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山东师范大学信息科学与工程学院院长刘弘教授访谈

2017年12月07日 作者:中国科技论文在线 浏览量:11633
近日,中国科技论文在线专访了山东师范大学信息科学与工程学院院长刘弘教授,刘教授就近期所取得的科研成果、国内外同行在相关领域的进展以及研究生培养方面的经验等问题进行了耐心细致的回答。下面是具体的访谈内容。
 
一、请您介绍一下近期正在从事的研究工作及其现实意义。
 
基于分形技术的产品包装及防伪标志创新设计
 
1.什么是分形
 
“分形”一词,由法国数学家曼德布罗特于1973年首次提出。1977年他出版了分形理论的奠基性著作《分形:形态,机遇和维数》,并于5年后出版了《自然界的分形几何学》。这两部著作的问世,标志着分形理论的诞生。
 
曼德布罗特曾经为分形下过两个定义:①满足下式条件:Dim(A) >dim(A)的集合A,称为分形集。其中,Dim (A)为集合A的Hausdoff维数(或分维数),dim (A)为其拓扑维数。一般说来,Dim (A)不是整数,而是分数。②部分与整体以某种形式相似的形,称为分形。有学者给出关于分形特征的描述:
 
①分形集都具有任意小尺度下的比例细节,或者说它具有精细的结构;②分形集具有不规则性,从整体到局部都不能用传统的几何语言来描述,它既不是满足某些条件的点的轨迹,也不是某些简单方程的解集;③分形集具有某种自相似形式,可能是近似的自相似或者统计的自相似,亦即满足标度不变性;④一般情况下,分形集的“分形维数”,严格大于它相应的拓扑维数;⑤在大多数令人感兴趣的情形下,分形集由非常简单的方法定义,具有递归性,可在计算机上以递归的方式生成。
 
国际上关于分形技术生成图形的研究及应用已有20多年的历史。美国理查德•沃斯在计算机上制作的分形山已被IBM公司应用于宣传广告中。在美国,分形明信片和分形广告也在市场上推出,随后又推出了分形年历和分形贺年卡,甚至在青年人穿的T恤衫、街道上的招贴画上也都印上了分形图。在学术界,许多世界性刊物的封面上都出现过分形图案。现在又出现了分形IC卡、分形扑克,以及分形的书面设计等。在我国,分形的研究主要集中在理论研究方面,在分形图的应用方面还处于起步阶段。特别是在工业设计领域,应用十分罕见。但是,由于分形图的变幻莫测,是科学美和意识美的有机结合,其应用有深远的意义及广阔的市场前景。
 
2.商品包装及防伪设
 
商品包装是在人类社会的长期经济生活中逐步形成和发展起来的。随着我国国民经济的不断发展,商品包装在生产、流通和社会生活中的地位和作用日益增长。现代生产中绝大多数产品只有包装后,才算完成其生产过程,能够进入流通和消费领域。在现代市场营销活动中,包装是商品的“无声推销员”,是宣传商品、宣传企业形象的工具,是商品特征的放大镜。因此,良好的商品包装从商品的生产、销售,到人们的生活始终起着重要作用。没有包装,商品无法充分向其设定的消费群体显现出它的魅力,也就无法彻底激发起消费对象的购买欲望,从而有可能失去其存在价值。正因为有了商品包装,才使得商品世界五彩缤纷,活力十足。
 
消费者接触商品首先接触的是包装,商品的防伪因此也首先体现在包装的防伪上,包装防伪的水平高低直接决定商品的防伪性能。产品要实现防伪就必须将包装和防伪相结合。
 
3.基于分形技术的产品包装及防伪图形标志创新设计
 
该项目是山东省自主创新科技专项项目(项目号:2006ZZ10),是在国家自然科学基金“支持协同创新设计的仿生计算方法研究”(项目号:60743010) 及山东省自然科学基金重点项目“仿生计算模型、算法及其在创新概念设计中的应用研究”(项目号:Z2006G09)的理论研究基础上完成的,由山东师范大学信息科学与工程学院承担。
 
项目组在总结国内外学者相关研究成果的基础上,开发了“分形图案设计及三维模型展示系统FDS”和“FDS分形防伪支持网站”。其中,FDS实现了广义M-J集的公式编辑、复迭代分形图案与基于主型曲线分形图的生成与色彩配置、分形图合成、设计图案管理以及商品外包装设计的三维效果展示等功能。而分形防伪支持网站则以防伪图案查询为中心,辅以分形防伪知识普及、FDS软件维护和用户管理等功能。
 
本研究采用的基于分形图案的信息防伪技术有如下特点:
 
①分形图案是由计算机编程实现的,它的奇妙之处就是能把一些看似很简单的数学方程来生成复杂的有很强艺术感的图案,这些图案复杂、美观、富于变化并且更具防伪性能,十分容易分辨。分形图案与数学信息之间是一一对应的关系,通过改变数学信息里的公式和参数可以为包装设计及信息防伪提供无穷无尽的图案来源,而且在制作的数量和速度上要比纹理防伪有优势。
 
②控制分形图案的数学信息非常复杂,例如生成一张Julia集的分形图案所用到的信息多达十多个参数,生成图形的参数经处理后产生条形码,作为检测图形真伪的基本依据。在生成的图形中加入基于主型曲线分形图的特殊线条, 干扰复印机和扫描仪,使其不能准确再现原稿层次,实现双重防伪功能。
 
③分形图案有着很强的艺术性,用它作为防伪标志的同时,这些分形图形状怪异、结构复杂、色彩奇特,给人带来视觉冲击的同时,可以刺激设计人员的创新设计的想象力和灵感。设计出提高市场竞争力的外包装。
 
主要工作为:
 
1.提出并实现了一种广义M-J集图案的制作方法,生成基于主题的分形图案,作为产品外包装使用的印刷图案,实现防伪。(相应的发明专利已经公布)
 
第一步:采用数学公式设定参数信息,其公式是广义M-J集图的复迭代公,其中,f(Z)是sin(Z)、cos(Z)、tg(Z)、ctg(Z)、、和为初等函数的算术运算表达式,表达式中Z是复变量,C是复常量,k是实常数;包括公式中的因式、因子以及它们之中的各种参数;
 
第二步:设定配色信息,计算机采用的均是RGB色彩技术,通过设定图案的起始色和3个基色R、G、B的转换公式来形成配色方案信息,所述的转换公式为: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是相邻两点间的直线距离,而x、y分别是d在x轴、y轴上的投影;所述的RGB三基色着色范围 0~255;
 
第三步:绘制方法,通过确定绘图算法及其算法参数完成,所述绘图算法采用逃逸时间算法,逃逸算法是:
①给定计算机屏幕代表的迭代区域W,逃逸半径R及最多迭代次数N,其中逃逸半径R>0 、迭代次数N>0;
②定义逃逸时间函数的公式为:
          
③对迭代区域内的点c,计算T(c);
④如果,则;如果,则
⑤根据T(c)、i和k的值及其前一个点的颜色,确定当前点c的颜色。区域中所有点的颜色即构成广义M-J集的图案;
 
第四步:采用绘制图案的坐标信息为两个坐标信息,一个是复平面的坐标信息,一个是计算机屏幕上窗口的视图信息;通过确定矩形框的左下、右上两个顶点坐标值来定义;最后通过第一步设定数学公式形成的参数信息和第二步设定的配色信息的结合,再通过第三步的绘图算法信息和第四步制作图案的两个坐标信息完成图形的最终绘制,形成图案如图1。
 
 
图1 一种广义M-J集图案
 
2.采用分形技术,生成防伪图形标志,生成图形的参数经处理后产生条形码,作为检测图形真伪的基本依据,用户可以扫描条形码并通过网站再现图形,以验证商品包装的真伪,该网站实现了商品包装防伪图案的设计、三维展示、发布、查询、投诉的闭环管理。图3展示了网站主页面及商标检验页面。
 
 
                                        图2(a) 分形防伪支持网站                                                 图2(b) 商品图标检验界面
 
3.用基于树结构的遗传算法,生成立体造型图案及产品包装造型,由于包装造型是利用数学模型及算法派生的,不是先人工设计、再利用计算机再现,因此能产生一些新颖的外观造型,有利于提高产品的市场竞争力。图3为生成的立体造型,花纹为分形图。
 
 
图3系统生成的立体造型及花纹分形图
 
该研究2008年获山东省计算机应用优秀成果一等奖,2009年获山东省科技进步一等奖。获软件著作权3项,申请并已公布发明专利3项。
 
相关链接:
山东师大一项成果获省科技进步奖一等奖
http://www.qlshx.sdnu.edu.cn/news_view.asp?newsid=16005
 
二、近期的研究工作获得了哪些课题的资助,这些课题在申报的过程中需要注意些什么?您有没有可供分享的成功经验?
 
本研究受到山东省自主创新科技专项项目(项目号:2006ZZ10),是在国家自然科学基金“支持协同创新设计的仿生计算方法研究”(项目号:60743010) 及山东省自然科学基金重点项目“仿生计算模型、算法及其在创新概念设计中的应用研究”(项目号:Z2006G09)的支持下完成的。
 
课题申报的过程中,最主要的体会是结合社会需求及计算机的特点,选择一些新的研究方法,这些方法必须新颖但又切实可行。
 
三、国内外同行在相关领域进展如何?就您掌握的情况请简要介绍。
 
商品包装中采用的防伪技术有上千种,大致可分为两类:高壁垒防伪技术和信息防伪技术。
 
⑴高壁垒防伪技术
 
高壁垒防伪技术,就是通过科技手段制作防伪标志,让造假者不能轻易仿造,即使仿造,付出的成本也是很大的,从而使造假者望而却步。印刷业中比较常用的有纸张防伪技术、油墨防伪技术等。顾名思义,这是一种成本较高的防伪技术。
 
纸张防伪技术是利用特殊的印刷纸——“防伪纸张”达到防伪目的的技术。防伪纸张是印刷各种证券的物质基础,是一些采用特殊工艺制造的专用纸,这种防伪纸张主要有水印纸、含防伪嵌入物的防伪纸、超薄低强度防伪纸、揭启易碎防伪纸、防伪纹理纸等。
 
油墨防伪技术,是在油墨中加入一些特制的物质,以区别于普通印刷油墨而达到防伪目的的一种特殊油墨。一般有:紫外线激发荧光防伪油墨、光学变色油墨、红外防伪油墨、磁性防伪油墨、防涂改油墨等。
 
⑵信息防伪技术
 
信息防伪技术是一类借助现代化的网络通信手段,融合了密码学和计算机数据库技术设计开发的防伪系统,它是由互联网查询系统和商品包装上携带的信息及使用方法组合构成的。
 
一般的信息防伪的流程是:标识制作→商品信息存储→查询鉴别→结果响应。具体来说,信息防伪技术是指在商品进入流通领域前在商品包装上设置特定的防伪标识,并根据不同的防伪标识对商品进行编码并加密,预先隐藏防伪信息,同时建立商品编码的数据库的方法。消费者购买商品后,只要按照商品包装上的说明,借助互联网及其它通信网络查询商品包装上面的防伪标识,经数据库核对标识信息后反馈给消费者,立即就会知道商品的真伪。这种防伪技术不需要消费者具备特别的防伪知识或检验手段,应用方式极为简便,若遇假可举报投诉,进而可以建立即时、社会化的防伪打假信息网络。
 
本项目研究的基于分形图案的防伪技术是一种信息防伪技术,有以下几个特点:
 
1. 应用简便。本研究实现了一种使用便利的防伪技术,分形图案由计算机软件系统生成后,再由设计人员做选择及简单的修改就可以使用,可由产品生产厂家直接掌握防伪图案的设计,设计环节较少,识别方法简单快速,成本低廉,不受商品的具体特征和包装特性限制,是一种具有普遍性的商品防伪技术,便于跨行业应用推广;
 
2. 安全有效。整个信息防伪系统的性能可靠,标识难仿,采用计算机自动完成查询鉴别,不需要人为干预,快速反应,可防止泄密和作弊;
 
3. 技术可集成。本防伪技术是通信技术,标志技术及计算机自动识别技术的融合,将多种防伪手段综合应用,构成多重防伪技术,加大防伪的力度。
 
四、在研究生培养方面,您有哪些心得?您是如何将课题研究与研究生培养结合起来的?
 
我指导的研究生,一直参与课题开发,计算机专业的研究生,如果不参加实际的科研项目,闭门造车,一是写不出好论文来,二是找不着好工作。
 
我们一直是以课题组的形式完成项目并指导研究生。课题组坚持两周一次的学术报告会制度:要求进入研究阶段的研究生在报告会上围绕五个问题做报告:(1)在课题中前两周做了什么工作?(2)得到什么结论?(3)存在什么问题?(4)国内外其他研究人员有什么新的方法解决我们碰到的问题?(5)下两周准备做什么工作?研究生作完报告之后,我们根据课题的进展情况,给予适当的分析和指导,使研究生进一步理清思路,锻炼他们对具体科学问题的逻辑分析能力。通过实施定期的学术报告会制度,我们能够及时了解和把握研究生课题开发的工作进展;研究生则在这种开放式的讨论中学会如何思考问题并有效解决问题,达到了增强研究紧迫感、活跃学术气氛、拓宽研究生知识面的目的。
 
参加课题的研究生,目前有些在中科院计算所,复旦大学攻读博士学位,从事科学研究,有些在搜狐等计算机公司从事开发工作,他们都说:参加课题是自己学到了课本上学不到的东西,为自己的今后的发展奠定了良好的基础。