基于人臉識(shí)別技術(shù)的課堂考勤系統(tǒng)

◆ 侯瑞發(fā) 楊 雄 陳偉達(dá) 鄧澤霖 胡世亮

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基于人臉識(shí)別技術(shù)的課堂考勤系統(tǒng)

◆ 侯瑞發(fā) 楊 雄通訊作者陳偉達(dá) 鄧澤霖 胡世亮

(福州大學(xué)至誠學(xué)院 福建 350002)

針對(duì)目前高校課堂考勤存在的一些問題，本系統(tǒng)利用人臉識(shí)別技術(shù)和云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了一套課堂快速考勤系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用C/S架構(gòu),客戶端運(yùn)行于Android手機(jī),服務(wù)端運(yùn)行于云平臺(tái)服務(wù)器，可兼顧考勤效率和使用便攜性的要求。其中，客戶端上完成課程管理、人臉信息錄入、實(shí)時(shí)考勤及考勤統(tǒng)計(jì)功能。服務(wù)端則部署于新浪云平臺(tái)上，并通過調(diào)用阿里云的人臉識(shí)別接口完成對(duì)課堂圖像的人臉檢測(cè)、圖像切割和人臉匹配功能，實(shí)現(xiàn)了將當(dāng)前課堂人臉信息與人臉數(shù)據(jù)庫信息相匹配來完成課堂考勤的功能。實(shí)驗(yàn)表明，在一定的條件范圍內(nèi)，本系統(tǒng)能夠達(dá)到實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的需求。

人臉識(shí)別技術(shù)；云平臺(tái)；課堂考勤

0 前言

目前應(yīng)用型本科的高校課堂學(xué)生缺勤現(xiàn)象日益嚴(yán)重，但傳統(tǒng)的課堂考勤管理方式[1]仍采用簡(jiǎn)單快捷的“紙-筆”記錄的方式，雖然成本較低，但存在考勤效率低、替代考勤、考勤不到位和信息分散等問題。目前一些高校采用人臉識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生的課堂考勤，主要有兩種技術(shù)手段。一種是通過位于教室門口的攝像頭對(duì)進(jìn)入教室的學(xué)生進(jìn)行人臉識(shí)別實(shí)現(xiàn)考勤，這種方式的人臉匹配采用的是1:1的識(shí)別方式，其效率較低，同時(shí)需要額外的設(shè)備對(duì)攝像頭的采集的實(shí)時(shí)視頻流進(jìn)行處理后再進(jìn)行人臉識(shí)別，對(duì)設(shè)備的性能和網(wǎng)絡(luò)都有一定的要求，需要一定的成本[2]。另一種是通過手機(jī)拍照后在手機(jī)端完成圖像的預(yù)處理、裁剪和人臉識(shí)別等功能[3]，該方式對(duì)手機(jī)端的性能要求較高，人臉識(shí)別的效率和性能都較差，而且手機(jī)端軟件的復(fù)雜度也高，不具備推廣性。

隨著移動(dòng)智能手機(jī)CPU處理能力和拍照性能的不斷加強(qiáng)，以及云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)的普及，本文提出以手機(jī)端作為課堂圖像的采集設(shè)備和考勤管理APP，可直接利用授課老師的手機(jī)作為考勤設(shè)備，在降低設(shè)備成本的同時(shí)又提高了系統(tǒng)使用的便捷性，不再依賴于特定的考勤設(shè)備；針對(duì)手機(jī)端進(jìn)行人臉識(shí)別對(duì)硬件要求較高的問題，本系統(tǒng)僅利用手機(jī)端采集設(shè)備，而將圖像的預(yù)處理、人臉檢測(cè)、圖像裁剪和人臉圖像的身份驗(yàn)證交由云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，并通過分布式的處理方法實(shí)現(xiàn)并行人臉身份驗(yàn)證，大大提高課堂考勤的效率，云端的處理結(jié)果再交由手機(jī)端展示和統(tǒng)計(jì)，可隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)課堂考勤。在系統(tǒng)中通過用戶角色的設(shè)計(jì)，滿足學(xué)生、輔導(dǎo)員和授課老師三方面對(duì)課堂考勤管理系統(tǒng)的不同需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了基于課堂照片和人臉識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速課堂考勤。系統(tǒng)的主要功能包括：課程管理、學(xué)生信息管理、課堂考勤和考勤結(jié)果統(tǒng)計(jì)等功能。

當(dāng)用戶打開APP使用已授權(quán)賬戶登錄系統(tǒng)后，首先需要?jiǎng)?chuàng)建授課課程及班級(jí)信息，接著根據(jù)課程班級(jí)信息錄入學(xué)生姓名、學(xué)號(hào)及上傳學(xué)生人臉圖像；然后在課前通過手機(jī)根據(jù)班級(jí)學(xué)生數(shù)量拍照數(shù)張課堂學(xué)生合照上傳，則可實(shí)時(shí)獲取到所拍圖像中的學(xué)生信息，該學(xué)生信息即為本次考勤中已簽到學(xué)生，與預(yù)錄入的班級(jí)學(xué)生相比后也可獲得缺勤學(xué)生信息及人數(shù)，還可針對(duì)缺勤的學(xué)生單獨(dú)修改為請(qǐng)假狀態(tài)。最后通過一學(xué)期的多次考勤即可綜合該課程的考勤統(tǒng)計(jì)情況。系統(tǒng)的總體功能如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于人臉識(shí)別技術(shù)的考勤系統(tǒng)采用C/S的架構(gòu)模式設(shè)計(jì)，手機(jī)客戶端為基于HTML5設(shè)計(jì)的跨平臺(tái)APP，后臺(tái)管理系統(tǒng)采用PHP語言作為開發(fā)語言，并使用MySQL作為配套數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，后臺(tái)管理系統(tǒng)部署于新浪云開發(fā)平臺(tái)上，并使用該開發(fā)平臺(tái)提供的Storage功能來存儲(chǔ)圖片，可滿足快速上傳和提取圖片的需求，并與阿里云提供的在線人臉識(shí)別服務(wù)交互完成人臉數(shù)據(jù)庫的建立和1：N的人臉識(shí)別，完成一次人臉識(shí)別的步驟為：

( 1 ) 授課老師啟動(dòng)一次考勤，通過現(xiàn)場(chǎng)拍照或者圖庫選擇圖片后上傳至后臺(tái)，同一次考勤根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)班極大小可使用多張現(xiàn)場(chǎng)照片來提高考勤的準(zhǔn)確率；

( 2 ) 后臺(tái)收到手機(jī)端上傳的照片后，首先將原始照片存放于新浪云的Storage存儲(chǔ)中，該存儲(chǔ)中的照片可通過URL地址直接訪問，接著調(diào)用阿里云的人臉識(shí)別服務(wù)中的人臉檢測(cè)定位，其接口可直接使用照片的URL地址作為參數(shù)，人臉檢測(cè)定位返回結(jié)果為JSON數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含檢測(cè)至的人臉總數(shù)及每張人臉在原始圖片中的左上角坐標(biāo)(x和y)以及每張人臉的寬度和高度；

( 3 ) 完成人臉檢測(cè)結(jié)果后依據(jù)人臉數(shù)遍歷結(jié)果，按照每張人臉的坐標(biāo)、寬度和高度對(duì)原始圖片進(jìn)行裁剪得到每張人臉圖像并同樣存儲(chǔ)于新浪云的Storage存儲(chǔ)中；

( 4 ) 最后基于阿里云人臉服務(wù)中已創(chuàng)建的人臉數(shù)據(jù)庫對(duì)每張人臉進(jìn)行1:N的人臉比對(duì)，獲得課堂照片中每位學(xué)生的學(xué)號(hào)信息（即現(xiàn)場(chǎng)學(xué)生信息），將每張圖片的比對(duì)結(jié)果返回給客戶端以列表的方式顯示。

圖1 系統(tǒng)功能圖

1.2 手機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)端的軟件功能主要是拍攝課堂現(xiàn)場(chǎng)數(shù)張照片并上傳至后臺(tái)由后臺(tái)對(duì)照片進(jìn)行處理后將考勤功能實(shí)時(shí)反饋給手機(jī)端，其實(shí)現(xiàn)效果如圖2所示。

1.3 后臺(tái)管理系統(tǒng)

后臺(tái)管理系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)查詢、導(dǎo)入、導(dǎo)出、編輯基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（如課程信息，班級(jí)信息，學(xué)生信息等）服務(wù)功能后，還實(shí)現(xiàn)了基于百度人臉識(shí)別服務(wù)的考勤功能，該功能包括人臉檢測(cè)與定位、人臉圖像裁剪和人臉圖像識(shí)別，以現(xiàn)場(chǎng)部分學(xué)生合照實(shí)現(xiàn)的效果如圖3所示。

圖2 手機(jī)端考勤界面

圖3 人臉識(shí)別效果圖

2 結(jié)語

本系統(tǒng)以高校課堂考勤系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn)，為解決傳統(tǒng)考勤方式低效率以及目前人臉考勤所存在的問題，基于云平臺(tái)和手機(jī)客戶客戶端實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)考勤。在正常光照的測(cè)試環(huán)境中，人臉識(shí)別準(zhǔn)確率能夠達(dá)到99%，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，但在逆光環(huán)境下，準(zhǔn)確率不足85%，是由于逆光對(duì)拍攝圖像的人臉信息檢測(cè)有一定的影響，導(dǎo)致人臉圖像不夠清楚。

[1]包冬梅.基于Android平臺(tái)的高校出勤管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)（自然版）, 2016, 32(9):31-33.

[2]何志威，李軍.基于人臉識(shí)別的移動(dòng)終端考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].福建電腦, 2018.

[3]吳美香，鄧園園，裴楓華.基于人臉識(shí)別的移動(dòng)課堂考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件，2018.

福州大學(xué)至誠學(xué)院2018年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（基于人臉識(shí)別的課堂快速考勤APP：201813470021）。