OpenCV算法的人臉識別在課堂簽到系統(tǒng)上的分析與研究

滄州交通學(xué)院 邵曉康 張 恒 田春子 孫淑營

人臉識別使用較為流行的開源算法OpenCV，該算法識別準(zhǔn)確度較高，占用系統(tǒng)資源較少，響應(yīng)時間快，可離線進(jìn)行學(xué)習(xí)、識別。簽到系統(tǒng)如果跟隨課程的主程序，不僅對電腦內(nèi)存消耗會增加，而且也會增加CPU的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，因此設(shè)計的系統(tǒng)是單獨(dú)的程序系統(tǒng)，不會因教師上課方式的改變而無法使用本系統(tǒng)，將簽到系統(tǒng)從上課系統(tǒng)中移植出來不僅可以在不改變原來上課方式的情況下使用，而且上課系統(tǒng)更新后不用擔(dān)心簽到系統(tǒng)的異常，該系統(tǒng)可以很好的幫助教師和學(xué)生家長督促學(xué)生學(xué)習(xí)，并幫助教師更好的進(jìn)行授課。

1 OpenCV算法介紹

OpenCV算法是由Gary Bradsky在英特爾創(chuàng)立的，該算法的正式版本是在2000年發(fā)布的。2005年OpenCV算法在DARPA大戰(zhàn)中獲得冠軍，隨著時間的推移，OpenCV算法應(yīng)用的場景越來越多，從開始的用于汽車開發(fā)，到現(xiàn)在的計算機(jī)視覺，不僅如此，OpenCV算法支持多種語言，如C++、Python、Java等，還可以在不同的系統(tǒng)平臺上使用。

2 統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 人臉識別

用戶首次登錄，系統(tǒng)會自動檢測是否有該賬號的人臉信息數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會自動獲取用戶的登錄賬號，用此賬號來查找用戶的人臉圖像數(shù)據(jù)是否存在，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不存在時，系統(tǒng)會提示用戶進(jìn)行相關(guān)的人臉數(shù)據(jù)的采集，用戶同意進(jìn)行人臉數(shù)據(jù)采集時，系統(tǒng)使用OpenCV算法對用戶的人像的采集，并保存人臉數(shù)據(jù)。

當(dāng)用戶登錄驗(yàn)證成功之后系統(tǒng)對已存儲的人臉數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)無本用戶人臉數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會提醒用戶進(jìn)行人臉存儲，當(dāng)用戶同意人臉數(shù)據(jù)采集時，系統(tǒng)將會打開攝像頭并獨(dú)處每一幀的圖像，此時開始進(jìn)行人臉采集并進(jìn)行相關(guān)的存儲。

系統(tǒng)啟動人臉檢測，此時系統(tǒng)會讀取每一幀的圖像，當(dāng)讀取圖像成功時，系統(tǒng)會將所識別的人臉以及用戶Id標(biāo)注在人臉識別的視頻圖像中。

2.2 基本信息統(tǒng)計

用戶登錄之后并進(jìn)行了相關(guān)的人臉數(shù)據(jù)的存儲之后，系統(tǒng)會檢測數(shù)據(jù)庫中是否有該用戶的基本信息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)未有該用戶的信息時，系統(tǒng)會提示用戶進(jìn)行基本信息的填寫，從而達(dá)到信息的上傳，方便對課程的統(tǒng)計，以及課程點(diǎn)名的標(biāo)注。

2.3 教師上課

教師成功完成登錄并進(jìn)入系統(tǒng)主頁時，點(diǎn)擊開始上課功能，此時系統(tǒng)會進(jìn)行相關(guān)的提示，提示操作者進(jìn)行相關(guān)的信息的填寫，這些信息作為課程的上課的基本信息，可作為后面的課程統(tǒng)計。

當(dāng)教師點(diǎn)擊上課按鈕進(jìn)入上課界面以后，系統(tǒng)會提示用戶填寫基本信息，當(dāng)用戶填寫完對應(yīng)的信息之后，該課程則開課成功，此時系統(tǒng)之系統(tǒng)會自動生成一個上課密令，上課密令需要告訴給學(xué)生用戶。

教師發(fā)布課程以后，會得到課程的開課密令，學(xué)生通過教師得到該密令之后，可以通過我要學(xué)習(xí)按鈕進(jìn)入上課學(xué)習(xí)模式，在相應(yīng)的界面填寫上課命令，會得到該課程的基本信息。

學(xué)生填寫密令之后，系統(tǒng)會在數(shù)據(jù)庫中查詢該課程的基本信息，當(dāng)該密令存在時，系統(tǒng)會將該課程的基本信息顯示到課程信息界面，用戶可以核對課程信息，從而檢查課程是否正確，當(dāng)用戶檢查該課程無誤時，可以點(diǎn)擊加入該課程。

2.4 學(xué)生上課

進(jìn)入上課時間后，系統(tǒng)會隨機(jī)的進(jìn)行人臉簽到，每節(jié)課簽到次數(shù)不固定，簽到時間不固定，每次簽到時間約為30s。

學(xué)生填寫完成密令之后，會進(jìn)入相應(yīng)的課程，當(dāng)進(jìn)入上課時間后，系統(tǒng)會自動進(jìn)入隨機(jī)簽到模式，上課期間會進(jìn)行多次人臉識別簽到，當(dāng)學(xué)生簽到成功以后，系統(tǒng)會記入簽到時間、簽到課程信息等相關(guān)信息，當(dāng)學(xué)生未簽到成功時，系統(tǒng)會將本次未簽到成功的時間、課程信息等相關(guān)信息存入數(shù)據(jù)庫中，方便教師課程結(jié)束后統(tǒng)計，每次簽到時間未30s，簽到完成后簽到界面會立即消失，當(dāng)未簽到成功時，簽到界面也會立刻消失，簽到過程中為了保證簽到準(zhǔn)確性，在簽到時如果界面中出現(xiàn)了多張系統(tǒng)信息人臉，此時系統(tǒng)不會啟動簽到成功機(jī)制，當(dāng)簽到界面出現(xiàn)唯一人臉時，簽到成功機(jī)制才會啟動。

抬頭檢測功能是學(xué)生簽到功能的衍生功能，該功能是在整個課程的上課階段進(jìn)行的，抬頭檢測主要是檢測學(xué)生是否聽課，以及對整個課程是否滿意的檢測。抬頭檢測還能反映出同學(xué)們在本節(jié)課中的狀態(tài)及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題，及時對學(xué)生針對性輔導(dǎo)。

抬頭檢測主要是為了對課程滿意度的檢測，學(xué)生在課程中抬頭的次數(shù)可以十分直觀的表現(xiàn)出該課程是否受學(xué)生的喜歡，同時也可以在一定程度上表現(xiàn)出該課程教師的上課氛圍，以及該教師的授課是否被學(xué)生認(rèn)可，該檢測功能基于OpenCV算法的人臉檢測功能，在上課時間段內(nèi)系統(tǒng)會多次進(jìn)行學(xué)生抬頭的檢測，每次檢測時間較短，檢測時間隨機(jī)，本設(shè)計中的抬頭檢測主要為了反映教師的授課情況，每節(jié)課結(jié)束后均會對課程的整體抬頭率進(jìn)行統(tǒng)計，當(dāng)該課程結(jié)束時教師檢查該課程時，可以將該課程的學(xué)生抬頭率導(dǎo)出，將該抬頭率作為本課程的教學(xué)評估的部分參考。

2.5 課程情況導(dǎo)出

課程情況導(dǎo)出，主要是將本節(jié)課的學(xué)生簽到情況進(jìn)行相關(guān)的導(dǎo)出，方便教師對課程的統(tǒng)計，以及學(xué)生的到課率統(tǒng)計。

課程情況導(dǎo)出主要為了方便教師更加方便的獲取本節(jié)課的學(xué)生簽到情況，以及學(xué)生到課率情況，教師課程結(jié)束后在主頁點(diǎn)擊簽到情況導(dǎo)出，系統(tǒng)會前往數(shù)據(jù)庫中查詢本節(jié)課的課程情況，獲取本節(jié)課的學(xué)生簽到情況，從而獲取本節(jié)課的簽到情況，然后將獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Excel表格形式，最后將本節(jié)課的情況導(dǎo)出到本地主機(jī)，這樣不僅方便了教師對學(xué)生的簽到，也在一定程度上節(jié)省了傳統(tǒng)簽到方式所帶來的對課程時間的浪費(fèi)，而且這種方式可以更加直觀的表現(xiàn)出本節(jié)課的到課情況，不僅如此，本節(jié)課的課程信息也可作為輔導(dǎo)員對潛在問題學(xué)生定位，幫助輔導(dǎo)員更好的尋找潛在問題學(xué)生，幫助潛在問題學(xué)生更好的去學(xué)習(xí)，積極學(xué)習(xí)課程知識。

2.6 反饋

本設(shè)計的反饋功能主要分為兩種，一種為用戶在使用過程中如果發(fā)生異常的錯誤時，系統(tǒng)會主動將發(fā)生在錯誤時發(fā)送系統(tǒng)運(yùn)行日志到管理員郵箱，通過日志的記錄情況來判斷發(fā)生錯誤的模塊以及錯誤情況，另一種反饋功能為用戶主動提交反饋，用戶可以在主頁面選擇反饋，從而主動將各種自己在使用過程中意見以及對整個系統(tǒng)的建議發(fā)送給管理員。

3 性能測試

本次測試分別從相應(yīng)時間、系統(tǒng)資源占用等方面進(jìn)行敘述，通過進(jìn)行相關(guān)的性能測試，完成對系統(tǒng)的全面測試，防止用戶使用過程中發(fā)生錯誤。

（1）性能指標(biāo)預(yù)測是測試系統(tǒng)性能的對比參考材料，具體指標(biāo)情況如表1所示。

表1 性能指標(biāo)

（2）測試工具：Quest公司的Quest BenchMark Factory for Database。

（3）測試環(huán)境：使用PC機(jī)，安裝Windows 10系統(tǒng)，數(shù)據(jù)使用云數(shù)據(jù)庫MySQL。

（4）測試過程：

該測試工具主要測試的是數(shù)據(jù)的承載能力，本設(shè)計主要的測試內(nèi)容為數(shù)據(jù)庫的測試，因此，使用該測試工具是十分合適的選擇，該測試工具通過對數(shù)據(jù)庫工作負(fù)責(zé)、數(shù)據(jù)庫代碼可拓展性、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)、虛擬用戶和食物負(fù)載模擬等測試，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行全方位的測試，全方位的對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行測試。

（5）測試結(jié)果：本次測試結(jié)果如表2所示。

表2 性能指標(biāo)

測試結(jié)果顯示，本系統(tǒng)的性能可以完成滿足本設(shè)計的期望值，隨然后存在一些隱性問題，單各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)秀，可以滿足正常的使用。

4 總結(jié)

本論文對基于OpenCV算法的人臉識別課堂簽到系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的描述與說明。在技術(shù)上，針對系統(tǒng)開發(fā)中的關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的較少，還對系統(tǒng)的設(shè)計、實(shí)現(xiàn)等方面濟(jì)寧了詳盡的介紹，討論了系統(tǒng)測試原則及性能。

5 展望

本設(shè)計雖然基本完成了功能要求，但有些方面也需要進(jìn)一步的研究和完善。

（1）論文只考慮了用戶的基本使用情況，并未對教師用戶的功能更加深入的研究，例如在線文件發(fā)送、作業(yè)查看等。

（2）針對于信息導(dǎo)出模塊，該模塊所使用的用戶信息并不全面，本設(shè)計并未對該部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行更深入的數(shù)據(jù)挖掘。