1 国防科技大学电子科学学院湖南长沙 410073
2 国防科技大学气象海洋学院湖南长沙 410073
迭代最近点法(ICP)及其变体是三维点云刚性配准的典型方法, 但此类通过迭代计算逐点距离矩阵实现点云配准的方式, 严重制约了点云的配准效率。本文提出一种快速 ICP算法, 利用 Frobenius范数表示待配准的两幅点云之间的误差函数, 获得误差值最小点位置, 并对此位置进行奇异值分解, 从而得到旋转矩阵和平移向量, 极大压缩了迭代次数和配准时间。在 Standford数据集和 3DMatch数据集上进行试验, 与传统 ICP算法及其变体、3种基于学习的点云配准算法进行对比, 本文方法配准效率最优; 在达到相近的配准精确度时, 提出的快速 ICP方法的迭代次数仅为传统 ICP算法的 0.2倍, 在 Standford数据集上配准所需时间为传统 ICP算法的 1/4, 在 3D Match数据集上配准所需时间为传统 ICP算法的 1/8倍。本文提出的快速 ICP算法在数据量大的点云场景下, 具有更高的效率。
三维计算机视觉 点云数据处理 点云配准 快速迭代最近点法 Frobenius范数 奇异值分解 3D computer vision point cloud data processing point cloud registration fast iterative closest point method Frobenius norm Singular Value Decomposition(SVD) 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(10): 1263
1 山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室, 青岛 266590
2 安徽理工大学 矿山地下工程教育部工程研究中心, 淮南 232001
为提高松动爆破振动信号分析精度, 在局部均值分解(LMD)的基础上, 建立一种基于局部均值分解(LMD)-多尺度模糊熵(MFE)-奇异值滤波(SVD)的混合去噪方法。使用LMD方法对松动爆破振动信号进行分解, 获得一系列乘积分量(PF); 通过计算MFE和相关系数, 对爆破振动信号进行初步降噪; 针对主要PF分量的残留噪声, 使用SVD滤波进行降噪处理, 提取真实信号成分。通过上述处理, 最终实现松动爆破信号降噪。结果表明: 提出的LMD-MFE-SVD降噪方法具有可行性和应用价值, 能够对含噪的PF分量进行有效处理; 对于含多信号成分、多噪声的仿真信号, LMD类算法相较EMD类改进算法降噪效率更高, 信噪比(SNR)、均根方误差(RMSE)和失真百分比(PRD)指标表现显著提升, 而相较LMD算法, 提出的LMD-MFE-SVD算法降噪效率进一步提高, 依次提升11.73%、22.07%和9.25%, 降噪效率显著; 根据实测松动爆破振动信号去噪后的波形和频谱对比, 提出的LMD-MFE-SVD降噪后的信号波形更为集中, 能保留多数信号信息, 信号频谱图更为清晰, 有效显示信号频率波峰, 更利于松动爆破振动信号的特征分析。
松动爆破 振动降噪 局部均值分解 多尺度模糊熵 奇异值滤波 loosening blasting denoising of vibration signal LMD MFE SVD
1 西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621010
2 特殊环境机器人技术四川省重点实验室，四川 绵阳 621010
针对现有的三维测量系统在线激光标定过程中存在多线不易标定、提取特征点精度低等问题，提出一种新的多线激光分类与光平面标定方法。首先利用steger算法提取激光中心线，利用基于轮廓判断的方法对中心线进行分类；然后对标定板上的关键点进行检测，利用奇异值分解得出摄像机与标定板的对应关系矩阵，进而可利用对应关系矩阵，求解关键点在相机坐标系下的三维坐标；拟合标定板在相机坐标系下的平面方程，即可求出激光线在标定板平面上的三维点。多次变换标定板位姿，最终可完成多线激光平面标定。对标准块的重建实验结果表明，所提方法的重复测量均值尺寸精度达0.02 mm，满足工业精度要求，证明了所提方法的有效性。
轮廓判断 标定板 奇异值分解 多线激光平面标定 激光与光电子学进展
2023, 60(22): 2215003
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室，北京 100081
3 北京理工大学长三角研究院（嘉兴），浙江 嘉兴 314019
提出了一种基于近红外视频的心率检测方法。该方法采用正交分解投影结合奇异值分解（OP-SVD）的方法，实现了夜间运动状态下的高精度鲁棒性心率检测。该方法通过人脸标志点检测，将人脸分为多个感兴趣子区域，获得了多通道成像式光电容积描记（IPPG）信号；采用正交分解投影法去除多通道IPPG信号中的运动伪迹；接着利用奇异值分解法再次去噪，并通过重构子区域信号获得了高信噪比IPPG信号，最终实现了心率的准确提取。实验结果表明，与传统方法相比，该方法的误差最小，其平均绝对误差（MAE）值达到了3.14 bit/min。
医用光学 近红外视频 成像式光电容积描记术 心率 正交分解投影 奇异值分解 中国激光
2023, 50(21): 2107202
中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
多环芳烃(PAHs)是一类在自然环境中常见且广泛存在的有毒有害有机物。 其主要来源有自然界的各种微生物以及植物的生物合成, 富含植被区域的天然火灾, 火山的喷发物, 化石燃料以及人为工业碳氢化合物的不完全燃烧和运输过程中的石油泄漏等。 多环芳烃的毒性较为强烈, 具有生物致癌性, 遗产毒性和致突变性。 它对于人体呼吸系统, 循环系统, 神经系统有着多方面的危害, 是一种重要的有机污染物, 因此有必要对多环芳烃的现场监测和分析方法进行研究。 目前对于多环芳烃的分析方法主要有化学分析法和光谱分析法。 化学分析法包含有前处理的化学滴定法, 液相色谱法(LC), 高效液相色谱法(HPLC), 气相色谱质谱法(GC-MS); 光谱学分析法涉及紫外吸收光谱, 荧光光谱和三维荧光光谱等。 三维荧光光谱同时获得激发波长和发射波长的信息, 因而包含的光学信息十分丰富, 灵敏度高, 光谱特征显著, 在实际水体的现场检测和水体样本混合组分的快速研究有明显的优势。 常见的三维荧光光谱解析方法有平行因子分析法(PARAFAC), 多维偏最小二乘法(N-PLS)等。 平行因子分析是分析多环芳烃重叠三维荧光光谱的一种有效方法。 但有时由于多种组分的荧光较弱, 它对三维荧光光谱的欠定分析并不能得到令人满意的结果。 为了从两个样品中提取更多的成分, 提出一种基于奇异值分解(SVD)和PARAFAC的方法。 首先对每个观测样本进行奇异值分解, 根据累积贡献率选取合适的奇异值, 构造新的伪样本来突出微弱的荧光信号。 然后, 将两个观测样品及其对应的伪样品输入PARAFAC, 恢复组分光谱。 为验证所提方法的有效性, 对三组不同荧光强度的多环芳烃重叠三维荧光光谱进行了分析。 结果表明, 从两个混合样品中提取并识别出6个多环芳烃的纯组分光谱, 其分辨发射和激发光谱与标准光谱的相似性均在0.80以上。
欠定分析 弱荧光信号 平行因子分析 奇异值分解 多环芳烃 Underdetermined analysis Weak fluorescence signal Parallel factor analysis Singular value decomposition Polycyclic aromatic hydrocarbons 光谱学与光谱分析
2022, 42(11): 3494
1 中北大学仪器与电子学院，山西 太原 030051
2 山西省自动化检测装备与系统工程技术研究中心，山西 太原 030051
针对目前光纤环缺陷检测方法可靠性低、实用性差的问题，提出一种基于改进低秩表示模型的光纤环缺陷检测算法。基于低秩表示理论对缺陷检测问题进行模型构建，将无缺陷的光纤环图像建模为低秩结构，将缺陷建模为稀疏结构；同时将拉普拉斯正则化约束项施加到低秩表示模型中，以扩大缺陷区域与背景之间的差距；为了提高算法的效率，采用幂法迭代的思想来实现奇异值分解。通过实验对算法进行验证，结果表明，所提算法对不同类型的缺陷均具有良好的检测性能，且与其他算法相比，取得最优的表现。
光纤环 缺陷检测 低秩表示 奇异值 幂法迭代 激光与光电子学进展
2022, 59(22): 2215008
1 北京邮电大学电子工程学院，北京 100876
2 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 100876
随机奇异值分解（RSVD）在数据压缩、信号处理和图像降噪等方面具有广泛的应用，但日益剧增的矩阵规模对传统计算平台提出了更高的内存需求。为此，提出了基于空间光计算的RSVD方法。利用复杂介质的固有性质将矩阵降维，不再需要生成和存储随机高斯矩阵，能够有效降低RSVD的计算开销。实验证明，在采样率为0.2、宏像素块维度为10×10、选用220目毛玻璃作为散射介质的情况下，所提方法能够对维度为80×80的矩阵实现RSVD，其相对误差小于0.1，与传统方法相比，有效降低了RSVD的时间复杂度和空间复杂度。最后，通过图像压缩验证了所提方法的效果，所提方法为进一步研究大规模图像矩阵算法提供了基础。
光计算 随机奇异值分解 复杂介质 矩阵降维 时间复杂度 空间复杂度 光学学报
2022, 42(19): 1920002
1 华北电力大学 1. 电子与通信工程系
2 2. 河北省电力物联网技术重点实验室
3 3. 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室, 河北 保定 071003
为了提高布里渊光时域分析系统(BOTDA)在长距离监测应用中的实时性, 提出了一种基于压缩感知的布里渊光时域系统实时性增强方法。该方法包含稀疏表示、随机采样和信号重构三个部分。首先采用K-均值奇异值分解算法获得布里渊增益谱的稀疏表示, 然后通过高斯随机采样和正交匹配追踪算法进行布里渊增益谱重构。为了验证所提方法的性能, 仿真生成了不同信噪比水平的布里渊增益谱, 搭建了45km的布里渊光时域系统进行温度传感实验。仿真和实验结果表明: 在累加平均次数为100时, 所提算法将信噪比提升了6.37dB, 优于累加平均次数3000时的10.13dB, 对应测量时间减少了1/30; 采用8MHz步长数据重构布里渊增益谱, 该方法的重构结果与4MHz步长数据的相关系数为0.9992, 对应扫频时间减少了一半。所提算法在保证测量精度的同时提升了测量实时性。
光纤传感 布里渊光时域分析系统 布里渊增益谱 压缩感知 K-均值奇异值分解 optical fiber sensors Brillouin optical-time domain analyzer Brillouin gain spectrum compressed sensing K-means singular value decomposition
中国空间技术研究院遥感卫星总体部, 北京 100094
为了综合利用红外与可见光图像的光谱显著性信息，同时提高融合图像的视觉对比度，本文提出了一种基于视觉显著性加权与梯度奇异值最大的红外与可见光图像融合方法。首先，该全新算法通过滚动引导剪切波变换作为多尺度分析工具，来获取图像的近似层分量与多方向细节层分量。其次，针对反映图像主体能量特征的近似层分量，采用视觉显著性加权融合作为其融合规则，该方法利用显著性加权系数矩阵指导图像内的光谱显著性信息有效融合，提高了融合图像的视觉观察度。此外，采用基于梯度奇异值最大原则来指导细节层分量的融合，该方法可以极大程度地将隐藏在两种源图像内的梯度特征还原到融合图像中，使融合图像具有更加清晰的边缘细节。为了验证本文算法的有效性，进行了5组独立的融合实验，最终的实验结果表明，本文算法融合图像的对比度更高，边缘细节更加丰富，并且相较于其它现有典型方法，AVG、IE、QE、SF、SD、SCD等客观参数指标分别提高了16.4%、3.9%、11.8%、17.1%、21.4%、10.1%，因此具有更加优良的视觉效果。
图像融合 滚动引导剪切波变换 显著性加权 梯度奇异值 image fusion rolling guidance shearlet transform visual saliency weighted gradient singular value
1 东南大学信息科学与工程学院移动通信国家重点实验室，江苏 南京 210096
2 网络通信与安全紫金山实验室，江苏 南京 211111
在可见光通信（VLC）系统中，发射端调制信号的幅度必须保持非负才能驱动LED发光，导致VLC系统的可达速率公式与传统射频通信系统存在较大差异。此时，传统最大化可达速率的预编码矩阵设计方法不再适用。针对该问题，提出了一种适用于多输入多输出VLC系统的预编码矩阵设计方法。首先，基于严格卡罗需-库恩-塔克条件求解出特征信道功率分配表达式。然后，根据注水算法的思想为性能较好的子信道分配较大功率。通过对特征信道功率的取值次序进行约束，本方法能在逼近最优可达速率的同时具备低复杂度特点。仿真结果表明，相比现有预编码矩阵设计方法，本方法的可达速率指标有显著提升。
光通信 奇异值分解 注水算法 预编码 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1106003
