计算机工程与科学

2019年第11期目录

2019, 41(11): 0-0. doi:

摘要 ( 17 )

PDF (282KB) ( 75 ) 　　

归一化积相关算法加速方法研究及FPGA实现

李红军, 郭阳, 贾润

2019, 41(11): 1905-1910. doi:

摘要 ( 175 )

PDF (944KB) ( 291 ) 　　

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随着飞航导弹向高效打击和提升智能的方向发展，为了保证打击的精确性，对地形匹配、目标识别的实时性要求也越来越高，单靠DSP软件进行图像处理的做法已经难以满足要求。根据FPGA实现数学运算的特点，提出了归一化积相关算法公式的化简方法，具有精度高、速度快的特点，并设计了积相关硬件加速电路单元架构和积相关多路并行计算架构，通过在FPGA上进行实现验证，能够满足新一代飞航导弹地形匹配及目标识别的实时性要求。

基于深度极限学习机的模拟电路故障诊断

颜学龙,马润平

2019, 41(11): 1911-1918. doi:

摘要 ( 231 )

PDF (1098KB) ( 234 ) 　　

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针对模拟电路故障诊断中特征提取以及模型训练时间较长的难题，采用了一种基于深度极限学习机的模拟电路故障诊断算法。该算法将深度学习中自编码器的思想引入到极限学习机中，构建深度网络，将底层的故障特征转换更加抽象的高级特征，能自主地学习数据特征，避免了繁琐的特征提取和选择。最终通过Sallen-Key和四运放双二次高通滤波2个模拟电路进行仿真研究，实验结果验证了算法在模拟电路故障诊断上的可行性，也表明模型学习速度快、泛化能力好，具有较强的诊断能力，故障诊断分类准确率可以达到100%，诊断时间在0.3 s左右。

基于国产软硬件的OpenCL计算平台研究

安婷玉1，郭宝宝2

2019, 41(11): 1919-1923. doi:

摘要 ( 183 )

PDF (396KB) ( 221 ) 　　

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随着智能计算和大数据应用的发展，人们对GPU等加速部件的需求不断增长。基于国产基础软硬件平台运行显控应用做加速计算的需求，研究了OpenCL计算平台的移植和实现途径，就国产软硬件平台进行GPU计算做出了初步探索。研究的计算平台包括Mesa、ROCm、Pocl和Beignet，最后给出了如何将ROCm在国产平台上移植适配的思路和解决方案。

用于图像处理的FPGA存储器优化分配

陈凯峰，梁鉴如

2019, 41(11): 1924-1929. doi:

摘要 ( 146 )

PDF (649KB) ( 181 ) 　　

现场可编程门阵列(FPGA)在计算机视觉应用领域有着广阔的前景，然而FPGA有限的片上存储器资源难以满足应用场景下性能、尺寸和功率的需求。针对这个问题，研究片上存储器的资源分配，在最小化片上资源使用和整体功耗的前提下提出一种易于实现的分区平衡算法。实验结果表明，与商用FPGA高级综合工具相比，本文算法的利用率提高达60％，且动态功耗降低了约70％。在高级算法MeanShift跟踪的实验中，实验结果显示，分区算法可以在不影响关键性能的前提下降低总功耗高达30％。

高动态飞行器自组织网络组网研究

洪洁1,2，张德海1

2019, 41(11): 1930-1938. doi:

摘要 ( 274 )

PDF (926KB) ( 323 ) 　　

节点高速移动和网络拓扑变化迅速严重影响着高动态飞行器自组织网络性能。提出了一种适于高动态场景的移动自组织网络协议栈设计。该设计着重QoS需求，围绕网络拓扑高动态变化特征，合理配置不同层次的网络协议，适合高动态应用场景。以平面网络为例，分析评估了FANET网络在高动态环境下的性能。实验结果表明，该组网方式可行并能满足高动态飞行器自组织网络的功能和性能需求。还提出了节点在个体移动方式下保持网络高性能的最佳节点数目和网络各层次协议适应高动态拓扑变化的应对策略。

VC Chain:联盟式音视频版权区块链系统

陈子豪，李强，甘俊，张超，黎祖睿

2019, 41(11): 1939-1948. doi:

摘要 ( 260 )

PDF (1107KB) ( 359 ) 　　

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随着音视频产业的飞速发展，音视频作品的版权保护越来越受到人们的关注。传统数字版权系统的中心化管理导致的版权数据易泄露、易被篡改等弊端成为音视频版权保护的难题。在出现侵权和版权纠纷时如何利用技术手段确权成为问题的关键。为此，提出一种基于改进实用拜占庭容错算法（PBFT）的联盟式音视频版权区块链系统(VC Chain)。该系统防止了版权数据泄露或被恶意篡改，利用密码学技术提供更加可靠的数字版权确权与溯源过程，提高数字版权管理的安全性。实验结果表明，改进后的新共识算法使系统在共识速度与数据通信次数方面得到了优化。最后，指出了数字版权管理面临的问题，并给出了该系统针对这些问题的解决方案。

混合环上带惩罚费用的负载平衡问题

关莉，冯彦雪

2019, 41(11): 1949-1953. doi:

摘要 ( 112 )

PDF (374KB) ( 154 ) 　　

在过去的20多年里，环负载平衡问题得到了广泛的研究。带惩罚费用的环负载平衡问题是环负载平衡问题的推广形式，在无向环和有向环上有一些研究结果。
提出了带惩罚费用的混合环负载平衡问题，对于给定的混合环C和点对集，每1个点对rj都有1个流量dj和1个惩罚费用pj,当点对rj被接收时，其流量可以沿环上的顺时针路和逆时针路进行运输，点对rj也可以被拒绝，此时将产生惩罚费用pj，目标是使得环C上连接边的最大负载和惩罚费用之和达到最小。在流量可分的情况下，利用线性规划取整技巧，给出了1个2-近似算法，进一步地，利用随机取整技巧，得到1个更好的近似算法，近似比为1.58。类似地，在流量不可分的情况下，给出了1个3-近似算法和1个(1.58+ε)-近似算法，其中ε>0是一个固定的常数。

一种多笔画图形加数字的图形密码方案

顾彦波，李敬文，火金萍，席晓慧

2019, 41(11): 1954-1960. doi:

摘要 ( 105 )

PDF (608KB) ( 172 ) 　　

安卓解锁模式(简称AUP)是目前在手机、pad等手持设备上应用最广泛的图形密码解锁方案。但是，在实际中能够使用到的密码只是图形密码空间中的一小部分，并且由于用户的使用习惯使得密码的分布不均匀，导致AUP的实际安全性远低于其理论上的安全性，更容易被攻击者破解。提出一种多笔画图形加数字的图形密码方案MSDGP，系统会根据用户的选择推荐相应难度级别的密码。该方案类似于AUP，根据数字及其位置的不同，很大程度上增加了图形密码空间，图形密码由系统推荐生成，避免了因用户的使用习惯而造成的分布不均问题，从而有效防止了暴力破解和字典攻击，因而具有更高的安全性。

一种基于LBP的纹理合成无载体信息隐藏方法

魏伟一，王瑜，阿成凤

2019, 41(11): 1961-1967. doi:

摘要 ( 156 )

PDF (939KB) ( 228 ) 　　

为了提高无载体隐写算法的嵌入容量和抗干扰能力，提出了一种基于LBP码的纹理合成信息隐藏方法。该方法首先选择原始小尺寸纹理图像，分割生成均匀的像素块并计算块内每个像素的LBP值，取分布最多的LBP值作为该图像块的代表信息。隐藏秘密信息时，首先用指定密钥生成伪随机序列确定白纸上放置纹理候选块的位置，然后根据秘密信息的值选择候选块，放置到白纸指定的位置，其余空白位置则使用纹理合成方法填充。提取信息时，根据密钥生成的伪随机序列得到含密信息块位置，计算每一图像块的LBP值，取分布最多的LBP 值作为该图像块包含的信息，从而得到秘密信息。实验结果表明，该方法生成的含密图像具有良好的视觉效果，而且在嵌入容量和抗干扰能力方面有了进一步提高。

虚拟现实软件系统开发方法研究

周哲泓1,2,3，薛锦云1,3，黄捷文1,2,3

2019, 41(11): 1968-1975. doi:

摘要 ( 132 )

PDF (656KB) ( 226 ) 　　

虚拟现实技术是一门综合性技术，涉及计算机图形学、多媒体技术、人机交互和人工智能等多个领域，在教育、医疗、娱乐、军事等众多领域有非常广泛的应用。所有这些技术和应用最终都要靠计算机软件来实现，这就使得虚拟现实系统的软件变得十分庞大和复杂，涉及许多多媒体数据。传统软件开发方法和程序设计技术侧重于处理文本数据，显然不能满足开发虚拟现实软件的需要。试图以所在团队研发成功的PAR方法和PAR平台为基础，根据虚拟现实软件系统的特征，探寻虚拟现实软件系统开发的新方法，进一步扩充和完善PAR平台中已有多媒体处理技术、形式化建模技术和C#等高级语言程序自动生成系统。

一种面向多平台航电资源建模及其调度算法

史文杰，詹雨奇，李奎

2019, 41(11): 1976-1984. doi:

摘要 ( 133 )

PDF (1618KB) ( 222 ) 　　

随着航空电子系统朝着体系化发展，依靠网络构建包含不同飞行器航电资源在内的多平台航电资源就显得尤为重要。通过综合利用不同飞行平台的资源，发挥不同平台资源的优势，利用协同提升执行任务的能力。多平台航电系统的资源管理和任务调度是其核心功能。为了仿真和验证多平台航电系统资源管理功能，进一步研究资源调度方法，对多平台航电资源建模方法和调度算法进行研究，解决了对多平台航电系统上硬件资源的合理调度问题，增加了任务接受率。首先，利用多层分级拓扑结构对多平台航电资源进行建模，并对多平台航电任务需求进行分析;其次在SST自适应调度算法的基础上增加传感器、优先级等因素,以达到更高的接受率目标，改进后的算法完成一系列任务请求对航电资源的需求分配过程；最后，利用CloudSim仿真实验环境实现改进后的算法，从不同场景对实验结果进行全面分析。实验结果表明，本文设计的算法相比于原始算法任务请求的接受率有较大的改善。

像素级的皮肤分割与面色分级

吴从中1,侯国松1,丁正龙2,许良凤1,詹曙1

2019, 41(11): 1985-1990. doi:

摘要 ( 137 )

PDF (731KB) ( 234 ) 　　

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皮肤是人体最大的器官，面色相对于人体其他生物属性具有更便捷、更稳定的特性。因此，设计一个完整有效的面色分级系统是非常有意义的。本文中，面色分级系统被分为皮肤分割和面色分级2部分。针对皮肤分割任务，在生成对抗网络框架下搭建了一个多尺度特征融合网络，相对于传统的语义分割网络，本文的分割模型充分地利用了每一层特征图的信息。在面色分级实验中，首先在归一化rgb、HSV和Lab颜色空间下使用1 000幅图像分别训练了支持向量机（SVM）和BP神经网络分类器，128幅皮肤图像被用作测试集，正确率在73%～76%；之后将颜色特征与皮肤区域纹理特征融合进行学习，使用SVM分类的正确率为85%，使用BP神经网络分类的正确率达到了91%。

基于SHN模型的商品图像检索方法

贺周雨1,冯旭鹏2,刘利军1,黄青松1,3

2019, 41(11): 1991-1999. doi:

摘要 ( 123 )

PDF (930KB) ( 224 ) 　　

近年来电子商务行业快速发展，如何通过图像信息在庞大的商品库中快速、准确地找到所需要的商品具有重要的应用价值。针对商品图像数据规模大、类间数据量差异大、被拍摄商品的尺度相差较大以及压缩图像会损失掉细节信息的特点，提出了一个融合金字塔池化策略与哈希学习的空间金字塔池化哈希网络SHN模型,作为本文商品图像检索方法的特征提取部分。为了提高模型对图像形变的鲁棒性，采用金字塔池化策略实现多尺度特征融合；为了使学习到的哈希码具有更好的独立性，使用量化误差损失及附加权值对哈希编码进行约束。本文方法保留了原始图像信息，解决了图像尺度变化所带来的负面影响，通过哈希编码能够实现快速的商品图像检索，商品图像检索实验中的mAP值达到91.986 3%，完成一次检索所用时间为0.034 856 s，检索性能优于当前主流方法。

面向眼底图像小目标检测的无监督学习方法

孙一飞，武继刚，张欣鹏

2019, 41(11): 2000-2006. doi:

摘要 ( 300 )

PDF (651KB) ( 349 ) 　　

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小目标检测是图像处理领域的一个难点，尤其是医学图像中的小目标检测。微动脉瘤MA作为眼底图像中的一类小目标，尺寸小、局部对比度较低，并且存在较多的噪声干扰，检测难度较大。传统的检测方法需要手工提取特征，难以准确检测MA。而基于深度学习的检测需要进行复杂的前期准备工作，工作量大，并且难以解决正负样本数量不平衡的问题，容易产生过拟合。稀疏编码器SAE是一种无监督机器学习算法，可以在样本数量不平衡的环境中有效地提取样本的特征。因此，提出了一种基于SAE的无监督学习方法检测MA，采用反向传播更新SAE的权重和偏置以提取样本的特征，并利用提取的特征训练Softmax，最终实现MA的准确检测。为验证方法性能，选取了Retinopathy Online Challenge、DIARETDB1和E-ophtha-MA 3个数据库分别进行实验。实验结果表明，本文方法能够准确地检测出眼底图像中的MA，并且获得了较高的准确率和灵敏度。准确率分别为98.5%,87.2%和92.6%，灵敏度分别为99.9%,99.8%和98.7%。

基于卷积神经网络的图像数据增强算法

蒋芸，张海，陈莉，陶生鑫

2019, 41(11): 2007-2016. doi:

摘要 ( 305 )

PDF (1223KB) ( 320 ) 　　

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提升卷积神经网络的泛化能力和降低过拟合的风险是深度卷积神经网络的研究重点。遮挡是影响卷积神经网络泛化能力的关键因素之一，通常希望经过复杂训练得到的模型能够对遮挡图像有良好的泛化性。为了降低模型过拟合的风险和提升模型对随机遮挡图像识别的鲁棒性，提出了激活区域处理算法，
在训练过程中对某一卷积层的最大激活特征图进行处理后对输入图像进行遮挡，然后将被遮挡的新图像作为网络的新输入并继续训练模型。实验结果表明，提出的算法能够提高多种卷积神经网络模型在不同数据集上的分类性能，并且训练好的模型对随机遮挡图像的识别具有非常好的鲁棒性。

犹豫直觉模糊集的知识测度及其应用

张荣荣，李永明

2019, 41(11): 2017-2026. doi:

摘要 ( 167 )

PDF (480KB) ( 231 ) 　　

犹豫直觉模糊集集成了直觉模糊集与犹豫模糊集的优点，能够更好地处理决策者偏好不一致时的不确定性问题。通过考虑决策者提供信息的犹豫性与模糊性，给出了犹豫直觉模糊集上知识测度的公理化定义，并且构建出犹豫直觉模糊集上一类含参知识测度，这类知识测度可以有效地刻画犹豫直觉模糊集所包含的信息量和决策者的态度特征。接下来，基于对该类知识测度中的参数进行讨论，得到一系列代表决策者不同态度特征的知识测度，进一步验证了知识测度与决策者态度系数的变化成正比。最后，基于犹豫直觉模糊集的知识测度提出多属性群决策方法，并将此方法应用于某互联网公司的空调安装公司选择的案例中，证明了所提出的知识测度具有有效性与实用性。

基于多模型融合的流失用户预测方法

叶成，郑红，程云辉

2019, 41(11): 2027-2032. doi:

摘要 ( 157 )

PDF (804KB) ( 199 ) 　　

准确的用户流失预测能力有助于企业提高用户保持率、增加用户数量和增加盈利。现有的流失用户预测模型大多为单一模型或是多个模型的简单融合，没有充分发挥多模型集成的优势。借鉴了随机森林的Bootstrap Sampling的思想，提出了一种改进的Stacking集成方法，并将该方法应用到了真实数据集上进行流失用户的预测。通过验证集上的实验比较可知，提出的方法在流失用户F1值、召回率和预测准确率3项指标上均好于所有相同结构的经典Stacking集成方法；当采用恰当的集成结构时，其表现可超越基分类器上的最优表现。

基于增量协同过滤和潜在语义分析的混合推荐算法

刘辉1,2,3，万程峰1,2，吴晓浩1,2

2019, 41(11): 2033-2039. doi:

摘要 ( 130 )

PDF (587KB) ( 177 ) 　　

为了解决传统新闻推荐系统定期更新推荐算法不能根据用户喜好的变化进而动态地调整推荐列表的问题，提出了一种混合推荐算法(IULSACF)。该算法包含了2个关键部分：基于项目的增量更新协同过滤算法和基于关键词频率的潜在语义分析算法。该混合推荐算法在基于项目的增量更新协同过滤模块中，通过对项目相似度列表增量更新来动态地调整推荐列表，并结合潜在语义分析算法来确保所推荐文章的相关性。实验结果表明，所提出的IULSACF算法在各项评价指标上均优于传统的推荐方法。

基于二分图划分联合聚类的协同过滤推荐算法

黄乐乐1，马慧芳1,2，李宁3，余丽1

2019, 41(11): 2040-2047. doi:

摘要 ( 163 )

PDF (678KB) ( 293 ) 　　

准确而积极地向用户提供他们可能感兴趣的信息或服务是推荐系统的主要任务。协同过滤是采用得最广泛的推荐算法之一，而数据稀疏的问题往往严重影响推荐质量。为了解决这个问题，提出了基于二分图划分联合聚类的协同过滤推荐算法。首先将用户与项目构建成二分图进行联合聚类，从而映射到低维潜在特征空间；其次根据聚类结果改进2种相似性计算策略：簇偏好相似性和评分相似性，并将二者相结合。基于结合的相似性，分别采用基于用户和项目的方法来获得对未知目标评分的预测。最后，将这些预测结果进行融合。实验结果表明，所提算法比最新的联合聚类协同过滤推荐算法具有更好的性能。

结合信任度和项目关联的混合推荐算法

杨丰瑞1,2,3，吴晓浩1,2，万程峰1,2

2019, 41(11): 2048-2054. doi:

摘要 ( 95 )

PDF (602KB) ( 181 ) 　　

推荐系统是大数据时代处理信息过载问题的重要手段，传统的推荐算法的准确性和可靠性相对较低。针对用户和项目冷启动问题，提出一种基于概率矩阵分解的混合型推荐算法(HR-TP)，先从用户的评分角度挖掘用户的信任关系，再利用标签上下文根据用户特征测量项目间的关联关系，然后融合到概率矩阵模型中进行推荐。实验表明，本文提出的算法在推荐精度上对比常规方法取得了很好的效果。

基于Vanet的无人驾驶动态路径规划算法研究

曾鹏，万华森，王一霖

2019, 41(11): 2055-2062. doi:

摘要 ( 137 )

PDF (1136KB) ( 237 ) 　　

随着智能交通的发展，无人驾驶成为未来颠覆传统出行的又一重要交通工具，为适应无人驾驶大规模复杂的交通环境，为无人驾驶导航规划提出了动态双向A*算法。车载自组网是未来无人驾驶的一个重要发展方向，为检验算法在车载自组网环境下的性能表现，采用OMNeT++与SUMO双向耦合，在开源框架Veins基础上进行联合仿真实验，证明在不同交通密度的交通状态中，在Vanet环境下动态双向A*算法相比在无Vanet环境下传统双向A*算法，能更有效地缩短行程时间，提高出行效率。

一种改进的基于欧氏距离的SDRSMOTE算法

李克文1，林亚林1，杨耀忠2

2019, 41(11): 2063. doi:

摘要 ( 130 )

PDF (587KB) ( 205 ) 　　

SMOTE算法可以扩充少数类样本，提高不平衡数据集中少数类的分类能力，但是它在扩充少数类样本时对于边界样本的选择以及随机数的取值具有盲目性。针对此问题，将传统的SMOTE过采样算法进行改进，改进后的过采样算法定义为SDRSMOTE，该算法综合考虑不平衡数据集中全部样本的分布状况，通过融合支持度sd和影响因素posFac来指导少数类样本的合成。在WEKA平台上分别使用SMOTE、SDRSMOTE算法对所选用的6个不平衡数据集进行过采样数据预处理，然后使用决策树、AdaBoost、Bagging和朴素贝叶斯分类器对预处理后的数据集进行预测，选择F-value、G-mean和AUC作为分类性能的评价指标，实验表明
SDRSMOTE算法预处理的不平衡数据集的分类效果更好，证明了该算法的有效性。

基于TNG特征扩展的MLFM-MN短文本分类算法

文武1,2,3，李培强1,2，郭有庆1,2

2019, 41(11): 2071-2078. doi:

摘要 ( 128 )

PDF (572KB) ( 151 ) 　　

在海量短文本中由于特征稀疏、数据维度高这一问题，传统的文本分类方法在分类速度和准确率上达不到理想的效果。针对这一问题提出了一种基于Topic N-Gram（TNG）特征扩展的多级模糊最小-最大神经网络（MLFM-MN）短文本分类算法。首先通过使用改进的TNG模型构建一个特征扩展库并对特征进行扩展，该扩展库不仅可以推断单词分布，还可以推断每个主题文本的短语分布；然后根据短文本中的原始特征，计算这些文本的主题倾向，根据主题倾向，从特征扩展库中选择适当的候选词和短语，并将这些候选词和短语放入原始文本中；最后运用MLFM-MN算法对这些扩展的原始文本对象进行分类，并使用精确率、召回率和F1分数来评估分类效果。实验结果表明，本文提出的新型分类算法能够显著提高文本的分类性能。

求解0-1背包问题的二进制狮群算法

刘生建1，杨艳1，周永权2

2019, 41(11): 2079-2087. doi:

摘要 ( 151 )

PDF (725KB) ( 242 ) 　　

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针对传统二进制群智能算法求解0-1背包问题易陷入局部最优、收敛速度慢的缺点，提出一种新的解决离散空间问题的二进制狮群算法BLSO。二进制狮群算法对狮王、母狮和幼狮的位置重新定义，引入反置运算、移动算子和学习算子建立全新的位置转移方式和局部搜索规则；加入贪心策略进行解的可行化处理和充分利用，增强局部搜索能力，进一步提高收敛速度。对9个典型的0-1背包算例进行仿真实验，实验结果表明，该算法不仅可以有效求解 0-1背包问题，而且还能够以较快的速度搜索到精度较高的次优解甚至全局最优解，具有较好的稳定性；同时，对高维背包问题的求解与参考算法相比，在寻优时间和精度上更具优势。

基于各类支持度阈值独立挖掘的关联改进算法

周忠眉1,2,李家辉1,2

2019, 41(11): 2088-2094. doi:

摘要 ( 98 )

PDF (507KB) ( 157 ) 　　

关联分类及较多的改进算法很难同时既具有较高的整体准确率又有较好的小类分类性能。针对此问题，提出了一种基于类支持度阈值独立挖掘的关联分类改进算法—ACCS。ACCS算法的主要特点是：(1)根据训练集中各类数量大小给出每个类类支持度阈值的设定方法，并基于各类的类支持度阈值独立挖掘该类的关联分类规则，尽量使小类生成更多高置信度的规则；(2) 采用类支持度对置信度相同的规则排序，提高小类规则的优先级；(3)用综合考虑置信度和提升度的新的规则度量预测未知实例。在多个数据集上的实验结果表明，相比多种关联分类改进算法，ACCS算法有更高的整体分类准确率，且在不平衡数据上也能取得较好的小类分类性能。

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