图学学报

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2020年第3期目次

2020, 41(3): 1.

摘要 ( 32 )

PDF(150KB) ( 50 )

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利用问题求解理论来研究交互式复杂信息的可视分析行为

张慧军,陈俊杰

2020, 41(3): 325-334. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030325

摘要 ( 67 )

PDF(521KB) ( 81 )

面对大数据的挑战，力图将人的推理能力和计算系统的数据处理能力相结合的交
互式可视分析研究变得愈发重要。然而目前仍缺乏有效的认知理论来指导面向复杂信息的可视
分析系统的设计，诸如意义构建等现有的理论框架通常着眼于分析行为的外在特征，未能对此
类行为的内在认知机理进行深入研究。因此提出将问题求解作为一种理论框架来解释交互可视
分析行为的基本认知活动，并建议从非良构问题的角度来描述可视分析过程中用户所面临的主
要挑战，还从问题表征及问题求解策略等角度分析了可视分析系统对分析行为的影响。本研究
在理论上，将认知心理学领域的问题求解理论引入到交互可视分析行为的研究中，该方法对设
计面向复杂信息分析的其他类型交互系统也有启示作用；在实践层面上，从问题求解的支持角
度探索了可视分析系统的设计和评估问题。

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无人物流车的车外屏人机界面设计研究

王文娟，张碧含，符梦婷，林政和，裴竟艺，王建民

2020, 41(3): 335-341. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030335

摘要 ( 142 )

PDF(743KB) ( 125 )

随着智能汽车和物流行业快速发展，产业结合促进了无人物流车的出现。为了提
高无人物流车的安全、效率和用户体验，对无人物流车的车外屏人机界面设计进行研究。首先
提出了基于无人物流车的人-车-环境关系理论，并且结合物流车的运行场景流程对车外屏人机
界面的设计需求进行了研究。在此基础上，对无人物流车的车外屏人机界面的信息架构、多通
道交互模式及界面设计进行了探讨和设计实践，并且对物品回收功能的初步原型设计进行了可
用性测试评估。测试结果显示初步的无人物流车车外屏交互原型逻辑流畅，可用性较高。调查
结果显示用户希望无人车定位准确，并且可以利用积分制来兑换物质奖励。研究表明车外屏人
机界面设计可以提高无人物流车的安全、效率和用户体验。对无人物流车的车外屏设计进行修
改和完善，并且经过测试迭代后，将会不断提升车外屏设计。

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体感交互虚拟漫游的沉浸感评价

周强 1，张敏雄 1，吴新丽 1，李昕 1，黄金鹏 1，杨文珍 1，潘志庚 2,3

2020, 41(3): 342-349. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030342

摘要 ( 88 )

PDF(2195KB) ( 77 )

沉浸感是虚拟漫游的重要特征，目前体感交互的虚拟漫游存在严重的感知失真问
题，虚拟场景运动的视觉感知与人机交互的体感感知不能相互匹配，破坏了虚拟漫游的沉浸感。
基于Catmull-Rom 曲线的非等距插值算法、等距插值算法和实时插值算法，分别构建3 种不同
的虚拟漫游路径，评价体感交互虚拟漫游的沉浸感。主观评价实验和仿真实验的结果表明：
Catmull-Rom 曲线的非等距插值漫游路径，无论是匀速漫游还是变速漫游，均存在明显的感知
失真现象；基于Catmull-Rom 曲线的等距插值漫游路径适用于匀速漫游，但不太适合用于变速
漫游；基于Catmull-Rom 曲线的实时插值漫游路径能实现真实运动速度与场景运动速度的匹配，
较好地解决虚拟漫游时视觉感知与身体运动感知不一致的问题，增强了虚拟漫游的沉浸感。

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移动互联网下视频时延的用户体验质量研究

谭浩 1，孙家豪 2

2020, 41(3): 350-355. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030350

摘要 ( 72 )

PDF(590KB) ( 56 )

随着移动互联网的发展，移动视频业务的迅速爆发，良好的用户体验质量(QoE)
成为运营商挽留用户的关键因素。从用户体验角度，建立不同时延下移动视频业务的评价量化
标准。通过情景实验模拟的方法，以平均主观意见分(mean opinion score，MOS)量表建立用户
视频体验质量的实数映射关系。针对用户对视频观看时延的有效反应进行分级研究，得到以下
结果：单次和多次的初始缓冲时延和卡顿时延对用户观看移动视频的影响并建立用户体验质量
评价等级。在短视频中出现单次时延在4 s 以上，用户会出现负面情绪；在相同延迟时长下，
单次的初始缓冲时延的用户体验质量略优于卡顿时延；对于在一定播放时长的移动视频业务中
出现多次卡顿，卡顿时延短但是间隔频繁的体验质量比卡顿时延长但是间隔时间长的体验质量
要更差。

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基于三维头型及穴位分布的辅助设计平台的研究

邵玉光1，李哲林 1，余光正 2，李育奇 1，邓祥洪 1，姜立军 1

2020, 41(3): 356-361. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030356

摘要 ( 62 )

PDF(3649KB) ( 61 )

为设计适合中国人头型的头戴产品，提高产品佩戴时的适配性和舒适性，开展了
辅助头戴产品设计的图形化平台的研究。首先基于国家标准重构了5 种标准头型的三维头部数
字化模型，并根据不同头型的第5，50 和95 百分位的头型缩放因子，构造了共15 个三维数字
化头型；然后根据中医理论中的穴位分布及定位方法，在所构造的头型上建立了7 条经络和78
个穴位的三维分布模型。采用三维网络图形开发包Three.js 开发了头戴产品辅助设计平台，实
现了多百分位头型的连续变形、头部穴位动态定位及基准平面剖切功能，可对头戴产品的穴位
点匹配、贴合区域间隙和干涉等进行适配性分析。以某头戴按摩仪为例开展试戴及适配性分析，
可有效发现该产品结构上存在的问题。该研究可为相关头戴产品的适配性分析提供参考。

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联合增强局部最大发生特征和k-KISSME 度量学习的行人再识别

孙锐1,2，夏苗苗1,2，陆伟明1,2，张旭东1,2

2020, 41(3): 362-371. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030362

摘要 ( 56 )

PDF(2364KB) ( 116 )

摘要：行人再识别是一种在监控视频中自动搜索行人的重要技术，该技术包含特征表示
和度量学习2 部分。有效的特征表示应对光线和视角变化具有鲁棒性，具有判别性的度量学习
能够提高行人图像的匹配精度。但是，现有的特征大多都是基于局部特征表示或者全局特征表
示，没有很好的集成行人外观的精细细节和整体外观信息且度量学习通常是在线性特征空间进
行，不能高效地利用特征空间中的非线性结构。针对该问题，设计了一种增强局部最大发生的
有效特征表示(eLOMO)方法，可以实现行人图像精细细节和整体外观信息的融合，满足人类视
觉识别机制；并提出一种被核化的KISSME 度量学习(k-KISSME)方法，其计算简单、高效，只
需要对2 个逆协方差矩阵进行估计。此外，为了处理光线和视角变化，应用了Retinex 变换和
尺度不变纹理描述符。实验表明该方法具有丰富和完整的行人特征表示能力，与现有主流方法
相比提高了行人再识别的识别率。

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基于长短时记忆和深度神经网络的视觉手势识别技术

何坚1,2，廖俊杰2，张丞2，魏鑫2，白佳豪2，王伟东1,2

2020, 41(3): 372-381. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030372

摘要 ( 78 )

PDF(2808KB) ( 220 )

针对基于视觉的动态手势识别易受光照、背景和手势形状变化影响等问题，在分
析人体手势空间上下文特征的基础上，首先建立一种基于人体骨架和部件轮廓特征的动态手势
模型，并采用卷积姿势机和单发多框检测器技术构造深度神经网络进行人体手势骨架和部件轮
廓特征提取。其次，引入长短时记忆网络提取动态人体手势中骨架、左右手和头部轮廓的时序
特征，进而分类识别手势。在此基础上，设计了一种空间上下文与时序特征融合的动态手势识
别机(GRSCTFF)，并通过交警指挥手势视频样本库对其进行网络训练和实验分析。实验证明，
该系统可以快速准确识别动态交警指挥手势，准确率达到94.12%，并对光线、背景和手势形
状变化具有较强的抗干扰能力。

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基于 SIFT-SVM 的发动机主轴承盖识别与分类

石志良，张鹏飞，李晓垚

2020, 41(3): 390-398. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030382

摘要 ( 66 )

PDF(5193KB) ( 155 )

机械零部件的识别与分类任务是制造业自动化生产线的关键环节。针对发动机主
轴承盖混合清洗后的分类，通过分析发动机主轴承盖零件的实际特征，提出基于SIFT-SVM 的
主轴承盖分类识别方法。该方法首先提取训练数据集图像的所有尺度不变(SIFT)特征向量，采
用K-means 聚类方法，将所有的特征向量聚类成K 个分类，并将其代入词袋模型(BoW)中，
使用K 个“词汇”来描述每一张训练图像，从而得到图像的BoW 描述。且以每张图像的BoW
描述作为训练输入，使用支持向量机(SVM)训练主轴承盖的分类模型。实验结果表明：在标
定的照明条件下，主轴承盖零件的识别率可达100%，单个零件识别时间为0.6 s，验证了该算
法的有效性和高效性。

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融合几何信息和方向信息的三维掌纹识别方法

王曦1,2，盖绍彦1,2，达飞鹏1,2

2020, 41(3): 390-398. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030390

摘要 ( 41 )

PDF(1212KB) ( 108 )

针对三维掌纹特征表示的鲁棒性和准确性问题，提出一种融合曲面的几何特征和
方向特征的三维掌纹识别方法。基于现有的曲面类型编码提取掌纹几何特征的基础上，提出使
用基于形状指数的编码来共同表达三维掌纹的几何特征，从而有效减少由阈值所引起的错误编
码带来的准确性上的影响。此外，提出一种多尺度的改进竞争编码来表达掌纹的方向特征。在
决策层，使用基于多字典的协同表示框架融合上述几何特征和方向特征以完成掌纹识别。在公
开的三维掌纹数据集上的大量实验表明，所提方法可以在保持较低计算复杂度的同时实现最佳
的识别精度。

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基于多标签层次聚类的GPR 图像双曲波提取方法

李文生，原达，苗翠，王冬雨

2020, 41(3): 399-408. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030399

摘要 ( 48 )

PDF(1282KB) ( 111 )

探地雷达(GPR)图像双曲波提取是分析地下目标位置和结构的重要方法，但在真
实环境中，由于噪声和杂波的干扰，使得提取出的双曲波存在结构不完整、碎片化和形状异
常等问题，不利于数据分析和三维建模等后续操作。为此，提出了一种基于多标签层次聚类
的双曲波提取方法(MHCE)。首先通过信息熵评价像素邻域的稳定性，构造了基于信息熵的
距离度量来进行层次聚类；然后利用聚类后的邻接空间进行多标签聚类以降低杂波和噪声对
双曲波提取的影响；最后结合多标签聚类结果的拟合形状和纹理方向提取双曲波。实验表明，
该方法对于真实GPR 图像双曲波具有较好的鲁棒性，能够获得规范化的双曲波形状和位置
参数。

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ForegroundNet：一种基于语义与动态特征的前景检测算法

赖少川1，王佳欣 2,3，马翠霞 2

2020, 41(3): 409-416. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030409

摘要 ( 54 )

PDF(687KB) ( 51 )

针对以往的前景检测方法对场景信息依赖较多的问题，提出了一种实时的无需迭
代更新背景模型的前景检测深度学习模型ForegroundNet。ForegroundNet 首先通过骨干网络从
当前图像和辅助图像中提取语义特征，辅助图像为相邻的图像帧或者是自动生成的视频背景图
像；然后将提取得到的特征输入到包含短连接的反卷积网络中，使得最终特征图在与输入图像
具有相同的大小，并且包含不同尺度的语义及动态特征；最后使用softmax 层进行二值分类，
得到最终检测结果。在CDNet 数据集上进行的实验结果表明，相比于当前F 值为0.82 的次优
方法，ForegroundNet 能够获得0.94 的F 值，具有更高的检测精度；同时ForegroundNet 检测速
度达到123 fps，具有良好的实时性。

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基于皮尔逊最优电极选择的ADHD患者脑电特征提取及分类研究

邹凌1,2，吴帆1,2，毕卉1,2，田博帆1,2，宋志伟1,2，王苏弘3

2020, 41(3): 417-423. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030417

摘要 ( 264 )

PDF(671KB) ( 53 )

事件相关电位(ERP)可用于注意缺陷多动障碍儿童(ADHD)和正常儿童的脑电特征
提取与分类。首先，采用赌博任务范式，采集2 类儿童的脑电信号；其次，基于皮尔逊相关系
数算法选择最优电极，并预处理最优电极脑电信号；然后，提取预处理脑电信号的时域特征(均
值、方差、峰值)和频域特征(Theta 波段功率、Alpha 波段功率)；最后，利用传统分类方法支持
向量机(SVM)、自适应增强(AdaBoost)、自举汇聚法(Bagging)、线性判别式分析(LDA)、反向传
播(BP)和组合分类器的分类方法(LDA-SVM，BP-SVM)完成对2 种脑电信号的分类。研究结果
表明，传统方法BP 分类器的分类准确率可达80.52%，组合分类器BP-SVM 的分类准确率可达
88.88%。组合分类方法能提高ADHD 儿童的分类准确率，为基于脑机接口技术的ADHD 神经
反馈康复治疗提供技术支持。

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基于共同空间模式的情感脑电信号的空域特征提取

闫梦梦1，吕钊1,2，孙文慧1

2020, 41(3): 424-429. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030424

摘要 ( 86 )

PDF(2208KB) ( 55 )

为了改善基于脑电(EEG)的情感分类性能，提高多分类情况下的识别准确率，提出
了一种基于共同空间模式(CSP)的空域滤波算法。首先使用传统的CSP 方法设计空域滤波器，
并通过该滤波器对3 种情感类型(即积极、中性和消极)的EEG 信号进行线性投影，以提取空域
特征。此外，考虑到传统近似联合对角化(JAD)算法是使用“得分最高的特征值”准则进行特征向
量的选择，该情况可能导致无法有效区分多分类的情感状态，因此针对最高分特征值位置存在
的所有可能情况设计了不同的特征值选择方法。对实验室自主采集数据集，使用支持向量模型
(SVM)作为分类器进行对比实验。结果表明基于CSP 的空域特征提取方法在三分类情感识别中
平均准确率达到了87.54%，证明其在情感识别应用中具有可行性。

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基于知识工程的船体焊接工艺研究

马国辉，田凌，刘思超，陈俊宇

2020, 41(3): 430-437. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030430

摘要 ( 51 )

PDF(586KB) ( 58 )

船舶制造过程中船体焊接领域工艺知识缺乏有效的归纳与整理，导致其重用性和
共享性差。针对上述问题，基于知识工程技术，研究了船体焊接工艺领域知识的获取、分类、
表示及推理应用的方法，并开发了工艺知识库系统，有效实现了知识的共享与重用。首先提出
了船体焊接工艺知识获取途径及分类模式；其次以此为基础，将基于本体的知识表示方法的研
究成果应用于船体焊接工艺，建立领域本体；然后提出焊接工艺推理模式，以国家标准、行业
标准等规范性文件和专业书籍、专家意见等指导性文件为基础构建工艺规则库，设计模糊规则
推理系统；最终设计开发面向船体焊接工艺的知识库系统，规范化实现知识获取、知识表示、
知识推理及知识管理功能，为船体焊接领域相关工作人员提供知识共享及重用的支撑平台，为
船舶制造其他领域中知识工程技术的利用提供参考。

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基于FA/TRIZ 的错颌畸形前方牵引矫治器设计方法研究

张芳兰，姚宛彤，刘龙吉

2020, 41(3): 438-445. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030438

摘要 ( 57 )

PDF(1019KB) ( 49 )

针对上颌前方牵引矫治器在使用过程中出现的舒适度低、佩戴不便等问题，提出
基于功能分析(FA)和发明问题解决理论(TRIZ)相结合的集成设计方法。通过对上颌前方牵引矫
治器的功能分析，建立功能、结构部件之间的关系，形成部件交互矩阵。应用TRIZ 理论分析
产生交互作用的部件与子功能之间的关系，形成功能-物场模型，并根据模型实际效用划分其所
属类别，利用76 个标准解寻找对应解决方法，获得上颌前方牵引矫治器改良设计方案。利用有
限元分析法(FEA)赋予相应的材质和作用力，建立对比实验对方案进行评价分析。最终，以上
颌前方牵引矫治器的创新设计方案实施为例，验证了该集成方法以及评价方法的可行性。

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基于结构熵权 TOPSIS 法的产品设计方案评估研究

陈香，卫华

2020, 41(3): 446-452. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030446

摘要 ( 91 )

PDF(744KB) ( 63 )

为了提高企业在产品设计方案评估阶段进行合理决策的效率，提出了一种基于结
构熵权双基点法(TOPSIS)的产品设计方案评估方法。在评估流程中，首先确定产品设计方案评
价指标，专家对各评价指标进行重要度排序，在得到了“典型排序”后经过结构熵计算和“认识盲
度”计算，得出各评价指标的权重，以替代双基点法中专家主观设定的权重系数；其次，构建设
计方案各指标加权标准决策的矩阵，进而求得各指标的理想解，基于以上可得到各设计方案距
离理想解的相对贴近度，经对比后确定设计方案的排序情况，从而得到各方案的优劣。最后，
将该评估流程应用于录音笔设计方案评估的决策中，验证了该方法的可行性与有效性。

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基于 AHP 与TOPSIS 法的自闭症儿童康复训练产品设计评价方法及应用

王媚雪，翟洪磊

2020, 41(3): 453-460. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030453

摘要 ( 104 )

PDF(873KB) ( 62 )

针对自闭症儿童康复训练产品设计方案评价的方法和流程，减小方案选择过程中
人的主观性和片面性，运用层次分析法(AHP)和逼近理想解排序法(TOPSIS)对自闭症儿童康复
训练产品进行综合评价。首先通过文献研究和专家访谈构建了康复训练产品的评价体系，其
次运用AHP 确定了各项评价要素的权重，然后采用专家打分的方式建立了初始评价矩阵，对
矩阵进行标准化处理后获得了加权标准化矩阵，从而得出正理想解和负理想解，接着通过计
算各待评价方案与理想解的距离确定最终的等级排序，最后对该方法进行了验证。基于AHP
与TOPSIS 法的自闭症儿童康复训练产品评价方法实现了对3 款康复训练产品的优先级排序，
可以减小设计方案评价的主观性和片面性，为今后自闭症儿童康复训练产品的设计评价和方
案优选提供参考。

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基于视觉认知的自闭症儿童干预图卡角色造型设计研究

赵玉婉1，张丙辰 1，王艳群 2，宋丽姝 3

2020, 41(3): 461-468. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030461

摘要 ( 135 )

PDF(1878KB) ( 65 )

以自闭症儿童视觉认知特点为基础，探究自闭症儿童的视觉意象偏好，解析干预
图卡角色造型的设计要素，充分发挥干预图卡的效能。首先通过康复机构、教辅人员、特殊教
育网站等渠道整理目前市场上流通的自闭症儿童干预图卡，筛选出具有代表性的图卡角色造型，
并结合自闭症儿童视觉认知特点对角色造型的特征进行意象分析，整理视觉意象词汇；然后运
用语义差异法，将视觉意象词汇和图卡样本相结合制作评估量表，对获得数据进行统计整理，
通过结合因子分析法提取出视觉意象主因子；最终构建自闭症儿童视觉认知偏好与主意象因子
之间的映射关系。通过调研与实验，整理了具有代表性的干预图卡角色造型，结合自闭症儿童
的视觉偏好与意象词汇，有针对性地调整造型特征，能够增强干预图卡角色造型的趣味性，提
高干预训练的有效性，为教辅人员进行干预训练提供参考。

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融合FAHP 和TOPSIS 的适老化产品综合评价与优选方法——以老年智能手环为例

杨梅，丛扬帆，李雪瑞

2020, 41(3): 469-479. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030469

摘要 ( 102 )

PDF(909KB) ( 86 )

为了更全面地对适老化智能手环进行综合评价，进而辅助最终的方案评价与优选，
从产品设计、用户体验、人机交互和实际生产4 个维度构建了适老化智能手环的评价模型。首
先采用基于三角模糊数的层次分析法(FAHP)计算出各项评价准则的权重，然后采用逼近理想解
排序法(TOPSIS)对若干备选方案做出评价并完成排序，最后根据结果进行方案的综合评价与优
选。以某品牌16 款适老化智能手环的备选方案为例，证明FAHP-TOPSIS 法的可行性，发挥其
现实意义。该评价优选方法，在考虑人的思维模糊性的基础上，从系统与层次等多个角度将思
维过程进行定性与定量分析，从而为适老化智能手环方案的优选问题提供清晰适合的决策方案
与优化思路。

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基于构件形状分布和配准位置的BIM 模型对比方法

王佳 1,2，吴磊 1，周小平 1,2，宋冰玉 3，李亮辉 4

2020, 41(3): 480-489. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030480

摘要 ( 109 )

PDF(1920KB) ( 68 )

建筑全生命周期的各个阶段中会出现各种不同版本的BIM 模型，其间的差异可以
对建筑的施工和运维阶段提供决策支持。大部分BIM 模型对比都是基于目视检查、手动计数和
选择性属性检查。尽管目前有学者和相关机构研究了一些自动比较BIM 模型的方法，但大多依
赖于模型中构件的ID，而且比较的结果无法直观地体现到具体构件、具体属性上。针对以上问
题，提出了一种基于形状分布和位置配准的BIM 模型对比方法，即提取构件特征进行构件匹配，
从构件级进行BIM 模型对比。首先根据构件的几何信息构造构件的形状分布，计算类型相近构
件的形状分布之间的相似度；再配准构件的位置，计算位置之间的相似度；然后结合2 个相似
度进行构件匹配，比较匹配构件之间的差异；最后得出模型间的差异，并利用WebGL 进行可
视化展示。该方法忽略了构件ID 变化对模型对比的影响，并且能得出模型构件级别的差异。

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基于知识管理的 BIM 模型建筑设计合规性自动检查系统研究

陈远，张雨，康虹

2020, 41(3): 490-499. DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2020030490

摘要 ( 201 )

PDF(958KB) ( 110 )

建筑设计合规性自动检查对保证建筑信息模型(BIM)符合设计规范要求，增加规范
检查自动化程度具有重要意义。结合合规性检查理论与专家系统方法，提出了以BIM 模型为检
查对象的合规性自动检查系统框架，以规则知识与推理机制分开的方式实现合规性检查过程。
以《住宅设计规范》为例，对规范中的条文进行知识分析，总结出规范知识表达式，构建规则
库和规则库访问机制；建立了逻辑策略下推理机制，将规则库中的规则信息与BIM 信息进行推
理，输出检查结果；最后构建了合规性检查系统验证平台，通过BIM 模型实例完成模型数据提
取及规则推理的过程，实现了合规性检查的功能，验证了合规性检查方法框架。该方法在一定
程度上能够指导后续的合规性检查相关研究，有效提高BIM 模型的建筑设计合规性检查效率，
保证检查质量，促进建筑工程领域信息化的发展。

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