时间：2023-09-18 17:02:01
绪论：在寻找写作灵感吗？爱发表网为您精选了8篇航空航天发展方向，愿这些内容能够启迪您的思维，激发您的创作热情，欢迎您的阅读与分享！
【关键词】河北省廊坊市 航天战略 新兴产业
【中图分类号】F276.44 【文献标识码】A
我国社会主义现代化建设，经过改革开放多年努力，已经取得了重要实质性成果，尤其表现在我国社会经济快速增长。但是，随着全球经济和金融一体化趋势不断深入，我国各项产业正面临着严峻考验，2008年金融危机以来，国民生产总值和贸易出口额获得了进一步增加，这一结果主要还是以高额资源消费为代价。世界各国都更加关注高新科学技术和构建未来可持续发展的制高点，如何构建符合我国国情的产业结构和培植具有核心竞争力的新产业，已经成为国家宏观政策制定的主要方向和学术界研究的一个热点问题。
2012年，我国出台关于《“十二五”战略性新兴产业发展规划》，更加明确我国着力发展新兴产业的相关政策和指导方针，由于航天产业从自身建设和功能性外延等特征，更加成为我国战略新兴产业发展的关键性支撑石。2011年，河北省政府与中国航天科技集团公司签署区域地方和航天产业系统发展战略框架协议，在“十二五”期间，共同促进河北省社会经济和航天产协同发展，主要包括：运载火箭制造及实验、战略性新兴产业等五个主要内容。而廊坊市在河北省具有得天独厚的位置优势，廊坊航天战略新兴产业建设，对于我国航天工业可持续发展、京津航天产业的拓展和延伸、地方传统产业调整和产业结构全面系统升级都有着关键性的实践性理论意义。
航天战略性新兴产业是基于高新技术和新兴产业相互融合，代表着我国科技创新和产业发展方向，近年来，河北省在推进产业结构调整和突出新兴战略产业方面，推出了一系列具有导向性政策措施，而这些实践性政策性策略，对于航天战略新兴产业长足进步起到关键性作用，并且取得一定的成效。但是不可回避的是，河北省产业调整和战略产业培育过程中，受到理论和经验等多维度影响，以及实际客观条件局部限制，产生很多新问题。
河北省航天产业发展的必要性
航天产业发展将会直接带动一系列战略新兴产业培育和学科技术的融合式发展，我国经过几十年的航天工业的探索和建设，已经构建出我国航天产业体系结构，并且航天产业的发展迈入了一个新发展阶段和历史时期。
航天产业具有重要的战略导向性。航天产业的发展直接关系到我国高端装备制造建设和发展，是我国众多行业中具有高新科学技术应用产业之一，同时对于我国企业产业发展，起到战略导向性作用。①航天产业技术创新和应用，对于我国社会经济的发展起着重要的技术支撑和推进性作用效果，在提升我国人民生活质量、国际地位和综合国力方面，更加强调其战略性影响意义，一方面代表着我国在国际航天发展领域地位，另一方面也能够表示我国核心国防实力。例如美国航天协会关于航空航天技术的相关说明，②即该技术是否领先于世界水平，直接关系到国家各个方面战略性安危，发展航空航天技术是现在乃至未来长期投入和建设国家安全战略。可见，航天产业在我国社会经济和军事中占据核心地位，河北省航天战略性新兴产业建设，将会直接关系到我国航天产业整体规划和可持续发展。
航天产业的技术多样性和链条可扩性。航天产业建设和发展具有战略现代性作用，主要体现在航天产业技术的构成技术多样性和链条可扩展性，一是技术多样性，航空航天产品制造和生产是一项高精端、多学科技术融合而成，从某种程度上讲，航空航天产业发展水平能够直接代表我国先进科学生产力的基础建设情况。由于航天产品生产工艺的复杂性要求，制造生产需要在特定环境下完成，涉及多个学科和技术领域的协调配合，例如要求航空航天材料具有高可靠性新材料、新工艺和新技术，这也能够进一步说明航天产业在我国各产业领域前瞻性地位。同时技术多样性还体现在，生产航天产品需要小批量和多零件构成，这也要求在加工工艺选择和技术上，呈现出明显柔性生产力。二是链条可扩性，据有关部门相关数据统计，③航天战略新兴产业发展带动我国80%的新材料研发，促进多产业链条企业之间融合式发展，技术能够直接提升企业核心市场竞争力，能够更加有效促进其他产业结构的有效调整。未来10年，一个航天项目与产业效益的比值为1：180，推进国民生产总值增长值为 0.714%。
河北省航天产业发展存在的问题
河北省在航天性战略产业培育和发展方面，具有独特发展优势。一是区域位置属于京津经济的三角区域，符合产业延伸和资源互相渗透互补的要求，河北省航天产业的发展，将带动区域多元新兴产业发展，并且能够具有影响和被影响的区域经济发展优势；二是河北省的产业优势，2012年底，河北省物流产业呈现出快速增长趋势，同比2011年增加23.4%，物流产业已经成为河北省现代服务性的优势性产业，这也为航天战略新兴产业全国协同发展，提供重要基础性保障，同时河北省在推动我国“十二五”新兴产业方面，具有明显的发展成果，尤其是先进制造、新材料和高科技电子信息技术等；三是河北省航天产业政策性优势，主要体现在“十二五”纲要中明确指出进一步促进和实现河北省沿海地区发展，这也为河北省航天产业发展，提供上层政策性保证。由于河北省航天产业建设过程中基本无样本参照，属于探索性发展模式，目前，河北省航天产业发展的过程中，依然存在两个重要问题。
航天战略新兴产业集群模式偏低。从国家统计据的相关数据分析可知，④河北省是我国一个重要经济型大省，但是从河北省国内生产总值产业分布情况看，不属于一个以新兴产业为主导经济强省。主要体现在河北省的基础性还是以粗放式、高资源消耗为主的，例如钢铁等传统产业，企业规模虽有所增加，但是系统化归类集成程度不明显，低水平生产现象还很明显，这也是河北省产业发展过程中一个基础性问题。河北省航天产业有其自身特有发展模式，航天战略性新兴产业需要从布局上，充分考虑集中性，并通过相应产业集群模式，进行统筹式发展，构建出航天产业企业之间协调、多赢和技术互补促进融合的创新发展模式，并积极带动与之相关辅产业发展，初步形成以廊坊市为主的新兴航天产业集群，而对比河北省其他产业来说，还是属于较小规模产业集群，并且还需要进一步完善系统框架上的组织协调发展，形成航天战略新兴产业的协同发展机制，形成大产业链条下的规模性循环经济，从而形成以河北廊坊为中心的航天产业集群基地。
缺失高新核心支持性技术。全球范围内已经掀起了新一轮航空航天产业发展新时期，我国航空航天产业虽然在一些关键性技术领域，例如载人和火箭技术，已经达到国际航空航天的世界领先技术，但是从整个航天产业发展上，却具有明显的缺点和不足，主要体现在两个方面：一是航天产业原始创新能力还存在着明显的差距性，尤其是一些关键性核心支撑技术，不能满足我国社会经济发展要求，例如民用和军用飞机在我国社会生产生活中需求量急剧增加，而我国大型航空工业，还承接一些国外外包业务，严重影响航空科技技术创新资源。同时航天产业相关技术研发过多关注于数量而不是质量，2012年航天制造产业的申请专利数达到908件，但是具有整个行业高新技术比例不足2%，美国申请8654项，核心技术占26%，这一数据显示，我国航天产业原始创新能力和驱动力存在着较为严重问题，这也是河北省航天战略新兴产业发展的一个关键性问题。二是创新体制上存在着一定问题，尤其是在航天产业高新技术研发和市场结合方面的问题，河北省政府与中国航天科技集团具有战略性协同发展关系，在航天战略新兴产业发展过程中，已经感觉到中国航天科技集团具有明显的计划经济体制形态，企业之间管理上还存在行政领导关系，各个企业的自主经营权受到了重要限制，这也是导致原始创新动力不足的一个重要原因，同时，中航集团强调科研是主要，直接影响科研成果的市场性技术转化，导致与河北省航天战略新兴产业发展中的资源浪费和技术搁置情况，这也是河北省以及廊坊市航天战略新兴产业发展过程中的一个关键性抑制性问题。
促进航天战略性新兴产业发展的对策和建议
河北省航天产业发展是一项多技术、多企业相互融合，协同发展的高新技术产业模式，在河北省产业结构调整和新兴产业配置中，具有特殊的重要作用和意义。
地处京津两大城市之间的廊坊市其地理位置优越，并且具有较好的航天产业发展基础和条件，已建成的固安航天科技城正在成为对接北京、借势发展的契合点，预计在未来几年，固安航天科技城将形成航天技术研发、应用、服务一条龙的完整产业链，抢占战略性新兴产业发展的制高点。此外，廊坊市还拥有较好的科学研究平台，“河北省航天产业发展软科学研究基地”和“河北省航天遥感信息处理与应用协同创新中心”均设在廊坊市北华航天工业学院，这将为我省航天产业发展提供高质量的研究成果。在我国“十二五”规划的指导推动下，廊坊市航天产业必然会成为河北省社会经济发展的新的增长点。因此，在促进河北省及廊坊市航天战略新兴产业发展过程中，可以以廊坊市航天产业发展为着眼点，集中一切优势资源，制定符合区域经济发展可行性政策引导和支持，完善航天产业链条发展支持性渠道，运用多维度协同共进机制和手段，加大培养和促进航天战略性新兴产业发展。具体建议及对策如下：
促进廊坊航天产业集群模式和产业链条协同创新。航天产业自身特点是一个大型复杂、多技术、多产业组合，要实现国家航天战略创新导向目标，不断创造和提升航天战略新兴产业发展增长点，就要更加关注和强调航天产业集群模式合理化构建和产业链条中各个相互企业之间协同创新能力。廊坊市航天战略性新兴产业可持续发展，需要产业系统良好外界政策性环境和产业链条中各个企业创新，两者直接相互协调，直接影响航天产业发展实质性效率，也制约着航天产业价值链条各企业均衡性发展。因此，河北省及廊坊市航天新兴产业发展，就要不断完善和优化航天产业各企业外部发展环境，即给予政策性的引导和税收支持，构建出符合产业发展航天产业链条各个企业协同创新和共生平台，加大对于产业关键性核心共性产业技术研发突破，作为其他产业发展的技术导向和配套支持，从而更好服务于河北省传统产业结构转型和新兴战略产业发展。
实现廊坊特色航天产业核心技术创新。河北省航天战略新兴产业发展要充分和依靠自身，地理、科研和政策性优势，强调和突出以廊坊市为产业中心，支持和培养企业核心技术发展。核心技术企业发展是航天产业链条中心脏组成部门，直接代表着航天产业专业化和高信息技术性，这也直接需要政府政策性导向和引入社会资本进行长期可持续建设和发展。例如，国际上航天产业的一些核心技术都是由寡头企业垄断，由于利益驱使，其更加注重核心技术保护，使得其他国家难以获取。而我国在掌握航天产业关键技术中，具有较好产业发展优势，核心技术研究就是要依靠企业原创性，要耐得住长期投入和风险，建议河北省构建出航天产业核心技术创新保障平台，增加航天产业核心技术研发抗风险能力，关注国外航天同类技术反向工程求解、结合我国本土技术，进行核心技术再创新。在实现以河北省廊坊市为代表的航天产业核心技术创新的过程中，要始终明确两个支持问题：一是结合国内外航天产业发展新形势，解决关键性技术核心问题，以点盖面，充分把握住航天产业发展必要性和特殊性，建立廊坊市航天战略新兴产业良性发展合理化机制，形成一种产业优势发展稳定环境。二是以中央国企混合制改革为背景，不断整合河北省航天战略新兴产业链条，推进航天产业军用和民用相结合模式，更好地实现航天产业研发性向服务性模式转化，促进河北省及廊坊市区域社会经济航天新兴产业和其他产业的联动协调发展。
结语
航天战略性新兴产业的可持续发展，直接关系到我国社会经济发展和国际地位，航天产业发展的必要性，主要体现在航天产业具有先天的战略导向性和航天产业的技术多样性和链条可扩性，战略导向性是航天产业发展的必要前提，而产业技术多样性和链条可扩性是航天产业推进自身和促进其他产业建设的着眼点，可见构建我国大战略背景下的航天产业航母，促进河北省航天战略新兴产业发展具有现实客观需求。河北省在产业结构调整和培育新兴战略产业上，具有更加突出的京津翼黄金三角区地域优势、更加完备的产业配套服务保障体系和航天战略新兴产业发展的政策性扶持导向优势。
近几年，河北省航天战略性产业发展取得一定成绩的同时，也暴露出一些明显不足和问题，主要是航天战略新兴产业集群模式偏低和缺失高新核心支持性技术，而产业集群模式是航天战略新兴产业价值链条协同发展的保障性措施，高新核心技术支持是航天战略性新兴产业发展基础，也是推进河北省其他产业模式创新发展推动力。对于当前所存在的问题，文中建设性提出促进航天战略性新兴产业发展的对策和建议，主要包括，航天产业集群模式和产业链条的协同创新，及河北省具有特色航天产业核心技术创新。河北省航天战略产业发展需要来自各方面的多维度创新，只有创新才能走出一条符合我国实际情况的航天产业发展之路。我国航天战略新兴产业发展，是一项理论和实践反复结合的工作，需要更多机构和学者，进行系统性和关键问题研究，希望笔者文章关于河北省廊坊市航天战略性新兴产业发展问题探究，能起到抛砖引玉之作用，更加有利于航天战略新兴产业可持续发展的进一步探讨和研究。
（作者单位：北华航天工业学院；本文系2013年度北华航天工业学院科研基金项目“加速廊坊战略性新兴高端产业发展，助推绿色崛起”阶段性成果并受“河北省航天产业发展软科学研究基地”资助，项目编号：KY―2013―24）
【注释】
①傅培瑜：《我国战略性新兴产业发展的研究》，东北财经大学硕士学位论文，2010年，第6～9页。
②张春玲：“加快培育我国战略性新兴产业的对策研究“，《生态经济》，2013年第3期，第30页。
③王新新：“战略性新兴产业的培育与发展策略研究“，《生产力研究》，2011年第8期，第155～157页。
发令枪已响，一场空天领域的竞赛正在激烈上演。近日，欧洲航天局宣布重返月球计划，将建造首个月球永久性基地，美国宇航局2016年则瞄准太空旅行和深空探测，实施一系列火星计划，并计划于2030年实现宇航员登陆火星的目标。各大国动作频频，剑指苍穹，那么作为军事强国的俄罗斯有着怎样的举动和战略考量呢？在这场激烈的角逐中，俄罗斯空天力量体系的实力又到底如何呢？ 俄罗斯空天领域既有优势
作为老牌世界军事强国，俄罗斯的航天实力不容小觑。在苏联的光环下，俄罗斯航天业有着得天独厚的既有条件，使得其在诸多航天领域独具优势。
航天基础设施体系完善 莫斯科郊外的航天中心内，用于宇航员模拟太空练习的离心机正在工作。
20世纪美苏的“星球大战”推进了苏联航天业的快速发展，催生了强大完善的航天力量体系。苏联解体后，俄罗斯继承了苏联85%以上的航天工业，这使得俄在航空航天领域的起点较高，起步较快。诸如航天与导弹工业的科研机构、空天武器装备的生产制造单位、航天器的发射及监测基地等一整套完整的基础设施体系为俄罗斯航天业的发展铺平了道路。
空天核心技术较为成熟 1961年4月12日，苏联航天员尤里・加加林搭乘“东方”号载人航天飞船遨游太空，书写了人类探索太空的新篇章。苏联时期的叱咤雄风并未随苏联的解体而消散，其领先的核心技术在俄得以继承。目前，在运载火箭、反导武器方面，俄可以说独领。自1995年以来，美国军方一直使用俄制RD-180火箭发动机来发射军事和间谍卫星。迄今为止，“质子”-M大型运载火箭也运载了50多颗美国商用卫星。另外，俄正在发展的S-500防空反导系统，可拦截500千米外以5千米/秒速度高速飞行的弹道导弹或战略弹道导弹，以及大气层外的各种高速飞行器，其整体作战效能远远超过全球任何一种现役的防空系统。 追梦路上困难重重
虽然俄罗斯在空天领域占有一定优势，但较苏联来说，却一直在走下坡路，体制机制上的诟病积重难返，基础设施上的损耗也日益严重，这无形中给俄航天业的发展增加了巨大的阻力。
资金不足成为“拖油瓶” 此前，俄总统普京曾痛心疾首地指出，俄航天事业有沦为“航天马车夫”的危险。现在看来，这种形势依然不容乐观。从俄罗斯航天集团公司在2016年1月公布的2016～2025年俄联邦航天计划草案来看，俄未来10年的航天预算将比此前计划大幅缩水。受国际经济形势低迷和卢布汇率持续下跌影响，2016～2025年俄联邦航天预算将由此前计划的2万亿卢布降至1.4万亿卢布，降幅达30%。由此，俄未来10年的航天计划将被迫大幅“瘦身”。例如通过重型运载火箭实施“绕月”探测的时间，将从此前计划的2025年推迟到2025～2030年间实施;首次载人上月球的飞行时间将从2030年推迟至2035年;未来10年研制和发射的航天器数量也由此前计划的185个降至150个;此外，还有数个研究计划被从太空计划中砍掉。由于经费问题，俄空天领域老化的旧武器系统得不到有效改进，先进的新装备也无法列装部队。可以说，资金的短缺已经严重阻碍了俄航天工业的发展。
腐败问题成为“拦路虎” 近年来，俄航天工业效率低下，航天事故频发，多枚火箭发射失败，俄目前在建的大型航天发射场―所谓的“东方航天港”也屡次因为资金问题而导致工程陷入停滞。在2014年，根据俄罗斯相关监管机构的调查结果，联邦航天局内部被发现的金额竟超过18亿美元。俄副总理罗戈津也直言：“在这样的道德腐化程度之下，我们的航天发射屡屡发生事故也就不足为奇了。”所以，俄高层决心根除航天部门久治不愈的顽疾，俄航天集团公司也由此应运而生。
人才流失成为“绊脚石” 近年来，由于在政治、经济等方面的保障及待遇不完善，使得俄国防科技人才大量外流。俄罗斯齐奥尔科夫斯基航天科学院专家卡拉什表示，许多一流专家没有在一线工作，他们的兴趣点也不在加速俄航天技术发展方面，而更关注自己的职位和薪水。虽然政府最近几年在航空航天产业投入了大量资金支持其发展，但这些费用大都投给了新的研发项目，而投入到人才培养上的资金相对不足，造成了目前俄罗斯大部分掌握尖端技术的科学家仍都是年过半百的老科学家，年轻科学家和技术人员的比例越来越低，甚至出现“断崖”。 砥砺前行，只为空天梦
俄罗斯曾是雄霸一时的世界大国，自然不甘愿沦当“航天马车夫”。同时，俄罗斯也清楚，随着新时期战争形态的深刻变革，空天领域将是未来敌我较量的主要战场。因此，俄罗斯十分重视空天力量的发展，不断采取措施以实现孜孜以求的空天梦。
整合结构，聚焦精干 未来作战是体系间的作战，构建完善的空天作战防御体系显得十分必要。俄罗斯从1993年就已经开始着手筹建太空作战、预警和侦察系统，并于1997年合并完成了火箭部队、军事航天部队和导弹防御部队建设，到2001年已正式创建了“天军”―航天部队。2006年4月5日，俄罗斯总统批准了新的《空天防御构想》，明确了俄军空天防御体系的建设原则、结构组成、作战目标、建设步骤、未来发展方向等一系列重要的事宜。近年来，乘着“新面貌”军改的浪潮，俄在2011年开始建立“集防空、反导和太空防御为一体”的“国家空天防御系统”，组建空天防御兵，并于2015年8月正式成立空天军，整合了战略预警、导弹防御、要地防空、外空监控、航天支援保障等力量，大大提升了空天作战能力，实现了防空、反导、太空防御“三位一体”的目标要求。在2016年1月，俄又将国家航天局改为俄罗斯国家航天集团公司，旨在进一步精简组织编制、改善指挥能力、增强作战能力，加速落实“空天一体”的战略构想。这一路走来，俄罗斯披荆斩棘，乘风破浪，不断朝着精简、高效的空天作战防御体系迈进，大大推动了航天事业的发展。
防御为主，瞄准打赢 现今武装斗争的重心已转向空天领域，未来武装冲突的结局将主要由空天领域的对抗决定。2001年，美国单方面退出《反导条约》，在外空攻防对抗中采取“先发制人”的进攻战略原则。近年来，美国不断试飞X-37B空天飞机，使得全球快速打击不再遥不可及，隐身飞机、精确制导武器的广泛应用又给各国空天安全带来严重挑战。面对来自美国及其盟友咄咄逼人的空天威胁，俄罗斯结合目前的政治经济现状，认为优先发展空天防御、避免陷入军备竞赛、保证国家安全是当下的首要任务。为此，根据俄航天10年计划，反卫星武器将是重点发展对象，积极推进反卫星武器的研究和部署，压制和削弱美国的反导体系成为了工作的主要目标。目前，俄罗斯航天导弹防御部队可监视8500个太空目标，能对美国全境内所有洲际弹道导弹发射场进行全天候监视，已建成15个快速反低轨道卫星系统发射台，拥有100部导弹发射装置。在武器系统上，俄罗斯主攻的“白杨”-M导弹及主守的S-400“凯旋”反导系统提供了尖锐的利器和坚实的盾牌，让美国精心部署的空天攻防武器显得“力不从心”。
合作共赢，谋于发展 优势互补，合作共赢可以说是俄罗斯目前不得不采取的一项举措。由于巨大的经济下行压力，导致俄罗斯投在航天工业上的资金一缩再缩，不得不从其他方向上获取部分经济来源。另外，由于俄国防科技人才的流失及技术上的短板，使得加强国际交流合作非常必要。在商业领域，俄罗斯瞄准太空潜在的商业价值，不断开发挖掘，早在1999年8月俄罗斯空间联盟公司就开始与安德森的太空冒险旅行公司合作开发“太空游”项目，获得巨大利润;在太空探索领域，俄美两国合作已久，美国主力运载火箭“宇宙神”-5的第一级发动机就是引进俄制的RD-180，且在国际空间站的合作上，美国每向国际空间站运送1名宇航员，需向俄支付近7100万美元的“船票”。不管怎样，以国际交流与合作为跳板，将助力航天工业的迅速发展，给俄罗斯空天事业打开一条光明大道。因此，航天领域的交流与合作仍将是未来俄航天产业的重要工作方向。 俄罗斯S-400防空导系统
关键词：增材制造技术；金属快速成型；工程应用；发展趋势
中图分类号：TB47 文献标志码：A
增材制造技术又称快速成型技术（RapidPro－totyping，RP），是20世纪80年代中期发展起来的一种利用材料堆积法制造实物产品的一项高新技术．该技术借助计算机、激光、精密传动和数控等手段，将计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）集成于一体，以逐层累积的建造方式在短时间内直接制造产品样品，无需传统的机械加工设备和工艺，显著地缩短了产品开发的周期，增强了企业的竞争能力［1］．相比传统机械制造方法，增材制造技术可以实现任意复杂结构模具等的快速制造，在单件或小批量生产用机械制造过程中，具有制造成本低，周期短的优势，因此广泛应用于机械制造业［2］．
1增材制造技术发展现状
1．1增材制造技术在国外的发展
增材制造技术最早出现在1892年，美国Blan－ther用分层制造法构成地形图并申请了专利，开启了该技术发展的序幕．20世纪80年代，RP技术经历了快速及根本性的发展，仅在1986～1998年期间注册的美国专利就有274个［3］．美国的3DSystems公司于1988年生产出了世界上第一台液态光敏树脂选择性固化快速成型机（SLA－250）．20世纪90年代后期，出现了3DP、SDM、SGC、FDM等十几种不同的快速成型技术．2012年美国总统奥巴马为重振美国制造业提出一系列计划，将3D打印技术列为11项重要技术之一．英国技术战略委员会“未来的高附加值制造技术展望”中，把增材制造技术列为提升国家竞争力，应对未来挑战的22个应优先发展技术之一［4］．目前，美国Ford汽车公司和DuPont公司已经在他们的生产线上采用RP技术，美国Pratt＆Whitney公司已应用RP技术制造铸造熔模．欧洲和日本等国家也不甘落后，纷纷进行RP技术及设备研制等方面的研究工作，如德国的EOS公司、以色列的Cubital公司以及日本的CMET公司等［3］．近年来，采用RP设备最积极的地区是东亚，尤其是韩国、香港、新加坡［5］．国外RP技术在航天航空、汽车交通、医疗器械、艺术创作等多个领域得到应用．
1．2增材制造技术在国内的发展
我国于90年代初才开始增材制造技术研究，虽短短20余年时间，却得到了工业界的高度重视，发展迅速．2013年，国内媒体纷纷报道，将RP技术称为“3D打印—无所不能的未来”［6］、“几乎颠覆传统的制造模式”［7］等．我国已拟定增材制造技术路线图和中长期发展战略，中国工程院2012年1号文件内容即为进行“增材制造技术工程科技发展战略的研究”，成立了由华中科技大学、西安交通大学、清华大学、北京航天航空大学、西北工业大学和国防科工委625所等专家组成的工作组，并已在2013年3月提交相关咨询研究报告［4］．目前，我国已初步形成增材制造设备和材料的制造体系．部分国产设备已接近或达到美国公司同类产品的水平，设备及材料价格便宜．在国家科学技术部的支持下，我国已在深圳、天津、上海、西安等地建立一批向企业提供快速成形技术的服务机构，推动了增材制造技术在我国的广泛应用．另外，我国的部分科研院所和企业已研发出光固化、金属熔敷、生物制造、陶瓷成形、激光烧结、金属烧结、生物制造等类型的增材制造装备和材料［8］，取得了很好的效果．但与工业化国家相比，我国RP技术的研究和应用尚存在一定的差距．
2增材制造技术基本成型原理与工艺
2．1增材制造技术的原理
增材制造技术是采用离散∕堆积成型的原理，通过离散获得堆积的路径、限制和方式，经过材料堆积叠加形成三维实体的一种前沿材料成型技术［9］．其过程为：对具有CAD构造的产品三维模型进行分层切片，得到各层界面的轮廓，按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的纸（或树脂固化、粉末烧结等），形成各界面并逐步叠加成三维产品［10］．由于增材制造技术把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在没有模具和工具的条件下生成任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性［11］．增材制造技术体系可分解为几个彼此联系的基本环节：三维模型构造、近似处理、切片处理、堆积成形、后处理等．增材制造过程如图1所示．
2．2增材制造技术的制造工艺
随着CAD建模和光机电一体化技术的发展，增材制造技术的工艺发展很快，按照所用材料和建造技术的不同，目前投入应用的已有十余种工艺方法．其中发展较为成熟的主要有光固化立体成型、分层实体制造、选择性激光烧结等．上述工艺发展较为成熟，在此不再赘述．金属直接成形法可以实现具有较高致密度和力学性能产品的快速制造，但工艺难度大，因此整体还处于技术研究阶段［2］．现将发展潜力较大、较前沿的金属直接成型工艺进行重点介绍．2．2．1激光立体成形技术激光立体成形技术（LSF）是在快速成形技术和大功率激光熔覆技术蓬勃发展的基础上迅速发展起来的一项新的先进制造技术［12］．该技术综合了激光技术、材料技术、计算机辅助设计、计算机辅助制造技术和数控技术等先进制造技术，通过逐层熔化、堆积金属粉末，能够直接从数据生成三维实体零件，具有无模具、短周期、近净成形、组织均匀致密、无宏观偏析等优点［13］．这项技术尤其适用于大型复杂结构零件的整体制造，在航空航天等高技术领域具有广阔的发展前景．目前，LSF的研究不断取得突破性进展，发展迅速．如西北工业大学凝固技术国家重点实验室，在国内率先提出LSF发展构思，并研发一套完整的高性能致密金属零件的激光立体成形理论、技术与装备，荣获陕西省科学技术一等奖［14］．近年来，LSF在大型钛合金构件的研究方面取得重大突破，解决了其变形控制、几何尺寸控制、冶金质量控制、系统装备等方面的一系列难题［4］，如试制成功C9飞机翼肋TC4上下缘条构件．另外，LSF在一些理论研究方面也取得一些进展，如激光成形凝固组织的理论分析；TC4合金的α＋β两相组织控制、断裂韧性、疲劳性能的研究；激光立体成形镍基合金室温拉伸和高温持久性能研究等．LSF在航空航天领域的设备修复、激光组合制造、现场维修和再制造以及医用植入体应用等领域已得到广泛应用．其中，航空航天领域研究进展显著，如航空航天高性能薄壁零件的成形、挽救常规技术不可修复的航空发动机零件、修复高推重比航空发动机整体叶盘、尾气能量处理透平机0Cr17Ni4Cu4Nb叶轮修复［4］等．LSF发展较快，已在国内外获得广泛应用，还须在工艺研究进一步系统化、理论研究继续深化、发展激光涂覆过程的实时观测技术、开发适用于该技术的合金材料、成形精度与成形速率如何达到最佳匹配［15］等方面加大研究力度．2．2．2激光选区熔化工艺激光选区熔化工艺（SLM）是激光选区烧结技术的一种升级和衍生，是直接进行金属打印的最新前沿技术之一．该技术为将零部件CAD模型分层切片，采用预铺粉的方式，扫描镜带动激光束在计算机控制下沿图形轨迹扫描选定区域的合金粉末层，使其熔化并沉积出与切片厚度一致、形状为零件某个横截面的金属薄层，直到制造出与构件CAD模型一致的金属零件［16］．其工艺原理图如图2所示，SLM制造激光功率一般在数百瓦级，精度高（最高可达0．05mm），质量好，加工余量小．除精密的配合面之外，制造的产品一般经喷砂或抛光等后续简单处理就可直接使用．该技术烧结速度快，成型件质量精度高，适合中、小型复杂结构件，尤其是复杂薄壁型腔结构件的高精度整体快速制造［16］．SLM可为生产高精密、复杂器件提供全新的制造方法，应用前景广阔．如：美国GE公司在各大型企业中率先成立金属材料激光熔化增材制造研发团队，并在LEAP喷气发动机中采用SLM制造燃油喷嘴；美国NASA马歇尔航天飞行中心于2012年采用激光选区熔化成形技术制造了复杂结构金属零部件样件，用于“太空发射系统”重型运载火箭；2013年8月，NASA对SLM制造的J－2X发动机喷注器样件进行了热试车试验并获得成功；美国加利福尼亚大学圣迭戈分校太空发展探索团队用3D打印方法制造火箭发动机推力室组件等［16］．在设备开发方面，早在2004年，华南理工大学与北京隆源合作，在国内选区激光烧结设备的基础上首先开发出选区激光熔化快速制造设备Dimetal－240．2012年，华南理工大学研发出最新精密型Dimetal－100成型机［17］．目前，各研究机构一直致力于高（变）致密度、成型角度、薄壁、力学性能等基础研究，适用于该技术的各种金属材料及工艺研究有待开发．
3增材制造技术的应用典型
3．1设计验证方面的应用
增材制造技术在设计验证方面应用广泛，可应用于航天系统功能性风扇组装、进行功能性和声响测试，使得模拟实际旋转速度达15000r／min，遴选出问题解决方案，节约成本［18］．保时捷将其用于功能性测试，以便分析冷冻液流动特性，改变设计以减少紊流．另外，美国GE公司采用增材制造技术用1个零件代替原设计20个零件组成的飞机发动机喷嘴，减重25％，增效15％，制造成本大幅度降低，已大批量生产；美国公司还采用增材制造技术，成形了能耐热3300°C的复合材料航天发动机零件，使其成为“龙飞船2号推力达到龙飞船1号推力的200倍”技术的关键［19］．增材制造技术还可应用于机器人表面映射反馈辅助原型设计［20］、光弹应力分析等．光弹应力分析时，需将作用于激光快速原型工件上的应力可视化，以识别设计不足的区域．图3为增材制造技术设计验证的部分应用.
3．2模具制造方面的应用
增材制造技术在模具制造方面的应用广泛，主要分为软模具制造和硬模具制造．利用真空浇注软硅胶模翻模技术，可生产小批量的类似工程塑料、聚氨酯等产件．快速铸造方面，光敏树脂消失法铸造可一次完成铸造成型，周期短，机械性能好［21］．嘉陵集团利用该技术用于摩托车发动机缸头研制，获得了巨大的经济效益．光固化原型与砂型结合铸造技术应用也较为广泛，如研发新型四缸柴油发动机缸盖［18］、开发汽车零部件［22］等．快速成形原型直接制造蜡型模具可用于小批量精铸，大大提高铸件寿命，节约成本．另外，西安交通大学研发出的陶瓷型铸造，铸型外壳、内芯和浆料包裹层一体化设计，使航空叶片铸件合格率由15％提升至85％．东方气轮机厂利用该技术已研发出空心涡轮叶片，大大提高了叶片机械力学性能［18］．目前，最为先进的快速模具制造方法有树脂基复合材料快速制模方法、中或低熔点合金铸造制模、金属电弧喷涂制模等．其中，金属电弧喷涂成型快速制模技术［18］在模具成本、寿命、制造周期、精度等方面具有综合优势，并且模具工作表面具有较好的强度、硬度和耐磨性，模具表面摩擦学特性更接近于钢质模具，是一种较为理想的快速制模方法．其技术原理、设备及制模应用如图4、5所示．快速模具技术可节约成本3／4，缩短生产周期约2／3．提高模具制造精度、开发新材料新工艺、直接制造高强度金属模具等是该技术的重要发展方向．
3．3个性化医疗方面的应用
增材制造技术在医疗模型制造和体外医疗器械［23］、个性化永久植入物制造、组织工程支架制造、细胞打印、器官打印方面应用广泛，现已取得较大进展．如利用增材制造技术制造出高精度连体骨骼模型，成功实现连体婴儿分离［24］等．西安交通大学与第四军医大学联合开展骨替代物制造、定制化人工胫骨半关节大段骨重建术、定制化钛合金半膝关节假体复合大段骨移植、定制下颌骨原型设计［25］等研究，并成功实现中国首例“下颌骨溶解修复”手术［18］．另外，西安交通大学与昆明军区医院联合进行了脊椎手术导航模板制作等研究，进一步扩展了个性化永久植入物的应用领域．采用TCP材料，西安交通大学积极开展基于光固化原型的支架制作人工活性骨支架研究，取得一定的科研进展．图6所示为利用3D打印技术制作的脊椎手术导航模板．
4增材制造技术的发展趋势
目前，增材制造技术存在许多问题，如材料方面限制、成形精度与成形速度的矛盾、设备及材料的价格昂贵等．在未来的发展中，该技术将会在新材料及创新工艺［26］、装备与关键器件、与传统工艺相结合等方面展开更深入的研究．另外，增材制造技术要克服一些技术瓶颈，实现关键技术环节上的突破，如：与传统制造结构保持同样的强度；减小成型过程中的变形，细化光斑、优化材料和工艺［27］，以提高制造精度；进行工艺创新与优化，提高光束能量以提高制造效率［18］等．现阶段，该技术将重点研究陶瓷零件制造、复合材料制造、聚合物喷射快速原型制造［28］、金属直接制造等，如：利用光固化原型技术，使支撑结构中组织发生变化制作碳化硅复合材料零件；使用高介电陶瓷材料，构造复杂型腔结构实现微波负折射功能，进行光子晶体制造，完成传统制造技术难以制作的内外形结构；深入研究金属直接成形自愈合原理，进行高温合金叶片制作实现金属直接制造［18］等．增材制造技术在工艺研究方面，存在许多具有潜力的研究方向．如：建立多层激光直接成形的自稳定机制并利用粉末负离焦技术制造薄壁，使工件侧面平均粗糙度达到10．04μm；充分研究叶片制造中的曲率效应，实验发现曲率大处熔化严重；进行空心叶片扫描路径设计与实验研究，以轮廓、光栅（方向优化）、分区的路径选择扫描复杂空心叶片，减少空行程，节约粉末；依据液氮控制冷却梯度，对空心叶片定向晶组织进行控制［18］等．在生物组织制造方面，增材制造技术潜力巨大，应用前景广阔，如：进行肝组织支架制造，通过仿生流道和定向多孔结构促进肝细胞向支架内生长，研究支架／细胞复合体用于修复肝缺损的有效性［29］；对细胞打印和器官打印等生物医学前沿领域研究探索［18］等．另外，将增材制造技术与传统工艺相结合，进行小批量制造，可发挥倍增效益，是该技术发展的一大趋势．
5结语
你所不知的“3D打印”
徐丽莉
①美国科幻作家罗伯特・希克利曾经描写过关于“万能制造机”的场景。这是一台奇特的大机器，机身上杂乱地安装着刻度盘、小灯和各种指示表。故事的主角之一阿诺尔德站在机器前，按下按钮，对它响亮而清楚地说：“我要硬铝螺帽，直径为4英寸。”接到指令，机器发出低沉的轰鸣声，灯光闪烁，闸板缓缓打开，眼前赫然出现了一颗闪光发亮已经制好的螺帽。
②也许罗伯特没有想到，如今一台3D打印机已经将他在书中描写的幻境变为现实。那么什么是3D打印机呢？我们日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品，而所谓的3D打印机与普通打印机的工作原理基本相同，只是打印材料有些不同。普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料。打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，比如打印一个机器人，打印玩具车，打印各种模型，甚至是食物等。之所以通俗地称其为“打印机”，是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。这项打印技术被称为3D立体打印技术。
③据华中科技大学材料科学与工程学院副院长史玉升介绍，这项立体打印技术出现于上世纪90年代的美国，当时被命名为快速制造技术。其实“3D打印”是通俗叫法，学术名称为快速成型技术，也称为增材制造技术，是一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状，根据零件或物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。
④著名的《经济学人》最近描述了3D打印技术的前景是一种新型的生产方式，能够促成新的工业革命。那么，业内人士缘何如此看好3D打印技术？
⑤首先，3D打印技术可以加工用传统方法难以制造的零件。华中科技大学材料科学与工程学院副院长史玉升介绍说：“过去传统的制造方法就是一个毛坯，把不需要的地方切除掉，是多维加工的，或者采用磨具，把金属和塑料融化灌进去得到这样的零件，这样对复杂的零部件来说加工起来非常困难。立体打印技术对于复杂零部件而言具有极大的优势，立体打印技术可以打印非常复杂的东西。”其次，实现了首件的净型成形，这样后期的辅助加工量大大减小，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度，尤其适合一些高保密性的行业，如军工、核电领域。再次，由于制造准备和数据转换的时间大幅减少，使得单件试制、小批量出产的周期和成本降低，特别适合新产品的开发和单件小批量零件的出产。
⑥这些速度快、高易用性等优势使得3D打印成为一种潮流，并且在很多领域得到了应用。如今3D打印机已经在建筑设计、医疗辅助、工业模型、复杂结构、零配件、动漫模型等领域都已经有了一定程度的应用。尤其在飞机、核电和火电等使用重型机械、高端精密机械的行业，采用3D打印技术“打印”的产品是自然无缝连接的，结构之间的稳固性和连接强度要远远高于用传统方法制造的产品。
（摘自《人民日报海外版》，有删节）
【阅读训练】
1.第①段介绍科幻作品的情节的目的是什么？
2.“什么是3D打印机呢？”作者是怎样回答这一问题的？
3.第⑤段引用史玉升对3D打印技术的介绍的目的是什么？
4. 3D打印技术除可以加工用传统方法难以制造的零件外，还有哪些方面的优势呢？
5.阅读本文后，你有什么感想？
无绳灯泡在美问世
房秋云
现代家庭充斥着各式各样的电线、插座，不仅有碍观瞻，也造成了一定的安全隐患。最近，美国科学家成功开发出了一项“无线输电”技术，它能为室内的灯泡、手机、电脑“隔空充电”，这将令插座、电池和盘根错节的电线都成为历史名词。电力传送也将迎来无线时代了！
A
麻省理工学院的研究团队7日在美国《科学》杂志的网站上发表了研究成果。这项被他们称为“无线电力”的技术经过多次试验，已经能成功为一个2米外的60瓦灯泡供电。
目前，这项技术的最远输电距离还只能达到2.7米，但研究者相信，电源已经可以在这一范围内为电池充电。而且只需要安装一个电源，就可以为整个屋里的电器供电。领导这项研究的马林・索尔亚希克教授透露说，有一天晚上站在厨房里看着自己的手机时想到“无线电力”这个主意。他说：“我总是忘记给手机充电，它老是发出电力不足的警告声，我就想，这个家伙要是能自己充电就好了。”
用共振原理 隔空完成能量传输
无线输电的想法很早就有人提出过，但是却被很多科学家认为根本无法实现。因为发射器发出的电磁能向四周分散传送，人类无法对电磁能进行集中控制，就更谈不上加以利用。但在去年秋天，麻省理工学院物理学教授马林・索尔亚希克却提出了一种可以通过“无线电能传输”技术利用电磁能的新理论。
“无线电力”技术的突破之处在于找到了“抓住”电磁波的方法，即利用物理学的“共振”原理――两个振动频率相同的物体能高效传输能量。索尔亚希克教授解释说：“比如说你给乐器弹一个调，毗邻另一件具有相同频率的乐器也会振动。”研究小组把共振运用到电磁波的传递上。他们利用铜制线圈作为电磁共振器，一团线圈附在传送电力方，另一团在接受电力方。当传送方送出某种特定频率的电磁波后，经过电磁场扩散到接受方，电力就实现了无线传导。结果，他们成功地把一盏距发射器2.13米开外的60瓦电灯点亮。
电器无线化 有望在5年内实现
不过这项技术目前也面临着一些障碍，比如点亮灯泡时，电力在传送中流失了45%，因此输电效率必须提高一倍才有望取代化学电池。此外，目前使用的铜线圈非常笨重，足有0.6米高，如果要想实现整个房间内的电器都能自动充电，铜丝线圈的直径预计将达2.1米。因此，要用于家用电器，必须实现铜线圈的最小化。
索尔亚希克教授认为，这些问题将在3至5年内解决。“我们希望电源和电器之间的距离能达到4至5米，铜线圈能小到可以安装到手提电脑里，输电效率也能大幅提高。”
最重要的是，试验显示“无线电能传输”技术对人类无害。因为电磁场只对能与之产生共振的物品有影响，而诸如人类、桌子、毛毯等物品对电磁场几乎都没有反应。
B
对于“无线电能传输”技术的研究成功，《每日邮报》如此评论：这或许宣告了插座的末日即将到来。“只要笔记本电脑所在屋子装备有无线电能传输器，人们就可以不再需要将电脑与插座相连来充电，因为它会自动充电。”研究小组成员之一彼得・费希尔教授说。
索尔亚希克在接受记者采访时也表示，现代人生活在充斥着电线、插座的世界，而电能的无线传输技术将有可能让人类部分摆脱电线、电池带来的烦恼。因此，这是一项很有发展前途的新技术。
下一步，研究小组要进行的则是设法增大发射器功率以及接受器的接收效率。到那时，手机、笔记本电脑就可以在配置有发射器的屋子里自动充电，甚至不需要电池，也不需要通过插座与电源相连就可以直接使用。或许真可以像《每日邮报》所预言的那样，未来人类真的可以对插座、电线说“再见”。
（选自《时文精粹》，有删改）
【阅读训练】
1.“无线输电”技术的主要功能是什么？它有何历史意义？
2.请根据语段内容，在文章的A、B两处分别拟写一个小标题。
3.请根据文章内容说说“无线电力”技术“隔空充电”的主要原理。
4.“无线电力”技术目前还难以在家庭推广应用的主要障碍是什么？
5.为什么说电能的无线传输技术是一种很有发展前途的新技术？
北斗：从导航中国到寻常巷陌
张保淑 徐 洋
第11颗北斗导航卫星近日成功发射，进入预定转移轨道。这颗地球静止轨道卫星将大幅改善我国西部地区的覆盖性能，也标志着中国北斗区域卫星导航系统建设又迈出了重要一步，中国的航天发展进入大规模的应用期。
（ ）
卫星除了通信即信息传递外，还有对地观测、感知太空和导航定位等用途。其中导航定位最为复杂，它靠建立几十颗按一定规律运行的卫星组成的星座来实现。而北斗将会给人们提供超出想象的导航定位服务。
北斗的导航服务包括两种类型，即开放服务和授权服务。开放服务包括在服务区内免费提供定位、测速和授时服务，定位精度可以到米级。授权服务可以向授权用户提供更安全、精度更高的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。所以从时间到空间，北斗导航可以提供基准，可针对不同用户的需求提供服务，满足各种不同用户的需求，而今后高精度全球导航卫星系统毫米级定位技术成熟，将大大促进专业和科学研究应用的发展。
根据计划，到2020年左右，我国将建成由30余颗卫星组成的北斗全球卫星导航系统，提供覆盖全球的高精度、高可靠定位、导航和授时服务，北斗将与全球定位系统（GPS）一样，成为向全球提供服务的卫星导航系统。为人类贡献了“司南”的中华民族，通过北斗计划，进入了定位和授时的宇航时代。
超越想象力的导航应用
当前，中国卫星定位产业的发展速度有目共睹，数十年来，中国一直致力于研制自主的卫星导航系统。北斗计划从最初的“最高机密”，到如今已逐步推广应用。如今全球卫星导航定位技术的应用领域，可以上至航空航天，下至工业、渔业、农业生产和日常生活，可谓无所不在，可以说是“仅受人类想象力的制约”。而当区域系统和全球系统建成以后，北斗的威力会成倍增加，将具备和GPS完全一样的功能，产生巨大的经济和社会效益。
据悉，海南省自2010年11月开始，投资7915万元在全省6000多艘大中型渔船上安装了北斗导航系统，对大中型渔船实施有效监控管理。系统运行一年以来，通过北斗监控平台先后发送热带气旋等危险气象信息1.25万余次，为渔民挽回经济损失上亿元。
位置云时代的发展机遇
我国导航领域的另一个重要发展方向是与移动通信结合的基于位置的服务和集成应用。如今，全球的卫星导航系统已经进入了百姓生活，基于卫星导航的位置服务是具有社会特性的新兴产业和创意型产业，机遇极多，且产值非常高，产业前景巨大。位置服务市场包含了国家地理信息基础设施投入、电子地图、移动物联网、云计算、空间地理数据库等各领域实现跨平台、跨网络、跨行业的全新市场。在可以预见的将来，位置云会像水和电一样普通，每个行业、企业乃至个人都会头顶“云朵”，从云中摘取想要的信息，位置云也会覆盖全社会的各个角落，从专业应用到行业应用，再到特殊应用，导航与位置服务将彻底改善我们的生活。
（摘自《人民日报海外版》，有删改）
【阅读训练】
1.文章开头一段主要告诉了我们什么信息？
2.请根据语段内容在文章中的括号内填上适当的小标题。
3. 根据文章内容说说北斗导航的开放服务和授权服务的不同之处。
4. 作者介绍海南省在大中型渔船上安装北斗导航系统的目的是什么？
5. 对全文来说，文章的结尾一段在表达上有什么作用？
【参考答案】
94没有屋顶的木房子郭倩供稿
《你所不知的“3D打印”》 1.激发读者的阅读兴趣，引出本文所要介绍的对象。2.作者先运用作比较的方法，说明3D打印机与普通打印机的相同与不同之处，让读者对“3D打印”有大体的了解；接着运用作诠释的方法，对3D立体打印技术作简要的诠释。 3.引用专家的介绍，说明用3D打印技术可以加工用传统方法难以制造的零件。 4.实现了首件的净型成形，这样后期的辅助加工量大大减小，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度；由于制造准备和数据转换的时间大幅减少，使得单件试制、小批量出产的周期和成本降低。 5.开放题，言之有理即可。示例：3D打印技术目前还在试制阶段，目前的应用领域还不够广，我们国家要加强这方面的研究和推广，以促进我国制造业水平的发展、提升。
【关键词】数字水印；提升小波变换；人类视觉系统（HVS）；奇异值分解（SVD）
1.引言
随着信息媒体的数字化，特别是计算机网络的迅速发展和广泛应用，为信息的存取和传递提供了极大的便利，同时也提高了信息表达的效率和准确性。但是随之而来的数字作品的版权问题和信息安全问题越来越引起人们的关注。数字水印（digital watermarking）技术[1]作为新兴的信息安全技术，为解决数字作品的侵权问题提供了一个有效的解决途径。近年来，数字水印技术研究取得了很大进展，并陆续提出了一系列优秀的水印嵌入算法。进而关于彩色图像的水印嵌入算法、多功能水印嵌入算法等也相继出现，以及数字水印与其它技术相结合的研究也取得了一些重要成果。这使得数字水印技术的应用越来越广泛而受到人们的关注。
2.数字水印技术
2.1 数字水印概念
数字水印技术[2]是利用数字作品中普遍存在的冗余数据与随机性，将数字、序列号、文字、图像标志等版权信息嵌入到被保护的数字作品本身中，通过检测和提取水印，可以标识和验证出数字化图像、视频和音频作品的作者、拥有者、发行者或授权消费者的信息，还可以追溯数字作品的非法传播，从而起到版权保护、秘密通信、数据文件的真伪鉴别和产品标识等作用。
水印技术中，隐蔽性和鲁棒性是最基本的要求，影响隐蔽性和鲁棒性的因素主要是水印的结构和嵌入方法。水印容量与鲁棒性构成了一对基本矛盾，即嵌入的水印信息越多，算法的鲁棒性越差。
2.2 应用
数字水印主要在以下几个领域[3]：
（1）版权保护
（2）篡改提示
（3）票据、证件防伪
（4）隐蔽通信
2.3 数字水印典型算法
数字水印算法大致可以分为两类：空域算法和变换域算法。空域算法直接修改图像像素值的数值，将数字水印直接加载在载体上。常见的有LSB（least significant bits）算法、拼凑算法（Patchwork）和纹理映射算法、文档的结构微调算法。空域算法实现简单，而且可以根据信号的局部特征进行自适应，但鲁棒性差，难以抵抗各种攻击。
变换域算法也即频域算法，由于频域中能量分布集中，有利于保证水印算法的隐蔽性，逐渐成为研究重点。常见的变换域算法有离散傅里叶变换算法（DFT）、离散余弦变换算法（DCT）、离散小波变换算法（DWT）及提升小波变换算法（LWT）。本文重点介绍离散小波及提升小波变换算法在数字水印中的应用。
3.提升小波变换
3.1 提升小波变换基本原理
1995年Sweldens提出一种不依赖于傅里叶变换的新的小波构造方法—提升格式（Lifting Scheme）[4]，称之为第二代小波变换。基于提升方法的小波变换既保持了传统小波的优点，又克服了它的局限性，正好可以将它的这些特点应用到数字水印技术中。提升小波变换很容易实现整数小波变换，可以使小波变换用于信号的无损压缩。一个完整的提升小波方案包含了三个步骤，即分裂（Split）、预测（Predict）和更新（Update）。
3.2 提升小波变换的分解
（1）分裂：将原始数据列分解为两个互不相交的子集，通常为偶数列和奇数列，表达式如下：
（2）预测：利用数据间的相关性，用偶序列预测奇数序列，预测过程表达式为：
（3）更新：通过算子产生一个数据子集来代替，表达式为：
通过上述三个过程，可将原始信号分解为下一级分辨率的低频信号和高频信号。至此，完成了一次提升，相当于小波的一层分解。对于低频信号可继续进行同样的分解。
一个完整的提升小波分解如图1所示。
与传统的第一代小波变换相比，LWT具有以下优点[11]：a）继承了第一代小波的多分辨率特征；b）不依赖于傅里叶变换；c）效率高，利用复合幅值，减少了浮点运算量，实现结构将更简单，运算速度快；d）小波变换后的系数是整数，可方便实现整数到整数的小波变换；e）图像的恢复质量与变换时边界采取何种延拓方式无关；f）计算时无须额外的存储开销，实现了本位操作，节省了内存。
4.现有算法分析
Kundun等人[5]提出一种按照小波分解层次自适应的数字水印算法，水印信号是一个二值图像，但原图是水印图像大小的2m次方倍。原图经过L层小波变换，水印图像也经过一层的小波变换。Kundun等人在嵌入水印时还考虑了（HVS），加入了与局部HVS特征相关的水印强度系数，提高了算法的性能。但是此水印检测时仍需要原图，为非盲水印。文献[6]也是基于DWT的数字水印，且考虑了HVS特征。它用一个全局阈值来选取需要嵌入水印的系数，且实现了盲水印。
单纯的基于小波变换在内的各种时频分析的水印算法，如果不辅以其他改进措施，很难抵抗剪切、旋转、放缩等几何攻击。2004年，图像的奇异值分解[7]对于几何失真（转置、镜像、旋转、放大、平移）具有不变性的理论一经证明，奇异值分解便很快被应用于数字水印技术中，并取得了一些重要的科研成果。
Liu等[8]提出了一种基于奇异值的水印算法，具有较好的鲁棒性。
文献[9]提出了一种改进型的基于分块奇异值分解（Block—SVD）的数字水印算法，该方法采取了分块的思想，将原始图像矩阵分成8×8的小块，因此无需计算整个图像矩阵的SVD，从而缩短了水印嵌入和提取的时间，尤其对大图像效果明显。同时文献[9]引入了检测器失真补偿技术来提高取出的水印的视觉质量。
奇异值矩阵可以作为嵌入水印的宿主信号，而正交矩阵中同样也可以嵌入水印信息[10]。
王丽佳[11]设计了一种改进的基于提升小波的彩色水印算法，在彩色的Cb分量上嵌入二值水印信息，采用自适应阈值调整的方法在中低频子带分块嵌入水印，提取时采用集合校正提高算法的鲁棒性，并且不需要原始图像，实现了盲提取。仿真实验证明该算法不仅有较好的隐蔽性，而且对噪声攻击、JPEG压缩、旋转、剪切攻击等具有很强的鲁棒性，但是难以抵抗低通滤波操作的破坏。
上述算法都只实现了一种水印嵌入，具有单一的功能，安全性、保密性都不能满足实际需求。多频道或多功能水印嵌入算法在早期的国外研究中就已经出现[12]。Rashmi Agarwal等[13]提出基于奇异值的多频道数字水印算法。首先分离彩色图像的R，G，B三个颜色通道，然后分别作奇异值分解，提取正交矩阵。第二步将三幅不同的水印图像分别作奇异值分解，同样提取正交矩阵，最后将三个不同的正交矩阵按顺序分别嵌入到宿主图像的三个颜色通道的正交矩阵中。该算法的新颖之处在于不仅在一幅图像中嵌入了不同的水印图像，实现最大数量水印信息的嵌入，还同样适用于一种水印的嵌入，而且仿真实验证明该算法的鲁棒性较好，同样又兼顾了水印的不可见性。但在水印检测时需要原图像，为非盲水印。
国内关于多种水印的嵌入算法研究也取得了一些重要成果。[14]首先对每个颜色通道进行三级离散小波变换（DWT），然后修改不同分辨率层间小波系数，并利用它们之间的相关性来嵌入版权保护和操作跟踪数字水印。该算法对有损压缩攻击具有很好的稳健性，而且在数字水印的提取过程中不需要原始图像。该算法不仅嵌入多种水印，且实现了多种功能，仿真实验表明该算法具有较强的鲁棒性，并对区域认证和完整性验证更为有效。
王向阳[15]等提出了一种半脆弱水印算法，该算法同时具备版权保护及内容认证功能。首先将原始彩色图像转换到YCbCr彩色空间，然后对亮度Y进行小波分解，用混沌序列对分解后的小波近似系数调制生成基于图像内容的数字水印信号，最后对亮度及色度均进行小波分解，结合HVS及局部系数相关特性，通过分块量化将水印信号嵌入到载体图像的小波域中，从而实现了版权保护和内容认证。在选取量化步长时，引入反映人眼视觉系统的感知计算模型，依据小波域相邻子带的相关性，利用相同分解级的两个相邻子带内相同位置的视觉感知特性值来预测小波系数上嵌入的量化步长值。但是，该算法只实现了一种嵌入算法，安全性不够高，同时又主要是用于内容认证，版权保护功能不能充分发挥。
陈光喜等[16]结合提升小波设计出一种新的多功能水印算法。首先将图像进行一级LWT，选取低频子带嵌入版权水印，选取中频子带嵌入认证水印。具体步骤为：首先对低频子带系数进行自适应量化取整，选取量化取整后的较高比特位（如第4到第6六位中的一位）异或运算，结果和待嵌入的水印对应位再进行异或运算，得到密钥，通过可以验证并恢复出水印。这样不直接将版权水印嵌入图像，并未改变原图像内容，从而提高了图像的质量。在嵌入内容认证水印时，则采用系数抖动调制的方法。首先将中频子带分块，在每个子块中任意选取一个系数，用量化步长量化，再根据量化结果将系数重新调整到区间中心，在每个子块嵌入1比特的水印信息。这样水印比特不仅具备了一定的抗干扰能力，且能够被正确检测出来。这里量化步长的选取仍采用了文献[15]的方法。该算法实现了多功能水印的不同算法嵌入，实验表明能够很好地实现数字图像版权保护、篡改检测和定位，提取出的双水印的峰值信噪比（PSNR）高于文献[15]的，同时兼顾了隐蔽性和鲁棒性之间的平衡。但是因为系数的选取是随机的，如果选取了一些不重要的、较大的或者很小的系数，水印信息很容易遭到滤波、几何攻击的操作破坏。
通常，嵌入的水印信息越多，图像的质量就越受到影响。因此，多功能（多种）水印的嵌入算法仍然需要完善和改进，特别是如何减小对原始图像质量的影响以及提高水印的鲁棒性。
另外，一些作者还将数字水印技术与其他技术领域相结合，也取得了一些重要成果，主要有以下几方面：
（1）与生物识别技术的结合。生物特征具有唯一性、与生俱来、易于识别等特点，安全性高。因此，将生物特征作为水印，可以作为身份、版权的唯一标识，达到更好的版权保护。郭小晋[18]设计一种基于指纹的数字水印方案。首先将原始图像和加密后的水印图像分别分成8×8的小块，然后对每一个小块分别进行离散余弦变换（DCT），对个子块的DCT系数按Zigzag排序，取出水印图像排序后的前20个系数作为水印嵌入原始图像中。在嵌入水印时，根据人眼视觉系统（HVS）的特性选取嵌入水印的DCT系数位置，再根据嵌入公式嵌入水印信息。这里分别进行了不同嵌入强度的仿真实验，最后确定嵌入强度为0.8。该方案因采用分块的方法，嵌入的水印信息量较大；水印是能够表明身份的指纹图像，安全性高；有很强的抗剪切、抗JPEG压缩能力。
（2）数字水印处理技术与压缩编码算法的结合。乔社娟，张菊香等[18]提出基于PDF417和提升小波的数字图像水印算法。首先对原始图像进行三级提升小波变换，选取低频子带嵌入水印信息。水印预处理过程则是先用PDF417对其编码，结合密钥采用混沌序列进行置乱加密，得到加密后的二值水印信息嵌入到原始图像低频子带中。该算法利用PDF417编码特性，采用Reed—Solomon校验码，具有强检错、纠错功能，提高了水印的质量，实现对水印信息的双重安全保护。但是水印是嵌在低频子带中，抗几何攻击的能力不高，且很可能在经过低通滤波时水印信息就被滤掉。
除了PDF417编码技术，Vongpradhip，S.等提出基于QR编码的水印算法。首先对原始图像进行QR编码，再进行离散余弦变换将其分解成不同的频带，选取中频子带嵌入水印信息。仿真实验证明该算法具有较强的抗JPEG压缩和抗噪声攻击的能力。
基于压缩编码技术的数字水印在抗击压缩方面有着突出的优势，但是难以抵抗滤波操作（低通和高通），而水印信息通常是在滤波的时候被去掉的。因此，仅仅靠压缩编码技术提高水印的鲁棒性是不够的，可以根据实际情况辅以其他措施，来提高水印的安全性和稳健性。
5.结束语
数字水印技术是近年来信息隐藏技术中兴起的一个前沿研究领域，与信息安全、数据加密等有着密切的关系，应用也非常广泛，特别是针对现代网络技术的迅速发展，更具现实意义。而提升小波变换因其独特的优点也会越来越被广泛应用于数字水印技术中。今后数字水印技术仍将着重于多功能（多种）数字水印、水印信息加密技术、稳健性、稳健性与隐蔽性之间的平衡以等方向，如何将这些技术运用到音频水印、视频水印中也值得去探讨。因此，数字水印技术仍是一项具有挑战的研究课题。
参考文献
[1]R.G.van Schyndel，A.Z.Tirkel，C，F.Osborne.A digital watermark[A].IEEE proceeding onInternationalConferenceonImageProcessing[C].//Piscataway：IEEEPress，1994，2：86—90.
[2]Christine I，Zeng Wenjun.Image—Adaptive Watermarking Using Visual Models[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1998，4（8）：525—539.
[3]尹浩，林闯，邱锋，丁嵘.数字水印技术综述[J].计算机研究与发展.2005，42（7）：1093—1099.
[4]高世伟，郭雷，杨宁，杜亚琴，陈亮.提升小波变换及其在数字水印中的应用[J].计算机应用研究，2007，24（6）：201—203.
[5]D Kundur，D Hatzinakos.A robust digital image watermarking method using wavelet—based fusion[C].//In：Proceedings of the IEEE International Conference on Image Processing，ICIP 97，1997—10：544—547.
[6]Po—Chyi Su，Houng—Hyh，Mike Wang et al.Digital Image Watermarking in Regions of Interest[C].//In：pics99，1999：295—300.
[7]ZHOU B，CHEN J.A Geometric Distortion Resilient Image Watermarking Algorithm Based on SVD[J].Image and Graphics，2004，9（4）：506—512.
[8]LIU R，TAN T.An SVD—based watermarking scheme for protecting rightful ownership[J].IEEE Transactions on Multimedia，2002，4（1）：121—128.
[9]朱信忠，徐慧英，赵建民.一种基于改进型奇异值分解的数字水印算法及实现[J].计算机应用研究，2006，12：329—332.
[10]张志明，周学广.采用奇异值分解的数字水印嵌入算法[J].微计算机信息，2006，22（7），69—71.
[11]王丽佳.基于小波变换的彩色图像数字水印算法研究与实现[D].太原：太原理工大学，2011.
[12]M.Bami，F.Bartolini，andA.Piva，MultichannelwatermarkingofcolorImages[C].//Proc，IEEE Trans.Circuit Syst.Video Technol，2002，12（3），142—156.
[13]Agarwal，R.，S ANTHANAM，M.S.，Venugopalan，K.Multichannel digital watermarking of color images using SVD[C].//Image Information Processing （ICIIP），2011 International Conference on.2011：1—6.
[14]熊志勇，蒋天发.多功能彩色图像数字水印方案[J].武汉大学学报（工学版），2004，37（6），97—100.
[15]王向阳，侯丽敏，杨红颖.一种新的半脆弱彩色图像数字水印算法[J].自动化学报，2007，33（6），561—566.
[16]陈光喜，尹柳，易招师.基于整数提升小波变换的多功能数字水印[J].计算机工程与应用，2010，46（11），115—118.
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