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            山東師范大學信息科學與工程學院院長劉弘教授訪談

            2017年12月07日 作者:中國科技論文在線 瀏覽量:23371
            近日,中國科技論文在線專訪了山東師范大學信息科學與工程學院院長劉弘教授,劉教授就近期所取得的科研成果、國內外同行在相關領域的進展以及研究生培養方面的經驗等問題進行了耐心細致的回答。下面是具體的訪談內容。
             
            一、請您介紹一下近期正在從事的研究工作及其現實意義。
             
            基于分形技術的產品包裝及防偽標志創新設計
             
            1.什么是分形
             
            “分形”一詞,由法國數學家曼德布羅特于1973年首次提出。1977年他出版了分形理論的奠基性著作《分形:形態,機遇和維數》,并于5年后出版了《自然界的分形幾何學》。這兩部著作的問世,標志著分形理論的誕生。
             
            曼德布羅特曾經為分形下過兩個定義:①滿足下式條件:Dim(A) >dim(A)的集合A,稱為分形集。其中,Dim (A)為集合A的Hausdoff維數(或分維數),dim (A)為其拓撲維數。一般說來,Dim (A)不是整數,而是分數。②部分與整體以某種形式相似的形,稱為分形。有學者給出關于分形特征的描述:
             
            ①分形集都具有任意小尺度下的比例細節,或者說它具有精細的結構;②分形集具有不規則性,從整體到局部都不能用傳統的幾何語言來描述,它既不是滿足某些條件的點的軌跡,也不是某些簡單方程的解集;③分形集具有某種自相似形式,可能是近似的自相似或者統計的自相似,亦即滿足標度不變性;④一般情況下,分形集的“分形維數”,嚴格大于它相應的拓撲維數;⑤在大多數令人感興趣的情形下,分形集由非常簡單的方法定義,具有遞歸性,可在計算機上以遞歸的方式生成。
             
            國際上關于分形技術生成圖形的研究及應用已有20多年的歷史。美國理查德•沃斯在計算機上制作的分形山已被IBM公司應用于宣傳廣告中。在美國,分形明信片和分形廣告也在市場上推出,隨后又推出了分形年歷和分形賀年卡,甚至在青年人穿的T恤衫、街道上的招貼畫上也都印上了分形圖。在學術界,許多世界性刊物的封面上都出現過分形圖案?,F在又出現了分形IC卡、分形撲克,以及分形的書面設計等。在我國,分形的研究主要集中在理論研究方面,在分形圖的應用方面還處于起步階段。特別是在工業設計領域,應用十分罕見。但是,由于分形圖的變幻莫測,是科學美和意識美的有機結合,其應用有深遠的意義及廣闊的市場前景。
             
            2.商品包裝及防偽設
             
            商品包裝是在人類社會的長期經濟生活中逐步形成和發展起來的。隨著我國國民經濟的不斷發展,商品包裝在生產、流通和社會生活中的地位和作用日益增長?,F代生產中絕大多數產品只有包裝后,才算完成其生產過程,能夠進入流通和消費領域。在現代市場營銷活動中,包裝是商品的“無聲推銷員”,是宣傳商品、宣傳企業形象的工具,是商品特征的放大鏡。因此,良好的商品包裝從商品的生產、銷售,到人們的生活始終起著重要作用。沒有包裝,商品無法充分向其設定的消費群體顯現出它的魅力,也就無法徹底激發起消費對象的購買欲望,從而有可能失去其存在價值。正因為有了商品包裝,才使得商品世界五彩繽紛,活力十足。
             
            消費者接觸商品首先接觸的是包裝,商品的防偽因此也首先體現在包裝的防偽上,包裝防偽的水平高低直接決定商品的防偽性能。產品要實現防偽就必須將包裝和防偽相結合。
             
            3.基于分形技術的產品包裝及防偽圖形標志創新設計
             
            該項目是山東省自主創新科技專項項目(項目號:2006ZZ10),是在國家自然科學基金“支持協同創新設計的仿生計算方法研究”(項目號:60743010) 及山東省自然科學基金重點項目“仿生計算模型、算法及其在創新概念設計中的應用研究”(項目號:Z2006G09)的理論研究基礎上完成的,由山東師范大學信息科學與工程學院承擔。
             
            項目組在總結國內外學者相關研究成果的基礎上,開發了“分形圖案設計及三維模型展示系統FDS”和“FDS分形防偽支持網站”。其中,FDS實現了廣義M-J集的公式編輯、復迭代分形圖案與基于主型曲線分形圖的生成與色彩配置、分形圖合成、設計圖案管理以及商品外包裝設計的三維效果展示等功能。而分形防偽支持網站則以防偽圖案查詢為中心,輔以分形防偽知識普及、FDS軟件維護和用戶管理等功能。
             
            本研究采用的基于分形圖案的信息防偽技術有如下特點:
             
            ①分形圖案是由計算機編程實現的,它的奇妙之處就是能把一些看似很簡單的數學方程來生成復雜的有很強藝術感的圖案,這些圖案復雜、美觀、富于變化并且更具防偽性能,十分容易分辨。分形圖案與數學信息之間是一一對應的關系,通過改變數學信息里的公式和參數可以為包裝設計及信息防偽提供無窮無盡的圖案來源,而且在制作的數量和速度上要比紋理防偽有優勢。
             
            ②控制分形圖案的數學信息非常復雜,例如生成一張Julia集的分形圖案所用到的信息多達十多個參數,生成圖形的參數經處理后產生條形碼,作為檢測圖形真偽的基本依據。在生成的圖形中加入基于主型曲線分形圖的特殊線條, 干擾復印機和掃描儀,使其不能準確再現原稿層次,實現雙重防偽功能。
             
            ③分形圖案有著很強的藝術性,用它作為防偽標志的同時,這些分形圖形狀怪異、結構復雜、色彩奇特,給人帶來視覺沖擊的同時,可以刺激設計人員的創新設計的想象力和靈感。設計出提高市場競爭力的外包裝。
             
            主要工作為:
             
            1.提出并實現了一種廣義M-J集圖案的制作方法,生成基于主題的分形圖案,作為產品外包裝使用的印刷圖案,實現防偽。(相應的發明專利已經公布)
             
            第一步:采用數學公式設定參數信息,其公式是廣義M-J集圖的復迭代公,其中,f(Z)是sin(Z)、cos(Z)、tg(Z)、ctg(Z)、、、和為初等函數的算術運算表達式,表達式中Z是復變量,C是復常量,k是實常數;包括公式中的因式、因子以及它們之中的各種參數;
             
            第二步:設定配色信息,計算機采用的均是RGB色彩技術,通過設定圖案的起始色和3個基色R、G、B的轉換公式來形成配色方案信息,所述的轉換公式為:cos(x)、log(x)、log(y*y)、log(x/y)、log( log(y*y))、sin( log(d*d))、tg( log(d*d))、sin( log(x*x))和 log(sin(y)),其中d是相鄰兩點間的直線距離,而x、y分別是d在x軸、y軸上的投影;所述的RGB三基色著色范圍 0~255;
             
            第三步:繪制方法,通過確定繪圖算法及其算法參數完成,所述繪圖算法采用逃逸時間算法,逃逸算法是:
            ①給定計算機屏幕代表的迭代區域W,逃逸半徑R及最多迭代次數N,其中逃逸半徑R>0 、迭代次數N>0;
            ②定義逃逸時間函數的公式為:
                      
            ③對迭代區域內的點c,計算T(c);
            ④如果,則;如果,則;
            ⑤根據T(c)、i和k的值及其前一個點的顏色,確定當前點c的顏色。區域中所有點的顏色即構成廣義M-J集的圖案;
             
            第四步:采用繪制圖案的坐標信息為兩個坐標信息,一個是復平面的坐標信息,一個是計算機屏幕上窗口的視圖信息;通過確定矩形框的左下、右上兩個頂點坐標值來定義;最后通過第一步設定數學公式形成的參數信息和第二步設定的配色信息的結合,再通過第三步的繪圖算法信息和第四步制作圖案的兩個坐標信息完成圖形的最終繪制,形成圖案如圖1。
             
             
            圖1 一種廣義M-J集圖案
             
            2.采用分形技術,生成防偽圖形標志,生成圖形的參數經處理后產生條形碼,作為檢測圖形真偽的基本依據,用戶可以掃描條形碼并通過網站再現圖形,以驗證商品包裝的真偽,該網站實現了商品包裝防偽圖案的設計、三維展示、發布、查詢、投訴的閉環管理。圖3展示了網站主頁面及商標檢驗頁面。
             
             
                                                    圖2(a) 分形防偽支持網站                                                 圖2(b) 商品圖標檢驗界面
             
            3.用基于樹結構的遺傳算法,生成立體造型圖案及產品包裝造型,由于包裝造型是利用數學模型及算法派生的,不是先人工設計、再利用計算機再現,因此能產生一些新穎的外觀造型,有利于提高產品的市場競爭力。圖3為生成的立體造型,花紋為分形圖。
             
             
            圖3系統生成的立體造型及花紋分形圖
             
            該研究2008年獲山東省計算機應用優秀成果一等獎,2009年獲山東省科技進步一等獎。獲軟件著作權3項,申請并已公布發明專利3項。
             
            相關鏈接:
            山東師大一項成果獲省科技進步獎一等獎
            http://www.qlshx.sdnu.edu.cn/news_view.asp?newsid=16005
             
            二、近期的研究工作獲得了哪些課題的資助,這些課題在申報的過程中需要注意些什么?您有沒有可供分享的成功經驗?
             
            本研究受到山東省自主創新科技專項項目(項目號:2006ZZ10),是在國家自然科學基金“支持協同創新設計的仿生計算方法研究”(項目號:60743010) 及山東省自然科學基金重點項目“仿生計算模型、算法及其在創新概念設計中的應用研究”(項目號:Z2006G09)的支持下完成的。
             
            課題申報的過程中,最主要的體會是結合社會需求及計算機的特點,選擇一些新的研究方法,這些方法必須新穎但又切實可行。
             
            三、國內外同行在相關領域進展如何?就您掌握的情況請簡要介紹。
             
            商品包裝中采用的防偽技術有上千種,大致可分為兩類:高壁壘防偽技術和信息防偽技術。
             
            ⑴高壁壘防偽技術
             
            高壁壘防偽技術,就是通過科技手段制作防偽標志,讓造假者不能輕易仿造,即使仿造,付出的成本也是很大的,從而使造假者望而卻步。印刷業中比較常用的有紙張防偽技術、油墨防偽技術等。顧名思義,這是一種成本較高的防偽技術。
             
            紙張防偽技術是利用特殊的印刷紙——“防偽紙張”達到防偽目的的技術。防偽紙張是印刷各種證券的物質基礎,是一些采用特殊工藝制造的專用紙,這種防偽紙張主要有水印紙、含防偽嵌入物的防偽紙、超薄低強度防偽紙、揭啟易碎防偽紙、防偽紋理紙等。
             
            油墨防偽技術,是在油墨中加入一些特制的物質,以區別于普通印刷油墨而達到防偽目的的一種特殊油墨。一般有:紫外線激發熒光防偽油墨、光學變色油墨、紅外防偽油墨、磁性防偽油墨、防涂改油墨等。
             
            ⑵信息防偽技術
             
            信息防偽技術是一類借助現代化的網絡通信手段,融合了密碼學和計算機數據庫技術設計開發的防偽系統,它是由互聯網查詢系統和商品包裝上攜帶的信息及使用方法組合構成的。
             
            一般的信息防偽的流程是:標識制作→商品信息存儲→查詢鑒別→結果響應。具體來說,信息防偽技術是指在商品進入流通領域前在商品包裝上設置特定的防偽標識,并根據不同的防偽標識對商品進行編碼并加密,預先隱藏防偽信息,同時建立商品編碼的數據庫的方法。消費者購買商品后,只要按照商品包裝上的說明,借助互聯網及其它通信網絡查詢商品包裝上面的防偽標識,經數據庫核對標識信息后反饋給消費者,立即就會知道商品的真偽。這種防偽技術不需要消費者具備特別的防偽知識或檢驗手段,應用方式極為簡便,若遇假可舉報投訴,進而可以建立即時、社會化的防偽打假信息網絡。
             
            本項目研究的基于分形圖案的防偽技術是一種信息防偽技術,有以下幾個特點:
             
            1. 應用簡便。本研究實現了一種使用便利的防偽技術,分形圖案由計算機軟件系統生成后,再由設計人員做選擇及簡單的修改就可以使用,可由產品生產廠家直接掌握防偽圖案的設計,設計環節較少,識別方法簡單快速,成本低廉,不受商品的具體特征和包裝特性限制,是一種具有普遍性的商品防偽技術,便于跨行業應用推廣;
             
            2. 安全有效。整個信息防偽系統的性能可靠,標識難仿,采用計算機自動完成查詢鑒別,不需要人為干預,快速反應,可防止泄密和作弊;
             
            3. 技術可集成。本防偽技術是通信技術,標志技術及計算機自動識別技術的融合,將多種防偽手段綜合應用,構成多重防偽技術,加大防偽的力度。
             
            四、在研究生培養方面,您有哪些心得?您是如何將課題研究與研究生培養結合起來的?
             
            我指導的研究生,一直參與課題開發,計算機專業的研究生,如果不參加實際的科研項目,閉門造車,一是寫不出好論文來,二是找不著好工作。
             
            我們一直是以課題組的形式完成項目并指導研究生。課題組堅持兩周一次的學術報告會制度:要求進入研究階段的研究生在報告會上圍繞五個問題做報告:(1)在課題中前兩周做了什么工作?(2)得到什么結論?(3)存在什么問題?(4)國內外其他研究人員有什么新的方法解決我們碰到的問題?(5)下兩周準備做什么工作?研究生作完報告之后,我們根據課題的進展情況,給予適當的分析和指導,使研究生進一步理清思路,鍛煉他們對具體科學問題的邏輯分析能力。通過實施定期的學術報告會制度,我們能夠及時了解和把握研究生課題開發的工作進展;研究生則在這種開放式的討論中學會如何思考問題并有效解決問題,達到了增強研究緊迫感、活躍學術氣氛、拓寬研究生知識面的目的。
             
            參加課題的研究生,目前有些在中科院計算所,復旦大學攻讀博士學位,從事科學研究,有些在搜狐等計算機公司從事開發工作,他們都說:參加課題是自己學到了課本上學不到的東西,為自己的今后的發展奠定了良好的基礎。
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