基于人臉識(shí)別技術(shù)的課堂考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張欣蓓 劉旭 王浩博 劉克楠

摘 要：本系統(tǒng)利用了人臉識(shí)別技術(shù)，針對(duì)當(dāng)前考勤方式存在的他人代簽到，數(shù)據(jù)反饋實(shí)時(shí)性差，人工管理效率低等問題展開研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套完整的基于人臉識(shí)別技術(shù)的移動(dòng)課堂考勤管理系統(tǒng)，可以極大地提高課堂考勤效率，節(jié)省考勤時(shí)間，具有較強(qiáng)的使用性和可操作性，大大節(jié)省了考勤所占用的課堂時(shí)間，具有較高的效率和可實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：人臉識(shí)別；特征臉；課堂考勤系統(tǒng)

課堂是學(xué)生汲取知識(shí)、豐富思想、培養(yǎng)品格、樹立正確價(jià)值觀的重要場(chǎng)所，作為學(xué)生，應(yīng)當(dāng)按時(shí)到達(dá)教室參于課堂活動(dòng)，學(xué)生考勤工作是高校建設(shè)優(yōu)良班風(fēng)學(xué)風(fēng)，維持正常教學(xué)秩序的重要途徑，對(duì)于增強(qiáng)學(xué)生紀(jì)律觀念具有重要的作用[1]。但目前高校在校人數(shù)眾多，教室具有流動(dòng)性，學(xué)生沒有固定的上課教室和座位，使得考勤管理存在著工作量大，人工管理效率低，實(shí)時(shí)性差，數(shù)據(jù)難以統(tǒng)計(jì)和再次利用等諸多問題。不完善的考勤機(jī)制給學(xué)生缺勤創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，嚴(yán)重違背了課堂的教學(xué)理念。同時(shí)隨著社會(huì)的發(fā)展，越來越多的行業(yè)需要更多更高效的考勤管理機(jī)制，現(xiàn)存的考勤管理手段中人工考勤，是通過口頭點(diǎn)名、手工登記的方法實(shí)現(xiàn)的。該方法雖然靈活性強(qiáng)，但無法杜絕他人代考勤的事項(xiàng)，且需要有專門的考勤人員進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，浪費(fèi)人力成本。同樣對(duì)于考勤鐘，是通過吞吐卡的方式實(shí)現(xiàn)考勤管理，雖無需專人進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)督，但速度慢且不能實(shí)時(shí)反映考勤結(jié)果，無法滿足高校大量學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)完成考勤并立刻匯總結(jié)果的需求。基于指紋識(shí)別技術(shù)的考勤，雖然杜絕了代考勤的事項(xiàng)，但不衛(wèi)生且對(duì)于手指指紋破損，指紋打卡方式不正確等情況，不能準(zhǔn)確便捷地識(shí)別。相較以上幾種現(xiàn)存的考勤方式，基于人臉識(shí)別技術(shù)的課堂考勤便顯著地突出了，具有效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高，方便快捷，易于被用戶所接受等諸多優(yōu)勢(shì)。

綜上，本文設(shè)計(jì)了一種考勤系統(tǒng)來解決目前高?？记跈C(jī)制中存在的問題。本系統(tǒng)以人臉識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)，學(xué)生不需要攜帶任何設(shè)備即可完成考勤，能滿足較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)學(xué)生考勤情況進(jìn)行準(zhǔn)確核查，有效杜絕他人代簽代答的情況，提高了考勤結(jié)果的準(zhǔn)確性，使考勤工作的效率和可靠性得到大大提升。

1 基于人臉識(shí)別課堂考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為兩個(gè)模塊：用戶簽到模塊和管理員信息管理模塊。用戶簽到界面設(shè)計(jì)有相應(yīng)的圖形界面程序，根據(jù)功能按鈕的不同可選擇不同的方式完成簽到，并將結(jié)果錄入數(shù)據(jù)庫中，方便管理員管理。管理員信息管理，通過Navicat工具進(jìn)行數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)管理，以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和修改。

1.2 學(xué)生簽到模塊功能的實(shí)現(xiàn)

在數(shù)據(jù)庫中建立學(xué)生表、專業(yè)表、班級(jí)表，錄入所有需要考勤學(xué)生的姓名、專業(yè)、班級(jí)信息、教師表、課程表，課程安排表錄入課程信息，簽到表用來保存考勤簽到結(jié)果。學(xué)生進(jìn)行考勤簽到時(shí)，面向攝像頭，點(diǎn)擊簽到按鈕后，軟件將攝像頭從視頻流中捕獲的圖像傳到人臉識(shí)別模塊，人臉識(shí)別系統(tǒng)分析人臉并得到人臉id，與數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)錄入的學(xué)生信息進(jìn)行對(duì)比匹配。若標(biāo)識(shí)碼信息匹配成功，則會(huì)在右側(cè)欄目中顯示從數(shù)據(jù)庫中讀取到的相關(guān)信息，其中，姓名和學(xué)號(hào)均是由人臉id匹配后在數(shù)據(jù)庫中讀取到的信息，而課程則是根據(jù)當(dāng)前周、當(dāng)前時(shí)間進(jìn)行匹配而得到的數(shù)據(jù)。

根據(jù)對(duì)比的結(jié)果出現(xiàn)如下簽到結(jié)果情況：（1）若該生人臉匹配成功，且尚未簽到，則會(huì)顯示“success”表示簽到成功。簽到信息將保存在數(shù)據(jù)庫的簽到表中。（2）若該生已經(jīng)簽到完成，再次進(jìn)行簽到時(shí)，則會(huì)顯示“failed，簽到失敗可能是該學(xué)生已經(jīng)簽到”表明數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)錄入該生本節(jié)課的簽到信息，故不能再次簽到。（3）若學(xué)生沒有預(yù)先在數(shù)據(jù)庫中錄入信息，當(dāng)進(jìn)行簽到時(shí)，考勤結(jié)果界面將出現(xiàn)“failed，未找到該學(xué)生”的字樣表示非考勤人員。（4）除了從攝像頭中獲取人臉圖片，該系統(tǒng)還支持從本地圖庫中選取照片進(jìn)行簽到，若點(diǎn)擊選擇本地圖片的方式進(jìn)行考勤，則會(huì)出現(xiàn)對(duì)本地文件的選取界面，選擇已經(jīng)錄入數(shù)據(jù)庫中的人臉圖片做測(cè)試。同樣的，選擇本地圖片簽到的結(jié)果同使用攝像頭簽到模塊相同，并且也會(huì)出現(xiàn)簽到成功和簽到失敗兩種結(jié)果。

1.3 管理員信息管理功能的實(shí)現(xiàn)

管理員借助Navicat數(shù)據(jù)庫管理工具對(duì)考勤數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，學(xué)生的簽到信息存放在簽到表中，管理員可通過數(shù)據(jù)庫查看、添加、刪除、修改學(xué)生信息、課程信息、教師信息等。系統(tǒng)中長期留存每次考勤的信息，供教師在期末進(jìn)行登記匯總工作，避免后期出現(xiàn)爭(zhēng)議。

2 人臉識(shí)別軟件的算法設(shè)計(jì)

2.1 人臉識(shí)別技術(shù)原理

社會(huì)工作對(duì)于快速有效的身份識(shí)別驗(yàn)證的迫切需求，人臉識(shí)別技術(shù)取得了突破性的發(fā)展，且在各方面得到廣泛的運(yùn)用，人臉作為人體的生物特征是與生俱來的，具有高度的非剛性、唯一性和不可復(fù)制性，這為身份鑒別提供了良好的基礎(chǔ)，指紋識(shí)別與其他的生物識(shí)別相比，具有非強(qiáng)制性和非接觸性的特性[2]，學(xué)生不需要與設(shè)備直接接觸，無需專門配合，在無意識(shí)的狀態(tài)下即可獲取人臉圖像。人臉識(shí)別技術(shù)是對(duì)輸入的人臉靜態(tài)圖像或視頻流中檢測(cè)出的人臉圖像進(jìn)行判斷，如果檢測(cè)出人臉，則與數(shù)據(jù)庫中的圖像進(jìn)行信息對(duì)比，從而達(dá)到身份識(shí)別和鑒定的目的。提取人臉特征便是人臉識(shí)別領(lǐng)域中最為重要的模塊，其基本流程如圖2所示。

人臉識(shí)別技術(shù)主要包括3個(gè)模塊。

（1）人臉檢測(cè)模塊：主要功能為針對(duì)現(xiàn)實(shí)中圖片的人臉進(jìn)行檢測(cè)處理，在一張照片中定位出人臉?biāo)诘膱D像區(qū)域和位置。

（2）面部特征點(diǎn)定位模塊：主要功能為在識(shí)別面部區(qū)域的基礎(chǔ)上，對(duì)人臉特征點(diǎn)進(jìn)行提取和定位，為了解決現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下由于姿態(tài)、表情、光照和遮擋等因素造成的不利影響，該模塊通過級(jí)聯(lián)多個(gè)自編譯碼網(wǎng)絡(luò)得到在高分辨率圖像上人臉特征點(diǎn)的定位。

（3）人臉特征提取與對(duì)比模塊：在前兩個(gè)模塊計(jì)算的基礎(chǔ)上，將不同圖像中人臉特征點(diǎn)的特征值進(jìn)行提取并進(jìn)行對(duì)比，最終經(jīng)過判定過程進(jìn)行判定，給出不同圖像中的人臉相似度大小，相似度越高，則說明是同一個(gè)人的可能性越大[3]。

2.2 系統(tǒng)的算法實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)整體采用Java語言，該語言功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)單易用，跨平臺(tái)性高，調(diào)用靈活，可移植性強(qiáng)，作為靜態(tài)面向?qū)ο缶幊陶Z言的代表，極好地實(shí)現(xiàn)了面向?qū)ο罄碚揫4]。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)使用MySQL數(shù)據(jù)庫，建立學(xué)生表、教師表、簽到表、課程表、專業(yè)表。在學(xué)生表中設(shè)置一個(gè)標(biāo)志信息，每個(gè)學(xué)生對(duì)應(yīng)一個(gè)，表示當(dāng)前時(shí)間對(duì)應(yīng)的課程是否已經(jīng)簽到。該標(biāo)識(shí)符在每節(jié)課結(jié)束之前10 min會(huì)由服務(wù)器置零，且在這10 min里禁止學(xué)生進(jìn)行簽到。

整體算法分為3個(gè)步驟：（1）預(yù)先在數(shù)據(jù)庫中保存由學(xué)生的照片采集出的特征碼。（2）首先調(diào)用face++平臺(tái)提供的Search API函數(shù)進(jìn)行人臉識(shí)別[5]，根據(jù)提供的圖片的網(wǎng)絡(luò)地址，本地格式或圖片的base64編碼，調(diào)用不同的API函數(shù)，得到不同的返回值，將其用JSON格式展示。（3）在進(jìn)行簽到時(shí)，根據(jù)當(dāng)前攝像頭獲取照片并經(jīng)過計(jì)算得到的返回值，從數(shù)據(jù)庫保存的圖片合集中進(jìn)行遍歷對(duì)比尋找最相近的標(biāo)識(shí)碼，最后將尋得的標(biāo)識(shí)碼對(duì)應(yīng)的學(xué)生信息顯示在簽到界面上。

3 結(jié)語

本文介紹了基于人臉識(shí)別的課堂考勤系統(tǒng)的原理及軟件設(shè)計(jì)，本軟件運(yùn)行在PC以及兼容機(jī)上，借助該系統(tǒng)可快速完成移動(dòng)課堂的考勤，解決了當(dāng)前課堂考勤過程中存在的工作量大，人工管理效率低，實(shí)時(shí)性差，數(shù)據(jù)難以統(tǒng)計(jì)和再次利用等諸多問題，極大程度地節(jié)約了課堂時(shí)間，提高了課堂效率。同時(shí)，目前的人臉識(shí)別算法較為成熟，可以保證該系統(tǒng)具有較高的可靠性。經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)與調(diào)試，本系統(tǒng)能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)課堂的考勤功能，基于人臉識(shí)別的課堂考勤系統(tǒng)將會(huì)在日常的教學(xué)生活中得到廣泛運(yùn)用。

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