彭來(lái)湖, 呂江東, 汝 欣， 史偉民， 向 忠

(1. 浙江理工大學(xué) 現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)教育部工程研究中心， 杭州 浙江 310018；2. 浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 浙江 310018)

提花圓緯機(jī)花型圖案嵌入式顯現(xiàn)系統(tǒng)

彭來(lái)湖1,2, 呂江東1,2, 汝 欣1,2， 史偉民1,2， 向 忠1,2

(1. 浙江理工大學(xué) 現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)教育部工程研究中心， 杭州 浙江 310018；2. 浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 浙江 310018)

針對(duì)目前提花圓緯機(jī)花型文件數(shù)據(jù)安全性低，花型圖案無(wú)法在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)直觀顯現(xiàn)等問(wèn)題，研究了基于RSA的花型文件數(shù)據(jù)加、解密算法，提出了提花圓緯機(jī)花型圖案嵌入式顯現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。論述了花型文件數(shù)據(jù)加、解密算法的編程實(shí)現(xiàn)，以及在Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)下花型文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BMP圖形的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程以及花型圖案顯現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。經(jīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)證，提花圓緯機(jī)花型圖案嵌入式顯現(xiàn)系統(tǒng)能直觀地顯示花型圖案，算法加密確保了花型文件在傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)安全性，很好地解決了新款織物花型文件保密及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)在機(jī)顯示問(wèn)題。

提花圓緯機(jī)； RSA算法； 花型圖案顯示； 加密算法

隨著電腦在針織行業(yè)中的應(yīng)用，電腦提花圓緯機(jī)以其簡(jiǎn)便快捷的操作方式備受各生產(chǎn)廠家的青睞[1-2]，然而，傳統(tǒng)提花圓緯機(jī)由于其花型數(shù)據(jù)安全性較低且花型文件易被拷出，導(dǎo)致花型數(shù)據(jù)格式易被人破解，造成大量技術(shù)流失，而且，在提花圓緯機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，目前的嵌入式控制系統(tǒng)中花型圖案沒(méi)有直觀地顯示，在生產(chǎn)新款樣布或織物編織出錯(cuò)時(shí)，操作工人無(wú)法快速通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)花型圖案與編織布面對(duì)比觀察，判斷是工藝參數(shù)問(wèn)題還是機(jī)器問(wèn)題，造成較多紗線浪費(fèi)。針對(duì)以上問(wèn)題，本文研究了提花圓緯機(jī)花型圖案嵌入式顯現(xiàn)系統(tǒng)。

1 嵌入式花型圖案顯現(xiàn)功能需求

提花圓緯機(jī)控制器通過(guò)解析花型文件數(shù)據(jù)并據(jù)此控制執(zhí)行部件作出相應(yīng)的動(dòng)作，編織相應(yīng)的花型，因此花型數(shù)據(jù)是提花圓緯機(jī)的靈魂。實(shí)際生產(chǎn)中要求提花圓緯機(jī)具有以下功能：1)針對(duì)花型數(shù)據(jù)安全性低且花型文件易被拷出的問(wèn)題，需要對(duì)原始花型數(shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)，破壞原始花型數(shù)據(jù)的規(guī)律性；2)提花圓緯機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)花型圖案要有良好的顯示，才可實(shí)現(xiàn)花型圖案整體與局部觀察；3)具有花型文件維護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)花型文件與花型圖案拷貝、刪除及花型下載功能。

2 花型文件加密算法研究及實(shí)現(xiàn)

加密算法通常分為兩大類：對(duì)稱式和非對(duì)稱式。對(duì)稱式加密就是加密和解密使用同一個(gè)密鑰，典型代表為DES加密算法。非對(duì)稱式加密就是加密和解密使用的不是同一個(gè)密鑰，通常有2個(gè)密鑰，稱為公鑰和私鑰，典型代表為RSA加密算法。

DES算法在處理速度方面優(yōu)于RSA算法，但安全性相對(duì)較差。由于嵌入式系統(tǒng)CPU處理速度較PC機(jī)慢且嵌入式系統(tǒng)的磁盤(pán)空間較小(一般只有幾百兆)，如果對(duì)整個(gè)花型文件(較大花型有十幾兆)用DES或RSA算法進(jìn)行加密，一方面嵌入式系統(tǒng)在解密中花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致使用效果較差；另一方面加密后的文件大小為加密前的幾倍或者十幾倍，導(dǎo)致占用較大嵌入式系統(tǒng)磁盤(pán)空間。結(jié)合以上要點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用，本文以安全性為首要考慮要素，提出一種算法：利用RSA算法對(duì)基數(shù)進(jìn)行加密，再利用基數(shù)加密花型數(shù)據(jù)。

RSA是目前應(yīng)用最為廣泛的公鑰加密算法[3]，能夠抵抗到目前為止已知的絕大多數(shù)密碼攻擊，已被ISO推薦為公鑰數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。RSA算法原理[4-6]為：隨機(jī)產(chǎn)生2個(gè)不相等的質(zhì)數(shù)p和q以及隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)整數(shù)e， 1

n=pq

(1)

式中：n為密鑰的長(zhǎng)度；φ(n)為歐拉公式；modφ(n)為φ(n)的模逆元，d為e對(duì)φ(n)的逆。

(4)

(5)

加密過(guò)程：首先隨機(jī)產(chǎn)生2個(gè)基數(shù)a、b；然后利用RSA算法產(chǎn)生密鑰；利用密鑰對(duì)基數(shù)加密產(chǎn)生密文；接著根據(jù)式(4)、(5)對(duì)花型初始數(shù)據(jù)進(jìn)行加密；最后依次在加密后的花型文件中寫(xiě)入密鑰長(zhǎng)度、密鑰、密文長(zhǎng)度、密文、加密后的花型數(shù)據(jù)。

解密過(guò)程：首先讀取密鑰長(zhǎng)度，根據(jù)密鑰長(zhǎng)度讀取密鑰；然后讀取密文長(zhǎng)度，根據(jù)密文長(zhǎng)度讀取密文；接著根據(jù)密鑰解密密文，得到基數(shù)a、b；最后根據(jù)式(4)、(5)對(duì)加密后的花型數(shù)據(jù)解密，得到未加密的花型數(shù)據(jù)?；ㄐ徒饷芰鞒倘鐖D1所示。

圖1 花型解密流程Fig.1 Process flawchart of pattern decryption

3 嵌入式花型圖案顯現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 顯現(xiàn)系統(tǒng)功能

花型圖案顯現(xiàn)系統(tǒng)如圖2所示，包含花型拷貝及刪除、花型解碼、花型下載、圖片放大縮小4部分。

圖2 花型圖案顯現(xiàn)系統(tǒng)Fig.2 Display system of pattern

花型拷貝及刪除：拷貝過(guò)程為花型文件從U盤(pán)拷入到上位機(jī)或者從上位機(jī)拷出到U盤(pán)中，刪除包括刪除U盤(pán)或上位機(jī)中的花型；花型解碼：對(duì)花型文件進(jìn)行解密得到初始花型數(shù)據(jù)；花型下載：將解密后的花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成下位機(jī)可識(shí)別的格式，然后下載到下位機(jī)中；圖片放大縮?。簩?duì)由花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成的花型圖案進(jìn)行放大或縮小操作，便于更好地觀察。

花型下載的流程：上位機(jī)計(jì)算數(shù)據(jù)包數(shù)(每包數(shù)據(jù)4 K Bytes)，向下位機(jī)發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)請(qǐng)求；如果上位機(jī)接收到下位機(jī)響應(yīng)，傳輸一包數(shù)據(jù)，直到發(fā)送完最后一包數(shù)據(jù)；如果上位機(jī)未收到下位機(jī)響應(yīng)并超時(shí)，則結(jié)束本次下載。花型下載流程如圖3所示。

圖3 花型下載流程Fig.3 Process flawchart of downloading pattern

3.2 花型轉(zhuǎn)圖型方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的花型圖案顯現(xiàn)系統(tǒng)采用的開(kāi)發(fā)工具為Visual Studio 2008，基于Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)。

不難看出，本文研究所設(shè)計(jì)的花型圖案顯現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何將花型文件轉(zhuǎn)換成圖片。對(duì)此本文研究提出3種方案：1)將花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成JPG格式的圖片；2)將花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BMP格式的圖片；3)用BMP位圖代替像素點(diǎn)，組合成一張大的BMP圖。

JPG是一種以損失質(zhì)量為代價(jià)的壓縮方式，是對(duì)圖像中某些相同的色彩進(jìn)行壓縮，壓縮比越高，圖像質(zhì)量損失越大[7]。BMP格式位圖文件是一種設(shè)備無(wú)關(guān)位圖[8]，使用非常廣，采用位映射存儲(chǔ)格式，除圖像深度可選以外，不采用其他任何壓縮，BMP文件所占用的空間較大。方案3用BMP位圖代替形成的圖片大，觀察不方便，而且BMP圖的種類有限，無(wú)法很好地代替繁多顏色的像素點(diǎn)。3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。由表可看出，方案2更優(yōu)。

表1 3種方案優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 Advantages and disadvantages of three solutions

3.3 花型轉(zhuǎn)BMP圖型實(shí)現(xiàn)

BMP圖像文件是位圖文件，位圖表示的是將1幅圖像分割成柵格，柵格的每1點(diǎn)稱為像素，每個(gè)像素具有自己的RGB值，即一幅圖像是由一系列像素點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)陣[9]。本文研究定義的位圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括4部分：花型高度H、花型寬度W、補(bǔ)齊后花型寬度Wc、調(diào)色板C[256]。

花型文件中前4個(gè)字節(jié)記錄了花型的高度，花型的寬度。根據(jù)花型的寬度可計(jì)算出補(bǔ)齊后花型的寬度，計(jì)算公式如下：

Wc=[(W+255)÷256]×256

(6)

花型矩陣用P表示，由h×w個(gè)像素點(diǎn)組成。其中h表示花型的高度，w表示花型寬度。BMP圖寬度為4像素點(diǎn)的倍數(shù)，如果花型寬度不為4的倍數(shù)，需對(duì)矩陣P進(jìn)行寬度補(bǔ)齊，補(bǔ)齊后的花型矩陣用P′表示，補(bǔ)齊后的花型寬度用w′表示，w′為4的倍數(shù)，w′≥w，矩陣P和P′定義如下所示。

(7)

(8)

本文研究轉(zhuǎn)換出來(lái)的位圖采用24色。根據(jù)不同的花型格式，本文采取2種方式對(duì)位圖RGB進(jìn)行填充。一種是從左到右，從上到下，另一種是從右到左，從下到上。每行的字節(jié)必須是4的整數(shù)倍，如果不是則需要補(bǔ)0填充[10]，所以補(bǔ)齊的像素點(diǎn)不填充。像素值Bij(表示第i行第j列像素值)從調(diào)色板C[256]中取出，RGB值分別占像素點(diǎn)的16～23、8～15、0～7位。RGB值的提取公式如下：

bij=Bij&0x0000ff

(9)

gij=Bij&0x00ff00

(10)

rij=Bij&0xff0000

(11)

式中：bij表示第i行第j列像素值中的B值；gij表示第i行第j列像素值中的G值；rij表示第i行第j列像素值中的R值。式(9)通過(guò)與運(yùn)算取出像素點(diǎn)的0～7位，同理式(10)、(11)分別取出像素點(diǎn)的8～15和16～23位。

根據(jù)以上分析，轉(zhuǎn)換生成的BMP圖格式如圖4所示，實(shí)線矩形框?yàn)樯傻腂MP圖。

圖4 BMP圖Fig.4 Bitmap

綜上分析，得出花型轉(zhuǎn)換成圖片流程，如圖5所示。

圖5 花型轉(zhuǎn)換成圖片流程Fig.5 Process flowchart of converting pattern to picture

3.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文研究采取方案2所設(shè)計(jì)的花型圖案顯示系統(tǒng)如圖6所示。其中：圖6(a)為1倍顯示界面；圖6(b)為5倍顯示界面，以便于花型圖案局部觀察。顯示界面左半部分有本地磁盤(pán)和USB設(shè)備2個(gè)選項(xiàng)條，可切換選擇。右半部分顯示選中花型的圖案及幾個(gè)功能按鈕，可對(duì)花型文件和花型圖案進(jìn)行操作。

圖6 花型圖案顯現(xiàn)系統(tǒng)Fig.6 Display system of patterns.(a) Display once; (b)Display five times

4 結(jié) 論

本文針對(duì)針織機(jī)械裝備核心技術(shù)問(wèn)題花型文件的安全傳遞和在現(xiàn)場(chǎng)呈現(xiàn)，深入討論了花型文件安全的重要性及加密過(guò)程，詳細(xì)闡述了花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BMP圖的過(guò)程，設(shè)計(jì)了提花圓緯機(jī)花型圖案嵌入式顯現(xiàn)系統(tǒng)。此顯現(xiàn)系統(tǒng)完善了提花圓緯機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)的功能，進(jìn)一步提高了花型文件傳遞的安全性和現(xiàn)場(chǎng)操作工人的打樣和調(diào)機(jī)效率，間接降低了系統(tǒng)維護(hù)的成本，具有良好的工程應(yīng)用前景。

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Embedded display system for pattern of jacquard circular knitting machine

PENG Laihu1,2, Lü Jiangdong1,2, RU Xin1,2, SHI Weimin1,2, XIANG Zhong1,2

(1.TechnologyofModernTextileMachinery&TechnologyofMinistryofEducation,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China; 2.KeyLaboratoryofModernTextileMachinery&TechnologyofZhejiangProvince,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

In view of problems of existing jacquard circular knitting machines, such as low pattern safety and no intuitive display on production field and so on, this paper studies pattern encryption and decryption based on RSA algorithm and proposes a design which is an embedded display system of patterns of jacquard circular knitting machines. This paper discusses pattern encryption and decryption algorithm, the design and realization of converting pattern data to bitmap on the Windows CE embedded operating system and the design of the pattern display system. Proved by production field, the jacquard circular knitting machine pattern embedded display system can display patterns intuitively and ensure the safety of the pattern file transfer by the encryption algorithm, which solves the problems on security of new sample cloth pattern file and display on machine on the production field.

jacquard circular knitting machine; RSA algorithm; pattern intuitive display; encryption algorithm

10.13475/j.fzxb.20150804005

2015-08-24

2016-03-24

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAF05B00)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAF06B03)

彭來(lái)湖(1980—)，男，講師，博士生。主要研究方向?yàn)獒樋椦b備控制技術(shù)。E-mail：laihup@zstu.edu.cn。

TP 311； TS 181.8

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