基于百度AI的人臉識別新生報到系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

◆史遠航 饒欣宇 解佳坤 李芒 佟寬章

（石家莊鐵道大學(xué) 河北 050043）

1 綜述

米智恬在《人臉識別在學(xué)生公寓管理系統(tǒng)中的應(yīng)用》一文中指出，傳統(tǒng)管理學(xué)生進出的方式轉(zhuǎn)變成基于人臉識別的門禁閘機方式，這種舉措將會大大減小管理人員的壓力，使得學(xué)生公寓安全得到更大保證。王磊欣在《基于人臉識別和活體檢測的養(yǎng)殖場考勤系統(tǒng)》中，提出了針對養(yǎng)殖場工作人員更加優(yōu)化的身份識別系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的人臉識別技術(shù)新增了活體檢測、識別陌生人和養(yǎng)殖場數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，體現(xiàn)人臉識別技術(shù)在企業(yè)日常安全管理的重要意義。王龍在《人臉識別技術(shù)在高校管理中的應(yīng)用》中表示，人臉識別技術(shù)在學(xué)生公寓、圖書館以及考試管理中的應(yīng)用，更進一步拓寬了人臉識別的應(yīng)用領(lǐng)域。

2 行業(yè)現(xiàn)狀

隨著新時代的發(fā)展，對人工智能領(lǐng)域的不斷拓展，人工智能人臉識別技術(shù)發(fā)展迅速，人臉識別技術(shù)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及生物識別技術(shù)衍生并得以發(fā)展[1]。人臉識別技術(shù)在人們的生活中已經(jīng)廣泛被接受，例如刷臉支付、刷臉乘車、疫情防控中人臉比對等等。現(xiàn)有的已經(jīng)可以達到人臉比相當大成功率的技術(shù)，是人們普遍認可的智能生物技術(shù)[2]?！叭四樧R別”在2015年掀起了一股熱浪，近兩年來我國各大高校陸續(xù)將人臉識別應(yīng)用于新生入學(xué)并獲得了顯著成果，無論為新生還是學(xué)校工作人員都提供了極大地方便[3]。早期，青海大學(xué)引入了人臉識別設(shè)備，極大地簡化了新生入學(xué)流程，降低了學(xué)校與學(xué)生的時間成本，同時可以防止冒名頂替的情況發(fā)生，廣受社會好評。隨著我國高校的擴招政策逐步施行，新生數(shù)目逐年增加，導(dǎo)致高校學(xué)生人口密度不斷增大，不便于人工進行管理。本文基于相關(guān)實踐工作參考，主要就人臉識別技術(shù)在高校中新生報到系統(tǒng)的價值及應(yīng)用途徑等問題進行了分析，希望為相關(guān)從業(yè)者提供參考，為高校的智能化管理提供強有力的保障。

3 系統(tǒng)框架分析

新生報到系統(tǒng)包括軟件系統(tǒng)及硬件系統(tǒng)兩部分，其中軟件系統(tǒng)包括百度人臉識別API、MySQL 數(shù)據(jù)庫、PyQt5 界面和新消息服務(wù)公眾號API；硬件系統(tǒng)由樹莓派4B、圖像采集模塊、MLX90614 紅外測溫模塊、語音模塊和熱敏打印機等部件組成。

軟件部分主要采用Python 語言編寫，其中用到了opencv 結(jié)合圖像采集模塊完成了人臉圖像的采集，用到requests 完成了人臉圖像的上傳，在云端提前錄入全部人臉信息，所上傳的圖像在云端人臉庫中完成1:N 檢索，由百度人臉識別API 接口返回最佳匹配人臉信息的編號和相似度分數(shù)。根據(jù)API 接口返回的編號在MySQL 數(shù)據(jù)庫中搜索到對應(yīng)新生的信息，同時在數(shù)據(jù)庫中錄入該新生的全部信息。最后將新生信息（包括姓名、班級、宿舍樓、宿舍號）、必要位置的地圖和測溫模塊得到的溫度信息顯示到界面上，整個顯示采用Python 編寫的Qt界面，與此同時把該新生報到情況通過新消息服務(wù)公眾號API接口發(fā)送給指定的輔導(dǎo)員。

在硬件部分中，樹莓派4B 作為主控，與所有硬件相連，并同時承載了所有軟件部分代碼的運行，樹莓派4B 的出色性能使得整個報到過程得以流暢進行。圖像采集模塊為一無驅(qū)動的高清攝像頭，負責(zé)捕捉人臉圖像，并將捕捉到的人臉圖像返回給主控。MLX90614 紅外測溫模塊可實現(xiàn)實時無接觸測溫，同時將溫度信息返回給主控。語音模塊可提示新生如何進行操作，輔助新生完成人臉識別，將實用性與文娛性充分結(jié)合在一起。熱敏打印機可兼容樹莓派上的Linux 系統(tǒng)，可將新生信息打印出來，方便新生查看。

4 系統(tǒng)模塊設(shè)計

4.1 百度人臉識別API 接口

百度人臉識別API 是為企業(yè)和個人提供人臉識別服務(wù)的一個接口，該接口可實現(xiàn)給定一張照片，對比人臉庫中N 張人臉，進行1:N檢索，找出最相似的一張或多張人臉，并返回相似度分數(shù)。同時支持百萬級人臉庫管理，毫秒級識別響應(yīng)，可滿足新生身份核驗的應(yīng)用場景[4]。

由于新生人臉可達上千張，于是我們前期采用Python 代碼完成自動導(dǎo)入人臉信息，代替手動導(dǎo)入。在此基礎(chǔ)上，人臉識別API 還具有人性化的Python SDK，可在樹莓派上方便調(diào)用。將攝像頭采集到的人臉信息上傳至百度云端后，云端便開始對指定人臉庫進行檢索，當匹配到人臉后，即可返回該人臉信息對應(yīng)的編號，系統(tǒng)根據(jù)這個編號即可在數(shù)據(jù)庫中獲取該新生的全部信息。若匹配不到信息，則會發(fā)出警報，工作人員可根據(jù)具體情況進行處理。

整個識別過程（從上傳人臉圖像開始到API 接口返回數(shù)據(jù)為止）平均花費1.5s 左右，確保能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能。與此同時，經(jīng)過大量測試，百度人臉識別的準確度在99%以上，能夠十分準確的完成新生報到的工作?？捎行У乇苊狻凹賵蟮健爆F(xiàn)象的發(fā)生，使新生報到整個過程更加智能化、便捷化。

4.2 紅外測溫模塊

本系統(tǒng)的紅外測溫模塊采用的是 MLX90614 系列中的GY-906-BCC。Melexis 公司生產(chǎn)的MLX90614 系列測溫模塊是應(yīng)用非常方便的紅外測溫裝置，其所有的模塊都在出廠前進行了校驗，并且可以直接輸出線性或準線性信號，具有很好的互換性，免去了復(fù)雜的校正過程[5]。此款測溫模塊使用芯片MLX9061ESF-BCC，供電電源3-5v 內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓，接入了樹莓派的5V 輸出接口，通信協(xié)議采用的是標準IIC 通信協(xié)議[6]。

超聲傳感器測距的原理是依據(jù)超聲波在空氣中傳播的速度，通過計算源聲波發(fā)送時刻和回波信號接收時刻的時間間隔來獲取障礙物的距離信息[7]。因為GY-906-BCC 的精確測溫距離為10cm 所以我們引入了HC-SR04 超聲波測距模塊在測溫前對測溫進行距離判斷。本系統(tǒng)采用的是HC-SR04 的2020 版本，可以通過電阻設(shè)置成UART或IIC 模式。HC-SR04 提供了2cm-400cm 的非接觸式距離[8]。升級解調(diào)芯片RCWL-9206，帶UART 與IIC 功能MCU，工作電壓3-5.5V。

考慮到人體測溫的可操作性和系統(tǒng)模塊的組合性，我們的體溫測量距離設(shè)定為30mm 測量人體手心的溫度，如果超過此距離系統(tǒng)會語音提示用戶靠近測溫點。為了保障測量結(jié)果的準確性，我們設(shè)計為3 次測溫都滿足小于30mm 的條件才可進行測溫。因為測量人體手心溫度，手心溫度與正常體溫相比是偏低的，所以我們在設(shè)計測溫的判斷條件時，最小值設(shè)置為了33°而為了縮短測量時間我們的閾值設(shè)置為4，如果4 次測量都不滿足條件則判定為測溫失敗。最后調(diào)用已寫好的語音提示模塊進行結(jié)果的播報，并在屏幕打印測溫結(jié)果。

4.3 熱敏打印機模塊

本系統(tǒng)采用的打印機是GY-EH402 嵌入式熱敏打印機。這款打印機外觀尺寸是82*58*44 mm 比較小巧有利于精簡我們的系統(tǒng)。默認采用5~9V 寬電壓供電方式，由于熱敏打印機的打印特性是電壓越高打印效果越清晰，因而我們把打印機外接出來并通過自帶的外接電源供電，而不采用樹莓派直接供電。這款打印機的適用寬度為58MM的熱敏紙卷，打印壽命50 公里，因而可以支持長時間的打印而不用頻繁換紙。它支持arduino、樹莓派以及Windows 串口與驅(qū)動打印。在本系統(tǒng)中，我們用到了Python-usb（提供訪問主機的通用串行總線系統(tǒng)的方式），Python-escpos（集成了ESC/POS 指令的第三方庫，可以用于操作ESC/POS 打印機），qrcode（用于生成二維碼）這三個庫，通過編寫相應(yīng)的Python 命令驅(qū)動打印機，而樹莓派與打印機的通信串口用的是USB 串口。

4.4 信息反饋模塊

本系統(tǒng)的信息反饋模塊有三個部分。

圖1 紅外測溫模塊系統(tǒng)設(shè)計

圖2 熱敏打印機模塊設(shè)計

第一部分為與用戶交互的信息反饋模塊。人臉識別過程中置信度過低造成的匹配失敗是正常的，而我們希望盡量減少的是由用戶錯誤操作造成的匹配失敗的情況，因而本系統(tǒng)為用戶設(shè)定了一個信息反饋的部分。它可以根據(jù)收集到的信息自動判斷是那部分造成了識別錯誤的產(chǎn)生，并且可以將出現(xiàn)的常見錯誤操作通過語音提示的方式反饋給用戶。

第二部分為與運維人員交互的信息反饋模塊。在整體系統(tǒng)的運行中，不可避免地會產(chǎn)生系統(tǒng)BUG 而造成系統(tǒng)崩潰，為了避免系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象，我們將運行中產(chǎn)生的錯誤都收集了起來，一旦系統(tǒng)丟出一個不可解決的錯誤，由此模塊捕獲并記錄到本地文件中，而此時的系統(tǒng)可以跳過當前錯誤繼續(xù)運行下方的程序，給用戶帶來良好的使用體驗。當?shù)诙伍_機的時候，系統(tǒng)會自動檢測上次運行中是否產(chǎn)生了錯誤日志，并將錯誤日志以郵件的方式發(fā)送給運維人員。

第三部分為與管理人員交互的信息反饋模塊。在每日的新生報到工作中，管理人員需要對一天的報到信息進行收集整理，因而我們?yōu)槠湓O(shè)計了一個信息反饋模塊，可以自動收集新生數(shù)據(jù)庫中所有的數(shù)據(jù)，并進行一些初步的整理，然后以郵件的方式發(fā)送給管理人員。

5 系統(tǒng)在高校中的應(yīng)用

當前高等教育普及化趨勢之下[9]，新生數(shù)目逐年增加，新生報到成為高校最為重視也是最耗費人力和精力的一環(huán)。報到人數(shù)多，流程繁雜，且新生找錯位置、迷路、忘記宿舍等現(xiàn)象時有發(fā)生。且近年來，雖然冒名頂替入學(xué)的現(xiàn)象已經(jīng)相對得到控制，但該現(xiàn)象還是時有發(fā)生。在當前疫情的大背景之下，更是需要減少人員接觸與交互，所以利用智能化手段簡化新生報到流程是高校的不二之選。

作為信息化校園建設(shè)中的重要一環(huán)，基于人臉識別的新生報到系統(tǒng)致力于打造一個快速、便捷、高效的新生報到流程。首先，我們建立安全、大容量的人臉信息庫，作為人臉特征的管理和處理中心，利用人臉識別核心技術(shù)對面部特征信息進行采集與比對，不僅能夠為算法提供對應(yīng)的識別基準，同時可利用接口對數(shù)據(jù)進行讀寫，完成基本人員的信息對應(yīng)關(guān)系。其次多模塊的設(shè)計也是本系統(tǒng)突出特色之一。依據(jù)疫情的背景，系統(tǒng)利用紅外測溫模塊，無接觸式測溫對新生的安全形成一道屏障。為方便新生找尋對應(yīng)宿舍以及掌握相關(guān)報到信息，系統(tǒng)利用熱敏打印機，在新生完成了人臉識別核驗后，會為新生打印出在數(shù)據(jù)庫已經(jīng)提前錄入的宿舍樓、宿舍號、班級等信息，也會標明具體報到流程、路線等。為了完善系統(tǒng)功能，豐富數(shù)字化校園建設(shè)，系統(tǒng)利用信息反饋模塊完成用戶交互信息反饋、運維人員信息反饋、管理人員信息反饋三部分使得新生報到的流程得到了很大的簡化，為管理者提供極大便利，確保在為期幾天的報到時間內(nèi)，節(jié)省人力的同時高效率、少接觸、低擁堵地完成整個流程。

6 結(jié)語

本文使用的在新生報到系統(tǒng)中的人臉識別系統(tǒng)，可以有效避免頂替入學(xué)的社會問題，促進教育的公平。不僅如此，在未來將會出現(xiàn)在高校更多領(lǐng)域，合理有效的獲取信息，及時反饋信息。既不會出現(xiàn)對個人信息的過度采集，又不會由于全人工處理時對人臉比對的不完全，導(dǎo)致檢錄漏洞的出現(xiàn)。人臉識別技術(shù)的廣闊的市場前景是毋庸置疑的，后續(xù)將對搭建平臺展示項目衍生產(chǎn)品功能，助力大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的進一步體現(xiàn)。通過對現(xiàn)有技術(shù)的進一步完善，擴大現(xiàn)有管理能力，更大程度地服務(wù)全國高校，更快速推動教育信息化建設(shè)。

對于突如其來的新冠疫情，全球范圍內(nèi)通過口罩進行基本的防疫手段，但是此時無論是在火車站還是醫(yī)院等公共場所，還是需要暫時摘掉口罩進行人臉識別，當前人臉識別技術(shù)也已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)無須摘掉口罩即可進行人員識別?？萍几淖兒罄m(xù)人臉識別技術(shù)將會更走近人們的生活，助力智慧城市建設(shè)。