中國圖碼：一項顛覆性的信息碼技術
中國圖碼：一項顛覆性的信息碼技術
這是一項創(chuàng)新性的基礎理論研究成果，有可能導致技術領域的重大突破。由幾何算法帶來幾何編碼與圖碼時代，或將帶來21世紀一項具有新成長性的通用信息技術革命！——中國科學院張景中院士
1974年，美國人塞爾沃和伍德蘭德發(fā)明了條形碼，1994年，日本人原昌宏發(fā)明了二維碼，這兩項技術的商業(yè)化很快就在全球推廣普及開來。目前全球每天掃碼次數超過100億次，人類社會已深度進入數碼時代。萬物皆有碼，隨著5G物聯(lián)網技術的不斷成熟，未來整個世界將演變成漂浮在數字海洋中的“港陸碼頭”。
2014年，一項稱之為“圖碼”或“非線性二維碼”的信息碼技術橫空出世，在信息技術領域引起了較大關注。圖碼被有關專家譽為“一項顛覆性的信息碼技術”。這項新技術跟傳統(tǒng)信息碼技術最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)技術都是采用0、1二進位制數字來編碼儲存信息，因此稱作“數碼”或“數字編碼”，而圖碼技術采用幾何結構單元來編碼儲存信息，因此稱作“圖碼”或“幾何編碼”。條形碼和二維碼都是線性編碼，它們結構上等價于數字碼，而圖碼是非線性結構上編碼存儲，它具備許多數字碼沒有的技術特征。簡單說，圖碼跟數碼的比較優(yōu)勢在于：由于摩爾定律的限制，數碼技術已經快達到其物理極限，非數字化信息處理技術成為當今一個前沿研究領域，而幾何化編碼是最有希望獲得重大突破的一個研究方向。圖碼是國內首個真正能夠做到大規(guī)模市場推廣的幾何化編碼技術，應用領域和發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
近日，記者隨中央黨校民營企業(yè)參與重大科技創(chuàng)新的策略與路徑研究課題組一行，實地考察了位于鹽城的江蘇圖碼信息科技有限公司，并與圖碼技術發(fā)明人、公司董事長王同超進行了深入探討交流。這一新技術的誕生居然是源于他探索宇宙真理的哲學思考。
圖為王同超正在演示圖碼的電腦操作生成
仰望星空的新幾何學發(fā)明者
我們從古希臘兩個科學公案講起。人類最早的數學是起源于計數和測量，后來就形成了算術和幾何這兩大獨立的數學分支，數學研究的對象就是事物的數和形，也就是事物的數值計算和幾何證明。到古希臘時代，關于世界的本源究竟是什么，哲學家提出了兩種觀點：一種觀點是畢達哥拉斯提出來的，認為世界本源是數；另一種觀點是柏拉圖提出來的，認為世界本源是形，他設想宇宙萬物是由正四面體、正立方體、正八面體、正十二面體和正二十面體組成的，分別代表“火”、“土”、“氣”、“以太”、“水”這五種元素。不過古希臘人自己卻發(fā)現，數是離散的，而形是連續(xù)的，數和形彼此矛盾，有些連續(xù)的幾何量無法用數值關系來表示。數和形的矛盾貫穿了整個數學史。
王同超出生于鹽城一個普通的職工家庭。讀中學時，受物理老師的影響，迷戀上了科學，看了許多科普書，便立志成為一位科學家，到高中畢業(yè)時，他自己就能看一些量子力學和高等數學的教科書了。青少年時代，是一個人思想形成的關鍵時期。他很早就開始思考“世界的本源是什么”這類哲學問題。有一天夏夜，他躺在草地上，望著滿天繁星，突然想到：自己躺著不動，但其實跟著地球在公轉和自轉，而太陽帶著地球又圍繞著銀河系在高速運轉，自己只是浩瀚宇宙中的一個點，但自己這個點，又是一個具有多重復雜運動的動點，而一個動點的運動軌跡，其實包含了多維運動信息，能反映出宇宙運行的基本規(guī)律。這是他形成“動態(tài)幾何”的思想萌芽，真有點“坐地日行八萬里，巡天遙看一千河”的意思。
后來，王同超報考了函授軟件編程專業(yè)，在上海師范大學讀了一年，拿到了高級軟件工程師資質，又讀了中國人民大學的工商管理專業(yè)。畢業(yè)后，他先后自己經營了教具廠，又因會搞教學教具的發(fā)明創(chuàng)造，就被市科協(xié)聘為科教專家組高級導師，負責青少年科技創(chuàng)新競賽活動。業(yè)余時間，他把全部精力放在了“動態(tài)幾何”的研究上，而且這一研究就是十幾年。在漫長的研究過程中，還發(fā)生了一段小插曲。2005年，王同超利用“動態(tài)幾何”的方法，發(fā)明了一套“無心繪圓”教學軟件，沒想到大獲成功，在全省推廣，培訓了30多萬名學生，并獲科技教育發(fā)明省一等獎、全國三等獎。這一下子他就在市科教系統(tǒng)內聲名鵲起，更堅定了自己搞“動態(tài)幾何”研究的決心。
從哲學走向數學，這條科學探索之路前后整整走了將近20年。2008年，王同超出版了專著《動態(tài)幾何與數的圖模（圖碼技術）》，提出了一套將數字和圖形一一對應起來的幾何編碼方法，并通過編程，在電腦上生成了整數和有理數的圖模（圖形），這種數學方法就足以用來精確處理二維圖形，來儲存信息，并創(chuàng)建了用幾何結構編碼和顏色來存儲信息數據的電腦操作生成器，這就是圖碼技術的基礎工具。利用動態(tài)幾何的方法，生成的實數圖模越多，就有更多的數形來儲存信息。他還從中發(fā)現了素數圖模，具有最致密的結構，在同位數中素數結構總是有最大存儲容量，這使得素數的形體有了信息承載用具的重要優(yōu)勢。這是一個驚人的數學發(fā)現。數字是用來編碼和計算的，當數字轉成形體后，又增加了存儲信息的載具功能。
王同超在書中提出了一個重要的假設：一個實數都有一個圖模，一個是數的量，一個是數的形，兩者一一對應，共同組成“實全數”，它是數的數值和數形的完美結合。如果這個假設成立，那么數和形之間的矛盾就消除了，任何數都有一個形體，數的形體也都對應著自己的量，萬物既是數也是形，數學體系從此就完美了。也就是說，對信息進行編碼，數碼和圖碼是等價的，但兩種編碼方式各具優(yōu)勢，相得益彰。
在調研時，王同超親自在電腦上給我們演示了數字變成圖形的彩繪過程，當你看到某個熟悉的數字變成鏈條、網格、圓盤、花瓣等各式各樣絢麗圖案時，不由得感嘆數是有神奇的自然之美。王同超還用“無心繪圓”的例子，給我們這些外行講解了究竟什么是“動態(tài)幾何”。他說，如果不參照圓心，從動點的觀點來看，圓就是這個動點沿曲切線方向的均速運動，再加上自身法線方向加速和自轉，這三個維度的運動疊加在一個動體上，其運動軌跡就是一個圓跡。說白了，“動態(tài)幾何”就是把動點所有維度的運動軌跡，按時空法則及呈現序列，疊加起來而得到的圖形。數字也可以看作是動點按照一定的運動規(guī)則而形成的運動軌跡，所以在計算機里，一個數字都有一個對應的數模。當計算機編程能把數字的形狀都生成出來，數和形就成為了不可分割的整體，王同超認為這種“完整的數”，才是宇宙萬物的本源。數字具有形體這一發(fā)現，將數與形實現無縫對接，在原理上不需要編碼轉譯，這對計算機編程來說意義重大。在《動態(tài)幾何與數的圖模（圖碼技術）》專著出版審稿時，受到了江蘇省數學學會秘書長鄭維行教授的支持與高度評價。
萬物皆數，萬物也皆有形，數形同源。王同超認為：“人類信息技術才做了一半，數字編碼是一半，幾何編碼是另一半。”對新一代信息技術探索來說，這種理論視野是非常深刻的，也代表了未來計算機技術發(fā)展的主流方向。由動態(tài)幾何和數形的幾何算法，轉化到圖碼的理論方法和技術方案，這項技術轉化無疑走出了從0到1這關鍵性的一步，它不僅在理論上具有極強原創(chuàng)性和開創(chuàng)性，在工程技術上也具有廣闊的應用前景和巨大的市場潛力。中國科學院張景中院士評價這是一項創(chuàng)新性的基礎理論研究成果，有可能導致技術領域的重大突破。由數字算法帶來了數字編碼與數碼時代，這是20世紀最偉大的科技革命。而由幾何算法帶來幾何編碼與圖碼時代，或將帶來21世紀一項具有新成長性的通用信息技術革命！
圖為圖碼產品推介會
破解防偽追溯難題，全面換代二維碼
專著出版后，王同超面臨著一個選擇：“動態(tài)幾何及圖碼技術”這一新理論新技術，究竟是寫成學術論文去發(fā)表，還是開發(fā)出產品去創(chuàng)業(yè)？這是兩條完全不同的道路。他一時也難以抉擇。見過一位科技局領導，鼓勵他說：你發(fā)明了一個重要的數學方法，如果能把它轉化成工具或產品，這個意義比寫篇論文更重大；要是產品能推動人類文明進步，那意義就更偉大。這番話使他下定了創(chuàng)業(yè)的決心。
2014年10月，在市科技局和園區(qū)的支持下，王同超成立了江蘇圖碼信息科技有限公司，后被評為國家高新技術企業(yè)、江蘇省軟件核心競爭力企業(yè)。他經營教具廠多年，對辦企業(yè)、做銷售并不陌生，但他把前期工作的重點放到了技術研發(fā)上，陸續(xù)開發(fā)新技術產品，并申報了20項國內專利和5項國際專利，以及軟件著作等知識產權達百項，完成了公司可持續(xù)發(fā)展必需的技術儲備。同時，他利用自己多年積累的市場資源，開發(fā)出圖碼追溯管理系統(tǒng)、證書驗證管理系統(tǒng)、學生成長信息與教務管理系統(tǒng)，先在市內各大中小學推廣普及，后又擴展到省內其它地區(qū)，效益可觀，實現了公司的滾動式發(fā)展。公司還采取了定制式市場銷售模式，陸續(xù)為全國各地的客戶開發(fā)出名片碼、證書碼、商標碼、防偽追溯碼、網站門戶碼、管理智慧碼等定制化產品；智慧碼操作系統(tǒng)、圖碼網門戶平臺、圖碼工廠網上生產平臺，是近期完成的產業(yè)化平臺。目前，公司研制出二十大類的數十種碼品應用，可滿足各行各業(yè)的用碼、掃碼需求。王同超自信地說：經過這些年的技術積累，公司已經做好大干快干大發(fā)展的充分準備。
但王同超也承認，目前圖碼產品的市場推廣并未達到預期的效果，主要是大家都已習慣了條形碼和二維碼，二維碼在市場上已占據絕對主流，人們要接受并換用圖碼尚需時日。不過他強調，圖碼全面爆發(fā)應用到市場上是遲早的事，因為圖碼技術比二維碼技術要高出幾個量級，尤其是對碼本身的統(tǒng)一追溯和安全監(jiān)管上。接著他又給我們講起了圖碼的幾個主要優(yōu)勢：
第一,圖碼是直接用肉眼識別的信息碼，看到圖碼就如看到碼主人，譬如商標、logo等，二維碼是不可識別的固定形狀黑白點集合。所以，圖碼的樣式遠比二維碼豐富，做出對象標志一致的信息碼。
第二,二維碼的成碼與解碼，全都開源了，誰都可以生成使用，其可靠性、安全性都非常低，重碼問題現在也越來越嚴重。像防疫碼、健康碼、場所碼，之所以冒出來這么多問題，主要就是重碼和仿冒導致的。而且，二維碼的技術系統(tǒng)是日本人創(chuàng)建的，我們下載就用，或在人家內核碼基礎上加些代碼做點調整，但核心代碼和算法全是人家封裝的，所以傳統(tǒng)二維碼的主權不是我們的，信息安全性非常差。圖碼就完全相反，這項技術沒有開源，所有碼均由圖碼生成平臺統(tǒng)一生產并統(tǒng)一管理，安全系數極高。
第三,圖碼最大的優(yōu)勢在于，它完全破解了對信息碼本身防偽追溯的技術難題，這是二維碼不能比擬的，我們對常用的二維碼沒有追溯監(jiān)管系統(tǒng)，二維碼本身不能被追溯，用其追溯人或物品，是件滑頭事。道理非常簡單，每個圖碼都有一個幾何密鑰碼，這個密鑰碼是天然的隨機的，來自圖碼原型結構，并內置在圖碼內部的，有了這個天然的密鑰，我們就能對圖碼本身進行監(jiān)管和遠程控制了，而驗證圖碼的密鑰碼，一般就封存在后臺信息數據庫中，只有碼主本人才知道，外人不知道這個密鑰，就無法實現內仿。如果外人仿制了你的圖碼，他不知道密鑰，就無法登陸后臺確認，只要掃讀，這個仿碼就會被后臺抓獲，從而實現對信息碼本身直接監(jiān)管、追溯防偽的目的。
王同超給我們展示了圖碼防偽溯源的操作。當用手機掃讀有問題的圖碼時，就會出現兩種提示音：一種是“所購為贗品”，這就可以確定買到假貨了；另一種是“所購已驗證多次”，并會出現驗證的次數和首次驗證的時間，此時就需要仔細來查看貨物的真?zhèn)瘟恕Ｋ袙咦x的結果都會反饋到后臺，協(xié)助廠家打假溯源。這番操作下來，引起了課題組的極大興趣。王同超介紹說：圖碼可以實現全系統(tǒng)防偽溯源，徹底解決假冒偽劣產品鑒別問題。二維碼因為區(qū)分不了真碼和偽碼，所以也鑒別不出真品和偽品。圖碼是一個升級版的安全信息碼，它本身就是一個微區(qū)塊鏈。這是目前的二維碼無法實現的。
“我們爭取在5-10年內，實現圖碼全面換代二維碼的重要應用場景，這將是一個萬億級的大市場。”王同超這句話說得非常堅定，像一位指揮員正在發(fā)布作戰(zhàn)令，給課題組每一位都留下了深刻印象。
圖為圖碼創(chuàng)意設計大賽
構建新一代信息碼技術的底層系統(tǒng)
在參觀圖碼技術研究中心時，王同超向課題組介紹了未來圖碼產業(yè)發(fā)展的設想。全面升級二維碼，只是圖碼第一層應用設計的目標，這項技術實現了載信二維圖形和數碼之間的精確匹配。圖碼技術本身還在不斷迭代升級，目前第二層圖碼應用設計已近于完成，它比第一層應用的基礎部分要多五倍的工作面，并將帶來更為豐富的高維幾何碼形態(tài)。最新開發(fā)的圖碼立體碼產品及技術系統(tǒng)，兩項發(fā)明專利都已經授權，這項圖碼新產品新技術將從根本上解決工業(yè)品定制和工業(yè)4.0大規(guī)模生產關于產品的身份問題。經過近十年的研發(fā)，圖碼已從一維非線性存儲升級到平面編碼存儲，正在從二維結構編碼升級到三維立體編碼，理論上，還可繼續(xù)生成四維時空動態(tài)編碼，甚至更高維度的信息體產品，其開發(fā)潛力幾乎是深不可測的。圖碼符合未來信息技術發(fā)展的趨勢，可廣泛與區(qū)塊鏈、元宇宙和人工智能等最前沿科技融合，開創(chuàng)信息深度應用領域。
談到未來信息技術的發(fā)展，王同超提出了一個比較超前的想法。他說，最近2nm芯片研制成功，這已經達到了數碼技術的物理極限，未來信息碼技術的重要方向是幾何碼。目前信息碼技術的底層系統(tǒng)仍是數字碼，而新一代底層系統(tǒng)的構建將是數字碼和幾何碼的混編。但由于缺乏基礎理論的指導，幾何編碼的研發(fā)在國際上一直都是個難題，成功實現量產的幾何碼產品也寥寥無幾。建立在動態(tài)幾何上的圖碼技術，可以說是一“碼”當先，開啟了從數字碼到幾何碼的歷史性轉折，它不僅是一項顛覆性的信息碼技術，甚至可能改變整個信息技術發(fā)展的方向。王同超告訴課題組，目前公司正在跟阿里云、中國網絡空間安全協(xié)會，開展業(yè)務活動，加快新技術的迭代升級，最終目標是要構建新一代信息碼技術的底層系統(tǒng)，將未來信息技術發(fā)展的主動權牢牢掌握在中國人自己手里。這無疑是一個極其宏偉的企業(yè)發(fā)展愿景。
通過實地調研考察，課題組一致認為：圖碼是一項具有原創(chuàng)理論的核心技術，它完全可以成長為未來新一代信息碼的通用技術，在當前加快建設國內統(tǒng)一市場的大背景下，這項新技術無疑對國家信息安全與產業(yè)經濟安全發(fā)展，都具有重大意義。但理論再好，技術再先進，都必須放到市場上去淬煉實踐，去自我實現。課題組建議：現階段是圖碼發(fā)展的關鍵期，要加大宣傳力度，讓更多人了解圖碼，關注圖碼，同時也要做好頂層商業(yè)設計，聚焦防偽溯源這個最具技術優(yōu)勢的產業(yè)領域，集中力量來做幾個大項目、大客戶，一舉解決公司“起飛”階段的市場瓶頸難題。等時機成熟，公司再引入戰(zhàn)略投資者，并積極參與有關信息碼國家標準的制定工作，推動形成圖碼產業(yè)大發(fā)展的格局。
圖為王同超在給課題組做講解
課題組對王同超董事長的創(chuàng)業(yè)思想表示贊同。中國科技創(chuàng)新必須依靠一線的科研工作者和企業(yè)家，他們才是最具創(chuàng)新意識的市場主體。真正偉大的產品都是從市場上拼殺出來的，而不是在PPT上規(guī)劃設計出來的。經濟學大師熊彼特有個著名觀點：“創(chuàng)新應當是企業(yè)家的主要特征”。而所謂創(chuàng)新，就是把各種生產要素創(chuàng)造性地組合起來，不單單只是技術要素。圖碼必須盡快把自己的技術優(yōu)勢轉化成市場優(yōu)勢，在新一輪科技革命和產業(yè)變革即將到來之際，扎穩(wěn)腳跟，行穩(wěn)致遠，穩(wěn)健成長為全球信息碼技術的領軍企業(yè)。 （來源：和通社《亞洲新聞周刊》、《亞洲經濟導刊》∕呂陳君，編輯劉聞益）
