人臉識(shí)別在高校公寓管理中的應(yīng)用研究

姜瓊瓊　劉陽(yáng)

摘要：文章以高校管理系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了江蘇大學(xué)公寓管理模式現(xiàn)狀，總結(jié)出當(dāng)前公寓管理模式存在的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)的研究，針對(duì)現(xiàn)有管理系統(tǒng)的不足，將人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到高校管理系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了基于人臉識(shí)別技術(shù)的公寓管理系統(tǒng)，提高門(mén)禁對(duì)人員的識(shí)別性，提高公寓的安全管理，便于學(xué)校對(duì)學(xué)生的管理。

關(guān)鍵詞：公寓管理系統(tǒng)；人臉識(shí)別技術(shù)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高校學(xué)生公寓的管理涉及到學(xué)生的人身和財(cái)產(chǎn)安全，校園安全問(wèn)題維系著社會(huì)和學(xué)校的穩(wěn)定、牽動(dòng)著家庭的幸福，直接影響到我國(guó)高等教育的改革和發(fā)展?，F(xiàn)階段的公寓管理模式已經(jīng)不能滿足快速發(fā)展的信息化校園管理，廣泛使用的校園一卡通的信息識(shí)別技術(shù)的缺陷日益突出，如代刷、漏刷，一卡通丟失、失效，身份驗(yàn)證識(shí)別率低等問(wèn)題。人臉識(shí)別具有唯一性、易攜帶、不可復(fù)制性等生物特征很好的解決了學(xué)校在安全管理方面存在的問(wèn)題，大大提高了高校公寓管理的安全性，是不斷改進(jìn)公寓管理系統(tǒng)不可或缺的識(shí)別技術(shù)。

一、公寓管理系統(tǒng)概述及存在的問(wèn)題

（一）公寓管理系統(tǒng)概述

高校公寓管理系統(tǒng)是一個(gè)提高公寓管理效率、規(guī)范學(xué)生住宿管理、減輕高校公寓管理人員日常工作負(fù)擔(dān)、提高高校綜合管理效能的有效工具。系統(tǒng)以公寓房源、學(xué)生信息為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以對(duì)房間床位分配、住宿繳費(fèi)、房間設(shè)備維護(hù)、日常設(shè)施檢查、公寓人員的工作分配與管理等進(jìn)行規(guī)范化、系統(tǒng)化設(shè)置；可以使公寓管理中心、學(xué)工處、教務(wù)處、財(cái)務(wù)處等學(xué)校職能部門(mén)及學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)隨時(shí)獲得所需要的公寓管理信息，實(shí)現(xiàn)信息無(wú)障礙共享，進(jìn)一步提高公寓管理的效率。

（二）公寓管理系統(tǒng)存在的問(wèn)題

自從門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)立以來(lái)，從管理者到學(xué)生都存在很大的問(wèn)題

1.宿管處有明確的工作考核標(biāo)準(zhǔn)，需要每天晚上11點(diǎn)以前的歸寢率達(dá)到80%以上才不會(huì)被扣工資，所以經(jīng)常與不刷卡的學(xué)生發(fā)生沖突；為加強(qiáng)對(duì)學(xué)生刷卡的控制，宿管處經(jīng)常要在早上與中午的時(shí)候派人在門(mén)禁處對(duì)學(xué)生進(jìn)行監(jiān)督，加重了工作量，導(dǎo)致宿舍人員抱怨不斷；

2.門(mén)禁的刷卡率與學(xué)生的考勤掛鉤，如果出門(mén)忘刷卡，晚上回宿舍忘刷卡，就會(huì)對(duì)學(xué)生的考勤率造成一定的影響，會(huì)在學(xué)生不知情的情況下對(duì)學(xué)生成績(jī)產(chǎn)生影響。

3.在學(xué)生請(qǐng)假期間沒(méi)有刷門(mén)禁，需要在輔導(dǎo)員處寫(xiě)三份假條，一份給輔導(dǎo)員存根，一份給上課老師，一份給宿管科方便在晚上未歸寢時(shí)，宿管處無(wú)須再上報(bào)給輔導(dǎo)員處；在學(xué)生丟失一卡通的情況下，晚上歸寢不僅要告知宿管處，更要對(duì)輔導(dǎo)員進(jìn)行聲明，程序繁復(fù)，為學(xué)生和管理者都帶來(lái)了諸多不便。

4.學(xué)生認(rèn)為刷卡是侵犯隱私的行為，經(jīng)常不配合宿管科的工作，甚至為方便逃課、放假前提前回家或出去玩，經(jīng)常會(huì)找同學(xué)代刷、替刷，不便于對(duì)公寓學(xué)生進(jìn)行嚴(yán)格的管理。

二、人臉識(shí)別相關(guān)知識(shí)

（一）人臉識(shí)別概述

人臉識(shí)別是通過(guò)計(jì)算機(jī)利用人特有的面部特征分析人的面部圖像提取有效信息進(jìn)行身份識(shí)別的一種生物識(shí)別技術(shù)。它屬于生物識(shí)別技術(shù)中一項(xiàng)應(yīng)用前景廣泛且價(jià)值很高的識(shí)別技術(shù)，具有可采集性、易攜帶、穩(wěn)定性、、唯一性等特點(diǎn)。人臉識(shí)別是通過(guò)將攝像頭采集到圖像，并對(duì)采集到的圖片進(jìn)行人臉的檢測(cè)和跟蹤，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)到的人臉進(jìn)行臉部的特征識(shí)別。

（二）人臉識(shí)別方法

人臉識(shí)別的方法有很多，如：基于特征臉（PCA）的人臉識(shí)別方法、幾何特征的人臉識(shí)別方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉識(shí)別方法、彈性圖匹配的人臉識(shí)別方法、支持向量機(jī)（SVM）的人臉識(shí)別方法。但無(wú)論采用什么方法，都要考慮多方面的因素，如噪音、光照強(qiáng)度、膚色、表情等。

（三）人臉識(shí)別過(guò)程

人臉識(shí)別是對(duì)獲取到的圖像進(jìn)行檢測(cè)、特征識(shí)別、圖像匹配等一系列程序后，對(duì)探測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)的過(guò)程。主要包括：人臉檢測(cè)、特征提取、圖像匹配等一系列過(guò)程。

1.人臉檢測(cè)。對(duì)高清攝像頭采集到的圖像進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)人臉的面部特征如：眼睛、鼻子、嘴巴，人臉輪廓形狀等一系列要素的屬性值進(jìn)行檢測(cè)。常見(jiàn)的人臉檢測(cè)算法容易受到噪聲、光照、膚色、以及人臉角度等因素的影響。典型的人臉檢測(cè)算法有基于膚色區(qū)域分割的檢測(cè)算法、基于統(tǒng)計(jì)模板的檢測(cè)算法。

2.特征識(shí)別。對(duì)檢測(cè)到的人臉數(shù)據(jù)進(jìn)行面部特征識(shí)別，以提取出能區(qū)別不同個(gè)體的差異性的面部的關(guān)鍵特征，如：眼睛之間的距離，眼睛、鼻子、嘴巴之間的比例、人臉輪廓的。這些特征對(duì)于同一個(gè)體必須是穩(wěn)定的，且對(duì)于不同的個(gè)體要具有差異性。與此同時(shí)，特征提取作為人臉識(shí)別技術(shù)中最為關(guān)鍵的一步，不僅要將高維的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為低維數(shù)據(jù)以便識(shí)別，更需要將圖像數(shù)據(jù)中有用的關(guān)鍵信息和主要的能描述表征人臉面部信息的特征數(shù)據(jù)提取出來(lái)。

3.圖像匹配。是將通過(guò)人臉檢測(cè)與面部特征提取后的數(shù)據(jù)通過(guò)適合的分類器進(jìn)行人臉身份鑒別，以判斷其圖像與數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)的相似度是否在80%以上。該階段的過(guò)程十分依賴于特征提取的結(jié)果。針對(duì)不同個(gè)體間的面部特征具有一些相似性，同一個(gè)體在不同條件下的差異性也很大，這些相同或相似的面部結(jié)構(gòu)屬性對(duì)于人臉檢測(cè)是十分有利的，但對(duì)于圖像匹配來(lái)說(shuō)困難卻很大。

三.江蘇大學(xué)基于人臉識(shí)別技術(shù)的學(xué)生公寓管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

將人臉識(shí)別技術(shù)與門(mén)禁系統(tǒng)相結(jié)合以后，利用系統(tǒng)采集到的圖像進(jìn)行相應(yīng)的識(shí)別，確認(rèn)與IC卡上的信息相一致，門(mén)禁系統(tǒng)的信息錄入功能進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，當(dāng)兩邊的數(shù)據(jù)不一致，則比較人臉識(shí)別到的信息是否在數(shù)據(jù)庫(kù)中能找到，IC卡上的信息在數(shù)據(jù)庫(kù)中是否有相對(duì)應(yīng)的信息，如果都在數(shù)據(jù)庫(kù)中存檔，但信息不一致，則系統(tǒng)記錄的信息以人臉識(shí)別到的信息為準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)記錄在系統(tǒng)中；當(dāng)人臉識(shí)別到的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中不存在而IC卡上的數(shù)據(jù)信息存在，則說(shuō)明該人員不屬于本公寓，系統(tǒng)提示錯(cuò)誤信號(hào)；當(dāng)人臉識(shí)別到的數(shù)據(jù)與IC卡的數(shù)據(jù)都不在數(shù)據(jù)庫(kù)中，則系統(tǒng)提示錯(cuò)誤信號(hào)。

工作流程：每當(dāng)有人經(jīng)過(guò)刷卡時(shí)，首先讀取IC卡的信息，接著檢測(cè)人臉圖像，門(mén)禁控制器給攝像頭發(fā)出采集信息，攝像頭拍攝一幅含有人臉的正面照片，當(dāng)照片數(shù)據(jù)傳送到門(mén)禁控制器后，對(duì)接收的數(shù)據(jù)卡傳送的人臉圖像進(jìn)行預(yù)處理和人臉檢測(cè)；對(duì)檢測(cè)出的人臉圖片進(jìn)行處理，計(jì)算出人臉特征向量，并與IC卡上的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，如果匹配成功，則系統(tǒng)記錄此次通行時(shí)間跟人的相關(guān)數(shù)據(jù)，如果不一致，以攝像頭采集到的人臉特征為基礎(chǔ)與人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)做匹配，如果人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中有此人的信息，則將此人的通行記錄記錄在檔，IC卡信息作廢。流程圖如圖1所示：

四、江蘇大學(xué)基于人臉識(shí)別技術(shù)的學(xué)生公寓管理信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

（一）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境

開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為Java語(yǔ)言。java免費(fèi)開(kāi)源是世界上采用最廣泛的編程語(yǔ)言。

開(kāi)發(fā)工具Eclipse。Eclipse 是開(kāi)放源代碼的、而且是基于Java開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以拓展。Eclipse是一個(gè)框架和一組服務(wù)，是通過(guò)插件組件來(lái)構(gòu)建開(kāi)發(fā)環(huán)境，也包括自身帶有的插件集，比如Java開(kāi)發(fā)工具（Java Development Kit，JDK）就在其中。

數(shù)據(jù)庫(kù)mysql。Mysql是一個(gè)開(kāi)源而且免費(fèi)的中小型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，其特性非常好，往往被用中小公司采用，通常分布式存儲(chǔ)中往往mysql是最好的選擇，既能保證性能又能降低成本。

版本控制工具SVN/Git。SVN屬于集中式版本管理，全程是Subversion，它是開(kāi)源免費(fèi)的一個(gè)版本控制工具。Git是一款分布式版本控制系統(tǒng)，它是也是免費(fèi)開(kāi)源的，主要用于敏捷高效地處理任何或小或大的項(xiàng)目，十分好用，被大多數(shù)新興公司所采用，而且最大的開(kāi)源網(wǎng)站gitHub也用的是Git，是版本管理最好的選擇。

項(xiàng)目輔助工具M(jìn)aven。Maven其最大的便利性在于導(dǎo)包的自動(dòng)性，解決了人為導(dǎo)包所帶來(lái)的繁瑣，并且便于對(duì)導(dǎo)包進(jìn)行集中控制和管理。

服務(wù)器軟件tomcat。Tomcat是Apache開(kāi)源的一款免費(fèi)web應(yīng)用服務(wù)器，它的代碼也已經(jīng)開(kāi)源，其具有輕量簡(jiǎn)便好用的特性，是中小型系統(tǒng)中采用最為普遍的應(yīng)用服務(wù)器，目前非常流行。

阿里云服務(wù)器。阿里云，致力于打造公共、開(kāi)放的云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)。它提供云服務(wù)器ECS、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)RDS、對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)OSS、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)CDN等產(chǎn)品服務(wù)，可以隨著應(yīng)用的增長(zhǎng)和擴(kuò)大方便安全的擴(kuò)展。

（二）.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)支持

1.前端顯示技術(shù)

目前前端技術(shù)有很多語(yǔ)言，而就安全性實(shí)用性美觀性來(lái)言，還是html/html5，CSS等技術(shù)比較主流，瀏覽器腳本語(yǔ)言推薦js，Jquery，Ajax技術(shù)，因?yàn)槠淠芴峁┖芎玫捻?yè)面交互體驗(yàn)。

AJAX即“Asynchronous Javascript And XML”（異步JavaScript和XML），是指一種創(chuàng)建交互式網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用的網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)技術(shù)。它通過(guò)在后臺(tái)與服務(wù)器進(jìn)行少量數(shù)據(jù)交換，使網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)異步更新。使在不重新加載整個(gè)網(wǎng)頁(yè)的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)頁(yè)的某部分進(jìn)行更新。

2.后臺(tái)應(yīng)用技術(shù)

就安全性來(lái)講，java語(yǔ)言的web應(yīng)用安全性是較高的，例如銀行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)等安全性很高的系統(tǒng)和產(chǎn)品均是采用的java語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Java語(yǔ)言有很多框架最基礎(chǔ)的比如Struts，Spring等基礎(chǔ)框架。而且java是開(kāi)源免費(fèi)的，其生態(tài)非常龐大，擁有眾多的免費(fèi)開(kāi)源的中間件。

Java是由Sun Microsystems公司推出的Java面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言（以下簡(jiǎn)稱Java語(yǔ)言）和Java平臺(tái)的總稱。由James Gosling和同事們共同研發(fā)，并在1995年正式推出。用Java實(shí)現(xiàn)的HotJava瀏覽器（支持Java applet）顯示了Java的魅力：跨平臺(tái)、動(dòng)態(tài)Web、Internet計(jì)算。從此，Java被廣泛的應(yīng)用并推動(dòng)了Web的快速發(fā)展，常用的瀏覽器均支持Javaapplet。另一方面，Java技術(shù)也不斷更新。Java自面世后就發(fā)展十分迅速，非常流行，同時(shí)對(duì)C++語(yǔ)言形成有力沖擊。在全球云計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)環(huán)境下，Java更具備了明顯的優(yōu)勢(shì)和廣闊前景。3.數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

由于本系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生很大的數(shù)據(jù)量，因此采用輕量級(jí)的mysql數(shù)據(jù)庫(kù)。與后臺(tái)的結(jié)合采用框架技術(shù)hibernate和mybatis均可。

MySQL所使用的 SQL 語(yǔ)言是用于訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)最常用的標(biāo)準(zhǔn)化語(yǔ)言。MySQL 軟件采用了雙授權(quán)政策，分為社區(qū)版和商業(yè)版。由于其體積小、速度快、總體成本低，尤其是開(kāi)放源碼這一特點(diǎn)，一般中小型網(wǎng)站的開(kāi)發(fā)都采用 MySQL 作為網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.服務(wù)器技術(shù)

服務(wù)器技術(shù)一般采用linux+tomcat，由于本系統(tǒng)并非大型系統(tǒng)，所以tomcat足以滿足日常需求，linux系統(tǒng)穩(wěn)定成本低。

Tomcat是Apache 軟件基金會(huì)（Apache Software Foundation）的Jakarta 項(xiàng)目中的一個(gè)核心項(xiàng)目，由Apache、Sun 和其他一些公司及個(gè)人共同開(kāi)發(fā)而成。由于Tomcat 技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定，而且免費(fèi)，因而深受Java愛(ài)好者的喜愛(ài)并得到了大部分軟件開(kāi)發(fā)商的認(rèn)可，成為目前比較流行的Web 應(yīng)用服務(wù)器。

Linux是一套免費(fèi)使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)，是一個(gè)基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。它能運(yùn)行主要的UNIX工具軟件、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它支持32位和64位硬件。Linux繼承了Unix以網(wǎng)絡(luò)為核心的設(shè)計(jì)思想，是性能穩(wěn)定的多用戶網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。

（三）系統(tǒng)實(shí)施的難點(diǎn)

本系統(tǒng)是基于公寓管理信息化的基礎(chǔ)上研究設(shè)計(jì)的公寓管理系統(tǒng)，并根據(jù)人臉識(shí)別技術(shù)擴(kuò)展了門(mén)禁的功能提高了門(mén)禁系統(tǒng)的效率。但本系統(tǒng)仍存在一些難以解決的問(wèn)題和難點(diǎn)。

1.在門(mén)禁系統(tǒng)中，面對(duì)高峰期的學(xué)生流動(dòng)情況，刷卡感應(yīng)可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，需要不斷通過(guò)檢測(cè)人臉來(lái)達(dá)到信息錄入的目的，而系統(tǒng)需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)，不斷與人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)做對(duì)比，但人臉的檢測(cè)與比對(duì)是需要一定時(shí)間的。然而留給系統(tǒng)的時(shí)間只有1至2秒鐘，時(shí)間短，人數(shù)多，如果系統(tǒng)運(yùn)行速度跟不上，很可能在高峰期導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。造成門(mén)禁系統(tǒng)的癱瘓。

2.人臉檢測(cè)與處理需要考慮眾多因素。如果硬件設(shè)施不完備，或比較低級(jí)，不能將影響因素過(guò)濾，則將產(chǎn)生很大的誤差，造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，尤其是早上與晚上的光照程度差別很大，夏天與冬天的光照差別也很大，在光照差別影響很大的情況下，門(mén)禁的效果將與無(wú)人臉識(shí)別一樣準(zhǔn)確率低下，不能高效率的統(tǒng)計(jì)人流量。不同的算法針對(duì)性不同，檢測(cè)到的人臉準(zhǔn)確率也不一樣，如何提高人臉檢測(cè)的精度與準(zhǔn)確度是值得深入研究的問(wèn)題。

3.統(tǒng)計(jì)公寓信息時(shí)，因?yàn)槊織澒⒍际且粋€(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，而整個(gè)學(xué)校所有的公寓組合統(tǒng)計(jì)則會(huì)產(chǎn)生非常大的數(shù)據(jù)量，系統(tǒng)容易崩潰。

五.結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用前景不容小覷。無(wú)論是從人群眾多的機(jī)場(chǎng)、體育場(chǎng)還是火車站還是人數(shù)眾多的高等學(xué)校，都會(huì)應(yīng)用人臉識(shí)別技術(shù)來(lái)加強(qiáng)對(duì)人員的控制。高校公寓管理也會(huì)與學(xué)校的教學(xué)網(wǎng)平臺(tái)融為一體，提高學(xué)校的綜合水平。然而人臉識(shí)別技術(shù)的研究仍有很多地方是值得我們深入探討與學(xué)習(xí)的，對(duì)人臉檢測(cè)的算法問(wèn)題仍可以進(jìn)一步展開(kāi)進(jìn)行討論。對(duì)在不同條件下采集到的人臉數(shù)據(jù)的處理如光照、噪聲、膚色等的問(wèn)題也能通過(guò)算法進(jìn)行測(cè)試與實(shí)現(xiàn)。人臉識(shí)別技術(shù)與其他系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用也值得進(jìn)一步的思考與研究。

本系統(tǒng)基于人臉識(shí)別技術(shù)分析設(shè)計(jì)了公寓管理信息系統(tǒng)，但對(duì)于人臉的識(shí)別過(guò)程只是做了簡(jiǎn)單的描述，并沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，希望在以后的工作中能夠?qū)崿F(xiàn)此模塊具體的設(shè)計(jì)過(guò)程。

門(mén)禁技術(shù)的硬件系統(tǒng)需要隨著軟件功能的升級(jí)相應(yīng)的隨之更新，使軟硬件功能相映襯。

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