四元数、Clifford代数与超复数及其在物理学中的应用

本文是一篇介绍Clifford代数基本性质和应用的文章.Clifford代数是实数、复数、四元数和向量代数的统一和推广,它准确、忠实地刻画了时空的内在性质,为众多数学和物理理论提供了统一、标准、优雅和开放的语言和工具.超复数系有望能够完成现代科学的一次新的大综合,值得在本科物理和数学的教学中普及.

Clifford代数空间上的三维多模医学图像配准

3D/3D医学图像的配准在临床上具有重要的临床意义与医学价值,尤其在脑外科手术导航与病灶点定位上,病人的不同模态影像数据需要3D配准,便于更加全面、精确的分析目标组织的医学特性。本文在研究经典配准方法的基础上,将经典配准方法内嵌于Clifford代数计算空间,在Clifford代数空间上构建配准过程计算的几何要素与配准操作的平移算子、几何旋转算子,浮动图像进行对应的算子运算,实现头颅部3D多模医学图像配准。配准方法应用于国际上两个著名3D医学数据库,实验结果表明:本文方法不仅继承经典配准算法的优点,而且配准精度高,几何意义直观,计算时间短。

Clifford代数3D人脸姿态矫正方法

非正面视图的3D人脸对特征提取及识别结果有不等程度的影响,因此在预处理阶段需要对3D姿态进行矫正,使其还原于正面视图.本文就其提出一种基于Clifford代数理论的3D人脸姿态矫正方法,即通过计算与检测3D人脸的特殊点,确定人脸正面所在平面及空间的几何位置;再构造Clifford代数的几何旋转算子对3D人脸顶点坐标向量进行旋转,使其3D人脸正面处于坐标正视图,眼睛保持水平位置以现实姿态矫正.实验结果表明该方法计算简单,几何意义直观,矫正精度高,并具有通用性.

时空平面的Clifford代数与Abel复数系统

证明时空平面Clifford代数Cl1,1的3个二维子代数构成Abel复数系统的3种复数(椭圆复数、双曲复数与抛物复数),给出了Euclid平面、Minkowski平面及Galileo平面可在同一框架下进行研究的可行性以及Euclid变换、Lorentz变换及Galileo变换的统一表达式.

Clifford代数几何不变量3D医学图像配准的方法

就3D医学图像配准数据量大、计算复杂度高、配准精度低的问题,提出一种基于Clifford代数几何不变量的配准方法,以实现人头颅部3D医学图像配准。提出配准所需的Clifford代数几何不变量及其Clifford代数方程算式,并构造适合于该几何参考轴旋转的Clifford几何旋转算子,利用所求的最大、最小值对应的Clifford几何不变量建立Clifford旋转算子,对浮动影像数据实现几何变换,以达到配准的结果。配准实验中对两个世界著名的3D医学数据集进行了测试,结果表明:该方法计算简单,几何意义直观,配准精度高,执行效率高,并且通过轴线变换不易陷入配准过程的局部极值点。

Voronoi生成的Clifford代数实现方法

引入具有维度融合、坐标无关等特性的Clifford几何代数,构建不同维度统一Voronoi生成框架及算法流程。定义了可支撑不同维度、不同对象间距离、相交及对偶关系的几何、拓扑运算,基于多重向量设计了可支撑不同维度地理对象的统一存储结构及关系表达机制,实现了基于Clifford代数的多维统一Voronoi生成算法。以中国城市气象数据为例进行了算法验证,并分析了算法复杂度。结果表明,该算法可根据输入数据维度自适应地实现相应维度的Voronoi分析,可为以维度统一为特征的GIS分析算法实现提供借鉴。

基于Adaboost与Clifford代数的人脸检测

Adaboost算法在光照不均、背景复杂的条件下进行人脸检测时误检率较高。为解决该问题,提出一种基于Adaboost算法与Clifford代数矢量积性质的人脸检测方法。利用Adaboost算法初步定位人脸可能存在的区域,对该区域进行基于知识的校验,如果校验失败,根据Clifford矢量积性质,寻找与待验证区域相似度较高的人脸,当相似度大于阈值时,判断其为人脸。实验结果表明,与Viola-Jones方法相比,该方法在保持较高检测率的同时,降低了误检率,且鲁棒性较好。

基于Clifford代数的多光谱图像边缘检测

为了充分利用多光谱图像不同图层之间的关联性,采用Clifford代数描述多光谱图像.在Clifford代数空间中,定义了多光谱图像的Clifford微分与Clifford梯度.在此基础上,提出了一种新的多光谱图像边缘检测与融合算法.该算法首先计算出各像素点的Clifford梯度,进而得到Clifford梯度范数;然后以此为依据,判断像素点是否为边界点,从而得到多幅边缘检测图像;最后,将这些图像融合,便可得到最终的边缘图像.与基于最大熵的多光谱图像边缘检测算法的比较结果表明,算法由于利用了多光谱图像不同图层之间的关联性,因而可以更好地保留边缘信息,获得更完整的边缘检测效果.

基于ROI及Clifford代数相对不变量的3D医学图像配准

在利用颅骨轮廓几何特征配准基础上,提出配准前颅部图像的感兴趣区(ROI)圈定,并在Clifford代数框架下给出一种全新的相对不变量构造方法。该方法以颅部ROI的轮廓数据作为配准点云集,根据颅骨刚体轮廓相似性特点,运用Clifford代数构造相对几何不变量的数学模型及计算模型,并计算配准几何运算需求的平移量和旋转算子,采用3D医学图像的相似性测度直接进行三维数据的配准。数据源及评估使用Brain Web数据库和美国Vanderbilt大学的"回顾性图像配准评估"项目数据。实验表明,新方法在颅部的ROI区域进行配准,能够精确的定位组织器官的三维位置,执行效率高,配准均值误差在2~4 mm内,达到亚像素级配准精度。

彩色图像处理的可交换Clifford代数方法

采用可交换Clifford代数对彩色图像建模,充分利用彩色图像作为一个整体所具有的潜在颜色信息,实现彩色图像各颜色分量的并行处理,可完成彩色图像的整体处理。本文分析了彩色图像的表示方法,系统研究了一类可交换Clifford代数—Clcom2,定义了Clcom2上元素的四则运算规则、单位元、逆元、共轭、范数等。给出了基于可交换Clifford代数的彩色图像表示方法,并介绍了一个Clcom2架构下的彩色图像处理实例:彩色图像边缘检测。与传统的四元数彩色图像表示方法相比,本文所提出的方法最大限度地去除了数据冗余,其算法复杂度也大大降低。结果显示,基于可交换Clifford代数的彩色图像表示方法可以应用到彩色图像处理中。

基于Clifford代数的3D点云模型数字水印算法

引入Clifford代数,在G3空间中建立了不依赖于特定坐标系的、多维统一的3D点云数据几何表征与计算模型.介绍了Clifford代数空间中的Fourier变换及其计算公式,进而提出了基于Clifford-Fourier变换的3D点云模型数字水印算法.该方法将点云模型映射为相应的Clifford几何空间域系数,并对其进行水印信息的嵌入和提取.实验分析表明,所提出的方法对平移、旋转、均匀缩放、重排序、简化和噪声等各种攻击均具有较好的鲁棒性.

Clifford代数,几何计算和几何推理

Clifford代数是一种深深根植于几何学之中的代数系统,被它的创始人称为几何代数。历史上,E.Cartan,R.Brauer,H.Weyl,C.Chevalley等数学大师都曾研究和应用过Clifford代数,对它的发展起了重要作用,近年来,Clifford代数在微分几何、理论物理、经典分析等方面取得了辉煌的成就,是现代理论数学和物理的一个核心工具,并在现代科技的各个领域,如机器人学、信号处理、计算机视觉、计算生物学、量子计算等方面有广泛的应用。 本文主要介绍Clifford代数在几何计算和几何推理中的应用,作为一种优秀的描述和计算几何问题的代数语言,Clifford代数对于几何体,几何关系和几何变换有不依赖于坐标的、易于计算的多种表示,因而应用它进行几何自动推理,不仅使困难定理的证明往往变得极为简单,而且能够解决一些著名的公开问题,目前在国际上,几何自动推理已经成为Clifford代数的一个重要应用领域。

取值在复Clifford代数上的函数的结构

1.前言在[1,第13章]中证明过,以{e_j}_(j-1)~n为正交基的空间R^n,可以构造一个2~n维实Clifford代数A_n,以e_0为其单位元素且基底元素为e_0,e_1,…,e_n,…,e_1…e_n。在最近的书[2]中证明了古典的复变函数论的许多观点都能够推广到这样的函数论上去,其函数取值于A_n上,这种函数论叫实Clifford分析。

Clifford代数Cl_(p,q)的幂等元

给出了Clifford代数Clp,q有非平凡幂等元的4个等价命题,指出非可除Clp,q均有非平凡幂等元。并利用幂等元的性质给出Clp,q具有双环结构的一个充分条件。

四维Clifford代数的相似与合相似

两四元数相似当且仅当它们有相同的实部和模,两四元数合相似当且仅当它们有相同的模.应用四维Clifford代数的矩阵表示,得到了四维Clifford代数中两元素相似或合相似的充分必要条件.

基于Clifford代数的数字图像水印技术

本文首先讨论了Clifford代数的几何性质,探讨了3维Clifford代数空间中的几何积和投影运算,介绍了Clifford代数空间中的Fourier变换及其计算公式,进而研究了Clifford代数的存在性定理,并提出基于Clifford代数的存在性定理和Clifford-Fourier变换的数字图像水印嵌入算法.本文首次提出在Clifford代数空间中进行数字水印嵌入,实验论证了该算法的合理性,能较好的完成数字图像水印的嵌入.

Clifford代数与Minkowski空间的性质

以 Clifford代数为工具 ,讨论 Minkowski空间的几何性质及狭义相对论的空时结构 ,指明应用

Clifford代数Cl_(p,q)的中心子代数

(p,q)型Minkowski空间瓗p,q的Clifford代数Clp,q是一类2p+q维的实结合代数,当p+q>1时是非交换代数.文中讨论了Clp,q的中心Cen(Clp,q)的相关性质,利用基元的Clifford积导出由p,q确定Clp,q中心的公式.

Clifford代数及其函数理论在力学上应用

众所周知,无论是弹性力学或流体力学,处理平面问题比处理空间问题要方便得多,其原因之一单复变函数尤其是解析函数有一整套完整的理论,而对空间问题来说就困难得多.本文首先介绍Clifford代数的一般理论,然后着重讨论三维空间上的Clifford代数,建立起三维空间中类似于解析函数的所谓正则函数.把平面问题的一些重要结果推广到三维或高维空间中去,这无疑是对弹性力学或流体力学有重要的意义.但由于Clifford代数是不可交换的代数.故把二维空间向三维推广时,许多地方仍存在着本质上的困难,故不能简单地平推一些结果.对存在的问题有待于以后深入研究.

Clifford代数与n维Minkowski空间的性质

以Clifford代数为工具,讨论n维Minkowski空间的性质,得到n维Minkowski空间的反向Schwarz不等式、双曲Euler公式及Lorentz变换.