CN114898002A - 一种用于数据存储的矩形灰阶点阵图像的数据编码方法 - Google Patents

一种用于数据存储的矩形灰阶点阵图像的数据编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于数据存储的矩形灰阶点阵图像的数据编码方法，包括如下步骤：步骤1：根据需要生成的矩形图像大小、色彩数等图像参数和纠错编码级别计算出单幅图像的数据承载量；步骤2：生成矩形图像边框、辅助解析图形、元数据区域和数据区域边框；步骤2.1：生成边框，用于解码时辅助定位和计算图像畸变程度和原始图像的比例；步骤2.2：生成定位标点用于解码时辅助精确定位；步骤2.3:生成调制传递函数参考条用于优化图像锐度；充分利用灰度多色大大提高了数据存储高密度，满足海量数据存储的需求，且因采用水平、垂直RS编码+数据散布的算法，提高了在介质污损、环境噪声影响情况下还原的概率。

Description

一种用于数据存储的矩形灰阶点阵图像的数据编码方法
技术领域
本发明属于数据存储技术领域，具体为一种用于数据存储的矩形灰阶点阵图像的数据编码方法。
背景技术
目前伴随着互联与大数据技术的发展，全球数据呈爆炸式增长，PB级规模的数据越来常见。海量数据也是有“温度”的，在其呈指级增长的同时，也出现分层特征，按照被访问频率从高到低进行分类，可以将数据为热数据、温数据、冷数据。
一方面，冷数据的价值并不一定比热数据低，而且还会随着时间的推移变得更为重要，因此对于海量冷数据也需要确保其长期安全存储；另一方面，不经常访问的冷数据占据了大量的在线存储资源，会造成严重的资源浪费，需要及时转移到离线存储中。
而目前适用于数据长期离线存储的载体是胶片与玻璃介质。胶片和玻璃介质不同于硬盘、光盘等依靠旋转存取的方式，使用矩形点阵图像的形式存储可以最大化的利用胶片、玻璃等介质的存储面积，达到海量存储的目的。
矩形点阵图像有着广泛应用实例，例如汉信码、QR码、Data Matrix等，但这些矩形图像码最初的设计用途是用于标签信息数据交换，并且为了适应普通设备读取数据能力，设计时只有黑白两色分别代表单个bit的0和1，并且有单位面积尺寸小的限制，造成可存储数据容量较小，最大容量<5k。因此此类编码无法适应海量数据存储。
发明内容：
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于数据存储的矩形灰阶点阵图像的数据编码方法，解决了背景技术中提到的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种技术方案：
一种用于数据存储的矩形灰阶点阵图像的数据编码方法，包括如下步骤：
步骤1：根据需要生成的矩形图像大小、色彩数等图像参数和纠错编码级别计算出单幅图像的数据承载量；
步骤2：生成矩形图像边框、辅助解析图形、元数据区域和数据区域边框；
步骤2.1：生成边框，用于解码时辅助定位和计算图像畸变程度和原始图像的比例；
步骤2.2：生成定位标点用于解码时辅助精确定位；
步骤2.3:生成调制传递函数参考条用于优化图像锐度；
步骤2.4:根据参数C编码灰阶色彩数生成色彩参照条，用于解码前计算出相对色阶-数据映射参考值表；
步骤3:根据编码矩阵块数量K、编码矩阵数据区行数M以及编码矩阵数据区列数N按M*N*K Bytes大小读取待编码存储的数据；
步骤4:对读取的待编码数据进行CRC32计算，计算结果存储在元数据区，待解码操作时验证读取操作后数据完整性；
步骤5：对数据进行编码；
步骤5.1:生成K个(M+M')行(N+N')列的零矩阵A1～AK，其中参数M'为垂直纠错码长度，参数N'为水平纠错码长度；
步骤5.2：将待编码的数据拆分为K个MxN bytes大小的数据，每个byte值填充至步骤4.1生成的矩阵的子矩阵A1[1～M；1～N]～AK[1～M；1～N]；
步骤5.3:对Ak矩阵进行水平ReedSolomon编码与垂直ReedSolomon编码；
步骤5.3.1:对矩阵Ak的M个行向量[ax1,ax2,...,axN]分别依次以(N+N'，N,N'+1)为参数进行Reed-Solomon编码得到长度为N'的水平纠错编码，将其填充至对应矩阵Ak行[axN+1,axN+2,...,axN+N']；
步骤5.3.2：对完成步骤的4.3.2的矩阵Ak的N+N'个列向量[a1y,a2y,...,aMy](y>＝1,y<＝N+N')分别一次以(M+M',M,M'+1)为参数进行Reed-Solomon编码的长度为M'的垂直纠错码，将起填充至对应矩阵Ak列[aM+1y，aM+2y,...,aM+M'y]；
重复步骤5.3对K个矩阵完成水平、垂直Reed-Solomon编码；
步骤5.4:将K个矩阵A1～AK进行组合拼接，组合拼接方案是循环z次,z＝(M+M')*(N+N')，分别从A1～AK矩阵中提取元素形成以向量r＝[A1(x,y),A2(x,y),...AK(x,y)](x＝[1,2,...M+M'],y＝[1,2,...N+N'])拼接形成一个大小为(M+M')*(N+N')的数据块等待调制；
步骤5.5：将编码后的数据块进行调制；
步骤5.5.1:根据编码灰阶色彩数C生成灰阶值对照表；
步骤5.5.2:遍历待调制数据，将数据的每个Byte从高位到低位取n(n＝log2(C))位比特值与灰阶对照表生成调制后的灰阶值生成一个n*(M+M')*(N+N')*K大小的调制后数据；
步骤6:将调制后的灰阶值数据以每像素一个调制后的色彩值以从左到右，由上至下写入到图像中的数据区；
步骤7:将色阶数C、编码矩阵数K、编码矩阵数据行数M，垂直编码长度M',编码矩阵数据列数N，水平编码长度信息N'、图像大小、编码规则版本信息，将步骤4计算的CRC32结果值和帧序数变量按JSON字符串形式生成待编码的元数据；
步骤8:根据步骤2所计算出元数据区容量参数p，将元数据填充后满足元数据字符串长度为p-32bytes，以(p，p-32，33)为参数对原数据进行Reed-Solomon编码，生成长度32bytes的元数据RS纠错码；
步骤9:将元数据字符串拼接元数据RS纠错码按黑白(即n＝1bit)的调制对数据进行调制；
步骤10:以元数据区高度的一半为一个数据点的长宽将调制后的元数据从上至下，由左至右的填充至底部的元数据区；
步骤11:将帧序列及图像大小信息以文本通过点阵字库转换为点阵数据由上至下写入到图像左侧视觉元数据区，以便解码时提供初始参考。
作为优选，步骤2.4中，所述参数C＝2n,n属于(1,2,4,8)。
作为优选，步骤5.3中，数值k的范围为k≥1,k≤K。
作为优选，步骤5.3.1，数值x的范围为x≥1,x≤M。
作为优选，步骤5.5.2中，数值nn＝log2C。
本发明的有益效果是：解决了原有黑白矩形点阵图像数据存储方案因存储容量有限无法用于海量数据存储而设计的一套通过提高数据的存储密度和数据存储的完整性的矩形图像编码方案：
优点在于可以存储的数据可以根据打印设备的精度和幅度进行调整，充分利用灰度多色大大提高了数据存储高密度，满足海量数据存储的需求，且因采用水平、垂直RS编码+数据散布的算法，提高了在介质污损、环境噪声影响情况下还原的概率。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明的编解码矩阵示意图；
图2为本发明的边框示意图；
图3为本发明的数据区边框示意图；
图4为本发明的定位标点示意图；
图5为本发明的制传递函数参考线对条示意图；
图6为本发明的色彩参照条示意图；
图7为本发明的视觉元数据示意图；
图8为本发明的元数据存储区示意图；
图9为本发明的数据区示意图。
具体实施方式：
如图1-9所示，本具体实施方式采用以下技术方案：
实施例：
一种用于数据存储的矩形灰阶点阵图像的数据编码方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据需要生成的矩形图像大小、色彩数等图像参数和纠错编码级别计算出单幅图像的数据承载量；步骤2：生成矩形图像边框、辅助解析图形、元数据区域和数据区域边框；步骤2.1：生成边框，用于解码时辅助定位和计算图像畸变程度和原始图像的比例；步骤2.2：生成定位标点用于解码时辅助精确定位；步骤2.3:生成调制传递函数参考条用于优化图像锐度；步骤2.4:根据参数C编码灰阶色彩数生成色彩参照条，用于解码前计算出相对色阶-数据映射参考值表；步骤3:根据编码矩阵块数量K、编码矩阵数据区行数M以及编码矩阵数据区列数N按M*N*K Bytes大小读取待编码存储的数据；步骤4:对读取的待编码数据进行CRC32计算，计算结果存储在元数据区，待解码操作时验证读取操作后数据完整性；步骤5：对数据进行编码；步骤5.1:生成K个(M+M')行(N+N')列的零矩阵A1～AK，其中参数M'为垂直纠错码长度，参数N'为水平纠错码长度；步骤5.2：将待编码的数据拆分为K个MxN bytes大小的数据，每个byte值填充至步骤4.1生成的矩阵的子矩阵A1[1～M；1～N]～AK[1～M；1～N]；步骤5.3:对Ak矩阵进行水平ReedSolomon编码与垂直ReedSolomon编码；步骤5.3.1:对矩阵Ak的M个行向量[ax1,ax2,...,axN]分别依次以(N+N'，N,N'+1)为参数进行Reed-Solomon编码得到长度为N'的水平纠错编码，将其填充至对应矩阵Ak行[axN+1,axN+2,...,axN+N']；步骤5.3.2：对完成步骤的4.3.2的矩阵Ak的N+N'个列向量[a1y,a2y,...,aMy](y>＝1,y<＝N+N')分别一次以(M+M',M,M'+1)为参数进行Reed-Solomon编码的长度为M'的垂直纠错码，将起填充至对应矩阵Ak列[aM+1y，aM+2y,...,aM+M'y]；重复步骤5.3对K个矩阵完成水平、垂直Reed-Solomon编码；步骤5.4:将K个矩阵A1～AK进行组合拼接，组合拼接方案是循环z次,z＝(M+M')*(N+N')，分别从A1～AK矩阵中提取元素形成以向量r＝[A1(x,y),A2(x,y),...AK(x,y)](x＝[1,2,...M+M'],y＝[1,2,...N+N'])拼接形成一个大小为(M+M')*(N+N')的数据块等待调制；步骤5.5：将编码后的数据块进行调制；步骤5.5.1:根据编码灰阶色彩数C生成灰阶值对照表；步骤5.5.2:遍历待调制数据，将数据的每个Byte从高位到低位取n(n＝log2(C))位比特值与灰阶对照表生成调制后的灰阶值生成一个n*(M+M')*(N+N')*K大小的调制后数据；步骤6:将调制后的灰阶值数据以每像素一个调制后的色彩值以从左到右，由上至下写入到图像中的数据区；步骤7:将色阶数C、编码矩阵数K、编码矩阵数据行数M，垂直编码长度M',编码矩阵数据列数N，水平编码长度信息N'、图像大小、编码规则版本信息，将步骤4计算的CRC32结果值和帧序数变量按JSON字符串形式生成待编码的元数据；步骤8:根据步骤2所计算出元数据区容量参数p，将元数据填充后满足元数据字符串长度为p-32bytes，以(p，p-32，33)为参数对原数据进行Reed-Solomon编码，生成长度32bytes的元数据RS纠错码；步骤9:将元数据字符串拼接元数据RS纠错码按黑白(即n＝1bit)的调制对数据进行调制；步骤10:以元数据区高度的一半为一个数据点的长宽将调制后的元数据从上至下，由左至右的填充至底部的元数据区；步骤11:将帧序列及图像大小信息以文本通过点阵字库转换为点阵数据由上至下写入到图像左侧视觉元数据区，以便解码时提供初始参考。
其中，步骤2.4中，所述参数C＝2n,n属于(1,2,4,8)。
其中，步骤5.3中，数值k的范围为k≥1,k≤K。
其中，步骤5.3.1，数值x的范围为x≥1,x≤M。
其中，步骤5.5.2中，数值nn＝log2C。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种用于数据存储的矩形灰阶点阵图像的数据编码方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据需要生成的矩形图像大小、色彩数等图像参数和纠错编码级别计算出单幅图像的数据承载量；
步骤2：生成矩形图像边框、辅助解析图形、元数据区域和数据区域边框；
步骤2.1：生成边框，用于解码时辅助定位和计算图像畸变程度和原始图像的比例；
步骤2.2：生成定位标点用于解码时辅助精确定位；
步骤2.3:生成调制传递函数参考条用于优化图像锐度；
步骤2.4:根据参数C编码灰阶色彩数生成色彩参照条，用于解码前计算出相对色阶-数据映射参考值表；
步骤3:根据编码矩阵块数量K、编码矩阵数据区行数M以及编码矩阵数据区列数N按M*N*K Bytes大小读取待编码存储的数据；
步骤4:对读取的待编码数据进行CRC32计算，计算结果存储在元数据区，待解码操作时验证读取操作后数据完整性；
步骤5：对数据进行编码；
步骤5.1:生成K个(M+M')行(N+N')列的零矩阵A1～AK，其中参数M'为垂直纠错码长度，参数N'为水平纠错码长度；
步骤5.2：将待编码的数据拆分为K个MxN bytes大小的数据，每个byte值填充至步骤4.1生成的矩阵的子矩阵A1[1～M；1～N]～AK[1～M；1～N]；
步骤5.3:对Ak矩阵进行水平ReedSolomon编码与垂直ReedSolomon编码；
步骤5.3.1:对矩阵Ak的M个行向量[ax1,ax2,...,axN]分别依次以(N+N'，N,N'+1)为参数进行Reed-Solomon编码得到长度为N'的水平纠错编码，将其填充至对应矩阵Ak行[axN+1,axN+2,...,axN+N']；
步骤5.3.2：对完成步骤的4.3.2的矩阵Ak的N+N'个列向量[a1y,a2y,...,aMy](y>＝1,y<＝N+N')分别一次以(M+M',M,M'+1)为参数进行Reed-Solomon编码的长度为M'的垂直纠错码，将起填充至对应矩阵Ak列[aM+1y，aM+2y,...,aM+M'y]；
重复步骤5.3对K个矩阵完成水平、垂直Reed-Solomon编码；
步骤5.4:将K个矩阵A1～AK进行组合拼接，组合拼接方案是循环z次,z＝(M+M')*(N+N')，分别从A1～AK矩阵中提取元素形成以向量r＝[A1(x,y),A2(x,y),...AK(x,y)](x＝[1,2,...M+M'],y＝[1,2,...N+N'])拼接形成一个大小为(M+M')*(N+N')的数据块等待调制；
步骤5.5：将编码后的数据块进行调制；
步骤5.5.1:根据编码灰阶色彩数C生成灰阶值对照表；
步骤5.5.2:遍历待调制数据，将数据的每个Byte从高位到低位取n(n＝log2(C))位比特值与灰阶对照表生成调制后的灰阶值生成一个n*(M+M')*(N+N')*K大小的调制后数据；
步骤6:将调制后的灰阶值数据以每像素一个调制后的色彩值以从左到右，由上至下写入到图像中的数据区；
步骤7:将色阶数C、编码矩阵数K、编码矩阵数据行数M，垂直编码长度M',编码矩阵数据列数N，水平编码长度信息N'、图像大小、编码规则版本信息，将步骤4计算的CRC32结果值和帧序数变量按JSON字符串形式生成待编码的元数据；
步骤8:根据步骤2所计算出元数据区容量参数p，将元数据填充后满足元数据字符串长度为p-32bytes，以(p，p-32，33)为参数对原数据进行Reed-Solomon编码，生成长度32bytes的元数据RS纠错码；
步骤9:将元数据字符串拼接元数据RS纠错码按黑白(即n＝1bit)的调制对数据进行调制；
步骤10:以元数据区高度的一半为一个数据点的长宽将调制后的元数据从上至下，由左至右的填充至底部的元数据区；
步骤11:将帧序列及图像大小信息以文本通过点阵字库转换为点阵数据由上至下写入到图像左侧视觉元数据区，以便解码时提供初始参考。
2.根据权利要求1所述的一种用于数据存储的矩形灰阶点阵图像的数据编码方法，其特征在于：步骤2.4中，所述参数C＝2n,n属于(1,2,4,8)。
3.根据权利要求1所述的一种用于数据存储的矩形灰阶点阵图像的数据编码方法，其特征在于：步骤5.3中，数值k的范围为k≥1,k≤K。
4.根据权利要求1所述的一种用于数据存储的矩形灰阶点阵图像的数据编码方法，其特征在于：步骤5.3.1，数值x的范围为x≥1,x≤M。
5.根据权利要求1所述的一种用于数据存储的矩形灰阶点阵图像的数据编码方法，其特征在于：步骤5.5.2中，数值nn＝log2C。
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