應(yīng)用LZHUF算法對(duì)嵌入式針織系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)壓縮

朱耀麟, 刁先舉, 張團(tuán)善, 高術(shù)森, 喬 輝

紡織CAD產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是經(jīng)過壓縮的密文，如意大利的Lonati制版軟件?？椢飻?shù)據(jù)量一般比較大，如絲襪機(jī)控制數(shù)據(jù)包含電動(dòng)機(jī)、速度、圈循環(huán)、氣閥、恒張力送紗器的執(zhí)行動(dòng)作信息以及花型數(shù)據(jù)等[1-3]。紡織CAD將控制數(shù)據(jù)通過壓縮算法處理并以二進(jìn)制文件的形式輸出，嵌入式人機(jī)交互系統(tǒng)通過解壓縮算法解析所有數(shù)據(jù)，具有節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間與系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)。

目前，國內(nèi)對(duì)無縫內(nèi)衣機(jī)的花型及鏈條動(dòng)作數(shù)據(jù)壓縮的研究[4]采用結(jié)合私鑰、隨機(jī)數(shù)的加密算法，該算法占用內(nèi)存空間小，可在一定程度上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。提花圓機(jī)花型數(shù)據(jù)壓縮有采用節(jié)約指令壓縮存儲(chǔ)重復(fù)的元素[5]；也有針織系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)壓縮采用動(dòng)態(tài)哈夫曼(Huffman)編碼算法以及基于字典的(LZ)系列壓縮算法[6-7]，在數(shù)據(jù)傳輸過程中動(dòng)態(tài)地進(jìn)行解碼，減少對(duì)數(shù)據(jù)的遍歷，節(jié)省解壓縮時(shí)間，但在壓縮效率上并沒有很大提高。

本文通過對(duì)壓縮算法以及針織控制數(shù)據(jù)的研究，提出一種LZHUF算法對(duì)織物數(shù)據(jù)的壓縮和對(duì)嵌入式人機(jī)交互系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解壓縮，以提高數(shù)據(jù)的解壓縮效率，減少占用嵌入式人機(jī)交互系統(tǒng)的內(nèi)存。

1 織物數(shù)據(jù)解壓縮算法模型

針織控制系統(tǒng)主要包括紡織CAD、人機(jī)交互系統(tǒng)、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)[8-10]。紡織CAD可將織物實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)以及花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制文件，嵌入式人機(jī)交互系統(tǒng)將二進(jìn)制文件解析成實(shí)時(shí)控制信號(hào)，下發(fā)給實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，完成整個(gè)織物的編織。整個(gè)系統(tǒng)工作如圖1所示，其中KMP為學(xué)符串匹配算法。

圖1 紡織數(shù)據(jù)解壓縮算法模型Fig.1 Data compression algorithm model

2 算法應(yīng)用步驟

2.1 LZHUF壓縮算法思想

由于花型數(shù)據(jù)量大，如4路400針的絲襪機(jī)，1行選針數(shù)據(jù)占有200字節(jié),并且襪機(jī)在1圈中的花紋顏色可能相同，即花型數(shù)據(jù)字符重復(fù)性強(qiáng)；同時(shí)出于安全性考慮，紡織CAD(如Lonati)一般將花型數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理[11-12]。

傳統(tǒng)的織物數(shù)據(jù)壓縮采用LZ系列的數(shù)據(jù)壓縮算法，將已經(jīng)輸入的織物數(shù)據(jù)流的一部分作為字典，編碼器為輸入數(shù)據(jù)流開一個(gè)窗口，隨著對(duì)字符串的編碼不斷地將窗口中的數(shù)據(jù)從右移至左，壓縮效率不是很理想[13]。

LZSS算法是對(duì)基于滑動(dòng)窗口緩存技術(shù)的LZ77算法的改進(jìn)，其輸出的標(biāo)記序列不是固定的三元組。在算法中會(huì)設(shè)定一個(gè)匹配長度的閾值：當(dāng)匹配長度小于閾值時(shí)，直接輸出單個(gè)字符；反之輸出偏移量，匹配長度。LZSS的編碼是1字節(jié)的標(biāo)志位，從低到高，如果bit=1，原樣輸出1字節(jié)，如果bit=0，讀取2字節(jié)，偏移量和匹配長度保存在這2字節(jié)中。為增加滑動(dòng)窗口的搜索效率，LZSS使用二叉查找樹在滑動(dòng)窗口中查找字符串。

Huffman編碼是一種統(tǒng)計(jì)模型的壓縮算法，即根據(jù)輸入字符出現(xiàn)概率的高低輸出非等長編碼。在LZHUF算法中，還要對(duì)LZSS輸出的字符進(jìn)行Huffman編碼，提高壓縮效率。由于無法計(jì)算LZSS輸出字符的概率，因此要采用動(dòng)態(tài)Huffman編碼，動(dòng)態(tài)建立Huffman樹，同時(shí)有新的字符輸入時(shí)，更新符號(hào)的權(quán)值，并且更新符號(hào)在Huffman樹中的位置。

LZHUF算法結(jié)合LZSS算法和動(dòng)態(tài)Huffman壓縮算法的優(yōu)點(diǎn)，首先利用LZSS算法對(duì)織物控制數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，再對(duì)輸出的字符使用頻率的高低進(jìn)行動(dòng)態(tài)Huffman編碼，達(dá)到更好的壓縮效果，同時(shí)也加強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性。織物花型數(shù)據(jù)信息及解壓縮流程如圖2、3所示。

圖2 織物花型數(shù)據(jù)信息Fig.2 Fabric pattern data

2.2 提取織物控制數(shù)據(jù)中未解壓的花型數(shù)據(jù)

在計(jì)算機(jī)上的CAD制版軟件Lonati中設(shè)定編織的鏈條值以及花型數(shù)據(jù)，編譯生成二進(jìn)制CO文件，文件中包含織物控制數(shù)據(jù)以及壓縮的花型數(shù)據(jù)。織物文件數(shù)據(jù)前512字節(jié)包括織物文件標(biāo)識(shí)、速度、電動(dòng)機(jī)、圈循環(huán)、花型等數(shù)據(jù)位置信息。Lonati制版軟件生成的織物花型數(shù)據(jù)包括花型數(shù)據(jù)位置(Jacq)和花型數(shù)據(jù)(Dise)，根據(jù)花型數(shù)據(jù)位置文件數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)算法，可在花型數(shù)據(jù)文件中提取花型控制數(shù)據(jù)。而花型數(shù)據(jù)文件和花型數(shù)據(jù)位置文件是經(jīng)過LZHUF壓縮后的密文。織物文件(CO文件) 花型數(shù)據(jù)信息如圖4所示?？椢飻?shù)據(jù)包含了花型數(shù)據(jù)和花型數(shù)據(jù)位置，并可讀出該數(shù)據(jù)在織物數(shù)據(jù)文件中的位置。實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是如何提取出織物文件(CO文件)中壓縮的花型數(shù)據(jù)。圖5示出查找花型數(shù)據(jù)步驟。通過KMP算法查找字符‘Dise’在織物文件中的位置，根據(jù)下式計(jì)算花型數(shù)據(jù)的位置以及大?。?/p>

Dpos=(Apos+3)×256+(Apos+4)

(1)

Dlen=(Apos+5)×256+(Apos+6)

(2)

式中：Apos為KMP算法返回的字符位置；Dpos為花型文件的位置；Dlen為花型數(shù)據(jù)的大小。

2.3 解壓縮織物數(shù)據(jù)中的花型數(shù)據(jù)

通過U盤將紡織CAD生成的二進(jìn)制文件拷貝到人機(jī)交互系統(tǒng)的Flash中，人機(jī)交互系統(tǒng)讀取并顯示CO文件，可實(shí)時(shí)檢測U盤的插拔并實(shí)現(xiàn)U盤和機(jī)器互相拷貝文件，刪除文件，激活文件(將該文件作為機(jī)器的工作文件，即機(jī)器編織該文件設(shè)計(jì)的織物)。用戶可選擇要激活的CO文件。系統(tǒng)調(diào)用解壓縮算法，之后判斷文件合法性，若文件合法，則通過KMP查找字符串，找到Dise數(shù)據(jù)(選針數(shù)據(jù))和Jacq數(shù)據(jù)(花型數(shù)據(jù)位置)開始和結(jié)束位置，將Dise加密數(shù)據(jù)段讀入輸入緩沖區(qū)，將輸入緩沖區(qū)的

指針傳遞到解壓縮函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解壓縮。再執(zhí)行讀取文件大小,初始化動(dòng)態(tài)Huffman樹等初始化工作。在解壓時(shí)不斷更新Huffman樹，直至解壓完成所有字符。

最后，算法執(zhí)行后會(huì)生成解壓縮后的花型文件，該算法設(shè)定解壓縮生成的文件為Dise解壓縮后的文件(Dise.binD)和Jacq解壓縮后的文件(Jacq.binD)，解壓前后對(duì)比如圖6(b)所示，圖6(a)示出織物花型位置數(shù)據(jù)解壓縮前的數(shù)據(jù)信息?？梢姡嚎椢锘ㄐ臀恢脭?shù)據(jù)解壓縮后的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)整齊規(guī)律；解壓縮前數(shù)據(jù)雜亂無規(guī)律。將解壓縮后的數(shù)據(jù)和Lonati制版軟件設(shè)定的花型選針數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可驗(yàn)證數(shù)據(jù)還原的無損性。人機(jī)交互系統(tǒng)通過調(diào)用織物數(shù)據(jù)提取算法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為特定數(shù)據(jù)格式的控制信號(hào)，并傳輸?shù)綄?shí)時(shí)控制系統(tǒng)，完成織物的編織。

圖3 織物數(shù)據(jù)解壓縮流程圖Fig.3 Fabric data decompression flow chart

圖4 織物花型數(shù)據(jù)信息Fig.4 Fabric pattern data

圖5 查找花型數(shù)據(jù)步驟Fig.5 Step for searching

3 嵌入式針織系統(tǒng)中解壓縮實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

實(shí)驗(yàn)硬件主控芯片采用S3C2416，運(yùn)行主頻為400 MHz，64 M DDR2 RAM，256 M NAND Flash；操作系統(tǒng)(OS)Linux3.6內(nèi)核；基于Qt/E4.8.5的圖形界面庫。紡織CAD采用意大利的Lonati制版軟件,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中，先通過Lonati制板軟件制作5個(gè)二進(jìn)制CO文件作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并拷貝到人機(jī)交互系統(tǒng)中，通過LZHUF算法進(jìn)行解壓縮dise1、dise2、dise3、dise4、dise5對(duì)應(yīng)5個(gè)CO文件壓縮的花型數(shù)據(jù)文件；同理，dise.binD對(duì)應(yīng)解壓縮后的花型數(shù)據(jù)文件，

在人機(jī)交互系統(tǒng)中顯示解壓縮后的信息。表1示出解壓縮前后的文件大小以及壓縮率和壓縮時(shí)間。通過解壓縮后的dise和jacq文件，找出花型數(shù)據(jù)，和打版CAD中設(shè)置的花型對(duì)比，可證明數(shù)據(jù)解壓縮的無損性。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖Fig.7 Physical map of experiment platform

表1 解壓縮前后文件對(duì)比Tab.1 Comparison of file sizes before and after decompression

4 結(jié) 論

在已有的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，LZHUF算法對(duì)織物數(shù)據(jù)的壓縮率相對(duì)于LZW算法提高5%以上，且壓縮時(shí)間相差不大，均在毫秒級(jí)。LZHUF無損壓縮算法具有壓縮率高，算法易實(shí)現(xiàn)，可在內(nèi)存空間和存儲(chǔ)空間有限的嵌入式針織控制系統(tǒng)中運(yùn)行，無損還原織物控制數(shù)據(jù)等優(yōu)勢，提高了針織控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，并且節(jié)省了嵌入式設(shè)備內(nèi)存資源，提高了嵌入式針織設(shè)備人機(jī)交互系統(tǒng)的運(yùn)行性能。同時(shí)適合紡織CAD中對(duì)織物數(shù)據(jù)的壓縮，對(duì)設(shè)計(jì)紡織CAD軟件的壓縮算法有著重要的借鑒價(jià)值。

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