背包问题
    吴聪聪, 贺毅朝, 陈嶷瑛, 刘雪静, 才秀凤
    2017, 37(5):  1292-1299.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1292
    摘要 ( )   PDF (1156KB) ( )  
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    针对确定性算法难于求解规模大、数据范围广的折扣{0-1}背包问题(D{0-1}KP),提出了基于蝙蝠算法的快速求解D{0-1}KP的变异蝙蝠算法(MDBBA)。首先,利用双重编码解决D{0-1}KP的编码问题;其次,将贪心修复与优化算法(GROA)应用于蝙蝠个体适应度计算中,使算法快速得到有效解;然后,选择使用差分演化(DE)的变异策略提高算法的全局寻优能力;最后,蝙蝠个体按一定概率进行Lévy飞行,增强算法探索能力和跳出局部极值的能力。对四类大规模实例的仿真计算表明:MDBBA非常适于求解大规模的D{0-1}KP,比第一遗传算法(FirEGA)和双重编码蝙蝠算法(DBBA)求得的最优值和平均值都更优,MDBBA收敛速度明显快于DBBA。
    网络与通信
    基于簇父集协作通信的低功耗有损网络路由算法优化
    姚玉坤, 刘江兵, 李小勇
    2017, 37(5):  1300-1305.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1300
    摘要 ( )   PDF (995KB) ( )  
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    针对当前低功耗有损网络(LLN)中基于簇父集协作通信的路由算法(CRPL)没有考虑节点剩余能量,存在不能有效地均衡节点能耗和最大化延长网络寿命的问题,提出一种高效的基于簇父集协作通信的低功耗有损网络路由(RPL)算法(HE-CRPL)。所提算法采取了三个优化思路:一是同时考虑节点间无线链路质量和节点剩余能量进行簇父节点的选择;二是在簇父节点优先级判定和最优簇父集的选择过程中把节点间的无线链路质量和簇父节点的期望寿命(ELT)相结合;三是在网络拓扑初始化的过程中通过利用目的地通告对象(DAO)消息携带簇父节点优先级列表告知最优簇父集中簇父节点的优先级顺序。仿真结果表明,与CRPL算法相比,HE-CRPL算法在延长网络生存时间、提高数据包投递成功率和减少数据包重传次数等方面的性能得到了提升,其中网络生存时间提高了18.7%,数据包重传次数降低了15.9%。
    基于因子图和联合消息传递的无线网络协作定位算法
    崔建华, 王忠勇, 张传宗, 张园园
    2017, 37(5):  1306-1310.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1306
    摘要 ( )   PDF (758KB) ( )  
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    针对现有基于消息传递算法的无线网络节点定位算法复杂度和通信开销过高的问题,提出一种基于测距的、低复杂度低协作开销的联合消息传递节点定位算法。所提算法考虑参考节点位置的不确定性以减少误差累积,并将消息约束为高斯函数以降低通信开销。首先,根据系统的概率模型和因子分解设计因子图;然后,根据状态转移模型和测距模型的特点,分别使用置信传播和平均场方法计算预测消息和协作消息;最后,在每次迭代过程中,通过非线性项的泰勒展开将非高斯置信消息近似为高斯函数。仿真分析表明,所提算法的定位性能与基于粒子的SPAWN算法接近,但节点间传输的信息由大量粒子变为均值向量和协方差矩阵,同时计算复杂度也大幅降低。
    宏-飞蜂窝双层网络中基于毫微微基站分组的资源分配
    张海波, 彭星萤, 陈善学
    2017, 37(5):  1311-1316.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1311
    摘要 ( )   PDF (931KB) ( )  
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    针对宏-飞蜂窝双层网络模型中宏小区(Macrocell)用户层和毫微微小区(Femtocell)用户层之间的跨层干扰和Femtocell之间的同层干扰,提出了一种基于毫微微基站分组的资源分配算法。该算法包括两个部分:一部分是宏基站先利用改进的差额法,设置虚拟的宏用户(MUE),将之变为平衡的指派问题再为宏小区用户分配信道,然后用注水算法分配功率,保证宏小区用户的正常传输。另一部分是在保证宏小区用户的服务质量基础上,采用一种增强型的蚁群优化(EACO)算法,设定信息素浓度范围后对毫微微小区进行分组,避免了原始的蚁群算法有可能陷入局部最优的现象;再利用一种启发式算法和分布式功率分配算法分别对毫微微用户(FUE)进行信道和功率分配,在满足毫微微小区用户的数据速率需求下,最大化频谱效率。仿真结果表明,EACO有效地抑制了跨层干扰和同层干扰,既能保证用户的数据速率需求,又能有效提升网络频谱效率。
    基于改进引力搜索算法的交换机迁移策略
    于明秋, 周创明, 王慧杰, 杜瑞超
    2017, 37(5):  1317-1320.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1317
    摘要 ( )   PDF (752KB) ( )  
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    针对多控制器软件定义网络(SDN)中交换机迁移策略迁移代价衡量单一,不能适应交换机流量的变化的情况,提出基于改进引力搜索算法的交换机迁移策略(IGS-SMS)。在决策阶段,应用基于模糊满意度的多目标决策方法,优化目标根据隶属度大小竞争优先权;在计算阶段,通过改进引力搜索算法优化优先权高的目标函数。实验结果表明,IGS-SMS在实现负载均衡的同时,能保证传输时延与交换机重分配的指标;在实验中,当局部负载较重时,动态迁移算法(DSMA)和基于改进型拍卖交换机迁移机制(PASMM)不能缓解控制器过载,而IGS-SMS执行后无控制器过载,且负载均衡度小于DSMA和PASMM。
    D2D通信蜂窝网络中的比例公平与加权和速率最大化
    胡靖, 郑武
    2017, 37(5):  1321-1325.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1321
    摘要 ( )   PDF (752KB) ( )  
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    针对终端直通(D2D)通信系统中用户的公平性问题,首先对现有的比例公平原则进行扩展,推导出一个与加权和速率有关的优化问题,然后提出了一个最大带权匹配比例公平(KMPF)资源分配算法对其进行优化。该算法通过功率控制最大化用户的加权和速率,并由最大带权匹配(KM)算法按照系统总的加权和速率最大原则为D2D用户分配可以复用的蜂窝用户资源。最后由仿真结果可得,该算法在使得系统公平指数相对于贪婪资源分配算法高出0.4的同时保证系统吞吐量达到其水平的95%以上,而相对于公平性较好的随机资源分配算法,该方案得到的系统吞吐量提高了约50%,说明该算法能在兼顾系统吞吐量的同时解决系统公平性问题。
    基于WLAN接收信号强度特征的室内活动识别
    韦春玲, 王步飞
    2017, 37(5):  1326-1330.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1326
    摘要 ( )   PDF (704KB) ( )  
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    针对主流的活动感知技术依赖于专业测量设备,难以广泛部署与使用的问题,提出一种基于现有WiFi热点接收信号强度特征的活动识别技术。利用机器学习算法对实时接收到的WiFi信号强度特征进行分类,通过特征匹配识别用户当前活动。实验结果显示,所提算法能够以80%以上概率判断室内是否有人,以95%以上概率判断室内的人处于什么状态,并以80%的概率识别人的运动方向。所提算法所需信号广泛存在,可有效识别室内活动,具有低功耗、高精度的优点。
    网络空间安全
    改进的基于隐马尔可夫模型的态势评估方法
    李方伟, 李骐, 朱江
    2017, 37(5):  1331-1334.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1331
    摘要 ( )   PDF (746KB) ( )  
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    针对隐马尔可夫模型(HMM)参数难以配置的问题,提出一种改进的基于隐马尔可夫模型的态势评估方法,更加准确地反映网络的安全态势。所提方法以入侵检测系统的输出作为输入,根据Snort手册将报警事件分类,得到观测序列,建立HMM,将改进的模拟退火(SA)算法与Bauw_Welch(BW)算法相结合对HMM参数进行优化,使用量化分析的方法得到网络的安全态势值。实验结果表明,所提方法能较好地提升模型的精度与收敛速度。
    云存储环境下生命周期可控的数据销毁模型
    曹景源, 李立新, 李全良, 丁永善
    2017, 37(5):  1335-1340.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1335
    摘要 ( )   PDF (999KB) ( )  
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    用户数据在云存储环境下缺乏有效的数据销毁机制,其数据安全性在生命周期内面临威胁,销毁时间受控,大大限制了云存储服务的发展。为此,提出一种云存储环境下生命周期可控的数据销毁模型。首先,通过函数变换处理明文生成密文和元数据,避免复杂的密钥管理;其次,为提高数据销毁的可控性,设计一种基于时间可控的自销毁数据对象,使得过期数据的任何非法访问都会触发数据重写程序对自销毁数据对象进行确定性删除,从而实现生命周期可控的数据销毁功能。分析及实验结果表明,该方案在保护数据安全的同时,能够有效地销毁数据,增强数据销毁的灵活性、可控性,且具有较低的性能开销。
    基于高层次综合的AES算法研究与设计
    张望, 贾佳, 孟渊, 白旭
    2017, 37(5):  1341-1346.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1341
    摘要 ( )   PDF (1026KB) ( )  
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    由于对广泛使用的AES算法的性能要求越来越高,基于软件的密码算法已经越来越难以满足高吞吐量密码破解的需求,因此越来越多的算法利用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)平台进行加速。针对AES算法在FPGA硬件上存在的开发复杂度高且开发周期长等问题,采用高层次综合(HLS)设计方法,使用高级程序语言描述并设计AES硬件加速算法。首先利用循环展开等提高运算并行度;其次使用资源平衡技术进行优化,充分利用片上存储和电路资源;最后添加全流水结构,提高整体设计的时钟频率和吞吐量,同时也详细对比分析基准设计、利用结构展开、资源均衡以及流水线优化方法的设计。经过实验表明,在Xilinx xc7z020clg484 FPGA芯片上,最终AES算法的时钟频率最高达到127.06 MHz,而吞吐量达到了16.26 Gb/s,较之基准的AES设计,性能提升了三个数量级。
    改进的OpenID Connect协议及其安全性分析
    鲁金钿, 尧利利, 何旭东, 孟博
    2017, 37(5):  1347-1352.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1347
    摘要 ( )   PDF (1006KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    OpenID Connect协议是最新的单点登录协议之一,已经广泛应用于用户身份认证领域,其安全性受到了人们的重点关注。为增强OpenID Connect协议的安全性,首先引入数字签名及非对称加密技术,对其进行改进,重点关注改进后协议的秘密性和认证性;其次基于符号模型,应用应用PI演算对改进的OpenID Connect协议进行形式化建模;然后为验证改进后协议的认证性和秘密性,分别使用非单射性和query对认证性和秘密性进行建模;最后把改进的OpenID Connect协议的应用PI演算模型转换为安全协议分析工具ProVerif的输入,应用ProVerif对其进行形式化分析。实验结果表明,改进后的OpenID Connect协议具有认证性和秘密性。
    基于改进变精度粗糙集的漏洞威胁评估
    江洋, 李成海
    2017, 37(5):  1353-1356.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1353
    摘要 ( )   PDF (623KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    变精度粗糙集理论能有效处理带噪声的数据,但其移植性较弱。针对这种情况,引入阈值参数α,提出了一种改进的变精度粗糙集漏洞威胁评估模型。首先,根据漏洞特征属性建立评估决策表;然后,使用k均值算法对连续属性进行离散化处理;接下来,通过多次计算,调整参数βα的值,进行属性约简并提取概率决策规则,构造决策规则库;最后,将测试数据与规则库进行匹配,得到漏洞威胁评估结果。仿真实验表明,所提方法的评估正确率比改进前提高了19.66个百分点,并且移植性有所增强。
    人工智能
    基于动作空间划分的MAXQ自动分层方法
    王奇, 秦进
    2017, 37(5):  1357-1362.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1357
    摘要 ( )   PDF (1003KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对分层强化学习需要人工给出层次结构这一问题,同时考虑到基于状态空间的自动分层方法在环境状态中没有明显子目标时分层效果并不理想的情况,提出一种基于动作空间的自动构造层次结构方法。首先,根据动作影响的状态分量将动作集合划分为多个不相交的子集;然后,分析Agent在不同状态下的可用动作,并识别瓶颈动作;最后,由瓶颈动作与执行次序确定动作子集之间的上下层关系,并构造层次结构。此外,对MAXQ方法中子任务的终止条件进行修改,使所提算法构造的层次结构可以通过MAXQ方法找到最优策略。实验结果表明,所提算法可以自动构造层次结构,而不会受环境变化的干扰。与Q学习、Sarsa算法相比,MAXQ方法根据该结构得到最优策略的时间更短,获得回报更高。验证了所提算法能够有效地自动构造MAXQ层次结构,并使寻找最优策略更加高效。
    基于人工萤火虫局部决策域的改进生物地理学优化算法
    王智昊, 刘培玉, DING Ding
    2017, 37(5):  1363-1368.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1363
    摘要 ( )   PDF (917KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对生物地理学优化(BBO)算法搜索能力不足的缺点,提出基于萤火虫算法局部决策域策略的改进迁移操作来提算法的全局寻优能力。改进的迁移操作能够在考虑不同栖息地各自的迁入率与迁出率的基础上,进一步利用栖息地之间的相互影响关系。将改进算法应用于12个典型的函数优化问题来测试改进生物地理学优化算法的性能,验证了改进算法的有效性。与BBO、改进BBO(IBBO)、基于差分进化的BBO(DE/BBO)算法的实验结果表明,改进算法提高了算法的全局搜索能力、收敛速度和解的精度。
    结合质心思想和柯西变异策略的粒子群优化算法
    吕立国, 季伟东
    2017, 37(5):  1369-1375.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1369
    摘要 ( )   PDF (1098KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对基本粒子群优化(PSO)算法收敛精度低、容易陷入局部最优的问题,提出了一个结合质心思想和柯西变异策略的粒子群优化算法。首先,在粒子的初始化阶段采用混沌初始化策略,以提高初始粒子的均匀分布能力;其次,为了提高粒子群的收敛速度和寻优能力,引入了质心的概念,通过计算获得种群中所有粒子所构成的全局质心和所有个体极值构成的个体质心,使得粒子群内部可以实现充分的信息共享;为避免粒子陷入局部最优解,在粒子群算法中引入了柯西变异运算对当前最优粒子进行扰动,并依据柯西变异运算的规律,适应性地调整扰动步长,该算法以群体多样性为依据,动态调整惯性权重;最后,使用7个经典的测试函数对算法进行验证,通过函数运行结果的均值、方差和最小值能够表明,新算法在收敛精度上有较好的优越性。
    直觉模糊环境下考虑有限理性特征的决策方法
    邓达平, 谢小云, 郭子璇
    2017, 37(5):  1376-1381.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1376
    摘要 ( )   PDF (1108KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对决策者具有有限理性的心理特征且属性权重和自然状态发生概率完全未知的直觉模糊多属性决策问题,提出了一种基于前景理论和证据理论的多属性决策方法。首先,利用证据理论得到各自然状态发生的概率,进而确定自然状态的决策权重函数;其次,运用正态分布概率密度函数设计直觉模糊决策参考点,并依据属性值与决策参考点之间的差异计算价值函数矩阵,从而获得前景价值矩阵;以综合前景价值最大化为准则构建最优化模型用以确定属性权重,并依据各方案的综合前景价值进行优劣排序。最后,将所提方法应用于对游戏产品的选择开发实例中。对比实验表明,运用所提方法得到的决策结果合理可靠,且更能体现决策者的原始决策信息。
    基于多源信息相似度的微博用户推荐算法
    姚彬修, 倪建成, 于苹苹, 李淋淋, 曹博
    2017, 37(5):  1382-1386.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1382
    摘要 ( )   PDF (872KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对传统的协同过滤(CF)推荐算法中存在的数据稀疏性和推荐准确率不高的问题,提出了基于多源信息相似度的微博用户推荐算法(MISUR)。首先,根据微博用户的标签信息运用K最近邻(KNN)算法对用户进行分类;然后,对得到的每个类中的用户分别计算其多源信息(微博内容、交互关系和社交信息)的相似度;其次,引入时间权重和丰富度权重计算多源信息的总相似度,并根据其大小进行TOP-N用户推荐;最后,在并行计算框架Spark上进行实验。实验结果表明,MISUR算法与CF算法和基于多社交行为的微博好友推荐算法(MBFR)相比,在准确率、召回率和效率方面都有较大幅度的提升,说明了MISUR算法的有效性。
    基于改进相似性度量的项目协同过滤推荐算法
    于金明, 孟军, 吴秋峰
    2017, 37(5):  1387-1391.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1387
    摘要 ( )   PDF (922KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对传统协同过滤推荐算法遇到冷启动情况效果不佳的问题,提出一种基于项目相似性度量方法(IPSS)的项目协同过滤推荐算法(ICF_IPSS),其核心是一种新的项目相似性度量方法,该方法由评分相似性和结构相似性两部分构成:评分相似性部分充分考虑两个项目评分之间的评分差、项目评分与评分中值之差,以及项目评分与其他评分平均值之差;结构相似性部分定义了共同评分项目占所有项目比重,并惩罚活跃用户的逆项目频率(ⅡF)系数。在Movie Lens和Jester数据集下测试算法准确率。在Movie Lens数据集下,当近邻数量为10时,ICF_IPSS的平均绝对偏差(MAE)和均方根误差(RMSE)分别比基于Jaccard系数的均方差异系数的项目协同过滤算法(ICF_JMSD)低3.06%和1.20%;当推荐项目数量为10时,ICF_IPSS的准确率和召回率分别比ICF_JMSD提升67.79%和67.86%。实验结果表明,基于IPSS的项目协同过滤算法在预测准确率和分类准确率方面均优于基于传统相似性度量的项目协同过滤算法,如ICF_JMSD等。
    基于阶段时序效应的奇异值分解推荐模型
    黄凯, 张曦煌
    2017, 37(5):  1392-1396.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1392
    摘要 ( )   PDF (953KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对传统基于时序效应的奇异值分解(SVD)推荐模型在对用户预测评分建模过程中只考虑评分矩阵,采用复杂的时间函数拟合项目的生命周期、用户偏好的时序变化过程,造成模型难于解释、用户偏好捕获不准、评分预测精度不够高等问题,提出了一种改进的综合考虑评分矩阵、项目属性、用户评论标签和时序效应的推荐模型。首先,通过将时间轴划分时间段,利用sigmoid函数将项目的阶段流行度变换为[0,1]区间上的影响力来改进项目偏置;其次,利用非线性函数将用户偏置的时序变化转变为阶段评分均值与总体均值偏差的时序变化来改进用户偏置;最后,通过捕获用户对项目的阶段兴趣度,结合其相似用户在此时间段对该项目的好评率,生成用户项目交互作用影响因子,实现用户项目交互作用的改进。在Movielence 10M和20M电影评分数据集上的测试表明,改进模型能更好地捕获用户偏好的时序变化过程,提高评分预测准确性,均方根误差平均提高了2.5%。
    基于评分相似性的群稀疏矩阵分解推荐算法
    盛伟, 王保云, 何苗, 余英
    2017, 37(5):  1397-1401.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1397
    摘要 ( )   PDF (745KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    如何提高系统的推荐精度,是当前推荐系统面临的重要问题。对矩阵分解模型进行了研究,针对评分数据的群结构性问题,提出了一种基于评分相似性的群稀疏矩阵分解模型(SSMF-GS)。首先,根据用户的评分行为对评分数据矩阵进行分群,获得相似用户群评分矩阵;然后,通过SSMF-GS算法对相似用户群评分矩阵进行群稀疏矩阵分解;最后,采用交替优化算法对模型进行求解。所提模型可以筛选出不同用户群的偏好潜在项目特征,提升了潜在特征的可解释性。在GroupLens网站上提供的MovieLens数据集上进行仿真实验,实验结果表明,所提算法可以显著提高预测精度,平均绝对误差(MAE)及均方根误差(RMSE)指标均表现出良好的性能。
    基于实体情感演化置信网的观点检测方法
    卢玲, 杨武, 刘旭, 李言
    2017, 37(5):  1402-1406.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1402
    摘要 ( )   PDF (800KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    社交网络评论文本存在评论主题缺失或情感特征缺失的问题,无法保证观点检测的性能,对此提出了建立实体情感演化贝叶斯置信网的方法。通过提取名词、动宾短语、动名词复合型定中结构短语三种域相关实体,提取域相关情感特征,用可变关联强度作为网络结构学习的约束条件,建立2阶依赖扩展贝叶斯网络,刻画实体、观点及情感特征的依赖关系,再通过实体及情感特征对观点极性进行推断。实验在自然语言处理与中文计算2016(NLP&CC2016)评测训练数据集的F值平均达70.8%,FAVOR和AGAINST两类正确率分别比仅包含情感特征的贝叶斯网络分类方法提高4.1个百分点和3.1个百分点。在5个Target评论测试集上的平均Micro-F为62.3%,优于该评测的平均水平。
    基于微博文本的词对主题演化模型
    史庆伟, 刘雨诗, 张丰田
    2017, 37(5):  1407-1412.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1407
    摘要 ( )   PDF (939KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对传统主题模型忽略了微博短文本和文本动态演化的问题,提出了基于微博文本的词对主题演化(BToT)模型,并根据所提模型对数据集进行主题演化分析。BToT模型在文本生成过程中引入连续的时间变量具体描述时间维度上的主题动态演化,同时在文档中构成主题共享的“词对”结构,扩充了短文本特征。采用Gibbs采样方法对BToT参数进行估计,根据获得的主题-时间分布参数对主题进行演化分析。在真实微博数据集上进行验证,结果表明,BToT模型可以描述微博数据集中潜在的主题演化规律,获得的困惑度评价系数低于潜在狄利克雷分配(LDA)、词对主题模型(BTM)和主题演化模型(ToT)。
    间距判别投影及其在表情识别中的应用
    甘炎灵, 金聪
    2017, 37(5):  1413-1418.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1413
    摘要 ( )   PDF (987KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对全局降维方法判别信息不足,局部降维方法对邻域关系的判定存在缺陷的问题,提出一种新的基于间距的降维方法——间距判别投影(MDP)。首先,根据类的中心均值的异类近邻关系定义描述类边缘的边界向量;在这个基础上,MDP重新定义类间离散度矩阵,同时,使用全局的方法构造类内离散度矩阵;然后,MDP借鉴判别分析思想建立衡量类间距的准则,并通过类间距最大化增强样本在投影空间中的可分性。对MDP在人脸表情数据库JAFFE和Extended Cohn-Kanade上进行表情识别实验,并且跟传统的降维方法主成分分析(PCA)、最大间距准则(MMC)和边界Fisher分析(MFA)进行对比,实验结果表明,所提算法能够有效提取更具区分性的低维特征,比其他几种方法分类精度更高。
    数据科学与技术
    基于参数反演的网络舆情传播趋势预测——以新浪微博为例
    刘巧玲, 李劲, 肖人彬
    2017, 37(5):  1419-1423.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1419
    摘要 ( )   PDF (790KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对现有的舆情传播模型研究与实际舆情数据结合较少以及难以从舆情大数据中挖掘舆情传播内在规律的问题,提出一种基于实际网络舆情大数据采用神经网络的舆情传播模型参数反演算法。改进经典SIR传染病传播模型,构建一种网络舆情传播模型,基于该模型对实际案例进行参数反演,预测网络舆情的后续传播趋势,并与马尔可夫预测模型对比,所提算法可以精确预测舆情的具体热度值。实验结果表明,所提算法在预测性能上具有一定的优越性,可以用于网络突发事件传播的数据拟合、过程模拟和趋势预测。
    最大模糊频繁模式挖掘算法
    张海清, 李代伟, 刘胤田, 龚程, 于曦
    2017, 37(5):  1424-1429.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1424
    摘要 ( )   PDF (1047KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对有效模式挖掘的组合爆炸及挖掘结果信息如何有效表达的问题,提出了一种基于“核心-牵引”结构的修剪候选模式和考虑项目不确定性的最大模糊模式挖掘算法(MFFP-Tree)。首先,综合分析项目的模糊性,提出模糊支持度,分析项目在事务数据集中的模糊权重,依据模糊修剪策略修剪候选项集;其次,仅扫描数据集一次,就能成功构建模糊模式挖掘树,依据模糊剪枝策略减少模式提取的开销,采用FFP-array阵列结构使得搜索方式更精简,从而进一步降低时空开销。根据基准数据集的实验结果,与最大模式挖掘算法PADS和FPMax*对比分析,MFFP-Tree挖掘出的最大模糊模式能够更准确地反映项目与项目之间的关系;算法的时间复杂度能减半甚至低1个数量级;算法的空间复杂度降低1~2个数量级。
    计算机视觉与虚拟现实
    基于小波域压缩感知的遥感图像超分辨算法
    杨学峰, 程耀瑜, 王高
    2017, 37(5):  1430-1433.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1430
    摘要 ( )   PDF (856KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对单字典表达复杂多样的图像纹理存在一定的局限性的问题,利用压缩感知和小波理论建立了一种多字典遥感图像超分辨算法。首先,对训练图像在小波域的不同频带利用K-奇异值分解(K-SVD)算法建立不同的字典;然后,利用全局限制求取高分辨率图像的初始解;最后,利用正交匹配追踪算法(OMP)对初始解在小波域进行多字典稀疏求解。实验结果表明,相比基于单字典的超分辨重建算法,结果图像的主观视觉效果有很大提高,客观评价指标的峰值信噪比(PSNR)和结构相似度(SSIM)分别提高2.8 dB以上和0.01以上。字典可一次建立重复使用,降低了运算时间。
    基于深度学习的超声心动图切面识别方法
    陶攀, 付忠良, 朱锴, 王莉莉
    2017, 37(5):  1434-1438.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1434
    摘要 ( )   PDF (1056KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    提出了一种基于深度卷积神经网络自动识别超声心动图标准切面的方法,并可视化分析了深度模型的有效性。针对网络全连接层占有模型大部分参数的缺点,引入空间金字塔均值池层化替代全连接层,获得更多空间结构信息,并大大减少模型参数、降低过拟合风险,通过类别显著性区域将类似注意力机制引入模型可视化过程。通过超声心动图标准切面的识别问题案例,对深度卷积神经网络模型的鲁棒性和有效性进行解释。在超声心动图上的可视化分析实验表明,改进深度模型作出的识别决策依据,同医师辨别分类超声心动图标准切面的依据一致,表明所提方法的有效性和实用性。
    基于ORB-SLAM的室内机器人定位和三维稠密地图构建
    侯荣波, 魏武, 黄婷, 邓超锋
    2017, 37(5):  1439-1444.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1439
    摘要 ( )   PDF (994KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对在室内机器人定位和三维稠密地图构建系统中,现有方法无法同时满足高精度定位、大范围和快速性要求的问题,应用具有跟踪、地图构建和重定位三平行线程的ORB-SLAM算法估计机器人三维位姿;然后拼接深度摄像头KINECT获得的三维稠密点云,提出空间域上的关键帧提取方法剔除冗余的视频帧;接着提出子地图法进一步减少地图构建的时间,最终提高算法的整体速度。实验结果表明,所提系统能够在大范围环境中准确定位机器人位置,在运动轨迹为50 m的大范围中,机器人的均方根误差为1.04 m,即误差为2%,同时整体速度为11帧/秒,其中定位速度达到17帧/秒,可以满足室内机器人定位和三维稠密地图构建的精度、大范围和快速性的要求。
    基于完整可见性模型的改进鲁棒OctoMap
    刘晙, 袁培燕, 李永锋
    2017, 37(5):  1445-1450.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1445
    摘要 ( )   PDF (895KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    从移动机器人自主导航对3D地图精度的需求出发,在鲁棒OctoMap的基础上提出一种基于完整可见性模型的改进鲁棒OctoMap并应用于基于Kinect的RGB-D同时定位与地图创建(SLAM)中。首先,通过考虑相机和目标体素的相对位置关系及地图分辨率进行可连通性判断,获得满足可连通性的相邻体素的个数及位置;其次,根据不同的可连通性情况分别建立目标体素的可见性模型,从而构建普适性更强的完整可见性模型,有效克服了鲁棒OctoMap可见性模型的局限性,提高了建图精度;再次,使用基于高斯混合模型的Kinect深度误差模型代替简单深度误差模型,进一步克服传感器测量误差对地图精度的影响,降低了地图的不确定性;最后,结合贝叶斯公式和线性插值算法来更新八叉树中每个节点的实际占用概率,从而构建基于八叉树的立体占用地图。实验结果表明,所提方法有效克服了Kinect传感器深度误差对地图精度的影响,降低了地图的不确定性,其建图精度较鲁棒OctoMap有明显的提高。
    凸松弛全局优化机器人手眼标定
    李巍, 吕乃光, 董明利, 娄小平
    2017, 37(5):  1451-1455.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1451
    摘要 ( )   PDF (814KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对机器人运动学正解及相机的外参数标定存在偏差时,基于非线性最优化的手眼标定算法无法确保目标函数收敛到全局极小值的问题,提出基于四元数理论的凸松弛全局最优化手眼标定算法。考虑到机械手末端相对运动旋转轴之间的夹角对标定方程求解精度的影响,首先利用随机抽样一致性(RANSAC)算法对标定数据中旋转轴之间的夹角进行预筛选,再利用四元数参数化旋转矩阵,建立多项式几何误差目标函数和约束,采用基于线性矩阵不等式(LMI)凸松弛全局优化算法求解全局最优手眼变换矩阵。实测结果表明,该算法可以求得全局最优解,手眼变换矩阵几何误差平均值不大于1.4 mm,标准差小于0.16 mm,结果稍优于四元数非线性最优化算法。
    基于医学图像序列面绘制的骨组织快速成型方法
    刘思奇, 张来峰, 范立成, 盛小明
    2017, 37(5):  1456-1459.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1456
    摘要 ( )   PDF (678KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对人工骨组织快速成型中轮廓线轨迹生成复杂、分层效率低的问题,提出了一种简化三角片模型分层过程的方法。应用移动立方块(MC)算法对医学图像序列进行面绘制重建,根据重建过程的顺序对三角片集合分组,然后采用对边追踪的方法计算切平面与其对应三角片数组的交点轮廓线数据。简化后的分层效率相对于三角网格文件(STL)模型分层平均提高了4.65%。实验结果表明,所提方法可以直接从人体骨组织医学图像序列生成可供3D打印的轮廓线数据,从而实现骨组织的快速成型。
    基于S变换的非平稳微小运动自动放大
    雷林, 李乐鹏, 杨敏, 董方敏, 孙水发
    2017, 37(5):  1460-1465.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1460
    摘要 ( )   PDF (1009KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    现有的欧拉视频微小运动放大方法没有考虑视频中运动信息的自动检测,在实现运动放大时需要人为选取感兴趣运动信息处理的合适参数,比如滤波器截止频率、放大倍数等。对于一般的视频,通常无法直观地确定这些参数,而是通过试错来完成。为此,基于S变换提出了一种视频序列中非平稳微小运动的自动放大方法:基于S变换自动确定带通滤波器的即时相关参数并设计了相应的动态滤波器,在此基础上实现了视频微小运动的全自动放大。首先,通过S变换分析出视频中微小运动在各个时刻的瞬时频率;然后,对视频在不同时刻呈现不同频率的情况进行动态带通滤波处理;最后,放大经过带通滤波后的感兴趣运动信息,实现微小运动放大。此外,对于抗噪性能分析,提出了一种视频区域信噪比评价方法。实验结果表明,所提方法在对实际视频进行放大处理时,能够根据运动信息频率的变化自动地获取滤波器、放大倍数等参数,无需人工参与;运动放大后可以动态地展现运动目标的放大效果。同时,准确的动态滤波器在一定程度上能够抑制噪声干扰,使得运动放大效果更加理想。
    基于相关滤波器的长时视觉目标跟踪方法
    朱明敏, 胡茂海
    2017, 37(5):  1466-1470.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1466
    摘要 ( )   PDF (759KB) ( )  
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    为解决相关滤波器(CF)在跟踪快速运动目标时存在跟踪失败的问题,提出一种结合了核相关滤波(KCF)跟踪器和基于光流法的检测器的长时核相关滤波(LKCF)跟踪算法。首先,使用跟踪器跟踪目标,并计算所得跟踪目标的峰值响应强度(PSR);然后,通过比较峰值响应强度(PSR)与经验阈值大小判断目标是否跟踪丢失,当目标跟踪丢失时,在上一帧所得目标附近运用光流法检测运动目标,得到目标在当前帧中的粗略位置;最后,在此粗略位置处再次运用跟踪器得到精确位置。与核相关滤波(KCF)、跟踪-学习-检测(TLD)、压缩跟踪(CT)、时空上下文(STC)等4种跟踪算法进行对比实验,实验结果表明,所提算法在距离精确度和成功率上都表现最优,且分别比核相关滤波(KCF)跟踪算法高6.2个百分点和5.1个百分点,表明所提算法对跟踪快速运动目标有很强的适应能力。
    基于带权核范数最小化和混合高斯模型的去噪模型
    孙少超
    2017, 37(5):  1471-1474.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1471
    摘要 ( )   PDF (635KB) ( )  
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    非局部自相似性(NSS)先验在图像恢复中发挥重要作用,如何充分利用这一先验提高图像恢复性能仍值得深入研究,提出一种基于带权核范数最小化和混合高斯模型的去噪模型。首先,采用混合高斯模型(GMM)对无噪声的自然图像非局部自相似图像块进行训练,再用训练好的混合高斯模型指导退化的图像产生非局部自相似图像块组;然后,结合带权的核范数最小化技术实现图像的去噪,并对模型的保真项进行一般性扩展,给出收敛的求解算法。仿真实验表明,所提方法与基于3D滤波的块匹配(BM3D)算法、同时稀疏编码学习(LSSC)算法和带权的核范数最小化(WNNM)模型相比,峰值信噪比(PSNR)提高0.11~0.49 dB。
    基于补集零空间与最近空间距离的人脸识别
    原豪杰, 孙桂玲, 许依, 郑博文
    2017, 37(5):  1475-1480.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1475
    摘要 ( )   PDF (924KB) ( )  
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    针对人脸识别中在分类器判别时没有充分利用类间差异的问题,提出一种补集零空间(CNS)算法,并进一步提出结合CNS算法与最近空间距离的人脸识别算法——补集零空间与最近空间距离算法(CNSD)。首先,在训练样本中,对每一种类别的人脸样本,构建其子空间并计算其补集的零空间;其次,计算测试样本与所有子空间和补集零空间的距离,找到最小的子空间距离与最大的补集零空间距离对应的类别,将其判别为测试样本的类别。算法在ORL与AR人脸数据集上进行了测试,当训练样本数较小时,CNS算法与CNSD算法识别率远高于最近邻分类器(NN)算法、最近空间距离(NS)算法、最近最远空间距离(NFS)算法;训练样本数较大时,CNS算法与CNSD算法识别率也略高于NN算法、NS算法、NFS算法。实验结果表明,所提算法能充分利用图像的类间差异,提高人脸识别的成功率。
    结合透射率和大气光改进的暗原色先验去雾算法
    陈高科, 杨燕, 张宝山
    2017, 37(5):  1481-1484.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1481
    摘要 ( )   PDF (851KB) ( )  
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    针对暗原色先验透射率在明亮区域估计不足以及大气光误差问题,提出一种结合透射率和大气光改进的去雾算法。在分析高斯函数特点的基础上,依据有雾图像暗原色的高斯函数初步估计透射率,利用最大最小操作消除块状效应;然后,通过晕光算子与形态学膨胀操作获取大气光描述区域来获取大气光值;最后根据大气散射模型复原清晰图像。实验结果表明,所提算法能够有效去除图像中的雾气,浓雾图像恢复效果相比暗原色先验等算法更佳,且处理速度较快,便于实时应用。
    应用前沿、交叉与综合
    多配送中心危险货物配送路径鲁棒优化
    熊瑞琦, 马昌喜
    2017, 37(5):  1485-1490.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1485
    摘要 ( )   PDF (1056KB) ( )  
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    针对危险货物配送路径对不确定因素敏感度较高的问题,提出了鲁棒性可调的多配送中心危险货物配送路径鲁棒优化方法。首先,以最小化运输风险和最小化运输成本为目标,根据Bertsimas鲁棒离散优化理论,建立鲁棒优化模型;然后,在改进型强度Pareto进化算法(SPEA2)的基础上设计一种三段式编码的多目标遗传算法进行求解,在遗传操作中对不同染色体段分别采用不同的交叉和变异操作,有效避免了种群进化过程中不可行解的产生;最后,以庆阳市西峰区部分路网为例进行实证研究,并将配送方案落实到运输过程的路段中,形成具体的运输路径。研究结果表明:在多配送中心下,运用该鲁棒优化模型及算法,能快速得到具有较好鲁棒性的危险货物配送路径。
    折半聚类算法在基于社会力的人群疏散仿真中的应用
    李焱, 刘弘, 郑向伟
    2017, 37(5):  1491-1495.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1491
    摘要 ( )   PDF (985KB) ( )  
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    运用社会力模型(SFM)模拟人群疏散之前,需要先对人群进行聚类分组;然而,k中心聚类(k-medoids)和统计信息网格聚类(STING)这两大传统聚类算法,在聚类效率和准确率上都不能满足要求。针对这个问题,提出了折半聚类算法(BCA)。该算法结合了围绕中心点聚类和基于网格聚类两类方式,并利用二分法查找思想划分网格,不需要反复聚类。先将数据用二分法划分成网格,再根据网格内数据密度选出核心网格,接着以核心网格为中心将邻居网格聚类,最后按就近原则归并剩余网格。实验结果表明,在聚类时间上,BCA平均仅是STING算法的48.3%,不到k-medoids算法的14%;而在聚类准确率上,k-medoids算法平均仅是BCA的50%,STING算法平均也只是BCA的88%。因此,BCA无论在效率还是准确率上都明显优于STING和k-medoids算法。
    基于突发事件影响力传播的双向人流疏散仿真
    梁铭富, 房少梅, 黄中展, 蔡钦镒
    2017, 37(5):  1496-1502.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1496
    摘要 ( )   PDF (1142KB) ( )  
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    当突发事件发生时,行人行走行为会因为突发事件本身以及突发事件在人群中的传播而改变。对于突发事件影响下的行人行走特征的研究能够提高人流疏散的效率。针对现有研究中数据获取方式的不足,对真实行人场景视频进行图像处理,提取相关数据后分析了无突发事件时行人一般行走特性。针对突发事件下的行人流,利用k-邻近算法和合力的思想描述了突发事件的影响传播和突发事件下行人流的自组织现象,并由此提出一种新的元胞自动机模型,该模型中的行人元胞会受到正常行走、突发事件、安全标识这三个因素所抽象产生的三个作用力的影响。利用模型对突发情况下的双向人流疏散进行仿真,实验结果表明,当安全标识的距离为0、10、20个元胞时,在小范围行人通道中安全标识分布的距离对人群疏散作用不明显;通过对人群间是否存在影响力的研究发现,疏散的效果主要受到附近行人对突发事件传播的影响;突发事件的影响程度太大或影响范围过小都会引发拥堵,不利于人群的疏散。仿真结果与真实世界中的双向行人流疏散情况基本吻合。
    基于冗余分组的轨迹摘要算法
    魏昊, 徐庆
    2017, 37(5):  1503-1506.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1503
    摘要 ( )   PDF (638KB) ( )  
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    为了对视频监控设备采集到的轨迹数据进行聚类和异常检测,提出了一种新的轨迹摘要算法。使用了Jensen-Shannon Divergence(JSD)度量方法实现了轨迹数据的重采样,使得计算轨迹间相似度的准确性有所提高,并为后续滤波过程提供了必要的等采样点个数的轨迹数据;自适应地确定轨迹相似性的阈值,并采用非局部的思想,将轨迹数据进行冗余分组,同时识别出异常轨迹数据;从信号处理的角度对分组后的轨迹数据进行硬阈值滤波,经过合并得到摘要轨迹;此外,不受轨迹输入顺序的影响,并且提供了可视化的多尺度轨迹摘要结果。与具有噪声的基于密度的聚类(DBSCAN)算法的异常检测效果进行对比,所提算法在准确率(Precision)、召回率(Recall)以及F1指标上均有所提升。
    基于组合滤波的低成本飞行器姿态解算算法
    王守华, 邓桂辉, 纪元法, 孙希延
    2017, 37(5):  1507-1511.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1507
    摘要 ( )   PDF (768KB) ( )  
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    在低成本的飞行器姿态检测系统中,互补滤波器由于原理简单、计算量小,而被广泛应用。针对低成本飞行器在非匀速运动时因为加速度计不能区分重力加速度与运动加速度引起基于互补滤波的姿态解算误差较大的问题,提出了一种互补与自适应限幅组合滤波的姿态解算算法,并给出了自适应限幅滤波门阀的设计方法。通过融合陀螺仪输出的角速度与加速度计输出的加速度获取限幅滤波的限幅阀值;然后将归一化的加速度计输出增量通过限幅滤波的结果代替原互补滤波的加速度计输入,提高非匀速运动下姿态解算精度。经实际系统实时性能测试表明,所提算法估计精度高、计算量小,易于在低成本飞行器控制系统中实现。
    基于深度学习的八类蛋白质二级结构预测算法
    张蕾, 李征, 郑逢斌, 杨伟
    2017, 37(5):  1512-1515.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1512
    摘要 ( )   PDF (644KB) ( )  
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    蛋白质二级结构预测是结构生物学中的一个重要问题。针对八类蛋白质二级结构预测,提出了一种基于递归神经网络和前馈神经网络的深度学习预测算法。该算法通过双向递归神经网络建模氨基酸间的局部和长程相互作用,递归神经网络的隐层输出进一步送入到三层的前馈神经网络以便进行八类蛋白质二级结构预测。实验结果表明,提出的算法在CB513数据集上达到了67.9%的Q8预测精度,显著地优于SSpro8和SC-GSN。
    融合BFGS的自适应蜂群算法在谐波平衡分析中的应用
    南敬昌, 张云雪, 高明明
    2017, 37(5):  1516-1520.  DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1516
    摘要 ( )   PDF (796KB) ( )  
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    针对谐波平衡分析中传统算法存在初值限制,以及智能算法收敛速度慢的缺点,提出一种基于BFGS(Broyden-Fleteher-Goldfarl-Shanno)算法局部搜索策略的自适应蜂群算法。该算法在基本蜂群算法的基础上引入非线性的动态调整因子代替蜂群算法搜索公式中的随机变量,增加搜索的自适应性,并将BFGS算法运用到自适应蜂群算法后期求解,提高其局部搜索能力。实验结果表明,改进算法较标准蜂群算法迭代次数减少51.9%,相对于传统BFGS算法和部分改进智能算法均表现出较好收敛性能。
2022年 42卷 1期
刊出日期: 2022-01-10
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