《计算机辅助设计与图形学学报》
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三维图形计算
真实感材质外观的表示和高效渲染技术研究现状及展望
作者: 陶成之, 孙奇, 过洁, 袁军平, 周辰熙, 何雪滟, 范之闽, 史鹏程, 郭延文
单位: 计算机软件新技术全国重点实验室(南京大学)
摘要：在虚拟场景的组成中, 除了三维几何模型之外最重要的要素就是物体表面的材质外观, 对材质进行基于物理的建模和真实感绘制是保证虚拟场景真实感的重要手段. 然而, 由于现实世界材质外观本身的多样性和复杂性, 迄今为止对真实感材质的研究一直是计算机图形学领域的热点和难点. 文中总结了材质外观的近期相关工作, 从材质的表示建模和材质的真实感绘制 2 大方向展开讨论; 进一步, 将材质模型分为表达范围广的通用材质模型和针对毛发及布料等材质的特殊材质模型 2 大类; 并将材质绘制方法分为用于离线渲染的点采样优化和用于实时渲染的材质预过滤 2 种; 最后指出材质研究可能的 3 个发展方向: 神经网络材质、波动光学材质和材质的统一标准, 为未来该领域的研究提供思路.
关键词: 真实感绘制; 材质; 表面微结构; 毛发渲染; 皮肤渲染; 布料渲染; 重要性采样; 纹理预过滤
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大规模三维场景光线追踪渲染方法综述
作者: 徐翔, 吴小龙, 陈子凌, 陈然, 徐延宁, 王璐
单位: 山东财经大学山东省区块链金融重点实验室；山东大学软件学院
摘要：光线追踪是目前最常用的真实感渲染算法, 在三维动画、虚拟现实、数字孪生等领域发挥着巨大作用. 随着人们对场景呈现精度和质量的要求不断增加, 大规模场景光线追踪渲染方法受到了广泛关注. 文中对大规模场景光线追踪的相关工作进行综述, 并从多个角度对各类方法进行分析. 首先从场景数据压缩和场景数据分解 2 个方面简述了大规模场景的数据组织方法; 然后回顾了内外存调度光线追踪方法, 并分析了 LOD 在该类方法中的应用; 接着介绍了分布式光线追踪方法, 并将其分为屏幕空间并行、数据并行和混合并行 3 类进行分析对比; 最后, 总结大规模场景光线追踪的研究进展, 分析现有方法在数据存储、数据访问、渲染质量、渲染速度等方面的问题, 并指出可能的未来研究方向, 包括基于神经网络的场景数据压缩、实例化场景数据分解、计算热点预测、自适应分布式策略等.
关键词: 光线追踪; 大规模场景; 分布式渲染; 全局光照; 真实感渲染
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https://www.jcad.cn/article/doi/10.3724/SP.J.1089.2024.2023-00614
面向多类物体草图的三维形状生成统一模型
作者: 徐晋, 杨彬鑫, 陈雪锦
单位: 中国科学技术大学电子工程与信息科学系
摘要：现有基于草图的三维建模深度神经网络普遍需要针对特定类别单独训练, 泛化性差; 而多类同时训练容易产生类别混淆及三维模型细节缺失. 基于无监督的草图到模型生成框架, 提出适用于多类物体统一训练的三维模型生成网络 MC-SketchModNet. 首先在生成过程中, 通过草图类别编码融合草图特征共同输入生成网络, 建立草图表达的三维模型与物体类别之间的关联; 然后在训练阶段增加监督视角, 提供更多草图生成三维模型的约束, 消除生成模型的类别歧义性. 在 ShapeNet 的合成草图数据集和手绘草图数据集上的实验结果表明, MC-SketchModNet 能够有效地消除生成三维模型的类别混淆现象, 获得质量更高、细节更丰富的三维模型, 在体素交并比指标上, 比多类训练的基线方法 SoftRas 提升 4.91%; 该网络中引入的类别编码能够支持生成模型目标类别的交互调控, 在草图轮廓语义模糊时进行类别引导的模型生成.
关键词: 草图; 三维模型生成; 多类训练; 无监督学习
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可视化与可视分析
黑灰产网络资产图谱构建与可视化
作者: 赵颖, 付铄雯, 赵鑫, 徐雅琦, 赵勇, 陈运鹏, 周芳芳, 黄鑫, 李玉伟, 陈卓
单位: 中南大学计算机学院；奇安信科技集团股份有限公司
摘要：黑灰产团伙的网络化运作严重破坏着网络生态和社会治安. 查封黑灰产团伙掌握的核心资产, 如重要 IP 地址和安全证书, 是目前打击黑灰产的主要手段之一. 为此, 提出黑灰产网络资产图谱构建与可视化. 首先提出一种黑灰产网络资产图谱构建方法. 从多源异构数据中广泛获取黑灰产网络资产信息及关联关系, 并整合到点边双异质有向图; 然后提出一组黑灰产网络资产图可视化方法, 基于资产图拓扑特性改进经典力导引布局算法和社区检测算法, 帮助用户观察和理解资产间复杂关联, 并快速地识别核心资产及其影响范围; 最后公布一个大规模黑灰产网络资产图谱数据集, 梳理数据集可支持的黑灰产治理需求, 并展望图谱分析面临的技术挑战, 旨在推动面向黑灰产治理的大数据分析技术的发展和创新.
关键词: 黑灰产; 网络资产图; 可视化; 公开数据集
★本文公开黑灰产网络资产图谱数据集：
https://github.com/csuvis/CyberAssetGraphData
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船舶活动知识图谱可视分析方法
作者: 刘建湘, 陈晓慧, 刘海砚, 张兵, 叶林, 易万潇, 刘涛
单位: 中国人民解放军93116部队; 中国人民解放军战略支援部队信息工程大学数据与目标工程学院; 中国人民解放军61578部队
摘要: 随着全球海事贸易的高速发展, 对船舶活动进行可视分析的需求越来越大, 用户在没有非常专业的知识背景下, 难以快速地选择合适的可视化方法进行船舶活动分析, 面临“冷启动”问题. 为此, 提出船舶活动知识图谱可视分析方法. 基于多源异构的船舶活动数据, 构建包含时间、地点、船舶和活动 4 类船舶活动要素的船舶活动知识图谱, 并结合船舶活动分析需求, 设计船舶对象特征分析、船舶活动事件分析、船舶活动关联分析和船舶活动时空分析 4 种分析任务; 在船舶活动知识图谱的基础上, 提出基于活动要素的船舶活动可视分析方法, 并结合过滤、关联和导航等交互方式, 设计船舶活动知识图谱可视分析模型. 以 AIS数据和“沸腾环贸”海上事件数据作为船舶活动数据, 基于所提出的船舶活动知识图谱可视分析模型, 开发了船舶活动知识图谱可视分析原型系统, 实验结果表明, 该系统可以为用户推荐相对合适的可视化方法, 为船舶活动的分析提供更多的视角; 也验证了如禁渔期等特殊情况造成船舶活动规律变化等结论.
关键词: 船舶活动; 船舶事件; 知识图谱; 时空活动; 可视分析
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视觉感知中的边际效应递减现象
作者: 周芳芳, 盛宇轩, 唐健恒, 赵颖, 赵健, 魏水润, 申冉冉, 胡可, 许丽瑄
单位: 中南大学计算机学院；School of Computer Science, University of Waterloo, Waterloo Ontario N2L 3G1 Canada
摘要: 边际效应递减法则是经济学基本理论, 在管理、环境、教育等很多领域都实证了该法则的存在性. 文中通过实验验证视觉感知中是否存在边际效应递减现象. 首先选取随机生成的散点图作为实验数据, 选取散点图相关性作为感知对象, 招募参与者并设计了实验流程; 然后让参与者根据视觉感知估计散点图相关系数大小, 并记录参与者在多次测试中的感知偏差和完成时间等量化指标; 最后用基数效应理论计算散点图相关性视觉感知偏差的总效应曲线和边际效应曲线, 并选取边际效应作为评价指标. 实验结果表明, 参与者在实验中出现了边际效应递减现象, 即随着测试次数的增加, 参与者相关性视觉感知偏差的减小幅度呈现降低趋势; 同时, 参与者容易低估相关性, 有可视化专业知识的参与者和其他参与者在感知偏差与完成时间上不存在显著性差异.
关键词: 边际效应递减; 视觉感知; 散点图; 相关性
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https://www.jcad.cn/article/doi/10.3724/SP.J.1089.2024.19920
基于力导向布局的知识图谱可视化方法
作者: 康健梓, 周虹
单位: 深圳大学计算机与软件学院
摘要: 知识图谱数据是由自然语言处理模型在海量文本文献中提取出来的、具有实体间关系的一种典型网络结构数据, 而网络结构数据的主流可视化方法是使用力导向布局的节点链接图. 针对传统力导向布局的节点链接图没有考虑知识图谱数据中的实体标签和关系标签信息, 导致结果中存在实体节点和关系链接的分布较为随机的问题, 提出一种基于力导向布局的知识图谱可视化方法. 首先对知识图谱数据进行数据准备, 获得规模合适的知识图谱子图数据; 然后在力导向布局中加入 3 种新力, 使得改进后的布局可以更好地展示知识图谱中实体之间的关系、实体和关系标签类型; 最后引入边绑定技术并提供基本的交互技术, 提升方法的可视效果和交互功能. 在具有 3 万个实体的医疗知识图谱数据和具有 200 万个实体的网络黑产知识图谱数据上的实验结果表明, 与其他力导向布局方法相比, 所提方法的整体布局在细节上更有规律, 可读性更好.
关键词: 知识图谱; 可视化; 力导向布局; 边绑定
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https://www.jcad.cn/article/doi/10.3724/SP.J.1089.2024.19955
图像视频处理
基于密集多尺度自注意力变换网络的伪装对象分割方法
作者: 闫馨宇, 孙美君, 韩亚洪, 王征
单位: 天津大学智能与计算学部；天津机器学习重点实验室；中国教育部城市智能化与数字化治理工程研究中心
摘要：为了充分地发挥深度自注意力变换网络在伪装对象分割任务中的潜力, 提出一种基于密集多尺度自注意力变换网络的伪装对象分割方法, 包含双分支可分离密集多尺度特征提取和快速注意力诱导的跨级交互融合 2 个模块. 首先以自注意力变换网络作为骨干特征提取器获取各级特征; 然后将提取的特征馈送到双分支可分离密集多尺度特征提取模块, 在局部分支和全局分支中, 利用密集递进相连的深度可分离卷积块提取丰富的多尺度上下文特征; 最后使用快速注意力诱导的跨级交互融合模块融合各级特征, 并利用每级融合特征预测伪装映射, 通过深度监督让各级特征在空间上保持高度一致性, 尽可能地集中注意力于伪装特征而避免背景噪声的干扰. 在 CHAMELEON, CAMO, COD10K 和 NC4K 这 4 个基准数据集上, 与其他 28 种主流模型进行定性可视化对比, 以及针对 PR 曲线、S值、F 值、E 值及 MAE 这 5 种评价指标的定量对比实验结果表明, 所提出的基于密集多尺度自注意力变换网络是一种有效的伪装对象分割模型.
关键词: 伪装对象分割; 自注意力变换网络; 深度学习
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基于集成多尺度注意力的图像篡改定位
作者: 魏华建, 严彩萍, 李红
单位: 杭州师范大学信息科学与技术学院 ; 杭州启源视觉科技有限公司
摘要: 近年来, 基于卷积神经网络图像拼接篡改检测算法取得了相当的进展. 然而, 由于篡改对象的大小和类型不同, 现有的大多数模型仍然不能取得令人满意的效果. 针对这些问题, 提出一种集成多尺度注意力的网络进行图像篡改定位算法. 首先在编码器中添加多尺度的双注意力模块——位置注意力和通道注意力, 其中, 位置注意力模块通过捕捉任意 2 个特征图的位置关系获取特征图在空间维度上的语义信息依赖关系, 使每个像素点均能感知其余位置像素点的信息; 通道注意力模块采用与位置注意力相似的自注意力操作捕捉任意 2 个通道映射之间的关系, 使像素点感知到其余通道像素点的信息. 考虑到篡改目标大小不同, 多尺度注意力模块将特征图划分为多个子区域, 在捕获长程语义信息依赖关系的同时也能适应各种形状大小的篡改区域, 可以更好地处理不同尺度的拼接篡改图, 降低高分辨率特征图的计算开销. 在公开数据集 CASIA 上进行实验的结果表明, 所提算法得到的 F1 和 IoU 值分别达到 62.3%和 61.2%, 比其他现有算法有明显提升.
关键词: 图像拼接定位; 多尺度; 空间通道关系; 自注意力
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https://www.jcad.cn/article/doi/10.3724/SP.J.1089.2024.19954
纺织品车缝线迹分割网络
作者: 李鑫, 崔文婷, 金帆, 於全豪, 余烨, 路强
单位: 合肥工业大学电气与自动化工程学院 ; 智能互联系统安徽省实验室(合肥工业大学) ；合肥工业大学计算机与信息学院
摘要: 针对织物车缝线缝制工艺多样, 造成其种类多、形态不定以及缝线与织物纹理近似性等导致车缝线准确分割困难等问题, 提出一个基于多尺度特征的纺织品车缝线迹分割网络. 首先采用融合注意力机制的残差网络提取其位置信息; 然后使用增强特征金字塔模块, 充分利用多尺度特征得到预候选区域的语义信息, 将其融合后经过筛选得到车缝线候选区域; 最后经过全卷积网络实现车缝线的分割. 在真实纺织品车缝线数据集 SewTrace 上进行实验的结果表明, 所提网络对纺织品车缝线迹分割的均值平均精度为 0.96, 计算量为 1.5G; 在具有相似特征的公开数据集CrackForest, CRKWH100 和 Kolektor 上与其他同类网络进行实验的结果表明, 该网络的均值平均精度分别达到 0.85, 0.89 和 0.89, 分割精度和预测速度指标优于其他同类网络, 证明其能够有效地提高线形目标分割精度.
关键词: 车缝线; 多尺度特征; 图像分割; 注意力机制; 增强特征金字塔
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https://www.jcad.cn/article/doi/10.3724/SP.J.1089.2024.19915
融合移位窗口注意力的光流计算方法
作者: 安峰, 戴军, 韩振
单位: 苏州工业园区服务外包职业学院智能制造学院 ; 同济大学经济与管理学院
摘要: 针对端到端的光流计算方法容易受限于运动模糊、遮挡和大位移的问题, 通过引入注意力机制实现对遮挡像素进行更准确的预测, 提出一种融合移位窗口注意力的光流计算方法. 首先使用移位窗口注意力对原有的特征图进行特征增强, 获取更具全局自相似性的特征, 弥补了卷积特征的局部性特点; 然后使用移位窗口注意力进行相关体解析, 包括 2D 运动向量解析和光流增量的计算, 获得更准确的光流增量; 最后引入遮挡图作为位置编码, 在计算注意力时考虑更多的像素位置关系. 实验结果表明, 在 Sintel 数据集上, 端到端的误差达到 1.33; 在 FlyingChairs 数据集上, 单帧计算时间为 69 ms, 比全局运动聚合方法减少 4.2%, 超过了常见光流计算方法的精度和效率.
关键词: 光流计算; 自注意力机制; 移位窗口注意力; 位置编码
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https://www.jcad.cn/article/doi/10.3724/SP.J.1089.2024.19971
适合水声隐蔽通信的图像隐写算法
作者: 王文锦, 李庆忠
单位: 山东财经大学管理科学与工程学院 ; 中国海洋大学工程学院
摘要: 为了实现水声信道场景中的快速、安全信息隐藏, 提出一种基于杜鹃搜索(CS)与整数小波变换的水声隐蔽通信下图像隐写算法. 首先对待嵌入的水下图像进行交织打包处理, 生成秘密信息码流, 提高传输差错检测和恢复能力; 然后将载体图像划分为不重叠的块, 对每个子块应用整数小波变换进行处理, 既可以节省 CS 搜索空间, 又能提高算法的寻优性能; 再对高频子带系数的嵌入位置矩阵进行混沌置乱, 使用 CS 选择最优密钥获得秘密信息的最优匹配位置, 产生最佳质量的隐秘图像; 最后对提取出的秘密信息采用传输差错检测与恢复措施, 提高水声信道传输后水下图像的重建质量. 在标准测试图像数据集 SIPI 上进行实验结果表明, 当信息嵌入容量为 0.5 bit/像素时, 所提算法生成隐秘图像的平均峰值信噪比(PSNR)达到 52.80 dB, 平均数据结构相似性指数度量为 0.999 9, 优于现有算法, 满足水下通信安全性、实时性的要求; 当丢包率高达 20%时, 重建图像的 PSNR 超过 35.9 dB, 在 0.8%的混合误码率下, 重建图像的 PSNR 超过 36 dB, 具有应对恶劣水下噪声环境下传输差错的检测与恢复能力.
关键词: 整数小波变换; 杜鹃搜索; 水声通信; 图像隐写
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https://www.jcad.cn/article/doi/10.3724/SP.J.1089.2024.19972
融合深度学习与特征投影曲线的钢筋绑扎节点检测方法
作者: 成彬, 邓磊
单位: 西安建筑科技大学机电工程学院
摘要: 针对传统人工钢筋绑扎过程中操作效率低、成本高等问题, 将深度学习技术应用于钢筋绑扎节点检测, 提出一种融合深度学习与特征投影曲线的钢筋绑扎节点检测方法. 首先, 通过原始数据采集和增强构建 3 300 幅图像的钢筋绑扎节点数据集, 基于 TensorFlow 深度学习框架构建 MobileNetV3-SSD 钢筋绑扎节点识别模型, 实现钢筋已绑扎/未绑扎节点的自动识别及分类, 初步提取预测框区域图像; 然后, 对提取的未绑扎节点预测框区域进行图像预处理, 提出一种由控制因子 α 与特征投影曲线相结合的节点定位方法实现未绑扎节点精确定位; 最后, 通过性能测试实验对方法评估, 并根据评价指标确定识别模型与定位方法的最优阈值. 实验结果表明, 采用 MobileNetV3-SSD 钢筋绑扎节点识别模型的宏精确率和宏召回率分别为 95.40%和 96.70%; 采用特征投影曲线定位方法的定位准确率达90.45%, 平均相对误差为 6.15%; 所提方法可实现快速、非接触的智能化检测, 具有良好的鲁棒性和应用价值.
关键词: MobileNetV3-SSD; 图像处理; 特征投影; 钢筋绑扎识别
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https://www.jcad.cn/article/doi/10.3724/SP.J.1089.2024.19964
CAD/CAE/CAM
基于分片参数化的保特征结构化网格生成方法
作者: 蒋鹏, 齐龙, 吴海燕, 苏立彪, 庞宇飞, 肖周芳, 徐岗
单位: 杭州电子科技大学计算机学院；中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所
摘要：在数值模拟仿真中, 四边形结构化网格具有稳定性好、精度高、收敛速度快等优势, 因此四边形网格的生成和优化具有重要意义. 针对保特征的高质量四边形结构化网格生成困难的问题, 提出一种基于分片参数化的保特征结构化网格生成方法. 首先提取模型特征信息, 并使用特征信息和亏格数量分解模型, 获取一组三维面片; 然后通过参数化方法将三维面片投影到二维参数域, 并在二维参数域利用标架场方法进行结构化分区; 再将二维分区反投影到原模型以获取三维分区, 并基于整数规划方法求解边界离散段数模型; 最后在二维参数域生成四边网格模型, 并通过迭代光顺优化网格质量, 将网格反投影到原模型, 得到最终的高质量表面结构化网格. 实验结果表明, 所提方法能保持模型特征信息, 且生成网格质量比现有方法高.
关键词: 网格生成; 网格参数化; 整数规划; 标架场; 结构化网格
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基于改进快速搜索随机树算法的复杂机电产品线缆装配路径求解
作者: 王发麟, 郭耀文, 龚建华
单位: 南昌航空大学航空制造工程学院
摘要: 针对复杂机电产品线缆装配路径求解困难的问题, 提出一种基于改进快速搜索随机树算法的线缆装配路径求解方法. 首先构建基于 Cosserat 弹性杆理论的线缆物理属性模型; 然后提出改进快速搜索随机树算法的 3 种策略: 基于人工势场法(artificial potential field, APF)的线缆装配路径规划策略, 使线缆装配路径连接线缆目标构型, 方便线缆实际装配; 考虑线缆最佳离地高度的节点扩展策略, 防止线缆因自身重力而与零部件产生碰撞干涉; 基于非均匀三次 B 样条曲线的路径优化策略, 求出一条相对平滑的路径. 在 Matlab 线缆装配路径地图中对所提方法进行仿真的结果表明, 改进后的快速搜索随机树算法的结果更优; 并通过某相控阵雷达中的线缆装配路径实例, 对该方法进行了验证.
关键词: 线缆装配路径; 快速搜索随机树; 人工势场法; 碰撞干涉; 复杂机电产品
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https://www.jcad.cn/article/doi/10.3724/SP.J.1089.2024.19932
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