淺析如何理解算法與具體應用領域的結合

洪 巖

淺析如何理解算法與具體應用領域的結合

洪 巖★

本文結合審查實踐中的典型案例，淺析如何判斷算法是否與特定技術領域緊密結合，并就撰寫算法相關發明專利申請的要點提出思考和建議。

算法 應用領域 技術問題

一、引 言

算法的概念可以理解為是對解題方案的準確而完整的描述，代表用系統的方法描述解決問題的策略機制。經典的算法有很多，如歐幾里德算法、割圓術、秦九韶算法等。隨著工業化和智能化的發展，計算機因其卓越的數據處理能力，使復雜算法的運算變得簡單，算法在各工業領域的應用也日漸廣泛。作為求解問題的輔助工具，根據應用領域、運算量、求解目的等不同，在解決實際問題時，我們會選擇不同的算法。例如，在對物體表面進行網格化處理時會選用有限元算法、對數據進行壓縮時會想到傅立葉變換等算法、對人臉進行識別時會利用遺傳等算法。由此，涉及算法在不同領域應用的發明專利申請也日益增多。

《專利審查指南》（2010版）第二部分第一章規定：涉及演繹、推理的方法以及數學理論和換算方法，屬于智力活動的規則和方法，不能被授予專利權。由此，單純涉及數學理論和計算方法的算法相關發明專利申請不屬于專利保護的客體。一般說來，如果一項解決方案涉及算法在特定技術領域的應用，算法各運算步驟與方案要解決的問題之間具有明確的技術關聯，算法涉及的計算因子具有該技術領域相應的物理技術含義，應用該算法能夠達到解決該特定技術領域的技術問題的效果，那么由此形成的解決方案構成技術方案，屬于專利保護的客體。

本文擬結合審查實踐中的典型案例，淺析如何判斷算法是否與特定技術領域緊密結合，并就撰寫算法相關發明專利申請的要點提出思考和建議。

二、未體現出具體應用技術領域的典型案例及評析

讓我們先來看看如下權利要求所記載的內容：

1.一種標記方法，其特征在于，包括如下步驟：

設置p、q和g作為參數，其中p和q是素數，而g是在1和p之間的整數，并且當它的q次冪除以p時，其值為1；

設置第一數據x，x=gr1mod p；

設置第二數據e，e為隨機數；

設置第三和第四數據y1和y2，y1=r+er4mod q，y2=r+er3mod q；r2和r3是隨機數，根據函數r=r1+s1r2mod q計算值r，根據函數r4=s1r4+s2mod q計算r4；

上述權利要求1所記載的“標記方法”僅涉及運算公式及相關參數，根據上述方案，我們僅能判斷出該計算步驟是為了驗證第一數據x和第五數據x’之間的數學關系。我們在閱讀該項權利要求時，看不出其應用于哪一領域，要解決何種問題，不清楚方案中各參數到底有何含義。同時，按照當前解決方案記載的各個計算步驟去實施該方案，所獲得的效果也僅僅是按照各計算步驟獲得運算結果。由此，上述解決方案所要求保護的內容屬于《專利法》第25條第1款第（2）項規定的智力活動的規則和方法，不屬于專利保護的客體。

在現有的交易活動中，用他人身份進行消費欺詐、數據在傳送過程中被惡意篡改等事情頻頻出現，因而，如何對用戶真實身份進行鑒別，乃至如何在數據傳輸過程中防止數據被篡改的問題亟待解決。現有的解決方案通過標記和鑒別數據交互實體的電子簽名來防止數據在傳輸過程中被篡改，具體驗證流程為：

（a）從試驗者向驗證者發送第一信號；

（b）由驗證者產生的隨機數作為第二信號；

（c）從試驗者向驗證者發送第三和第四信號，其中第三信號是試驗者根據自身保密信息和驗證者發送的隨機數計算得到的；第四信號是驗證者根據自身保密信息計算得到的；

（d）通過試驗者的公共信息計算第五信號，通過比較第一信號與第五信來確定試驗者實體是否可信。

為了提高鑒別過程的保密性同時降低數據運算量，發明人將上述“標記方法”應用到上述“數據鑒別”過程中，形成如下解決方案：

2.一種數據鑒別方法，用于鑒別電子數據處理系統中的試驗者實體到驗證者實體之間傳送的數據，其特征在于，包括如下步驟：

（a）從試驗者實體向驗證者實體發送代表值X的第一信號，該第一信號是試驗者實體通過計算值x=gr1mod p產生，這里p和q是素數，而g是1到p之間的整數，并且r1是1到q之間的隨機數；

（b）從驗證者實體向試驗者實體發送代表隨機數e的第二信號，該第二信號是由驗證者實體通過產生一隨機數e而產生的；

（c）在接收到第二信號后，分別從試驗者實體向驗證者實體發送代表值y1和y2的第三和第四信號，該第三和第四信號是由試驗者實體通過計算值y1=r+er4mod q和值y2=r+er3mod q產生的，r2和r3是隨機數，根據函數r=r1+s1r2mod q計算值r，根據函數r4=s1r4+s2mod q計算r4，并且s1，s2是試驗者實體的保密信息標號；和

（d）在收到第一、第三和第四信號后，通過比較第一信號與代表值x’的第五信號來確定試驗者實體是否可信，該第五信號是由驗證者實體通過計算值而產生的，這里V1和V2是根據函數V1=g-s1mod p和V2=g-s2mod p計算的試驗者實體的公共信息標號。

在權利要求2記載的方案中，權利要求的主題名稱明確記載了該方案涉及“數據鑒別”領域，即明確了該方案涉及的技術領域，并詳細記載了其鑒別的是電子數據處理系統中試驗者和驗證者實體間的傳輸數據，即明確了該方案的應用目的。在該方案的實現過程中，權利要求1記載的“標記方法”中的算法特征“設置p、q和g作為系統參數；x=gr1mod p； yl=r+er4mod q，y2=r+er3mod q；r=r1+s1r2mod q，根據函數r4=s1r4+s2mod q計算r4；，V1和V2是根據函數V1=g-s1mod p，V2=g-s2mod p計算的”，不再是簡單的數值運算，其各個運算步驟與數據交換鑒別的每個流程在技術上緊密關聯，計算公式中涉及的每個計算因子都被賦予了數據鑒別領域的物理含義。例如，第二信號e是驗證者實體通過產生一隨機數；第一信號x是試驗者實體通過隨機數計算得到的用于驗證的數據；s1、s2是試驗者實體的保密信息標號；作為第三和第四信號的y1和y2是根據隨機數e、試驗者實體的保密信息標號計算得到的；V1和V2是試驗者實體的公共信息標號；第五信號x’是由驗證者實體通過第三、第四信號以及試驗者實體的公共信息標號計算得到的。

由此，權利要求2記載的解決方案利用上述“標記方法”來鑒別數據實體的真實性，解決了防止數據在傳輸過程中被篡改的技術問題，實施上述方案能夠獲得“保密性高且運算量小”的技術效果。因而，權利要求2記載的解決方案構成了技術方案，屬于專利保護客體。

從權利要求撰寫方面來看，權利要求2記載的解決方案中雖然也涉及用于標記的計算公式，例如，設置第一信號x，x=gr1mod p；設置第二信號e，e為隨機數；設置第三和第四信號y1和y2，yl=r+er4mod q，y2=r+er3mod q；r2和r3是隨機數；設置第五信號。但是，除了記載必要的算法特征外，該權利要求中還記載了該數據鑒別流程的具體實現步驟，將標記方法與鑒別流程緊密結合，明確了方案應用的技術領域，確保了方案的完整性，使該方案整體上反映出了利用標記算法在驗證者實體和試驗者實體間進行數據鑒別的技術信息。具體而言，根據上述方案的記載，可以使技術人員明確知曉第一信號x是試驗者向驗證者發送的試驗信號，第二信號e是驗證者向試驗者發送的隨機數，試驗者根據其自身的保密信息標號和接收到的隨機數e按預定算法計算出第三、第四信號并發送給驗證者，驗證者根據試驗者的公共信息標號計算第五信號，并通過比較第一和第五信號來驗證試驗者實體是否可信。也就是說，上述權利要求中的各個參數不再是孤立的、毫無意義的，而是數據鑒別領域中，各實體用來驗證身份的標識。

三、算法在不同應用領域的典型案例及評析

1.圖像領域

【相關案情】

一種基于運動檢測和自適應濾波的視頻圖像降噪方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一，根據輸入視頻圖像進行噪聲方差估計σ2，并計算運動檢測閾值Th_t和空域自適應濾波閾值Th_s；

步驟二，采用基于宏塊的運動檢測進行運動-靜止區域分割，并采用均值濾波和宏塊的空間約束排除噪聲對分割的影響；

步驟三，在靜止區域采用時域卡爾曼濾波，以遞推濾波方法進行處理；

步驟四，在運動區域采用空域自適應濾波，自適應濾波器根據濾波像素和當前像素間差值和距離計算濾波像素對當前像素的影響。

【案例評析】

上述案例請求保護“一種基于運動檢測和自適應濾波的視頻圖像降噪方法”，該解決方案涉及圖像處理領域，其中涉及的方差估計、時域卡爾曼濾波等算法所處理的對象均為視頻圖像領域的像素，該方案的各個計算步驟整體上所要解決的問題是圖像降噪的技術問題，因此，該解決方案構成技術方案，屬于專利保護的客體。

2.編碼領域

【相關案情】

一種支持任何碼率/碼長的低密度奇偶校驗碼編碼方法，用于將來自信源編碼器的信號進行編碼，然后輸出給調制器，其特征在于包括如下步驟：

A.設定一個特定碼率變碼長的低密度奇偶校驗碼母碼集，用于實現（N=z×nb，K=z×kb）低密度奇偶校驗碼的編譯碼，其中z∈｛zmin∶1∶zmax｝；該碼集具有一個統一形式的（mb×nb）基礎矩陣，為了實現（z×nb，z×kb）編譯碼，用修正運算和擴展因子z來修正統一的基礎矩陣，得到修正后的基礎矩陣，再根據和z就可以擴展得到奇偶校驗矩陣；并且基礎矩陣總有碼率，其中，nb是大于2的整數，mb是大于1的整數；

B.當碼率R低于等于R0時，令編碼前任意信息分組長度為K，編碼后任意碼字長度為N，z是結構化LDPC碼的擴展因子，校驗位個數是M=N-K；用于完成（N，K）的LDPC碼的編碼方法包括：

步驟B2：添加x=kb·z-K零比特到K個信息比特之前，構成編碼所需要的kb×z信息分組；然后進行（mb×z，nb×z）LDPC編碼，得到mb×z個校驗位；

步驟B3：對母碼碼字刪除步驟B2中添加的x個零比特，如果刪除后的碼字比特數目和所需要的分組大小N不匹配，刪除零比特后：重復碼字中y=N-K-mb×z個比特，或者添加碼字中y=N-K-mb×z個零比特到刪除零比特后的碼字之前或者之后，最終得到長度為N的碼字；

C.當碼率R高于R0時，令編碼前任意信息分組長度為K，編碼后任意碼字長度為N，z是結構化LDPC碼的擴展因子，校驗位個數是M=N-K；用于完成（N，K）的LDPC碼的編碼方法包括：

步驟C2：添加x=kb·z-K零比特到K個信息比特之前，構成編碼所需要的kb×z信息分組；然后進行（mb×z，nb×z）LDPC編碼，得到mb×z個校驗位；

步驟C3：對母碼碼字刪除步驟C2中添加的x個零比特，如果刪除后的碼字比特數目和所需要的分組大小N不匹配，從上述刪除零比特后碼字中繼續刪除y=mb×z-N+K個比特，最終得到長度為N的碼字。

【案例評析】

對于該示例，其請求保護的是一種支持任何碼率/碼長的低密度奇偶校驗碼編碼方法，該解決方案中雖然存在大量的函數和公式，但是從該權利要求的主題名稱和方案中可明顯看出其應用于通信技術領域，該方案的處理對象是碼字，而非無技術含義的簡單數值。該方案能夠解決通信領域中不同碼率、不同碼長的LDPC碼具有統一基礎矩陣的問題，這屬于技術問題，實施該方案能夠節省硬件成本，提高編碼的靈活性，使碼的適用范圍得到很大擴展，這是技術效果。由此，上述案例請求保護的解決方案構成技術方案，屬于專利保護客體。

3.電力領域

【相關案情】

一種考慮風電機組運行健康程度的風電場優化調度方法，其特征在于，該優化方法包括如下步驟：

1）對風電機組運行進行健康評估，確定風電機組的健康度，針對所述風電機組，選擇風電機組中參與健康評估的評估因素，對所述評估因素進行劣化度處理，并綜合所述評估因素的劣化度，得到風電機組的整機健康狀況的綜合劣化度g：

2）基于綜合劣化度g進行風電場功率優化，其包括如下子步驟：

21）計算風電場內運行機群總體健康度指標U；

22）計算風電機組的啟停統計次數指標V；

23）計算風電場的功率偏差指標W；

24）根據上述三個指標構造出風電場優化的多目標函數；

3）采用基于混合編碼方法的遺傳算法進行優化，獲得風電機組的啟停組合和目標功率值。

【案例評析】

上述案例請求保護“一種考慮風電機組運行健康程度的風電場優化調度方法”，由于權利要求中的算法是被應用于風力發電這一技術領域，并且算法的運算因子與風電機組的具體運算參數具有特定的關聯關系，應用這一算法相應地解決了在考慮風電機組運行健康程度情況下優化風電場調度的技術問題并產生了相應的技術效果。因而，上述解決方案構成技術方案，屬于專利保護的客體。

4.計算機領域

【相關案情】

一種多發射嵌入式處理器編譯器的優化方法，該方法基于編譯器前端輸出為靜態單一賦值樹形式的中間表達，其特征在于，包括以下步驟：

（1）轉換中間表達，將賦值樹形式的中間表達轉換為目標指令的指令序列；

（2）優化指令序列，在多發射引擎指導下，將步驟（1）中得到的指令序列調整指令順序，得到若干個指令順序優化的指令序列；

（3）寄存器分配，根據遺傳算法，將步驟（2）得到的若干個指令順序優化的指令序列作為個體，通過寄存器分配，將個體中的虛擬寄存器代替為物理寄存器，得到匯編代碼；

（4）適應值計算，根據運行周期和寄存器依賴情況計算每個個體的適應值，然后確定優秀個體，并將優秀個體作為下一代的個體進行交叉，變異；

（5）重復步驟（3）和步驟（4），當個體的適應度和種群的適應度不再上升時，說明迭代算法收斂，從而獲得多發射處理器下的最優匯編代碼。

【案例評析】

上述案例請求保護“一種多發射嵌入式處理器編譯器的優化方法”，通過主題名稱和具體方案可知，其涉及計算機領域。此外，該方案利用遺傳算法等優化了計算機處理器的編譯過程，解決了多發射處理器的編譯優化的技術問題，實施該方案可以獲得提高多發射處理器流水線性能的內部性能改進效果，因而，該解決方案構成技術方案，屬于專利保護的客體。

四、小 結

對于將算法應用于某一特定領域從而形成的解決方案而言，在判斷該方案是否屬于保護客體時，可以進一步判斷方案中涉及的算法特征與方案要解決的問題之間是否具有明確的技術關聯，算法涉及的計算因子是否具有相應領域的物理含義，應用該算法的數據處理過程能否解決該領域中的技術問題并獲得技術效果。

根據《專利審查指南》（2010版）第二部分第九章的規定，如果一項權利要求除其主題名稱之外，對其進行限定的全部內容僅僅涉及一種算法或者數學計算規則，其仍屬于《專利法》第25條第1款規定的智力活動的規則和方法，不屬于專利保護的客體。據此，當權利要求要保護的解決方案僅從主題名稱中能夠體現出其應用的技術領域，但是對方案的限定仍然是對某種算法的優化過程，在該算法的處理過程中沒有體現其與相應的技術領域相互關聯時，此種解決方案亦無法得到專利保護。

因此，在撰寫算法相關的發明專利申請的權利要求書時，不能在權利要求中僅記載算法或數學運算規則的內容，還應在主題名稱和具體方案中明確體現出該算法應用的技術領域，從而避免因撰寫失當導致權利喪失。

國家知識產權局專利局電學發明審查部。