基于多尺度卷积网络的非朗伯光度立体视觉方法

光度立体视觉作为一种精细三维测量技术广泛应用于三维重构、缺陷检测、生物医疗等领域,但传统反射模型对材质真实物理特性的反映能力有限,对于如光亮金属等具有非线性光反射特性的非朗伯表面适应性不佳,极大地限制了该技术的进一步应用.本文提出了一种基于深度学习多尺度卷积架构的光度立体视觉算法,实现了对非透明材质表面在任意光照条件下的高精度法向量恢复.算法在深度网络中设计了多尺度卷积结构,小尺寸卷积核强化了模型在光度物理原理上的表达,使得模型在细节预测上具备优势,大尺寸卷积核鼓励深度网络利用邻域特征,提升模型克服阴影和区分多种材质的能力.为进一步处理任意光照条件的问题,算法设计了对入射光照向量空间的多分辨三维极坐标划分方法,在整合输入图像信息的同时,充分发挥了多尺度卷积的效能.实验结果表明,多尺度卷积深度学习架构有效集成了光度原理和深度学习二者的优势,在保留精细三维形貌恢复能力的同时,极大提高了针对非朗伯表面的适应性,为光度技术的广泛应用提供了有力的技术支持.     

SIMO线阵列雷达对三维复杂目标电磁散射的仿真与立体重构

提出单输入多输出（SIMO,single input and multiple output）频率步进线阵列下视雷达对一复杂电大三维体目标的电磁散射数值模拟、成像、及其几何特征重构.下视聚束模式的线阵列频率步进雷达SIMO运动合成二维平面孔径,获取包含幅度与相位的散射矩阵;用双向射线解析跟踪方法（BART,bidirectional analytic ray tracing method）,数值模拟计算双站极化散射矩阵.通过距离徙动算法（RMA,range migration algorithm）获得三维分辨图像,实现三维目标几何特征的重构.计算个例给出了粗糙地面上坦克目标模型的散射、成像与重构.同时,又采用FEKO软件的物理光学（PO,physical optics）计算简单体目标散射场及其成像重构作为验证与比较,论证了本理论方法可行与准确高效的良好性能.     

裂缝诱导的多次散射波边界元法模拟

提出了一种研究二维弹性动力学散射问题的边界元法，其中，散射体或侵入体散场以Ｈｕｙｇｅｎｓ原理积分形式表达，虚拟场源以适配边界条件来求取，该间接边界元法可以高精度计算包括多次散射在内的全波场。通过对不同空间与尺度分布裂缝所诱导的地震波散射数值计算表明：该方法具有计算多次散射波场的能力，尾波（多次散射波）频率及延续长度受控于裂缝位置及尺度；等效介质弹性参数受控于散射体不同的统计分布。     

确定复杂多孔材料有效导热系数的新方法

从Lattice-Boltzmann(LB)方程出发, 推导了二维LB 导热模型(D2Q5),计算了具有复杂结构的多孔材料的有效导热系数, 计算结果与其他文献中的实验结果符合较好. 分析了多孔材料有效导热系数与材料孔隙率、单位面积孔隙数、骨架形状等参数之间的关系并给出了估算公式. 给出的二维LB 导热模型能方便地计算各种小尺度上具有复杂边界或复合材料中的导热问题, 且二维模型能方便地扩充到三维.     

晨侧等离子体片ULF Pc5压缩波的重构分析

本文首次使用Grad-Shafranov（GS）方法研究了1998年3月9日晨侧磁赤道附近ULFPc5压缩波事件.为了验证GS方法对ULF重构有效性,先用一维电流片模及其析检验了GS重构方法对开放磁力构重构效果,果表明除了边角磁势之外,整开放磁力构重构误差在10%以内.我们GS重构果首次给出了受任模约束压缩波二维图象,显示了磁力疏密交变化特征.进一定量出ULFPC5压缩波波长为2至4个地球半,磁场态与前人提出经验压缩波2维驻波模似.在本文重构中,仅重现了ULFPc5压缩波三个磁场分量分,还定量地重现了波场中热压强电流密度分.     

压缩感知非凸优化超宽带信道估计方法研究

超宽带信号由于传输路径较复杂且功率谱密度较低,准确的信道估计十分重要．但是由于其带宽较宽,难以直接采样．压缩感知理论提供了一种可行的低速采样方法．目前的压缩感知超宽带信道估计方法一般采用l1范数约束的凸优化形式或无稀疏性的l2范数约束形式,对目标向量的稀疏性约束不强,而拥有最强稀疏性的l0范数又缺少有效的重构算法．针对上述问题,本文设计一种基于非凸优化算法的压缩感知超宽带信道估计方法．首先将目标函数设置成l,范数约束的非凸优化形式,然后利用凸函数较易求得极值的性质,将原非凸函数组合成为凸函数形式的目标函数,并通过每步迭代凸函数对非凸函数的逼近来求解目标函数,进而估计出原信道．由于lp范数更接近于l0范数,所以对目标向量稀疏性的约束更强．实验结果表明,所提方法相对于现有的压缩感知超宽带信道估计方法能够有效降低重构误差．     

角模块序列布图表示及基于角模块序列表示的边界约束布图规划算法

布图规划是VLSI布图设计中的关键环节, 通常采用随机优化算法, 而布图结构的编码表示(或称布图表示)是基于随机优化方法的布局算法的关键. 提出一种新的布图表示-角模块序列(CBL), 并从理论上证明它具有O(n)的布局评估算法计算复杂性和较小的解空间. 在布图设计中, 部分模块的位置需要满足一定的约束条件, 边界约束就是其中常见的一种. 通过边界约束可以将特定模块的位置限制在指定的边界上, 从而有利于模块与I/O端口的互连. 基于角模块表示, 推导出满足边界约束布局的充分必要条件, 并结合模拟退火过程, 通过修正中间解使受约束模块满足约束条件, 从而实现了基于CBL模型的边界约束布图规划算法. 将代价函数惩罚方法和启发式方法相结合, 设计了边界约束的惩罚项, 能够合理准确地衡量约束满足的情况, 从而有效地控制模拟退火的进度, 以保证最终布局满足所有约束. 对MCNC的标准例子的测试结果表明算法是十分有效的.     

非规则颗粒形态表征与离散元模拟方法研究

颗粒物质在自然界和人类生产与生活中广泛存在,对于非规则颗粒,其宏观物理力学特性与几何形态密切相关.本文以本课题组和合作者的相关研究为基础,介绍了非规则颗粒几何形态的获取、重构、评价、随机生成以及离散元模拟方法等方面的研究进展.总结了非规则颗粒形态不同获取方法的优缺点;将颗粒二维形态和三维形态分别划分为星形和非星形两种类型,介绍了各类型几何形态的计算几何重构方法;系统总结了非规则颗粒不同层次形态评价指标的定义,及基于计算几何的指标计算方法;介绍了基于逆蒙特卡罗法的二维星形与三维星形随机颗粒生成方法,以及可考虑一阶系数固有关系和其他阶系数经验相关性的二维非星形与三维非星形虚拟颗粒生成方法;对于非规则颗粒的离散元模拟方法,重点总结了颗粒几何形态表示、颗粒接触判断与颗粒接触力计算方法等核心问题的研究进展.     

快速评估颗粒污泥性能的无锚实例分割方法

现有的Anammox颗粒污泥性能评估方法中,生化反应等效测定的方法较为精确但耗时长,基于图像颜色建模的方法足够快但不够精确.因此本研究基于实例分割任务,提出一种新的结合颗粒污泥视觉特征(如颗粒污泥颜色、尺寸、粗糙度等)进行性能评估的模型,使其能够在快速评估的同时保证较高精度.首先设计采样方案,收集颗粒污泥图像后进行图像标注,进而构建颗粒污泥图像数据集.针对图像场景中样本不均衡和小目标信息难提取的难点,本研究对无锚实例分割方法BlendMask进行改进,在主干网络上结合可变形卷积提取小目标信息,在头部网络上提出自适应样本选择策略平衡样本,并重新设计了后处理、损失函数与数据增强等模块,使改进后的BlendMask方法能快速精确提取图像场景中的颗粒污泥个体.然后获取颗粒污泥的视觉特征,设计视觉特征与性能的关联模型,判别输入图像的性能类别.相比之前的研究,本文提出的方法能够快速精确地获得颗粒污泥的性能评估.最后比较了所提出改进的BlendMask方法和先进方法在颗粒污泥图像分割和性能评估方面的表现,实验结果表明,改进的BlendMask和性能评估模型精度分别提升了3.93%和1.49%,方法取...     

基于反应欧拉方程投影算法的广域尺度气体爆炸数值模拟研究

近年来广域尺度可燃气体爆炸事故愈发严重,亟需发展有效的数值方法模拟爆炸波的传播发展及其对结构物的作用,预测和评估爆炸造成的危害.本文采用含极端刚性源项的反应欧拉方程描述广域尺度气体爆炸过程,基于算子分裂法,通过高分辨率格式捕捉激波,采用投影法处理化学反应刚性源项,解决了化学反应和流体动力学时空尺度不匹配的问题.通过若干一维爆轰波算例验证了本文数值方法能够在网格尺度欠解析的情况下准确捕捉爆轰波的传播过程,且几乎不受空间重构格式的影响,具有较好的鲁棒性.进一步将一维数值模型推广至二维含复杂结构物气体爆炸问题,几组二维算例表明本文数值模型能够在较粗的网格条件准确捕捉弯曲爆轰波的传播及其散射行为.最后计算了一个广域尺度含复杂结构物的爆炸波算例,表明本文的数值方法具备在空间网格欠解析的情况下模拟真实广域尺度气体爆炸问题的能力,有望为城市爆炸安全评估提供压力、温度等数据.     

超声速混合层拟序结构密度脉动的多分辨率分析

由于超声速密度场测量十分困难,基于实验图像的超声速混合层流场的多分辨率分析一直难以实现．本文利用新近提出的基于纳米粒子的平面激光散射技术,以较高的时空分辨率测量了超声速混合层密度场结构．根据混合层拟序结构的动力学特性,以Taylor的时空转换假设为基础,利用小波分析研究了密度脉动信号和密度场图像的多分辨率特征．密度脉动信号的小波近似系数较好地反映了不同尺度下密度脉动信号的特征,相应的细节系数在一定程度上反映了各层平滑近似的差值．超声速混合层密度脉动信号不同于周期性的正弦信号,而更类似于具有分形特征的Koch曲线信号,在各个尺度上都具有一定的相似性,体现了混合层流场的分形特征．密度场图像的二维小波分解与重构给出了不同尺度的近似与细节信号,有效地分辨了不同尺度下流场的特征结构．     

基于格子Botlzmann方法的三维多孔介质中多相导热过程的研究

建立了模拟三维多孔介质中多相导热过程的格子Boltzmann模型,结合三维多孔介质重构算法,从孔隙尺度对CPL／LHP毛细芯中的瞬态导热过程进行了模拟,计算了不同条件下毛细芯内温度分布,分析了热负荷、孔隙率等因素对导热过程的影响,并计算了三维多孔介质的有效导热系数．     

基于子图同构的前驱三维工序模型向二维工序图映射匹配算法

为满足企业对三维工序模型的迫切需求,解决前驱三维工序模型与工序图的映射匹配问题,提出一种基于子图同构的前驱三维工序模型向二维工序图的映射匹配算法．该方法首先对三维工序模型进行投影,获取其投影图;然后分别提取工序图与投影图中的图元信息,将其表示为以图元作为节点的属性邻接图．在映射匹配过程中,将投影图表示成“大图”,工序图表示成“子图”;将前驱三维工序模型向二维工序图的映射匹配问题转化为“大图”中寻找“子图”的问题．为提高匹配效率,对属性邻接图进行分割,并且充分利用图的顶点属性对图顶点进行有效细分．实验结果表明,该算法能够实现精确的匹配,并且匹配效率能满足实际应用要求．     

分离式隧道扩建成小净距隧道群爆破震动控制研究

双洞分离式隧道扩建成四洞小净距隧道群的施工必须保证原隧道衬砌结构和新建隧道与原隧道之间中夹岩的稳定.运用三维有限元动力分析方法,对分离式隧道扩建成小净距隧道群的施工过程中原隧道衬砌结构爆破动力响应特性进行分析.根据原隧道衬砌结构最大平均有效应力特征得到了Ⅳ级、V级围岩隧道在不同施工方式条件下的原隧道衬砌结构的最大爆破震动控制速度和控制药量,为隧道扩建设计和安全施工提供了依据.     

低维特征空间中基于旋转图像的三维环境模型配准方法

近年来,异类机器人之间(如飞行机器人和地面机器人)的协作成为机器人学研究发展的一个新的领域.异类机器人协作的难点之一是协作环境建模,而由于所获得的环境模型具有不同的观测视角和尺度,其环境建模中的模型配准是一个难点和关键.目前,能够适用于大视角差、大尺度差场景配准的方法并不多,基于旋转图像的配准方法被认为是一种可行方案,但其中存在的计算负担大和在野外环境中的鲁棒性差使得其也很难在实际系统中应用.基于此,面向三维点云环境模型,以旋转图像为基础,提出了一种新的基于低维特征空间的模型配准方法.首先,通过引入模型曲率、旋转图像熵值和激光反射强度3个特征构建了一个三维特征空间,得到候选对应点集合.然后,在候选对应点集合中利用旋转图像的方法查找正确的对应关系,实现模型配准.由于低维特征空间的引入,基于旋转图像特征的对应点搜索区域大大减小,因此算法计算效率得到了极大改善.同时由于引入的新特征与场景旋转图像特征的互补性,算法的鲁棒性和精确性也得到了提升.这些性能改进最后通过实验得到了验证.     

递推式视频前景分割方法

本文描述了一种基于前一帧已有分割结果对当前帧进行自动分割的递推式视频前景目标分割方法.目前视频分割主要有以下三大难点尚未被很好地解决,首先是前景与背景的颜色区分度过小,造成不易将其分割.其次,视频中频繁出现的局部遮挡与暴露区域,会破坏递推式视频分割的连续性,使得分割推理错误,造成结果不正确.最后,前/背景颜色模型所选用的采样方法,更是影响结果的重要因素之一.因此本文着重对此三类问题给出了相应的解决方案,利用前景物体具有局部运动一致性的特征,解决前/背景相似颜色问题.对于遮挡与暴露问题,通过自适应的局部窗口调整进行扩展采样,以修复其递推连续性.其次,本文使用了一种基于近似颜色块的采样方法,使得所建立的颜色模型更为明确干净,以减少不相关信息所带来的影响.最后,利用视频的时空一致性特征,合成出最终的分割结果.实验表明,本文所提出的递推式视频分割方法,能有效地解决以上三个问题,并且相比于其他方法,特别地对于复杂的视频测试场景,本文方法能获取更好的自动分割效果.     

一种基于Markov随机场模型的核磁共振图像分割方法

为了提高核磁共振(MR)图像分割的效果,提出了一种基于Markov随机场模型的分割方法。该方法利用Markov随机场描述图像的先验分布,结合MAP准则获得分割优化函数,通过ICM局部迭代使分割优化函数收敛。迭代过程中引入了后验概率矩阵的平滑;提高了分割的精度和速度。实测数据的实验结果证明了所提方法的有效性。     

一类动态多尺度系统的最优滤波

研究一类动态多尺度系统的最优滤波, 这类系统由具有不同分辨率的多个传感器独立观测, 而系统具有已知的动态系统模型约束. 假设传感器的信号采集带宽成倍递减, 相应的采样频率也成倍递减. 用Haar小波变换来拟合状态在各尺度空间的投影关系, 给出该类多尺度系统的离散模型, 并证明了其可以直接应用Kalman滤波的条件. 基于线性时不变系统, 研究了系统的可控可测性以及滤波的稳定性, 并给出了一个判定定理, 证明系统只要在最细尺度上可控可测, 则Kalman滤波是稳定的. 最后以匀速直线运动过程为例, 验证了所提建模与估计方法的有效性.     

水库群联合优化调度知识规则降维方法

水库通常肩负发电、防洪、生态、航运等多重任务,需要在建模过程中均衡考虑水利、电力、环保等相关主体的利益诉求,使得水库群在开展联合优化调度时面临数目众多、形式各异的约束条件.在各项约束的传递、交织、耦合等综合作用下,可行搜索空间大幅缩窄并呈现出复杂的时空关联特征,加剧了水库群优化调度的建模求解难度.为此,从数学集合运算理论出发,提出了集成水库群优化调度多重复杂运行约束的知识规则降维方法:根据实际问题对单一水库开展单阶段、两阶段和多阶段可行域辨识操作,通过各水库的有机协调来动态生成水库群系统的可行决策空间,规避非可行解的无效计算,提高方法的计算效率与寻优性能.工程实例表明,所提方法能有效降低水电调度建模计算测度,切实保障传统算法所得结果的可行性与可用性.     

α进制最小能量区间小波框架的构造

基于小波多尺度特征和信号多通道理论需要,本文对a进制最小能量区间小波框架进行了系统研究,其中a为任意大于等于2的正整数.首先,给出了a进制最小能量区间小波框架的定义,建立了a进制最小能量区间小波框架的充要条件;其次,我们设计了支撑长度为任意整数γ的a进制最小能量区间小波框架的构造算法,并构造性地给出了构造算法所涉及矩阵的表达式;最后,给出了最小能量区间小波框架的分解与重构算法,并构造了数值算例.