A Cip/Multi-Moment Finite Volume Method For Shallow Water Equations With Source Terms

A novel finite volume method has been presented to solve the shallow water equations. In addition to the volume-integrated average (VIA) for each mesh cell, the surface-integrated average (SIA) is also treated as the model variable and is independently predicted. The numerical reconstruction is conducted based on both the VIA and the SIA. Different approaches are used to update VIA and SIA separately. The SIA is updated by a semi-Lagrangian scheme in terms of the Riemann invariants of the shallow water equations, while the VIA is computed by a flux-based finite volume formulation and is thus exactly conserved. Numerical oscillation can be effectively avoided through the use of a non-oscillatory interpolation function. The numerical formulations for both SIA and VIA moments maintain exactly the balance between the fluxes and the source terms. 1D and 2D numerical formulations are validated with numerical experiments. Copyright (c) 2007 John Wiley & Sons, Ltd.

基于多矩的有限体积浸入边界法研究

浸入边界法（Immersed Boundary Method）是计算流体力学中求解具有复杂、移动边界流动问题的一类有效途径，该方法在笛卡尔坐标系上离散求解流体控制方程，并通过在控制方程中添加相应源相来代表浸入边界。尽管浸入边界法借助其简单、高效的显著特点在计算流体力学应用中显示出极强的生命力，特别是针对复杂的实际流动及动边界流动问题有着无可比拟的优势，但仍有许多问题需要进一步的研究。 本论文基于浸入边界方法及多矩VSIAM3（Volume/Surface Integrated Average Multi-Moment Method）格式提出了一种不可压缩流体求解数值格式。不可压N-S方程使用VSIAM3格式进行法进行离散，引入浸入边界法处理复杂、移动流动边界条件，使用虚拟网格方法计算动量方程修正项，同时还考虑了对连续方程的修正。VSIAM3格式是一种基于多矩的有限体积法，在方程的离散中总是使用两种或两种以上的矩，如：VIA（Volume Integrated Average）和SIA（Surface Integrated Average）。而不同的矩在求解过程中依据不同形式的控制方程使用不同的离散方法进行更新。VSIAM3格式更多的局地自由度及同时使用交错网格和同位网格的特点使浸入边界法的实施更加便利、高效。研究中，浸入边界法不仅应用于处理动力边界条件，同样可以处理热动力边界条件。 研究中对大量经典算例进行了数值实验，包括一维线性初始问题、方腔流问题、二维绕静止及振荡圆柱流动、三维绕球流动及热对流问题等。数值结果同实验值及其它计算结果保持一致，该算法可准确、高效处理具有复杂、移动边界及存在热对流的不可压流动问题，为实际应用打下了基础。

Electric Field Control of Interface Related Spin Splitting in Step Quantum Wells

Spin splitting of the AlyGa1-yAs/GaAs/AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs (x not equal y) step quantum wells (QWs) has been theoretically investigated with a model that includes both the interface and the external electric field contribution. The overall spin splitting is mainly determined by the interface contribution, which can be well manipulated by the external electric field. In the absence of the electric field, the Rashba effect exists due to the internal structure inversion asymmetry (SIA). The electric field can strengthen or suppress the internal SIA, resulting in an increase or decrease of the spin splitting. The step QW, which results in large spin splitting, has advantages in applications to spintronic devices compared with symmetrical and asymmetrical QWs. Due to the special structure design, the spin splitting does not change with the external electric field.

Observation of the surface circular photogalvanic effect in InN films

A sizable spin-dependent photocurrent related to the interband transition in InN films is observed. The surface charge accumulation layer is suggested to be the origin of the circular photogalvanic current, which is consistent with the result of uniaxial strain experiments and the comparison of front and back incidence. The homogeneous photocurrent demonstrates the existence of spin splitting in the InN surface layer, and the structure inversion asymmetry (SIA)-dominant mechanism indicates a great possibility for the manipulation of spin splitting, which would undoubtedly benefit further research and applications of spintronics. Crown Copyright (C) 2009 Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Circular photogalvanic effect of the two-dimensional electron gas in AlXGa1-XN/GaN heterostructures under uniaxial strain

The circular photogalvanic effect (CPGE) of the two-dimensional electron gas (2DEG) in Al0.25Ga0.75N/GaN heterostructures induced by infrared radiation has been investigated under uniaxial strain. The observed photocurrent consists of the superposition of the CPGE and the linear photogalvanic effect currents, both of which are up to 10(-2) nA. The amplitude of the CPGE current increases linearly with additional strain and is enhanced by 18.6% with a strain of 2.2x10(-3). Based on the experimental results, the contribution of bulk-inversion asymmetry (BIA) and structure-inversion asymmetry (SIA) spin splitting of the 2DEG to the CPGE current in the heterostructures is separated, and the ratio of SIA and BIA terms is estimated to be about 13.2, indicating that the SIA is the dominant mechanism to induce the k-linear spin splitting of the subbands in the triangular quantum well at AlxGa1-xN/GaN heterointerfaces. (C) 2007 American Institute of Physics.

Weak antilocalization and beating pattern in an InGaAs/InAlAs quantum well

We have observed the weak antilocalization (WAL) and beating SdH oscillation through magnetotransport measurements performed on a heavily delta-doped In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As/In0.5Al0.48As single quantum well in an applied magnetic field up to 13 T and a temperature at 1.5 K. Both effects are caused by the strong Rashba spin-orbit (SO) coupling due to high structure inversion asymmetry (SIA). The Rashba SO coupling constant alpha and zerotield spin splitting Delta(0) are estimated and the obtained values are consistent from different analysis for this sample. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Weak anti-localization in InAlAs/InGaAs/InAlAs high mobility two-dimensional electron gas systems

Magneto-transport measurements have been carried out on three heavily Si delta-doped In-0.52 Al-0.48 As/In-0.53 Ga-0.47 As/In-0.52 A(10.48) As single quantum well samples in which two subbands were occupied by electrons. The weak anti-localization (WAL) has been found in such high electron mobility systems. The strong Rashba spin-orbit (SO) coupling is due to the high structure inversion asymmetry (SIA) of the quantum wells. Since the WAL theory model is so complicated in fitting our experimental results, we obtained the Rashba SO coupling constant alpha and the zero-field spin splitting Delta(0) by an approximate approach. The results are consistent with that obtained by the Shubnikov-de Haas (SdH) oscillation analysis. The WAL effect in high electron mobility system suggests that finding a useful approach for deducing alpha and Delta(0) is important in designing future spintronics devices that utilize the Rashba SO coupling.

基于视觉伺服的水下机器人悬停定位

为实现水下机器人的悬停定位,提出一种基于视觉伺服的方法．通过安装在机器人上的摄像机实时摄取特定观察目标的图像,应用基于单目视觉位姿估计方法获取观察目标相对干摄像机的位姿信息,并以此作为反馈构成机器人运动的伺服控制．以本单位的水下机器人控制系统实验研究平台为载体,在实验水池内完成了实验．实验结果表明,在存在外力扰动的情况下机器人可以运动到指定位姿并保持悬停．

目标跟踪算法及其实时实现技术研究

实时目标跟踪是模式识别、图像处理、计算机视觉、武器制导等领域的重要课题，而且在工业、军事和科学研究方面都具有广泛的应用。相关跟踪是目前使用最广泛的跟踪算法。但传统相关跟踪方法以假设目标仅发生平移运动为前提，当目标仅发生平移时能够获得理想的跟踪效果。但当目标尺度和灰度变化时，这种算法往往表现出一定的不适应性。 差值分解(Difference Decomposition)最早于1997年Michael Gleicher提出，并被应用于目标跟踪，图像配准等领域。由于具有计算速度快，对目标变化适应性好等特点，被认为是目标跟踪中的一种有效的方法。本文在跟踪算法中引入了这种方法，力图解决传统相关跟踪所出现的上述问题。在研究差值分解(Difference Decomposition)理论的同时，对使用该方法在实际应用中遇到的问题进行了深入的分析和大量的实验。主要包括：算法应用中一些参数的选择对算法的影响，算法迭代中参数更新的方法等。并在应用中发现了算法的不足之处，提出了相应的改进方法。 同时，介绍了TI DM642硬件处理平台的基本构成和性能指标。作为正常算法分析的重要组成部分，对差值分解算法在该硬件处理平台上通过软件编程方式实现的复杂度进行了详细的分析与论证。 最后本文构建了一个比较完整的跟踪流程，将改进后的跟踪算法应用到所建立的跟踪流程中。采用工具对算法进行了开发，并使用序列图像对算法进行了跟踪仿真实验，为算法将来的实际应用奠定了良好的基础。

基于马尔可夫随机场模型的图像分割技术研究

本文针对基于马尔可夫随机场模型（MRF）的图像分割技术进行研究，通过深入分析马尔可夫随机场模型用于图像分割时的优缺点，提出了改进方案，将其用于单帧图像的无监督分割和动态场景下的运动目标分割。主要研究内容包括以下几部分。 第一部分详细介绍了马尔可夫随机场模型，包括邻域系统和基团的概念、初始标记场的获取、能量函数的确立和MAP估算方法。 第二部分针对噪声图像的预处理，提出一种多尺度双边滤波算法来综合不同尺度下双边滤波的去噪效果。为降低双边滤波的计算复杂性，提出一种双边滤波快速计算方法。该算法能够在去除噪声的同时较好地保留边缘。 第三部分针对MRF模型用于图像分割中遇到的过平滑问题，定义了一种间断自适应高斯马尔可夫随机场模型（DA-GMRF），提出一种基于该模型的无监督图像分割方法。利用灰度直方图势函数自动确定分类数及分割阈值，进行多阈值分割得到标记场的初始化，用Metroplis采样器算法进行标记场的优化，得到最终的分割结果。该方法考虑了平滑约束在图像边缘处的自适应性，避免了边缘处的过平滑，将其应用于无监督图像分割取得了较好的效果。 第四部分针对动态场景下的运动目标分割，提出一种基于间断自适应时空马尔可夫随机场模型的运动目标分割方法。解决了传统时空马尔可夫随机场模型不能对运动造成的显露遮挡现象进行处理问题，也克服了全局一致平滑假设造成的过平滑问题。帧差图像二值化得到初始标记场，初始标记场进行‘与’操作获得共同标记场，用Metroplis采样器算法实现共同标记场的优化。该方法既使用了平滑约束，而又保留了间断，从而使分割得到的运动目标边缘更加准确。

基于主动轮廓模型的图像分割及目标跟踪算法研究

论文在中国科学院国防科技创新基金课题支持下，对主动轮廓模型的图像分割和目标跟踪算法进行了研究。 对复杂自然背景下人造目标的边缘提取问题进行了讨论，提出基于分形维数特征的分形参数主动轮廓模型和分形几何主动轮廓模型。该模型允许初始轮廓远离目标的边缘，降低了模型对初始轮廓的依赖性。 对主动轮廓跟踪模型进行了研究，提出一种基于形状约束的参数主动轮廓跟踪模型。该模型可以克服弱边缘及强背景等噪声对轮廓的吸引和干扰，保持了目标的基本形状，实现和改善了对具有尖角、深凹和狭长分支等不规则形状目标的边缘跟踪。 提出一种基于C-V模型的水上桥梁目标分割和识别算法。该算法能够较好地解决远距离小目标水上桥梁及灰度梯度较弱图像的桥梁分割和识别问题。 对Chan-Vese提出的水平集图像分割模型进行了改进，提出一种无需水平集重新初始化的C-V模型。该模型不仅提高了C-V模型的演化速度，而且实现了水平集函数初始化的灵活性。 基于区域特性及Mumford-Shah技术，提出一种基于能量最小化的主动分界线模型来实现对天际线或者某些同质区域非闭合分界线的检测。该模型可以提取无梯度信息或者梯度信息较弱的区域边界，并具有较强的抗噪性。

面向位姿测量的摄像机标定方法及应用研究

在工业、航天、医疗等许多领域中，经常需要测量两个空间物体坐标系间的相对位姿。位姿测量方法一般包括声纳或激光测距、GPS、视觉方法等多种方法，其中视觉方法由于其信息量大、处理速度快等特点发挥了越来越重要的作用。在基于模型的单目视觉位姿测量中，位姿测量系统的测量精度与摄像机标定误差、图像坐标的检测误差、目标模型的测量误差等许多因素有关，而摄像机标定误差是影响位姿测量精度的一个主要误差来源，是测量系统内在的不可避免的误差。 实际应用中，提高整个系统的测量精度是三维视觉测量的一项重要任务，而摄像机标定精度的提高将有效地提高位姿测量精度。针对传统的摄像机标定方法在实际工程应用中存在的问题，以提高基于模型的单目视觉位姿测量系统的测量精度为目标，利用理论推导和仿真实验相结合的方法，首先通过从几何意义求解摄像机内外参数，深刻理解摄像机各参数的物理意义；然后在此基础上，重点研究摄像机标定空间的选择、标定参数误差与位姿测量误差之间以及标定参数误差与测量空间之间的关系分析；最后在理论研究的基础上，针对工程应用提出摄像机标定的相应策略，以提高整个系统的测量精度。 首先，在基于几何意义的摄像机内外参数求解方法研究中，从摄像机投影变换矩阵出发，通过几何思路求解摄像机内外参数；同时在此求解过程中，从几何意义推导得到描述透视投影变换的 矩阵必须满足的约束条件。这对深刻理解摄像机各参数的物理意义及其几何关系，对从直观几何方面分析摄像机参数对位姿精度的影响有着一定的意义。 其次，针对标定空间对位姿测量精度的影响，首先推导出标定空间与标定参数误差之间的关系，在此基础上，再给出标定参数误差和位姿测量结果误差之间的关系。实验结果表明：不管测试目标的成像范围如何，在满视场范围内标定时标定误差最小，从而可以得到更高的位姿测量精度。研究结果可为实际工程应用中测量系统的摄像机标定提供理论依据，对标定点的布置和摆放具有指导意义。 最后，在摄像机标定参数误差对位姿测量精度的影响研究中，通过理论推导结合仿真实验及几何解释说明，使用误差传播的方法，建立了位姿测量误差受摄像机标定参数误差影响的数学模型，分析了摄像机标定参数误差与位姿测量误差的关系，得到如下结论：测量距离方向位置精度主要受焦比误差和摄像机外参数光轴方向平移量误差的影响；姿态角精度主要受主点误差和摄像机外参数旋转角误差的影响。在标定参数误差与测量空间之间的关系方面，摄像机内外参数的误差在不同测量距离有着不同的影响。近距离时，应主要考虑外参数光轴方向平移量误差的影响；而远距离时，应主要考虑内参数焦比误差的影响。该结论可以指导摄像机标定方法的选择，根据不同的情况采用不同的算法以满足实际精度需求，从而达到优化系统设计，提高整个定位系统性能的目的，对于指导视觉位姿测量系统的工程应用具有一定的意义。

复杂背景下运动目标检测、分割与跟踪

本文研究的内容主要是序列图像中复杂背景下运动目标检测、分割与跟踪。分别提出了曲线演化策略及在运动目标检测与分割中的应用和基于特征点跟踪的运动目标检测与分割方法。关于目标跟踪，本文应用基于模型和基于特征的两种策略，提出了稳定、有效的四种跟踪方法。基于模型的算法包括基于粒子滤波和Hausdorff距离的运动目标跟踪及基于变形模板的目标跟踪。基于特征的方法分别是基于模糊测度的目标匹配与改进不变矩的目标匹配算法。 研究了曲线演化策略及在运动目标检测与分割中的应用，提出了基于最小半径准则和队列结构的聚类算法，消除孤立区域。提出基于试探策略并结合Fisher准则自适应地确定阈值的曲线演化算法分割运动目标。该算法具有良好的实时性和分割完整准确的优点。 在基于特征点跟踪的运动目标检测分割中，通过分析角点信息(灰度、梯度大小与方向)及其邻域信息，构造方向子邻域以提高匹配精度。提出了采用聚类方法消除运动目标上特征点对集合，同时也从剩余的特征点对集合中选取最优子集估计模型参数，检测运动目标。该算法可达到实时应用目的。 目标跟踪问题可看作状态空间中贝叶斯推理问题。在粒子滤波框架内，分别构造了跟踪过程的状态转移模型和测量模型，并提出了一种基于集合的模糊测度，实现了跟踪窗口随目标自适应变化、模板更新策略。对于刚体与非刚体的孤立目标，算法能够实现对目标的稳定跟踪。 在复杂场景下变形目标跟踪中，通过定义一种点到匹配点及其邻域的广义距离测度，增强了匹配的容错性。算法采用边缘相似点的距离均值和方差作为匹配的相似测度和置信准则。通过提出在8邻域内基于马尔可夫模型的启发式规则修正模板策略，阻止了模板窗口向背景的漂移。 在基于模糊测度的目标匹配中，提出了循环移位方法构造匹配特征向量，根据特征分布的模糊隶属度确定相似测度。该算法性能优于基于灰度相关匹配方法。 在基于不变矩的图像匹配中，引入误差带策略，计算图像边缘不变矩，取前N个匹配结果作为侯选目标，并根据契比雪夫不等式确定置信度。最后计算侯选目标的直方图的统计特性目标定位。该算法在性能上明显优于应用不变矩特征直接匹配方法和灰度相关的匹配方法。

单相机全向立体视觉研究

折反射全向成像系统是由普通透视相机和反射镜面组成的全向成像装置，可实时获取360°无需拼接的全景图像，近年来已成为研究热点并在视频会议、三维重建和移动机器人导航等领域有着广泛的应用。 本文主要对单相机全向立体视觉系统的设计、标定、匹配以及三维重建展开研究。介绍了一种可实时获取全向三维信息的折反射全向立体视觉光学装置OSVOD（Omnidirectional Stereo Vision Optical Device），OSVOD由两个双曲面镜和一个普通透视相机组成。其中两个双曲镜面上下同轴、间隔一定距离固定在一个玻璃筒内，下镜面中间开有一孔，上镜面通过下镜面的孔在相机像平面上成像，这样空间一点经上下反射镜的反射在像平面上有两个像点，用一个相机实现了立体视觉。两镜面的共同轴和相机镜头的光轴共线，共同焦点和镜头的光心重合，该配置能保证系统满足单一视点约束SVP（Single View-Point）。本结构配置也使系统的外极线呈一系列的放射线，对应点匹配简单。此外两镜面的间隔安装也使得系统的等效基线较长，从而具有较高的精度。 本文第一部分对当前的各种全向成像方法进行了简单介绍，并对各方法的特点做了归纳。第二部分介绍折反射全向视觉的研究现状，就各种反射镜面的成像特点做了对比。 第三部分介绍OSVOD的设计方法，包括机构的设计和镜面的设计，并对设计的结果做了误差分析。 第四部分是OSVOD的标定研究。给出了一种包括OSVOD中相机和镜面位置关系在内的系统参数的标定方法。该方法利用空间坐标已知的标定点在像平面上成的像，结合系统成像模型反算出标定点的空间坐标，再利用标定点的已知空间坐标和反算出的空间坐标建立方程，运用基于Levenberg-Marquardt的反向传播算法(backpropagation)标定相机与反射镜面间的安装偏差。该标定方法可推广到所有的折反射成像系统。 第五部分是基于全向图像的匹配研究。针对系统获取的立体图像对之间成像比例存在较大的差异，首先将图像展开成柱面投影图像，然后就下镜面成像展开的柱面做Canny边缘检测，得到了图像的边缘点；就得到的边缘点在展开的两幅柱面图像上做直接相关匹配。最后将获取的匹配点做一致性校验，并对一致性校验通过的匹配点做三维计算，生产稀疏的三维图像。 最后是结论和将来的工作展望。