基于 LBP 算法的人臉識(shí)別校園簽到系統(tǒng)

摘要中小學(xué)生的安全防護(hù)意識(shí)和安全防護(hù)能力不夠強(qiáng)遇到安全問(wèn)題措手不及。為建和諧平安校園文章在傳統(tǒng)人臉識(shí)別算法的基礎(chǔ)上提出分塊算法的思想對(duì)人臉識(shí)別算法進(jìn)行了應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)將局部的特征值進(jìn)行全面提取和分析提高了局部分析的準(zhǔn)確度增強(qiáng)了識(shí)別效果。采用人臉識(shí)別簽到系統(tǒng)對(duì)進(jìn)出校園的人員進(jìn)行身份識(shí)別可以有效阻止外來(lái)人員進(jìn)入校園確保師生的人身安全。

關(guān)鍵詞：人臉識(shí)別;LBP算法;簽到系統(tǒng);校園安全

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

Face recognition campus check-in system based on LBP algorithm

DANG Wenyu

（Henan University of Technology，Jiaozuo，Henan 454000，China）

Abstract：Primary and middle school students belong to a vulnerable group，and their safetyprotection awareness and safety protection ability are not strong enough，and they are caught offguard when they encounter safety problems. In order to build a harmonious and safe campus，thispaper proposes the idea of block LBP algorithm on the basis of traditional face recognition algorithm，carries out the application optimization design of face recognition algorithm，and comprehensivelyextracts and analyzes local eigenvalues，which improves the efficiency of face recognition. Theaccuracy of local analysis can greatly enhance the recognition effect.The face recognition sign-insystem is used to identify the people entering and leaving the campus，which can effectively preventoutsiders from entering the campus and ensure the personal safety of teachers and students.

Key words： face recognition，LBP algorithm，sign-in system，campus security

近年來(lái)，校園安全事件頻發(fā)，傳統(tǒng)保安管理模式存在諸多缺陷，如不能有效識(shí)別每一位學(xué)生或教師、應(yīng)對(duì)突發(fā)事件反應(yīng)速度慢、沒(méi)有預(yù)先預(yù)警能力等。然而，中小學(xué)生屬于典型的弱勢(shì)群體，當(dāng)他們遇到突發(fā)狀況時(shí)，安全防護(hù)意識(shí)不強(qiáng)，自我保護(hù)能力不夠，遇到危險(xiǎn)更是會(huì)措手不及，因此中小學(xué)生安全問(wèn)題是教育部門急需考慮的問(wèn)題。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起帶動(dòng)各行各業(yè)的快速發(fā)展，而“物聯(lián)網(wǎng)+安全”的模式在很多行業(yè)得到了應(yīng)用。對(duì)于校園安全防范而言，可以采用人臉識(shí)別技術(shù)，即校園簽到系統(tǒng)，來(lái)對(duì)進(jìn)出中小學(xué)的人員進(jìn)行身份識(shí)別，以快速發(fā)出預(yù)警、有效識(shí)別并阻止外來(lái)人員進(jìn)入校園，確保師生的人身安全。經(jīng)過(guò)有關(guān)部門的一系列舉措的執(zhí)行，初步實(shí)現(xiàn)了校園的信息化建設(shè)，這為基于人臉識(shí)別的簽到系統(tǒng)的部署提供了良好的環(huán)境[1] 。

1? 簽到系統(tǒng)

常見(jiàn)的簽到系統(tǒng)主要是基于 C/S 模式開(kāi)發(fā)的，其在進(jìn)行安裝時(shí)，對(duì)客戶端的環(huán)境要求比較高，并且不利于更新和優(yōu)化處理，如果需要更新，則需要在每一個(gè)客戶端卸載并重新安裝。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于 B/S 模式的人臉識(shí)別的中小學(xué)簽到系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其解決了 C/S 模式存在的大部分問(wèn)題，使用方便，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問(wèn)，而不需要安裝應(yīng)用程序，對(duì)客戶端的要求比較低[2]。

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)社會(huì)安全提出了更高的要求，為提高人們的安全防護(hù)意識(shí)進(jìn)行了相關(guān)宣傳和教育，人們對(duì)安全防護(hù)有了新的認(rèn)識(shí)。國(guó)家推出了一系列的政策和舉措，并特別指出，一些聯(lián)合部門必須在第一時(shí)間配合中小學(xué)安全防護(hù)的工作需要。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，一些基于 B/S 模式的人臉識(shí)別的中小學(xué)簽到系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。但是，這些系統(tǒng)大部分都是基于兩層架構(gòu)設(shè)計(jì)的。隨著科技的不斷發(fā)展，教育部門需要不斷更新監(jiān)控設(shè)備和人臉識(shí)別設(shè)備。目前，基于人臉識(shí)別的中小學(xué)簽到系統(tǒng)在技術(shù)選型上較多，如開(kāi)發(fā)語(yǔ)言上可以選擇 Python 語(yǔ)言、Java 語(yǔ)言、C#語(yǔ)言、C++語(yǔ)言、C 語(yǔ)言等;體系架構(gòu)上可以選擇 SSH 架構(gòu)、SSM 架構(gòu)、 ASP.NET 架構(gòu)、MVC 設(shè)計(jì)模式等[3]。

2? 相關(guān)技術(shù)概述

SSH 是 Struts， Spring 和 Hibernate 的組合，整體架構(gòu)包括三個(gè)層次，滿足了前端表示層、業(yè)務(wù)邏輯層以及數(shù)據(jù)訪問(wèn)層的開(kāi)發(fā)需求?？梢越柚龑蛹軜?gòu)搭建非常靈活的軟件建構(gòu)體系，在前端可以借助其他表現(xiàn)技術(shù)打造用戶體驗(yàn)更好的交互界面。在數(shù)據(jù)層則可以通過(guò)封裝數(shù)據(jù)庫(kù)操作，實(shí)現(xiàn)通用模塊的開(kāi)發(fā)和使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的持久化。這樣的架構(gòu)使得開(kāi)發(fā)人員可以更加專注于業(yè)務(wù)邏輯層的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)更加符合應(yīng)用需求的業(yè)務(wù)邏輯。SSH 框架架構(gòu)清晰，開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)耦合性降低，是應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的首選。

借助JSP 頁(yè)面豐富的標(biāo)簽，可以實(shí)現(xiàn)和用戶交互性更好的效果，再配合 Struts 框架達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)的完美呈現(xiàn)。在具體應(yīng)用中，可以借助 MVC Web 應(yīng)用開(kāi)發(fā)思想，在 VIEW 視圖中實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶終端客戶的響應(yīng)，把用戶的請(qǐng)求通過(guò) HTTP 協(xié)議發(fā)送到Contorller Servlet 中，然后經(jīng)過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的業(yè)務(wù)邏輯處理，實(shí)現(xiàn)到 Model 層的數(shù)據(jù)狀態(tài)傳遞，最終把系統(tǒng)數(shù)據(jù)提取出來(lái)，并把結(jié)果返回到前端用戶界面（圖1）。

Spring 架構(gòu)層專注于業(yè)務(wù)邏輯層的實(shí)現(xiàn)，圖2 對(duì)其中的核心架構(gòu)進(jìn)行了描述。Hibernate 開(kāi)源框架則可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久化處理。該框架的主要結(jié)構(gòu)如圖 3所示，通過(guò)該框架實(shí)現(xiàn)了用戶界面和數(shù)據(jù)庫(kù)之間的關(guān)聯(lián)，也實(shí)現(xiàn)了程序開(kāi)發(fā)通過(guò)面向?qū)ο髮?duì)數(shù)據(jù)的處理。

在具體實(shí)現(xiàn)上則是通過(guò)反射機(jī)制核心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久化，即便系統(tǒng)出現(xiàn)掉電的情況，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。

3? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于人臉識(shí)別的校園簽到系統(tǒng)不僅涉及硬件系統(tǒng)的部署，還需要確保軟件系統(tǒng)功能的開(kāi)發(fā)和接口的對(duì)接。在整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，本文主要研究的是系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括系統(tǒng)軟件功能部分的需求調(diào)研和分析、系統(tǒng)體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)和編碼工作。在對(duì)基于人臉識(shí)別的校園簽到系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí)，采用的是快速原型模型的開(kāi)發(fā)思想。

通過(guò)系統(tǒng)實(shí)際的應(yīng)用調(diào)研和技術(shù)分析針對(duì)學(xué)校安全管理員、教師、學(xué)生、家長(zhǎng)以及系統(tǒng)管理員的應(yīng)用需要，匯總分析簽到系統(tǒng)需解決的問(wèn)題，確定系統(tǒng)相應(yīng)的功能需求，具體包括基本信息管理、設(shè)備管理、簽到管理、系統(tǒng)管理等，并從安全性、擴(kuò)展性、穩(wěn)定性以及并發(fā)性等方面對(duì)系統(tǒng)的性能需求進(jìn)行分析。

至于校園簽到信息化建設(shè)，首先需要管理校園生活中的各種基礎(chǔ)信息，并建立對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)管理模塊。如圖4 所示，分別對(duì)不同的安防責(zé)任人進(jìn)行功能管理，包含班級(jí)管理、學(xué)生信息管理、家長(zhǎng)信息管理、教師信息管理、職工管理、請(qǐng)銷假管理等。

若要準(zhǔn)確地進(jìn)行簽到信息的采集，需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如簽到時(shí)間段、簽到的方式等，在簽到系統(tǒng)中需要提供簽到參數(shù)設(shè)置功能。設(shè)置完成之后，師生就能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)通過(guò)簽到設(shè)備進(jìn)行人臉圖像的采集，從而完成簽到[4]。

簽到系統(tǒng)是面向?qū)W校應(yīng)用設(shè)計(jì)的，為了提高系統(tǒng)的兼容性，通過(guò)采用分層架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)分為基礎(chǔ)資源層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和表現(xiàn)層。至于對(duì)系統(tǒng)模塊的劃分設(shè)計(jì)，采用接口思想實(shí)現(xiàn)模塊間的交互設(shè)計(jì)，并利用分塊 LBP 算法對(duì)人臉進(jìn)行識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)安全事件的處理和完成安全系數(shù)比較高的人臉快速識(shí)別。

基于簽到系統(tǒng)的邏輯模型，運(yùn)用 Python 語(yǔ)言對(duì)核心功能以及相應(yīng)操作界面進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，并對(duì)簽到系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足用戶的實(shí)際需求。

4? 基于 LBP 算法的人臉識(shí)別

為了保護(hù)學(xué)生的人身安全，將人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到校園簽到系統(tǒng)中，嚴(yán)格控制進(jìn)出校園內(nèi)的人員。通過(guò)對(duì)師生的人臉圖像進(jìn)行采集，并上傳到系統(tǒng)中，簽到系統(tǒng)就可以對(duì)進(jìn)出校園的人員進(jìn)行人臉識(shí)別，如果識(shí)別成功，則放行;如果識(shí)別不成功，則通知安保人員進(jìn)行處理[5]。

人臉的外形是不穩(wěn)定的，面部表情受情緒影響比較大，神態(tài)隨時(shí)發(fā)生變化，在形體結(jié)構(gòu)方面來(lái)講差異性也比較大。在傳統(tǒng)人臉識(shí)別方式的基礎(chǔ)上，需對(duì) LBP 算子進(jìn)行更深層次的研究。故本文提出分塊 LBP 算法的思想，避免部分特征信息的丟失，以提高識(shí)別準(zhǔn)確率。

將整個(gè)面部分為不同的矩形區(qū)域;對(duì)分區(qū)后的部分進(jìn)行特征提取和分析;經(jīng)過(guò)分析可以得到每個(gè)區(qū)域的質(zhì)量分布圖;將每個(gè)區(qū)域按照規(guī)律進(jìn)行排列后整合，得到最終的整體質(zhì)量分布圖。之后，就可以得出整個(gè)面部的特征向量，采用圖5 的方式對(duì)其進(jìn)行子分塊的劃分，這就是分塊 LBP 算法的基本思想。通過(guò)該思想，可以將局部特征值進(jìn)行全面提取和分析，提高了局部分析的準(zhǔn)確度，能夠大大增強(qiáng)識(shí)別效果[6]。

在研發(fā)的過(guò)程中，針對(duì) LBP 算子提取人臉圖像的表情特征信息時(shí)忽略了各相鄰鄰域點(diǎn)之間的關(guān)系。而改進(jìn)的 LBP 算法按照鄰域點(diǎn)與中心像素點(diǎn)距離大小進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算，然后通過(guò)增加比較各相鄰鄰域點(diǎn)之間的大小關(guān)系，得到全新的 LBP 算子值，并最終得到人臉特征直方圖。改進(jìn)之后的 LBP 算法描述的表情紋理圖像會(huì)更均勻，能更好地描述人臉圖像[7]。通過(guò)人臉識(shí)別技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)簽到系統(tǒng)與相關(guān)系統(tǒng)的接口對(duì)接，接收到危險(xiǎn)人員的圖像信息之后，就可以采用人臉識(shí)別技術(shù)對(duì)進(jìn)出校園的人員進(jìn)行識(shí)別，可以快速鎖定危險(xiǎn)人員，進(jìn)而保障校園師生的人身安全。

5? 總結(jié)

校園簽到系統(tǒng)是當(dāng)前各行業(yè)研究的重點(diǎn)，深入挖掘以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為核心的數(shù)據(jù)價(jià)值已經(jīng)在智慧校園建設(shè)過(guò)程中引起了人們的重視。本文在分析傳統(tǒng)人臉識(shí)別算法的基礎(chǔ)上，提出分塊 LBP 算法思想，對(duì)人臉識(shí)別算法進(jìn)行了應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)，將局部特征值進(jìn)行全面提取和分析，提高了局部分析的準(zhǔn)確度，能夠大大增強(qiáng)識(shí)別效果，提高了人臉識(shí)別的準(zhǔn)確度。當(dāng)校園內(nèi)出現(xiàn)異常事件時(shí)，安保部門可以在第一時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，確保在校師生的人身安全，建設(shè)平安和諧校園。

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作者簡(jiǎn)介：

黨文玉（1997—） ，碩士，研究方向：圖像處理技術(shù)。