基于人臉識(shí)別的考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱靖嫻 白文娟 張礪心 劉克楠

摘 要：文章針對(duì)當(dāng)前常用考勤方式中普遍存在的代簽到、考勤數(shù)據(jù)整合較慢等問題，利用人臉識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種基于Java的在線考勤系統(tǒng)。該系統(tǒng)可大大提高考勤效率，滿足各類場(chǎng)環(huán)境景下的考勤需求，具有識(shí)別度高、檢測(cè)速度快、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，能夠?yàn)橛脩籼峁└啾憷麕椭?/p>

關(guān)鍵詞：人臉識(shí)別；考勤系統(tǒng)；Java語言；face++

當(dāng)今高校對(duì)培養(yǎng)學(xué)生能力、提高學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備的重視度與日俱增，因此，高校課堂教育的重要性不言而喻。但如今的高校普遍存在缺勤率高、代簽嚴(yán)重等問題，傳統(tǒng)的考勤方式如指紋簽到、打卡簽到、點(diǎn)名簽到等都存在很多漏洞。指紋簽到雖然成本較低，但它的可復(fù)制性使這種方法不夠可靠；打卡簽到需要學(xué)生隨身攜帶磁卡，但磁卡容易丟失，且攜帶不便，補(bǔ)辦困難；點(diǎn)名簽到更是存在代答道、效率低的問題，這些缺點(diǎn)都給學(xué)校的日?？记趲砹死щy。因此，設(shè)計(jì)出一種高效、便捷、易于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的考勤系統(tǒng)就成了當(dāng)務(wù)之急。

近幾年，生物特征識(shí)別技術(shù)獲得快速發(fā)展。人臉作為一種生物特征，具有很強(qiáng)的自身穩(wěn)定性和個(gè)體差異性，是進(jìn)行身份驗(yàn)證的最理想依據(jù)，主要方法包括步態(tài)識(shí)別、虹膜識(shí)別、皮膚芯片、臉像識(shí)別、多模態(tài)（即多生物特征融合）識(shí)別技術(shù)等[1]。其中，人臉識(shí)別技術(shù)因?yàn)榫哂蟹奖?、直觀、易于普及等優(yōu)點(diǎn)尤為受到關(guān)注與研究。

早在20世紀(jì)50年代，認(rèn)知科學(xué)家就已著手對(duì)人臉識(shí)別展開研究。20世紀(jì)60年代，人臉識(shí)別工程化應(yīng)用研究正式開啟，我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始了對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)的研究，雖然起步較晚，但我國(guó)科研人員奮起直追，一些領(lǐng)軍人物已經(jīng)在人臉識(shí)別領(lǐng)域建立了屬于自己的行業(yè)地位。隨著當(dāng)今世界大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來和人臉識(shí)別技術(shù)商業(yè)價(jià)值的顯現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)研究前景十分光明，具有極大的市場(chǎng)需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能與模塊

人臉識(shí)別簽到系統(tǒng)主要由登錄模塊、識(shí)別模塊、簽到模塊和后臺(tái)管理模塊4個(gè)部分組成（見圖1），其中各模塊作用如下。

（1）登錄模塊是授課老師或后臺(tái)管理者通過賬號(hào)和密碼登錄，查看考勤信息。

（2）識(shí)別模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是接收一張人臉圖片，調(diào)用系統(tǒng)應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）對(duì)圖片進(jìn)行人臉識(shí)別，得到一個(gè)唯一確定此圖片的標(biāo)識(shí)碼。

（3）簽到模塊接收識(shí)別模塊中得到的標(biāo)識(shí)碼與數(shù)據(jù)庫中的學(xué)生信息比對(duì)，查找確認(rèn)學(xué)生信息；通過查詢當(dāng)前時(shí)間和數(shù)據(jù)庫中的課程安排表信息，獲取當(dāng)前所上課程信息。得到學(xué)生和課程信息后，通過邏輯判斷該學(xué)生這節(jié)課是否已經(jīng)簽到，若已簽到，忽略；若未簽到，將簽到信息添加到數(shù)據(jù)庫簽到表。該模塊會(huì)返回簽到信息，包括：是否簽到成功；學(xué)生姓名；學(xué)生學(xué)號(hào)；所簽到課程；若簽到未成功，原因是什么。

（4）后臺(tái)管理模塊由后臺(tái)管理員負(fù)責(zé)，主要包括統(tǒng)計(jì)簽到信息、錄入或刪除學(xué)生信息等功能。

1.2 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)總體使用流程介紹如下：打開系統(tǒng)后，首先在后臺(tái)根據(jù)當(dāng)前時(shí)間與地點(diǎn)判斷課程與班級(jí)人員信息；然后出現(xiàn)人臉識(shí)別登錄界面，登錄成功后通過攝像頭捕捉學(xué)生面部信息，從攝像頭獲取照片。照片框動(dòng)態(tài)顯示攝像頭所拍攝照片，點(diǎn)擊“簽到”，從攝像頭獲取照片后鎖定圖片，對(duì)照片進(jìn)行識(shí)別，得到一個(gè)照片標(biāo)識(shí)，將標(biāo)識(shí)傳給簽到模塊進(jìn)行簽到，得到簽到信息，并在下方顯示簽到信息[2]。

本系統(tǒng)將人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在高校課堂考勤中，實(shí)現(xiàn)學(xué)生簽到功能并統(tǒng)計(jì)出當(dāng)前課堂學(xué)生的出勤率，主要流程為：教師登錄、學(xué)生刷臉考勤、考勤識(shí)別、考勤統(tǒng)計(jì)和考勤結(jié)果幾個(gè)部分，其具體工作流程（見圖2）介紹如下。

打開本系統(tǒng)軟件后，首先根據(jù)當(dāng)前時(shí)間和輸入的專業(yè)班級(jí)判斷當(dāng)前課程和老師，進(jìn)入人臉識(shí)別登錄界面；使用本系統(tǒng)的老師需要登錄到系統(tǒng)中，登錄完成后，打開攝像頭進(jìn)行學(xué)生簽到工作，通過攝像頭拍攝識(shí)別學(xué)生面部實(shí)現(xiàn)學(xué)生簽到，并在所有學(xué)生簽到完成后統(tǒng)計(jì)出當(dāng)節(jié)課學(xué)生出勤率和未出勤學(xué)生名單，完成簽到[3]。

簽到完成后，授課教師可登錄系統(tǒng)查看本節(jié)課程信息，根據(jù)年級(jí)、專業(yè)、班級(jí)、課程、學(xué)號(hào)等信息進(jìn)行篩選所查看數(shù)據(jù)，以表格形式顯示，包括學(xué)生到課率和缺勤情況。

數(shù)據(jù)庫中信息通過管理員錄入學(xué)生照片信息。數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為采集的學(xué)生照片通過face++的API后得到的JSON格式標(biāo)識(shí)碼。

2 人臉識(shí)別的軟件設(shè)計(jì)

2.1 考勤簽到模塊流程

基于人臉識(shí)別實(shí)現(xiàn)的考勤簽到系統(tǒng)，就是將采集的人臉信息通過識(shí)別模塊轉(zhuǎn)換為標(biāo)識(shí)碼，與數(shù)據(jù)庫中已有的學(xué)生圖片標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行對(duì)比，查找出最相近的標(biāo)識(shí)碼，輸出對(duì)應(yīng)信息，并顯示簽到成功界面；若不存在相似度高的標(biāo)識(shí)碼，則顯示簽到失敗，具體流程如圖3所示。

圖3 考勤簽到流程

2.2 考勤系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)

（1）該系統(tǒng)采用Java開發(fā)語言。首先，Java語言的平臺(tái)可移植性使該系統(tǒng)能夠滿足不同高校的要求，使應(yīng)用程序不用修改就可在不同的軟硬件平臺(tái)上運(yùn)行；其次，Java語言具有調(diào)用靈活的特點(diǎn)，通過簡(jiǎn)單操作就能實(shí)現(xiàn)某功能在不同位置的使用；除此之外，Java語言的安全性與可靠性保證了學(xué)生私人信息安全和運(yùn)行的穩(wěn)定。

（2）該系統(tǒng)算法主要分為3部分：與face++ API的接口實(shí)現(xiàn)、課程信息的獲取和標(biāo)識(shí)碼對(duì)比。

①接口實(shí)現(xiàn)。

首先將采集到的圖片通過Base64算法進(jìn)行編碼，再通過post方法向face++服務(wù)器發(fā)送HTTP請(qǐng)求，獲得face++ API函數(shù)的使用權(quán)限；然后對(duì)采集到的圖片進(jìn)行處理，得到JSON格式標(biāo)識(shí)碼，再從JSON碼中提取所需關(guān)鍵信息，即標(biāo)識(shí)碼、耗時(shí)和錯(cuò)誤信息；最后將得到的標(biāo)識(shí)碼傳給下一模塊，完成對(duì)數(shù)據(jù)庫中學(xué)生的查找。

②課程信息獲取。

在數(shù)據(jù)庫中設(shè)置一個(gè)專用模塊，用于存放某高校各專業(yè)本學(xué)期的課程表。通過計(jì)算具體日期和利用時(shí)間獲取函數(shù)及當(dāng)前準(zhǔn)確時(shí)間，得到所在周數(shù)和第幾節(jié)課信息，查找該專業(yè)本節(jié)課所上科目，與數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的上課學(xué)生信息進(jìn)行對(duì)比，完成簽到。

③標(biāo)識(shí)碼對(duì)比。

將從JSON格式標(biāo)識(shí)碼中提取出的關(guān)鍵信息與數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的該專業(yè)學(xué)生標(biāo)識(shí)碼信息進(jìn)行一一對(duì)比，若存在相似度最高的學(xué)生說明該學(xué)生存在，在顯示界面顯示該學(xué)生信息與簽到成功界面，否則顯示簽到失敗界面。

（3）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)：該系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫中包括學(xué)生信息表、教師信息表、課程表、簽到表等信息，表格之間通過外碼進(jìn)行聯(lián)系。在數(shù)據(jù)庫交互方面，本系統(tǒng)采用封裝操作，將與數(shù)據(jù)庫相關(guān)的操作封裝進(jìn)函數(shù)，每個(gè)表都是一個(gè)數(shù)據(jù)表類的子表，封裝了數(shù)據(jù)庫連接及增刪查改功能。

3 人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 測(cè)試步驟

（1）登錄模塊：管理員登錄系統(tǒng)，查看系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，并協(xié)助后面簽到工作。

（2）識(shí)別模塊：抽取已錄入信息學(xué)生樣本進(jìn)行測(cè)試，在攝像頭捕獲學(xué)生面部并進(jìn)行識(shí)別后，對(duì)比顯示出的信息和數(shù)據(jù)庫中已錄入的信息是否一致，并統(tǒng)計(jì)正確率。

（3）簽到模塊：在完成識(shí)別后，查看數(shù)據(jù)庫當(dāng)前課程簽到表中添加的學(xué)生信息和抽取的學(xué)生樣本從簽到人數(shù)和簽到信息兩個(gè)方面判斷是否一致，并統(tǒng)計(jì)正確率。

（4）重復(fù)以上步驟，將樣本人數(shù)不斷增多至班級(jí)人數(shù)，統(tǒng)計(jì)在更大輸入下系統(tǒng)的可靠性。

3.2 測(cè)試目標(biāo)

對(duì)系統(tǒng)小數(shù)量輸入（10～20人）時(shí)，識(shí)別正確率應(yīng)為85%以上，簽到正確率應(yīng)為80%以上；對(duì)系統(tǒng)大數(shù)量（20～50人）時(shí)，識(shí)別正確率和簽到正確率應(yīng)不低于80%。

3.3 測(cè)試環(huán)境

該系統(tǒng)使用Dell電腦作為測(cè)試機(jī)，處理器為Inter i5核處理器，Windows版本為Win10。

3.4 測(cè)試結(jié)果與分析

經(jīng)反復(fù)測(cè)試，系統(tǒng)在不同測(cè)試樣本數(shù)量下測(cè)試結(jié)果如下：當(dāng)輸入學(xué)生為10～20人時(shí)，識(shí)別和簽到正確率均為85%；當(dāng)輸入學(xué)生為20～50人時(shí)，正確率為80%。該測(cè)試結(jié)果中存在20%左右的錯(cuò)誤率，其中大部分錯(cuò)誤是由于學(xué)生面部信息出現(xiàn)改變，如醫(yī)療整形、飾物、化妝及環(huán)境光線等造成的面部特征變化，導(dǎo)致無法從圖片中提取出正確標(biāo)識(shí)碼；另一主要原因是標(biāo)識(shí)碼對(duì)比時(shí)的準(zhǔn)確性問題，即系統(tǒng)未能正確判斷兩個(gè)標(biāo)識(shí)碼是否足夠相似。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)利用人臉識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)考勤功能，并通過電腦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，充分體現(xiàn)了算法和總體設(shè)計(jì)的可行性。系統(tǒng)完成了快速簽到完成學(xué)生考勤任務(wù)，擺脫了繁雜的點(diǎn)名簽到，實(shí)現(xiàn)了快捷簽到的操作和功能。本系統(tǒng)對(duì)往后考勤系統(tǒng)的形式轉(zhuǎn)變作出了很大創(chuàng)新，大大提高了考勤的效率和可靠性，是值得進(jìn)一步探索和實(shí)現(xiàn)的。

[參考文獻(xiàn)]

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