提花圆纬机花型图案嵌入式显现系统

彭来湖, 吕江东, 汝 欣， 史伟民， 向 忠

(1. 浙江理工大学 现代纺织装备技术教育部工程研究中心， 杭州 浙江 310018；2. 浙江理工大学 浙江省现代纺织装备技术重点实验室， 杭州 浙江 310018)

提花圆纬机花型图案嵌入式显现系统

彭来湖1,2, 吕江东1,2, 汝 欣1,2， 史伟民1,2， 向 忠1,2

(1. 浙江理工大学 现代纺织装备技术教育部工程研究中心， 杭州 浙江 310018；2. 浙江理工大学 浙江省现代纺织装备技术重点实验室， 杭州 浙江 310018)

针对目前提花圆纬机花型文件数据安全性低，花型图案无法在生产现场直观显现等问题，研究了基于RSA的花型文件数据加、解密算法，提出了提花圆纬机花型图案嵌入式显现系统的设计方案。论述了花型文件数据加、解密算法的编程实现，以及在Windows CE嵌入式操作系统下花型文件数据转换为BMP图形的设计与实现过程以及花型图案显现系统的设计。经生产现场使用验证，提花圆纬机花型图案嵌入式显现系统能直观地显示花型图案，算法加密确保了花型文件在传输过程中的数据安全性，很好地解决了新款织物花型文件保密及生产现场在机显示问题。

提花圆纬机； RSA算法； 花型图案显示； 加密算法

随着电脑在针织行业中的应用，电脑提花圆纬机以其简便快捷的操作方式备受各生产厂家的青睐[1-2]，然而，传统提花圆纬机由于其花型数据安全性较低且花型文件易被拷出，导致花型数据格式易被人破解，造成大量技术流失，而且，在提花圆纬机生产现场，目前的嵌入式控制系统中花型图案没有直观地显示，在生产新款样布或织物编织出错时，操作工人无法快速通过现场花型图案与编织布面对比观察，判断是工艺参数问题还是机器问题，造成较多纱线浪费。针对以上问题，本文研究了提花圆纬机花型图案嵌入式显现系统。

1 嵌入式花型图案显现功能需求

提花圆纬机控制器通过解析花型文件数据并据此控制执行部件作出相应的动作，编织相应的花型，因此花型数据是提花圆纬机的灵魂。实际生产中要求提花圆纬机具有以下功能：1)针对花型数据安全性低且花型文件易被拷出的问题，需要对原始花型数据进行加密保护，破坏原始花型数据的规律性；2)提花圆纬机生产现场花型图案要有良好的显示，才可实现花型图案整体与局部观察；3)具有花型文件维护功能，可实现花型文件与花型图案拷贝、删除及花型下载功能。

2 花型文件加密算法研究及实现

加密算法通常分为两大类：对称式和非对称式。对称式加密就是加密和解密使用同一个密钥，典型代表为DES加密算法。非对称式加密就是加密和解密使用的不是同一个密钥，通常有2个密钥，称为公钥和私钥，典型代表为RSA加密算法。

DES算法在处理速度方面优于RSA算法，但安全性相对较差。由于嵌入式系统CPU处理速度较PC机慢且嵌入式系统的磁盘空间较小(一般只有几百兆)，如果对整个花型文件(较大花型有十几兆)用DES或RSA算法进行加密，一方面嵌入式系统在解密中花费时间较长，导致使用效果较差；另一方面加密后的文件大小为加密前的几倍或者十几倍，导致占用较大嵌入式系统磁盘空间。结合以上要点及实际应用，本文以安全性为首要考虑要素，提出一种算法：利用RSA算法对基数进行加密，再利用基数加密花型数据。

RSA是目前应用最为广泛的公钥加密算法[3]，能够抵抗到目前为止已知的绝大多数密码攻击，已被ISO推荐为公钥数据加密标准。RSA算法原理[4-6]为：随机产生2个不相等的质数p和q以及随机产生一个整数e， 1

n=pq

(1)

式中：n为密钥的长度；φ(n)为欧拉公式；modφ(n)为φ(n)的模逆元，d为e对φ(n)的逆。

(4)

(5)

加密过程：首先随机产生2个基数a、b；然后利用RSA算法产生密钥；利用密钥对基数加密产生密文；接着根据式(4)、(5)对花型初始数据进行加密；最后依次在加密后的花型文件中写入密钥长度、密钥、密文长度、密文、加密后的花型数据。

解密过程：首先读取密钥长度，根据密钥长度读取密钥；然后读取密文长度，根据密文长度读取密文；接着根据密钥解密密文，得到基数a、b；最后根据式(4)、(5)对加密后的花型数据解密，得到未加密的花型数据。花型解密流程如图1所示。

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

3 嵌入式花型图案显现系统设计

3.1 显现系统功能

花型图案显现系统如图2所示，包含花型拷贝及删除、花型解码、花型下载、图片放大缩小4部分。

图2 花型图案显现系统Fig.2 Display system of pattern

花型拷贝及删除：拷贝过程为花型文件从U盘拷入到上位机或者从上位机拷出到U盘中，删除包括删除U盘或上位机中的花型；花型解码：对花型文件进行解密得到初始花型数据；花型下载：将解密后的花型数据转换成下位机可识别的格式，然后下载到下位机中；图片放大缩小：对由花型数据转成的花型图案进行放大或缩小操作，便于更好地观察。

花型下载的流程：上位机计算数据包数(每包数据4 K Bytes)，向下位机发送传输数据请求；如果上位机接收到下位机响应，传输一包数据，直到发送完最后一包数据；如果上位机未收到下位机响应并超时，则结束本次下载。花型下载流程如图3所示。

图3 花型下载流程Fig.3 Process flawchart of downloading pattern

3.2 花型转图型方案设计

本文设计的花型图案显现系统采用的开发工具为Visual Studio 2008，基于Windows CE嵌入式操作系统。

不难看出，本文研究所设计的花型图案显现系统的关键在于如何将花型文件转换成图片。对此本文研究提出3种方案：1)将花型数据转换成JPG格式的图片；2)将花型数据转换成BMP格式的图片；3)用BMP位图代替像素点，组合成一张大的BMP图。

JPG是一种以损失质量为代价的压缩方式，是对图像中某些相同的色彩进行压缩，压缩比越高，图像质量损失越大[7]。BMP格式位图文件是一种设备无关位图[8]，使用非常广，采用位映射存储格式，除图像深度可选以外，不采用其他任何压缩，BMP文件所占用的空间较大。方案3用BMP位图代替形成的图片大，观察不方便，而且BMP图的种类有限，无法很好地代替繁多颜色的像素点。3种方案的优缺点如表1所示。由表可看出，方案2更优。

表1 3种方案优缺点Tab.1 Advantages and disadvantages of three solutions

3.3 花型转BMP图型实现

BMP图像文件是位图文件，位图表示的是将1幅图像分割成栅格，栅格的每1点称为像素，每个像素具有自己的RGB值，即一幅图像是由一系列像素点构成的点阵[9]。本文研究定义的位图数据结构包括4部分：花型高度H、花型宽度W、补齐后花型宽度Wc、调色板C[256]。

花型文件中前4个字节记录了花型的高度，花型的宽度。根据花型的宽度可计算出补齐后花型的宽度，计算公式如下：

Wc=[(W+255)÷256]×256

(6)

花型矩阵用P表示，由h×w个像素点组成。其中h表示花型的高度，w表示花型宽度。BMP图宽度为4像素点的倍数，如果花型宽度不为4的倍数，需对矩阵P进行宽度补齐，补齐后的花型矩阵用P′表示，补齐后的花型宽度用w′表示，w′为4的倍数，w′≥w，矩阵P和P′定义如下所示。

(7)

(8)

本文研究转换出来的位图采用24色。根据不同的花型格式，本文采取2种方式对位图RGB进行填充。一种是从左到右，从上到下，另一种是从右到左，从下到上。每行的字节必须是4的整数倍，如果不是则需要补0填充[10]，所以补齐的像素点不填充。像素值Bij(表示第i行第j列像素值)从调色板C[256]中取出，RGB值分别占像素点的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)通过与运算取出像素点的0～7位，同理式(10)、(11)分别取出像素点的8～15和16～23位。

根据以上分析，转换生成的BMP图格式如图4所示，实线矩形框为生成的BMP图。

图4 BMP图Fig.4 Bitmap

综上分析，得出花型转换成图片流程，如图5所示。

图5 花型转换成图片流程Fig.5 Process flowchart of converting pattern to picture

3.4 系统实现

本文研究采取方案2所设计的花型图案显示系统如图6所示。其中：图6(a)为1倍显示界面；图6(b)为5倍显示界面，以便于花型图案局部观察。显示界面左半部分有本地磁盘和USB设备2个选项条，可切换选择。右半部分显示选中花型的图案及几个功能按钮，可对花型文件和花型图案进行操作。

图6 花型图案显现系统Fig.6 Display system of patterns.(a) Display once; (b)Display five times

4 结 论

本文针对针织机械装备核心技术问题花型文件的安全传递和在现场呈现，深入讨论了花型文件安全的重要性及加密过程，详细阐述了花型数据转换成BMP图的过程，设计了提花圆纬机花型图案嵌入式显现系统。此显现系统完善了提花圆纬机嵌入式控制系统的功能，进一步提高了花型文件传递的安全性和现场操作工人的打样和调机效率，间接降低了系统维护的成本，具有良好的工程应用前景。

FZXB

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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

国家科技支撑计划项目(2013BAF05B00)；国家科技支撑计划项目(2014BAF06B03)

彭来湖(1980—)，男，讲师，博士生。主要研究方向为针织装备控制技术。E-mail：laihup@zstu.edu.cn。

TP 311； TS 181.8

A