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“1/f“波动理论简介

“1/f“波动理论简介

首先让我们看一下经处理的色彩明暗变换符合1/f理论的景物图像:

除了用眼睛去感受1/f理论外下面你还可以用耳朵来聆听1/f的旋律:

声音一:普通的电子音,听听看!
声音二:经过1/f波动处理后的电子音,听听看!

 

    在当今高速发展的信息时代,激烈的竞争带来的各方面压力经常使人处于一种高度疲劳状态。因此,人们渴望回归大自然,在和谐安逸的环境中缓解自我压力, 试图将“五感(视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉)”调节至和谐的最佳状态。宇宙中的“1/f 波动(1/f fluctuation ,1/f 噪声)”具有维系大环境平衡、和谐的重要作用,在国外,“1/f 波动”引起了科学家们的极大重视。
  自然界中不存在绝对静止的事物,一切事物必定随时间或空间的推移而发生变化,我们将某个物理量在宏观平均值附近的随机变化称为“波动”。波动现象随处可见:有直观的,如风速的快慢变化、声音的节奏和强弱变化;也有抽象的, 如人的情绪变化。自然界存在着许多波动,可以按功率谱密度与频率的对应关系对其进行分类。有三种典型噪声的波动特性。白噪声是一种完全无规律的令人烦躁不安的噪声,该噪声的功率谱密度平行于横轴,是与频率无关的量,我们称之为 1/f0 波动;布朗噪声是一种相关性很强,使人感到单调乏味的噪声,该噪声的功率谱密度与 f2 成反比,我们称之为 1/f2 波动;介于上述两种形式之间的噪声是一种在局部呈无序状态,而在宏观上具有一定相关性的噪声,是一种使人感到舒服的波动。由于该噪声的功率谱密度与频率在是成反比的,我们称之为 1/f 波动。事实证明:“1/f 波动”与人在安静时的α脑波及心拍周期等生物体信号的变化节奏相吻合并与人的情感、感觉有着密切联系,使人能感到舒适。人的感觉千差万别造成对美的感受各有不同,我们缺少一个客观评估的标准。而“1/f 波动”理论的提出使我们有了这样一个准则。
  1925年,J.B.Johnson 在“低频电路中的肖特基效应”的论文中第一次提出了“1/f 噪声”这一术语。在考查肖特基效应时, J.B.Johnson 发现除了shot noise 以外,在低频部分还有较强烈的电流噪声。若使用氧化物阴极,该电流就更大。经过进一步的实验,J.B.Johnson 还发现这个在低频部分的电流噪声的功率谱密度和频率 f 成反比,因此,他把这种噪声称作“1/f 噪声”(“1/f noise”)。此后,人们发现,在碳酸电阻中流过的电流也表现出具有同真空管电流同样功率谱密度的电流噪声。相继, 在诸如风、光、地球的平均温度、宇宙射线的强度变化等各种自然现象中都观察到了“1/f 波动”。而且在音乐的声音强弱和节奏变化中以及书法和水墨画等的浓淡空间分布变动中也发现了“1/f 波动”的变化规律。


  尽管“1/f 波动”已被提出了半个多世纪,而且人们也意识到它是一种令人感觉舒适的波动现象,但由于始终未能对这种现象给出一种合理的解释,所以关于“1/f波动”的理论研究及应用始终未能取得质的进展。直到70年代,这个困惑了科学家们很久的现象才由日本著名物理学家武者利光从混沌学的领域给出了合理的解释。武者利光先生经过许多次的测量,得出了如下结论:1/f 波动之所以令人感觉舒适,是因为人在安静状态下的心跳周期的波动规律以及α脑波的波动规律与 1/f 波动规律相吻合。正常人在安静状态下,心跳周期大约是 0.7s,但这种运动也不是一成不变的,用精密仪器进行测定,心跳周期大约在 0.7(1)s 之间变化。1/f 波动是一种与情感、感觉有着密切联系,使人感到舒适的波动。幽静小溪的潺潺流水和徐徐袭来的清风,之所以能使人心旷神怡,也是因为它的功率谱密度符合 1/f 波动。人们发现,测定人的α脑波,根据其频率分析是否接近 1/f 波动,便可判断出此时人的舒服程度。不仅如此,外界的 1/f 波动还可以激发人的α脑波,使其也成 1/f 波动,也就是说能够通过外部手段使人感到舒服。这样就使本来认为是主观感觉的“舒服”,变成可用客观手段测定的东西,从而成为判断和谐自然美的客观标准。
  在武者利光先生提出该理论后的二十多年里,在国外,“1/f 波动”引起了越来越多科学家的重视。他们认为,“1/f 波动”能够给予我们各种各样的信息,是信息获取、处理的新理论和新方法,是一个具有广阔前景的研究宝库。武者利光先生作为“1/f波动”理论研究的创始人,从1977年开始,每两年就在世界各地主持召开一次“1/f 波动国际会议”。日本在“1/f 波动”基础应用研究方面,处于世界领先地位,例如,他们开发了具有“1/f 波动”信号的医疗除痛装置和具有“1/f 波动”风速的、接近自然风的电风扇、空调装置等。武者利光教授在日本创立了“波动研究所 ” , 主要是进行“1/f 波动”理论基础研究以及在日常生活方面的应用研究,例如,通过对人的脑电波的测定判断人的喜怒哀乐,室内装饰和照明的布局及使人感到和谐的商品设计等。试图使人的“五感”得到美的享受。另外,在室内噪声方面,他们也提出了与其消除噪声,不如将噪声转换为符合“1/f 波动”变化规律的、使人感到舒适的噪声的设想。本作品的指导教师在日本攻读博士学位期间,就成功地将“1/f 波动”理论应用于海洋植物模糊图象特征提取及质量鉴定。
  我们深深认识到,积极应用“1/f 波动”为人们创造美好的生活环境、开发使人感到舒适的各种装置,对改善人们的生活质量,减轻激烈竞争社会对人们所形成的压力显得越来越加重要。
  虽然“1/f 波动”的研究及应用在国外已取得了一定的成果,但我们查阅了各种资料和学术刊物后,发现国内尚未有人涉足该领域的研究。所以,基于此理论,我们在图形、图像、纺织印染、电机以及音乐等领域进行了具体的探索,并取得了一定的成果。
  人们通过把机械波按其频率--每秒钟振动的次数,而分为次声、可听声、超声以及特超声等。振动频率在20Hz 至200KHz 之间的可听声波是我们所研究的范围。在可听声中,又分为乐声和噪声。凡是振动波形是周期性的、在频谱上是分列的线性谱、听起来有一定音调的,就叫做“乐音”;反之,凡是其振动的波形成非周期性、在频谱上是连续的、听起来没有一定音调,但饱满生动,则叫做“噪声”。大自然中的声音大多属于乐音与噪声之间,即线性谱中混有一段段的连续谱成份。从物理上讲,音乐声应有三部分组成,即:乐音、在音乐中使用的噪声,以及对音色有影响的在谐波中存在的一部分噪声。当两列振动方向相同,强弱差不多,但频率不同的波叠加时,会产生“和频”即“差频”。当它们之间的频率相差很小时,差频就很明显,叫做“拍”频,这两者频率相差多少赫兹,每秒就出现多少次的拍频。人的耳朵对于以每秒 6-8Hz 的颤音,感觉比较舒服。看过电影“Titanic”的人们都会感受到,“Titanic”不仅情节引人入胜,其获得奥斯卡最佳音乐奖的“My heart will go on”那首风笛曲,更是被大家赞不绝口。对它的分析结果表明,其功率谱密度接近于 1/f 波动曲线。
  本应用在深入探讨人类对于图像认识的基础上,大胆创新,将图像与 MIDI 音乐结合起来,在忠实于原始图像信息的前提下,将图像信息转换为数字音乐信息,将视听结合起来,让听觉感受美术作品的视觉效果。图像的乐曲也许会激发出作曲家的创作灵感,使他们得到意想不到的惊喜。
  该应用与人的情感,感觉有着密切关系。她是科学与艺术的结合,是一种创新和尝试,已申请专利。另外,本应用已被将在世纪之交开幕的中国科技馆二期工程所采纳。我们希望以我们自己的努力来填补我国在该领域的空白,赶超世界先进水平。并希望我们的作品能够服务于社会,提高人们的物质生活水平。我们相信在不远的将来“1/f 波动”理论这朵奇葩必将会结出丰盛的硕果! 
  虽然上述关于“1/f 波动”理论的介绍已很详尽,但由于它仅从理论的角度进行讨论,无法给人以直观的感觉,对人们去了解,认识“1/f 波动”理论造成了一定的困难,这势必将影响到“1/f 波动”理论及其应用的发展。
  纺织是最古老的行业之一,从远古时代开始,人类就跟纺织结下了不解之缘。随着社会的发展,人们在衣着方面也有了巨大的变化:颜色从一色的灰白蓝到绚丽多彩,图案亦从单调死板变为新颖别致。纺织行业前景广阔。然而据一项调查报告显示,我国每年用于纺织面料进口的外汇高达60亿美元,而同期国产面料却积压150万吨。长期以来企业只重视生产,不重视设计是造成这一现象的主要原因。当今社会的人们不但追求美,还追求个性。千篇一律,花色单一的图案越来越难以引起人们的兴趣。试想,当您穿上一件新买的衣服走在大街上,却发现许多人的服装与自己的相同时,是否会有一种落俗的感觉。如何才能快速、方便的设计出大量令大多数人感觉和谐、舒适新颖的图案,这正是国内纺织印染行业亟待解决的难点。以前由于对美的评价没有统一的标准,设计师设计的图案,往往是凭借个人的喜好、风格、经验或者借鉴其他人设计的图案来进行设计,他们没有什么快捷方便的方法可循,设计出的图案具有较大的个人色彩。譬如,新潮、前卫的图案较受年轻人的喜好,却不为年纪大的人所接受。而且这种设计方法费时费力,远远不能满足社会的需要。1/f 波动和谐图案的随机生成是以 1/f 波动理论为依据,即以 1/f 波动作为评价美的尺度,借助计算机,自动生成令人感到舒适、和谐的图案。其特点体现在创意新颖、设计速度快。它可在较短的时间内随机生成多幅图案供用户挑选,扩大了选择的自由度。现在让我们通过几幅图案来说明这个问题。现在大家穿的 T-shirt,由于其条纹规则,给人一种单调、死板的感觉。图1和图2中的每一条纹,其横向宽度符合 1/f 变化规律,同时其在列向的起伏亦是符合 1/f 变化规律,使图案显得和谐、统一。另外,在图3中,圆点的大小以及排列的变化也符合 1/f 波动规律;图3中水珠变形的规律亦是符合 1/f 波动规律。上述图案均给人们一种和谐、美的感觉。
  该系统可在同一数学模型下随机生成无数多幅图案供用户挑选,例如,图1和图2即为同一条纹模型下,随机数不同时所产生的图案。整个设计过程都由计算机自动随机完成,因而每次的图案都不同。这对于纺织印染行业的图案设计是一个质的突破,图案可以千变万化,各不相同,设计时间大大缩短,这就意味着巨大的经济效益。

 

 

图1

图2

图3

 


  在炎热的夏天,徐徐吹来的自然风使人感到轻凉、舒适。其中原因前面已介绍,自然风的频谱符合 1/f 波动规律,这样就会激发人体内的α脑波,刺激神经系统,使人感觉轻松、舒适。在炎热的夏天,人们使用电风扇进行驱暑,然而由于现在的电风扇吹出的为恒定风速,容易使人感到不适。我们将电机的恒定转速改变为符合 1/f 波动规律的转速,使电风扇吹出的风如自然风般令人感到轻松舒适。
  其控制部分自动生成符合 1/f 波动规律的数据,然后通过驱动部分使电机旋转。1/f 转速电机的实现将打破现有电风扇设计技术停滞不前的状态,将电风扇行业的发展推向一个新的阶段。1/f 转速电机还可用于空调、按摩器及医疗、保健设备等中。比如说,若使按摩器的机械振动呈 1/f 变化规律,同样可以刺激人的神经系统,使人的肌肉以及整个神经系统放松,达到消除疲劳以及按摩治疗的效果。目前在国内还没有研制出像 1/f 转速电机这样成型的产品,所以本项目极具新意,它的应用能使我们的生活环境更加舒适,发展前景广阔。在人们不断追求生活质量的今天,由 1/f 转速电机控制的产品必将显示出巨大的市场潜力。此外,它还可应用于工矿企业的风机、振动筛等设备上,能达到节能、高效的目的。

 

 

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