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关键词： 张量填充   Tucker分解   子空间幂迭代   随机化算法  

摘要： 随着数据信息量的快速增长,数据信息的采集利用过程中可能因各种问题导致得到的数据集出现损坏不完整的情况。为了有效地提高大规模数据集的可用性和分析的准确性,需要对不完整数据进行高效填补。近年来,基于Tucker分解进行低秩张量填充的算法在图像处理、视频处理、医学影像分析等领域中都有广泛的应用。虽然Tucker分解的确定性算法可以计算出完整的奇异值,但计算时间长成本高,数据规模很大时难以完成任务。为了解决这个问题,随机化算法通过对大规模数据进行采样或投影,实现数据降维,再对降维后的数据进行计算,从而提高计算效率和降低计算成本。本文在张量低秩Tucker分解的近似中,利用随机方法对展开矩阵投影得到一个降维的矩阵,对降维矩阵进行QR分解再结合幂迭代技术来改进传统的确定性算法,在保证一定精度的前提下,通过对数据进行适当的处理,使得计算过程更加高效。本文具体的研究工作如下: (1)本文将矩阵奇异值分解(SVD)的随机算法与子空间幂迭代技术结合,提出了基于按顺序截断高阶奇异值分解(STHOSVD)的一个新的张量填充随机算法(RSPITC),进一步将RSPITC算法的结果作为基于Tucker分解的交替最小二乘的初值,理论和实验说明这两种算法是收敛的。合成数据和真实数据实验证明这两种算法的有效性。 (2)本文将矩阵SVD分解的两边素描与STHOSVD算法结合,给出了低秩Tucker分解张量填充问题的快速填充随机算法(TRSPITC),并用理论和实验证明了该算法是收敛的。最后实验结果表明所提出的算法在实际应用中是可行的,与同类方法相比,该随机算法在时间和精度上有所改善。

关键词： 星间激光通信   光学薄膜   分光镜   光谱   面型修正   残余应力  

摘要： 随着星间激光通信系统的飞速发展,对数据信号传输的精度要求愈来愈高,要求信号的发射和接收系统更精准,因此对通信系统中的核心元件提出更高的光谱与面型精度要求。本文针对星间激光通信系统中的分光镜进行研制,实现了宽角度单波长光谱高透射,临近单波长光谱高反射的光谱特性,攻克了厚膜产生的薄膜残余应力导致分光镜面型变差的难题,具体研究内容如下。 基于薄膜设计理论,选取Ta2O5与Si O2作为高低折射率膜层材料进行膜系设计,在石英基底前后表面分别研制分光膜与增透膜,实现分光镜的分光要求。采用电子束离子辅助沉积技术,针对不同的膜系结构选择不同膜厚监控方法,并通过实验优化沉积工艺参数,对测试结果进行反演分析,逐步修正膜厚误差,解决了光谱偏差问题。 由于基底两面的膜厚差在23μm,膜层的残余应力导致分光镜面型精度变差,结合膜系设计与光学元件面型修正理论,在不影响光谱的前提下,通过在分光镜后表面补偿单层Si O2利用其应力修正分光膜的面型。首先基于Stoney公式建立面型修正模型,通过实验计算模型参数,然后计算出所需补偿的Si O2厚度,结合修正结果与理论进行对比,分析修正误差来源并引入误差因子,最终将面型修正误差控制在3%以内。经光谱检测,分光镜在入射角度为21.5°～23.5°范围内,1540.53nm透过率大于98%,1563nm反射率大于99%。经激光干涉仪检测,分光镜反射面型精度RMS由λ/10修正至λ/100（λ=632.8nm）,透射面型精度RMS为λ/100。经检测,分光镜表面光洁度达到Ⅲ级,并且能够通过牢固度测试,满足系统使用要求。

关键词： 生成对抗网络   张量子空间聚类   可解释性方向   图像编辑  

摘要： 生成对抗网络(Generative Adversial Network,GAN)在图像生成任务中取得了卓越的成果,然而在无额外控制网络的辅助下,GAN并不能按指定要求生成图像。GAN的生成控制任务就是通过有监督或无监督的方式对生成图像中的特征进行解耦和编辑。由于图像生成在艺术创作和设计等众多下游任务中有着广泛的需求,对GAN的生成实现稳定控制能够促进其更好地应用到图像生成领域中。目前,现有的控制方法具有可解释性差,稳定性差等劣势。张量作为向量和矩阵向高维数据的扩展,展示出了对高维数据的优秀和自然的表示能力,而神经网络中间层所产生的特征图也通常为高维数据,因此,本文将从数据驱动的角度入手,利用张量子空间方法提升GAN生成控制任务的可解释性和稳定性。 对于GAN的特征解耦问题,通常用基于深度学习和数据分析的方法来解决,但上述方法目前分别存在可解释性差以及解耦效果差的劣势。为了增强可解释性并提升无监督特征解耦的精确性,本文提出了利用张量子空间聚类沿通道维度解耦特征的方案。本文首先对特征在GAN特征图中的分布进行了先验假设,并进一步地将GAN的特征解耦问题转化为一个多视图特征聚类问题,并利用张量在此类高维数据样本上对结构信息优秀的捕获能力,采用基于自表达的张量子空间聚类方法成功地实现了特征解耦并根据聚类结果计算出不同特征的掩码。实验证明了文中模型对特征分布假设以及使用张量子空间聚类的有效性,与其他方案的对比验证了本文方案在特征解耦任务上的优越性。 对于GAN的特征编辑问题,修改输入的潜在向量以及中间层的特征图是两种常见编辑方式,上述方案目前分别存在难以实现特征的精确编辑和编辑图像不自然的问题。为了实现自然且精确的GAN特征编辑,本文提出了利用特征图与潜在向量间的梯度作为桥梁构建优化模型从而在特征图中找到潜在空间的编辑方向的方案。具体来说,本文通过在解耦特征图中最大化指定特征的编辑程度上约束其他无关特征的编辑程度构建优化模型并进行求解。最终可以将输入的潜在向量沿求解得到的编辑方向移动从而对指定特征进行编辑。在不同GAN模型上对多个特征的特征编辑实验验证了方法的有效性,同时与其他方案的对比也体现了本文方案在特征编辑任务上对于精确程度和自然程度两个指标上的优越性。

关键词： 增强现实   衍射光波导   表面浮雕光栅   严格耦合波分析   近眼显示  

摘要： 增强现实是一种将虚拟影像叠加到现实环境的显示技术,在军事、医疗、建筑等领域具有广阔的应用前景。光波导具有体积小、重量轻的优点,成为了AR显示系统的主要研究方向。光波导技术通过全反射传输实现折叠光路,通过调节耦合元件衍射级次的能量分配实现系统的出瞳扩展。因此本文围绕表面浮雕光栅波导增强现实显示系统衍射效率低、视场角小以及窥视窗范围小的问题,以在出瞳区域获得良好成像效果为目的,对光波导增强现实显示系统进行设计与优化。 首先,研究不同技术途径的增强现实显示系统的基本原理与结构,对比三种波导增强现实显示方案的性能与加工难度,提出一个可实现系统轻量化和小型化、具有良好的衍射效率以及大视场角的增强现实显示方案。结合严格耦合波分析法,针对满足光波导全内反射传输条件,设计了高衍射效率的表面浮雕光栅耦合元件,使表面浮雕光栅平均衍射效率达到95%以上;针对AR显示系统的视场角较小的问题,提出了一种双通道表面浮雕光栅的波导结构,使系统视场角在100°范围内平均衍射效率达到75%以上。 其次,针对光栅耦合元件的设计需求,分别设计了耦出光栅系统与转置光栅系统。为平衡出瞳区域照度均匀性以及系统的光学效率,提出了三耦出光栅设计,设计分配不同区域耦出光栅的0级与-1级的反射能量,结合平行光源展开一维、二维扩瞳方案出瞳区域照度分析,得到出瞳均匀的表面浮雕光栅波导系统。 最后,针对微型显示器的结构尺寸,设计了符合系统需求的准直镜头,得到100°视场下MTF在30 lp/mm处大于0.7的具有良好成像性能的光学系统;对表面浮雕光栅波导增强现实显示系统进行总体的光路仿真,仿真分析验证系统的动眼范围为15mm×15mm,眼盒大小为50 mm×20 mm,不同视场下光学效率大于75%。本文开展的研究工作,提升了系统的衍射效率并将视场角扩至100°,获得较大动眼范围的同时提升可视区亮度,为大视场、高亮度增强现实显示设备光学模块设计提供了新思路。