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 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 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
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
1 哈尔滨工业大学（威海）信息科学与工程学院，山东 威海 264209
2 哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江 哈尔滨 150001
3 威高集团有限公司，山东 威海 213000
4 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州 215163
光声层析成像是一种非侵入式的医学成像技术，与其他成像方法相比具备诸多优势，可以为肿瘤早期诊断提供新的成像思路。对光声信号的分析与去噪能提高成像系统的信噪比（SNR）和成像质量。为此，提出了一种针对光声信号的智能去噪算法。首先，利用自适应白噪声完备集合经验模态分解完成光声信号的分解；其次，采用小波阈值去噪方法完成对特定模态光声信号的高频去噪；最后，利用K奇异值分解对预处理后的光声信号进行稀疏重构，实现光声信号的智能去噪。仿真和实验结果表明，所提算法在SNR和均方根误差（RMSE）等方面相比于其他去噪算法均有改善，可以有效去除三维肿瘤仿体光声重建图像中的噪点与伪影，并保留图像的边缘信息。所提智能去噪算法能根据含噪光声信号的特征自适应地去噪，达到更好的去噪效果，可以作为一种成像前的辅助手段应用于光声成像领域。
成像系统 光声层析成像技术 经验模态分解 小波阈值 K奇异值分解 噪声 激光与光电子学进展
2022, 59(8): 0811006
微型光谱仪在采集光谱信号过程中, 光谱数据经常受到来自仪器光学系统和电子电路中的干扰出现噪声和光源特征峰, 严重干扰了真实光谱信号的图谱特征, 因此需要使用合理的预处理方法保留光谱信号中有用信号并尽可能过滤噪声信号同时将光源特征峰滤除, 从而提高光谱信息定量分析的稳健性和准确性。 并且在线检测系统要求尽可能减少人为参数选择对去噪效果的影响, 奇异值分解经常应用于由系统电路引起的噪声去噪, 奇异值降噪阶次的选取对提高信号信噪比十分关键, 但是往往参数选取主要依赖经验调试和实验验证。 因此, 提出了一种基于奇异值重构信号分量频率的光谱信号去噪算法。 该算法首先重构原始光谱信号单个奇异值分量信号, 然后对每个奇异值分量信号作快速傅里叶变换, 得到每个奇异值分量信号快速傅里叶变换结果中振幅最大所对应的频率值, 最后按照奇异值递减方式对相应分量信号频率值进行一阶滞后差分, 得到频率差分谱, 研究表明, 差分谱第一个谱峰值在大于设定阈值处所对应的奇异值即为奇异值分解降噪的有效阶次。 结果表明: 对包含多种重金属离子的溶液在线测量的紫外可见光谱信号, 添加不同强度的随机噪声, 并进行去噪处理, 使用信噪比和均方根误差两个性能指标进行对比。 所提算法相较于SG滤波算法和小波变换去噪算法信噪比分别提高了22.05%, 10.88%, 均方根误差分别降低了74.28%, 41.29%。 所提算法完全基于数据驱动, 在处理真实紫外可见光谱信号中不仅抑制了噪声影响, 而且将微型光谱仪的光源特征峰有效滤除, 在紫外可见光谱信号的定量分析中具有较好的应用前景。
奇异值分解 光谱去噪 有效阶次 谱峰 Singular value decomposition Fast Fourier transform Spectral denoising Effective order Spectral peak FFT
1 中国科学院上海应用物理研究所, 上海201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院上海高等研究院, 上海 201210
针对硬X射线自由电子激光(HXFEL)对偏移镜组提出的初步要求(压弯前、夹持后子午面形误差小于0.5 μrad),传统机械压弯难以满足且实时修正,因此采用压电片侧放式双压电片反射镜(PBM)结构。反射镜水平放置,通过奇异值分解(SVD)法计算修正自重所引起的低频面形误差所需的电压值,并辅以有限元分析法验证方案的可行性;针对不同的压弯面形进行求解分析,然后加入热分析法解决由局部辐射引起的面形突变。仿真结果表明,在自重的情况下,反射镜的初始斜率误差为242.43 nrad (均方根, RMS),在压电压弯修正后其斜率误差可以大幅降低至7.743 nrad (RMS);对目标面形进行调节,实际压弯面形与目标面形间的斜率误差仅为0.0024 nrad (RMS)。
表面光学 双压电片反射镜 有限元分析 自适应 奇异值分解
