计算机工程与科学

2022年第1期目录

2022, 44(01): 0-0. doi:

摘要 ( 122 )

PDF (280KB) ( 197 ) 　　

基于RISC-V向量指令的稀疏矩阵向量乘法实现与优化

顾越, 赵银亮

2022, 44(01): 1-8. doi:

摘要 ( 500 )

PDF (714KB) ( 353 ) 　　

开源指令集架构RISC-V具有高性能、模块化、简易性和易拓展等优势，在物联网、云计算等领域的应用日渐广泛，其向量拓展部分V模块更是很好地支持了矩阵数值计算。稀疏矩阵向量乘法SpMV作为矩阵数值计算的一个重要组成部分，具有深刻的研究意义与价值。利用RISC-V 指令集的向量可配置性和寻址特性，分别对基于CSR、ELLPACK和HYB压缩格式存储的稀疏矩阵向量乘法进行向量化。同时，考虑稀疏矩阵极度稀疏和每行非零元素数量波动较大的情况，通过压缩非零元素密度低的行向量的存储、调整HYB分割阈值等手段，改进了HYB存储格式，显著改善了计算效率和存储效率。

一种嵌入式双操作系统架构中外设资源动态迁移的研究与实现

崔振礼, 罗宇

2022, 44(01): 9-15. doi:

摘要 ( 111 )

PDF (659KB) ( 179 ) 　　

随着嵌入式设备性能的提升和功能的不断扩展，单操作系统架构已经难以满足越来越复杂的应用需求，因此学术界和产业界提出了双操作系统架构。然而，如何合理地配置有限的外设资源是双操作系统架构面临的一个重要问题。基于华为海思Hi3559AV100 SOC双操作系统架构中外设中断与CPU核的绑定原理，提出一种外设资源在系统运行期间可以动态迁移的解决方案，并在搭载该SOC的嵌入式开发平台上进行了实验验证。实验结果表明，该方案具有较好的可行性和可靠性。

偏好匹配满意度最大化的众包任务分配

郭嘉宇, 付晓东, 岳昆, 刘骊, 冯勇, 刘利军

2022, 44(01): 16-26. doi:

摘要 ( 158 )

PDF (897KB) ( 293 ) 　　

众包任务分配机制对众包任务完成质量起着至关重要的作用，然而现有的分配方法未在稳定性条件下考虑众包用户双边偏好，分配结果的准确性有待提高，并且存在众包用户因不满意当前分配对象而导致众包任务完成质量较低的问题。为此提出一种基于偏好匹配的众包任务分配方法，该方法首先考虑众包任务与工人的双边偏好，根据偏好序计算任务与工人的满意度，生成满意度矩阵；其次，该方法借鉴稳定匹配思想在考虑分配主体偏好的基础上，使分配主体对当前分配对象尽可能满意，以保障分配结果的稳定性；然后，将众包任务分配问题建模为稳定匹配规则下寻找任务最大满意度的优化问题；最后，使用贪心算法对该问题进行求解，得到众包任务分配方案。通过实验验证了该方法的有效性，实验结果表明，该方法提高了分配方案的准确性，并有效减少了无效分配的数量，从而提高了众包任务完成质量。

基于表征学习的模拟电路故障诊断

谈恩民, 王晨

2022, 44(01): 27-35. doi:

摘要 ( 92 )

PDF (992KB) ( 166 ) 　　

针对模拟电路故障诊断中故障信息的多特征、高噪声以及故障诊断时间较长的问题，提出了一种基于H-DELM的模拟电路故障诊断模型。该模型的架构单元为双随机隐藏层的深度极限学习机DELM-AE，2个随机隐藏层用于编码特征，1个输出层用于解码特征。将DELM-AE以分层结构堆叠构建H-DELM模型，由于DELM-AE可以进行特征表示，而且输出与原始输入信息相同，
因此H-DELM可以尽可能多地复制原始输入数据，进而可以学习到更具表现力和紧凑性的特征。最终通过四运放双二次高通滤波器和更复杂的二级四运放双二阶低通滤波器2个电路进行验证。实验结果表明了该模型在模拟电路故障诊断上的可行性；与其他模型的比较表明该模型的鲁棒性较强，分类速度可以达到1 s左右，故障分类准确率可以达到100%。

忆阻器阻变机制及其材料研究进展

邓亚峰, 魏子健, 王栋

2022, 44(01): 36-47. doi:

摘要 ( 702 )

PDF (1245KB) ( 934 ) 　　

忆阻器可以将信息存储和逻辑运算整合到一个电子器件上，这将打破传统的冯·诺依曼计算机架构，其应用前景不可估量。首先简述了忆阻器的发展历程及其基本概念；其次综述了忆阻器的阻变机制及其材料的选择，将目前已知的阻变机制主要概括为3类，即阴离子阻变机制、阳离子阻变机制和纯电子机制，同时详细叙述了不同类型材料在忆阻器应用中的特点；然后论述了忆阻器在布尔逻辑计算以及神经形态系统方面的应用；最后展望了忆阻器未来的发展方向并总结了其在实际研究中仍未很好解决的难题。

数据中心网络四层负载均衡技术综述

李力, 汪硕, 黄韬, 刘韵洁,

2022, 44(01): 48-59. doi:

摘要 ( 275 )

PDF (1035KB) ( 273 ) 　　

针对数据中心难以适应流量增长进行横向扩展并保证连接一致性的问题，阐述了四层负载均衡技术在应对高并发访问和提高资源利用率方面的重要作用，梳理了国内外四层负载均衡模块的设计与算法，总结了负载均衡器以不同方式进行部署分别存在的优缺点，同时分析了网络可编程转发技术在四层负载均衡领域中的应用与最新进展。最后，对网络新形势下负载均衡技术的发展进行了进一步展望并讨论了未来的研究方向。

一种精确缩略图保持的图像加密方案

侯兴旺, 赵若宇, 张玉书

2022, 44(01): 60-67. doi:

摘要 ( 268 )

PDF (711KB) ( 250 ) 　　

手机电脑平板等的普及，使得照片在日常生活中更容易获得，并且人们习惯将大量照片存储在云端。但是，在享受云存储带来的便利的同时，用户也容易受到隐私泄露的威胁。虽然学者们设计出许多图像加密方案用来防止隐私泄露，然而往往忽略了图像的可用性。最近，Tajik等人提出了一种精确缩略图保持的加密方案，能够很好地平衡图像的隐私与可用性。但是，该方案在加密过程中仅以2个像素为一组，效率较低。为此提出一种利用分割法加密图像的方案，该方案以3个像素为一组进行加密，
用于保持密文图像的缩略图与明文图像的缩略图一致，并且该方案相比Tajik方案具有更高的效率。实验表明，这个方案能够使密文图像精确地保持与明文相同的缩略图，平衡了隐私和可用性。

空间激光通信网络拓扑算法设计与仿真研究

周杨, 董玉辉, 姚旭, 刘强, 孙延涛, 张靓

2022, 44(01): 68-74. doi:

摘要 ( 120 )

PDF (868KB) ( 202 ) 　　

研究自由空间激光通信网络移动节点的拓扑控制问题，针对特定场景空间激光通信自组织网络提出一种基于集合划分的启发式拓扑算法。根据空间节点的位置姿态信息和激光建链的约束条件计算节点间的可连接关系及链路稳定度，通过启发式迭代生成较优的全连通稳定拓扑，实现所有节点间的网络层通信。所提算法不仅可优化网络直径，还可在遇到链路断开时，通过集合合并进行拓扑修复。仿真结果表明，拓扑稳定度和网络吞吐量符合优化预期，拓扑遇到中断时可成功修复，且不同节点规模下的算法执行时间符合弗洛伊德算法时间复杂度O(n3)。

改进的无约束优化3D-DV-Hop定位算法

张晶, 李煜,

2022, 44(01): 75-83. doi:

摘要 ( 102 )

PDF (684KB) ( 191 ) 　　

针对传统DV-Hop三维定位算法定位误差较大，且机器学习及仿生算法计算任务繁重的缺点，提出一种改进的无约束优化3D-DV-Hop定位算法，采用二通信半径策略计算最小跳数值，提出平方代价函数对锚节点跳距值进行优化处理，并将其加权跳距值作为未知节点跳距值，最后根据约束问题的无约束求解思想，将加权误差最小化进而求解。通过与传统算法和各类改进算法在3种条件下进行仿真对比，验证了该优化算法在较低计算量的情况下定位误差显著降低。

基于残差密集网络层次信息的图像标题生成

王习, 张凯, 李军辉, 孔芳

2022, 44(01): 84-91. doi:

摘要 ( 100 )

PDF (746KB) ( 171 ) 　　

当前图像标题生成任务的主流方法是基于深层神经网络的方法，尤其是基于自注意力机制模型的方法。然而，传统的深层神经网络层次之间是线性堆叠的，这使得低层网络捕获的信息无法在高层网络中体现，从而没有得到充分的利用。提出基于残差密集网络的方法获取层次语义信息来生成高质量的图像标题。首先，为了能够充分利用网络的层次信息，以及提取深层网络中的各个层的局部特征，提出LayerRDense在层与层之间进行残差密集连接。其次，提出SubRDense，在Decoder端的每层网络中的子层中运用残差密集网络，以更好地融合图像特征和图像的描述信息。在MSCOCO 2014数据集上的实验结果表明，所提出的LayerRDense和SubRDense网络均能进一步提高图像标题生成的性能。

改进小波软阈值函数在图像去噪中的研究应用

徐景秀, 张青

2022, 44(01): 92-101. doi:

摘要 ( 192 )

PDF (1559KB) ( 399 ) 　　

常规小波软阈值去噪方法处理前后的图像小波系数有所差异，导致去噪后图像失真严重。为进一步提升去噪效果，提高去噪和细节保持能力，对阈值的选取方式和阈值函数进行改进。改进方法通过小波变换的每一级子带长度确定阈值，实现阈值自适应准确量化，改进软阈值函数采用双曲正切函数替换符号函数，对阈值绝对值范围内的小波系数应用非线性函数进行逐步压缩，使改进的阈值函数连续性更好，稳定性更强。实验结果表明，改进的小波软阈值去噪方法的峰值信噪比平均提升了48%，结构相似度平均提升了80.6%。相比常规小波阈值去噪方法，新改进的小波软阈值去噪方法在保留原始图像细节的基础上有效地抵制了噪声，图像质量提升明显。

面向智能手机拍摄的变形文档图像校正

周丽, 冯百明, 关煜, 方格

2022, 44(01): 102-109. doi:

摘要 ( 599 )

PDF (1089KB) ( 271 ) 　　

智能手机拍摄的图像中经常会出现变形的文档图像，变形的文档图像影响文本的识别和后期图像处理等工作，而现有的变形文档图像校正方法存在校正类型单一和校正效果不理想的问题。针对以上问题，提出了一种基于最小化重投影的变形文档图像校正方法。该方法首先通过文本域轮廓检测，合并文本域轮廓来获取文本行连通域。然后利用主成分分析法PCA在行连通域生成文本关键点。最后通过最小化关键点和其投影点之间的距离获取重采样参数，再对变形的页面进行最小化重投影来进行文档图像校正。校正后识别率得到有效提高，相比现有方法，所提方法取得了更好的识别效果，且使用消融实验验证了文本域合并和最小化重投影这2个模块对识别性能的提升效果。

基于LDA和卷积神经网络的半监督图像标注方法

王保成, 刘利军, 黄青松,

2022, 44(01): 110-117. doi:

摘要 ( 94 )

PDF (635KB) ( 169 ) 　　

随着智能设备的不断出现，图像数量急速增加，但是很多图像因为没有被标注所以未被充分利用。为了能够使该问题得到较好解决，提出了基于LDA和卷积神经网络的半监督图像标注方法。首先把图像训练集中的所有文字信息放入LDA中，生成图像的文字标注词;然后使用卷积神经网络获得图像的高层视觉特征，同时用加入注意力机制和修改损失函数的方法来对卷积神经网络进行优化;接着把LDA生成的标注词和已获得的图像的高层视觉特征进行结合并同时使用半监督学习来完成模型的训练；
最后把标注词间的相关性和使用最终模型预测的结果相结合来完成图像的最终标注。通过在IAPR TC-12 图像数据集上的相关实验对比可知，文中所提方法的标注更精确。

融合视觉注意机制的图像显著性区域风格迁移方法

王杨, 郁振鑫, 卢嘉,

2022, 44(01): 118-123. doi:

摘要 ( 126 )

PDF (790KB) ( 237 ) 　　

对图像局部进行风格迁移通常会导致风格溢出和较小的区域风格化后效果不明显，针对该问题，提出一种图像显著性区域风格迁移方法。首先，根据人眼视觉注意机制的特点，对训练图像数据集中的显著性区域进行标注，采用快速语义分割模型进行训练，得出包含图像显著性区域的二值掩码图。然后，通过精简快速神经风格迁移模型网络层结构，并在生成网络部分采用实例正则化层，得出更具真实感的整体风格迁移结果。最后，将由语义分割得到的二值掩码图和整体风格迁移图相融合，输出最终的结果图像。在Cityscapes数据集和Microsoft COCO 2017数据集上设计了对比实验，结果显示，该方法对图像中的局部目标区域进行了均匀、细腻的风格化，且与背景区域能很好地融合在一起，实现更具真实感的风格迁移效果的同时，运行效率更占优势。

改进稀疏表示与积化能量和的多聚焦图像融合

张贵仓, 王静, 苏金凤

2022, 44(01): 124-131. doi:

摘要 ( 83 )

PDF (905KB) ( 161 ) 　　

为解决多聚焦图像融合算法中细节信息保留受限的问题,提出改进稀疏表示与积化能量和的多聚焦图像融合算法。首先,对源图像采用非下采样剪切波变换,得到低频子带系数和高频子带系数。接着,通过滑动窗口技术从低频子带系数中提取图像块,构造联合局部自适应字典,利用正交匹配追踪算法计算得到稀疏表示系数,利用方差能量加权规则得到融合后的稀疏系数,再通过反向滑动窗口技术获得融合后的低频子带系数;然后,对于高频子带系数提出积化能量和的融合规则,得到融合后高频子带系数；最后,通过逆变换获得融合图像。实验结果表明,该算法能保留更详细的细节信息,在视觉质量和客观评价上具有一定的优势。

DenseNet在声纹识别中的应用研究

张玉杰, 张赞

2022, 44(01): 132-137. doi:

摘要 ( 163 )

PDF (562KB) ( 230 ) 　　

为了提高声纹识别技术的识别性能，将DenseNet应用于语谱图实现声纹识别，从提高网络的运算效率和增强声纹特征的表征能力2个方面对DenseNet进行优化，提出采用深度可分离卷积来减少网络的参数量，以及增加中心损失函数项来提高声纹特征的表征能力。从训练结果可以看出，通过深度可分离卷积，网络的参数量减少了25.5%，模型大小减少了24.6%；从仿真结果可以看出，中心损失项的增加使声纹特征的聚类效果更加明显，提高了声纹特征的表征能力。因此，改进后的DenseNet在语谱图声纹识别领域取得了好的识别效果。

机器生成语言的质量评价方法综述

秦颖

2022, 44(01): 138-148. doi:

摘要 ( 160 )

PDF (644KB) ( 207 ) 　　

生成语言的质量评价很大程度上影响着自然语言生成的研究，已成为制约该领域发展的瓶颈问题。通过对机器翻译、自动文摘、对话系统、图像标题生成和机器写作等广义自然语言生成任务的语言质量评价方法的汇总，介绍了人工评价和自动评价的特点、优缺点和开放评价资源，分析了不同任务的不同评价角度和适用面。不同评价方法的对比分析，可为方法融合和关键问题的探索提供借鉴。整体上机器生成语言质量评价还局限于语言形式的比较，在语义表达的准确性、衔接连贯性等深层评价上存在诸多挑战。结合评价难点问题和现有研究的推进情况，分析了生成语言质量评价的研究趋势。

基于层次体系的情感单元表示方法

张宝华 , 李奀林 , 张华平 , 商建云

2022, 44(01): 149-158. doi:

摘要 ( 125 )

PDF (599KB) ( 168 ) 　　

情感词是情感分析中的基础单元，因此情感词典在情感分析中起着决定性的作用，目前构建情感词典的方法只是用到了单词的语义信息和构词信息，忽略了其所在语境。基于此，对于一些语义未知的词，传统语义方法难以得出其情感权重，而对于一些由于语境变化而产生新用法的词，使用语义方法很难计算出其真实权重。针对这种情况，首先提出了从构字到篇章的情感分析层次体系，每层都有对应到上层的表示方法和情感值计算公式，将分析单元细分到单词维度。在此基础上,提出了基于词语构字和语境的情感语义单元自动构建方法。该方法利用已知情感词典，同时根据情感词的构字和情感词的语境情感倾向计算该词的情感权重，得到的结果更加准确。在社交网络真实数据集上的实验表明，本文方法构建的情感单元较之前的方法在准确率上有3%的提升。同时，情感单元可直接用到情感分析任务中，情感分析的准确率在基于规则的情感分析实验中有9%的提升，在深度学习方法上有3%的提升。

基于MRF模型的飞机飞行动作识别划分算法

颜廷龙, 李瑛, 王凤芹

2022, 44(01): 159-164. doi:

摘要 ( 132 )

PDF (510KB) ( 199 ) 　　

军用飞机飞行动作具有较强的随机性和模糊性，为实现针对军用飞机飞行动作的识别和划分，提出了一种基于马尔可夫随机场MRF模型的飞行动作识别划分算法，可以在没有标定的情况下，将飞行数据段分割聚类，实现飞行动作的识别和划分。仿真实验表明，相比于传统的飞行动作识别算法，基于MRF模型的飞行动作识别划分算法且有更高的识别率。

微博情感分析综述

王春东, 张卉, 莫秀良, 杨文军

2022, 44(01): 165-175. doi:

摘要 ( 390 )

PDF (785KB) ( 440 ) 　　

随着微博用户数量的快速增长，微博中所携带的一些情感和观点对社会的影响越来越大，尤其是一些涉及到公众人身安全的负面情绪，可能会影响到社会的稳定，因此进行微博情感分析意义重大。微博情感分析的内容包括微博语料的获取、微博语料的预处理和情感分析方法等，常用的情感分析方法有基于情感词典的方法、基于机器学习的方法和基于深度学习的方法。随着注意力机制在NLP领域的广泛使用，很多研究者开始将注意力机制融合到深度学习模型中进行情感分析，这使得情感分析的准确率得到了很大的提升。谷歌提出的BERT模型本质上也是基于注意力机制实现的，BERT模型在情感分析领域取得了突破性的进展。

RoboCup标准平台组中基于改进合同网协议的任务分配算法

梁志伟, 吴海健

2022, 44(01): 176-183. doi:

摘要 ( 120 )

PDF (944KB) ( 135 ) 　　

针对RoboCup标准平台组SPL中多机器人之间的协同问题，提出了基于改进合同网协议的任务分配算法。首先对RoboCup多机器人系统建立层次结构分解模型和单体机器人行为任务树模型，并采用AHP层次分析法确定各个任务权重。其次，提出基于改进合同网协议的任务分配策略，相对于传统合同网协议，改进的合同网协议将标书公示机制引入任务分配模型；同时，提出了优先招标策略并对合同网协议流程和评价函数进行了改进和扩展。

一种新型的樽海鞘群算法及其应用

谢聪, 郑洪清

2022, 44(01): 184-190. doi:

摘要 ( 190 )

PDF (904KB) ( 185 ) 　　

为了解决樽海鞘群算法SSA在寻优过程中存在收敛速度慢、计算精度差等问题，提出一种新型的樽海鞘群算法NSSA。
首先分析SSA中樽海鞘在追随领导者过程中的不足，然后借鉴灰狼优化算法中追随头狼的思想来改进樽海鞘追随领导者的方式。在23个基准函数上对NSSA与其他算法进行性能比较，并把该算法应用于图像匹配之中。所有实验结果表明，NSSA具有更好的收敛速度、计算精度和鲁棒性。

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