侯春萍 陳磊 王曉燕 王志遠(yuǎn)
(天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 天津 300072)
自由立體顯示的自適應(yīng)圖像合成算法*
侯春萍陳磊王曉燕王志遠(yuǎn)
(天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 天津 300072)
摘要:現(xiàn)有的自由立體顯示圖像合成算法存在合成傾斜角度調(diào)整不靈活、合成速度慢、效果差等問題.為此,文中在自由立體顯示的雙目視差原理基礎(chǔ)上,提出了在圖像合成過程中對圖像排布的傾斜角度進(jìn)行調(diào)整的自適應(yīng)立體圖像合成算法.為減少子像素的判決次數(shù),加快立體圖像的合成速度,文中首先提出了一種新的判決準(zhǔn)則——首列子像素視點判決準(zhǔn)則,然后在圖像合成過程中根據(jù)已經(jīng)完成排布的部分圖像的傾斜角度對將要排布圖像的傾斜角度進(jìn)行自動調(diào)整.仿真結(jié)果表明:文中算法能夠適用于光柵傾斜角度為任意值的自由立體顯示設(shè)備,并且能夠得到排布更為合理的合成圖像.
關(guān)鍵詞:立體圖像;自適應(yīng);合成算法;光柵;自由立體顯示
近年來,隨著全球立體顯示技術(shù)的快速發(fā)展,立體圖像和立體電影的數(shù)量快速增加,人們對立體顯示技術(shù)的要求也越來越高[1].然而目前廣泛使用的立體顯示大多屬于助視立體顯示.觀看助視立體顯示需要佩戴輔助工具,這給人們帶來了不便,而自由立體顯示技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一問題[2].
目前,基于光柵的自由立體顯示算法[3- 4]大多只能針對光柵傾斜角度為某一固定值的顯示設(shè)備進(jìn)行圖像合成[5],無法根據(jù)立體顯示設(shè)備的實際參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,或者調(diào)整的范圍和精確度有限,并且合成速度慢[6]、效果差[7],無法很好地解決串?dāng)_問題[8-9].如宋曉煒等[10]提出的立體圖像合成方法不能解決不同光柵傾斜角度的圖像合成問題.Jung等[11]提出的算法有了較大的改進(jìn),能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)整合成圖像的傾斜角度,但傾斜角度的調(diào)整范圍有限,并且由于采用逐點判決方法而影響圖像合成速度.為了解決立體圖像合成時普遍存在的合成傾斜角度調(diào)整不靈活、合成速度慢、效果差等問題,在立體圖像合成及顯示原理的基礎(chǔ)上,文中提出了一種新的能夠適應(yīng)光柵傾斜角度為任意值的自適應(yīng)圖像合成算法.
1自適應(yīng)圖像合成算法
為了減少子像素的判決次數(shù),加快立體圖像的合成速度,文中提出了一種新的判決準(zhǔn)則——首列子像素視點判決準(zhǔn)則.
自由立體顯示是在雙目視差原理基礎(chǔ)上實現(xiàn)的[12],現(xiàn)有的圖像合成算法通常在按行排布的基礎(chǔ)上對子像素逐個判決[13],即完成整行的子像素判決和排布之后再進(jìn)行下一行的排布.在每行的排布過程中,需要針對每個子像素進(jìn)行判斷,確定其所屬的視點.這種排布方式會大大增加子像素排布及圖像合成的時間,導(dǎo)致合成速度緩慢,嚴(yán)重影響視頻的實時合成和實時播放.
首列子像素視點判決準(zhǔn)則是在按行排布的基礎(chǔ)上提出的.由于子像素排布在水平方向上的周期與光柵在水平方向上的周期相同,設(shè)立體顯示的視點數(shù)為N,則子像素排布的周期與光柵的周期均為N.因此,當(dāng)一行子像素的首個子像素所屬的視點確定后,其后續(xù)的子像素的排列順序隨之確定,即每行子像素的排布情況由首個子像素的所屬視點來確定.該首列子像素視點判決準(zhǔn)則將逐個子像素判決簡化為首列子像素判決,減少了子像素判決的次數(shù),從而加快圖像的合成速度.
圖像的排布方向需要與光柵的傾斜方向保持一致[14],光柵的傾斜方向分為順時針(右上到左下)和逆時針(左上到右下)兩種.設(shè)圖像每行的子像素數(shù)為m,行數(shù)為n,視點數(shù)為N,則文中提出的首列子像素視點判決準(zhǔn)則為
vi,j=f(vi,1,j)
(1)
式中,i∈[1,n],j∈[1,m],vi,j∈[1,N]為第i行、第j列子像素pi,j所屬的視點,vi,1∈[1,N]為第i行的首個子像素所屬的視點.式(1)表示vi,j可以由vi,1及j確定,即對任意一個vi,j的判決可以轉(zhuǎn)化為對vi,1的判決,從而將子像素的判決次數(shù)由m×n降低為n.
對于逆時針方向的光柵(視點數(shù)為N),根據(jù)光柵式立體顯示的原理,第i行、第j列子像素pi,j所屬的視點vi,j為
(2)
其中,mod(a,b)表示a對b取模.由式(2)可以看出,子像素排布的循環(huán)周期為N.當(dāng)vi,1確定(設(shè)vi,1=x)時,第i行的子像素排布順序隨之確定,即根據(jù)式(2)可以計算得出第i行的排布,結(jié)果如圖1所示.
圖1 第i行子像素逆時針方向排列方式Fig.1 Pattern of sub-pixels in the ith line based on anticlockwise mode
由圖1可知,第i行的排布實際上是由首個子像素所屬的視點vi,1確定.在圖像合成時,只需對每行的首個子像素的視點進(jìn)行判決,就能夠確定整幅圖像的子像素排布.
基于順時針方向光柵的圖像合成原理與逆時針方向的基本相同.區(qū)別在于,每行的排布需要從右向左進(jìn)行,即需要判決每行的最后一個子像素所屬的視點.對于順時針方向的光柵(視點數(shù)為N),根據(jù)光柵式立體顯示的原理,第i行、第j列子像素pi,j所屬的視點為
(3)
式中:vi,m∈[1,N]為第i行的最后一個子像素pi,m所屬的視點;s表示子像素pi,j是第i行從右向左的第s個子像素,其計算公式為
s=m+1-j
(4)
由于已知一行的子像素數(shù)為m,可以將從右向左的排布轉(zhuǎn)化為從左向右,從而將判決最后一個子像素所屬的視點轉(zhuǎn)化為判決該行第1個子像素所屬的視點,得到用vi,1表示vi,m的公式為
(5)
將式(4)和式(5)代入式(3),得到基于順時針方向光柵的子像素pi,j所屬的視點vi,j的計算公式為
(6)
由于m為常數(shù),故子像素pi,j所屬的視點vi,j由該行的首個子像素所屬的視點vi,1及j決定,第i行的排布由首個子像素所屬的視點vi,1確定.因此,可以將判決每行的最后一個子像素所屬的視點轉(zhuǎn)化為判決該行第1個子像素所屬的視點.
由于式(2)、(6)與式(1)在表示vi,j與vi,1及j的本質(zhì)關(guān)系時是一致的,因而在已知圖像每行子像素數(shù)為m、行數(shù)為n和視點數(shù)為N的情況下,第i行、第j列子像素pi,j所屬的視點vi,j可以由該行的首個子像素的視點vi,1及j確定.將基于逆時針方向光柵的圖像合成與基于順時針方向光柵的圖像合成的方法進(jìn)行統(tǒng)一,從而證明首列子像素判決準(zhǔn)則是成立的.該準(zhǔn)則適用于光柵傾斜方向為任意方向的立體圖像合成.同時,該準(zhǔn)則將子像素判決次數(shù)由m×n降低為n,大幅減少了判決子像素的次數(shù),從而加快算法的判決速度,適用于立體圖像的快速合成和立體視頻的實時合成與播放.
自適應(yīng)圖像合成算法的核心是在圖像合成過程中,根據(jù)已經(jīng)完成排布的部分圖像的傾斜角度對將要排布圖像的傾斜角度進(jìn)行自動調(diào)整.自適應(yīng)算法是將前i行已經(jīng)完成合成的圖像的傾斜角度與光柵傾斜角度進(jìn)行比較,并根據(jù)第i行首個子像素所屬的視點對第i+1行首個子像素所屬的視點進(jìn)行調(diào)整.子像素的排列與光柵的傾斜角度需要保持一致或在誤差允許范圍內(nèi)[15],自適應(yīng)圖像合成算法通過對每行的子像素排布順序進(jìn)行調(diào)整來完成對整幅圖像傾斜角度的調(diào)整,使其更接近光柵的傾斜角度.
光柵種類無論是狹縫還是棱柱鏡,傾斜方向無論是順時針還是逆時針,光柵的傾斜角度α通常滿足α≤arctan(1/3),對于某一確定的自由立體顯示設(shè)備,α為常數(shù),子像素的寬高比為1∶3.
逆時針方向的傾斜角度調(diào)整原理如圖2所示,vn表示第1行第1次出現(xiàn)的第n個視點的子像素,n=1,2,…,N;夾角的頂點起始于第1行第1次出現(xiàn)的第n個視點的子像素的左上頂點.將前i行已經(jīng)完成合成的圖像的傾斜角度β與α進(jìn)行比較:
如果β≤α,那么第i行與第i+1行的關(guān)系如圖2(a)所示.對β進(jìn)行調(diào)整,使前i+1行的傾斜角度β′大于前i行的β,即β′>β,
(7)
如果β>α,那么第i行與第i+1行的關(guān)系如圖2(b)所示.對β進(jìn)行調(diào)整,使前i+1行的傾斜角度β′小于前i行的β,即β′<β,
(8)
圖2 基于逆時針方向的傾斜角度調(diào)整原理Fig.2 Adjustment principle of the inclination angle based on anticlockwise mode
采用圖2所示的兩種方式對圖像排布的傾斜角度進(jìn)行調(diào)整,均會使傾斜角度向光柵傾斜角度的方向變化.由于這種調(diào)整是根據(jù)前i行已經(jīng)完成合成的圖像的傾斜角度對第i+1行進(jìn)行調(diào)整,故圖像的傾斜角度β從小于α的一側(cè)轉(zhuǎn)換到大于α的一側(cè)或從大于α的一側(cè)轉(zhuǎn)換到小于α的一側(cè).因而,自適應(yīng)圖像合成算法對圖像傾斜角度進(jìn)行的自動調(diào)整,會使已完成排布的圖像的傾斜角度在光柵傾斜角度α的附近擺動.與未調(diào)整的圖像傾斜角度相比,調(diào)整后的圖像傾斜角度更接近α.
由圖2(a)可知,圖像的傾斜角度由β變大為β′,實現(xiàn)了傾斜角度變大的目的.采用圖2(a)的排列方式,并根據(jù)立體圖像的合成原理,可以得出第i行與第i+1行首個子像素所屬視點的關(guān)系:
vi+1,1=mod(vi,1+1,N),β≤α
(9)
由圖2(b)可知,圖像的傾斜角度由β變小為β′,實現(xiàn)了傾斜角度變小的目的.采用圖2(b)的排列方式,并根據(jù)立體圖像的合成原理,可以得出第i行與第i+1行首個子像素所屬視點的關(guān)系:
vi+1,1=vi,1,β>α
(10)
綜上所述,由式(9)和(10)可以得到逆時針方向視點排布的自適應(yīng)調(diào)整公式:
(11)
順時針方向與逆時針方向的調(diào)整方法依據(jù)的原理相同,因此,可以得到順時針方向視點排布的自適應(yīng)調(diào)整公式:
(12)
由于式(11)和(12)在表示vi+1,1與vi,1的本質(zhì)關(guān)系時是一致的,因此可以統(tǒng)一為一個表達(dá)式,即
vi+1,1=g(vi,1)
(13)
式(13)反映了vi,1與vi+1,1的關(guān)系,即首列中第i行與第i+1行的關(guān)系;式(1)反映了vi,1與vi,j的關(guān)系,即第i行中第1列與第j列的關(guān)系,由式(1)和式(13)可以完成整幅圖像的排列.
2試驗結(jié)果與討論
試驗平臺:10 inch基于狹縫光柵的八視點平板顯示設(shè)備.用于立體圖像合成的計算機(jī)配置為:CPU i5-3470 3.20 GHz,內(nèi)存8 GB,操作系統(tǒng)Windows 8.1, Matlab 2014a仿真軟件.
將光柵的傾斜角度調(diào)整為某一角度,分別采用文獻(xiàn)[10-11]中提出的合成算法和文中提出的自適應(yīng)圖像合成算法進(jìn)行立體圖像合成,并對合成的立體圖像進(jìn)行比較、分析.由于文獻(xiàn)[10]算法只能針對光柵傾斜角度為某一固定角度的顯示設(shè)備,故采用arctan 0.222 2作為文獻(xiàn)[10]的合成角度.
分別采用3種算法進(jìn)行100次圖像合成,記錄每次的合成時間,得到圖像合成時間隨合成次數(shù)變化的曲線如圖3所示.由圖可以看出,圖像合成次數(shù)相同時,文中算法的合成時間比文獻(xiàn)[10-11]算法的合成時間都短,這是由于文中算法將現(xiàn)有算法的逐點判決轉(zhuǎn)化為每行首個子像素所屬視點的判決,使得子像素判決次數(shù)由m×n降低為n,大幅減少了需要判決的子像素數(shù)量,顯著提高了圖像合成的速度.
圖3 3種算法的圖像合成速度比較Fig.3 Comparison of image combination speed among three algorithms
試驗組編號、試驗編號及與光柵傾斜角度的對應(yīng)關(guān)系如表1所示.3種算法合成立體圖像的效果如圖4所示,方框部分的放大圖如圖5所示.
表1 試驗組編號、試驗編號及與光柵傾斜角度對應(yīng)關(guān)系Table 1 Mapping relationship of the experimental group number,the experiment number and the angle of parallax barrier
圖4 3種算法合成立體圖像效果比較Fig.4 Comparison of the stereo image combination effects among three algorithms
從圖5可以看出:3種算法合成的圖像之間存在明顯的觀看效果差異,且合成圖像在觀看時產(chǎn)生的斷層數(shù)量也存在明顯的差異;文獻(xiàn)[10]算法合成的圖像的觀看效果存在明顯的缺陷,只有在α=arctan 0.222 2時才能夠有較好的觀看效果;文獻(xiàn)[11]算法能夠在光柵傾斜角度為各種角度的情況下做出明顯的調(diào)整,但在光柵傾斜角度與常用角度之間存在較大偏差時,該算法的調(diào)整能力有限,未能完全滿足立體觀看的需要;文中算法合成的立體圖像較文獻(xiàn)[10-11]算法更加符合雙目視差原理,因而在觀看時不會產(chǎn)生斷層.可見,文中算法能夠在光柵傾斜角度為任意值的情況下進(jìn)行立體圖像合成,并且合成的立體圖像在觀看時均沒有出現(xiàn)斷層,完全滿足正常的立體觀看需要.
圖5 圖4中方框部分的放大圖比較Fig.5 Comparison of the enlarged blocks in Fig.4
在Matlab2014a仿真環(huán)境中采用3種算法進(jìn)行立體圖像合成,并記錄每行合成后的圖像傾斜角度,計算出已完成排布的圖像傾斜角度的正切值與光柵傾斜角度正切值之差的絕對值,結(jié)果如圖6所示.從圖可知:在光柵傾斜角度發(fā)生變化時文獻(xiàn)[10]算法的合成角度無法發(fā)生相應(yīng)的變化,導(dǎo)致最終合成的圖像傾斜角度與光柵傾斜角度不匹配,從而無法觀看到理想的立體效果;在光柵傾斜角度發(fā)生變化時文獻(xiàn)[11]算法的合成角度能夠在一定范圍內(nèi)逐漸地逼近光柵的實際角度,最終合成的圖像傾斜角度能夠與光柵的傾斜角度較為接近,使觀看者看到比較滿意的立體效果,但該算法合成圖像的傾斜角度的正切值與實際光柵傾斜角度的正切值之間總是存在差值,將所有差值的絕對值進(jìn)行統(tǒng)計平均,均值在10-2數(shù)量級,此差值是造成在觀看合成的立體圖像時產(chǎn)生斷層的原因.根據(jù)雙目視差原理,文中算法能夠更好地逼近光柵的實際傾斜角度,合成圖像的傾斜角度與光柵傾斜角度正切值之差的統(tǒng)計平均值從10-2降低到10-3,更好地滿足了雙目視差原理,因而在觀看立體圖像時不會產(chǎn)生任何斷層,具有較好的觀看效果.
圖6 在圖像合成過程中光柵傾斜角度變化情況Fig.6 Changes of the inclination angle of parallax barrier during the image combination
主觀評價是圖像合成效果常用的研究方法之一.對3種算法合成的立體圖像進(jìn)行主觀評價,以驗證文中立體圖像合成算法的效果.首先找到20名立體視覺良好的觀看者,參考ITU(2002)電視圖像質(zhì)量主觀評價推薦準(zhǔn)則[16]提出的評分標(biāo)準(zhǔn)和方法對20名評分者進(jìn)行培訓(xùn),然后對圖4所示的6組立體圖像進(jìn)行評分,記錄每個評分等級的人數(shù),結(jié)果如表2所示.
將表2中的統(tǒng)計結(jié)果轉(zhuǎn)換成分?jǐn)?shù),規(guī)則如下:非常差(1分)、差(2分)、一般(3分)、好(4分)、非常好(5分),并將總分?jǐn)?shù)除以評價人數(shù),得到平均分?jǐn)?shù),用柱狀圖表示,結(jié)果如圖7所示.由圖可以看出:在d組試驗中,由于光柵傾斜角度為常用角度,3種算法的觀看效果基本相同;文獻(xiàn)[10]算法只有在光柵傾斜角度與常用角度相同時(d組),才能夠有較好的觀看效果,當(dāng)光柵傾斜角度偏離常用角度時,觀看效果也隨之降低;文獻(xiàn)[11]算法能夠?qū)αⅢw圖像的傾斜角度做出調(diào)整,但調(diào)整范圍有限,在c和d組的傾斜角度附近能夠做出較好的調(diào)整,在遠(yuǎn)離常用角度的情況下,調(diào)整結(jié)果未能完全滿足立體觀看的需要;在光柵傾斜角度為任意值的情況下,文中算法合成的立體圖像都能夠滿足正常的立體觀看需要.
Table 2 Statistics result of evaluating score
圖7 3種算法的平均分比較Fig.7 Comparison of average scores among three algorithms
3結(jié)論
為解決立體圖像合成時普遍存在的合成傾斜角度調(diào)整不靈活、合成速度慢、效果差等問題,文中提出了一種自適應(yīng)圖像合成算法.該算法采用了首列子像素視點判決準(zhǔn)則,使其子像素判決次數(shù)由傳統(tǒng)算法的m×n降低為n,提高了圖像的合成速度,故適用于立體圖像的快速合成和立體視頻的實時合成;在圖像合成過程中,該算法根據(jù)已經(jīng)完成排布的部分圖像的傾斜角度對將要排布圖像的傾斜角度進(jìn)行自動調(diào)整,使圖像傾斜角度與光柵傾斜角度的正切值之差的統(tǒng)計平均值從傳統(tǒng)算法的10-2降低到10-3,從而使合成的立體圖像更好地滿足雙目視差原理對圖像合成的需要.
試驗結(jié)果表明:文中提出的自適應(yīng)立體圖像合成算法合成圖像的效果好;在圖像合成過程中,文中算法能根據(jù)目標(biāo)的傾斜角度自動調(diào)節(jié)圖像的合成傾斜角度,故可適用于光柵傾斜角度為任意角度的立體圖像合成.
參考文獻(xiàn):
[1]Lee B.Three-dimensional displays,past and present [J]. Physics Today,2013,66(4):36- 41.
[2]Hong J,Kim Y,Choi H J,et al.Three-dimensional display technologies of recent interest:principles,status,and issues [J].Applied Optics,2011,50(34):87-115.
[3]Boev A,Bregovic R,Gotchev A.Methodology for design of antialiasing filters for autostereoscopic displays [J].IET Signal Processing,2011,5(3):333-343.
[4]Hsia C H.Improved depth image-based rendering using an adaptive compensation method on an autostereoscopic 3-D display for a Kinect sensor [J].IEEE Sensors Journal,2014,15(2):994-1002.
[5]Hock S T,Xia Jia-zhi,He Ying,et al.A system for capturing,rendering and multiplexing images on multi-view autostereoscopic display [C]∥Proceedings of 2010 International Conference on Cyberworlds.Singpaore:IEEE,2010:325-330.
[6]Fan Yu-cheng,Kung Yu-ting,Lin Bing-lian.Three-dimensional auto-stereoscopic image recording,mapping and synthesis system for multiview 3D display [J].IEEE Trans-actions on Magnetics,2011,47(3):683- 686.
[7]Kong L,Jin G,Wang T,et al.Parameter design of a para-llax barrier based on the color moiré patterns in autoste-reoscopic display [J].Applied Optics,2011,50(34):153-158.
[8]Woods A J.Crosstalk in stereoscopic displays:a review [J].Journal of Electronic Imaging,2012,21(4):80.
[9]Kim Y,Park G,Jung J H,et al.Color moiré pattern simulation and analysis in three-dimensional integral imaging for finding the moiré-reduced titled angle of a lens array [J].Applied Optics,2009,48(11):2178-2187.
[10]宋曉煒,楊蕾.一種光柵普適的LCD多視點立體圖像合成方法 [J].計算機(jī)應(yīng)用,2008,28(1):195-198.
Song Xiao-wei,Yang Lei.General composition method for optical plate based LCD multiview stereo-image [J].Journal of Computer Applications,2008,28(1):195-198.
[11]Jung K,Park J,Choi B U.Interactive auto-stereoscopic display with efficient and flexible interleaving [J].Optical Engineering,2012,51(2):7402.
[12]尚玲.基于雙目視差的液晶三維立體顯示系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) [J].中國西部科技,2014(8):18-19.
Shang Ling.Design of the three-dimension display system based on binocular parallax [J].Science and Technology of West China,2014(8):18-19.
[13]Boev A,Gotchev A,Egiazarian K.Crosstalk measurement methodology for auto-stereoscopic screens [C]∥Procee-dings of 3DTV Conference.Kos Island:IEEE,2007:1- 4.
[14]Lee Y,Ra J B.Image distortion correction for lenticula misalignment in three-dimensional lenticular displays [J].Optical Engineering,2006,45:017007.
[15]Saveljev V V,Son J,Javidi B.Moiré minimization condition in three-dimensional image displays [J].Journal of Display Technology,2005,1(2):347-352.
[16] ITU-R BT 500-11,Methodology for the subjective assessment of the quality of television picture [S].
Self-Adaptive Stereo Image Synthesis Algorithm for Auto-Stereoscopic Display
HouChun-pingChenLeiWangXiao-yanWangZhi-yuan
(School of Electronic Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)
Abstract:In the existing stereo image synthesis algorithms used in the auto-stereoscopic display, the inclination angle of image synthesis is inflexible, the synthesis process is slow and the effect is poor. Therefore, we propose a novel algorithm named as self-adaptive stereo image synthesis algorithm, which adjusts the inclination angle during the process of image synthesis based on the theory of binocular stereo vision used in the auto-stereoscopic display. In the algorithm, a novel law of judgment named the law of judgment by the first column sub-pixels is proposed and then the inclination angle of the image to be unmapped is adjusted automatically according to the inclination angles of the partial mapped images during the process of image synthesis, so that the judgment number of sub-pixels can be decreased and thus the synthesis of stereo images can be sped up. Simulation results demonstrate that the proposed algorithm is suitable for the auto-stereoscopic display equipment with any inclination angle of parallax barrier and can make the synthesis more reasonable.
Key words:stereo image; self-adaptive; synthesis algorithm; parallax barrier; auto-stereoscopic display
中圖分類號:TP751
doi:10.3969/j.issn.1000-565X.2015.09.016
作者簡介:侯春萍(1957-),女,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事立體顯示研究.E-mail: hcp@tju.edu.cn
*基金項目:國家“863”計劃項目(2012AA03A301);國家自然科學(xué)基金重大研究計劃項目(91320201);國家自然科學(xué)基金資助項目(61471262);高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(20110032110029,20130032110010)
收稿日期:2015- 01- 09
文章編號:1000-565X(2015)09-0100-07
Foundation items: Supported by the National High-Tech R & D Program of China(2012AA03A301),the Major Research Program of the National Natural Science Foundation of China(91320201),the National Natural Science Foundation of China(61471262)and the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China(20110032110029,20130032110010)