基于人臉識(shí)別的智能課堂點(diǎn)名系統(tǒng)

荊洲++權(quán)偉++唐杰++晏寒

摘 要：為解決傳統(tǒng)課堂點(diǎn)名方式所帶來的耗時(shí)長(zhǎng)、效率低、可靠性差等問題，本文分析并設(shè)計(jì)了一種基于人臉識(shí)別（FRT）的智能課堂點(diǎn)名系統(tǒng)。系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，綜合使用Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Web網(wǎng)頁設(shè)計(jì)技術(shù)，以及C#編程技術(shù)，統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上。本文對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了總體流程規(guī)劃，為保證實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)出人臉檢測(cè)程序、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)頁三個(gè)模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)、便捷性好，較傳統(tǒng)點(diǎn)名方式簽到準(zhǔn)確率和課堂效率均得到明顯提高。

關(guān)鍵詞：人臉識(shí)別；智能課堂點(diǎn)名系統(tǒng)；Web開發(fā)；C#編程

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

上課點(diǎn)名是教師督促學(xué)生學(xué)習(xí)、提高學(xué)生自覺性的一種基本方法，并能作為評(píng)定學(xué)生平時(shí)成績(jī)的依據(jù)之一。但傳統(tǒng)課堂紙質(zhì)點(diǎn)名方式既占用課堂時(shí)間；又影響教師教學(xué)積極性和學(xué)生求知熱情，降低課堂質(zhì)量。

本文分析并設(shè)計(jì)了一種基于人臉識(shí)別（FRT）的智能課堂點(diǎn)名系統(tǒng)。系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)[瀏覽器（Browser）/服務(wù)器（Server）結(jié)構(gòu)]。B/S結(jié)構(gòu)的用戶界面是通過瀏覽器來實(shí)現(xiàn)的，并且瀏覽器界面只承擔(dān)少量邏輯運(yùn)算，大部分指令邏輯交由服務(wù)器完成。在這種模式下，減少了瀏覽器界面的運(yùn)行負(fù)荷，有利于系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)改造[1]。瀏覽器通過Web Server同Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，Access既可以用于小型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)，又可以作為大中型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的輔助數(shù)據(jù)庫或組成部分。Access將數(shù)據(jù)庫信息與Web結(jié)合，可以更方便地共享跨越各種平臺(tái)和不同用戶級(jí)別的數(shù)據(jù)[2]。本文采用Asp.net開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行Web設(shè)計(jì)。Asp.net在執(zhí)行的過程中，能夠使用VB和C#等多種編程語言，并能夠?qū)⑵渚幾g成能夠被解釋的MSIL程序語言，這就為中層語言的執(zhí)行功能提供了多種語言的使用權(quán)限，大大增強(qiáng)了其使用優(yōu)勢(shì)[3]。

上課點(diǎn)名是學(xué)校教學(xué)管理中必不可少的手段之一，隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，不少高校采用新的方式或系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)名。美國(guó)佛羅里達(dá)的一所學(xué)校通過掃描指紋的方式點(diǎn)名，英國(guó)郡伊利市的一所社區(qū)學(xué)院通過用紅外線掃描學(xué)生人臉進(jìn)行識(shí)別的方式點(diǎn)名；國(guó)內(nèi)有的學(xué)校將RFID即無線射頻識(shí)別技術(shù)與SMART CARD結(jié)合進(jìn)行點(diǎn)名，有的學(xué)校通過短信貓接收學(xué)生短信進(jìn)行點(diǎn)名等。這些點(diǎn)名方式或系統(tǒng)都借助了專有設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)名，不僅成本高，推廣難，操作流程也十分不便[4]。為解決上述問題，本文綜合應(yīng)用人臉識(shí)別技術(shù)、圖形處理技術(shù)、匯編語言技術(shù)、網(wǎng)站制作技術(shù)等，設(shè)計(jì)出人臉檢測(cè)程序、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)頁并將三者互聯(lián)，形成一個(gè)完整系統(tǒng)。本系統(tǒng)的研發(fā)可上課時(shí)間得到更加充分的利用，便于教師授課，節(jié)省寶貴的課堂時(shí)間，提升課堂效率。系統(tǒng)操作界面方便、檢索信息迅速、查找方便、可靠性高、易推廣。

2 智能課堂點(diǎn)名系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（Design of the

intelligent student attendance system）

現(xiàn)有的課堂智能點(diǎn)名系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式都很簡(jiǎn)單，主要突出了對(duì)sttuts的應(yīng)用和替簽現(xiàn)象的解決，在數(shù)據(jù)庫方面沒有完全達(dá)到“智能”[5]。本文所設(shè)計(jì)的基于人臉識(shí)別的智能課堂點(diǎn)名系統(tǒng)是一種結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、邏輯性強(qiáng)的系統(tǒng)，其方案流程為：

教師或攝像頭拍攝課堂照片并上傳至系統(tǒng)網(wǎng)站。網(wǎng)站中的人臉識(shí)別程序利用大小可變的矩形框框定照片中人臉圖像，將其提取、存檔至以時(shí)間命名的文件夾中，同時(shí)更新數(shù)據(jù)庫的對(duì)應(yīng)內(nèi)容。學(xué)生登錄系統(tǒng)，跳轉(zhuǎn)至學(xué)生簽到界面，依據(jù)學(xué)期、課程代碼和簽到次數(shù)進(jìn)行查詢，檢索出本次簽到的人臉圖像表。學(xué)生在呈現(xiàn)的表格中識(shí)別自己的人臉圖像，選定圖像后提交，網(wǎng)頁將自動(dòng)依據(jù)GridView中被選定的按鈕對(duì)應(yīng)行的人臉圖像地址捕捉，通過登錄頁面?zhèn)鬟f的各項(xiàng)基準(zhǔn)信息，利用update語句更新相應(yīng)數(shù)據(jù)庫表格中學(xué)生的簽到圖片地址。當(dāng)學(xué)生誤選人臉圖像時(shí)，可再次選擇人臉圖像；當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己實(shí)到卻無自己人臉圖像，可前往查詢頁面查詢本次點(diǎn)名大圖，觀察人臉識(shí)別程序是否切割出其人臉；當(dāng)學(xué)生誤選人臉圖像并發(fā)現(xiàn)自己實(shí)到卻無自己人臉圖像，可通過重置按鈕清空數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)內(nèi)容后前往查詢頁面查詢。出現(xiàn)上述幾類情況時(shí)，學(xué)生可向教師留言報(bào)錯(cuò)；同時(shí)，教師在收到學(xué)生報(bào)錯(cuò)的留言后，可進(jìn)入查詢頁面查看大圖進(jìn)行判斷，告知留言學(xué)生簽到情況無誤或確定其出勤。教師通過查看學(xué)生選定的人臉圖像結(jié)果和該生對(duì)應(yīng)的教務(wù)圖像信息，根據(jù)二者是否一致，判斷簽到者是否為學(xué)生本人，勾選確定按鈕，最終提交更新，以此作為評(píng)定學(xué)生平時(shí)成績(jī)的依據(jù)。管理員根據(jù)情況定期維護(hù)。

具體的系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)（Design and implementation

of system software）

3.1 人臉識(shí)別程序設(shè)計(jì)

作為系統(tǒng)的核心部分，人臉識(shí)別程序的研發(fā)顯得尤為重要。通常所說的人臉檢測(cè)就是從給定的圖像或視頻中判定人臉的數(shù)目、位置和大小[6]。人臉檢測(cè)系統(tǒng)輸入可能包含人臉的圖片，輸出在圖片切割出的人臉圖像信息。

在實(shí)際人臉圖像處理過程中，人臉圖像的遮擋會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)，如頭發(fā)、口罩、圍巾等，而遮擋對(duì)人臉識(shí)別有很大的影響。如何準(zhǔn)確、自動(dòng)地檢測(cè)人臉遮擋區(qū)域成為遮擋人臉識(shí)別處理的關(guān)鍵問題之一[7]。

實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別的方法多種多樣，我們選擇基于Emgu CV的環(huán)境利用熟知的C#語言進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)。Emgu CV是一個(gè)跨平臺(tái)的、封裝Open CV的圖像處理庫，因其可靠性高、易于配置被廣泛應(yīng)用。人臉識(shí)別程序設(shè)計(jì)過程為：在Visual Studio操作界面中適配Emgu CV環(huán)境，調(diào)用haarcascade_frontalface_default.xml圖形庫進(jìn)行識(shí)別，利用大小可變的矩形框體框定照片中人臉圖像，如圖2所示，將其提取、存檔至以時(shí)間命名的文件夾中，同時(shí)更新數(shù)據(jù)庫的對(duì)應(yīng)內(nèi)容。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本文根據(jù)課堂實(shí)際點(diǎn)名情況，在access數(shù)據(jù)庫中建立6個(gè)基本信息表格，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)庫表

Tab.1 Database table

表格名稱 表格內(nèi)容

簽到記錄表

（tb_CheckInRecords） 本表記錄了學(xué)生簽到和對(duì)應(yīng)的教師確認(rèn)信息，以學(xué)生學(xué)號(hào)為主鍵對(duì)應(yīng)的學(xué)期、課程代碼、選定的人臉圖像信息和雙方的留言等內(nèi)容

人臉圖像存儲(chǔ)表

（tb_Course2Images） 為保存每次課堂由人臉識(shí)別程序提取出的圖像信息，制作本表保存對(duì)應(yīng)的提取圖像和其所在課程、學(xué)期、點(diǎn)名次數(shù)的大圖

課程信息表（tb_Courses） 本四張表格分別登記和記錄課程信息，學(xué)生基本信息和登錄賬戶，教師基本信息和登錄賬戶，以及管理員登錄賬戶，便于網(wǎng)頁設(shè)置權(quán)限和定期維護(hù)

學(xué)生信息表（tb_Students）

教師信息表（tb_Teacher）

管理員信息表（tb_Users）

3.3 網(wǎng)頁設(shè)計(jì)

網(wǎng)頁前端設(shè)計(jì)采用html5+css3技術(shù)，創(chuàng)建了基于bootstrap的扁平化網(wǎng)頁，其界面美觀，動(dòng)畫效果流程，有質(zhì)感。html5具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）提高可用性和改進(jìn)用戶的友好體驗(yàn)；（2）可移植性好。css3可以使用新的定制設(shè)計(jì)的選擇器和屬性，這些變化改進(jìn)不但使得以往特定效果需要實(shí)現(xiàn)的代碼得到了顯著優(yōu)化，還可以設(shè)計(jì)出眾多新式的客戶端特效[8]。網(wǎng)頁后端設(shè)計(jì)采用Asp.net技術(shù)，Asp.net完全基于模塊與組件，其可擴(kuò)展性好、可定制性強(qiáng)，采用Asp.net技術(shù)開發(fā)可有效縮短Web應(yīng)用程序的開發(fā)時(shí)間。

由于網(wǎng)頁訪問頻率很高，如每次訪問都要重新動(dòng)態(tài)生成，嚴(yán)重影響其訪問的效率。如果采用數(shù)據(jù)緩存技術(shù)，將全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)暫時(shí)存放在內(nèi)存中（或硬盤緩存區(qū)），頁面上不變的數(shù)據(jù)可以直接從緩存中取用，這樣就可以大大提高數(shù)據(jù)訪問的效率[9]。

3.3.1 登錄頁面

登錄人員輸入賬號(hào)密碼，選定身份類型登錄；網(wǎng)頁調(diào)用數(shù)據(jù)庫判斷是否跳轉(zhuǎn)，并通過賬號(hào)密碼為基準(zhǔn)調(diào)用登錄人員的檢索信息，如學(xué)號(hào)或工號(hào)，作為其他網(wǎng)頁互聯(lián)的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)，存入網(wǎng)頁緩存區(qū)。

3.3.2 學(xué)生簽到頁面

登錄人員為學(xué)生時(shí)，網(wǎng)頁自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至本頁面。學(xué)生依據(jù)學(xué)期、課程代碼和簽到次數(shù)查詢，檢索出本次簽到的人臉圖像表。后臺(tái)實(shí)現(xiàn)過程為：通過Selcet語句（Select語句是SQL中的數(shù)據(jù)查詢命令，具有非常強(qiáng)大的數(shù)據(jù)查詢功能，在access中可以使用Select語句來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢操作[10]），在tb_Course2Images表格中篩選相應(yīng)人臉圖像表列，呈現(xiàn)在網(wǎng)頁中，如圖3所示。

學(xué)生在呈現(xiàn)的表列中識(shí)別自己的人臉圖像，選定圖像并提交，網(wǎng)頁將自動(dòng)依據(jù)GridView中按下的選定按鈕所在行對(duì)應(yīng)的人臉圖像地址捕捉，依據(jù)登錄頁面?zhèn)鬟f的各項(xiàng)基準(zhǔn)信息，利用update語句更新tb_CheckInRecords表格中該生簽到圖片地址，等候教師登錄確認(rèn)。

當(dāng)提交有誤時(shí)，學(xué)生可直接選擇正確的人臉圖像，按下提交按鈕；或通過重置按鈕直接清空對(duì)應(yīng)單元格中的地址信息，再次選擇。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己實(shí)到卻無自己人臉圖像時(shí)，若已誤選，可通過重置按鈕清空對(duì)應(yīng)單元格中地址信息后，前往查詢頁面查詢本次點(diǎn)名大圖，觀察是否人臉識(shí)別程序未切割出人臉，或者教師誤拍；出現(xiàn)此類情況時(shí)，學(xué)生可向教師留言報(bào)錯(cuò)，教師可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行回復(fù)和更改。

3.3.3 教師確認(rèn)頁面

在學(xué)生簽到選擇這一環(huán)節(jié)完成后，教師登錄到本頁面，依據(jù)學(xué)期、課程代碼和簽到次數(shù)進(jìn)行查詢，網(wǎng)頁通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫tb_CheckInRecords表格，將查詢生成的表格反饋到本頁面呈現(xiàn)，如圖4所示。教師通過查看學(xué)生選定的人臉圖像結(jié)果和該生對(duì)應(yīng)的教務(wù)圖像信息，根據(jù)二者是否一致，判斷簽到者是否為學(xué)生本人，進(jìn)行逐個(gè)確認(rèn)，最終提交更新，作為評(píng)定學(xué)生平時(shí)成績(jī)的依據(jù)。

為應(yīng)對(duì)兩種特殊情況（a.同一人臉圖像被多個(gè)學(xué)生勾選；b.收到學(xué)生留言），設(shè)計(jì)者為本頁面添加了回復(fù)按鈕。按下回復(fù)按鈕時(shí)，網(wǎng)頁向tb_CheckInRecords表中的TeacherMsg列中寫入信息，用于教師告知相應(yīng)學(xué)生誤勾，并提示該生登錄學(xué)生簽到頁面重新勾選；同時(shí)，教師在收到學(xué)生報(bào)錯(cuò)留言后，可選擇進(jìn)入查詢頁面，查看大圖進(jìn)行判斷，告知留言學(xué)生簽到情況無誤或確定其出勤?；貜?fù)按鈕實(shí)現(xiàn)了教師、學(xué)生在網(wǎng)頁上的交互，凸顯了系統(tǒng)人性化、智能化特色。

3.3.4 查詢頁面

本頁面分為兩個(gè)部分，分別對(duì)應(yīng)學(xué)生查詢和教師查詢。

當(dāng)學(xué)生需了解自己的簽到信息時(shí)，可根據(jù)自己想查詢的內(nèi)容在Textbox中輸入相應(yīng)查詢條件，網(wǎng)頁根據(jù)Textbox的返回值和登錄頁面保存的該生基準(zhǔn)數(shù)據(jù)生成對(duì)應(yīng)的SQL語句，與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)建立連接、提取數(shù)據(jù)、斷開連接，最后將檢索結(jié)果以二維數(shù)組的形式返回給調(diào)用者[11]，顯示在GridView中。同時(shí)，學(xué)生查詢頁面中包含查看大圖選項(xiàng)，對(duì)應(yīng)于學(xué)生簽到頁面的報(bào)錯(cuò)查詢，保證簽到的準(zhǔn)確性，如圖5所示。

當(dāng)教師收到學(xué)生留言時(shí)，可進(jìn)入教師查詢頁面，查出該生的基本信息和他反饋的相應(yīng)簽到信息，如該次簽到大圖。查看大圖后，教師可跳轉(zhuǎn)到教師確認(rèn)頁面對(duì)此進(jìn)行回復(fù)。若教師想了解課程相關(guān)簽到信息，在輸入查詢條件后，網(wǎng)頁根據(jù)緩存的教師基準(zhǔn)信息查詢數(shù)據(jù)庫，調(diào)出相關(guān)信息顯示于GridView控件中呈現(xiàn)給教師，如教師可查詢出他所教授的某門課程下所有學(xué)生的簽到信息。

圖5 查詢頁面

Fig.5 Query page

3.3.5 管理員頁面

管理員可以通過自身的最高權(quán)限，修改學(xué)生信息資料。如學(xué)生姓名、學(xué)生照片、學(xué)生性別和學(xué)生所在班級(jí)等。管理員輸入學(xué)生學(xué)號(hào)進(jìn)行查詢，即可看到完整的學(xué)生信息表格。

在學(xué)生信息表末端，點(diǎn)擊編輯按鈕，網(wǎng)頁將學(xué)生信息置入各文本標(biāo)簽，選中任意一個(gè)標(biāo)簽，即可在此標(biāo)簽中修改相應(yīng)信息；為保護(hù)學(xué)生安全，管理員不能修改學(xué)生登錄密碼，其他信息均可以修改，又由于查詢條件（學(xué)生學(xué)號(hào)）屬性被設(shè)為只讀，故管理員只可修改除學(xué)生學(xué)號(hào)和學(xué)生登錄密碼以外的信息。修改相應(yīng)信息后更新，后臺(tái)會(huì)將網(wǎng)頁信息讀入數(shù)據(jù)庫，完成信息的更新。點(diǎn)擊刪除按鈕，可直接在網(wǎng)頁刪除數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)學(xué)生信息。

4 結(jié)論（Conclusion）

智能課堂點(diǎn)名系統(tǒng)充分結(jié)合了智能識(shí)別技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可有效提高高校教務(wù)管理的智能化與信息化水平。課題所涉及的人臉識(shí)別、網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)是智能識(shí)別系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)，所采用的技術(shù)成熟、應(yīng)用性和移植性強(qiáng)；系統(tǒng)開發(fā)基于流行的軟件架構(gòu)，利于實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)清晰，功能明確，操作簡(jiǎn)單。本課題的研究和設(shè)計(jì)成果可為高校管理的智能化和信息化建設(shè)提供有益的借鑒和參考。但是本文設(shè)計(jì)的人臉識(shí)別程序在實(shí)際使用時(shí)，識(shí)別準(zhǔn)確率還有待提高?？紤]到實(shí)際需要，需在原有基礎(chǔ)上隨時(shí)做出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)難度較大，部分軟件版權(quán)要求高，使用上還存在一定困難。

從全文分析可看出：通過人臉識(shí)別程序、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)頁的綜合開發(fā)，科學(xué)、高效處理課堂點(diǎn)名的各類問題，系統(tǒng)將逐步改變傳統(tǒng)點(diǎn)名方式的格局，響應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的背景。如今，管理智能化、信息化已成為一種潮流，必須以大數(shù)據(jù)的思維，才能充分利用大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，使教務(wù)教學(xué)系統(tǒng)良性發(fā)展，提高課堂效率、增強(qiáng)教學(xué)質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介：

荊 洲（1996-），男，本科生.研究領(lǐng)域：電氣工程及其自動(dòng)化.

權(quán) 偉（1982-），男，博士，講師.研究領(lǐng)域：控制科學(xué)與工程. 本文通訊作者.

唐 杰（1997-），男，本科生.研究領(lǐng)域：電氣工程及其自動(dòng)化.

晏 寒（1995-），男，本科生.研究領(lǐng)域：電氣工程及其自動(dòng)化.