基于人臉識(shí)別技術(shù)的高?？记谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)

孔國(guó)利， 許繪香

(鄭州工程技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450044)

隨著大學(xué)生規(guī)模的不斷壯大，大學(xué)原有的很多管理制度和教育理念，已越來越難以適應(yīng)新形勢(shì)的需要。大學(xué)生課堂考勤制度是課堂教學(xué)順利開展的一項(xiàng)重要保障，是培養(yǎng)大學(xué)生良好的紀(jì)律意識(shí)、學(xué)習(xí)風(fēng)氣、意志品質(zhì)和良好學(xué)習(xí)習(xí)慣的一項(xiàng)重要保障，同時(shí)也是及時(shí)了解課堂教學(xué)效果的一個(gè)重要途徑。本文嘗試對(duì)這些困擾進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的解決途徑。

1 人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)的意義

考勤在學(xué)校里使用的主要目的是讓學(xué)生按時(shí)上課、按時(shí)學(xué)習(xí)。通過考勤統(tǒng)計(jì)，學(xué)?？梢粤私飧鱾€(gè)班級(jí)的班風(fēng)班貌，可以有效管理學(xué)生的上課情況，提升學(xué)生上課的效果，形成良好的上課氛圍，老師和學(xué)生在一個(gè)良好的氛圍內(nèi)上課，上課效果和聽課效果會(huì)有一個(gè)明顯的提升，從而對(duì)教學(xué)也是一種促進(jìn)。當(dāng)前，社會(huì)上已應(yīng)用的方法有：運(yùn)用Arduino和RFID(radio frequency identification)射頻標(biāo)簽結(jié)合創(chuàng)建簽到記錄[1]；通過內(nèi)置藍(lán)牙智能芯片的學(xué)生校園卡標(biāo)識(shí)簽到[2]；通過掃描指紋判斷GPS 定位是否在指定范圍內(nèi)，盡而判斷出席還是缺席[3]；結(jié)合RFID 技術(shù)和人臉識(shí)別進(jìn)行在場(chǎng)確認(rèn)等[4]。人臉對(duì)比[5-6]原理與五官識(shí)別相似，是對(duì)人臉輪廓矢量坐標(biāo)的標(biāo)注，可用于人臉美化，人臉對(duì)比在校園中可以起到防止無關(guān)人員進(jìn)入學(xué)校和學(xué)生逃學(xué)警報(bào)的作用，有效保護(hù)學(xué)生的校內(nèi)安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

為了保證系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定、可靠、高效地運(yùn)行，系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下性能需求。

1)系統(tǒng)處理的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中，要考慮系統(tǒng)當(dāng)前和將來可能承受的工作量，使系統(tǒng)的處理能力和響應(yīng)時(shí)間能夠滿足學(xué)校對(duì)信息處理的需求。

2)系統(tǒng)的開放性和系統(tǒng)的可擴(kuò)充性。人臉識(shí)別系統(tǒng)在開發(fā)過程中，應(yīng)該充分考慮以后的可擴(kuò)充性。

3)系統(tǒng)的易用性和易維護(hù)性。人臉識(shí)別考勤是直接面對(duì)使用人員的，這就要求系統(tǒng)能夠提供良好的用戶接口，易用的人機(jī)交互界面。

4)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)性。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)開發(fā)使用過程中都要涉及很多計(jì)算機(jī)硬件、軟件，所有這些都要符合標(biāo)準(zhǔn)。

5)系統(tǒng)的先進(jìn)性。一方面，通過系統(tǒng)的開放性和可擴(kuò)充性，不斷改善系統(tǒng)的功能；另一方面，應(yīng)在考慮成本的基礎(chǔ)上，盡量采用當(dāng)前主流并先進(jìn)且有良好發(fā)展前途的產(chǎn)品。

6)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。教學(xué)管理系統(tǒng)在日常處理中的響應(yīng)速度為秒級(jí)，達(dá)到實(shí)時(shí)要求，以及時(shí)反饋信息。在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，根據(jù)所需數(shù)據(jù)量的不同而從秒級(jí)到分鐘級(jí)，原則是保證操作人員不會(huì)因?yàn)樗俣软憫?yīng)影響工作效率。

3 硬件規(guī)劃

通過在數(shù)據(jù)中心上部署服務(wù)器的解決方案，在保護(hù)現(xiàn)網(wǎng)存儲(chǔ)設(shè)備投資的情況下，幫助學(xué)校增加業(yè)務(wù)系統(tǒng)的可靠性，提升業(yè)務(wù)系統(tǒng)的整體性能，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的連續(xù)性保障，滿足業(yè)務(wù)系統(tǒng)未來5～10年的發(fā)展需求。本次采用在云服務(wù)上部署可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及應(yīng)用服務(wù)器各一臺(tái)，硬件架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 人臉識(shí)別系統(tǒng)硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Hardware architecture diagram of face recognition system

4 軟件設(shè)計(jì)

1)數(shù)據(jù)庫(kù)采用開源免費(fèi)的MYSQL與HaoSQL-MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合的方式。MYSQL的特點(diǎn)是可以處理?yè)碛猩锨f條記錄的大型數(shù)據(jù)庫(kù)、支持常見的SQL(structured query language)語(yǔ)句規(guī)范、可移植性高，安裝簡(jiǎn)單小巧，運(yùn)行效率良好，有豐富信息的網(wǎng)絡(luò)支持，調(diào)試、管理、優(yōu)化操作簡(jiǎn)單。

2)應(yīng)用服務(wù)器采用Tomcat，滿足JAVAEE運(yùn)行所需的環(huán)境，具備免費(fèi)、開源、支持最新標(biāo)準(zhǔn)、更新快、跨平臺(tái)等諸多優(yōu)點(diǎn)，兼有可擴(kuò)展性和安全性。

3)開發(fā)工具采用Eclipse,具備四大優(yōu)點(diǎn):一是從編寫、查錯(cuò)、編譯、幫助等方面為Java語(yǔ)言貼身定做；二是可無限擴(kuò)展的強(qiáng)大插件功能；三是有眾多公司和組織的全面支持；四是開放、自由、免費(fèi)。

4)數(shù)據(jù)庫(kù)建模采用PowerDesigner?？梢苑奖愕剡M(jìn)行各種數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，只需ODBC(open database connectivity)支持；可快速建表、按照模版生成設(shè)計(jì)文檔，模版可以自己設(shè)計(jì)。

5 功能規(guī)劃

人臉識(shí)別系統(tǒng)功能包含5個(gè)主要功能：

1)組織機(jī)構(gòu)設(shè)置；

2)教職學(xué)人員檔案維護(hù)；

3)人臉設(shè)備采集識(shí)別；

4)統(tǒng)計(jì)分析；

5)綜合查詢。

6 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)劃

針對(duì)人臉識(shí)別功能設(shè)計(jì)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)建模如圖2所示。

7 系統(tǒng)實(shí)施

7.1 設(shè)備接口規(guī)范

接口根地址為http://設(shè)備 ip 地址:8090/ 接口形式,通過 HTTP 請(qǐng)求的方式對(duì)外提供服務(wù)。 接口安全：初次調(diào)用接口需要先設(shè)置設(shè)備密碼，后續(xù)調(diào)用任何接口都需要傳入設(shè)備密碼作為接口安全校驗(yàn)秘鑰。

接口通用返回說明：

public class ResultInfo {

private Int result;//表示接口是否調(diào)通，1 成功，0 失敗，通常只要設(shè)備服務(wù)器能響應(yīng)，該值就為 1

private Boolean success;//此次操作是否成功，成功為 true，失敗為 false

private T data;//接口返回的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，類型可為數(shù)值、字符串或集合等

private String msg;//接口返回的信息，通常是錯(cuò)誤類型碼的原因信息

}

result表示接口是否調(diào)通，1表示成功，0表示失敗，通常只要設(shè)備服務(wù)器能響應(yīng)，該值就為1；success表示操作是否成功，成功為 true，失敗為 false

圖2 人臉識(shí)別系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)建模圖Fig.2 Face recognition system database modeling diagram

7.2 接口調(diào)用流程

設(shè)備初始無密碼，調(diào)用所有接口都需要傳入密碼參數(shù)；在設(shè)置設(shè)備密碼接口，newPass 和 oldPass 傳入一樣的值，即成為設(shè)備密碼，照片注冊(cè)成功后，該注冊(cè)照片會(huì)保存在設(shè)備內(nèi)；可通過照片查詢接口獲得人員注冊(cè)照片 url，訪問 url 的照片時(shí)，設(shè)備需連網(wǎng)在線，且客戶端與設(shè)備處于同一網(wǎng)段。人臉識(shí)別成功后，會(huì)顯示注冊(cè)人員的姓名；若填寫了卡號(hào)，可直接刷對(duì)應(yīng)卡號(hào)的卡進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別成功后會(huì)顯示與該卡號(hào)對(duì)應(yīng)的注冊(cè)人員姓名，若設(shè)置了回調(diào)地址，人員識(shí)別成功后會(huì)向回調(diào)地址POST字段 ip、personId、time(識(shí)別時(shí)間)、deviceKey和type：face/card_0/1；若設(shè)置了公網(wǎng)回調(diào)地址，識(shí)別時(shí)設(shè)備離線或設(shè)備連局域網(wǎng)，則設(shè)備連公網(wǎng)后識(shí)別記錄會(huì)上傳到公網(wǎng)回調(diào)地址。

8 人臉識(shí)別軟件配置及應(yīng)用

8.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)設(shè)置

通過系統(tǒng)管理界面登錄后，選擇部門管理進(jìn)行組織機(jī)構(gòu)設(shè)置、配置用戶權(quán)限、增加用戶、為用戶添加角色等事項(xiàng)。

8.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)置

通過業(yè)務(wù)功能菜單對(duì)年級(jí)信息、專業(yè)信息、班級(jí)信息、實(shí)驗(yàn)室教室信息進(jìn)行設(shè)置，如圖3所示。

圖3 人臉識(shí)別系統(tǒng)數(shù)據(jù)設(shè)置Fig.3 Face recognition system data settings

8.3 人臉識(shí)別設(shè)備管理、初始化

在考勤設(shè)備人臉識(shí)別設(shè)備管理中進(jìn)行人臉設(shè)備的登記、注冊(cè)、初始化、人臉注冊(cè)等操作，如圖4所示。

8.4 人臉識(shí)別

人臉識(shí)別數(shù)據(jù)的識(shí)別工作由系統(tǒng)自動(dòng)完成，通過回調(diào)進(jìn)行設(shè)備在線狀況的監(jiān)測(cè)、通過識(shí)別回調(diào)進(jìn)行識(shí)別照片數(shù)據(jù)的記錄等功能。

8.5 課程表設(shè)置

課程表設(shè)置功能為教務(wù)工作者提供高效的課程維護(hù)工具，可按照班級(jí)、教師、教室等不同角色維護(hù)課程信息，可以靈活配置相應(yīng)的考勤策略，如圖5所示。

圖4 人臉識(shí)別設(shè)備管理Fig.4 Face recognition device management

圖5 人臉識(shí)別課程設(shè)置Fig.5 Face recognition curriculum

8.6 數(shù)據(jù)查詢與分析

系統(tǒng)提供了分析查詢功能，可按照學(xué)生的各項(xiàng)信息進(jìn)行綜合查詢；可按照學(xué)院、專業(yè)、班級(jí)、老師等維度進(jìn)行分析。

9 應(yīng)用展望

由于時(shí)間、環(huán)境等因素的限制，在照片識(shí)別準(zhǔn)確度及識(shí)別效率方面要進(jìn)一步提升和優(yōu)化，系統(tǒng)中的模型還不夠完善，還有很多深層次的分析尚待開發(fā)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析還需自動(dòng)化、智能化[7]。有必要在這些方面作進(jìn)一步研究，以更好地為決策提供支持，為工作的開展提供便利。