基于圖形壓縮技術(shù)的視頻考勤機(jī)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭楚塵　張立立　張帆

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)考勤機(jī)出現(xiàn)的代替刷卡、易損壞、可靠性低等諸多問(wèn)題，提出了一種基于圖像壓縮技術(shù)的視頻考勤機(jī)軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)圖像壓縮模塊采用JPEG硬件壓縮編碼技術(shù)對(duì)靜態(tài)圖像進(jìn)行壓縮，大大的減少了圖像存儲(chǔ)的空間和圖像傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。USB傳輸模塊采用了USB1.1傳輸技術(shù)，使用普通的U盤(pán)就可以方便的讀取考勤數(shù)據(jù)，免去了布線(xiàn)工作，方便安裝。本系統(tǒng)通過(guò)實(shí)際運(yùn)行與測(cè)試，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合圖像專(zhuān)家組（JPEG）；通用串行總線(xiàn)（USB）；圖像采集；軟件程序

隨著IC卡技術(shù)的發(fā)展和成熟，傳統(tǒng)的打卡機(jī)磁卡考勤機(jī)和接觸式考勤機(jī)被非接觸式IC卡考勤機(jī)即感應(yīng)式電子考勤機(jī)所替代。雖然當(dāng)前IC卡考勤系統(tǒng)已被很多企業(yè)使用，但利用IC卡考勤有其固有的缺陷。例如，某員工可以攜帶別人的IC卡，代替他人打卡，不能達(dá)到考勤的真正目的。之后又研發(fā)了一種指紋識(shí)別考勤機(jī)。但是指紋考勤機(jī)對(duì)考勤人員要求比較高，比如皮膚干燥等識(shí)別起來(lái)就很困難。

鑒于以上考勤設(shè)備發(fā)展的歷程和現(xiàn)狀，提出了基于JPEG圖像壓縮技術(shù)的視頻考勤系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用非接觸式IC卡進(jìn)行打卡操作，內(nèi)置攝像頭，打卡時(shí)可自動(dòng)拍攝打卡人員面部的照片，真正有效的杜絕了員工間代替刷卡的現(xiàn)象。所設(shè)計(jì)的考勤機(jī)為脫機(jī)型考勤機(jī)，不需要線(xiàn)纜與電腦連接。考勤數(shù)據(jù)通過(guò)U盤(pán)傳輸至考勤管理PC中，無(wú)需再布線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)一步方便了管理。文章只從圖像壓縮技術(shù)和USB傳輸技術(shù)方面介紹考勤機(jī)的軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容。

1 JPEG圖像壓縮技術(shù)

圖像壓縮是指在保證一定的圖像質(zhì)量和滿(mǎn)足任務(wù)要求的前提下，減少原始圖像數(shù)據(jù)量的處理過(guò)程[3]。圖像數(shù)據(jù)之所以能被壓縮，就是因?yàn)閿?shù)據(jù)中存在著冗余。圖像數(shù)據(jù)的冗余主要表現(xiàn)為：圖像中相鄰像素間的相關(guān)性引起的空間冗余；圖像序列中不同幀之間存在相關(guān)性引起的時(shí)間冗余；不同彩色平面或頻譜帶的相關(guān)性引起的頻譜冗余。數(shù)據(jù)壓縮的目的就是通過(guò)去除這些數(shù)據(jù)冗余來(lái)減少表示數(shù)據(jù)所需的比特?cái)?shù)。由于圖像數(shù)據(jù)量的龐大，在存儲(chǔ)、傳輸、處理時(shí)非常困難，因此圖像數(shù)據(jù)的壓縮就顯得非常重要。

JPEG是Joint Photographic Experts Group（聯(lián)合圖像專(zhuān)家小組）的縮寫(xiě)，是第一個(gè)國(guó)際圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。JPEG圖像壓縮算法能夠在提供良好的壓縮性能的同時(shí)，具有比較好的重建質(zhì)量，被廣泛應(yīng)用于圖像、視頻處理領(lǐng)域。人們?nèi)粘Ｅ龅降摹?jpeg”、“.jpg”等指代的是圖像數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮編碼后在媒體上的封存形式，不能與JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)混為一談。

JPEG圖像編解碼的實(shí)現(xiàn)通常有兩種方案，一是軟件實(shí)現(xiàn)，另一種就是使用專(zhuān)用JPEG壓縮編碼芯片。由于專(zhuān)用JPEG壓縮編碼芯片技術(shù)成熟，穩(wěn)定性好，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期相對(duì)較短，并且對(duì)嵌入式處理器要求不高，可以降低系統(tǒng)成本，因此這種方案在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中使用較多。本系統(tǒng)中使用的就是基于JPEG編解碼專(zhuān)用芯片的方案。

2 視頻考勤機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

微控制器C8051F020是本視頻考勤機(jī)的控制核心?？记跈C(jī)的各個(gè)模塊的功能都通過(guò)對(duì)C8051F020編程實(shí)現(xiàn)。初始化程序通過(guò)對(duì)各個(gè)芯片的功能寄存器的設(shè)置完成初始化，使考勤機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。圖像采集JPEG壓縮程序把攝像頭采集到的模擬圖像數(shù)字化，并控制編碼芯片對(duì)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。USB模塊通信程序完成對(duì)USB模塊的讀寫(xiě)控制。

2.1 圖像采集JPEG壓縮程序

圖像采集JPEG壓縮程序包括兩部分：模擬圖像信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換部分和JPEG圖像壓縮部分。系統(tǒng)采用SAA7113芯片實(shí)現(xiàn)圖像的A/D轉(zhuǎn)換。視頻A/D芯片的初始化是微控制器通過(guò)IIC總線(xiàn)對(duì)SAA7113的內(nèi)部寄存器的進(jìn)行配置實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)中使用ZORAN公司生產(chǎn)的芯片ZR36060做JPEG硬件編解碼。

ZR36060在正常工作之前也需要對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化。在代碼被動(dòng)方式下，對(duì)ZR36060內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)操作是直接對(duì)地址ADDR=00b進(jìn)行的。壓縮/解壓縮的JPEG碼流是通過(guò)代碼接口傳輸?shù)?。代碼接口有兩種操作方式：主動(dòng)方式和被動(dòng)方式。系統(tǒng)中對(duì)ZR36060代碼接口的控制是由微控制器通過(guò)CPLD進(jìn)行地址譯碼等邏輯控制實(shí)現(xiàn)對(duì)其內(nèi)部代碼空間的操作，采用的接口操作方式是被動(dòng)方式，數(shù)據(jù)總線(xiàn)的寬度是8位，與微控制器總線(xiàn)寬度相符，減少了邏輯變換操作。考勤系統(tǒng)采用8bit代碼寬度的代碼從模式。

2.2 USB讀寫(xiě)程序

本系統(tǒng)使用USB[6]模塊進(jìn)行USB讀寫(xiě)操作。使用U盤(pán)文件讀寫(xiě)模塊作為USB主控接口。USB模塊采用并口讀寫(xiě)方式，并口數(shù)據(jù)交換是通過(guò)模塊的CH421芯片進(jìn)行，該模塊支持8位被動(dòng)并口，模塊中的CH421芯片為雙向緩沖接口芯片，用于模塊CH375芯片通信數(shù)據(jù)的緩存。USB模塊占用芯片CH421的兩個(gè)I/O地址。芯片CH421對(duì)緩沖區(qū)的讀寫(xiě)采用索引地址方式，在兩個(gè)傳輸方向上各提供64字節(jié)的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的第一個(gè)和最后一個(gè)單元的索引地址分別為00H和3FH。

3 USB讀寫(xiě)模塊調(diào)試

USB讀寫(xiě)模塊調(diào)試的過(guò)程如下：模塊內(nèi)置了簡(jiǎn)單的自動(dòng)演示功能，方法是：在模塊處于正常工作狀態(tài)時(shí)（此時(shí)跳線(xiàn)J1是斷開(kāi)的，模塊的LED亮起說(shuō)明其空閑），將跳線(xiàn)J1插上，模塊開(kāi)始自動(dòng)執(zhí)行。開(kāi)始執(zhí)行后，模塊的LED滅掉，等待U盤(pán)插入，當(dāng)U盤(pán)插入后，模塊打開(kāi)U盤(pán)中根目錄下的“模塊演示.TXT”文件，如果文件不存在則新建文件，如果文件存在則移動(dòng)文件指針到末尾，添加兩行字符串，其中包含當(dāng)前狀態(tài)信息，然后關(guān)閉文件。上述演示結(jié)束后，模塊的LED重新亮起。如果演示過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，那么模塊的LED會(huì)閃爍。演示完畢后，只有斷開(kāi)電源或者復(fù)位，模塊才能恢復(fù)正常工作狀態(tài)。模塊的演示結(jié)果中包括模塊程序版本號(hào)和當(dāng)前功能配置值以及串口通訊波特率除數(shù)，所以也可以用于檢查模塊當(dāng)前接口以及功能配置是否設(shè)置正確。當(dāng)模塊工作正常后通過(guò)微控制器和圖像采集壓縮模塊和USB模塊把JPEG文件寫(xiě)入U(xiǎn)盤(pán)。再把U盤(pán)連接到PC機(jī)上，打開(kāi)JPEG圖片驗(yàn)證結(jié)果正確。

4 結(jié)束語(yǔ)

本考勤系統(tǒng)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，完全滿(mǎn)足中小型企事業(yè)單位考勤的需求。但在實(shí)驗(yàn)和使用的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)還存在的弱點(diǎn)。個(gè)別專(zhuān)用芯片價(jià)格較高，增加了系統(tǒng)的成本。在下一代的考勤機(jī)中建議整合方案，采用更高性能處理器，通過(guò)軟件完成JPEG壓縮算法，這樣能大大降低成本。

參考文獻(xiàn)

[1]葛衛(wèi)麗，李志強(qiáng)，鄭敏.RFID系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].武警工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（2）：77-79.

[2]朱兆優(yōu).公交非接觸IC卡讀寫(xiě)器的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2001（10）：178-180.

[3]張春田，蘇育挺，張靜.數(shù)字圖像壓縮編碼[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006，1-6.

[4]陳裕華，顧曉東，張忠偉.最新CCSDS圖像壓縮算法研究與實(shí)現(xiàn)[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2007（8）：519-522.

[5]肖冰，凌軍.圖像壓縮技術(shù)與實(shí)現(xiàn)[J].福建電腦，2006（12）：111-113.

[6]李肇慶，廖峰，劉建存.USB接口技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004：6-15.

作者簡(jiǎn)介：郭楚塵（1997，5-），男，遼寧沈陽(yáng)人，高中，研究方向：計(jì)算機(jī)軟件。