2012年 第38卷 第11期
2012, 38(11): 1721-1734.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.01721
摘要:
概率图模型将图论和概率论相结合, 为多个变量之间复杂依赖关系的表示提供了统一的框架, 在计算机视觉、自然语言处理和计算生物学等领域有着广泛的应用. 概率推理(包括计算边缘概率和计算最大概率状态等问题)是概率图模型研究及应用的核心问题. 本文主要介绍概率图模型近似推理方法中变分推理的最新研究成果. 在变分近似推理的框架下, 系统地归纳了概率图模型推理问题的基本研究思路, 综述了目前主要的近似推理方法, 并分析了近似算法的单调性、收敛性和全局性等性质. 最后, 对概率图模型近似推理方法的研究方向和应用前景作了展望.
2012, 38(11): 1735-1750.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.01735
摘要:
针对舰船红外图像分割中的低对比度、边缘模糊和目标灰度不均匀问题, 提出了基于图割和模糊连接度的交互式图像分割方法. 交互方式为矩形笔刷, 选择目标和背景种子点. 分割方法为基于图割的图像分割方法, 引入模糊连接度来计算图割的似然能, 给出了模糊连接度权重的自动确定方法, 提出了基于直方图分解的高斯混合模型(Gaussian mixture model, GMM)成分个数和参数估计方法. 仿真结果表明, 新方法可实现各种复杂环境下舰船红外图像目标的有效分割.
针对舰船红外图像分割中的低对比度、边缘模糊和目标灰度不均匀问题, 提出了基于图割和模糊连接度的交互式图像分割方法. 交互方式为矩形笔刷, 选择目标和背景种子点. 分割方法为基于图割的图像分割方法, 引入模糊连接度来计算图割的似然能, 给出了模糊连接度权重的自动确定方法, 提出了基于直方图分解的高斯混合模型(Gaussian mixture model, GMM)成分个数和参数估计方法. 仿真结果表明, 新方法可实现各种复杂环境下舰船红外图像目标的有效分割.
2012, 38(11): 1751-1756.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.01751
摘要:
为提高启发式算法计算最小约简的可信度,基于可辨识矩阵,研究了属性之间存在的吸收、排斥以及互斥等特征,分析其与最小约简的关联,提出了对应的最小约简属性启发策略, 建立了各个特征下属性启发策略的可信度计算模型. 在此基础上,按照可信度排序,形成了一种综合的高可信度最小约简属性启发策略,并给出了具体的约简算法. 理论和实验分析表明,本文策略具有可信度高且可信度可以估计等优点,能有效提升最小约简算法的性能.
为提高启发式算法计算最小约简的可信度,基于可辨识矩阵,研究了属性之间存在的吸收、排斥以及互斥等特征,分析其与最小约简的关联,提出了对应的最小约简属性启发策略, 建立了各个特征下属性启发策略的可信度计算模型. 在此基础上,按照可信度排序,形成了一种综合的高可信度最小约简属性启发策略,并给出了具体的约简算法. 理论和实验分析表明,本文策略具有可信度高且可信度可以估计等优点,能有效提升最小约简算法的性能.
2012, 38(11): 1757-1764.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.01757
摘要:
近期, Astolfi和Stamnes等对一类机械系统设计了速度观测器. 采用了分步设计Lyapunov 函数的方法, 这导致观测误差系统结构复杂、 证明繁琐. 而且设计的偏微分方程(Partial differential equation, PDE) 不合理, 导致计算量大、不易求解. 本文在Astolfi和Stamnes等的基础上, 对一类机械(机器人) 系统设计了速度观测器. 通过对观测误差系统的Hamiltonian 实现, 克服了Astolfi和Stamnes等方法中的上述缺点. 并设计了一类偏微分方程, 避免了繁琐计算. 最后, 将所设计的速度观测器应用到一类关节机器人中, 仿真结果验证了设计方法的有效性.
近期, Astolfi和Stamnes等对一类机械系统设计了速度观测器. 采用了分步设计Lyapunov 函数的方法, 这导致观测误差系统结构复杂、 证明繁琐. 而且设计的偏微分方程(Partial differential equation, PDE) 不合理, 导致计算量大、不易求解. 本文在Astolfi和Stamnes等的基础上, 对一类机械(机器人) 系统设计了速度观测器. 通过对观测误差系统的Hamiltonian 实现, 克服了Astolfi和Stamnes等方法中的上述缺点. 并设计了一类偏微分方程, 避免了繁琐计算. 最后, 将所设计的速度观测器应用到一类关节机器人中, 仿真结果验证了设计方法的有效性.
2012, 38(11): 1765-1776.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.01765
摘要:
在状态空间比例放大的迁移任务中, 原型值函数方法只能有效迁移较小特征值对应的基函数, 用于目标任务的值函数逼近时会使部分状态的值函数出现错误. 针对该问题, 利用拉普拉斯特征映射能保持状态空间局部拓扑结构不变的特点, 对基于谱图理论的层次分解技术进行了改进, 提出一种基函数与子任务最优策略相结合的混合迁移方法. 首先, 在源任务中利用谱方法求取基函数, 再采用线性插值技术将其扩展为目标任务的基函数; 然后, 用插值得到的次级基函数(目标任务的近似Fiedler特征向量)实现任务分解, 并借助改进的层次分解技术求取相关子任务的最优策略; 最后, 将扩展的基函数和获取的子任务策略一起用于目标任务学习中. 所提的混合迁移方法可直接确定目标任务部分状态空间的最优策略, 减少了值函数逼近所需的最少基函数数目, 降低了策略迭代次数, 适用于状态空间比例放大且具有层次结构的迁移任务. 格子世界的仿真结果验证了新方法的有效性.
在状态空间比例放大的迁移任务中, 原型值函数方法只能有效迁移较小特征值对应的基函数, 用于目标任务的值函数逼近时会使部分状态的值函数出现错误. 针对该问题, 利用拉普拉斯特征映射能保持状态空间局部拓扑结构不变的特点, 对基于谱图理论的层次分解技术进行了改进, 提出一种基函数与子任务最优策略相结合的混合迁移方法. 首先, 在源任务中利用谱方法求取基函数, 再采用线性插值技术将其扩展为目标任务的基函数; 然后, 用插值得到的次级基函数(目标任务的近似Fiedler特征向量)实现任务分解, 并借助改进的层次分解技术求取相关子任务的最优策略; 最后, 将扩展的基函数和获取的子任务策略一起用于目标任务学习中. 所提的混合迁移方法可直接确定目标任务部分状态空间的最优策略, 减少了值函数逼近所需的最少基函数数目, 降低了策略迭代次数, 适用于状态空间比例放大且具有层次结构的迁移任务. 格子世界的仿真结果验证了新方法的有效性.
2012, 38(11): 1777-1793.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.01777
摘要:
对于高阶非线性系统,首先采用改进的高阶滑模微分器作为间接干扰观测器,获得前n-1个子系统中的非匹配复合干扰的估计值,证明了估计误差可任意小. 为避免代数环,设计了三种方案获得最后一个子系统中非匹配复合干扰的估计值,并证明了估计误差有界. 在此基础上设计递阶Terminal滑模控制器,证明了控制器参数非奇异及结构非奇异,并给出所需条件. 最后,证明了系统稳定,跟踪误差可任意小. 近空间飞行器姿态控制仿真验证了本文结论.
对于高阶非线性系统,首先采用改进的高阶滑模微分器作为间接干扰观测器,获得前n-1个子系统中的非匹配复合干扰的估计值,证明了估计误差可任意小. 为避免代数环,设计了三种方案获得最后一个子系统中非匹配复合干扰的估计值,并证明了估计误差有界. 在此基础上设计递阶Terminal滑模控制器,证明了控制器参数非奇异及结构非奇异,并给出所需条件. 最后,证明了系统稳定,跟踪误差可任意小. 近空间飞行器姿态控制仿真验证了本文结论.
2012, 38(11): 1794-1803.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.01794
摘要:
针对载人登月中止规划存在的不确定性因素, 提出了基于ACP (Artificial systems, computational experiments, parallel execution)方法的载人登月中止规划框架, 论述了该框架下人工系统和平行执行的初步设计, 主要讨论了计算实验设计、分析和验证过程. 针对中止规划时中止点状态误差的不确定性, 提出利用短时间的累积观测值确定中止点状态误差的计算实验方法, 并应用模拟退火单纯形混合算法求解从载人登月轨道上任一点返回地球的中止机动方案. 最后给出基于正交实验设计的计算实验示例性算例, 验证本文提出方法的有效性.
针对载人登月中止规划存在的不确定性因素, 提出了基于ACP (Artificial systems, computational experiments, parallel execution)方法的载人登月中止规划框架, 论述了该框架下人工系统和平行执行的初步设计, 主要讨论了计算实验设计、分析和验证过程. 针对中止规划时中止点状态误差的不确定性, 提出利用短时间的累积观测值确定中止点状态误差的计算实验方法, 并应用模拟退火单纯形混合算法求解从载人登月轨道上任一点返回地球的中止机动方案. 最后给出基于正交实验设计的计算实验示例性算例, 验证本文提出方法的有效性.
2012, 38(11): 1804-1814.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.01804
摘要:
针对不同焦距下拍摄的多分辨率尺度的图像序列,本文提出了一种基于尺度不变特征转换(Scale invariant feature transform, SIFT)和图像配准的超分辨率(Super resolution, SR)图像盲重建算法.首先提取图像SIFT特征点,然后用向量夹角余弦进行特征描述符向量的初匹配,并用随机抽样一致性 (Random sample consensus, RANSAC)算法消除误匹配提高配准精度.计算变换参数后,将低分辨率图像(Low-resolution, LR)像素点映射到高分辨率(How-resolution, HR)网格,最后利用像素可信度加权算法填充缺失像素值,重建更高分辨率的图像.实验表明, 本文算法能精确估计图像序列的缩放因子,可以有效处理仿射变换模型,对配准误差也具有一定的鲁棒性.算法从实质上提高了多分辨率尺度图像序列的分辨率,尤其在低分辨率帧数较少可用于重建的信息量严重不足时也能获得比较满意的重建效果.
针对不同焦距下拍摄的多分辨率尺度的图像序列,本文提出了一种基于尺度不变特征转换(Scale invariant feature transform, SIFT)和图像配准的超分辨率(Super resolution, SR)图像盲重建算法.首先提取图像SIFT特征点,然后用向量夹角余弦进行特征描述符向量的初匹配,并用随机抽样一致性 (Random sample consensus, RANSAC)算法消除误匹配提高配准精度.计算变换参数后,将低分辨率图像(Low-resolution, LR)像素点映射到高分辨率(How-resolution, HR)网格,最后利用像素可信度加权算法填充缺失像素值,重建更高分辨率的图像.实验表明, 本文算法能精确估计图像序列的缩放因子,可以有效处理仿射变换模型,对配准误差也具有一定的鲁棒性.算法从实质上提高了多分辨率尺度图像序列的分辨率,尤其在低分辨率帧数较少可用于重建的信息量严重不足时也能获得比较满意的重建效果.
2012, 38(11): 1815-1823.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.01815
摘要:
为了更有效地利用彩色人脸的色彩信息进行识别,提出了一种新的基于彩色图像四元数表示的算法. 首先基于彩色图像四元数表示和四元数代数理论定义了四元数伪Zernike矩(Quaternion pseudo-Zernike moments, QPZMs), 将传统的主要处理灰度图像的伪Zernike矩(Pseudo-Zernike moments, PZMs)推广应用于彩色图像,然后基于QPZMs构造了彩色人脸图像针对旋转、缩放和平移(Rotation, scaling, and translation, RST)变换的四元数值不变量,最后结合这些鲁棒的不变量特征和四元数BP神经网络(Quaternion back propagation neural network, QBPNN)分类器进行彩色人脸识别. 实验结果表明,与现有基于四元数的算法比较,本文算法在表情、光照、位置等变化方面具有更强的鲁棒性.
为了更有效地利用彩色人脸的色彩信息进行识别,提出了一种新的基于彩色图像四元数表示的算法. 首先基于彩色图像四元数表示和四元数代数理论定义了四元数伪Zernike矩(Quaternion pseudo-Zernike moments, QPZMs), 将传统的主要处理灰度图像的伪Zernike矩(Pseudo-Zernike moments, PZMs)推广应用于彩色图像,然后基于QPZMs构造了彩色人脸图像针对旋转、缩放和平移(Rotation, scaling, and translation, RST)变换的四元数值不变量,最后结合这些鲁棒的不变量特征和四元数BP神经网络(Quaternion back propagation neural network, QBPNN)分类器进行彩色人脸识别. 实验结果表明,与现有基于四元数的算法比较,本文算法在表情、光照、位置等变化方面具有更强的鲁棒性.
2012, 38(11): 1824-1830.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.01824
摘要:
针对目前基于直方图平移类可逆水印算法存在的安全问题, 提出一种基于多重元胞自动机(Cellular automata, CA)的图像水印加密算法. 该算法综合考虑辅助信息、水印及水印图像三方面的安全性, 利用不同的元胞自动机规则进行逐级加密, 建立多重加密模型生成加密水印图像. 仿真结果表明, 该算法在密钥空间、直方图分布、相关性、信息熵及灰度变化等安全评估标准下均具有较高的安全性, 有效克服了基于直方图平移类可逆水印算法在安全性方面存在的不足.
针对目前基于直方图平移类可逆水印算法存在的安全问题, 提出一种基于多重元胞自动机(Cellular automata, CA)的图像水印加密算法. 该算法综合考虑辅助信息、水印及水印图像三方面的安全性, 利用不同的元胞自动机规则进行逐级加密, 建立多重加密模型生成加密水印图像. 仿真结果表明, 该算法在密钥空间、直方图分布、相关性、信息熵及灰度变化等安全评估标准下均具有较高的安全性, 有效克服了基于直方图平移类可逆水印算法在安全性方面存在的不足.
2012, 38(11): 1831-1840.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.01831
摘要:
标准最小包含球(Minimum enclosing ball, MEB)模型的对偶问题可视为MEB问题并能够利用核心集向量机(Core vector machine, CVM)实现大样本的快速训练,但对于一般化MEB模型,对偶问题中的不等式约束发生了变化而不能视为MEB问题, 不能方便地使用CVM来解决大样本的快速训练.为此,提出了一般化MEB快速学习方法(Fast learning of generalized MEB, FL-GMEB),首先放松对偶问题中的不等式约束条件,使其等价于中心约束的MEB问题,从而利用CVM获得其核心集(Core set, CS);然后利用局部线性嵌入(Locally linear embedding, LLE)的逆思想将CS扩充为拓展核心集(Extended core set, ECS);最后将ECS及其对应的优化权作为一般化MEB模型的逼近解. UCI和USPS数据集上的实验结果表明, FL-GMEB在大样本快速训练方面具有较好的性能优势.
标准最小包含球(Minimum enclosing ball, MEB)模型的对偶问题可视为MEB问题并能够利用核心集向量机(Core vector machine, CVM)实现大样本的快速训练,但对于一般化MEB模型,对偶问题中的不等式约束发生了变化而不能视为MEB问题, 不能方便地使用CVM来解决大样本的快速训练.为此,提出了一般化MEB快速学习方法(Fast learning of generalized MEB, FL-GMEB),首先放松对偶问题中的不等式约束条件,使其等价于中心约束的MEB问题,从而利用CVM获得其核心集(Core set, CS);然后利用局部线性嵌入(Locally linear embedding, LLE)的逆思想将CS扩充为拓展核心集(Extended core set, ECS);最后将ECS及其对应的优化权作为一般化MEB模型的逼近解. UCI和USPS数据集上的实验结果表明, FL-GMEB在大样本快速训练方面具有较好的性能优势.
2012, 38(11): 1841-1846.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.01841
摘要:
本文给出的压缩方法属于谱压缩方法. 谱压缩方法是一种常用的二维轮廓线模型压缩方法. 文章从压缩感知的角度解释了谱压缩方法, 并提出了基于压缩感知的二维轮廓线模型压缩方法. 首先利用二维轮廓线模型 Laplace 算子的特征向量构造了一组基. 二维轮廓线模型的几何结构在这组基下可以被稀疏表达. 利用随机矩阵对二维轮廓线模型的几何结构抽样, 完成压缩. 恢复过程中, 通过最优化1-范数, 实现几何信号的恢复. 实验结果表明, 该方法压缩速度快, 比例高, 恢复效果好, 适合对大型数据以及远距离数据进行压缩.
本文给出的压缩方法属于谱压缩方法. 谱压缩方法是一种常用的二维轮廓线模型压缩方法. 文章从压缩感知的角度解释了谱压缩方法, 并提出了基于压缩感知的二维轮廓线模型压缩方法. 首先利用二维轮廓线模型 Laplace 算子的特征向量构造了一组基. 二维轮廓线模型的几何结构在这组基下可以被稀疏表达. 利用随机矩阵对二维轮廓线模型的几何结构抽样, 完成压缩. 恢复过程中, 通过最优化1-范数, 实现几何信号的恢复. 实验结果表明, 该方法压缩速度快, 比例高, 恢复效果好, 适合对大型数据以及远距离数据进行压缩.
2012, 38(11): 1847-1860.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.01847
摘要:
用于非线性椭球估计的自适应扩展集员(Adaptive extended set-membership filter, AESMF)算法在实际应用中存在着过程噪声设定椭球与真实噪声椭球失配的问题, 导致滤波器的估计出现偏差甚至发散. 本文提出了一种基于MIT规则过程噪声椭球最优化的自适应扩展集员估计算法(MIT-AESMF), 用于解决非线性系统时变状态和参数的联合估计和定界中过程噪声无法精确建模问题的新算法. 本算法通过MIT优化规则,在线计算使一步预测偏差包络椭球最小化的过程噪声包络椭球, 以此保证滤波器健康指标满足有效条件; 最后, 采用地面移动机器人状态和动力学参数联合估计验证了所提出方法的有效性.
用于非线性椭球估计的自适应扩展集员(Adaptive extended set-membership filter, AESMF)算法在实际应用中存在着过程噪声设定椭球与真实噪声椭球失配的问题, 导致滤波器的估计出现偏差甚至发散. 本文提出了一种基于MIT规则过程噪声椭球最优化的自适应扩展集员估计算法(MIT-AESMF), 用于解决非线性系统时变状态和参数的联合估计和定界中过程噪声无法精确建模问题的新算法. 本算法通过MIT优化规则,在线计算使一步预测偏差包络椭球最小化的过程噪声包络椭球, 以此保证滤波器健康指标满足有效条件; 最后, 采用地面移动机器人状态和动力学参数联合估计验证了所提出方法的有效性.
2012, 38(11): 1861-1869.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.01861
摘要:
针对现有层流冷却过程带钢温度模型缺乏换热系数、带钢定位、带钢卷取温度计算的有效方法这一问题,提出了由冷却单元阀门开闭状态模型、带钢冷却单元定位模型、不同换热方式下的带钢温度模型组成的带钢卷取温度动态模型,将案例推理、规则推理、 神经网络等相结合,提出了规则与数据驱动的模型参数智能辨识方法.采用某钢厂实际生产运行数据对所提出的带钢卷取温度动态模型进行了实验研究,实验结果表明本文提出的方法能够有效提高带钢卷取温度模型的精度.
针对现有层流冷却过程带钢温度模型缺乏换热系数、带钢定位、带钢卷取温度计算的有效方法这一问题,提出了由冷却单元阀门开闭状态模型、带钢冷却单元定位模型、不同换热方式下的带钢温度模型组成的带钢卷取温度动态模型,将案例推理、规则推理、 神经网络等相结合,提出了规则与数据驱动的模型参数智能辨识方法.采用某钢厂实际生产运行数据对所提出的带钢卷取温度动态模型进行了实验研究,实验结果表明本文提出的方法能够有效提高带钢卷取温度模型的精度.
2012, 38(11): 1870-1879.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.01870
摘要:
针对异构环境并行计算的静态任务调度问题,以最小化有向无环图 (Directed acyclic graph, DAG)的执行跨度为目标,改变HEFT (Heterogeneous earliest finish time)算法中任务上行权重的计算方法, 获得更加合理的任务顺序排列,提出了一种最早完成时间优先的表调度算法IHEFT (Improvement heterogeneous earliest finish time).该算法在计算任务的上行权重时, 分别计算该任务分配给不同资源的上行权重,取其最小值,比使用所有资源对该任务的平均处理时间进行计算的HEFT算法更为准确. 确定任务的处理顺序后采用最早完成时间越小越优先的策略将任务分配给最优资源,并使得任务的开始执行时间和结束时间满足DAG中有向边的通讯时间约束.通过使用部分文献中的算例数据以及随机生成满足一定结构要求的DAG进行算法测试,将IHEFT与HEFT, CPOP (Critical-path-on-a-processor)和LDCP (Longest dynamic critical path)进行了比较,结果显示IHEFT算法更有效,而且时间复杂度较低.
针对异构环境并行计算的静态任务调度问题,以最小化有向无环图 (Directed acyclic graph, DAG)的执行跨度为目标,改变HEFT (Heterogeneous earliest finish time)算法中任务上行权重的计算方法, 获得更加合理的任务顺序排列,提出了一种最早完成时间优先的表调度算法IHEFT (Improvement heterogeneous earliest finish time).该算法在计算任务的上行权重时, 分别计算该任务分配给不同资源的上行权重,取其最小值,比使用所有资源对该任务的平均处理时间进行计算的HEFT算法更为准确. 确定任务的处理顺序后采用最早完成时间越小越优先的策略将任务分配给最优资源,并使得任务的开始执行时间和结束时间满足DAG中有向边的通讯时间约束.通过使用部分文献中的算例数据以及随机生成满足一定结构要求的DAG进行算法测试,将IHEFT与HEFT, CPOP (Critical-path-on-a-processor)和LDCP (Longest dynamic critical path)进行了比较,结果显示IHEFT算法更有效,而且时间复杂度较低.
2012, 38(11): 1880-1884.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2012.01880
摘要:
针对受损多智能体系统的信息一致性问题, 基于代数图论提出了联合r连通概念, 给出了当系统中的部分成员受损或离开后不能继续原有工作时, 其余成员仍可实现一致性的充要条件. 研究结果表明, 在此条件下系统可失去成员的数量取决于系统的通信能力. 仿真实例验证了理论分析结果的正确性和有效性.
针对受损多智能体系统的信息一致性问题, 基于代数图论提出了联合r连通概念, 给出了当系统中的部分成员受损或离开后不能继续原有工作时, 其余成员仍可实现一致性的充要条件. 研究结果表明, 在此条件下系统可失去成员的数量取决于系统的通信能力. 仿真实例验证了理论分析结果的正确性和有效性.
