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Journal of Zhejiang University SCIENCE C

ISSN 1869-1951(Print), 1869-196x(Online), Monthly

2019 Vol.20 No.10 P.1307-1456

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Review Article

Review Article: Research progress on and prospects for virtual brush modeling in digital calligraphy and painting

Lei Huang, Zeng-xuan Hou, You-hang Zhao, Di-jing Zhang

DOI: 10.1631/FITEE.1900195 Downloaded: 2470 Clicked: 7104 Cited: 0 Commented: 0(p.1307-1321) <Full Text><PPT> 1795

Chinese summary   <36>   数字化书法和绘画中虚拟画笔建模技术研究进展与展望

摘要：作为文房四宝之首，书画艺术创作中使用的画笔在虚拟绘制中有至关重要作用。富有表现力的虚拟画笔模型能够反映真实画笔的行为特点，极大增强绘制过程和绘制效果的真实感。本文通过归纳和综述虚拟画笔建模国内外研究工作进展，总结了有代表性的画笔模型建模方法及其优点与存在的问题，重点论述了目前基于物理、经验建模方法的原理及其仿真效果，讨论了画笔与宣纸、宣纸与水墨、用户与绘制设备之间的交互行为对虚拟画笔建模的影响。最后，从虚拟现实角度分析了虚拟绘制领域目前面临的主要挑战及存在的问题，并展望虚拟画笔建模技术未来可能突破的方向。

关键词组：书画；虚拟画笔；人机交互；力反馈；弹簧；纹理映射

Research Articles

Fall preventive gait trajectory planning of a lower limb rehabilitation exoskeleton based on capture point theory

Mei-ying Deng, Zhang-yi Ma, Ying-nan Wang, Han-song Wang, Yi-bing Zhao, Qian-xiao Wei, Wei Yang, Can-jun Yang

DOI: 10.1631/FITEE.1800777 Downloaded: 2167 Clicked: 6756 Cited: 0 Commented: 0(p.1322-1330) <Full Text><PPT> 1934

Chinese summary   <32>  基于捕获点理论的下肢步行康复外骨骼防跌倒步态规划

摘要：研究了在下肢康复外骨骼康复训练过程中穿戴者上半身向前倾斜导致的平衡问题。通过对人体-外骨骼系统建模并使用捕获点理论获取瞬时捕获点，将稳定区域与不同步态相的瞬时捕获点比较，分析不同步态相的平衡特性以及步态过程中平衡状态的变化。基于人体骨骼系统的模型和不同阶段的平衡条件，针对穿戴者上半身前倾导致人体骨骼系统的不稳定性，提出一种轨迹校正策略。最后，在浙江大学下肢外骨骼上实验，验证轨迹校正策略的可靠性。所提轨迹校正策略可及时响应上半身前倾，同时在重心从双支撑相转移到单支撑相的过程中，步态周期与零力矩点传递的比值相应减小，步态稳定性提高。

关键词组：下肢机器人；捕获点；步态相位；人机系统平衡

Optimal communication frequency for switching cabled ocean networks with commands carried over the power line

Yan-hu Chen, Yu-jia Zang, Jia-jie Yao, Gul Muhammad

DOI: 10.1631/FITEE.1900125 Downloaded: 2056 Clicked: 6333 Cited: 0 Commented: 0(p.1331-1343) <Full Text><PPT> 1684

Chinese summary   <28>  基于电力线命令传输的缆系海洋网络切换的通信频率优化研究

摘要：具有树状或环状拓扑的缆系海洋观测网在海洋探测中发挥着重要作用。由于现场维护耗时长，海缆开断技术能主动开断控制网络中的分支网络，是提高系统可靠性和实用性的关键。提出一种新型网络结构控制方法，即翻转电力传输极性，通过调制线上电流发送低频数字信号，并将含有地址和命令的信息广播到网络中所有分支单元。分支单元对接收的信息解码并执行相应的控制命令。针对海缆寄生参数、网络规模和分支单元数目对电力线上通信频率的影响进行理论研究和仿真，通过权衡通信速率和准确性得到一种最优通信频率，并在样机上实验验证。结果表明，基于该最优通信频率的缆系海洋观测网开断控制技术可有效提高开断准确性和配置速率。

关键词组：海缆开断；海洋观测网；分支单元；传输线理论；通信频率

Unusual phenomenon of optimizing the Griewank function with the increase of dimension

Yan Huang, Jian-ping Li, Peng Wang

DOI: 10.1631/FITEE.1900155 Downloaded: 2520 Clicked: 6235 Cited: 0 Commented: 0(p.1344-1360) <Full Text><PPT> 2029

Chinese summary   <31>  Griewank函数优化过程中的独特现象研究

摘要：Griewank函数是一类由二次凸函数和振荡非凸函数构成的典型多模测试函数。这两个组成部分在不同维数下显示出不同的相对重要性。不同于其他多数测试函数，随着函数维数增加，Griewank函数在优化过程出现优化难度先变难、后变易的现象。本文首先通过结构分析、数学分析和量子分析，从方法论角度解释该现象。然后，通过频率变换和幅度变换对Griewank函数作一般化处理。运用具有量子隧道效应的多尺度量子谐振子算法验证Griewank函数特性。实验结果表明Griewank函数的双尺度结构是该现象的主要原因。本文所提量子隧道效应可用于多种群体优化算法中分析解的生成和变化。

关键词组：Griewank；双尺度结构；多尺度量子谐振子算法；量子隧道效应

Low powered blockchain consensus protocols based on consistent hash

Lei Yu, Xiao-fang Zhao, Yan Jin, Heng-yi Cai, Bo Wei, Bin Hu

DOI: 10.1631/FITEE.1800119 Downloaded: 2705 Clicked: 6933 Cited: 0 Commented: 0(p.1361-1377) <Full Text><PPT> 2036

Chinese summary   <31>  基于一致性哈希算法的低能耗共识协议

摘要：当前区块链共识协议在去中心化、安全性和能耗方面存在"三难"优化困境。针对这个问题，基于一致性哈希算法，设计了两个新的区块链共识协议，分别为CHB-consensus和CHBD-consensus。在新的共识协议下，诚实的"矿工"可以公平地获得创建新区块的机会。在创建新块时，诚实矿工不再需要付出海量竞争性算力，且该新区块可获取整个区块链网络公平验证及确认共识协议。恶意矿工则必须付出海量算力资源才能攻击新区块，以创建特权或实现"双花"。由CHB-consensus和CHBD-consensus共识形成的区块链网络基于与比特币系统相同的安全性假设，在节省海量电力的同时，不会牺牲去中心化和安全性。分析了可能的攻击行为，并给出严格但可调整的验证策略。CHB-consensus和CHBD-consensus共识引入数字身份证书管理机构（CA），CA对区块链网络或区块链数据结构没有特殊管理权或控制权，但依据CA系统信誉和可靠性，存在一定隐私泄露风险。最后，分析了CHB-consensus和CHBD-consensus共识的鲁棒性和能耗，并通过理论推导证明它们的优势。

关键词组：区块链；共识协议；一致性哈希；低能耗；去中心化

Efficient construction of a substitution box based on a Mordell elliptic curve over a finite field

Naveed Ahmed Azam, Umar Hayat, Ikram Ullah

DOI: 10.1631/FITEE.1800434 Downloaded: 2404 Clicked: 7849 Cited: 0 Commented: 0(p.1378-1389) <Full Text>

Chinese summary   <29>  高效构造基于有限域上莫德尔椭圆曲线的密码置换盒

摘要：椭圆曲线密码体制与其他密码体制相比有密钥小、安全性高等优点，被广泛应用于各种安全系统。在许多著名安全系统中，仅置换盒是非线性结构。最近研究表明，用动态置换盒代替静态置换盒可提高密码系统安全性，因此需构造新的安全置换盒。提出一种高效构造置换盒方法，该方法基于素数域上的一类莫德尔椭圆曲线，并通过定义不同总阶数实现。对于每个输入，该方法在线性时间与恒定空间内输出一个置换盒。因此，与现有基于椭圆曲线的置换盒生成方法相比，所提方法占用更少时间和空间。计算结果表明，所提方法能生成加密性强的置换盒，且其安全性与现有基于其他数学结构的置换盒相当。

关键词组：密码置换盒；有限域；莫德尔椭圆曲线；总阶数；计算复杂度

Block coordinate descent with time perturbation for nonconvex nonsmooth problems in real-world studies

Rui Liu, Wei-chu Sun, Tao Hou, Chun-hong Hu, Lin-bo Qiao

DOI: 10.1631/FITEE.1900341 Downloaded: 2188 Clicked: 6524 Cited: 0 Commented: 0(p.1390-1403) <Full Text><PPT> 1934

Chinese summary   <28>  面向真实世界研究中非凸非平滑问题的具有时间扰动的块坐标下降法

摘要：真实世界研究的大数据时代已经来临；这个时代将极大促进医学发展，尤其是肿瘤学。然而，鉴于大规模数据量的增加以及求解的目标问题具有非凸非平滑等不易求解的函数性质，传统机器学习方法不能很好解决这类新问题。我们的目标是求解一个带不等式约束的优化问题，该优化问题是由一个平滑非线性函数与大量块变量可分的非凸非平滑目标函数组合相加而得。提出一种新的并行一阶优化方法，称为带时间扰动的异步块坐标下降法（asynchronous block coordinate descent with time perturbation，ATP）。该方法采用一种从鞍点和次优局部点逃脱的时间扰动技术。通过分析收敛性和迭代复杂度特性，介绍了该方法的详细内容。针对真实世界研究机器学习问题的实验验证了本文所提方法的有效性。实验结果表明，时间扰动使ATP能从鞍点和次优点逃脱；采用异步块坐标下降法为处理具有不等式约束的非凸优化问题提供了一种可行方法。在共享内存多核平台上异步并行的实现，表明该算法具有很强可扩展性。

关键词组：收敛分析；异步块坐标下降法；时间扰动；非凸非平滑优化；真实世界研究

Measurement and analysis of content diffusion characteristics in opportunity environments with Spark

Xiao-hong Zhang, Kai Qian, Jian-ji Ren, Zong-pu Jia, Tian-peng Jiang, Quan Zhang

DOI: 10.1631/FITEE.1900137 Downloaded: 1940 Clicked: 5866 Cited: 0 Commented: 0(p.1404-1414) <Full Text><PPT> 1707

Chinese summary   <29>  基于Spark的机会环境中内容传播特征度量与分析

摘要：机会网络为分流移动网络中由流行内容共享引起的巨大负载提供了机会。分析真实机会环境中的内容传播特征可以为负载分流决策提供重要线索。然而，由于从真实机会环境中收集数据并非易事，相关工作非常有限。本文以致力于内容共享的移动应用"闪传"为研究对象，从该应用用户构成的真实机会网络中搜集数据并分析。为发现内容传播特征，本文从传播规模和速度、内容类型等方面展开分析。分析结果表明，文件传输具有明显周期性，只有很少一部分文件能广泛传播，且移动应用类文件比其他类型文件更易成为流行文件。本文还提出一种有助于预测流行文件的最大化文件传播规模的方法。实验结果证实了该方法的有效性和有用性。

关键词组：内容传播；设备通信；机会网络；线性阈值模型

A comprehensive error calibration method based on dual uniform circular array

Jia-jia Zhang, Hui Chen, Song Xiao, Meng-yu Ni

DOI: 10.1631/FITEE.1800240 Downloaded: 2089 Clicked: 6785 Cited: 0 Commented: 0(p.1415-1428) <Full Text><PPT> 1772

Chinese summary   <30>  基于双圈均匀圆阵的综合误差校正方法

摘要：针对双圈均匀圆阵，提出一种估计波达方向且同时校正幅相误差、位置误差和互耦误差的新方法。算法仅利用一个辅助信源，通过旋转天线获得3个分时发射的校正源，而后结合信号子空间与噪声子空间正交的原理构造代价函数，通过循环迭代方法，依次估计出3种误差的系数。在此过程中，算法在估计互耦误差时充分运用了双圈圆阵的阵列特点，在估计幅相和位置误差时运用信号相位矩阵消除信号到达阵面延迟所造成的相位影响。与多维非线性搜索方法相比，该算法具有较低计算复杂度，同时，无需额外辅助阵元。仿真结果表明所提算法有效，且能够较好校正双圈均匀圆阵的综合误差。

关键词组：双圈均匀圆阵；幅相误差；位置误差；互耦误差；校正

Dot-shaped beamforming analysis of subarray-based sin-FDA

Bo Wang, Jun-wei Xie, Jing Zhang, Jia-ang Ge

DOI: 10.1631/FITEE.1800722 Downloaded: 2794 Clicked: 5729 Cited: 0 Commented: 0(p.1429-1444) <Full Text><PPT> 1788

Chinese summary   <29>  基于子阵sin-FDA的点状波束形成研究

摘要：相控阵（phasedarray，PA）雷达是应用最为广泛的雷达类型之一。与PA相比，频率分集阵列（frequency diverse array，FDA）时间-距离-角度相关的波束特性，使其在抑制距离维相关干扰方面具有巨大潜力。但是，FDA发射波束方向图中固有的距离角耦合会降低输出信干噪比（signal-to-interference-plus-noise ratio，SINR）。基于对4种采用正弦频控函数发射多载频的子阵FDA及平面FDA的分析，提出一种点状波束形成方法。数值结果表明，该方法在传输能量聚焦、旁瓣抑制和阵列分辨率上优于现有的log-FDA。对比仿真结果验证了所提方法有效性。

关键词组：频率分集阵列；子阵频率分集阵列；解耦；点状波束形成

Differential evolution based computation intelligence solver for elliptic partial differential equations

Muhammad Faisal Fateh, Aneela Zameer, Sikander M. Mirza, Nasir M. Mirza, Muhammad Saeed Aslam, Muhammad Asif Zahoor Raja

DOI: 10.1631/FITEE.1900221 Downloaded: 2127 Clicked: 6113 Cited: 0 Commented: 0(p.1445-1456) <Full Text><PPT> 1731

Chinese summary   <29>  基于差分进化的椭圆型偏微分方程计算智能求解器

摘要：介绍了一种基于差分进化的方法，用以解决具有狄里克莱和/或诺依曼边界条件的椭圆型偏微分方程。通过最小化群体间的节点偏差，解决方案在整个内部节点的有界域上演化。用对应系统的有限差分近似代替椭圆型偏微分方程，得到节点留数的表达式。将全局留数声明为节点留数的均方根值，并将其作为代价函数。利用标准微分进化方法将椭圆型偏微分方程转化为全局留数的极小化问题求解。同时考虑线性与非线性椭圆偏微分方程的一系列基准问题，验证了该算法的有效性。为证明该算法的鲁棒性，对不同差分进化算子和参数进行灵敏度分析。将基于差分进化的计算节点值与用精确解析表达式得到的对应数据进行比较，比较结果显示了该方法的精确度和收敛性。

关键词组：差分进化；边界值问题；偏微分方程；有限差分法；数值计算

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