小型微型计算机系统

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云环境下基于二维节点矩阵的分级多表连接

陶永才1,周梦雪1,石磊1,卫琳2,曹仰杰2

2014, 35(5): 945-950.

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随着“大数据”时代的到来，分布式数据处理得到了广泛的应用和发展.在基于云计算的海量数据处理中，复杂处理要求逐渐增多，数据分析通常需要跨越多个数据集，因此亟需高效的多表连接机制.现有的基于MapReduce的多表连接机制多采用串行级联方式实现多个不同数据集连接，操作灵活但效率不高.本文在分析现有并行连接模型的基础上，提出基于二维节点矩阵的分级多表连接模型TD-HMJ.TD-HMJ在一次Map过程中处理全部连接属性，Reduce过程建立二维节点矩阵实现多组3(或2)表并行连接，并通过多级Reduce过程实现多组间连接.理论分析和实验表明TD-HMJ减少了数据传输量，缩短了多表连接时间，提高了连接效率.

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近似逼近高维索引方法

秦龙(1,2),郑烇(1,2),桂舒婷(1,2),杨坚1

2014, 35(5): 951-955.

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高维索引是基于内容图像检索及高维数据库查询等过程中至关重要的一个步骤,其性能直接影响整个检索系统的检索速度和准确率,但高维情况下的 “维度灾难”困扰着相应性能的提升.该文章提出一种近似逼近高维索引方法,采用近似向量索引提供第一层近似检索,以较低的代价获取部分匹配数据;然后将这些数据作为第二步的种子节点进行逼近游走,不断扩大搜索并最终获取目标匹配集.实验证明该方法在不依赖索引数据的先验分布情况下能有效地处理高维数据向量的检索,且具有良好的可维护性与拓展性,为高维索引的进一步研究发展提供了一种新的思路.

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可能量感知的虚拟Web集群系统设计

方名1,邓玉辉(1,2),熊劲2

2014, 35(5): 956-960.

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传统的静态资源配置方式在动态、突发性负载环境下导致了集群系统、数据中心等大规模系统中极低的资源利用率和极高的能量消耗.本文提出并设计了一个应对突发性负载的可能量感知的自适应Web集群系统.相对于传统的资源监测方式,本文提出了轻量级的基于Web访问连接数的敏感因子以实现对系统负载的实时捕捉,并以虚拟机为粒度实现系统的自适应配置,同时将系统中闲置的节点转入低能耗状态以降低整个系统的能耗.另外,本文还提出并实现了利用滞回控制来处理负载在短时间内出现的乒乓波动效应.实验结果表明该系统灵敏度高,稳定,而且在突发性负载情况下的节能效果明显.

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基于决策准则优化的不均衡数据分类

曹鹏(1,2),栗伟(1,2),赵大哲(1,2)

2014, 35(5): 961-966.

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现实世界中广泛存在着类别分布不均衡的数据,而传统分类算法在数据失衡的情况下分类效果很不理想,为此提出一种基于决策准则优化的组合分类算法.该算法基于朴素贝叶斯模型输出的后验概率,以不均衡数据评价指标作为目标函数,对决策阈值(二类)或错分代价参数(多类)进行优化,得到最佳的分类决策准则;同时为了提高分类的泛化性,提出一种自适应随机子空间组合分类算法,增强基分类器之间的差异性,避免分类器学习和决策准则优化的过拟合,并可自动获得基分类器的最佳数量.通过大量UCI数据集的实验验证表明,与其它同类算法相比,该算法在精度和效率上都具有更好的处理不均衡数据的优势.

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云计算环境下可信服务的个性化推荐框架

马华(1, 2),胡志刚1,张红宇3

2014, 35(5): 967-972.

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针对当前云计算环境下服务选择中服务推荐技术的不足,提出一种面向可信云服务的个性化推荐框架(PerReF),该框架基于独立、开放的云评价中心和云推荐中心架构,以可信云服务的多属性分析和概率统计分析为基础,使用模糊综合方法集成消费者对云服务可信属性的历史评价,并结合潜在用户在不同应用场景下的个性化需求,从可信属性权重、可信度期望、成本期望角度出发,对云服务进行过滤,再通过多次迭代的模糊相似度计算,找出最适合用户个性化特征的云服务.仿真实验分析表明,PerReF能够适应复杂的云计算环境,提供具有较高用户满意度的个性化推荐结果.

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一种融合用户评分可信度和相似度的协同过滤算法

刘胜宗1,廖志芳3,吴言凤3,樊晓平(1,2)

2014, 35(5): 973-977.

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传统基于信任的推荐算法容易受用户之间评分偏好差异的影响,尤其在存在评分欺骗数据的情况下,算法的准确性波动很大.针对这些问题,本文提出了新的融合用户评分可信度和相似度的推荐算法,该算法将用户评分准确度、认可度和评分数量权重因子相结合,分析了这些因素对用户评分可信度的影响,建立起可信度跟这三者之间的计算关系.本文进行了无欺骗数据存在和有欺骗数据存在的两类对比实验.实验结果表明,在无欺骗数据时该算法提高了推荐准确性,并在有欺骗数据存在的情况下同时提高了系统的准确性和鲁棒性.

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面向用户的基础设施云资源监控系统

陈贺,李京,王维维

2014, 35(5): 978-982.

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云计算的宗旨是为用户提供服务,而现有的云监控解决方案却缺乏面向用户的监控机制.云计算体系结构中的IaaS服务模型是PaaS和SaaS模型的基础,所以首先分析IaaS云资源监控关键技术,结合云计算资源的弹性化、虚拟化等特点,提出一种面向用户的云资源监控模型,并依照此模型设计与实现分布式的云监控系统.通过系统评估和实验表明：该系统具备较低的性能开销、良好的用户体验以及较高可靠性和稳定性.监控系统已经成功部署于中科大校园云服务平台,并取得良好的监控效果.

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基于模式匹配的飓风轨迹预测方法

董鑫,皮德常

2014, 35(5): 983-988.

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结合飓风移动轨迹及其自身的运动特点,本文提出了一种基于模式匹配的飓风轨迹预测方法.首先采用关联分析法对飓风的历史轨迹进行频繁轨迹挖掘,生成代表飓风运动模式的规则;然后将飓风当前运动的轨迹与运动模式进行匹配,实现轨迹预测;如果匹配失败,则根据飓风当前的运动趋势返回一个预测结果.采用1900-2008年美国大西洋飓风数据进行了实验和分析,取得了比较满意的实验结果：若包含模式匹配失败部分,其预测正确率为57.5%;若模式匹配全部成功,则该方法的预测正确率为65%.

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MSDD：一种结合重复数据删除技术的内存交换机制

梁莹1,陆游游2,刘青昆1,舒继武2

2014, 35(5): 989-993.

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内存交换操作中频繁的外存访问是制约程序运行性能的一个重要因素.提出一种结合重复数据删除技术的内存交换机制MSDD(Memory Swap with Data Deduplication),通过删除交换页面中的重复页面减少换出操作,从而降低交换操作对程序运行性能的影响.针对交换操作延迟敏感和内存紧缺的特点,MSDD机制采用了改进的MD5算法计算页面的数字指纹以限制其计算时延,同时通过哈希表存储删冗元数据以在内存空间占用率与删冗元数据的检索速率两方面取得权衡.在四种典型应用程序上的实验测试结果表明,MSDD机制可以减少内存换出操作达36.73%,提高程序运行性能达15.0%.

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一种让步多赢策略驱动的多智能体协商研究

王茂光,冯海旗

2014, 35(5): 994-998.

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多Agent系统在处理实际复杂问题时,智能体与智能体之间通常需要多轮协商才能最终达成一致目标,多轮协商本质上是一种参与方在保证自身利益前提下,不断让步妥协的过程,但在此动态协商的过程中通常需要考虑很多复杂因素.本文针对多Agent系统中的动态协商过程,根据协商环境的动态变化,基于效用评价机制,提出了一种让步多赢策略.该策略充分考虑到协商过程中影响Agent自身利益的理性因素,如时间、协商次数、参与方的动态变化等,据此策略智能体能够在提议-反提议的动态协商过程中做出适当、理性的让步,从而既确保了自身利益,又能兼顾对方利益,保证了参与各方的协商多赢.该方法提高了协商的成功率和效用,在实际应用中具有更大的灵活性和适用性.

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面向集合和方向的空间关键字查询

陈子军,周同,刘文远

2014, 35(5): 999-1004.

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随着便携式GPS设备的普及,基于位置的地理信息服务也显得越来越重要,人们对于地理信息服务的需求也是越来越多样化.实际生活中,人们开始关注特定方向角内的面向集合的空间关键字查询,例如查找一个位于工作地点东北方向的小区,并要求该小区附近有相应的生活、娱乐设施.为满足此需求,本文定义一种新的查询,即面向集合和方向的空间关键字查询.定义了一种评价函数,从而可以为用户返回k个查询结果.提出一种基于网格状的索引结构的查询算法,提出方向近邻查找终止和包围近邻查找终止策略.最后,分别用真实数据和随机生成数据验证了算法的有效性.

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一种包含属性蕴含语义的数据立方体结构

师智斌,高献卫,刘忠宝

2014, 35(5): 1005-1009.

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为降低数据立方体结构的复杂度及提高数据立方体的查询效率,深入挖掘数据内部关系,研究包含属性蕴含语义的数据立方体构建和查询技术.通过研究从完整形式背景中获取属性蕴含语义以及由属性蕴含确定概念内涵的方法,提出包含前件是真前提的属性蕴含语义的数据立方体结构: SDC-AI,提出SDC-AI的构建、查询处理和增量维护方法.经过理论分析和实验验证,SDC-AI结构包含所有聚集概念,并记录基本表中的属性蕴含语义,使查询响应时间大大缩小,可用于主流的关系数据库系统.

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基于Group的VMIMO博弈协作路由

谢鲲,段申琳

2014, 35(5): 1010-1015.

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为了提高自私网络的路由性能,结合博弈论以及协作虚拟多输入多输出(VMIMO)技术,提出一种基于Group的VMIMO博弈协作路由算法.算法将网络划分成多个Group,分布式地为每个Group选取多个网络结点组成协作传输单元,Group间利用协作传输单元进行VMIMO数据传输.将Group内的协作传输单元选择过程建模为协作节点选择博弈,将Group间VMIMO路由建模为重复路由博弈.为了提高数据转发成功率,提出适用度函数来评估节点信誉,以此为基础,提出基于适用度的重复路由转发算法.仿真实验结果表明本文算法可以有效促进自私节点相互合作,可获得较高的数据转发率,较好地减少数据传输时延以及能量消耗.

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CloudSIP：基于云平台的可动态伸缩SIP系统

张伟,雷为民,关云冲,刘少伟

2014, 35(5): 1016-1021.

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针对运营商级系统的可动态伸缩性和高可用性需求,本文提出一种基于云平台的SIP系统CloudSIP.为最大化系统的可伸缩性,CloudSIP采用分层设计,层内和层间组件之间无需同步、功能独立;为提高系统可用性和动态伸缩的实时性,针对实时业务面向会话的特性,Cloud引入注册迁移和会话迁移,在SIP服务器之间透明地迁移用户注册信息和正在进行中的会话信息.最后,本文利用Amazon公共云平台对CloudSIP进行了仿真和测试.

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一种移动基站的树形无线传感网数据收集方法

任秀丽,汤一波,刘珊珊

2014, 35(5): 1022-1026.

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为了节约和均衡无线传感网的能量消耗,适应大规模应用的需求,提出一种移动基站的树形无线传感网数据收集方法.该方法是将圆形监测区域中的节点划分到若干正方形虚拟网格里,在每一个网格中根据节点的能量和位置信息采用定时器机制选出一个簇头,非簇头节点就近入簇,簇头组成以基站为根的数据汇聚树,簇头将数据沿着汇聚树传输给基站.为了均衡节点的能量,当采集一轮数据后,在所有节点休眠的同时基站移到区域边缘的下一个位置,再进行同样的数据采集工作.仿真结果表明,此方法能够有效延长网络的生命期.

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基于用户预览行为的流媒体带宽分配研究

王悦1,陈亮2,曹怀虎3,李海峰1

2014, 35(5): 1022-1026.

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流媒体用户通常有“预览”行为,对腾讯视频系统的测量结果显示即使在网络传输良好的情况下,约50%用户在离观看结束不到一半时就离开了.增加用户下载带宽在提高用户体验质量的同时也会带来服务器带宽浪费.本文主要贡献是：首先,建立了流媒体带宽分配的数学模型以刻画下载速率对带宽浪费率、单位时间服务用户数和QoE的影响;其次,发现增大下载速率,用户体验质量提升较大而带宽浪费较小(对腾讯视频系统的计算显示当下载速率是播放速率的两倍时带宽浪费率仅为25%),为适当增大下载速率提供了合理性依据;最后,给出了求解总用户体验质量最大化问题的最优下载速率的基本步骤.

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面向输电线路监测网络混合MAC协议改进方法

朱宝晖(1,2),林俊如(1,2),曾鹏1,汪扬(1,2),张延宇(1,2),匡方军(1,2)

2014, 35(5): 1031-1036.

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非均衡网络流量、局部密集网络拓扑等应用特征以及低能耗、高实时通信等应用需求给应用于输电线路监测网络的MAC设计提出了挑战.针对原应用与输电线路监测网络低流量时段的X-MAC协议的不足,通过引入同步操作、精确预估唤醒时刻,提出了SX-MAC协议.SX-MAC最大限度地减少网络中前导码报文的长度,节省了网络能量.通过分析SX-MAC协议的网络能耗,得出最优同步周期的理论值.又提出了占空比交错调度机制,优化上行数据的实时性.采用了OPNET进行了仿真验证,结果表明,在此应用背景下,SX-MAC协议比X-MAC协议能够更好地节约网络能量和满足网络实时性要求.仿真条件下最优的同步周期为15分钟.

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无线传感器网络中基于关键节点的路由算法研究

张丹1,姚念民2 ,马宝英3,范书平1,杨治秋1

2014, 35(5): 1037-1040.

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分簇无线传感器网络的路由算法中,选择簇头和簇形成过程耗费节点能量,且非簇头节点向簇头传送数据使得后者负载过重,导致一些节点过早失效造成网络中的盲点.提出一种新的基于关键节点的路由算法,算法通过对网络分层、选择关键节点完成由网络中更高层次的节点向低层次节点直至基站发送数据.理论分析与Matlab模拟实验结果表明,所提出的经由关键节点的多跳路由算法适用于大规模的无线传感器网络,在降低节点能量耗费的同时 ,延长了网络的生存周期.

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BIBO稳定的网络控制系统的随机容错控制

周霞1,钟守铭2

2014, 35(5): 1041-1045.

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针对一类包含网络诱导时延、数据丢包及错序等非理想因素的离散时间网络化控制系统,研究系统在均方有界输入-有界输出(BIBO) 稳定条件下,执行器或传感器发生失效故障时的随机容错控制问题.由于传感器与执行器失效与否都是随机的,鉴于此考虑引入相互独立的Bernoulli随机变量序列作为开关矩阵,改进了之前的0,1开关矩阵.为了降低保守性,通过对连接权矩阵进行分解,利用离散形式的牛顿-莱布尼兹公式,依据Lyapunov稳定性理论,结合线性矩阵不等式(LMIs)方法,分别给出传感器失效故障与执行器失效故障情况下的系统均方BIBO稳定条件,基于此条件求解出反馈控制增益矩阵,最后设计出随机容错控制器.

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一种改进的802.11 WLAN包丢失原因判别方法

王涛(1,2),黎文伟2

2014, 35(5): 1041-1045.

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准确判别无线局域网的误码丢包原因是优化其性能的关键.现有COLLIE方法可实时判别WLAN的误码丢包原因,但存在通信开销大,判别准确度不高等问题.本文提出一种改进的802.11 WLAN误码丢包原因判别方法,利用误码包末尾比特误码概率更高的特点,实验验证了误码包末尾1500比特与误码包整体有相似的误码特征,故只回送末尾1500比特进行误码特征分析,并在获得误码特征指标集后使用贝叶斯分类算法进行丢包原因判别.实验结果表明,与COLLIE相比,本文方法的判别准确性提高约10%,而通信开销则降低约50%.

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构建自组织的云资源共享对等网络

陈宇中1,陈世平2,方芳2

2014, 35(5): 1051-1054.

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针对大型云资源服务企业,资源分布很广,无法利用单一中央服务器管理云资源.本文研究如何利用全分布式的对等网络技术来构建云资源共享网络拓扑.该共享网络拓扑结构采用空间划分概念,自组织物理上相近的云节点,实现以数据为核心的具有低延迟、可伸缩性等性能的云对等网络.实验表明,其平均云资源查询延迟小于一些经典的分布式网络结构,满足云计算应用的实际性能需求,在云资源共享方面有广泛的应用前景.

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基于广义签密方案的多功能电子邮件协议研究

司亚利(1,2),刘文远2

2014, 35(5): 1051-1054.

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广义签密具有签密、签名和加密多功能的优势,适用于设计安全的电子邮件协议.为解决电子邮件协议中的安全问题,提出了一个新的无需可信任PKG的广义签密方案,并在此基础上设计一种能够发送私人邮件、公告邮件的多功能电子邮件协议.该协议利用密钥追溯技术解决私钥托管问题,利用身份认证技术有效地阻止垃圾邮件的接收,通过随机预言模型证明方案的安全性.分析表明,提出的协议有效地增强了邮件传输过程中信息的安全性,多功能特性提高了传统电子邮件协议的信息处理能力,方案的效率也有所提高.

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前向安全的指定验证者(t,n)门限代理签名方案

崔涛1,刘培玉(1,2),王珍1

2014, 35(5): 1055-1060.

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签名算法的安全性依赖于签名密钥的安全性.密钥一旦泄漏,攻击者便可以成功伪造此前的所有签名,这会对整个签名系统造成无法弥补的损失.针对门限代理签名中的密钥泄漏问题,将前向安全引入其中,提出一种具有前向安全特性的指定验证者(t, n)门限代理签名方案.安全性分析表明,新方案真正实现了前向安全.即使当前时段所有成员的密钥被泄漏,也不会影响之前生成的签名的有效性.新方案具有指定验证者的特性,能够确保签名只被预先指定的验证人验证,可以很好地保护原始签名者的隐私.签名具有消息恢复的特性,在传输签名时不用传输明文消息本身,能够减小传输签名时的通信代价.

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无纠缠的量子秘密比较

吁超华,郭躬德,林崧

2014, 35(5): 1061-1064.

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提出一个基于d维单粒子态的量子秘密比较协议.在协议中,一个半可信第三方以一一传递的方式发送ｎ个粒子给两个参与者.每个参与者首先都通过对这些粒子执行局域幺正操作来编码n长的随机密钥,然后利用这些密钥加密n长的秘密并公布加密结果.根据这些公开信息,半可信第三方能够在不揭露秘密的情况下帮助他们比较它们的大小关系.同时,本文对协议的安全性也进行详细的讨论,表明该协议在理论上是安全的.另外,该协议的实现只需涉及单粒子态,这在现有的技术条件下是易于实现的.

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角色信息流风险多级评判模型及弹性授权实施

王建军(1,2),李建平1

2014, 35(5): 1069-1073.

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传统的安全等级规则严格限定主体对客体访问行为,安全机制僵化;基于角色访问控制没有定义信息流的方向,具有安全隐患.提出基于角色的信息流风险多级评判模型(RIFRMEM),定义了实体属性风险和实体风险,并根据用户访问行为产生的信息流和主客体风险等级差评定访问风险,使用风险门限动态控制用户的访问行为,在风险门限以内,保证信息流遵守从高风险区流向低风险区的基本安全原则,也可从低风险区流向高风险区,实施对用户的弹性授权,使角色授权策略兼具安全性和灵活性.最后使用移动无线网络节点间互访的信息流风险评判及弹性授权过程为例证明了RIFRMEM 的实际意义.

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图广度优先搜索算法面向图形处理器的优化方法研究

刘谷1,安虹(1,2),李小强1,吴石磊1

2014, 35(5): 1074-1079.

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近年来,图形处理器(GPU)以其丰富的计算资源和低廉的成本逐渐在高性能计算领域取得一席之地,对于具有规则访存特性的并行程序具有明显的加速作用.但是以图广度优先搜索(BFS)算法为代表的某些不规则应用,在图形处理器上性能表现平平.为了解决不规则程序在图形处理器上的性能瓶颈问题必须分析其行为特征,面向特定体系结构提出有针对性的程序优化方法.本文通过分析图广度优先搜索算法的在GPU上的并行性模式,访存特性以及工作负载,提出了基于并行性剖析与反馈的计算资源重配置方法,动态队列的层次优化方法,以及线程级负载平衡方法.实验表明以上优化方法能够显著提高图广度优先搜索算法为代表的不规则程序在GPU上的性能.

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CPU/GPU系统上存储高效的RNA二级结构预测算法

郑明,钟诚

2014, 35(5): 1080-1084.

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通过建立映射变换函数来改进基于最小自由能的RNA二级结构预测计算模型,分析证明了改进后的计算模型与原计算模型的等价性,利用改进后的计算模型使得GPU每个warp线程束内的线程并行计算矩阵元素时其所需的数据处于全局存储器同一行中,以支持直接并行读取矩阵元素,显著地减少多线程并行访问全局存储器的次数;充分利用GPU纹理存储器、共享存储器及常量存储器,以减少查找表的时间;设计实现多核CPU/单GPU系统、多核CPU/多GPU系统上存储高效的RNA二级结构预测并行算法.实验结果表明,与已有的RNA二级结构预测算法相比,本文提出的算法效率更高.

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LAPACK线性方程求解函数在龙芯3A上的并行化

刘斌斌(1,2,3),顾乃杰(1,2,3),任开新(1,2,3),张杰(1,2,3)

2014, 35(5): 1085-1089.

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针对龙芯3A体系结构,该文通过变量代换或消除、简化依赖关系、增加热点数据副本、并行流水等方法对BLAS函数和LAPACK函数做并行化,基于原LAPACK库的结构层次实现了线性方程求解函数的并行化版本,用户只需设定核数重新编译出LAPACK的多核库便可使用.通过LAPACK自带的性能测试程序进行测试,实验结果表明,在四核模式下,大多数函数加速比达到2以上,部分函数加速比超过了3,所有线性方程求解类函数加速比的算术平均值达到2.04.

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具有北斗信道约束和时延的参数不确定系统控制器设计

伍晓峰(1,2),桂卫华1,刘国平3

2014, 35(5): 1090-1094.

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介绍了我国北斗系统的基本功能和框架.针对一类多输入多输出系统,当控制信号经过北斗网络传输时,会出现网络时延及信道约束的情况.为尽量避免网络拥塞,减少向通讯网络中发送数据包的数量,引入控制通信序列描述控制器访问北斗信道的次序,建立了参数不确定的控制系统模型,给出了保证系统能控的控制通信矩阵的选择方法.基于不确定项的表达式、线形矩阵不等式的相关原理和李雅普诺夫系统稳定性分析方法,给出了确保系统稳定的控制器设计方法.最后通过数值仿真算例,对比并分析具有时延和信道约束时对控制系统动态性能指标的影响,验证了该方法的有效性和可行性.

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虚拟机可用性研究

郑志蕴1,王会玲1,王振飞1,李伦1,鲁丽萍2

2014, 35(5): 1095-1100.

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针对虚拟机双机热备技术中,虚拟机服务响应延迟引起的可用性降低问题,通过对基于Xen的经典虚拟机可用性方案Remus的分析与总结,提出一种基于双影子页表实现零停机的方法.该方法基于Xen虚拟化平台,采用检查点机制,利用动态迭代传输思想实现主从虚拟机状态同步.将主虚拟机工作流程分为运行和同步两个阶段,在虚拟机双机热备期间采用两个影子页表:主影子页表和备用影子页表,两影子页表交替作为主页表和备用页表.运行阶段,主页表记录主虚拟机状态,并利用最近最常访问算法从中挑选最近最常页保存到备用页表,这样能够减少下次运行时影子页表的重建时间;同步阶段,主虚拟机不停机,备用页表转作主页表,原主页表作为备用页表实现主虚拟机与备份虚拟机的同步.实验结果表明,与Xen4.0中典型的虚拟机双机热备系统Remus相比,双影子页表实现零停机方法在虚拟机内存变化频繁时对主虚拟机可用性有明显的改进,降低延迟最高可达88.64%.

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H.264/AVC跳帧转码快速模式选择策略研究

张小红,邱宝林

2014, 35(5): 1101-1105.

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H.264/AVC编码中模式选择是基于率失真优化(RDO)代价值来确定的,RDO标准算法是搜索计算H.264编码标准支持的所有编码模式的率失真值,选择其中值最小的模式作为最佳编码模式.跳帧转码方法为解决不同网络环境的视频流兼容问题,同样使用RDO技术将降低转码效率.在分析跳帧转码中输入视频流所包含信息的情况下,引入两个运动特征临界阈值来判断当前宏块的运动特征,从而适当的舍弃一些不必要模式的搜索.结合这两个运动阈值,新模式选择策略使用一个能更近似获取当前宏块的真实运动距离核心函数,从而实现对当前宏块运动特征的更准确地刻画判定.实验仿真结果表明,快速模式选择策略合理的解决了跳帧转码条件下的模式信息的映射和利用,具有更高的编码效率和更强的鲁棒性,保证了在转码后能够获得更加可靠的视频质量,可广泛适用于复杂多变的网络环境下视频数据的实时交互.

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一种嵌入式实时系统动态内存管理器的设计

孙棣华(1,3),吴文峰(1,3),郑林江(2,3),赵敏(1,3),李斌1

2014, 35(5): 1106-1110.

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针对嵌入式实时系统动态内存分配实时性与内存碎片率二者无法兼顾问题,基于二级位图及TLSF(Two-level Segregated Fit)算法,设计一种新的嵌入式实时系统动态内存管理器.将内存请求分为小内存请求和大内存请求;针对小内存请求,采用二级位图算法,通过以空间换时间的策略降低分配时间,减少外部内存碎片;针对大内存请求,在TLSF算法的基础上改变二级索引结构,通过"精确切割"及"合并阈值"策略提高内存利用率,降低内存碎片.实验表明,该管理器具有较快的响应速度及较低的内存碎片率.

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量子可逆逻辑电路双向综合算法

王冬(1,2),张晓蕾1,朱长江1

2014, 35(5): 1111-1115.

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量子可逆逻辑电路综合技术是构建量子计算机的关键技术之一.本文提出基于数组正反变换的量子可逆逻辑电路双向综合算法.该算法依据两个数字间的汉明距离,利用邻接矩阵的电路转化规则,从正反两个方向,生成任意给定置换的量子可逆逻辑电路.理论分析表明,该方法综合n量子电路最多需要(n-1)·2n+1个扩展通用Toffoli门.与其它同类算法相比,由于不需要穷尽搜索,该算法的时间复杂度和空间复杂度都有大幅度降低.此外,由于合理采用了扩展通用Toffoli门,该算法可综合任一置换(包括奇置换和偶置换)的量子可逆逻辑电路,且电路中量子门的数量大幅减少.

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贪婪追踪系列算法的分析与优化

蔡体健(1,2),樊晓平(1,3)

2014, 35(5): 1116-1119.

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从条件概率的角度分析了压缩感知信号重构,认为重构信号是在观测信号发生的条件下所发生的后验信号.基于信号的条件概率分析,提出一种简单而有效的算法优化方法,此方法可以提高贪婪追踪系列算法选择原子的准确性,在某种程度上可以削减感知矩阵自身相关度的影响.此外,本文概述了系列贪婪追踪算法,并应用本文提出的方法来改进它们.模拟实验表明,本文提出的方法可以改进大多数贪婪追踪算法,使算法在速度和精度上都有所提高.

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不完备信息系统的容差邻域熵和属性选择

曾凯,佘堃

2014, 35(5): 1120-1123.

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邻域粗糙计算模型可以处理信息系统中名义属性和字符属性共存的问题而得到了广泛应用.现有的邻域粗糙计算方法仅讨论了其处理完备信息系统问题,然而实际应用中的数据往往是不完备的.针对这一问题,首先提出了可用于度量不完备信息系统的容差邻域熵;然后得出了一系列相关定义和性质,证明了容差邻域熵是香农熵在不完备信息系统上的自然推广;最后给出了基于容差邻域熵的属性选择算法.实验结果表明,所提出的算法避免了数据过分预处理而带来的冗余信息,使样本在算法选择的特征空间内保持了较高的分类精度,可以更好地处理信息系统不完备的问题.

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改进的基于平衡二叉决策树的SVM多分类算法

林志杰,余春艳

2014, 35(5): 1124-1127.

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基于平衡二叉决策树的支持向量机多分类算法的难点在于构造一棵有效的平衡二叉决策树.为构造有效的平衡二叉决策树,提出一种新的类间距离度量方案,进一步,引入类间可分性以及分离因子的概念,构建了一种新的建树方案,该建树方案从包含所有类的类簇中逐步分离出分离因子最大的类到另外一个类簇,最终形成两个类别数相等的类簇,接着分别递归分解各个类簇,直到各类簇的类别数为1.对照实验表明在训练时间以及识别时间复杂度保持不变的情况下,采用该改进建树方案可有效地提高SVM多分类的识别准确率.

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基于局部相似性的K-means谱聚类算法

高红艳,刘飞

2014, 35(5): 1133-1136.

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定义科学的局部相似性指数是基于局部相似性社团发现算法的关键,根据共有邻居信息定义的局部相似性指数对直接相连节点对的相似性数值存在低估倾向,本研究将节点对的关联信息加入到局部相似性指数的定义中,结合K-means谱聚类算法对网络节点进行聚类.本研究定义的局部相似性指数克服了传统局部相似性指数的缺点,且保持了原有的计算复杂性.在计算机生成网络和实际网络上运行,并和经典算法做了比较,实验证明,所提算法能够较为有效、准确地检测网络的社团结构.

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异构系统雷达任务调度算法仿真

展红英,王磊,曹建蜀

2014, 35(5): 1137-1141.

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针对传统单处理器处理复杂多样雷达任务效果欠佳问题,提出在分布式异构系统中结合改进指派算法和匈牙利算法的优点并行调度雷达任务的算法.在原始指派问题每次给每个处理器指派一项任务基础上,改进算法引入处理器雷达任务堆积量实时检测技术,设定处理器任务堆积量阈值,每次对空闲的和任务堆积量小于阈值的节点分配任务,其它处理节点不分配.对不同任务堆积量阈值和不同处理性能差别的集群利用改进算法仿真并与原始算法仿真结果对比,改进算法明显缩短了任务处理时间,改进了系统环境负载平衡,且对处理性能差别较大的集群雷达任务并行调度改进效果更好.

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一种基于膜计算的改进人工鱼群算法

廖孝勇,李尚键,孙棣华,何伟,余楚中

2014, 35(5): 1142-1146.

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针对人工鱼群算法运算速度慢,收敛精度低,易陷入局部最优等问题,基于膜计算思想,通过引入差异因子,提出一种改进的自适应人工鱼群算法.算法采用膜计算的层次结构和交流规则,以保持鱼群的多样性,并克服其易陷入局部最优的缺陷.此外通过简化觅食行为,并根据种群中不同个体与种群规模的比例定义差异因子,对算法的视距、步长、拥挤度因子、尝试次数等进行自适应调整,改善算法的收敛精度和运算速度.实验证明,本文所提算法能够有效提高计算效率和收敛精度.

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产品设计方案多属性可拓决策模型及应用

翟红生1,文政颖2

2014, 35(5): 1147-1150.

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针对复杂产品设计方案具有多属性、层次性的特点,对方案设计多属性决策问题进行了研究,提出了一种基于可拓理论的多属性可拓决策方法,建立了一种基于综合可拓距的的多属性可拓决策模型,该模型通过引入并改进可拓距,基于设计方案决策信息的正负可拓域建立决策方案的综合可拓关联度,进而获得最优决策方案.最后,通过实例对模型和方法的有效性和可操作性进行了验证.

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拉伸技术克隆选择算法多模态函数优化研究

洪露1, 龚成龙1, 王经卓1, 纪志成2

2014, 35(5): 1151-1154.

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为了提高克隆选择算法对复杂多模态函数优化问题的全局最优解搜索能力,基于“Stretching”拉伸技术提出了一种拉伸克隆选择算法(SCSA),该技术能在算法的搜索过程中,不断缩小目标函数局部极值点的搜索范围,从而提高算法的优化效率.为增加算法种群的多样性及提高算法的全局收敛性,算法中引入了混沌变异机制和基于抗体的浓度及亲和度差的选择机制.多模态函数优化实验结果表明,基于该技术的SCSA算法相比传统的人工免疫算法能有效地抑制早熟收敛,具有更好的收敛速度和精度,是一种有效的多模态函数优化算法.

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基于布谷鸟搜索算法的小波域数字水印方法

曾晴1,马苗(1,2),周涛(2,3),孙莉4

2014, 35(5): 1155-1159.

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为更好地平衡数字水印的鲁棒性和透明性,提出一种基于布谷鸟搜索算法的小波域数字水印方法.该方法首先将原始载体图像进行3级Harr小波变换,选择第3级水平细节子图作为水印嵌入位置,同时将水印经Arnold变换和一维化后作为待嵌入水印信息;然后借鉴布谷鸟搜索算法确定最优的水印嵌入系数嵌入水印.布谷鸟搜索算法的目标函数综合考虑了水印的鲁棒性和透明性,鲁棒性指标考虑了压缩、缩放、剪切、滤波以及噪声干扰等多种攻击的影响,而透明性指标则取决于载体图像在水印嵌入前后的小波系数变化.实验结果表明,与现有的一些基于群智能算法的水印方法相比,本文方法既能保证较好的水印透明性,又具有更强的抗攻击能力.

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一种快速有效的海量视频拷贝检测方法

曹海傧,朱明,冯伟国

2014, 35(5): 1160-1163.

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随着网络上视频拷贝的不断增多,快速有效的视频拷贝检测方法变得越来越重要.针对大规模的视频数据库,提出一种快速有效的视频拷贝检测方法.该方法首先利用视频帧内的频域空间信息与帧间的序列时间信息,将每个视频表示为基于离散余弦变换的时空特征并建立鲁棒的压缩二值SimHash签名;然后对视频数据库中的每个视频的SimHash签名进行置换并排序得到多张签名表;最后通过在多张签名表中高效地查找与查询视频的SimHash签名的汉明距离小于给定阈值的签名,并将其对应的视频作为拷贝视频从而完成视频拷贝检测.针对包含10335个视频,大小为272.48GB的实际数据集的实验表明该方法十分有效.

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一种改进的Grabcut图像分割方法

伊聪聪,吴斌,张红英

2014, 35(5): 1164-1168.

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为了提高Grabcut迭代效率,改善分割效果,提出一种结合分水岭和Grabcut基于前景形态的多尺度图像分割方法.首先,针对海量像素迭代估计高斯混合模型(GMM)参数导致效率较低的问题,采用金字塔下采样获取粗尺度图像,以少量典型的像素点迭代估计GMM参数,提高了迭代效率;其次,针对前景和背景颜色相似分割效果不好的问题,采用基于前景形态的分水岭分割,再将其结果掩膜标记为四类区域：前景、背景、可能前景、可能背景,大大减少了未知区域像素数,再用Grabcut提取目标,提高了分割精度和速度;最后,将分割结果映射到高分辨率图像,用形态学操作对其完善,平滑边缘或填补空洞.实验表明,该方法能获得更高的分割效率和更好的效果,且耗时比平稳,具有普适性.

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基于圆角曲面重构的模型简化方法

彭健钧(1,2),张广霖1,李吉平1,范邦雨1

2014, 35(5): 1169-1173.

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模型简化对提高有限元网格生成速度及质量具有重要意义.圆角特征是几何造型的常见特征,现有的简化方法是将圆角特征从模型中直接删除,虽然实现了模型特征的简化,但是会破坏模型原有的外部形状.提出一种基于圆角曲面重构的模型简化方法,利用中轴线将圆角曲面进行分解,然后将分解后的圆角曲面与相应邻面进行重构,实现模型简化的目的.同其他方法相比,该方法可以在不改变模型外部形状的前提下减少构成模型的曲面数,达到模型简化的效果.采用同样的网格生成算法和同样的控制参数,简化后的模型生成的有限元网格数量比原模型的更少,实验结果证明了方法的可行性和有效性.

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媒体场景视觉显著计算

魏维,魏敏,程邦胜

2014, 35(5): 1174-1179.

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借鉴人视觉系统中一体化的多种显著控制策略,本文建立视频显著内容理解的计算模型.计算模型由控制空间模型和面向实现的网格模型组成.控制空间整合多个控制视频内容理解方式的因素,网格将控制空间的控制策略映射到具体实现技术.接着,本文提出一种遵照以上计算模型的多通路场景显著计算方法.该方法利用多尺度金字塔分解及中心-环绕差计算得到亮度、颜色和方向3个静态分显著图,采用背景注册技术抽取场景中动态信息及亮度中心环绕差运算得到场景正规化的动态分显著图,用具有自适应链接强度的脉冲耦合神经网络融合成最终的显著图.对比实验表明本文方法能兼顾场景中动静显著信息,在一定程度上实现视觉局部对比、关键特征、场景全局长时特性、场景语义联系、当前任务等各个因素统一作用控制支配内容显著理解.

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一种基于二次维纳滤波的模糊图像精确参数估计算法

赵嘉伦,王琰

2014, 35(5): 1180-1183.

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运动模糊图像的恢复是目前数字图像处理领域研究的一个热点问题,有着重要的实际应用价值.为了提高运动模糊恢复算法的恢复质量,针对有噪声的运动模糊图像,本文利用radon变换估计模糊图像的模糊长度和角度,再利用二次维纳滤波估计出图像的功率谱密度,避免了该值由人为取定,造成恢复结果不准确的情况,最后用加窗的维纳滤波法进行恢复,有效地抑制了传统维纳滤波法的振铃效应.通过实验证明,该方法精确估计出了模糊图像功率谱密度的值,并有效抑制了振铃效应,提高了图像恢复的抗噪性和稳定性,取得了较好地恢复效果.

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多类类间最大方差算法在图像分割中的应用

李仪(1,2),蔡自兴(1,2),谷明琴(1,2)

2014, 35(5): 1184-1187.

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介绍了多类类间最大方差法的基本原理,从实际道路图像着手分析该算法存在的两个问题即分类数难以确定以及当分类数增加时其时间复杂度成指数上升.针对确定分类数问题,本文设计了一种直方图均值确定分类数法,其将确定分类数转换成了以图像直方图的概率密度函数的均值为限定条件来求其波峰个数;当分类数大于3类时使用无导数方法对多类类间最大方差法得到局部最优解.建立总量为7209幅图像的道路图像库,对道路图像做实验分析得到确定分类数算法的时间复杂度为O(L)且其平均耗时为0.717毫秒,对图像库抽样计算得到整个算法的平均耗时小于45毫秒.

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一种内容感知的H.264视频分组打包策略

李志鹏,卢汉成,洪佩琳

2014, 35(5): 1188-1191.

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提出一种基于内容感知的分组打包策略来增强已编码的H.264视频流在带宽受限、易错的无线信道下的传输性能.H.264分片的优先级依照其对接收端视频质量的影响来划分,不仅考虑了该分片丢失对包含该分片的视频帧解码重建带来的瞬时失真,还考虑了由于H.264编码采用运动预测而对其它视频帧的造成的错误扩散失真.不同优先级的分片将会组成合适大小的不同优先级的分组进行传输,调度时只需优先调度高优先级分组,低优先级分组若超过解码时限仍未被成功传输将会被丢弃.推导出了在不同码率和信道误比特率下,使得加权实际吞吐量最大的各优先级最优分组大小.仿真结果表明提出的基于内容感知的分组打包策略显著改善了H.264视频流在无线环境下的传输性能.

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利用差值扩展和直方图平移的可逆数字水印算法

王继军

2014, 35(5): 1192-1195.

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可逆数字水印技术在遥感、医学、军事等敏感图像应用领域前景广阔,针对大多数情况下可逆水印算法需要大量附加信息的情况,提出一种附加信息最多不超过一字节的可逆水印算法.该算法主要是利用像素点灰度值之间的差值关系,先将相邻像素点灰度差值进行分类和扩展,使得一些特殊灰度差值出现空缺,扩差可能导致极少数灰度值产生溢出,可通过直方图平移得以解决;水印的嵌入以差值的大小作为判断依据,在空缺差值所留出的空间内嵌入水印,既能保证对载体图像同一像素点的修改不超过一个灰度值,又能完整提取水印,无损还原载体,同时还给出了直接分组和循环分组两种嵌入方法.理论和实验表明,算法设计简单、运行效率高、隐蔽性好、实用性强.

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一种新的全向变尺度边缘检测算法

王弘毅,周航,陈后金

2014, 35(5): 1196-1200.

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为了能够有效地抑制噪声对图像的影响,清晰准确的对图像进行边缘提取,提出了一种基于形态学的全向变尺度结构元素的边缘检测方法.该算子采用大尺度结构元素的开运算和闭运算去除噪声,采用小尺度结构元素提取图像的边缘.最后根据图像边缘特征信息调整权重,由不同的权重对各个方位得到的边缘检测图像进行加权合成计算.实验结果表明,该方法具有边缘定位准确轮廓清晰、抗噪能力强等优点.

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