基于人臉識(shí)別的高?？记谙到y(tǒng)研究

耿倩

[摘 ?要]本文通過(guò)對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)與其他身份識(shí)別技術(shù)的對(duì)比，進(jìn)而提出基于人臉識(shí)別的高?？记谙到y(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)考勤系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)考勤系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、算法代碼編寫(xiě)流程等進(jìn)行了研究。由于人臉識(shí)別技術(shù)有著“人臉無(wú)法替代”、非侵犯性的特性，因此，將人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于高?？记谙到y(tǒng)能排除傳統(tǒng)考勤系統(tǒng)存在的隱患。人臉識(shí)別技術(shù)從系統(tǒng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面提升了人臉識(shí)別終端機(jī)對(duì)人臉的識(shí)別率，系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)際情況生成考勤結(jié)果。與傳統(tǒng)考勤系統(tǒng)相比，人臉識(shí)別考勤流程更加簡(jiǎn)單，使考勤工作效率得到了提高。

[關(guān)鍵詞]高校考勤 ?人臉識(shí)別 ?識(shí)別速度 ?人臉特征提取

中圖分類號(hào)：TP391 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引 ?言

在高校中，學(xué)生的上課考勤率是非常重要的數(shù)據(jù)，它不僅能作為教師教學(xué)質(zhì)量的評(píng)價(jià)參考，還能宏觀分析學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。對(duì)于教師而言，學(xué)生的課堂考勤數(shù)據(jù)是評(píng)價(jià)學(xué)生的必要依據(jù)。另外，學(xué)生的考勤數(shù)據(jù)也能對(duì)教學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支持。高校考勤的難題在于如何在現(xiàn)有的考勤環(huán)境下、在不影響正常授課的情況下取得這些數(shù)據(jù)。近年來(lái)，隨著考勤系統(tǒng)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，高校教室考勤的方式也在快速變化，從最基本的教師點(diǎn)名和紙質(zhì)簽到方式，發(fā)展到現(xiàn)在比較超前的手機(jī)簽到、“一卡通”簽到，甚至有些高校采取指紋簽到。考勤方式越來(lái)越成熟，大大縮短了考勤所需要的時(shí)間，提高了考勤的效率與準(zhǔn)確率，并且能夠及時(shí)得到考勤結(jié)果。然而，這些考勤系統(tǒng)所使用的技術(shù)往往存在一些制約因素。首先，某些考勤系統(tǒng)需要學(xué)生攜帶指定的設(shè)備。例如，手機(jī)考勤，學(xué)生必須攜帶手機(jī)，且手機(jī)必須安裝指定的APP;在使用“一卡通”刷卡式考勤時(shí)，若學(xué)生的系統(tǒng)卡片丟失，會(huì)存在被他人代用的隱患，使考勤系統(tǒng)形同虛設(shè)。大部分考勤系統(tǒng)都包含一個(gè)特定的行為環(huán)節(jié)，即需要學(xué)生參與：手機(jī)考勤需要學(xué)生打開(kāi)應(yīng)用;“一卡通”考勤需要學(xué)生靠近讀卡設(shè)備并執(zhí)行刷卡操作;指紋考勤需要每個(gè)學(xué)生逐個(gè)按壓指紋。另外，指紋系統(tǒng)還存在5%左右的誤識(shí)率、識(shí)別速度慢、高峰時(shí)需要排長(zhǎng)隊(duì)，以及指紋采集設(shè)備磨損影響指紋識(shí)別效果等問(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題，可將人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)代高?？记谙到y(tǒng)中。由于人臉識(shí)別技術(shù)有著“人臉無(wú)法替代”性、非侵犯性的特性，排除了“一卡通”刷卡或指紋考勤系統(tǒng)存在的安全隱患，人臉識(shí)別技術(shù)能夠精確提取人臉特征（人臉輪廓以及眼睛、鼻子、嘴巴、耳朵之間的距離和皮膚的顏色）或行為特征（快樂(lè)、悲傷、恐懼、驚奇等），將其作為身份識(shí)別的依據(jù)。本文對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)與其他身份識(shí)別技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)，得出基于人臉識(shí)別的考勤系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)考勤系統(tǒng)的結(jié)論，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、算法代碼編寫(xiě)流程等進(jìn)行了研究。

高校人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

考勤系統(tǒng)應(yīng)該針對(duì)高校常見(jiàn)的上課教室，多數(shù)教室長(zhǎng)12.0米，寬9.5米，高4.1米，兩扇門(mén)供出入，教室配備日光燈、PC機(jī)，光線充足。PC機(jī)有網(wǎng)絡(luò)接口、4G運(yùn)行內(nèi)存、攝像頭，可以連接學(xué)校網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)寬帶為100M，滿足系統(tǒng)要求?；谌四樧R(shí)別技術(shù)的考勤系統(tǒng)不僅需要滿足高校對(duì)學(xué)生的考勤需求，還可為學(xué)生和教師提供快捷服務(wù)。系統(tǒng)以人臉為識(shí)別對(duì)象，解決傳統(tǒng)考勤方式的替代簽到、替代打卡等問(wèn)題，同時(shí)，還能減少管理成本。

1.人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)的性能指標(biāo)

基于人臉識(shí)別的考勤系統(tǒng)的性能指標(biāo)一般包括正確識(shí)別率和系統(tǒng)識(shí)別效率。正確識(shí)別率要達(dá)到95%以上才有識(shí)別意義，若正確識(shí)別率太低，則無(wú)法保持考勤工作的正常運(yùn)行;系統(tǒng)識(shí)別效率則以單個(gè)人的識(shí)別時(shí)間作為判別準(zhǔn)則。高校一般一個(gè)合班有五六十人，每個(gè)人都需要考勤識(shí)別過(guò)身份才能進(jìn)入教室。上下課時(shí)間為10分鐘，即系統(tǒng)需要在10分鐘內(nèi)識(shí)別50人左右，理論上每12秒完成一次識(shí)別，而實(shí)際上為了提高考勤效率，要求識(shí)別單個(gè)人臉的時(shí)間更少。

2.人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)的可靠性

可靠性需求指的是系統(tǒng)在一定運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)內(nèi)很少出現(xiàn)故障，如果出現(xiàn)故障則要求在很短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，非正規(guī)的操作不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。為了提高考勤效率，要求考勤系統(tǒng)在出現(xiàn)故障后，經(jīng)及時(shí)檢修能夠快速恢復(fù)，以免耽誤正?？记?對(duì)于異常操作，要能顯示警示信息，且不會(huì)對(duì)已有的信息造成破壞。

3.人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)的兼容性需求

這里的兼容性指多個(gè)方面：首先，從硬件的角度看，要求采用的傳輸方式、物理線路等能適用于市面上大多數(shù)圖像采集設(shè)備;其次，要求考勤系統(tǒng)能在目前比較常用的Windows平臺(tái)上正常使用，且能與其他功能性軟件同時(shí)運(yùn)行;最后，要求采取不同的操作時(shí)，仍能保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。

4.人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)要求

人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)對(duì)于安全性的要求較高，要集中在一個(gè)較短的時(shí)間段完成考勤，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的吞吐量較大，所以要注重提高系統(tǒng)軟件的穩(wěn)定性。

高校人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)的最基本要求就是能準(zhǔn)確識(shí)別考勤對(duì)象的臉部。高校考勤對(duì)象是高校學(xué)生，人臉數(shù)據(jù)是學(xué)生基本數(shù)據(jù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這就需要對(duì)符合身份條件的學(xué)生進(jìn)行人臉數(shù)據(jù)采集，所以系統(tǒng)必須具備采集人臉圖像信息的功能，把需要考勤的學(xué)生人臉圖像收集到系統(tǒng)中。第一，通過(guò)點(diǎn)擊注冊(cè)進(jìn)行學(xué)生信息的采集，隨后，要驗(yàn)證管理員信息，防止非管理人員的直接注冊(cè)對(duì)系統(tǒng)信息造成損壞;如果有新的管理員加入，可以在管理員登錄界面進(jìn)行注冊(cè)。第二，通過(guò)人臉采集設(shè)備獲取人臉圖像信息，在采集時(shí)注意照相的角度、光線等，采集好后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)。第三，標(biāo)記圖像信息。系統(tǒng)無(wú)法判定人臉圖像屬于哪位學(xué)生，因此，系統(tǒng)必須提供一個(gè)標(biāo)記功能，為每張人臉圖像標(biāo)記學(xué)生的名字、學(xué)號(hào)、班級(jí)等，形成一個(gè)人員特征數(shù)據(jù)庫(kù)。有了人員特征庫(kù)才能把需要考勤的學(xué)生的人臉圖像與學(xué)生一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，為人臉識(shí)別提供必要條件。

有了人臉特征數(shù)據(jù)庫(kù)之后，應(yīng)進(jìn)行人臉檢測(cè)、特征提取與識(shí)別。特征提取與識(shí)別是人臉識(shí)別模塊非常關(guān)鍵的一步，在識(shí)別時(shí)，要使用合適的方法進(jìn)行提取，與數(shù)據(jù)庫(kù)中已存在的人臉模板比對(duì)。如果待測(cè)的圖像在數(shù)據(jù)庫(kù)中找到匹配模板，則說(shuō)明考勤成功，會(huì)有考勤成功的提示消息;若沒(méi)有找到匹配的模板，則會(huì)提示異常考勤，說(shuō)明考勤對(duì)象的信息沒(méi)有注冊(cè)，需要進(jìn)行注冊(cè)。

另外，系統(tǒng)使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)就會(huì)產(chǎn)生一些“垃圾”，這些“垃圾”不僅會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度，還會(huì)影響用戶信息安全，所以系統(tǒng)需要有一個(gè)主動(dòng)能銷毀“垃圾”的功能，這就是系統(tǒng)重置。在點(diǎn)擊系統(tǒng)重置時(shí)，要驗(yàn)證管理員信息，防止非管理人員對(duì)數(shù)據(jù)造成損壞。系統(tǒng)重置功能可以銷毀數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的信息，讓系統(tǒng)恢復(fù)到最初始狀態(tài)。

高校人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于上述需求分析，應(yīng)從硬件角度和軟件角度分別介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并分析系統(tǒng)的主要技術(shù)支持。

為了完成各種功能的需求，人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)在硬件上應(yīng)該包括三大部分，第一，具有人臉采集設(shè)備，必須具備紅外探頭和攝像頭的功能，能獲得人臉圖像。第二，考勤系統(tǒng)應(yīng)帶顯示屏，能上網(wǎng)，可在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)人臉圖像的處理、識(shí)別以及考勤信息管理等功能。第三，考勤系統(tǒng)的服務(wù)器可部署數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，有較高的安全性設(shè)置。

人臉采集設(shè)備是人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)的重要部分，該設(shè)備需要具備攝像頭并能傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)于注冊(cè)的學(xué)生，應(yīng)把其注冊(cè)信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)中;對(duì)于簽到的人員，可與數(shù)據(jù)庫(kù)中模板比較，判斷圖像中人是否是本班成員或者是否是本人，如果確定無(wú)誤則顯示簽到成功，失敗則要提示失敗信息。人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)功能模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)

結(jié)合以上需求分析以及考勤工作的實(shí)際需要，我們將人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)分為幾個(gè)模塊：注冊(cè)模塊（人臉采集、信息錄入）、考勤模塊（身份識(shí)別、考勤登記、考勤情況統(tǒng)計(jì)）、系統(tǒng)設(shè)置（系統(tǒng)重置），各模塊相互配合組成一個(gè)完整的考勤系統(tǒng)?？记谙到y(tǒng)主要功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.注冊(cè)模塊

注冊(cè)模塊是用來(lái)實(shí)現(xiàn)人員基本信息和人臉圖像的保存，人臉采集由攝像頭完成。為了簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)，減少開(kāi)發(fā)成本，該系統(tǒng)可以選用PC機(jī)自帶的攝像頭，由攝像頭采集人臉照片，后臺(tái)進(jìn)行圖像處理，人臉提取依靠人臉檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)，通過(guò)CNN卷積算法提取人臉。在信息錄入之前首先要驗(yàn)證管理員信息，錄入部分應(yīng)包括姓名、班級(jí)、學(xué)號(hào)、性別等基本信息。用戶注冊(cè)時(shí)需要采集一張人臉的照片，用以上算法得到該人臉的模板并將之保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，留作比對(duì)識(shí)別的依據(jù)。

2.系統(tǒng)設(shè)置模塊

根據(jù)需求分析，每次簽到人數(shù)不同，簽到班級(jí)也不同，為了信息的安全性，系統(tǒng)應(yīng)具備可移植性。這就需要系統(tǒng)具有重置功能，而重置功能可以重置整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，使數(shù)據(jù)庫(kù)的所有記錄銷毀，讓數(shù)據(jù)庫(kù)還原到一個(gè)干凈的節(jié)點(diǎn)。因此，在點(diǎn)擊重置系統(tǒng)時(shí)，必須驗(yàn)證管理員信息，防止非管理人員損壞數(shù)據(jù)。

3.考勤模塊

身份識(shí)別是考勤系統(tǒng)的核心功能。將待識(shí)別的人臉圖像與人臉特征庫(kù)中的信息進(jìn)行比較，根據(jù)人臉識(shí)別算法，系統(tǒng)判定人臉特征庫(kù)中是否有信息和待識(shí)別人臉屬于一個(gè)人，識(shí)別成功后可以得到人臉特征庫(kù)中對(duì)應(yīng)的信息（學(xué)號(hào)、姓名、班級(jí)等），完成從圖像到學(xué)號(hào)的身份識(shí)別。

教室考勤部分負(fù)責(zé)系統(tǒng)的考勤邏輯。學(xué)生要先注冊(cè)，然后點(diǎn)擊拍照，將當(dāng)前的人臉圖像與人臉特征庫(kù)中的人臉進(jìn)行身份對(duì)比，識(shí)別成功的結(jié)果被更新到考勤表的“已簽到”中;如果識(shí)別失敗，則系統(tǒng)根據(jù)情況提示，如是否注冊(cè)、是否人臉端正等。每次的識(shí)別情況都會(huì)更新到“已簽到”表中，未簽到的則進(jìn)入“未簽到”表中。

考勤情況統(tǒng)計(jì)部分負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的考勤情況，包括對(duì)單個(gè)年級(jí)的出勤率統(tǒng)計(jì)，對(duì)整個(gè)年級(jí)的出勤率統(tǒng)計(jì)等。

結(jié) ?語(yǔ)

因?yàn)槿四樧R(shí)別技術(shù)比其他生物識(shí)別技術(shù)有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，被人們廣泛應(yīng)用于各類智能控制系統(tǒng)中。本文將人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到高?？记谙到y(tǒng)中，采取CNN卷積算法的人臉比對(duì)，可快速、精確、高效地對(duì)學(xué)生身份進(jìn)行人臉識(shí)別。通過(guò)研究得出，本文所用的人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)與傳統(tǒng)考勤系統(tǒng)相比，克服了傳統(tǒng)考勤系統(tǒng)的安全隱患，可靠性更高，具有良好的識(shí)別率。

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作者單位：陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ?陜西咸陽(yáng)