一种基于FPGA加速的高性能数据解压方法

在数据库、深度学习、高效存储等数据读取性能敏感的应用场景中,数据解压性能对上层应用的服务质量有着重要影响.LZ4无损数据压缩算法具备高速解压特性,因此被广泛应用在高速解压场景中,但其运行需要消耗大量CPU资源.为减少LZ4数据解压开销,学界和业界提出了基于FPGA的LZ4数据解压加速方法.但现有方法大多采用逐字节顺序处理的计算模式,导致并行度和吞吐率存在较大不足.因此,设计实现高性能LZ4数据解压加速方法成为当前研究亟需解决的关键问题.以LZ4解压的高性能加速为目标,本文研究从多层次对LZ4解压进行并行加速设计,提出了一种基于FPGA加速的高性能LZ4数据解压方法.首先,本方法研究对LZ4序列解析过程进行并行化改进,设计实现了一个基于多字段并行解析方法的并行化序列解析器,将吞吐率从每周期单字节扩展到每周期多字节.此外,本方法对序列解析器中的高时延长度字段解析逻辑进行优化改进,设计了基于二分法的最大匹配长度快速解析方法,显著减小序列解析器的关键路径时延,使得改进后的设计时钟频率比改进前提高了约21%.其次,基于并行化序列解析器,本方法设计实现了一个高性能数据解压引擎.该引擎将序列解析与数据还原过程进行解耦设计,对解压输出数据通路进行扩展,解决了解压过程中输入输出吞吐率不匹配的问题.最后,为进一步提高吞吐率性能,本方法提出了可扩展多引擎数据解压加速器设计,并实现了一个基于CPU-FPGA架构的异构端到端数据解压加速系统原型.实验分析表明,本方法提出的数据解压引擎的每周期吞吐量是现有研究的4.1~6.8倍.该引擎实现了约1.7 GB/s的解压吞吐率,达到现有研究的2.6~6.6倍.系统原型的端到端测试和资源使用评估结果表明,本方法提出的数据解压加速系统在吞吐率和资源使用方面具备良好的可扩展性.在功耗效率方面,集成8引擎的解压加速系统原型的功效比是软件加速方法的1.6倍以上.

一种基于成对字向量和噪声鲁棒学习的同义词挖掘算法

同义词挖掘是自然语言处理中一项重要任务.为了构建大规模训练语料,现有研究利用远程监督、点击图筛选等方式抽取同义词种子,而这几种方式都不可避免地引入了噪声标签,从而影响高质量同义词挖掘模型的训练.此外,由于大量实体词所具有的少样本特性、领域分布差异性和预训练词向量训练目标与同义词挖掘任务的不一致性,在同义词挖掘任务中,词级别的预训练词向量很难产生高质量的实体语义表示.为解决这两个问题,提出了一种利用成对字向量和噪声鲁棒学习框架的同义词挖掘模型.模型利用预训练的成对字向量增强实体语义表示,并利用自动标注的噪声标签通过交替优化的方式,估计真实标签的分布并产生伪标签,希望通过这些改进提升模型的表示能力和鲁棒性.最后,使用WordNet分析和过滤带噪声数据集,并在不同规模、不同领域的同义词数据集上进行了实验验证.实验结果和分析表明,该同义词挖掘模型在各种数据分布和噪声比例下,与有竞争力的基准方法相比,均提升了同义词判别和同义词集合生成的效果.

基于稀疏点云分割的适应视角变化的场景识别方法

在机器人自主导航中,同时定位与建图负责感知周围环境并定位自身位姿,为后续的高级任务提供感知支撑。场景识别作为其中的关键模块,可以帮助机器人更加准确地感知周围环境,它通过识别当前的观测和之前的观测是否属于同一个场景来校正传感器硬件固有误差导致的误差累积。现有的方法主要关注稳定视角下的场景识别,根据两个观测之间的视觉相似性来判断它们是否属于同一个场景。然而,当观测视角发生变化时,同一个场景的观测可能存在较大的视觉差异,使得观测之间可能只是局部相似,进而导致传统方法失效,因此,一种基于稀疏点云分割的场景识别方法被提出。它将场景进行分割,以解决局部相似的问题,并且结合视觉信息和几何信息实现准确的场景描述和匹配,使得机器人能识别出不同视角下的相同场景,支撑单机的回环检测模块或多机的地图融合模块。该方法基于稀疏点云分割将每个观测分割为若干部分,分割结果对视角具有不变性,并且从每个分割部分中提取出局部词袋向量和β角直方图来准确描述其场景内容,前者包含场景的视觉语义信息,后者包含场景的几何结构信息。之后,基于分割部分匹配观测之间的相同部分,丢弃不同部分,实现准确的场景内容匹配,提高场景识别的成功率。最后,在公开数据集上的结果表明,该方法在稳定视角和变化视角下的表现均优于在场景识别领域受到较多关注的词袋模型方法。

基于深度堆栈编码器和反向传播算法的网络安全态势要素识别

网络安全态势要素识别的基础是对态势数据集进行有效的特征提取。针对反向传播(BP)神经网络对海量安全态势信息数据学习时过度依赖数据标签的问题,该文提出一种结合深度堆栈编码器和反向传播算法的网络安全态势要素识别方法,通过无监督学习算法逐层训练网络,在此基础上堆叠得到深度堆栈编码器,利用编码器提取数据集特征,实现了网络的无监督训练。仿真实验验证了该方法能有效提升安全态势感知的效能和准确度。

实时更新的全局一致三维栅格建图

在未知的三维环境中,移动机器人自主导航通常需要实时构建与环境全局一致的栅格地图,而现有大部分系统缺少地图更新策略,构建的栅格地图与实际环境不一致.文中将同步定位与建图模块获得的环境信息以点云形式提供给栅格建图模块处理,同时提出基于关键帧的高效数据结构和地图实时更新策略,实时构建可用于移动机器人自主导航的全局一致的地图.室内动态的实验数据测试表明,文中方法可以有效实时更新地图,生成与环境一致的三维栅格地图,支持其后续的自主导航操作.

基于深度残差网络的ADS-B信号辐射源个体识别

针对传统依赖于人工提取的专家特征难以表征辐射源个体信号的细微差异问题,提出了一种基于深度残差网络(DRN)的辐射源个体识别算法。利用深度残差网络完成分类识别任务,将实测信号的同相分量(I路)和正交分量(Q路)输入到深度残差网络中进行训练。在包含不同飞行目标的ADS-B信号实测数据集上进行实验以评估该算法的性能。实验结果表明,提出的DRN模型在不需要人工进行特征选择的情况下达到了较好的分类精度。此外,在信噪比上对数据集进行扩增可进一步提升模型的性能。

可持续自主学习的micROS机器人操作系统平行学习架构

作为机器人平台最重要的基础软件,机器人操作系统是提高机器人自主性与智能化水平的核心和关键.围绕实现适应环境的智能机器人系统这一目标,基于已有的micROS研究,提出了可持续自主学习的群体智能机器人操作系统平行学习架构,描述了架构设计、核心概念、实现途径和应用验证.在micROS可扩展分布式层次架构的基础上,提出了支持可持续自主学习的平行学习架构,设计并实现了机器人操作系统的两大核心概念——基于"角色"的控制抽象和基于"语义情境图"的数据抽象,突破了群体智能行为操控、自组织无线网络等群体机器人自主智能协同急需解决的关键技术问题,在此基础上开展了面向多种场景的应用验证.

基于FPGA的图着色问题求解

图着色问题是在满足相邻顶点不能分配相同颜色且颜色数最少的约束条件下,将图的顶点划分为不相交的集合,且每个集合中的顶点分配相同的颜色。由于图着色问题属于NP-完全问题,求解图着色问题的算法复杂度会随顶点个数的增加呈指数级增长。当顶点个数非常大时,通用处理器求解图着色问题的性能将会显著下降。因此,该文基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)实现求解图着色算法的专用硬件加速器。首先依据FPGA模块化的设计思路提出并实现了基于回溯法的图着色问题求解的硬件架构;其次分析了FPGA内部消耗资源与图着色顶点数之间的关系;最后利用通用异步收发传输器协议实现了通用处理器与FPGA的通信。实验结果表明,相比于在通用处理器上利用软件实现图着色算法,基于FPGA所实现的图着色算法运行时间减少了一个数量级。除此之外,FPGA内部消耗资源数与顶点个数呈线性关系,且每次迭代时FPGA运算所消耗的时间与顶点个数无关。

基于Gazebo和Docker的群体机器人仿真系统设计

对群体机器人仿真系统进行了研究,分析了目前群体机器人仿真系统所存在的不足,设计和实现了一种基于Gazebo和Docker容器的群体机器人仿真系统。使用Gazebo对机器人平台和所处环境进行逼真和精细建模仿真,使用Docker容器对机器人的控制软件进行打包和隔离,Docker容器和Gazebo之间基于DDS通信传输控制指令与机器人的状态数据。仿真通过后,Docker容器中的机器人控制软件即可直接用于真实的机器人中。仿真实验表明,所设计的群体机器人仿真系统能够对群体机器人的机器人控制软件进行有效仿真验证。

端到端通信中基于时间转换能量采集的计算迁移方案

在端到端(D2D)通信网络中,为提高移动云计算的有效性,提出了一种基于时间转换能量采集的计算迁移方案。首先,一个流量受限的智能移动终端把其需要迁移的计算任务通过D2D通信以射频信号的形式发送给一个能量受限的智能移动终端,后者利用时间转换方案对接收信号进行能量采集。然后,能量受限终端会为流量受限终端中继任务到云端服务器付出额外的流量消耗。最后,所提的方案被建模为一个最小化终端能量与流量消耗的非凸优化问题,通过优化能量受限终端的时间转换因子、采集能量分配因子以及流量受限终端的传输功率,最终获得了最优方案。仿真结果表明,相比于非协作方案,所提方案通过互惠协作进行计算迁移能有效地减少终端的匮乏资源开销。

几何属性引导的三维语义实例重建

目的语义实例重建是机器人理解现实世界的一个重要问题。虽然近年来取得了很多进展,但重建性能易受遮挡和噪声的影响。特别地,现有方法忽视了物体的先验几何属性,同时忽视了物体的关键细节信息,导致重建的网格模型粗糙,精度较低。针对这种问题,提出了一种几何属性引导的语义实例重建算法。方法首先,通过目标检测器获取检测框参数,并对每个目标实例进行检测框盒采样,从而获得场景中对应的残缺局部点云。然后,通过编码器端的特征嵌入层和Transformer层提取物体丰富且关键的细节几何信息,以获取对应的局部特征,同时利用物体的先验语义信息来帮助算法更快地逼近目标形状。最后,本文设计了一种特征转换器以对齐物体全局特征,并将其与前述局部特征融合送入形状生成模块,进行物体网格重建。结果在真实数据集ScanNet v2上,本文算法与现有最新方法进行了全面的性能比较,实验结果证明了本文算法的有效性。与性能排名第2的RfD-Net相比,本算法的实例重建指标提升了8%。此外,本文开展了详尽的消融实验以验证算法中各个模块的有效性。结论本文所提出的几何属性引导的语义实例重建算法,更好地利用了物体的几何属性信息,使得重建结果更为精细、准确。

面向灾难搜索救援场景的空地协同无人群体任务规划研究

面向地震场景,提出了一种有效的空地协同搜救框架,高空侦察机获取地面受损建筑物位置信息传递给无人机搜索群体,无人机根据此信息做分布式任务规划,到达目标建筑对受灾人群做进一步侦察,并将伤员密度分布信息传递给地面无人车群体。无人车做集中式规划,到达伤员地点执行救援任务。针对无人机群体的任务规划,根据其小型、廉价、可大规模部署以及通信能力弱的特点,改进传统的拍卖任务规划方法,提出了一种新的基于通信保持的拍卖方法(CMBA);救援无人车群体虽然载荷能力强,但是在灾区恶劣道路环境条件下,无法大规模部署,必须发挥其执行任务的最大效用,传统遗传算法适用于中心化的精确任务规划,但是存在易陷入局部最优解的缺点,提出了一种自适应反馈调节遗传算法(AFBA-GA)改进这一缺点。通过在机器人仿真器中和标准数据集中的测试,验证了任务规划方法的有效性。