基于人臉識別的宿舍查寢系統(tǒng)的設(shè)計

謝青松，吳佳偉，喬雨

（南京工業(yè)大學(xué) 浦江學(xué)院，江蘇南京，211200）

0 引言

大學(xué)宿舍是大學(xué)生在校期間學(xué)習(xí)、生活的主要場所，也是學(xué)校對學(xué)生進行有效管理，提供學(xué)生服務(wù)的重要場所。就現(xiàn)階段而言，大學(xué)校園需要管理的學(xué)生人數(shù)眾多，存在部分學(xué)生不遵守學(xué)校的規(guī)章制度，出現(xiàn)晚歸、不歸等現(xiàn)象，甚至有人直接代為考勤[1]。此外，宿舍財務(wù)丟失的事情也時有發(fā)生，學(xué)校在宿舍管理方面面臨著巨大壓力。

傳統(tǒng)的宿舍考勤模式常見的有：（1）采用“紙+筆”的形式，雖然成本較低，但是在考勤的過程中存在效率低、有人代為考勤不易察覺、考勤信息不易統(tǒng)計和查看等問題；（2）采用“校園IC 卡”模式，但也存在著IC 卡易丟失、易被別人復(fù)制、代為考勤等問題，給學(xué)校的管理和學(xué)生的人身安全帶來了很大的問題。（3）采用“掃碼二維碼”進行考勤，這種模式雖然可以有效避免校園卡遺失、出借等情況，但也不能完全肯定是本人操作，并且在考勤人員過多的情況下，容易造成系統(tǒng)卡頓、擁擠、等待時間過長等現(xiàn)象[2]。

隨著人臉識別技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用場景的普及，以及高校信息化建設(shè)的不斷推進，本文提出基于人臉識別技術(shù)進行宿舍查寢，以期解決考勤過程中的不規(guī)范問題，提高工作效率，給學(xué)校師生和工作人員帶來便利。

1 人臉識別技術(shù)

人臉識別是指一種基于人臉的面部特征信息進行身份驗證的計算機技術(shù)。具體過程可描述為：首先判斷是否存在人臉，若存在，則進一步獲取人臉的位置、大小和主要的面部特征信息，并將其與數(shù)據(jù)庫中的人臉數(shù)據(jù)進行對比，從而識別每個人臉的身份。人臉識別包括人臉采集、人臉檢測、圖像預(yù)處理、特征信息提取、人臉識別幾個主要過程，如圖1 所示。

圖1 人臉識別系統(tǒng)基本原理

從圖1 中可以看出，人臉檢測是人臉識別過程中非常重要的輸入源，人臉特征值和人臉識別的算法均是人臉識別系統(tǒng)中不可或缺的主要技術(shù)。目前，以Rowley 為核心的主流人臉識別技術(shù)是處理分析眾多人臉與非人臉樣本的重要方法，經(jīng)過訓(xùn)練樣本能夠獲得預(yù)估值，同時當作人臉參照，這樣可以對人臉識別的結(jié)果進行鑒別。

將人臉識別技術(shù)應(yīng)用到日常查寢考勤功能中，能夠有效提高相關(guān)事務(wù)的工作效率。查寢系統(tǒng)通過自動記錄學(xué)生進出宿舍的信息，并根據(jù)需要生成對應(yīng)的考勤信息，進行匯總展示。方便宿舍管理人員在電腦是查看每天晚歸/未歸學(xué)生的信息，了解學(xué)生進出宿舍的狀態(tài)，提高考勤效率。

另一方面，人臉識別通過攝像頭采集人臉進行身份鑒定，能精確識別學(xué)生身份，與傳統(tǒng)的宿管人員在每個寢室去人工查寢相比，運用人臉識別技術(shù)進行查寢能有效避免宿管人員不認識每個學(xué)生而出現(xiàn)代為考勤的情況；與刷卡考勤相比，能保障一人只能考勤一次，還能有效避免因IC 卡丟失而出現(xiàn)無法考勤的情況。

■1.1 人臉面部檢測

利用攝像頭完成人臉面部圖像的采集，其基本過程如下所述：

（1）通過近紅外激光器，將具有一定結(jié)構(gòu)特征的光線投射到被拍攝物體上，再由專門的紅外攝像頭進行采集。這種具備一定結(jié)構(gòu)的光線，會因被拍攝物體的位置和深度等不同，而返回不同的圖像相位信息，進而獲取人臉的三維結(jié)構(gòu)。

（2）當通過攝像頭搜集到人臉信息之后，使用Harr+AdaBosst 檢測算法來劃分人臉成像的邊界，并將其他干擾性的背景元素進行消除。

（3）當檢測到可能有多個人像同時進入采集區(qū)域，將開辟一個空間存儲不同人臉圖像，然后將這些人臉圖像中的特點如結(jié)構(gòu)信息、顏色信息等提煉出來，規(guī)范化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，便于后期的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用。這種檢測方法在應(yīng)對光線、角度和膚色等方面具有比較強的抗變換性，因此能保持較高的檢測準確性。

■1.2 圖像特征處理

為了更好地提取面部圖像的關(guān)鍵特征，需要將原圖像中除了臉部輪廓以外的部分進行消除，比如所處的背景等。處理前后的人臉圖像如圖2 所示。

圖2 圖像初步處理前后對比

本系統(tǒng)利用主動形狀模型對人臉面部圖像中的關(guān)鍵的部位進行特征點的定位，獲取面部關(guān)鍵位置的圖像信息并進行記錄。通過計算關(guān)鍵位置點之間的距離比例構(gòu)建面部模型，將形成的面部模型與相關(guān)學(xué)生信息（如學(xué)號、姓名等）一并存放到數(shù)據(jù)庫中。供后期的人臉識別子系統(tǒng)做信息比對使用。

■1.3 信息比對

這部分是在提前對寢室里的學(xué)生做完人臉信息采集的基礎(chǔ)上，將查寢系統(tǒng)投入實用之后進行的工作。在需要進行的查寢的時間段內(nèi)，保持攝像頭正常運行，學(xué)生走入攝像頭范圍內(nèi)自動進行人臉圖像的抓取，對抓取到的面部圖像提取關(guān)鍵位置的信息，并與數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的人臉模型數(shù)據(jù)進行匹配。若比對成功，宿舍門禁閘機將打開五秒鐘的時間，以便學(xué)生通過；如若比對失敗，則門禁無響應(yīng)，并在識別面板顯示“識別失敗”，需要學(xué)生重新進行識別或在數(shù)據(jù)庫中添加人臉圖像。并將出入寢室的記錄保存到數(shù)據(jù)庫中，方便宿舍管理人員進一步統(tǒng)計學(xué)生在寢情況。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

■2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于人臉識別技術(shù)設(shè)計的宿舍查寢系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。

圖3 查寢系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

宿舍查寢系統(tǒng)的首要工作通過攝像頭錄入學(xué)生的人臉圖像，然后提取人臉的特征信息并保存在后臺數(shù)據(jù)庫中，以便后期的處理與應(yīng)用。人臉識別系統(tǒng)開始運行，當攝像頭捕捉到人臉時，對人臉圖像進行處理并提取特征信息，然后將捕捉到的信息與數(shù)據(jù)庫中的特征信息進行比對，若比對成功，則顯示“識別成功”門禁打開；否則顯示“識別失敗”門禁無響應(yīng)。

■2.2 功能模塊介紹

表1 功能模塊設(shè)計表

3 系統(tǒng)功能描述

■3.1 信息初始化

當學(xué)生入學(xué)時，對學(xué)生人臉信息進行錄入操作，實現(xiàn)對學(xué)生人臉信息的采集，并將其保存至數(shù)據(jù)庫中，完成學(xué)生信息的初始化。

■3.2 人臉識別

完成一次人臉識別的流程如圖4 所示。

圖4 人臉識別流程圖

（1）宿舍門口門禁上的攝像頭每一秒掃描一次，若捕獲到人臉圖像，則對其進行預(yù)處理，并提取相關(guān)特征信息上傳至服務(wù)器。

（2）服務(wù)器接收到攝像頭發(fā)送的數(shù)據(jù)，并判斷是否存在人臉。若存在人臉，則提取該人臉的特征信息，并與數(shù)據(jù)庫中的人臉特征進行比較，對比結(jié)果返回一個JSON 數(shù)據(jù)集。

（3）對返回的JSON 數(shù)據(jù)進行解析，如果大于閾值（假設(shè)閾值為85%），則系統(tǒng)發(fā)出開啟門禁的指令，同時寫入一條記錄表示學(xué)生離開或進入寢室；如果小于閾值，在在顯示器上顯示“識別失敗”。

■3.3 門禁控制

門禁控制流程圖如圖5 所示，主要實現(xiàn)對門禁的喚醒與關(guān)閉功能。當接受到系統(tǒng)喚醒或休眠指令時，門禁執(zhí)行相應(yīng)的操作。例如，當攝像頭捕捉到人臉時會喚醒門禁功能，經(jīng)過將檢測到的人臉信息與數(shù)據(jù)庫中記錄的人臉信息比對后，若比對成功則門禁自動打開；否則，門禁系統(tǒng)發(fā)出“人臉匹配失敗”的提示；在人員安全通過或者10 秒內(nèi)無人通過時，門禁將進入待機狀態(tài)，直至攝像頭捕捉到下一個人臉信息。

圖5 門禁控制流程圖

■3.4 考勤統(tǒng)計

每天固定時間進行考勤數(shù)據(jù)的匯總與統(tǒng)計，通過查詢記錄，判斷學(xué)生是否在寢室，若在寢室，則以最后一次進入寢室的時間作為考勤時間。將未考勤的學(xué)生信息單獨列表、保存，方便后期查詢使用。若有學(xué)生請假，班主任或輔導(dǎo)員可以提前或延后更新該學(xué)生的考勤情況（“未考勤”更新為“請假”）。

4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

基于人臉識別技術(shù)的宿舍查寢系統(tǒng)采用MySQL 作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，MySQL 是一種開放源代碼的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其作為目前最流行的數(shù)據(jù)庫之一，具有體積小、速度快、開源等特點，在開發(fā)方面得到了廣泛的應(yīng)用。

本文只展示了數(shù)據(jù)庫中的四張表，分別為student(學(xué)生信息表)、take(出入記錄表)、attendance(考勤信息表)、administrator(管理員信息表)，分別如表2~表5 所示。

表2 student（學(xué)生信息表）

表3 take（出入記錄表）

表4 attendance（考勤信息表）

表5 administrator（管理員信息表）

student 表主要用于保存學(xué)生的個人基本信息，包括學(xué)號、姓名等這樣的個人信息，同時將采集的人臉特征信息采集后也作為個人基本信息存放于該表中，用于后期的人臉信息比對。

表3作為出入記錄表，主要用于記錄學(xué)生通過門禁系統(tǒng)的時間以及“出”或“進”的狀態(tài)，此表中Stuid 字段與student 表中的Stuid 字段為主外鍵關(guān)聯(lián)。

表attendance 考勤信息是指在特定的時間點，由查寢人員選擇“考勤”功能時，系統(tǒng)自動從take 表中拉取當前學(xué)生在寢室的情況，生成的考勤記錄，包括外鍵Stuid、姓名、日期、當前時間等字段。

管理員信息表則用于存儲管理員的基本信息，通過系統(tǒng)提供的管理員功能模塊能夠?qū)芾韱T信息進行增加、刪除、修改以及查詢等操作。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文設(shè)計了一種基于人臉識別技術(shù)的宿舍查寢管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有圖像處理服務(wù)器和系統(tǒng)管理服務(wù)器，將攝像頭捕獲的圖像上傳至圖像處理服務(wù)器，服務(wù)器驗證結(jié)束后，將信息發(fā)送給系統(tǒng)管理服務(wù)器，系統(tǒng)管理服務(wù)器根據(jù)傳來的信息判斷開啟或關(guān)閉門禁。

該系統(tǒng)通過人臉識別技術(shù)實現(xiàn)了宿舍查寢功能的設(shè)計與實現(xiàn)，有效解決了宿舍查寢慢、身份識別難的問題，還減輕了宿管人員的壓力，加強了對學(xué)生的安全管理。但該系統(tǒng)還存在對網(wǎng)絡(luò)依賴度高、人臉識別算法不夠完善等缺陷，如果出現(xiàn)斷網(wǎng)的情況，可能無法進行考勤，未來將繼續(xù)改善優(yōu)化。