應用LZHUF算法對嵌入式針織系統控制數據壓縮

朱耀麟, 刁先舉, 張團善, 高術森, 喬 輝

紡織CAD產生的數據是經過壓縮的密文，如意大利的Lonati制版軟件。織物數據量一般比較大，如絲襪機控制數據包含電動機、速度、圈循環、氣閥、恒張力送紗器的執行動作信息以及花型數據等[1-3]。紡織CAD將控制數據通過壓縮算法處理并以二進制文件的形式輸出，嵌入式人機交互系統通過解壓縮算法解析所有數據，具有節省數據傳輸時間與系統資源，提高系統實時性的優點。

目前，國內對無縫內衣機的花型及鏈條動作數據壓縮的研究[4]采用結合私鑰、隨機數的加密算法，該算法占用內存空間小，可在一定程度上對數據進行壓縮。提花圓機花型數據壓縮有采用節約指令壓縮存儲重復的元素[5]；也有針織系統控制數據壓縮采用動態哈夫曼(Huffman)編碼算法以及基于字典的(LZ)系列壓縮算法[6-7]，在數據傳輸過程中動態地進行解碼，減少對數據的遍歷，節省解壓縮時間，但在壓縮效率上并沒有很大提高。

本文通過對壓縮算法以及針織控制數據的研究，提出一種LZHUF算法對織物數據的壓縮和對嵌入式人機交互系統的數據解壓縮，以提高數據的解壓縮效率，減少占用嵌入式人機交互系統的內存。

1 織物數據解壓縮算法模型

針織控制系統主要包括紡織CAD、人機交互系統、實時控制系統[8-10]。紡織CAD可將織物實時控制數據以及花型數據轉化為二進制文件，嵌入式人機交互系統將二進制文件解析成實時控制信號，下發給實時控制系統，完成整個織物的編織。整個系統工作如圖1所示，其中KMP為學符串匹配算法。

圖1 紡織數據解壓縮算法模型Fig.1 Data compression algorithm model

2 算法應用步驟

2.1 LZHUF壓縮算法思想

由于花型數據量大，如4路400針的絲襪機，1行選針數據占有200字節,并且襪機在1圈中的花紋顏色可能相同，即花型數據字符重復性強；同時出于安全性考慮，紡織CAD(如Lonati)一般將花型數據進行壓縮處理[11-12]。

傳統的織物數據壓縮采用LZ系列的數據壓縮算法，將已經輸入的織物數據流的一部分作為字典，編碼器為輸入數據流開一個窗口，隨著對字符串的編碼不斷地將窗口中的數據從右移至左，壓縮效率不是很理想[13]。

LZSS算法是對基于滑動窗口緩存技術的LZ77算法的改進，其輸出的標記序列不是固定的三元組。在算法中會設定一個匹配長度的閾值：當匹配長度小于閾值時，直接輸出單個字符；反之輸出偏移量，匹配長度。LZSS的編碼是1字節的標志位，從低到高，如果bit=1，原樣輸出1字節，如果bit=0，讀取2字節，偏移量和匹配長度保存在這2字節中。為增加滑動窗口的搜索效率，LZSS使用二叉查找樹在滑動窗口中查找字符串。

Huffman編碼是一種統計模型的壓縮算法，即根據輸入字符出現概率的高低輸出非等長編碼。在LZHUF算法中，還要對LZSS輸出的字符進行Huffman編碼，提高壓縮效率。由于無法計算LZSS輸出字符的概率，因此要采用動態Huffman編碼，動態建立Huffman樹，同時有新的字符輸入時，更新符號的權值，并且更新符號在Huffman樹中的位置。

LZHUF算法結合LZSS算法和動態Huffman壓縮算法的優點，首先利用LZSS算法對織物控制數據進行壓縮處理，再對輸出的字符使用頻率的高低進行動態Huffman編碼，達到更好的壓縮效果，同時也加強數據的安全性。織物花型數據信息及解壓縮流程如圖2、3所示。

圖2 織物花型數據信息Fig.2 Fabric pattern data

2.2 提取織物控制數據中未解壓的花型數據

在計算機上的CAD制版軟件Lonati中設定編織的鏈條值以及花型數據，編譯生成二進制CO文件，文件中包含織物控制數據以及壓縮的花型數據。織物文件數據前512字節包括織物文件標識、速度、電動機、圈循環、花型等數據位置信息。Lonati制版軟件生成的織物花型數據包括花型數據位置(Jacq)和花型數據(Dise)，根據花型數據位置文件數據格式設計算法，可在花型數據文件中提取花型控制數據。而花型數據文件和花型數據位置文件是經過LZHUF壓縮后的密文。織物文件(CO文件) 花型數據信息如圖4所示。織物數據包含了花型數據和花型數據位置，并可讀出該數據在織物數據文件中的位置。實驗的一個關鍵點就是如何提取出織物文件(CO文件)中壓縮的花型數據。圖5示出查找花型數據步驟。通過KMP算法查找字符‘Dise’在織物文件中的位置，根據下式計算花型數據的位置以及大小：

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為花型數據的大小。

2.3 解壓縮織物數據中的花型數據

通過U盤將紡織CAD生成的二進制文件拷貝到人機交互系統的Flash中，人機交互系統讀取并顯示CO文件，可實時檢測U盤的插拔并實現U盤和機器互相拷貝文件，刪除文件，激活文件(將該文件作為機器的工作文件，即機器編織該文件設計的織物)。用戶可選擇要激活的CO文件。系統調用解壓縮算法，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數據(選針數據)和Jacq數據(花型數據位置)開始和結束位置，將Dise加密數據段讀入輸入緩沖區，將輸入緩沖區的

指針傳遞到解壓縮函數，進行數據解壓縮。再執行讀取文件大小,初始化動態Huffman樹等初始化工作。在解壓時不斷更新Huffman樹，直至解壓完成所有字符。

最后，算法執行后會生成解壓縮后的花型文件，該算法設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)，解壓前后對比如圖6(b)所示，圖6(a)示出織物花型位置數據解壓縮前的數據信息。可見：織物花型位置數據解壓縮后的數據信息，數據整齊規律；解壓縮前數據雜亂無規律。將解壓縮后的數據和Lonati制版軟件設定的花型選針數據進行對比，可驗證數據還原的無損性。人機交互系統通過調用織物數據提取算法將數據轉化為特定數據格式的控制信號，并傳輸到實時控制系統，完成織物的編織。

圖3 織物數據解壓縮流程圖Fig.3 Fabric data decompression flow chart

圖4 織物花型數據信息Fig.4 Fabric pattern data

圖5 查找花型數據步驟Fig.5 Step for searching

3 嵌入式針織系統中解壓縮實驗

3.1 實驗平臺介紹

實驗硬件主控芯片采用S3C2416，運行主頻為400 MHz，64 M DDR2 RAM，256 M NAND Flash；操作系統(OS)Linux3.6內核；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,實驗平臺如圖7所示。

3.2 實驗結果與分析

實驗中，先通過Lonati制板軟件制作5個二進制CO文件作為實驗對象，并拷貝到人機交互系統中，通過LZHUF算法進行解壓縮dise1、dise2、dise3、dise4、dise5對應5個CO文件壓縮的花型數據文件；同理，dise.binD對應解壓縮后的花型數據文件，

在人機交互系統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間。通過解壓縮后的dise和jacq文件，找出花型數據，和打版CAD中設置的花型對比，可證明數據解壓縮的無損性。

圖7 實驗平臺實物圖Fig.7 Physical map of experiment platform

表1 解壓縮前后文件對比Tab.1 Comparison of file sizes before and after decompression

4 結 論

在已有的嵌入式實驗平臺上，LZHUF算法對織物數據的壓縮率相對于LZW算法提高5%以上，且壓縮時間相差不大，均在毫秒級。LZHUF無損壓縮算法具有壓縮率高，算法易實現，可在內存空間和存儲空間有限的嵌入式針織控制系統中運行，無損還原織物控制數據等優勢，提高了針織控制系統的可靠性與穩定性，并且節省了嵌入式設備內存資源，提高了嵌入式針織設備人機交互系統的運行性能。同時適合紡織CAD中對織物數據的壓縮，對設計紡織CAD軟件的壓縮算法有著重要的借鑒價值。

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