[pdf] 基于xml 和java 技术的分形图像处理与网络传输


收稿日期: 2003- 04- 14; 修返日期: 2003- 10- 10 基 于 XML 和 Java 技术的分形图像处理与网络传输 高宏卿, 王晓东 ( 河 南师 范大 学 网络 中心, 河南 新 乡 453002) 摘 要: 基 于 XML 和 Java 技术, 就分形图像的生成、处理及在网络上的传输进行了研究 , 取 得 了比 较 满 意 的 效 果。 关键 词: XML; Java; 分 形 中图 法分 类号 : TN919. 85 文 献标识 码:A 文章编 号: 1001-3695( 2004) 07-0250-03 Research of Fractal Images Processing and Transfer on the Web Based on XML and Java Technology GAO Hong- qing, WANG Xiao- dong ( Center of Network, Henan Normal University, Xinxiang Henan 453002, China) Abstract: This paper presents a new method to process and transfer fractal images on the Web based on XML and Java tech- nology, using this method, the disk space and network bandwidth can be saved greatly. Key words: XML; Java; Fractal 0 引言 XML[ 1] ( eXtensible Markup Language, 扩展 标记语 言) 是 互 联网联盟( W3C) 于 1998 年制定的一种通用语言规范, 通过 简 化 SGML 而得到。SGML 作为描述电子文档的一种规范, 同 时 也为电子文档的信息结构提供统一的法则, 其发展已有二十多 年的历史。SGML 规范虽然稳定性 和完整性都 很高, 但是由 于 过于复杂, 严重影响了其应用和发展。 作 为 SGML 的 优 化 子 集, XML 保留了 SGML 大部分的实用功能。 HTML( HyperText Markup Language) 标记语 言作为 Internet 上专门用于格式化 Web 数据的语言, 简单明了, 几乎所有 的网 页发布都离不开 HTML。但 HTML 语言标记固定, 其重点 在于 显示信息的格式, 并 且依赖 于浏览 器, 没 有统一 的标准。随 着 Internet 上信息量的 剧增, HTML 越来越难以胜任对信息的管 理和传输。XML 语言就是在这种情况下应运而生的。 Java 语言之所以受到人们的普遍欢迎, 一个最为重要 的原 因是其跨平台性, Java 语言提 供了 Internet 上 一个 公共 的交 互 平台, 使用 Java 语言编 写的 程序, 不 需要 任 何改 动, 就可 以 移 植到另一个平台上运行。而 XML 语言 也具有 这样 的特 性, 它 提供了不同数据源之间进行数据交换的公共标准, 是一种公共 的交互平台。 近 20 年来, 分形的研究受到了非常广泛的重视, 其原 因是 分形既有深刻的理论意义, 又有 巨大的 实用价 值, 其 中之一 是 计算机可以从少量的数据出发, 对复杂的自然景物进行模拟, 并启发人们对信息进行大量的压缩。 众所周知, 在 Internet 上传送图像信息, 会占有更多的网络 资源, 甚至会 造成网络的 堵塞, 因 此, 图 像的处理与 网络传输, 一直是人们研究的热点。分形图像大多是根据一定的规则, 通 过一定的算法生成的, 而且, 许多分形图像具有自相似的特点, 其数据结构可以描述为树状结构, 这样, 对于 分形图 像的基 本 信 息, 就可以用 XML 语言来描述。在 Internet 上对分形图像的 传输, 实际上就可以转换为直接传输对应的 XML 结构 的文 字 信 息, 而在浏览器客户端, 用 Java Applet 来处理 XML 数据。这 样, 不但可以实现分形图像信息的快速传输, 而且因 为使用 了 XML 和 Java 技术, 解决了跨平台, 跨浏览器问题。 1 分形理论的 L 系统生成的图像 分形( Fractal) 是当今科学前沿最有影响的概念 之一, 它 建 立在自相似和迭代生成原则基础之上。对分形的研究极大地 丰富了人们对自然、对社会的认识。 分形研究中不断发现大批美妙的图形, 让人联想起现实世 界复杂多变的自然结构, 这些图形在许多领域有着广阔的应用 前景。其中 L 系统是一个比较典型的生成分形图形或图像的 方法。 L 系统是一种形式语言[ 2] , 令 V 表示字母表,V* 表示字 母 V 上所有单词组成的集合。一个字符串 L 系统 是一个 有序 的 三元集合 G = < V, ω, P > 。其中, ω是 一个非 空单 词, 称作 公 理( Axiom) , P 是产生式( Production_rules) 的 集合, 产 生式写 作 a - > x, 字母 a 和 x 分别称作产生式的前驱和后继, 规 定对 任 何字母 a∈V, 至少存在 一个 非空 单词 x, 使得 a - > x, 若对 于 给定的前驱 a∈V 无明确解释的产生式, 则规定 a - > a 这个特 定的产生式属于 P。若 对于 每个 a∈ V, 当 且仅 当恰 有一 个 非 ·052· 计算机应用研究 2004 年 空单词 x, 使得 a - > x, 那么就说, 此 L 系统是确定的。 L 系统实际上是字符串重写系统。我们把字符串解释成 曲线( 或者更准确地说, 称作 图形), 于 是只要 能生成 字符串, 也就等于生成了图形。L 系统是 极其 有趣 的, 第一, 用 这种 方 法能够生成许多经典的分形; 第二, 用它可以模拟植物形态, 特 别是能很好地表达植物的分枝结构。 从一个初始串( 叫做公理) 开始, 将变换规 则( 由产生 式确 定) 多次作用于其上, 最后产生一个较长的命令串, 用 它来 绘 图。作用一次, 称作一级( Order) , 理论上, 可以作 用无限级, 但 在实际应用中, 通常选 2 ~8 级, 一般不超过 15 级。 图 1 所示为由 L 系统生成的 Koch 曲线。它所对应的字符 串 L 系统 G = < V, ω, P > 中的元素是:V 为字 符集合, 公理 ω= { F, + , - } , 产生式集合 P = { F: - > F + F - - F + F} , 前驱“+ ” 和“- ”在产生式集合里 没有明确的 解释, 规定其 后继为 自身。 其生成原理是:F 表示 向前 画一 条线 段; “+ ”表示旋 转 + 60°, “- ”表示旋转 - 60°, 每作用一级, 所画线段的长度变为上一级 的三分之一, 图 1 是产生式作用于公理 F 一到五级后的结果。 图 1 由 L 系统生 成的 Koch 曲 线 由以上 Koch曲线生成的过 程得知, 理论 上由 L 系统产 生 的分形曲线, 实际上是一 个无限 迭代的 过程, 其结果 是一幅 图 像, 如果在网络上存储和 传输此 类图像, 必然 会占用 相当大 的 网络存储资源和带宽。 2 分形信息的XML 表示 XML 设计者的目标 是使 XML 成为网络上以及企业内交 换数据的主要标准, 这一目标正在逐步成为现实。世界上著名 的软件厂商或组织( 如 SUN 公司、Apache 基金会、Oracle 公司、 IBM 公司等) 也相继推出了解析 XML 的接口标准, 使得人们不 必关心解析 XML 文件的过 程, 而把注意力集中在应用程序和 数据处理上, 也使得 XML 的应用得到了普及。 复杂的分形图像, 往往是由简单的迭代过程生成的, 正 如 图 1 所示, Koch 曲线的所有信息都包含在一个有序的三元集 合 G = < V, ω, P > 中, 其公理 ω= { F, + , - } , 产 生式集 合{F: - >F+F- -F+F} 在分形图像的产 生中, 起 到了关 键作用。 因此, 对一个由 L 系统产生的分 形图像, 只需 存储其 三元集 合 G 的信息和一些其他描述信息。而 XML 文件 是纯 文本 格式, 如果用来存储这些信息, 相对于 图像格 式, 存 储容量 简直是 天 壤之别。在网络 上传 输 时, 也只需要传输非常少量的文本信 息。 上述 Koch 曲线, 用 XML 文件表示为 < ? xml version = " 1. 0" encoding = " GB2312" ? > < fractal_image > < koch_curve > < axiom > f - f - f - f < / axiom > < production_rules > ff - f - - f - f < /production_rules > < order > 5 < /order > < rotation_angle > 60 < / rotation_angle > < /koch_curve > < /fractal_image > 以上内容以文本格式存储仅占用 284 字节 ( Bytes) , 而 其 对应的图像信息, 经过 压缩后, 至 少也需 要占用 5KB ~6KB 的 存储空间。 在实际应用中, 可以将许多分形图像的基本信息存储在同 一个文件中, 这些信息具有相同的结构, 因此 具有很 好的可 读 性, 对应用软件的处理, 也十分方便。 3 分形图像的处理与网络传输 XML 与 Java 技术被称 为完 美的 结合, Java 平台 提供 了 在 网络上安全而方便地传播代码的基础, XML 技 术则 为数 据 提 供了清 晰 的, 平台独立表示内容的方法。Java 平 台 是 使 用 XML 语言工作的开发人员的首选技术。有很多解析器和通用 工具是在 Java 平台上开发的。 解析 XML 的应用程序接口主要有三种[ 3] , 它 们 分别 是: Simple API for XML( SAX) , Document Object Model ( DOM) 和 Java Document Object Model ( JDOM) 。 SAX 是 基 于 事 件 驱 动 的, 适用于处理比较大的 XML 文档, 但应用程序的编写相对 复 杂一些; DOM 是比较通用的应用程序接口, 而 JDOM 是 专门为 Java 语言编写的应用程序接口。基于 DOM 和 JDOM 应用程 序 在解析 XML 文档时, 将 XML 文档读入内存并转换为逻辑上 的 树结构进行处理, 因此不易处理非常大的 XML 文档, 但其优 点 是应用程序会比较简单。考虑到保存分形图像信息的 XML 文 档较小, 而且是用 Java 语言来 处理数 据, 故 本文采 用 JDOM 应 用程序接口来处理分形图像信息。图 2 所示为 解析处理分 形 信息示意图。其过程如下: ( 1) 在服务器端建立 JSP 和 Servlet 工作环境, Tomcat, Res- in 等 Web 服务器都是不错的选择, 而本 文所用 的是 SUN 公 司 的 Java Web Services Developer Pack( JWSDP, 内含 Tomcat) ; ( 2) 建立相应的 Web 站点( 类似于 Windows 系 统 IIS 服 务 器的虚拟目录); ( 3) 将存放分形图像信息的 XML 文档置入相应的目录位置; ( 4) 编写处理 XML 文档信息 的 Java 代 码( Java Bean 或 者 Java Applet) , 经过编译, 转 换成 Java 字节 码, 以 * . class 文 件 的形式存放于服务器上; ( 5) 制作客户端访问的 HTML 或者 JSP 文档, 并置入合 适 的位置。 至此, 客户端便可通过 浏览器, 对服务器上的分形图像信 息进行访问。 图 2 解析处理分形信息示意图 用户在访问服务器时, 首先是访问 含有表单 HTML 或 JSP ·152·第 7 期 高宏卿等: 基于 XML 和 Java 技术的分形图像处理与网络传输 公理 云 一级曲线 二级曲线 五级曲线 三级曲线 四级曲线 读入请求参数: 允阅韵酝 解析 载酝蕴 文档; 允葬增葬月藻葬灶 或 粤责责造藻贼 处 理数据; … 返回客户端 … 请求 … 嵌入 月藻葬灶 或 粤责责造藻贼显示分形图像 客户端 穴C造蚤藻灶贼雪 浏览器 服务器端 穴S藻则增藻则 支持 允葬增葬雪 文档, 表单中有可供选择的分形图像列表, 用户通过表单, 进行 选择, 服务器端获取用户 端的选 择参数 后, 把 相应的 参数传 给 解析 处理 XML 文档 的 Applet 或 Bean, 然 后将 Applet 或 Bean 嵌入到网页内, 回传给客 户端, 客户端通过浏览器就可以看到 真正的分形图像了。 4 实例 图 3 所示为典型的 L 系统生成的分形图像, 这四幅图像均 是通过浏览器 访问 Web 服务器得到的。其对应的 XML 文 件 为 fractal. xml, 内容为: < ? xml version = " 1. 0" encoding = " GB2312" ? > < fractal_images > < image1 > < axiom > f - f - f - f < / axiom > < production_rules > ff - f - - f - f < /production_rules > < order > 5 < / order > < rotation_angle > 90 < / rotation_angle > < / image1 > < image2 > < axiom > f - f - f - f < / axiom > < production_rules > ff - f - f - f - f - f + f < /production_rules > < order > 5 < / order > < rotation_angle > 90 < / rotation_angle > < / image2 > < image3 > < axiom > f - f - f - f < / axiom > < production_rules > ff - f - f - f - ff < / production_rules > < order > 5 < / order > < rotation_angle > 90 < / rotation_angle > < / image3 > < image4 > < axiom > f < /axiom > < production_rules > ff - [ - f + f + f] + [ f - f - f] < /production _ rules > < order > 4 < / order > < rotation_angle > 22 . 5 < /rotation_angle > < / image4 > < / fractal_images > 图 3( a) ~图 3( c) 为典型的分形图像, 图 3( d) 为用分形模 拟植物的例子。由文档内容 得知, 在服 务器端, 只有 少量的 数 据存在于 XML 文件之中。实例中用来处理分形图像的是 一个 Java 小程序, 即 Java Applet, 其文件大小也只有 3KB, 关键是, 此 Java Applet 是一个通 用的 组件, 它可 以处 理 任意 的 L 系 统 生成的图像。在 XML 文档中可以放入几百甚至上千个分形 图 像信息, 而传送到客户端的 Java Applet 的大小 是固定 不变的, 所以, 总体上来讲, 本文提出来的处理分形图像 的 方 法 是非 常 高效的。需要指出的是, 图 3( d) 的产生式中, 出现了两个新 的 字符: “[ ”和“] ”其含义是, “[ ”表示将当前绘图的状态压入堆 栈, 包括当前绘图的位 置信息 和方 向信 息, 而“] ”则是 将堆 栈 中保存的绘图状态弹出来。 图 3 分 形图 像处理 实例 5 结束语 本文结 合 XML 和 Java 技 术, 就分形图像的信息存储、处 理和传输提出了一种新的处理方法。该方法既可以以较小的 存储空间来存放分形信息, 又可以很大限度地节省网络传输的 带宽, 可以应用到网站建设, 网络多媒体教学等许多领域。 参考文献: [ 1] 陈锦 辉. XML 与 Java 程 序 设 计 [M]. 北 京: 中 国 铁 道 出 版 社 , 2002. 6- 23 . [ 2 ] 齐东旭 . 分 形及 其 计 算 机 生 成 [M]. 北 京: 科 学 出 版 社 , 1994. 32- 75. [ 3] Mohammad Akif. Java XML Programmer’Regerence[ M] . 北 京: 电子 工业出 版社 , 2002. 4 -20. 作者简介: 高 宏卿 ( 1963 - ) , 男, 河 南 洛 阳 人 , 河南师范大学网络中心主任, 副 教 授 , 现为华 东师范 大学 2001 级 博 士 研 究生 , 研究方向为网络与多媒体 及其教学系统、知识管理与知识库系统; 王 晓东 ( 1963- ) , 男 , 河 南商 丘 人 , 副 教授 , 博 士, 研究方向为网络与多媒体及其教学系统、知识管理与 知 识库 系统。 ( 上 接第 249 页) 体对于多参数问题进行考虑, 通过 仿真 实验 证 实该方法能够准确地配准工业产 品的 CT 切 片模型 和 CAD 模 型, 而且具有较高的 精度。此外 复形法 算法简 单, 编 程容易 实 现。 参考文献: [ 1] lexander F lisch, et al. Industrial Computed Tomography in Reverse Engineering Applications [ C ] . Berlin: Computerized Tompgraphy for Industrial Applications and Image Processing in Radiology, 1999. [ 2] A E Johnson, M Hebert. Surface Matching for Object Recognition in Complex Three-dimensional Scenes[ J] . Image and Vision Computing, 1998, 16 ( 9- 10 ) : 635- 651. [ 3] J B Antoine Maintz, Max A Viergever. A Survey of Medical Image Registration[ J] . Medical Image Analysis, 1998, 2 ( 1) : 1- 36 . [ 4] Michel A Audette, Frank P Ferrie, et al. An Algorithmic Overview of Surface Registration Techniques for Medical Imaging[ J] . Medical Image Analysis, 2000, 4( 3 ) : 201- 217. [ 5 ] 何献忠 , 刘 玉桐 , 金 小海. 优化 技术 及其应 用[M]. 北 京: 北 京工 业 学院出 版社 , 1986 . [ 6] G· V· 雷克莱 狄斯 , 等 . 工 程最 优化方 法与 应 用[M]. 北 京 : 北 京 航空航 天大 学出版 社, 1990. 作者简介: 刘 晶( 1977- ) , 女 , 山 东即墨 人, 博 士 研究 生 , 主要 从 事 工 业 CT、图形 图 像 处理 方面的 研究 ; 张 定华( 1958- ) , 男, 美国机械工程师协会会员, 现 任西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室主任, 教 授 , 博 士生 导师, 主要研究方向为计算机辅助设计与制造、体视化技术、 计算机层析成像技术、三维图像重建等众多领域 , 发 表论 文 三 十 五篇 , 专 著两 部; 毛海鹏 ( 1976- ) , 男 , 陕 西 西 安 人, 博 士 研 究 生, 主 要 从 事 工 业 CT、图形图像处理方面的研究。 ·252· 计算机应用研究 2004 年 (a) (b) (c) (d) 园援缘园园 园援猿愿怨 园援圆苑愿 园援员远苑 园援园缘缘远 原园援园缘缘远 原园援员远苑 原园援圆苑愿 原园援猿愿怨 原园援缘园园 栽燥枣藻则葬灶糟藻 穴葬雪 点云模型 穴遭雪 误差云图显示 图 圆 误差彩色云图 -0.2078mm -0.1249mm -0.2791mm -0.0520 弧度 0.0038 弧度 -0.0374 弧度 0.2 吟x 吟y 吟z 吟琢 吟茁 吟酌迭代精度 着 表 1 仿真结果
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sinopanda

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