基于人臉識別技術的課堂考勤系統(tǒng)設計與研究

摘 ?要：課堂考勤系統(tǒng)的作用為督促學生參與到課堂教學中，讓學生能夠更好學習相關知識。傳統(tǒng)的課堂教學采用課堂點名的方式，容易打亂教師的授課節(jié)奏。基于對人臉識別技術開發(fā)現(xiàn)狀的研究和分析，本文提出了該項技術的設計和實現(xiàn)方法，使學校方面能夠通過應用這種設備，完成對學生考勤系統(tǒng)的技術設計和管理，發(fā)揮該設備應有的督促效果。

關鍵詞：人臉識別技術;課堂考勤系統(tǒng);系統(tǒng)設計

中圖分類號：TP391.4 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）13-0118-02

Design and Research of Classroom Attendance System Based on

Face Recognition Technology

CHEN Ying

（Minxi Vocational & Technical College，Longyan ?364021，China）

Abstract：The role of classroom attendance system is to urge students to participate in classroom teaching，so that students can better learn relevant knowledge. The traditional teaching method uses the way of classroom roll-call，which disrupts the rhythm of teachersteaching. Based on the research and analysis of the current situation of the development of face recognition technology，this paper puts forward the design and implementation method of this technology，so that the school can complete the technology and arrangement of the student attendance system through the application of this equipment，and give full play to the supervision effect of the equipment.

Keywords：face recognition technology;classroom attendance system;system design

0 ?引 ?言

在傳統(tǒng)的課堂考勤中，多采用教師點名或者收集課堂作業(yè)的方法，這會在很大程度上擾亂教師的授課節(jié)奏，大幅降低教師對相關知識的講解質(zhì)量。在人臉識別技術的應用中，學生必須在進入教室前通過該設備錄入相關信息，讓學校方面能夠分析學生的課堂學習情況，同時對學生進入教室的時間進行分析，從而可以了解學生是否出現(xiàn)遲到等問題，實現(xiàn)對學生各類信息的記錄。

1 ?基于人臉識別技術的課堂考勤系統(tǒng)設計框架

1.1 ?硬件框架

硬件框架為整個系統(tǒng)的支撐系統(tǒng)，因此要從系統(tǒng)負載的程序以及信息收集等角度出發(fā)，完成對整個系統(tǒng)的設計。

硬件設備上首先為攝像頭，由于在錄入人臉信息時，通常人臉距離攝像頭的距離較近，這就要求攝像頭擁有較大的廣角，以保證攝像頭采集的信息能夠符合錄入要求。另外，在一些教學樓中，存在采光效果較差的問題，所以需要激光測距攝像頭、紅外攝像頭等設備輔助光學攝像頭，以提高成像質(zhì)量[1]。

其次為相應的電路板，包括電阻、電容、電感以及單片機等各類電子器件，這類設備的作用為向單片機中傳遞信號，并借助單片機中的程序完成對相關信息的比較和收集工作，以記錄學生進入教室的時間。

最后為輔助硬件，包括緊固件、導線等，在相關設備正常運行的基礎上，才能夠保證整個系統(tǒng)正常運行。

1.2 ?軟件框架

在軟件框架的設計中，首先要確定整個系統(tǒng)本身發(fā)揮的功能。根據(jù)需求分析，本文確定軟件系統(tǒng)的功能包括圖像記錄、圖像比較、作弊行為比較、時間記錄等，在確定了相關功能后，再進一步確定這些功能的具體應用方式。

通常情況下，在整個系統(tǒng)的研究和運行中，圖像記錄技術應用于收集整個系統(tǒng)運行方法的過程，將采集到的圖像進行分解，并分析這一圖像中的各類具體參數(shù)[2]。在具體的課堂考勤中使用圖像比較技術，再通過通信技術將相關信息傳輸?shù)浇虅障到y(tǒng)中。作弊行為分析主要用于鑒別學生使用照片等方式代替簽到的行為，可以通過分析紅外攝像頭、測距攝像頭的信息，確定學生是否存在簽到作弊行為。時間記錄系統(tǒng)可以使用單片機中自帶的時鐘程序進行記錄。

1.3 ?通信系統(tǒng)框架

通信系統(tǒng)的主要功能是將學生的課堂考勤信息傳輸?shù)浇虅障到y(tǒng)，例如在同時開課班級過多的情況下，在某些時間點會產(chǎn)生大量的簽到與考勤信息，當并發(fā)數(shù)據(jù)量過大時，會導致網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行效率下降。因此通信系統(tǒng)設計時必須考慮到并發(fā)數(shù)據(jù)過大的情況，以避免高峰時段系統(tǒng)崩潰。

本文建設的框架為，由設備中設置的軟件完成對相關信息的綜合處理工作，對比考勤人員的人臉信息、考勤時間信息等多個參數(shù)，采用脈沖信號的方式向教學管理系統(tǒng)發(fā)送相關信息。根據(jù)學生的信息設置獨有的編號，并且在所有信息都符合相關設置規(guī)定時，才發(fā)送相應的脈沖信號到教學管理的服務器中，完成對學生相關信息的收集，而對無效信息進行自動放棄傳輸，以降低系統(tǒng)負載。

2 ?基于人臉識別技術的課堂考勤系統(tǒng)設計方法

2.1 ?硬件系統(tǒng)設計

在硬件系統(tǒng)設計中，包含攝像頭設計、電路設計、其余硬件設計等內(nèi)容，設計方法如下。

2.1.1 ?攝像頭設計

在攝像頭設計中，為提高硬件設備的功能性，設置的攝像頭有三類：光學攝像頭、紅外攝像頭以及測距攝像頭。同時提高攝像頭的搭配合理性，以實現(xiàn)對整個設備空間的高效利用。

對于光學攝像頭來說，大廣角狀態(tài)下攝像頭的光圈通常較大，在整個設備中占據(jù)的空間較大，在具體的設計中，考慮整個設備在運行中的安裝高度，可以根據(jù)學生的平均身高確定位置，光學攝像頭的圓心位于拍照高度的中心線。對于紅外攝像頭來說，通常情況下光圈的直徑也較大，可以將其設置在與光學攝像頭高度一致的位置上，兩者并排排列。而對于測距攝像頭來說，占用的空間最小，可以將其設置在其余兩個攝像頭的上方或者下方?？紤]到人性化設計理念，采用的方法為將其設置在其余兩個攝像頭的下方，最終三個攝像頭呈現(xiàn)倒“品”字形排列。

2.1.2 ?電路設計

在電路設計中，首先要根據(jù)三個攝像頭的信息采集和分析方法設計相應的分析與信號傳遞電路，應用的電子器件包括電阻、電感等相關設備[3]。在完成電路的設計工作后，將電路整合到同一電路板中，提高對信息的傳遞與有效性。其次將導線與攝像頭連接，為確保電路能夠發(fā)揮應有的信息傳遞功能，因此采用三路接線的方法，即不同類型的攝像頭，通過導線與其對應的電路板電路連接。最后為電路板與通信系統(tǒng)的連接，在經(jīng)過對人臉信息的采集、對比和時間信息分析等，由控制芯片發(fā)出相應的信號，經(jīng)過電路板中的電子器件放大后，將信號傳遞到學生考勤信息的記錄服務器中，完成數(shù)據(jù)記錄工作。

2.2 ?軟件系統(tǒng)設計

在軟件設計中，系統(tǒng)大致分為設備運行狀態(tài)控制和人臉信息分析兩大模塊。設備運行狀態(tài)控制模塊的作用為完成信息記錄和比較、設備休眠和運行狀態(tài)的切換。對于信息的記錄和比較系統(tǒng)，在所有學生錄入人臉信息后，由教學管理系統(tǒng)的服務器將這類信息傳入人臉識別設備中，為節(jié)省設備的運行資源，可以通過通信系統(tǒng)，由教學管理系統(tǒng)將第二天所有進入教室的學生的人臉信息輸入到人臉識別設備中。

在人臉信息分析模塊中，學生錄入初始圖像后，通過測量眉間距、鼻翼寬度、眼角間距、鼻尖到下巴長度等信息，實現(xiàn)對人臉中各類參數(shù)的記錄和分析，并在數(shù)據(jù)庫中建成學生學號與面部信息的對應系統(tǒng)。在考勤過程中，光學攝像頭完成拍攝，通過設置的像素計算程序，測量考勤人員的面部特征，與數(shù)據(jù)庫中的信息進行對比，分析是否為該學生。同時，可通過測距攝像頭完成對學生面部信息的進一步分析工作，提高人臉識別的精度。紅外攝像頭的作用一方面為在夜間或光照強度過低情況下的照明，另一方面可以分析簽到的學生，是否存在利用照片等手段進行考勤作弊行為。

2.3 ?通信系統(tǒng)設計

在通信系統(tǒng)的設計中，主要有兩種設計思路，一種為基于硬件設備的人臉信息分析技術。這一系統(tǒng)運行中，借助該設備完成對人臉信息的比較和分析工作，當確定所有信息符合考勤要求時，通過發(fā)射脈沖信號的方式，發(fā)送學號信息和考評結果信息。另一種由服務器完成對各類數(shù)據(jù)的分析，設備本身幾乎不具備數(shù)據(jù)分析能力，只是在完成拍照工作后，將圖片輸入到教學管理服務器中，讓其自動完成對各類數(shù)據(jù)的比較和分析工作，并同時記錄考勤時間等信息。這種方法對通信系統(tǒng)的要求極高，整個通信系統(tǒng)要有較大的帶寬，需要建成完善的光纖通信系統(tǒng)以防止數(shù)據(jù)量過大時出現(xiàn)信道堵塞現(xiàn)象。

3 ?基于人臉識別技術的課堂考勤系統(tǒng)實現(xiàn)方法

3.1 ?設備安裝方面

設備安裝包括系統(tǒng)各類硬件設備的安裝工作。攝像頭的性能對考勤系統(tǒng)的影響巨大，因此需要保證預留攝像頭坑空間的廣闊性，防止在攝像頭的安裝中，由于預留空間不足，對攝像頭造成損壞。另外，攝像頭要與電路板連接，所以在具體的工作中，預留的空間還需要能夠容納所有的線纜。對于電路板來說，需要通過緊固件降低與考勤設備外殼固定，在具體的構件生產(chǎn)中，要分析這一系統(tǒng)對設備造成的影響。對于攝像頭和電路板來說，需要應用焊錫工藝，完成各類導線與電路板的連接工作。

3.2 ?設備調(diào)試方面

在完成設備制造和安裝工作后，要落實對設備的調(diào)試工作。首先工作人員向學校教學管理系統(tǒng)中輸入個人信息，并設置編號。要根據(jù)教務系統(tǒng)排課時間，由系統(tǒng)將信息輸入到識別設備中。然后進行考勤測試，測試的內(nèi)容包括正常簽到、簽到作弊和未簽到三種情況，分析實際的考勤精度。最后根據(jù)系統(tǒng)運行測試的結果反饋，根據(jù)院校的實際情況進一步完成對軟硬件的優(yōu)化和完善工作，保證系統(tǒng)能完全符合院校的實際需求。

4 ?結 ?論

綜上所述，在基于人臉識別技術的課堂考勤系統(tǒng)設計中，硬件設計的內(nèi)容包括攝像頭、電路以及各類輔助硬件，軟件設計的內(nèi)容包括設備運行狀態(tài)控制和人臉信息分析模塊，通信系統(tǒng)要根據(jù)識別設備的運行原理，確定其實際運行模式，滿足數(shù)據(jù)通信要求。

參考文獻：

[1] 張欣蓓，劉旭，王浩博，等.基于人臉識別技術的課堂考勤系統(tǒng)設計與實現(xiàn) [J].無線互聯(lián)科技，2019，16（2）：68-70.

[2] 吳美香，鄧園園，裴楓華，等.基于人臉識別的移動課堂考勤系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) [J].軟件，2018，39（1）：5-8.

[3] 王少豪.基于圖像的人臉識別技術在高校課堂考勤系統(tǒng)中的研究與應用 [J].電腦知識與技術，2017，13（33）：209-210.

作者簡介：陳穎（1983-），男，漢族，福建龍巖人，助教，研究生，研究方向：計算機軟件。