基于人臉識(shí)別的高?？记谙到y(tǒng)的設(shè)計(jì)

引 言

為加強(qiáng)課堂管理，高校老師需要在課堂上對(duì)學(xué)生進(jìn)行考勤統(tǒng)計(jì)。當(dāng)前一般采用紙制點(diǎn)名冊(cè)，任課老師通過(guò)點(diǎn)名統(tǒng)計(jì)出勤情況并記錄在點(diǎn)名冊(cè)上。這種考勤記錄方式在管理中暴露出許多弊端：每次點(diǎn)名需要浪費(fèi)大量時(shí)間，而大課堂時(shí)間浪費(fèi)尤其嚴(yán)重；班主任很難掌握學(xué)生上課的實(shí)時(shí)情況，不便與學(xué)生及時(shí)溝通 ；不便學(xué)生了解自己的出勤情況。

目前全國(guó)高校的信息化發(fā)展迅速，校園網(wǎng)已基本完善， 平安校園 亦已基本完善，在極大地方便師生的同時(shí)，如何充分利用現(xiàn)有資源，方便快捷地工作學(xué)習(xí)是需要討論的一個(gè)話題。

本文提出一種新的考勤方法，即利用現(xiàn)有 平安校園部署在教室中的攝像頭，對(duì)進(jìn)入課堂人員進(jìn)行人臉識(shí)別統(tǒng)計(jì)， 以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)考勤統(tǒng)計(jì)的目的。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)既可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查詢， 也可以長(zhǎng)期保存。該項(xiàng)工作既實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化統(tǒng)計(jì)，又使資源得到了充分利用。

基于人臉識(shí)別技術(shù)的高?？记谙到y(tǒng)主要分為人臉數(shù)據(jù)采集、身份識(shí)別和數(shù)據(jù)記錄三部分[1]。

人臉數(shù)據(jù)采集以人臉識(shí)別為前提，即獲取圖像數(shù)據(jù)后， 識(shí)別出圖像中的人臉部分，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在大多數(shù)情況下，因?yàn)樘鞖?、光照等客觀因素復(fù)雜，再加之人臉部所在位置不固定，而 平安校園 部署在教室中的攝像頭位置相對(duì)固定， 所以應(yīng)檢測(cè)圖像是否包含面部，若包含，則檢測(cè)其在圖像中所處位置。人臉檢測(cè)的目的是為了在監(jiān)控的大幅畫面中搜尋面部位置，為后續(xù)的身份識(shí)別提供條件。

身份識(shí)別的關(guān)鍵在于人臉識(shí)別，人臉識(shí)別技術(shù)是圖形構(gòu)造、計(jì)算機(jī)圖像處理、人體生理學(xué)、模式識(shí)別和認(rèn)知科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域和技術(shù)的復(fù)合技術(shù) [1-4]。該系統(tǒng)的難點(diǎn)在于人臉數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和身份識(shí)別的可靠性 [5]。面部比對(duì)是一種較為普遍的方法，對(duì)被檢測(cè)到的人臉在面部庫(kù)中進(jìn)行目標(biāo)搜索， 得到對(duì)比結(jié)果。該操作的關(guān)鍵是采取合適的面部表征模式和匹配方法，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和面部表征特點(diǎn)緊密聯(lián)系。本系統(tǒng)采用基于BSD 許可（開源）發(fā)行的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)OpenCV，應(yīng)用其中的圖像分割、面部識(shí)別函數(shù)庫(kù)完成人臉的數(shù)據(jù)采集和身份識(shí)別。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著智能手機(jī)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)對(duì)智能手機(jī)的支持更加方便師生查看相關(guān)信息，其主要用戶是學(xué)生、代課老師和班主任，可以進(jìn)行學(xué)生、成績(jī)、考勤和課程等的管理 ；PC 前臺(tái)可方便查看各類信息的結(jié)果，但不能進(jìn)行管理操作；系統(tǒng)后臺(tái)主要用于基礎(chǔ)信息的導(dǎo)入和管理，其主要用戶是老師和管理員。系統(tǒng)總體功能模塊如圖 1 所示。

1.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要圍繞學(xué)生、代課老師、班主任、管理員四類用戶進(jìn)行設(shè)計(jì)。學(xué)生主要查看信息 ；代課老師主要進(jìn)行學(xué)生點(diǎn)名管理和成績(jī)信息錄入；班主任主要查看和修改部分不合理信息 ；管理員主要導(dǎo)入系統(tǒng)所需信息。系統(tǒng)頂層數(shù)據(jù)流圖如圖 2 所示。

為了更加清楚地描述系統(tǒng)信息流向，進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行劃分，將其分為客戶端、PC 后臺(tái)管理和數(shù)據(jù)庫(kù)信息存儲(chǔ)。第一層數(shù)據(jù)流圖如圖 3 所示。

數(shù)據(jù)庫(kù)概念設(shè)計(jì)階段主要將需求分析階段得到的用戶需求抽象為信息結(jié)構(gòu)（概念模型），它是整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。數(shù)據(jù)庫(kù)概念設(shè)計(jì)主要進(jìn)行各實(shí)體的描述和各實(shí)體之間聯(lián)系的描述。系統(tǒng) E-R 圖如圖 4 所示。

1.2 系統(tǒng)交互流程 

通過(guò)圖 5 簡(jiǎn)單描述本系統(tǒng)的用戶如何同 Android 客戶端、 PC 服務(wù)端、數(shù)據(jù)庫(kù)之間進(jìn)行操作交互過(guò)程。

圖 2 簡(jiǎn)單描述了用戶與系統(tǒng)的交互關(guān)系，沒(méi)有涉及用戶與 系統(tǒng)交互的時(shí)間關(guān)系。系統(tǒng)時(shí)序圖如圖 6 所示，是對(duì)用戶操作 時(shí)間的描述。用戶登錄后通過(guò)界面操作實(shí)現(xiàn)不同的功能，利用 內(nèi)部邏輯操作數(shù)據(jù)庫(kù)返回操作結(jié)果，并通過(guò)界面顯示。 

上述系統(tǒng)總體交互圖只是一個(gè)簡(jiǎn)單的概述，不能詳細(xì)描 述各模塊內(nèi)部的交互過(guò)程，現(xiàn)進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)總體交互過(guò)程中 所涉及的各部分進(jìn)行細(xì)致描述。Android 客戶端和 PC 后臺(tái)的 功能模塊功能一致，簡(jiǎn)單描述其部分核心的模塊交互過(guò)程。 

代課老師利用學(xué)生考勤管理模塊對(duì)學(xué)生上課出勤情況進(jìn) 行記錄，代課老師可逐一進(jìn)行點(diǎn)名記錄、單獨(dú)添加某一個(gè)學(xué) 生出勤信息、修改已記錄的出勤信息和刪除已記錄的出勤信息。 

代課老師利用學(xué)生成績(jī)管理模塊對(duì)學(xué)生成績(jī)進(jìn)行記錄， 同時(shí)也可以添加某學(xué)生的成績(jī)、修改已記錄的成績(jī)信息和刪除 已記錄的成績(jī)信息。

2 系統(tǒng)測(cè)試 

本系統(tǒng)所用的測(cè)試方法主要為單元測(cè)試、集成測(cè)試和系 統(tǒng)測(cè)試。表 1 所列為系統(tǒng)登錄測(cè)試用例。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)基于人臉識(shí)別的考勤系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，提高了 老師點(diǎn)名效率，為學(xué)生出勤管理提供了便捷方法，亦有效提高 了設(shè)備使用率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，由于教室環(huán)境光線的明暗變化 以及人臉角度等影響都會(huì)給識(shí)別帶來(lái)不同的影響，因此在人 臉識(shí)別考勤系統(tǒng)中結(jié)合了人臉識(shí)別的二值化、模板匹配等方法， 以減小識(shí)別誤差。 

但該方案仍存在一定問(wèn)題，如教室光照度仍然是限制系 統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確度進(jìn)一步提高的關(guān)鍵因素，并將在以后工作中進(jìn)一 步改進(jìn)完善