基于OpenCV的人臉識(shí)別技術(shù)課堂簽到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳光婷 王政 謝丹艷

摘要：隨著國(guó)家對(duì)本科生教育的嚴(yán)格要求，課堂考勤方式層出不窮。調(diào)查顯示，大多學(xué)校主要通過(guò)老師點(diǎn)名進(jìn)行課堂考勤，存在費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、低效等問(wèn)題。基于OpenCV的人臉識(shí)別技術(shù)課堂簽到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是以Python為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，采用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，使用Django+Celery 作為主體框架，實(shí)現(xiàn)了攝像頭實(shí)時(shí)捕捉學(xué)生人臉信息，發(fā)送給celery 做特征提取和人臉?lè)诸?，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，可以有效地減少簽到時(shí)間、簽到成本，提高課堂效率、自動(dòng)化程度，加快識(shí)別速度，使簽到變得更加標(biāo)準(zhǔn)化科學(xué)化。

關(guān)鍵詞：人臉識(shí)別;Python語(yǔ)言;OpenCV;SQLite

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

文章編號(hào)：1009-3044（2022）25-0041-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

1 引言

人工智能理論的深入研究和優(yōu)秀的深度學(xué)習(xí)算法的相繼出現(xiàn)，我國(guó)開(kāi)始著重于對(duì)大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)的研究，這極大推動(dòng)了計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展。人臉識(shí)別是機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的主要研究對(duì)象之一，人臉識(shí)別驗(yàn)證速度快、識(shí)別準(zhǔn)確率高、用戶體驗(yàn)良好的特點(diǎn)，而且人臉識(shí)別具有唯一性、擴(kuò)展性高、不用接觸就可以完成驗(yàn)證的優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今新冠肺炎疫情的大環(huán)境下被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療、金融、教育等多個(gè)領(lǐng)域[1]。

人臉識(shí)別相對(duì)于其他的較為先進(jìn)的生物識(shí)別方式如虹膜識(shí)別、指紋識(shí)別等具有方便、準(zhǔn)確率高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。用戶使用攝像頭捕獲用戶靜態(tài)人臉的特征信息或者通過(guò)動(dòng)態(tài)視頻流來(lái)捕捉目標(biāo)用戶人臉信息，將捕獲的人臉通過(guò)特征分析得出人臉信息[2]與系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)人臉信息比對(duì)，得出對(duì)比信息后從而進(jìn)行下一步操作處理。依照當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的研究趨勢(shì)，人臉識(shí)別系統(tǒng)可能廣泛運(yùn)用于生產(chǎn)制造生活中，商業(yè)服務(wù)要求也會(huì)更高。迫切需要簡(jiǎn)單化人臉識(shí)別系統(tǒng)的生產(chǎn)流程，完成更迅速、更可靠的生產(chǎn)流程[3]。

很多高校也開(kāi)始引進(jìn)人臉識(shí)別考勤機(jī)，但是考勤機(jī)的數(shù)量需要量之大加上安裝程序復(fù)雜這直接導(dǎo)致簽到效率并未提高。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)改善了人臉識(shí)別考勤機(jī)的部分缺點(diǎn)，讓人臉識(shí)別課堂簽到變得更加標(biāo)準(zhǔn)化科學(xué)化。利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，可以提高人臉識(shí)別的考勤機(jī)的自動(dòng)化程度、識(shí)別速度，同時(shí)也減少了課堂簽到的成本。

2 軟件設(shè)計(jì)

基于OpenCV[4]的人臉識(shí)別技術(shù)課堂簽到系統(tǒng)的平臺(tái)架構(gòu)[5]圖主要分為五層，分別是用戶層、業(yè)務(wù)層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、設(shè)備層。這5層的邏輯架構(gòu)圖如圖1所示。

開(kāi)發(fā)的人臉識(shí)別簽到系統(tǒng)，可分為4個(gè)模塊?？煞譃椋喝四樞畔⒉杉K、個(gè)人中心登錄模塊、課堂出勤模塊、后臺(tái)管理模塊。各個(gè)模塊的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

人臉識(shí)別簽到系統(tǒng)的主要有3個(gè)角色，分別是：學(xué)生、教師和管理員。其中學(xué)生需要錄入學(xué)生個(gè)人的人臉信息，同時(shí)可以查看自己的簽到情況。教師可以查看本班某個(gè)時(shí)間段內(nèi)班級(jí)的出勤率，管理員要對(duì)教師和學(xué)生的注冊(cè)信息進(jìn)行審核以及添加、修改學(xué)生的簽到情況。其中管理員系統(tǒng)功能如圖3所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 人臉識(shí)別課堂簽到系統(tǒng)登錄

本系統(tǒng)的用戶，除了學(xué)生在上課之前需要簽到之外，所有用戶在使用系統(tǒng)時(shí)候需要先登錄到系統(tǒng)。本系統(tǒng)沒(méi)有設(shè)置學(xué)生登錄、教師登錄或者管理員登錄的區(qū)別界面、一方面減少代碼的開(kāi)發(fā)量，由此可以提高代碼的復(fù)用性，另一方面，在登錄界面將輸入的信息傳入數(shù)據(jù)庫(kù)[6]的時(shí)候，每一種角色id作為該角色數(shù)據(jù)庫(kù)的主鍵，可以直接將其區(qū)分。用戶必須輸入正確的用戶名以及密碼，系統(tǒng)按照用戶名的不同進(jìn)入不同的系統(tǒng)。

3.2 人臉識(shí)別課堂簽到系統(tǒng)注冊(cè)

學(xué)生在人臉識(shí)別課堂簽到系統(tǒng)中，需要學(xué)生事先注冊(cè)自己基本信息，注冊(cè)的要求根據(jù)角色的不同相對(duì)的注冊(cè)信息也不一樣，學(xué)生再注冊(cè)的時(shí)候需要添加三張人臉的圖片，分別是正臉人臉照片、左側(cè)臉照片、右側(cè)臉照片。進(jìn)入127.0.0.1：8000/register中，注冊(cè)時(shí)def register（request）函數(shù)中img = request.POST.get（"face"）.replace（）函數(shù)將攝像頭捕捉到的三張人臉圖像替換數(shù)據(jù)庫(kù)中的原始空白圖片，通過(guò)face_task中g(shù)et_face_encoding（imgs）函數(shù)，來(lái)編碼頭像的信息，傳入的是BytesI0對(duì)象或者是數(shù)組。在get_face_encoding（imgs）函數(shù)中定義獲取編碼函數(shù)，見(jiàn)圖片轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的矩陣，然后使用dlib找出人臉，將人臉圖片轉(zhuǎn)化成160*160的大小，通過(guò)expand_dims（face_pixels，aixs=0）來(lái)增加一個(gè)圖片的數(shù)量維度，最后通過(guò)face_model.predict（）人臉特征提取的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取人臉特征。注冊(cè)界面如圖4所示。

3.3 學(xué)生簽到識(shí)別

教師在瀏覽器中打開(kāi)http：//127.0.0.1：8000/進(jìn)入簽到界面，此時(shí)系統(tǒng)使用OpenCV.js來(lái)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)捕捉系統(tǒng)攝像頭的畫(huà)面。當(dāng)系統(tǒng)攝像頭能夠正常運(yùn)行時(shí)，教師點(diǎn)擊開(kāi)始簽到，系統(tǒng)就會(huì)捕捉人臉開(kāi)始簽到。簽到系統(tǒng)使用post向后端Django發(fā)送請(qǐng)求，在Django[7]接收請(qǐng)求后就可以進(jìn)行課堂，簽到定義函數(shù)base_match_faces（face_encoding，known_face_encodings，? known_face_names）是為了傳入人臉特征，將捕獲到的人臉信息，按照行向量進(jìn)行處理求出know_face_encodings-face_encoding的范數(shù)，給出人臉距離的水平方向的最小值的下標(biāo)，如果在face_distance數(shù)組中該下標(biāo)的值對(duì)應(yīng)的數(shù)值小于6，則將在know_face_names中取出該下標(biāo)所對(duì)應(yīng)的姓名，load_all_users（）函數(shù)還會(huì)輸出其他一些學(xué)生的個(gè)人信息。在數(shù)據(jù)庫(kù)中還會(huì)存儲(chǔ)學(xué)生的簽到的相關(guān)的基本信息。簽到界面如圖5所示。

3.4 學(xué)生簽到查詢

教師學(xué)生登錄個(gè)人中心，在個(gè)人中心可以查詢自己在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的簽到情況，教師可以查詢自己的課程的簽到情況，作為管理員可以通過(guò)模糊搜索，搜索整個(gè)學(xué)校的出勤率。查詢界面如圖6所示。

3.5 人臉識(shí)別課堂簽到系統(tǒng)管理功能

在本系統(tǒng)中，管理員有且只有一位，不可注冊(cè)，一方面防止管理員過(guò)多，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)沖突，另一方面保護(hù)了數(shù)據(jù)的安全性。管理員可以對(duì)教師、學(xué)生這兩種角色進(jìn)行批量刪除、指定修改以及對(duì)注冊(cè)學(xué)生和教師信息進(jìn)行審核，管理員界面如圖7、圖8所示。

4 人臉識(shí)別課堂簽到系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程

使用人臉識(shí)別課堂簽到系統(tǒng)需要事先將人臉信息錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)將學(xué)生基本信息錄入，在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建唯一學(xué)生人臉信息庫(kù)。在數(shù)據(jù)庫(kù)中每一個(gè)人臉信息唯一對(duì)應(yīng)一位學(xué)生信息。

啟動(dòng)人臉識(shí)別課堂簽到系統(tǒng)對(duì)測(cè)試人臉進(jìn)行測(cè)試，如果識(shí)別成功則顯示簽到成功，系統(tǒng)將生成簽到記錄，如果沒(méi)有反應(yīng)表示識(shí)別失敗。該檢測(cè)檢驗(yàn)人臉在有無(wú)遮擋（如圖9） 、是否露出嘴巴（如圖10） 、不同識(shí)別姿勢(shì)（如圖11） 、光線較暗（如圖12） 等情況下人臉檢測(cè)情況。

在對(duì)人臉識(shí)別中可能出現(xiàn)的學(xué)生簽到情況進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)學(xué)生在簽到過(guò)程中如果對(duì)半側(cè)臉進(jìn)行遮擋，系統(tǒng)不會(huì)檢測(cè)到人臉的存在。如果學(xué)生佩戴口罩進(jìn)行簽到，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到人臉，但是無(wú)法將捕捉的人臉信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的人臉信息比對(duì)，從而無(wú)法完成簽到。學(xué)生正臉簽到，則會(huì)顯示簽到成功，并顯示學(xué)生簽到信息。學(xué)生在光線較弱的條件下，使用側(cè)臉進(jìn)行人臉識(shí)別簽到，發(fā)現(xiàn)仍然可以簽到成功。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于OpenCV的人臉識(shí)別課堂簽到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)課題背景的研究發(fā)現(xiàn)人臉識(shí)別可運(yùn)用在課堂簽到中，近幾年來(lái)自從卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的出現(xiàn)，機(jī)器視覺(jué)在各個(gè)領(lǐng)域運(yùn)用廣泛并且發(fā)揮著舉足輕重的作用。本文介紹了利用OpenCV開(kāi)源庫(kù)將Python、SQLite等技術(shù)結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)了人臉識(shí)別課堂簽到系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成功之后還需完善，后期可以將人臉識(shí)別簽到系統(tǒng)與學(xué)校的教務(wù)系統(tǒng)相連，老師可以在教務(wù)系統(tǒng)中更為方便地查看簽到記錄，還可以將學(xué)生的簽到記錄作為平時(shí)成績(jī)的重要依據(jù)。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】