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计算机工程与科学 2016年第09期杂志 文档列表

计算机工程与科学杂志高性能计算

利用Stencil建模及评估Intel IMCI vgather指令1741-1747

摘要：Intel Xeon Phi协处理器的指令集IMCI引入了硬件实现的vgather指令,旨在帮助512位SIMD寄存器访问非连续内存地址上的数据。然而实验结果显示,vgather很有可能成为应用在Xeon Phi协处理器上关键的性能瓶颈之一。基于以上结论,针对vgather的性能建模可以帮助用户深入地掌握和理解Xeon Phi协处理器的性能特性。在实验方法上,本文方法与现存的通过程序段内嵌入汇编代码进行数据统计不同,使用PAPI等性能分析工具直接收集硬件计数器的统计结果,作为模型的实验数据。本文的性能模型基于AGI事件次数和根据VPU_DATA_READ次数估算得出的vgather所导致的平均延迟构建而成。该模型能够对Xeon Phi应用代码中由vgather所导致的总延迟进行预测。最终,为了验证模型预测的准确性,将该模型应用在三维7点stencil应用代码上,预测结果显示,vgather耗时占计算总耗时的约40%。再将该结果与利用intrinsics指令去除vgather后的计算耗时进行了对比验证,结果显示模型预测准确。基于上述结论,采用硬件计数器的统计结果在Xeon Phi协处理器上针对vgather构建了性能模型。同时,通过与其他平台的vgather对比,认为该模型也可以应用在同样具备vgather的Intel CPU处理器平台上。

一种支持优化分块策略的矩阵乘加速器设计1748-1754

摘要：在许多应用领域中,大规模浮点矩阵乘法往往是最耗时的计算核心之一。在新兴的应用中经常存在至少有一个维度很小的大规模矩阵,我们把具备这种特性的矩阵称为非均匀矩阵。由于FPGA上用以存储中间结果的片上存储器容量十分有限,计算大规模矩阵乘法时往往需要将矩阵划分成细粒度的子块计算任务。当加速非均匀矩阵乘法时,由于只支持固定分块大小,大多数现有的线性阵列结构的硬件矩阵乘法器将遭受很大的性能下降。为了解决这个问题,提出了一种有效的优化分块策略。在此基础上,在Xilinx公司的Zynq XC7Z045FPGA芯片上实现了一个支持可变分块的矩阵乘法器。通过集成224个处理单元,该矩阵乘法器在150 MHz的时钟频率下对于实际应用中的非均匀矩乘达到了48GFLOPS的实测性能,而所需带宽仅为4.8GB/s。实验结果表明,我们提出的分块策略相比于传统的分块算法实现了高达12%的性能提升。

面向数据去重的基于二次哈希的收敛加密策略1755-1762

摘要：在云存储和备份系统等领域,数据去重被广泛地用来消除冗余数据及节约传输带宽,数据去重的安全问题受到越来越多的关注。现有收敛加密（CE）存在两大挑战：（1）由于密钥确定化导致的线下暴力破解问题;（2）对重复数据的无用加密操作使得计算开销随着数据负载去重率的提高而增加。针对上述两个问题,提出了基于二次哈希的收敛加密策略（TCE）。具体而言,TCE首先计算数据块的哈希生成密钥,密钥经过可信第三方添加秘密信息后增加随机化程度;然后针对该哈希值再次哈希得到数据块指纹。TCE增加了线下暴力破解的难度,消除了对重复数据的加密操作。实验测试结果表明,TCE比CE的备份窗口减少了30%～50%。

面向量子密钥分发的自适应LDPC双码并行机制1763-1768

摘要：信息协调是量子密钥分发中的关键步骤,基于LDPC实现量子信息协调是当前国内外研究的焦点。目前QKD系统LDPC译码器普遍采用单码字顺序译码机制设计,且采用的是性能较差的准循环LDPC码,LDPC译码器吞吐量和纠错上限较低,无法满足高速率高误码下量子安全性及性能需求。设计了一种面向量子密钥分发的新型自适应LDPC双码并行机制ADCPM,采用随机型LDPC码,且在译码的同时进行双密钥串并行纠错,较传统方法吞吐量提升了近1倍。真实平台实验结果表明,ADCPM支持高达10%的误码率,吞吐量超过140 Mbps,可有效支撑高误码下高速安全量子信息协调。

计算机工程与科学杂志计算机网络与信息安全

基于软件无线电的通信信号测试平台设计与实现1769-1775

摘要：软件无线电所具有的灵活性、开放性等特点,使其在军民无线通信领域获得了广泛应用。以微电子技术和计算机技术为基础,利用计算机、MATLAB、FPGA和ADI公司的AD9364射频捷变收发器,设计了一种适合测试WCDMA、TD_SCDMA、GSM、LTE等通信系统的信号测试平台,该测试平台能生成任意数字化正弦波,实时检测通信信号的相关信息以及调整射频链路参数。实验结果表明,该设计符合软件无线电的设计思想,具有较强的通用性、可移植性和软硬件均可重构能力。

基于改进AOMDV路由协议的WSNs拥塞控制和能耗均衡策略1776-1783

摘要：无线传感器网络WSNs中数据流的突发、节点能量有限和多对一数据传输等特性导致其很容易发生网络拥塞和节点能量的非均衡消耗,而采用多路径方式进行数据传输,不仅可以缓解网络拥塞,而且也能达到网络能量均衡消耗的目的。AOMDV协议是一种面向Ad-Hoc网络的反应式多路由协议,首先提出了一种改进的AOMDV协议—I_AOMDV协议,在路由发现阶段不再使用发生拥塞和低能量的节点,而在路由维护阶段则仅使用HELLO信息交换邻居节点的“剩余能量”和“队列长度”,同时在路径列表中添加了“拥塞恢复时间”和“能量剩余标志位”,从而使I_AOMDV协议更适应于静态WSNs的数据传输。基于I_AOMDV协议,进一步提出了新的网络拥塞控制和能耗均衡策略,其中,拥塞控制策略采用新的拥塞检测方案,并为发生拥塞的最短路径设置了“拥塞恢复时间”;而能耗均衡策略则通过为节点的每条路径设置“能量剩余标志位”来解决能量的非均衡消耗问题。仿真实验结果表明,基于I_AOMDV的拥塞控制和能耗均衡策略,可以减少路由协议的开销,有效降低数据丢包率和节点剩余能量的差异性。

车载自组网中最远转发机制的可靠性改进1784-1789

摘要：车载自组网是传统的移动自组织网络在交通道路上的应用。在车载自组网中,最远转发机制[1]能够有效降低数据传播跳数,减少冗余发送,但最远转发机制的可靠性将因最远节点失效而受到影响。在分析和实验验证节点高速运动将导致严重的最远节点失效问题的基础上,提出了两种对最远转发机制进行改进的方法：安全距离法和失效预测法。安全距离法选择最接近计算出的安全距离的邻居作为转发节点;失效预测法通过邻居的状态参数对其位置进行预测,进而避免选择那些可能已经脱离通信半径的邻居作为转发节点。多个仿真实验表明,两种改进方法都能不同程度地降低转发节点失效的比例,提高消息传播的可靠性。

一种基于小波去噪的DFT信道估计改进算法1790-1796

摘要：针对小波去噪与DFT插值相结合的信道估计算法没有对循环前缀内的噪声进行去噪的缺点,提出了一种基于小波去噪与改进的DFT插值相结合的信道估计新算法。该算法首先利用离散小波变换对最小二乘（LS）法估计出的结果进行阈值去噪处理,并根据循环前缀内、外噪声方差的均值在DFT插值的过程中设置相应门限,然后对循环前缀内的噪声再次处理,以进一步减小噪声的影响。仿真实验结果表明,在复杂度基本不变的前提下,该算法能够较好地减小加性高斯白噪声的影响,并有效提升信道估计的准确度,其总体性能较小波去噪与DFT插值相结合的信道估计算法更优。

一种面向空地一体化组网的体系架构1797-1802

摘要：空间网络是空地一体化组网中地面网络延伸的重要组成部分。针对空间网络为移动星座的场景,传统的空地一体化组网模型将空间网络视为独立自治域,利用边界网关协议将空间网络与地面自治域互联起来,最大化同地面网络保持兼容。然而,传统组网模型存在边界网关面临频繁会话中断或大量路由更新等问题。通过重新审视空间网络的角色定位和边界划定问题,提出一种面向空地一体化组网的体系架构Slink。Slink的核心思想是空间网络为地面网络提供互联通道,利用星地网关隔离空地两网间的路由更新。实验仿真表明,Slink体系架构能够有效减小对空间路由器的路由存储空间需求,降低星地网络间的带宽消耗。

基于攻击事件的动态网络风险评估框架1803-1811

摘要：将动态网络的演化思想应用于计算机网络风险评估中,提出了基于攻击事件的动态网络风险评估框架。整个框架首先在静态物理链路的基础上构建动态访问关系网络,随后提出的Timeline算法可以利用时间特性有效地描述攻击演化趋势和发现重要攻击事件,图近似算法可以将分析过程简化为时间段近似图之间的分析,能够有效减小噪声行为的影响。此外,整体框架可以对网络段进行演化追踪和关联分析。实例分析表明,该框架具有很好的实用性,可以更好地揭示攻击者的攻击策略以及重要攻击事件间的紧密联系。

基于序贯蒙特卡洛算法的交通流事件重构1812-1817

摘要：针对交通数据重构应用性差、缺乏对交通事件重构的研究等问题,结合交通流非线性非高斯的特点,提出一个基于序贯蒙特卡洛方法的交通流堵塞事件重构模型。该模型不断同化道路上的传感器数据,使仿真中的交通状态不断逼近真实路况,通过分析仿真数据以探测真实路网中存在的堵塞事件。模型能够对探测到的堵塞进行多粒子模拟来实现对真实道路上堵塞事件的重构。实验结果表明,该模型能够推测并重构出道路上的堵塞事件,对堵塞起始位置重构的平均误差为17m,对堵塞范围重构的平均覆盖率为82%。

WSNs入侵检测中实值否定选择算法研究1818-1822

摘要：针对无线传感器网络免疫入侵检测中否定选择算法采用r-连续位二进制串匹配度作为亲和力,检测率低且无法反映WSNs在一段时间内的动态特性这一现象,提出采用RNS-WSNs算法,该算法用一段时间内属性值的变化率构成向量作为抗原和抗体,通过计算向量间的曼哈顿距离作为亲和力。在NS3上模拟WSNs进行实验,结果显示在能量消耗相当且误报率相同的情况下,RNS-WSNs算法具有更高的检测率。

计算机工程与科学杂志图形与图像

一种改进的各向异性扩散深度图像增强算法1823-1829

摘要：深度图像受其测距原理所限,存在边缘不匹配、无效像素、噪声等问题,提出一种基于改进的各向异性扩散算法的深度图像增强方法。首先,校正深度图像和彩色图像的位置关系,并根据时间连续性选择多帧图像,进行多帧均值滤波预处理;其次,通过在彩色图像中引入权重的思想,构建具有4-邻域形式的深度图像模型,利用彩色图像引导的深度图像进行各向异性扩散,填补孔洞;最后,使用改进的自适应中值滤波平滑图像噪声。实验结果表明,该方法能够有效修复原始深度图像中存在的由无效像素组成的黑色孔洞,在抑制噪声的同时,仍能保持深度图像中物体边缘的细节信息。

基于域滤波的自适应Retinex图像增强1830-1835

摘要：为了提高低照度图像的亮度和对比度,提出了一种新的基于Retinex理论的彩色图像增强方法。首先,基于Retinex理论,提出对HSV空间V分量进行域滤波估计图像光照分量,然后将V分量与光照分量相除得到反射分量的方法。之后,采用自适应Gamma校正对光照分量进行亮度提升,然后采用CLAHE对其进行对比度增强。最后,将亮度校正光照分量与反射分量相乘得到增强后的V分量,并将增强后的图像转化为RGB空间图像,达到彩色图像增强的目的。本算法可以获得更自然的增强效果,能抑制亮度较大像素点的增强,很好地突出图像中的细节信息,克服了图像增强中增强图像对比度低、颜色失真、过增强及光照突变处出现光晕现象等缺点。本算法对多种图像有效,例如高动态（HDR）图像、非均匀光照图像及低曝光图像。通过验证,本算法得到的结果相比于传统方法视觉效果更佳。

基于分数阶达尔文粒子群FODPSO算法的图像分割1836-1842

摘要：图像分割主要用于提取用户感兴趣的目标,是图像分类和识别的基础。采用一种基于分数阶达尔文粒子群算法的图像分割方法,该算法采用分数阶微积分控制系统收敛性,能够对n尺度图像进行n-1个阈值寻优计算。实验结果表明,对比于APSO、CFPSO算法,该算法具有收敛速度快、稳定性强、精度高、全局寻优等特点,有效地克服了传统算法易陷入局部最优和收敛速度慢等缺陷,可满足实际工程需求。

一种改进的基于QPSO的VIBE算法1843-1848

摘要：与传统背景减除建模算法相比,视频背景提取算子（VIBE）算法无需估计背景数据的概率分布。所以,不像传统背景减除算法需要一定数量的训练视频帧,具有较小的运算复杂度与较好的精度,适用于嵌入式实时视频监测。某些场合下,视频流需要适时改变分辨率。然而,传统VIBE算法通常采用固定参数,不同分辨率的视频流,会导致固定参数的VIBE算法的检测精度下降。为此提出一种基于量子蚁群最优（QPSO）参数寻优算法,在初始状态对于视频流进行参数寻优计算,获取相应的最优参数,从而提高VIBE算法的学习能力。实验从定量和定性两个角度验证了本文改进的VIBE算法大幅度提升了针对不同分辨率的视频流分析能力。

基于时空图的交通流量统计和交通状态检测1849-1857

摘要：提出了一种新的基于时空图的交通流量统计和交通状态检测方法。首先,通过人机交互的方法设定检测线,并利用检测线计算时空图;然后,对时空图进行边缘提取、图像分割等处理,利用时空图上车辆的边缘、形状和占道率等信息,计算出一段时间内的交通流量。此外,还通过时空图的边缘信息的差异,将当前时间段的交通状态分为通畅、拥挤和堵塞三种不同的情况。实验结果表明,在摄像机安装位置合适的情况下,该方法统计交通流量的误差低于8%,判断交通状态的误差为0,具有很好的商业实用性。

基于测地距离的KPCA人脸识别1858-1862

摘要：针对人脸检测数据集中的信息均为高维特征向量且人脸识别易受表情变化影响等问题,本文提出一种基于测地距离的KPCA人脸识别方法,该方法利用非线性方法提取主成分。先采用KPCA方法把人脸数据映射到高维空间,进而在高维空间中提取人脸的主成分,其中核函数为多项式核函数;然后引入测地距离替换原来的欧氏距离进行相似度量,其能更准确地测量出两像素点间的实际距离,使得人脸识别率受表情变化影响小。该方法不但可以实现降维,而且还能达到有效提取特征的目的。在ORL人脸库上的实验结果表明,该方法的识别率明显优于PCA、KPCA等方法的识别率。