人臉識(shí)別技術(shù)在高校教務(wù)管理中的應(yīng)用研究

章浩　劉波　王芳

摘? ?要：教務(wù)管理作為高校教學(xué)業(yè)務(wù)的重要組成部分，目前大多是依托教學(xué)管理信息系統(tǒng)而開展的。但隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，以管理信息系統(tǒng)為主的管理方式弊端日益明顯。本文以同濟(jì)大學(xué)《高等講堂》課程為例，在對傳統(tǒng)課程管理模式進(jìn)行分析后，嘗試將人臉識(shí)別技術(shù)融入到教務(wù)管理之中，并基于移動(dòng)端同心云平臺(tái)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套新的講座課程管理與課程考勤系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供同心云移動(dòng)端和PC端兩種講座課程報(bào)名途徑，學(xué)生在上課時(shí)只需通過PAD端“刷臉”即可完成簽到，考勤數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)同步至原教學(xué)管理系統(tǒng)。本文著重介紹了該課程管理系統(tǒng)功能、選課模塊架構(gòu)、“刷臉”交互流程，并對運(yùn)行情況進(jìn)行分析。經(jīng)過多次實(shí)踐證明，系統(tǒng)可穩(wěn)定支持學(xué)生選課、現(xiàn)場“刷臉”簽到以及教務(wù)日常管理。這種管理模式的成功實(shí)踐，為高校教務(wù)管理改革提供了新思路。

關(guān)鍵詞：人臉識(shí)別;教務(wù)管理;講座課程管理;“刷臉”簽到;同心云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G647 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2019）13-0049-04

一、引言

20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)在高校的普遍應(yīng)用拉開了高校信息化建設(shè)的序幕。從早期開發(fā)各類應(yīng)用管理軟件到圍繞各業(yè)務(wù)部門建立管理子系統(tǒng)，再到現(xiàn)在的數(shù)字化校園建設(shè)，國內(nèi)高校信息化建設(shè)取得了長足進(jìn)步。在此過程中，國內(nèi)高校大多以業(yè)務(wù)部門為主導(dǎo)、采取與第三方公司合作開發(fā)的建設(shè)思路，最終建成了眾多的符合本部門業(yè)務(wù)管理本身的管理信息系統(tǒng)，同濟(jì)大學(xué)教學(xué)管理部門也建成了一系列教務(wù)管理系統(tǒng)來開展業(yè)務(wù)。長期以來，這些信息系統(tǒng)極大地便利了教務(wù)管理，也為教學(xué)、科研及師生服務(wù)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等為代表的新興技術(shù)被快速運(yùn)用于各行各業(yè)，逐漸催生了以社交網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)、位置服務(wù)為代表的新型信息傳播方式，并不斷成熟，各類終端設(shè)備、媒介網(wǎng)絡(luò)逐漸成為了師生日常工作、學(xué)習(xí)與交流的主流。逐漸地，高校的教學(xué)管理模式也朝著以信息化支持與改造教務(wù)管理的方向轉(zhuǎn)變，越來越多的管理者意識(shí)到，利用先進(jìn)的信息技術(shù)和成熟的平臺(tái)或工具對傳統(tǒng)的高校業(yè)務(wù)管理模式進(jìn)行業(yè)務(wù)優(yōu)化與流程改造勢在必行。

二、相關(guān)平臺(tái)及技術(shù)介紹

1.同心云平臺(tái)

2014年以來，同濟(jì)大學(xué)在對國內(nèi)外高校及信息化行業(yè)充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)校發(fā)展規(guī)劃及師生信息化服務(wù)需求，基于移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，貼合“移動(dòng)互聯(lián)”和“互聯(lián)網(wǎng)+”理念，建成“智慧云校園”的綜合解決方案，即同心云平臺(tái)。

同心云是同濟(jì)大學(xué)智慧校園的載體，是師生信息與服務(wù)的移動(dòng)入口，同時(shí)也是智慧校園的重要組成部分。它提供了完善的移動(dòng)輕應(yīng)用集成框架和豐富的功能接口，開發(fā)人員通過參數(shù)配置和密鑰驗(yàn)證即可快速將第三方應(yīng)用系統(tǒng)接入平臺(tái)。用戶在首次使用這些輕應(yīng)用時(shí)，在應(yīng)用列表里搜索、添加即可使用，不用再做第二次身份認(rèn)證，它完美地避免了傳統(tǒng)移動(dòng)應(yīng)用下載、安裝、注冊、登錄等過程中的問題，有效解決了學(xué)校優(yōu)質(zhì)應(yīng)用與師生信息需求對接之間的問題。

2.人臉識(shí)別技術(shù)

人臉識(shí)別，俗稱“刷臉”，是基于生物特征中的人臉生理特征，運(yùn)用算法對人的臉部器官及形狀距離等進(jìn)行特征分析與識(shí)別，從而進(jìn)行身份識(shí)別的技術(shù)，一般包括人像采集、人臉檢測、人臉預(yù)處理、人臉特征提取、人臉比對識(shí)別。[1]目前市場上有很多和研究團(tuán)隊(duì)對人臉識(shí)別算法進(jìn)行研究并提供開源API供第三方使用，如Face++、DeepFace、DeepID、FaceNet等。人臉識(shí)別技術(shù)的基本原理是使用攝像機(jī)采集含有特定人臉的圖像或視頻流，通過算法模型提取人像的特征數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，在識(shí)別時(shí)將實(shí)景照片中的人臉特征與人臉特征庫進(jìn)行比對，預(yù)先設(shè)置一定的閾值，當(dāng)超過這個(gè)閾值時(shí)，則返回匹配結(jié)果進(jìn)行輸出。[2]在后期使用中，對算法模型不斷優(yōu)化，使人臉的識(shí)別準(zhǔn)確率不斷提高。

三、教務(wù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.傳統(tǒng)教務(wù)管理模式分析

根據(jù)同濟(jì)大學(xué)研究生培養(yǎng)方案要求，在校研究生必須修讀《高等講堂》課程，該課程包括16次講座，講座的組織安排由學(xué)?；?qū)W院教務(wù)部門負(fù)責(zé)。傳統(tǒng)的管理模式是，教務(wù)部門根據(jù)學(xué)生分布情況，在各校區(qū)組織一定數(shù)量的講座課程，然后根據(jù)場地容量、講座類型通知指定學(xué)院或?qū)I(yè)的學(xué)生參加。在講座現(xiàn)場，教務(wù)人員采取人工紙質(zhì)簽到的方式記錄學(xué)生參加情況，為了防止學(xué)生遲到或者早退，還會(huì)在講座開始與結(jié)束時(shí)分別簽到，并且需專人在現(xiàn)場維護(hù)秩序。

傳統(tǒng)的教務(wù)管理模式在管理上有很多弊端。首先，由于同濟(jì)大學(xué)研究生分布在多個(gè)校區(qū)，由管理方事先進(jìn)行講座資源設(shè)置的方式無法滿足跨學(xué)院、專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，學(xué)生無法根據(jù)自身的研究方向、個(gè)人興趣、空余時(shí)間等情況來選擇感興趣的講座，遇到熱門講座，往往人滿為患，難以管理;其次，現(xiàn)場采取紙質(zhì)簽到很難避免個(gè)別學(xué)生“代簽”，這將使教務(wù)人員無法準(zhǔn)確掌握學(xué)生參與情況;此外，以簽到為手段約束學(xué)生參與講座課程，不考慮學(xué)生本身需求，長期下來會(huì)使學(xué)生以“簽到”為目的，無法真正了解課程精髓，與課程開設(shè)初衷相悖。因此，教務(wù)管理業(yè)務(wù)流程改造勢在必行。

2.系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

對傳統(tǒng)課程管理方式進(jìn)行分析，結(jié)合學(xué)校當(dāng)前信息化建設(shè)統(tǒng)一規(guī)劃。2018年6月，同濟(jì)大學(xué)啟動(dòng)了基于人臉識(shí)別技術(shù)的現(xiàn)場講座課程管理系統(tǒng)，系統(tǒng)具體功能模塊如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括PC端、同心云移動(dòng)端和PAD端。PC端由教務(wù)系統(tǒng)和高等講堂報(bào)名系統(tǒng)兩部分組成，教務(wù)員在教務(wù)系統(tǒng)中進(jìn)行講座信息維護(hù)、學(xué)生考勤分析以及成績管理;學(xué)生登錄PC端高等講堂系統(tǒng)可進(jìn)行講座課程查閱、課程報(bào)名。同心云移動(dòng)端主要用于人像信息采集與現(xiàn)場講座簽到，學(xué)生在移動(dòng)端進(jìn)行人像照片上傳、講座報(bào)名、二維碼生成、講座參加情況查閱;現(xiàn)場管理人員可在移動(dòng)端進(jìn)行二維碼驗(yàn)證。PAD端則進(jìn)行“刷臉”簽到、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、考勤結(jié)果上傳等。該系統(tǒng)提供“刷臉”簽到和現(xiàn)場二維碼驗(yàn)證兩種方式，在網(wǎng)絡(luò)異?；蛘呷藬?shù)較多時(shí)，可采取二維碼驗(yàn)證方式，使系統(tǒng)在復(fù)雜現(xiàn)場具有高可用性。

3.系統(tǒng)選課模塊架構(gòu)設(shè)計(jì)（見圖2）

此課程面向全校研究生，大約6700余人。經(jīng)過分析可知，由于學(xué)生心理驅(qū)使，大多數(shù)學(xué)生會(huì)傾向于在課程開設(shè)前短時(shí)間內(nèi)完成此課程，同時(shí)遇上熱門的講座也會(huì)有大量學(xué)生 “搶課” ，這將導(dǎo)致講堂選課模塊在初期面臨比較大的高并發(fā)壓力。

因此選課模塊采用如圖2所示架構(gòu)，用戶可以通過PC端或同心云移動(dòng)端登入講堂選課模塊，經(jīng)過學(xué)校防火墻監(jiān)控，基本可攔截掉惡意“刷課”的IP用戶。用戶請求進(jìn)來后經(jīng)過負(fù)載均衡服務(wù)器，進(jìn)而請求被分發(fā)至Web應(yīng)用服務(wù)器處理。Web應(yīng)用服務(wù)器在對請求處理后，當(dāng)出現(xiàn)讀/寫操作時(shí)，將訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。如數(shù)據(jù)庫請求超過閾值時(shí)，則自動(dòng)進(jìn)入消息隊(duì)列等候。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采取主讀、主寫操作分離，提高數(shù)據(jù)庫服務(wù)器處理效率。選課模塊部署在Linux centos V7.0 X64系統(tǒng)上，服務(wù)器配置為8核CPU、16G內(nèi)存、500G硬盤。

4.“刷臉”簽到交互流程設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)在不改變原教務(wù)系統(tǒng)管理模塊的情況下，結(jié)合目前互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)思維，融合人臉識(shí)別技術(shù)，為高校講座課程管理提供服務(wù)。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，需要人與系統(tǒng)、系統(tǒng)之間的交互。圖3為本系統(tǒng)實(shí)體之間的信息交互過程。該系統(tǒng)供教務(wù)管理人員、學(xué)生及教師使用，教務(wù)管理員在PC端（原教學(xué)管理系統(tǒng)）登錄后，進(jìn)入講座信息維護(hù)模塊進(jìn)行講座信息的維護(hù)，該講座信息可實(shí)時(shí)同步至移動(dòng)端和PAD端，學(xué)生登錄PC端報(bào)名系統(tǒng)或同心云移動(dòng)端進(jìn)行講座信息查詢與報(bào)名。在講座開始前，學(xué)生可以通過PAD端“刷臉”簽到，也可以通過管理人員掃描學(xué)生同心云移動(dòng)端生產(chǎn)的講座二維碼驗(yàn)證簽到，不管何種簽到方式，學(xué)生在簽到后均可在移動(dòng)端實(shí)時(shí)查看自己的簽到結(jié)果，該簽到結(jié)果會(huì)通過接口的形式主動(dòng)推送至PC端教學(xué)管理系統(tǒng)，供教務(wù)員錄入成績參考。另外，因PAD端在“刷臉”時(shí)，需不斷調(diào)用face++在線接口進(jìn)行人臉比對與結(jié)果返回，所以現(xiàn)場對于網(wǎng)絡(luò)帶寬與連通性要求非常高，網(wǎng)絡(luò)延遲或波動(dòng)都會(huì)造成現(xiàn)場“堵塞”出現(xiàn)。因此系統(tǒng)在開發(fā)時(shí)，提供網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測與識(shí)別過程測速模塊，可及時(shí)監(jiān)測識(shí)別進(jìn)程與返回時(shí)間，如遇網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)，可及時(shí)提示現(xiàn)場人員進(jìn)行運(yùn)維，并快速采用替代方案，保證現(xiàn)場簽到有序。

值得注意的是，在進(jìn)行人臉識(shí)別前，首先要采集學(xué)生人像照片，建立人臉信息庫。人像采集及“刷臉簽到”時(shí)序如圖4所示，學(xué)生在入學(xué)前，通過同心云移動(dòng)端人像采集應(yīng)用先后上傳自己的人像照片與身份證（或護(hù)照）照片，數(shù)據(jù)庫會(huì)自動(dòng)將學(xué)生上傳的人像及身份證（或護(hù)照）照片分別與學(xué)籍照片進(jìn)行比對。此過程調(diào)用face++人臉識(shí)別Compare API，提取圖片中人像特征，生成對應(yīng)的face_token，進(jìn)行1∶1比對，返回比對結(jié)果置信度和不同誤識(shí)率下的閾值。當(dāng)比對結(jié)果為同一人或很大幾率為同一人時(shí)，人像照片方可成功保存至本地?cái)?shù)據(jù)庫，同時(shí)將結(jié)果反饋給用戶。

學(xué)生在參加講座時(shí)，在PAD前站立，PAD端應(yīng)用程序會(huì)自動(dòng)捕捉、檢測圖像中的人臉照片，并在PAD本地進(jìn)行照片預(yù)處理，當(dāng)圖片中檢測到有多個(gè)人臉，則選取人臉尺寸最大的一個(gè)人臉為目標(biāo)人臉，生成該圖片的face_token，然后調(diào)用face++在線Search API，在已有的FaceSet中找出與目標(biāo)人臉相似度最高的一張或者多張人臉，同時(shí)返回置信度和不同誤識(shí)率下的閾值，系統(tǒng)進(jìn)行判定某一照片置信度超過設(shè)定閾值（該系統(tǒng)閾值為86%）時(shí)，則返回該照片的用戶信息到PAD端，提示用戶講座簽到成功。同時(shí)，PAD端應(yīng)用程序?qū)W(xué)生簽到信息主動(dòng)推給同心云移動(dòng)端和PC端教務(wù)管理系統(tǒng)。

不同系統(tǒng)、多個(gè)終端之間的交互流程正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在系統(tǒng)底層則體現(xiàn)為數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的交換，數(shù)據(jù)流向則體現(xiàn)了業(yè)務(wù)交互，通過對系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向進(jìn)行分析，可以優(yōu)化業(yè)務(wù)交互流程，從而簡化系統(tǒng)結(jié)果，提升用戶體驗(yàn)。

四、系統(tǒng)運(yùn)行成效分析

1.選課模塊運(yùn)行情況分析

如圖5所示，以2018年10月高等講堂學(xué)生報(bào)名為例，報(bào)名開放PC端和同心云移動(dòng)端，約八成的學(xué)生傾向于使用移動(dòng)端進(jìn)行選課。系統(tǒng)12∶30開放，當(dāng)天系統(tǒng)總訪客數(shù)為10035人，12∶30左右，最高有5459個(gè)用戶進(jìn)行界面操作。在12∶34時(shí)，所有開放的講座名額基本報(bào)名完成。

如圖6所示，根據(jù)服務(wù)器運(yùn)行監(jiān)控顯示，在講座報(bào)名過程中，負(fù)載均衡服務(wù)器在12∶30時(shí)TCP連接數(shù)達(dá)3540個(gè)，之后逐漸下降。負(fù)載均衡服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器CPU使用率在40%以下。自系統(tǒng)上線以來，共支出支持學(xué)校、學(xué)院110余場講座在線報(bào)名，總體運(yùn)行穩(wěn)定。

2.“刷臉”簽到模塊情況分析

系統(tǒng)自2018年9月上線以來，“刷臉”簽到模塊已成功運(yùn)行接近一個(gè)多學(xué)期，支持90000余人次現(xiàn)場“刷臉”簽到，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)99%以上，“刷臉”識(shí)別速度約2～3秒完成。為提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，簽到現(xiàn)場采用專用無線AP提供網(wǎng)絡(luò)，以保證數(shù)據(jù)高速傳輸。

人臉識(shí)別技術(shù)在教務(wù)管理中的使用，對傳統(tǒng)教務(wù)管理流程進(jìn)行了改造。以前教務(wù)管理員需逐步完成課程內(nèi)容錄入、課程時(shí)間編排、上課學(xué)生報(bào)名、參會(huì)學(xué)生簽到、學(xué)生心得撰寫等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，在流程改造后，教務(wù)員只需在原教務(wù)系統(tǒng)中錄入課程信息，該信息即可同步至同心云移動(dòng)端供學(xué)生查閱與選擇。現(xiàn)場考勤，學(xué)生只需在PAD前緩慢走過即可完成簽到環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)的落地使用極大地減少了教務(wù)管理員的工作量，也進(jìn)一步提升了學(xué)生的選課、聽課體驗(yàn)。

五、結(jié)語

本文對人臉識(shí)別技術(shù)在高校教務(wù)管理中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，該技術(shù)對原有教務(wù)管理流程進(jìn)行了改造，提高了管理者的工作效率，也為學(xué)生考勤提供了更為便捷、高效的方法。在實(shí)際使用中，人臉數(shù)據(jù)采集受環(huán)境影響較大，在拍攝背景、環(huán)境光照、拍攝角度、面部表情、臉部遮擋等多種外界因素影響下，會(huì)導(dǎo)致人臉識(shí)別速度與準(zhǔn)確率下降，這些問題將在后續(xù)工作中繼續(xù)改進(jìn)和完善。

人臉識(shí)別技術(shù)在高校教務(wù)管理中的成功運(yùn)用，不僅僅是技術(shù)的創(chuàng)新與實(shí)踐，更是高校信息化建設(shè)思路的突破與改進(jìn)。目前，我國高校人臉識(shí)別技術(shù)服務(wù)于高校業(yè)務(wù)管理還處于探索階段，在不久的將來，它必將與高校多種身份識(shí)別及業(yè)務(wù)管理實(shí)際，如智慧教室建設(shè)、校園安保、場館出入、校園業(yè)務(wù)辦理等進(jìn)行深度融合，促進(jìn)相關(guān)業(yè)務(wù)流程優(yōu)化與整合，從而為師生提供更好的體驗(yàn)。

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（編輯：王天鵬）