基于人臉識(shí)別的集中式校園晨跑系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王超

摘要：在智慧校園建設(shè)中，人臉識(shí)別技術(shù)不僅能提升用戶體驗(yàn)，還能提高管理效率。晨跑方案制定和技術(shù)選型因各校環(huán)境不同而有所差異，刷卡、指紋或App方案各有優(yōu)缺點(diǎn)不適用于所有場(chǎng)景。文章提出的人臉識(shí)別晨跑方案，解決了集中時(shí)段、固定路線、有志愿者監(jiān)管的大規(guī)模晨跑模式的痛點(diǎn)，提升了用戶體驗(yàn)，有效防止代跑，降低了管理成本，實(shí)現(xiàn)了高效晨跑打卡。

關(guān)鍵詞：晨跑；人臉識(shí)別；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP319? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

一日之計(jì)在于晨，早起自律，晨跑健體，許多高校組織晨跑活動(dòng)以提高學(xué)生身體素質(zhì)，培養(yǎng)運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，激活學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，開啟富有活力積極向上的一天。為了監(jiān)督學(xué)生晨跑，晨跑成績(jī)被計(jì)入體育成績(jī)，成為考核的一部分，影響評(píng)優(yōu)評(píng)先。所以，在設(shè)計(jì)晨跑系統(tǒng)時(shí)，既要提升用戶體驗(yàn)，又要便于管理，更要保證成績(jī)的公平性，高效晨跑系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)值得研究的方向。

根據(jù)作者多年的觀察和實(shí)踐可知：晨跑的開展需要借助信息化手段。通常記錄跑步次數(shù)的方式有刷卡［1］、指紋、App［2］、刷臉［3］等。（1）刷卡打卡方式方便靈活，其缺點(diǎn)是代刷代跑且卡片復(fù)制難以監(jiān)管。隨著聚合支付和人臉識(shí)別的普及，校園卡使用場(chǎng)景越來越少，丟卡補(bǔ)卡給晨跑帶來諸多不便，急需免卡晨跑方式。（2）指紋打卡方式的錄入成本高，需要專門組織學(xué)生錄入，在背光時(shí)指紋識(shí)別不靈敏，更存在無指紋或指紋不明顯的特例，其體驗(yàn)感不佳。（3）App打卡方式靈活便捷，但需要額外下載手機(jī)軟件，存在軟件和設(shè)備的兼容、定位不準(zhǔn)等問題，開發(fā)維護(hù)成本較高，且看手機(jī)跑步存在一定安全隱患。（4）傳統(tǒng)的面板機(jī)刷臉打卡方式識(shí)別率高，能夠?qū)崟r(shí)獲取刷臉狀態(tài)，但因場(chǎng)地問題難以規(guī)模部署，通過速度較慢。

高校因校區(qū)環(huán)境地形和布局等差異，逐漸形成了適合自己的晨跑模式，大約可以分為兩類：（1）多點(diǎn)位、多路線的靈活晨跑。（2）固定路線的集中式晨跑。學(xué)生晨跑的行動(dòng)路線通常是宿舍-晨跑起點(diǎn)-晨跑終點(diǎn)-食堂-教室。如果宿舍區(qū)和教學(xué)區(qū)都不集中，選擇靈活晨跑方式最便捷，由學(xué)生自行安排晨跑路線，靈活晨跑往往通過App打卡。本文提出的人臉識(shí)別改進(jìn)方案，配合高性能抓拍機(jī)可以對(duì)移動(dòng)的行人進(jìn)行批量識(shí)別，解決識(shí)別慢、誤識(shí)別和識(shí)別提醒難等問題，完美匹配集中時(shí)段、固定路線、有志愿者監(jiān)管的高效晨跑模式，提升用戶體驗(yàn)，降低管理成本，真正做到智慧晨跑。

1 設(shè)計(jì)

本節(jié)基于集中時(shí)段、固定路線、有志愿者監(jiān)管的晨跑模式并結(jié)合人臉識(shí)別技術(shù)，對(duì)晨跑系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合多方因素，以百分百識(shí)別和快速通過為核心目標(biāo)。下面將具體從架構(gòu)和軟件模塊對(duì)晨跑系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

集中時(shí)段、固定路線意味著學(xué)生集中參與晨跑，人流量較大，需要保證學(xué)生快速通過避免人員擁堵。隨著人臉識(shí)別技術(shù)的不斷發(fā)展，一對(duì)多識(shí)別的速度和準(zhǔn)確率已經(jīng)達(dá)到商用水平，完全適用于晨跑場(chǎng)景。筆者圍繞一對(duì)多識(shí)別技術(shù)提出的校園晨跑系統(tǒng)可以分為硬件和軟件兩部分。

1.1.1 硬件

硬件部分主要是識(shí)別設(shè)備，負(fù)責(zé)圖像采集與識(shí)別，包括一對(duì)多識(shí)別的抓拍機(jī)、一對(duì)一識(shí)別的面板機(jī)。常見的人臉識(shí)別設(shè)備多用于校門、宿舍、支付，都是單人識(shí)別，在使用高峰期往往需要排隊(duì)，增加設(shè)備數(shù)量可以解決排隊(duì)問題，但由于場(chǎng)地和成本限制，大量部署并不現(xiàn)實(shí)，且在使用低谷期會(huì)造成設(shè)備閑置。為了解決快速識(shí)別的問題，引入一對(duì)多識(shí)別抓拍機(jī)，不僅可以在一幀畫面上識(shí)別多人，還可以在跑動(dòng)中進(jìn)行抓拍識(shí)別。為了更好地識(shí)別，抓拍機(jī)的數(shù)量、位置、角度、參數(shù)等需要在正式使用前充分測(cè)試。為了更好地疏導(dǎo)學(xué)生，需要在抓拍機(jī)后布置面板機(jī)進(jìn)行補(bǔ)充識(shí)別，讓未收到成功打卡推送的學(xué)生到面板機(jī)處打卡。

識(shí)別設(shè)備有兩種工作模式：一是前端識(shí)別。照片存儲(chǔ)在前端，前端抓取到人像信息后直接在本地進(jìn)行人臉對(duì)比。其優(yōu)點(diǎn)是去中心化，對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求低；缺點(diǎn)是對(duì)前端設(shè)備的要求較高。二是后端識(shí)別。照片存儲(chǔ)在后端服務(wù)器，后端接收前端視頻流或前端分割好的人像圖片，在后端進(jìn)行人臉對(duì)比。其優(yōu)點(diǎn)是前端成本較低；缺點(diǎn)是需要額外的處理服務(wù)器，對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求高。實(shí)際使用過程中，后端識(shí)別雖然系統(tǒng)完善，使用方便，但受網(wǎng)絡(luò)和后端處理服務(wù)器性能的限制會(huì)影響識(shí)別速度和設(shè)備擴(kuò)充，不利于二次開發(fā)。在設(shè)備使用5G時(shí)，還需要考慮流量成本，所以前者是較為友好的方案。抓拍機(jī)人臉識(shí)別最大的難點(diǎn)是消息推送，面板機(jī)提供了一個(gè)屏幕可以展示識(shí)別情況，但抓拍機(jī)不帶屏幕。為了解決識(shí)別提醒的問題：一是另外安裝大屏幕將識(shí)別結(jié)果實(shí)時(shí)展示出來，在戶外場(chǎng)景中成本較高。二是使用消息推送手段推送至手機(jī)，可選短信推送或校級(jí)移動(dòng)端消息推送。

1.1.2 軟件

軟件部分包括：設(shè)備管理模塊、人臉采集模塊、人臉識(shí)別模塊、學(xué)生模塊和晨跑管理模塊。其中，人臉識(shí)別部分涉及深度學(xué)習(xí)算法自研成本較高，建議使用硬件配套的算法，其余模塊可以自主開發(fā)。

1.2 模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)備管理

設(shè)備管理模塊管理所有前端識(shí)別設(shè)備。通過設(shè)備管理模塊可以消除設(shè)備的品牌、型號(hào)、軟件版本等不同導(dǎo)致的功能和接口差異，開發(fā)出設(shè)備對(duì)接、設(shè)備分組、人臉同步、圖像預(yù)覽、參數(shù)設(shè)置等基本功能，像操作一臺(tái)設(shè)備一樣操作所有設(shè)備。人臉圖像同步時(shí)，只要人臉在某個(gè)設(shè)備上不能正常地進(jìn)行特征提取，則該人臉上傳都不應(yīng)標(biāo)記成功。

1.2.2 人臉采集

人臉采集模塊包括人臉數(shù)據(jù)的初始化和更新，人臉初始化通常使用新生入學(xué)證件照，然后提供圖片更新入口。采集圖片時(shí)應(yīng)申明采集須知，明確使用范圍，明確照片的格式要求。更新圖片時(shí)需要經(jīng)過相關(guān)責(zé)任人的審核，以防隨意上傳他人照片，擾亂晨跑秩序。許多高校已經(jīng)建設(shè)了門禁系統(tǒng)，晨跑系統(tǒng)的人臉采集可以依托于現(xiàn)有系統(tǒng)，統(tǒng)一采集入口，減少重復(fù)工作。

1.2.3 人臉識(shí)別

人臉識(shí)別模塊接收或輪詢前端識(shí)別設(shè)備的識(shí)別結(jié)果，存入數(shù)據(jù)庫的同時(shí)向?qū)W生手機(jī)端推送。學(xué)生確認(rèn)識(shí)別成功后開始晨跑，若識(shí)別不成功，至面板機(jī)進(jìn)行補(bǔ)充識(shí)別，結(jié)束后考慮更新照片。

1.2.4 學(xué)生模塊

學(xué)生在該模塊查詢打卡詳情、有效次數(shù)、獎(jiǎng)懲記錄、晨跑日歷、設(shè)置免打擾、更新圖片、查看幫助文檔等。打卡詳情詳細(xì)展示、學(xué)生打卡的時(shí)間地點(diǎn)，根據(jù)晨跑規(guī)則進(jìn)行有效次數(shù)計(jì)算，累加獎(jiǎng)懲記錄展示總有效次數(shù)。晨跑日歷不僅用于提醒當(dāng)日是否晨跑，還進(jìn)行有效次數(shù)的計(jì)算。誤識(shí)別的打卡提醒會(huì)給一部分不參加晨跑學(xué)生造成困擾，所以有必要設(shè)置消息免打擾的開關(guān)。有時(shí)面板機(jī)能識(shí)別而抓拍機(jī)不能識(shí)別的，需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行照片更新。最后提供幫助文檔，說明進(jìn)群方式或者內(nèi)嵌客服系統(tǒng)進(jìn)行問題收集和反饋。

1.2.5 晨跑管理

晨跑管理模塊對(duì)管理員開放，可以對(duì)一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，特殊情況不能晨跑或參加晨跑減免活動(dòng)的，不僅可以在獎(jiǎng)懲頁面單次或批量添加，還可以設(shè)置晨跑日歷，導(dǎo)出全體學(xué)生的有效晨跑次數(shù)，結(jié)合晨跑規(guī)則在關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)群發(fā)次數(shù)預(yù)警提醒等。

2 實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)晨跑路線時(shí)，結(jié)合學(xué)生宿舍、食堂、教室位置，綜合考慮合理規(guī)劃動(dòng)線，然后確定抓拍機(jī)與面板機(jī)數(shù)量和點(diǎn)位布置，進(jìn)行如下準(zhǔn)備工作。

2.1 前端識(shí)別設(shè)備

選擇穩(wěn)定可靠的一對(duì)多識(shí)別能力的前端識(shí)別設(shè)備，推薦選擇能自動(dòng)對(duì)焦的設(shè)備降低維護(hù)難度，設(shè)備的圖片容量應(yīng)能夠容納所有晨跑學(xué)生并留有余量，確定適合的高度和角度。實(shí)踐中，一個(gè)普通1080 p抓拍機(jī)基本覆蓋半幅路面，滿足3 000人半小時(shí)通行的規(guī)模，間隔15 m多個(gè)抓拍機(jī)接力識(shí)別可以適當(dāng)疏導(dǎo)人流。

點(diǎn)位優(yōu)先選擇具有天然通道型的場(chǎng)景，人臉在畫面中以正臉為主。若只能布置在道路兩側(cè)，則需要調(diào)試抓拍機(jī)的高度和角度，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)過時(shí)注視攝像頭。點(diǎn)位應(yīng)避開路口，避免出現(xiàn)各種角度的行走方向。

2.2 軟件功能實(shí)現(xiàn)

晨跑系統(tǒng)使用React進(jìn)行前端交互，使用Java進(jìn)行后端邏輯處理，使用PostgreSQL進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。下面將針對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行說明。

完成設(shè)備管理模塊，首先需要整理各類設(shè)備的接口文檔，封裝統(tǒng)一的設(shè)備管理接口，設(shè)計(jì)統(tǒng)一的狀態(tài)碼、錯(cuò)誤碼和說明信息等。管理員可以添加、刪除和修改晨跑設(shè)備信息，如設(shè)備編號(hào)、設(shè)備位置、設(shè)備狀態(tài)等。設(shè)備位置分校區(qū)、路線編號(hào)和起終點(diǎn)，設(shè)備狀態(tài)分正常、故障和掉線等，能夠在統(tǒng)一的界面實(shí)時(shí)預(yù)覽畫面，能夠及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。圖片上傳時(shí)，應(yīng)校驗(yàn)在不同類型設(shè)備上是否都能正常特征提取，為了提高效率，也可以只選取一種最嚴(yán)格的設(shè)備來驗(yàn)證特征提取，使得在其他設(shè)備可以正常上傳。

人臉采集模塊分兩種情況，如果學(xué)校已有人臉采集開放平臺(tái)的，可以直接使用平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入，錄入結(jié)果展示在學(xué)生模塊中。自建人臉采集平臺(tái)的，由學(xué)生閱讀并確認(rèn)相關(guān)說明后，調(diào)用手機(jī)攝像頭拍攝純色背景、無美顏素顏照，再調(diào)用設(shè)備管理模塊的圖片錄入接口。錄入成功的，需存儲(chǔ)圖片信息包含學(xué)號(hào)、原圖、縮略圖、特征值等字段。涉及圖片更新時(shí)，由學(xué)生發(fā)起申請(qǐng)?jiān)儆奢o導(dǎo)員或班主任登陸晨跑管理審核通過。此外，還需要對(duì)接人員基本信息包含學(xué)號(hào)、姓名、性別、輔導(dǎo)員或班主任等字段，檢測(cè)到人員變更時(shí)應(yīng)對(duì)照片信息進(jìn)行相應(yīng)的處置。

人臉識(shí)別模塊只含后端服務(wù)，監(jiān)聽人臉識(shí)別結(jié)果推送或輪詢抓取，推送或抓取的記錄至少包含設(shè)備代碼、識(shí)別時(shí)間、識(shí)別學(xué)號(hào)等字段，然后存入數(shù)據(jù)庫，通過校級(jí)移動(dòng)端平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)推送。

學(xué)生模塊頁面加載時(shí)調(diào)用后端接口展示數(shù)據(jù)，有效次數(shù)使用實(shí)際打卡記錄結(jié)合獎(jiǎng)懲記錄數(shù)據(jù)，采用實(shí)時(shí)計(jì)算的方式，如有故障可以隨時(shí)通過修改數(shù)據(jù)庫進(jìn)行調(diào)整。計(jì)算有效次數(shù)的核心邏輯是四層循環(huán)，第一層遍歷晨跑日歷表，第二層根據(jù)時(shí)間查找當(dāng)天的所有記錄，第三、四層判斷當(dāng)天的識(shí)別記錄是否計(jì)入有效晨跑。學(xué)生可以在此頁面查詢本學(xué)期和固化的往期記錄，可與學(xué)生體育成績(jī)系統(tǒng)打通。學(xué)生模塊是直接面向用戶的，視覺上盡可能美化設(shè)計(jì)，提升用戶使用體驗(yàn)。

晨跑管理模塊服務(wù)于管理員查詢某個(gè)學(xué)生的晨跑記錄、操作獎(jiǎng)懲記錄、導(dǎo)出成績(jī)、設(shè)置晨跑日歷、設(shè)置系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)。管理頁面多設(shè)計(jì)批量導(dǎo)入、批量下載等實(shí)用功能。

最后，系統(tǒng)中存儲(chǔ)著一些敏感數(shù)據(jù)，體育成績(jī)非常嚴(yán)肅，應(yīng)做好服務(wù)器的登陸限制、賬號(hào)密碼復(fù)雜度、接口權(quán)限校驗(yàn)、代碼漏洞檢查等保證系統(tǒng)安全和信息安全。

2.3 管理與維護(hù)

晨跑的管理與維護(hù)也十分重要，集中式晨跑需要現(xiàn)場(chǎng)維持秩序，防止打印照片代刷、抄近道、騎車等違規(guī)行為，也要保障學(xué)生的安全，如組織汽車通行和幫助身體狀況不適的學(xué)生。定期對(duì)軟硬件進(jìn)行檢查，接入監(jiān)控報(bào)警功能，保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 結(jié)語

本文基于集中時(shí)段、固定路線、有志愿者監(jiān)管的晨跑模式，設(shè)計(jì)了管理便捷、用戶體驗(yàn)優(yōu)秀的晨跑人臉識(shí)別系統(tǒng)。充分利用了人臉識(shí)別的優(yōu)勢(shì)，有效防止代跑，降低管理成本，實(shí)現(xiàn)高效晨跑打卡。本系統(tǒng)經(jīng)過充分論證，經(jīng)歷試運(yùn)行檢驗(yàn)，能為其他高校設(shè)計(jì)晨跑提供參考借鑒。

參考文獻(xiàn)

［1］嚴(yán)宇倞.一種校園卡考勤簽到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)市場(chǎng)，2016（50）：224-225.

［2］曹偉，葛小三.基于移動(dòng)終端的高校晨跑打卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2022（6）：158-159，163.

［3］施雯斐.人臉識(shí)別在高校學(xué)生校園軌跡回溯中的應(yīng)用［J］.黑龍江科學(xué)，2020（20）：29-31.

（編輯 姚 鑫）

Design and implementation of centralized campus morning running system based on face recognition

Wang? Chao1，2

（1.Information Construction and Management Office， Nanjing University of Posts and Telecommunications，

Nanjing 210023， China; 2.Smart campus Research center， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210023， China）

Abstract： In the construction of smart campuses， facial recognition technology can not only improve user experience but also improve management efficiency. The development of morning running plans and technical selection may vary depending on the environment of each school， and the card swiping， fingerprint， or App plans have their own advantages and disadvantages and are not Applicable to all scenarios. The facial recognition morning running solution proposed in the article solves the pain points of large-scale morning running modes with centralized time periods， fixed routes， and volunteer supervision， improves user experience， effectively prevents proxy running， reduces management costs， and achieves efficient morning running check-in.

Key words： morning running; face recognition; system design