基于图形压缩技术的视频考勤机的软件设计与实现

郭楚尘　张立立　张帆

摘 要：针对传统考勤机出现的代替刷卡、易损坏、可靠性低等诸多问题，提出了一种基于图像压缩技术的视频考勤机软件系统。该系统图像压缩模块采用JPEG硬件压缩编码技术对静态图像进行压缩，大大的减少了图像存储的空间和图像传输的数据量。USB传输模块采用了USB1.1传输技术，使用普通的U盘就可以方便的读取考勤数据，免去了布线工作，方便安装。本系统通过实际运行与测试，能够达到设计要求。

关键词：联合图像专家组（JPEG）；通用串行总线（USB）；图像采集；软件程序

随着IC卡技术的发展和成熟，传统的打卡机磁卡考勤机和接触式考勤机被非接触式IC卡考勤机即感应式电子考勤机所替代。虽然当前IC卡考勤系统已被很多企业使用，但利用IC卡考勤有其固有的缺陷。例如，某员工可以携带别人的IC卡，代替他人打卡，不能达到考勤的真正目的。之后又研发了一种指纹识别考勤机。但是指纹考勤机对考勤人员要求比较高，比如皮肤干燥等识别起来就很困难。

鉴于以上考勤设备发展的历程和现状，提出了基于JPEG图像压缩技术的视频考勤系统。本系统采用非接触式IC卡进行打卡操作，内置摄像头，打卡时可自动拍摄打卡人员面部的照片，真正有效的杜绝了员工间代替刷卡的现象。所设计的考勤机为脱机型考勤机，不需要线缆与电脑连接。考勤数据通过U盘传输至考勤管理PC中，无需再布线传输数据，进一步方便了管理。文章只从图像压缩技术和USB传输技术方面介绍考勤机的软件设计内容。

1 JPEG图像压缩技术

图像压缩是指在保证一定的图像质量和满足任务要求的前提下，减少原始图像数据量的处理过程[3]。图像数据之所以能被压缩，就是因为数据中存在着冗余。图像数据的冗余主要表现为：图像中相邻像素间的相关性引起的空间冗余；图像序列中不同帧之间存在相关性引起的时间冗余；不同彩色平面或频谱带的相关性引起的频谱冗余。数据压缩的目的就是通过去除这些数据冗余来减少表示数据所需的比特数。由于图像数据量的庞大，在存储、传输、处理时非常困难，因此图像数据的压缩就显得非常重要。

JPEG是Joint Photographic Experts Group（联合图像专家小组）的缩写，是第一个国际图像压缩标准。JPEG图像压缩算法能够在提供良好的压缩性能的同时，具有比较好的重建质量，被广泛应用于图像、视频处理领域。人们日常碰到的“.jpeg”、“.jpg”等指代的是图像数据经压缩编码后在媒体上的封存形式，不能与JPEG压缩标准混为一谈。

JPEG图像编解码的实现通常有两种方案，一是软件实现，另一种就是使用专用JPEG压缩编码芯片。由于专用JPEG压缩编码芯片技术成熟，稳定性好，产品开发周期相对较短，并且对嵌入式处理器要求不高，可以降低系统成本，因此这种方案在嵌入式系统应用中使用较多。本系统中使用的就是基于JPEG编解码专用芯片的方案。

2 视频考勤机的软件设计

微控制器C8051F020是本视频考勤机的控制核心。考勤机的各个模块的功能都通过对C8051F020编程实现。初始化程序通过对各个芯片的功能寄存器的设置完成初始化，使考勤机进入正常工作状态。图像采集JPEG压缩程序把摄像头采集到的模拟图像数字化，并控制编码芯片对数字图像数据进行压缩。USB模块通信程序完成对USB模块的读写控制。

2.1 图像采集JPEG压缩程序

图像采集JPEG压缩程序包括两部分：模拟图像信号A/D转换部分和JPEG图像压缩部分。系统采用SAA7113芯片实现图像的A/D转换。视频A/D芯片的初始化是微控制器通过IIC总线对SAA7113的内部寄存器的进行配置实现的。本系统中使用ZORAN公司生产的芯片ZR36060做JPEG硬件编解码。

ZR36060在正常工作之前也需要对其内部寄存器进行初始化。在代码被动方式下，对ZR36060内部寄存器的读写操作是直接对地址ADDR=00b进行的。压缩/解压缩的JPEG码流是通过代码接口传输的。代码接口有两种操作方式：主动方式和被动方式。系统中对ZR36060代码接口的控制是由微控制器通过CPLD进行地址译码等逻辑控制实现对其内部代码空间的操作，采用的接口操作方式是被动方式，数据总线的宽度是8位，与微控制器总线宽度相符，减少了逻辑变换操作。考勤系统采用8bit代码宽度的代码从模式。

2.2 USB读写程序

本系统使用USB[6]模块进行USB读写操作。使用U盘文件读写模块作为USB主控接口。USB模块采用并口读写方式，并口数据交换是通过模块的CH421芯片进行，该模块支持8位被动并口，模块中的CH421芯片为双向缓冲接口芯片，用于模块CH375芯片通信数据的缓存。USB模块占用芯片CH421的两个I/O地址。芯片CH421对缓冲区的读写采用索引地址方式，在两个传输方向上各提供64字节的缓冲区，缓冲区的第一个和最后一个单元的索引地址分别为00H和3FH。

3 USB读写模块调试

USB读写模块调试的过程如下：模块内置了简单的自动演示功能，方法是：在模块处于正常工作状态时（此时跳线J1是断开的，模块的LED亮起说明其空闲），将跳线J1插上，模块开始自动执行。开始执行后，模块的LED灭掉，等待U盘插入，当U盘插入后，模块打开U盘中根目录下的“模块演示.TXT”文件，如果文件不存在则新建文件，如果文件存在则移动文件指针到末尾，添加两行字符串，其中包含当前状态信息，然后关闭文件。上述演示结束后，模块的LED重新亮起。如果演示过程中出现错误，那么模块的LED会闪烁。演示完毕后，只有断开电源或者复位，模块才能恢复正常工作状态。模块的演示结果中包括模块程序版本号和当前功能配置值以及串口通讯波特率除数，所以也可以用于检查模块当前接口以及功能配置是否设置正确。当模块工作正常后通过微控制器和图像采集压缩模块和USB模块把JPEG文件写入U盘。再把U盘连接到PC机上，打开JPEG图片验证结果正确。

4 结束语

本考勤系统经过较长时间的测试和实验，各项技术指标均已达到预期目标，完全满足中小型企事业单位考勤的需求。但在实验和使用的过程中，发现本系统还存在的弱点。个别专用芯片价格较高，增加了系统的成本。在下一代的考勤机中建议整合方案，采用更高性能处理器，通过软件完成JPEG压缩算法，这样能大大降低成本。

参考文献

[1]葛卫丽，李志强，郑敏.RFID系统的研究与应用[J].武警工程学院学报，2006（2）：77-79.

[2]朱兆优.公交非接触IC卡读写器的应用设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2001（10）：178-180.

[3]张春田，苏育挺，张静.数字图像压缩编码[M].北京：清华大学出版社，2006，1-6.

[4]陈裕华，顾晓东，张忠伟.最新CCSDS图像压缩算法研究与实现[J].空间科学学报，2007（8）：519-522.

[5]肖冰，凌军.图像压缩技术与实现[J].福建电脑，2006（12）：111-113.

[6]李肇庆，廖峰，刘建存.USB接口技术[M].北京：国防工业出版社，2004：6-15.

作者简介：郭楚尘（1997，5-），男，辽宁沈阳人，高中，研究方向：计算机软件。