彭來湖, 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)重點實驗室， 杭州 浙江 310018)

提花圓緯機花型圖案嵌入式顯現(xiàn)系統(tǒng)

彭來湖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)重點實驗室， 杭州 浙江 310018)

針對目前提花圓緯機花型文件數(shù)據(jù)安全性低，花型圖案無法在生產(chǎn)現(xiàn)場直觀顯現(xiàn)等問題，研究了基于RSA的花型文件數(shù)據(jù)加、解密算法，提出了提花圓緯機花型圖案嵌入式顯現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計方案。論述了花型文件數(shù)據(jù)加、解密算法的編程實現(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)計與實現(xiàn)過程以及花型圖案顯現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計。經(jīng)生產(chǎn)現(xiàn)場使用驗證，提花圓緯機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)場在機顯示問題。

提花圓緯機； 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，電腦提花圓緯機以其簡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，在提花圓緯機生產(chǎn)現(xiàn)場，目前的嵌入式控制系統(tǒng)中花型圖案沒有直觀地顯示，在生產(chǎn)新款樣布或織物編織出錯時，操作工人無法快速通過現(xiàn)場花型圖案與編織布面對比觀察，判斷是工藝參數(shù)問題還是機器問題，造成較多紗線浪費。針對以上問題，本文研究了提花圓緯機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

提花圓緯機控制器通過解析花型文件數(shù)據(jù)并據(jù)此控制執(zhí)行部件作出相應(yīng)的動作，編織相應(yīng)的花型，因此花型數(shù)據(jù)是提花圓緯機的靈魂。實際生產(chǎn)中要求提花圓緯機具有以下功能：1)針對花型數(shù)據(jù)安全性低且花型文件易被拷出的問題，需要對原始花型數(shù)據(jù)進行加密保護，破壞原始花型數(shù)據(jù)的規(guī)律性；2)提花圓緯機生產(chǎn)現(xiàn)場花型圖案要有良好的顯示，才可實現(xiàn)花型圖案整體與局部觀察；3)具有花型文件維護功能，可實現(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現(xiàn)

加密算法通常分為兩大類：對稱式和非對稱式。對稱式加密就是加密和解密使用同一個密鑰，典型代表為DES加密算法。非對稱式加密就是加密和解密使用的不是同一個密鑰，通常有2個密鑰，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，但安全性相對較差。由于嵌入式系統(tǒng)CPU處理速度較PC機慢且嵌入式系統(tǒng)的磁盤空間較小(一般只有幾百兆)，如果對整個花型文件(較大花型有十幾兆)用DES或RSA算法進行加密，一方面嵌入式系統(tǒng)在解密中花費時間較長，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)磁盤空間。結(jié)合以上要點及實際應(yīng)用，本文以安全性為首要考慮要素，提出一種算法：利用RSA算法對基數(shù)進行加密，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)加密標準。RSA算法原理[4-6]為：隨機產(chǎn)生2個不相等的質(zhì)數(shù)p和q以及隨機產(chǎn)生一個整數(shù)e， 1

n=pq

(1)

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

(4)

(5)

加密過程：首先隨機產(chǎn)生2個基數(shù)a、b；然后利用RSA算法產(chǎn)生密鑰；利用密鑰對基數(shù)加密產(chǎn)生密文；接著根據(jù)式(4)、(5)對花型初始數(shù)據(jù)進行加密；最后依次在加密后的花型文件中寫入密鑰長度、密鑰、密文長度、密文、加密后的花型數(shù)據(jù)。

解密過程：首先讀取密鑰長度，根據(jù)密鑰長度讀取密鑰；然后讀取密文長度，根據(jù)密文長度讀取密文；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

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：拷貝過程為花型文件從U盤拷入到上位機或者從上位機拷出到U盤中，刪除包括刪除U盤或上位機中的花型；花型解碼：對花型文件進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)換成下位機可識別的格式，然后下載到下位機中；圖片放大縮小：對由花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成的花型圖案進行放大或縮小操作，便于更好地觀察。

花型下載的流程：上位機計算數(shù)據(jù)包數(shù)(每包數(shù)據(jù)4 K Bytes)，向下位機發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)請求；如果上位機接收到下位機響應(yīng)，傳輸一包數(shù)據(jù)，直到發(fā)送完最后一包數(shù)據(jù)；如果上位機未收到下位機響應(yīng)并超時，則結(jié)束本次下載?；ㄐ拖螺d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

本文設(shè)計的花型圖案顯現(xiàn)系統(tǒng)采用的開發(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，組合成一張大的BMP圖。

JPG是一種以損失質(zhì)量為代價的壓縮方式，是對圖像中某些相同的色彩進行壓縮，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)備無關(guān)位圖[8]，使用非常廣，采用位映射存儲格式，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，無法很好地代替繁多顏色的像素點。3種方案的優(yōu)缺點如表1所示。由表可看出，方案2更優(yōu)。

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

3.3 花型轉(zhuǎn)BMP圖型實現(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點稱為像素，每個像素具有自己的RGB值，即一幅圖像是由一系列像素點構(gòu)成的點陣[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、補齊后花型寬度Wc、調(diào)色板C[256]。

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

Wc=[(W+255)÷256]×256

(6)

花型矩陣用P表示，由h×w個像素點組成。其中h表示花型的高度，w表示花型寬度。BMP圖寬度為4像素點的倍數(shù)，如果花型寬度不為4的倍數(shù)，需對矩陣P進行寬度補齊，補齊后的花型矩陣用P′表示，補齊后的花型寬度用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種方式對位圖RGB進行填充。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0填充[10]，所以補齊的像素點不填充。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)通過與運算取出像素點的0～7位，同理式(10)、(11)分別取出像素點的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，實線矩形框為生成的BMP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)實現(xiàn)

本文研究采取方案2所設(shè)計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和USB設(shè)備2個選項條，可切換選擇。右半部分顯示選中花型的圖案及幾個功能按鈕，可對花型文件和花型圖案進行操作。

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

本文針對針織機械裝備核心技術(shù)問題花型文件的安全傳遞和在現(xiàn)場呈現(xiàn)，深入討論了花型文件安全的重要性及加密過程，詳細闡述了花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BMP圖的過程，設(shè)計了提花圓緯機花型圖案嵌入式顯現(xiàn)系統(tǒng)。此顯現(xiàn)系統(tǒng)完善了提花圓緯機嵌入式控制系統(tǒng)的功能，進一步提高了花型文件傳遞的安全性和現(xiàn)場操作工人的打樣和調(diào)機效率，間接降低了系統(tǒng)維護的成本，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

國家科技支撐計劃項目(2013BAF05B00)；國家科技支撐計劃項目(2014BAF06B03)

彭來湖(1980—)，男，講師，博士生。主要研究方向為針織裝備控制技術(shù)。E-mail：laihup@zstu.edu.cn。

TP 311； TS 181.8

A