基于人臉識別的課堂點(diǎn)名系統(tǒng)*

江泓政，湯　軍，黃　建，向　鐸，楊　玥，王志鋮

(長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100)

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基于人臉識別的課堂點(diǎn)名系統(tǒng)*

江泓政，湯軍，黃建，向鐸，楊玥，王志鋮

(長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100)

摘要：傳統(tǒng)的課堂點(diǎn)名方法效率低下，浪費(fèi)大量時(shí)間。提出基于人臉識別的課堂點(diǎn)名系統(tǒng)，大大提高了課堂點(diǎn)名的效率。本系統(tǒng)提供圖像和攝像識別點(diǎn)名，可一次識別多個(gè)人臉，同時(shí)該系統(tǒng)也對系統(tǒng)難以識別的學(xué)生提供手動簽到。系統(tǒng)運(yùn)用OpenCV人臉識別開源庫做算法部分，用Qt、C++實(shí)現(xiàn)界面交互。

關(guān)鍵詞：人臉識別；OpenCV；點(diǎn)名系統(tǒng)

引用格式：江泓政，湯軍，黃建，等. 基于人臉識別的課堂點(diǎn)名系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(12)：13-15.

0引言

人臉識別技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)基于人的臉部特征進(jìn)行人臉圖像分析，并從中提取出所蘊(yùn)涵的有效身份特征信息用以識別人的身份的技術(shù)[1]。本系統(tǒng)結(jié)合校園的需求，將人臉識別運(yùn)用于課堂點(diǎn)名中。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

在高校的教學(xué)和學(xué)生工作管理過程中，課堂點(diǎn)名是一項(xiàng)重要的內(nèi)容。而傳統(tǒng)的點(diǎn)名方式效率太低，教師工作量大，花費(fèi)時(shí)間多，并且傳統(tǒng)點(diǎn)名記錄的數(shù)據(jù)不易利用。隨著科技的進(jìn)步，人臉識別走進(jìn)了日常生活中，學(xué)校開始出現(xiàn)人臉考勤機(jī)，但考勤機(jī)點(diǎn)名依舊是單個(gè)識別，效率依舊不高。本系統(tǒng)運(yùn)用人臉識別技術(shù)，開發(fā)可一次識別多人臉的課堂點(diǎn)名系統(tǒng)，大大提高了點(diǎn)名的效率。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1基于AdaBoost的人臉檢測

AdaBoost算法是通過訓(xùn)練大量圖像得到弱分類器，將這些弱分類器根據(jù)一定的原則組合起來，形成強(qiáng)分類器，再將多個(gè)強(qiáng)分類器進(jìn)行級聯(lián)，形成一個(gè)多層分類器，如果圖像中的某個(gè)區(qū)域能夠通過這個(gè)多層分類器，就判定這個(gè)區(qū)域是人臉[2]。在2001年，VIOLA和JONES M J對AdaBoost進(jìn)一步修改，運(yùn)用積分圖減小計(jì)算量，快速計(jì)算出Haar-like特征數(shù)值[3]。VIOLA P的算法在人臉檢測中取得了突破性的進(jìn)展，被廣泛運(yùn)用于人臉識別中。本系統(tǒng)采用VIOLA P的算法實(shí)現(xiàn)人臉檢測部分。

2.2基于EigenFace的人臉識別

EigenFace(特征臉)方法是基于主成分分析(Principal Component Analysis，PAC)的一種人臉識別技術(shù)，該方法識別率高，識別速度快。特征臉方法將包含人臉的圖像區(qū)域看作一種隨機(jī)向量，采用K-L變換(Karhunen Loeve expansion)獲得其正交基底。由于對應(yīng)較大特征值的基底具有與人臉相似的形狀，故稱之為特征臉“EigenFace”[4]。本系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測人臉并對比識別，考慮到性能，選用EigenFace方法作為識別算法。EigenFace的人臉識別包括兩個(gè)部分：訓(xùn)練部分和識別部分。訓(xùn)練部分就是把人臉圖像的特征提取出來存放到訓(xùn)練的樣本文件中。在對人臉進(jìn)行識別時(shí)，首先對輸入的待檢測人臉進(jìn)行特征分析，然后與樣本中的人臉進(jìn)行匹配。如果得到的相似度大于某個(gè)預(yù)設(shè)閾值，則認(rèn)為該人臉與樣本中人臉匹配，確定為“合法”用戶；反之，如果得到的相似度小于該閾值，則認(rèn)為該人臉為“非法”用戶[5]。人臉識別流程圖如圖1所示。

圖1　人臉識別流程圖

3系統(tǒng)需求分析與設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)的需求分析

對點(diǎn)名系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行分析，并且調(diào)研課堂老師的意見，規(guī)劃出了系統(tǒng)的功能需求。該系統(tǒng)主要分為兩大功能模塊，一是圖像處理算法模塊，二是點(diǎn)名系統(tǒng)管理模塊。其中圖像處理算法模塊包括了人臉預(yù)處理、人臉檢測、人臉識別、人臉采集模塊；點(diǎn)名系統(tǒng)管理模塊包括信息錄入、信息查詢、信息管理模塊。

3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括了系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)、主要功能模塊設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。

3.3系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

圖像處理算法模塊用于學(xué)生的人臉采集，將采集后的人臉進(jìn)行預(yù)處理，并將處理后的人臉進(jìn)行訓(xùn)練得到樣本文件，其中記錄了學(xué)生的人臉特征，在識別時(shí)系統(tǒng)載入樣本文件對學(xué)生進(jìn)行人臉識別。點(diǎn)名系統(tǒng)管理模塊主要負(fù)責(zé)人員的信息、點(diǎn)名信息的查詢和管理。系統(tǒng)框架圖如圖2所示。

3.4主要功能模塊設(shè)計(jì)

3.4.1人臉采集模塊

人臉采集模塊用于樣本文件和人臉識別過程中人臉的提取，在檢測出人臉區(qū)域后將區(qū)域中的人臉經(jīng)過人臉預(yù)處理后保存為圖片，供訓(xùn)練時(shí)使用。此模塊設(shè)計(jì)了兩種采集模式：一是圖像人臉采集，在學(xué)生的照片中提取人臉；二是攝像人臉采集，學(xué)生在攝像頭前，由算法提取視頻幀中人臉。采取這兩種方法為人臉采集提供了方便，學(xué)生可將自己拍的照片提供給管理員進(jìn)行人臉采集。采集后的人臉會保存在以學(xué)號命名的文件夾中。部分人臉采集圖如圖3所示。

圖3　人臉采集圖

3.4.2人臉識別模塊

人臉識別時(shí)程序先載入訓(xùn)練好的樣本文件，將人臉與訓(xùn)練文件匹配，當(dāng)置信度大于一定閾值時(shí)返回與人臉匹配的學(xué)號。人臉識別模塊同樣也設(shè)計(jì)了兩種模式，一是圖像人臉識別，二是攝像人臉識別。這樣設(shè)計(jì)的目的是為識別提供多樣化。在算法上本系統(tǒng)采用了OpenCV中的局部二值模式(Local Binary Patterns，LBP)算法[6]。

3.4.3點(diǎn)名模塊

在點(diǎn)名過程中一般方法是將識別過程中返回的學(xué)號與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，獲得學(xué)生數(shù)據(jù)。但此方法效率較低，在識別過程中需要頻繁地訪問數(shù)據(jù)庫，降低了點(diǎn)名的速度。本系統(tǒng)運(yùn)用哈希表，在點(diǎn)名時(shí)預(yù)先將學(xué)生的學(xué)號和姓名載入哈希表中，在識別過程中只需訪問哈希表，大大提高了點(diǎn)名的效率和速度。

3.5數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的主要表有管理員表、學(xué)生信息表、課程信息表、學(xué)生選課表、任課教師信息表、班級考勤表、學(xué)生考勤表、學(xué)生缺勤記錄表。E-R模型圖如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)庫E-R模型圖

4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1系統(tǒng)運(yùn)行和開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)采用Qt5.5為開發(fā)平臺，數(shù)據(jù)庫采用了MySQL5.5，在人臉識別模塊調(diào)用了OpenCV函數(shù)庫，系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為Windows 7 64位操作系統(tǒng)。

4.2系統(tǒng)界面

系統(tǒng)包括了人臉檢測、人臉點(diǎn)名、人數(shù)統(tǒng)計(jì)、人臉采集、信息查詢等功能。系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)界面圖

4.3點(diǎn)名模塊

當(dāng)人臉識別完成后，會顯示簽到的學(xué)生和未簽到的學(xué)生，供教師確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)未識別的學(xué)生可點(diǎn)擊刪除按鈕，學(xué)生會自動從未簽到加入簽到列表，再確認(rèn)課程班級無誤后，點(diǎn)擊提交便完成點(diǎn)名。點(diǎn)名界面圖如圖6所示。

圖6　攝像點(diǎn)名界面

5結(jié)論

基于人臉識別的課堂點(diǎn)名系統(tǒng)運(yùn)用OpenCV和Qt、C++編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，界面友好，操作簡單，點(diǎn)名快捷，大大提高了課堂點(diǎn)名的效率，也使得人臉識別技術(shù)有了更加廣泛的應(yīng)用，對推動學(xué)校和新技術(shù)的發(fā)展有積極的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 文成玉,金欣,董良，等.基于人臉識別的應(yīng)用程序登錄助手設(shè)計(jì)鄢[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(12):96-99.

[2] 王竹君. 基于人臉檢測的移動點(diǎn)名系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].昆明：云南大學(xué),2014.

[3] VIOLA P, JONES M J. Robust real-time face detection[J]. International Journal of Computer Vision,2004,57(2):137-154.

[4] 齊禮成. 基于人臉識別考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2012.

[5] 何榮. 基于OpenCV的人臉識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué),2013.

[6] 張慧娟. 基于人臉識別的考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué),2011.

*基金項(xiàng)目：長江大學(xué)2015年大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(20150016)

中圖分類號：TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.12.005

(收稿日期：2016-02-18)

作者簡介：

江泓政(1995-)，男，學(xué)士，主要研究方向：圖像處理、人工智能。

湯軍(1965-)，通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：GIS應(yīng)用、油氣資源評價(jià)。E-mail：374216030@qq.com。

黃建(1995-)，男，學(xué)士，主要研究方向：圖像處理。

Roll call system based on face recognition

Jiang Hongzheng，Tang Jun，Huang Jian，Xiang Duo，Yang Yue，Wang Zhicheng

(School of Geosciences, Yangtze University , Wuhan 430100, China)

Abstract:The traditional method of calling the role is inefficient，wasting a lot of time. This paper puts forward a design of roll call system based on face recognition，which greatly improves the efficiency of required attendance. The system realizes the image and video recognition，and it can recognition multiple faces at one time. Meanwhile, the system also provides manual operation to identify students. OpenCV, the open-sourcing libraries of face recognition, is used to realize the part of algorithm and Qt，C++ is used to realize the interface.

Key words:face recognition; OpenCV; roll call system