學(xué)生宿舍人臉識別考勤系統(tǒng)設(shè)計研究
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摘要：為規(guī)范學(xué)生宿舍管理，保障學(xué)生人身安全，采用人臉識別技術(shù)，結(jié)合目前通用的軟件開發(fā)方式與數(shù)據(jù)庫技術(shù)，基于云服務(wù)器數(shù)據(jù)處理和移動設(shè)備終端，設(shè)計開發(fā)一套智能化學(xué)生宿舍考勤系統(tǒng)。該系統(tǒng)可有效解決現(xiàn)階段高校學(xué)生宿舍考勤難的問題，相較傳統(tǒng)考勤管理方式，新方法將考勤效率提升約50%?；谌四樧R別的學(xué)生宿舍考勤系統(tǒng)可有效提升學(xué)生宿舍考勤管理效率。
關(guān)鍵詞：宿舍考勤系統(tǒng)；人臉識別；人工智能
引言
大學(xué)宿舍是學(xué)生學(xué)習(xí)、生活的主要陣地，是學(xué)生在校期間出入最頻繁的場所，也是學(xué)校對學(xué)生管理的重要基地。但現(xiàn)階段學(xué)生基數(shù)大，部分學(xué)生安全意識淡薄，晚歸、未歸現(xiàn)象嚴(yán)重，宿舍財物丟失時有發(fā)生，校園安全管理面臨巨大壓力?？记陔娮踊殉蔀橼厔荩?］。傳統(tǒng)宿舍考勤使用“紙+筆”的記錄方式記錄宿舍考勤，雖然成本較低，但存在考勤效率低、代替考勤、考勤不規(guī)范、考勤信息統(tǒng)計難度大等問題［2］；另一種使用校園IC卡進(jìn)行考勤，但I(xiàn)C卡存在易丟失、易被復(fù)制的缺陷，同時使用IC卡無法確定刷卡人實(shí)際身份，給實(shí)際管理帶來困難。為解決上述問題，本文針對某校實(shí)際情況，提出一種基于人臉識別+門禁系統(tǒng)的宿舍考勤系統(tǒng)設(shè)計，以期解決考勤程序繁瑣、管理不規(guī)范的問題，在提高工作效率的同時，還可更加準(zhǔn)確地校驗學(xué)生個體身份，加強(qiáng)學(xué)生管理。
1相關(guān)工作
1.1人臉識別概述
人臉識別指利用分析、比較人臉視覺特征信息進(jìn)行身份鑒別的計算機(jī)技術(shù)［3-8］。人臉識別歸屬于計算機(jī)技術(shù)研究領(lǐng)域，是一種生物特征識別技術(shù)，依據(jù)生物體生物特征區(qū)分個體。在生物特征識別技術(shù)中，指紋識別是一種相對成熟的技術(shù)，但是指紋信息容易復(fù)制，需要與采集器進(jìn)行接觸且容易受外界影響。而人臉識別的優(yōu)點(diǎn)在于非接觸采集和識別，體驗效果較好［9-13］。同時隨著人臉識別算法、芯片、數(shù)據(jù)處理平臺、5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，人臉識別在考勤及其它領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛［14］。
1.2人臉識別方法
人臉識別方式有多種，常見方法包括face++、Deep⁃Face、FR+FCN、DeepID［15-19］、BaiduAI開放平臺等。face++從網(wǎng)絡(luò)上搜集了500萬張人臉圖片用于訓(xùn)練深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在LFW數(shù)據(jù)集上進(jìn)行測試，準(zhǔn)確率高達(dá)0.9950；DeepFace按照人臉檢測—對齊—表達(dá)—分類的流程，通過額外的3D模型改進(jìn)人臉對齊方法，基于4百萬人臉圖像（4000個個體）訓(xùn)練的一個9層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行人臉特征表達(dá)，該模型在LFW數(shù)據(jù)集上取得了97.4%的準(zhǔn)確率；百度AI開放平臺可實(shí)現(xiàn)臉部特征提取和識別，通過深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別提取人臉不同區(qū)域特征，再經(jīng)過metriclearning將特征維度降低到128維度，通過120萬（18000個個體）的訓(xùn)練集訓(xùn)練，該方法在LFW數(shù)據(jù)集上取得了99.8%的成績。通過上述3種方法可知，人臉識別準(zhǔn)確率已達(dá)到較高水平，本文借助調(diào)用百度API的方式進(jìn)行人臉識別和校驗，該過程主要包含4個部分：人臉信息采集、人臉信息傳輸、人臉信息匹配、人臉信息匹配結(jié)果處理。（1）人臉數(shù)據(jù)采集。攝像鏡頭可采集不同的人臉信息，比如靜態(tài)圖像、動態(tài)圖像、不同的位置、表情等。當(dāng)用戶在采集設(shè)備拍攝范圍內(nèi)時，采集設(shè)備會自動搜索并拍攝用戶人臉圖像信息。（2）人臉信息傳輸。該環(huán)節(jié)將攝像鏡頭采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?yīng)的人臉圖像處理服務(wù)器中，等待處理。（3）人臉信息匹配。數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器后，服務(wù)器會根據(jù)收集到的圖像信息進(jìn)行人臉特征提取，提取到人臉特征后與數(shù)據(jù)庫中存儲的特征數(shù)據(jù)集合進(jìn)行搜索匹配，根據(jù)相似程度對人臉身份信息進(jìn)行判斷。（4）人臉信息匹配結(jié)果處理。該過程通過設(shè)定一個閾值，當(dāng)人臉信息匹配相似度超過該閾值，則輸出匹配得到的結(jié)果，執(zhí)行后續(xù)相關(guān)操作。
1.3百度AI接口
百度人臉識別基于深度學(xué)習(xí)的人臉識別方案［20］，可準(zhǔn)確識別圖片中的人臉信息，提供人臉屬性識別、關(guān)鍵點(diǎn)定位、人臉1∶1比對、人臉1∶N識別、活體檢測等功能，可精準(zhǔn)定位圖中人臉，獲得眼、口、鼻等72個關(guān)鍵點(diǎn)位置，分析性別、年齡、表情等多種人臉屬性；同時針對一張人臉照片，在指定人臉集合中搜索，找出最相似的一張或多張人臉，并給出相似度分值，得出相識度，對比兩張人臉相似度再進(jìn)行相似度評分，從而判斷是否為同一個人。該接口實(shí)際應(yīng)用廣泛，技術(shù)相對成熟。
2系統(tǒng)總體設(shè)計
本文系統(tǒng)可基于人臉識別技術(shù)對宿舍進(jìn)行快速、高效的考勤管理。系統(tǒng)主要功能包括：學(xué)生信息初始化模塊、學(xué)生請假模塊、刷臉考勤模塊、門禁控制模塊、考勤情況模塊、考勤統(tǒng)計模塊，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。新生入學(xué)時，通過RFID讀卡器獲取學(xué)生基本信息后，系統(tǒng)將自動分配宿舍樓棟權(quán)限，并采集學(xué)生人臉信息進(jìn)行保存，完成學(xué)生信息初始化；若學(xué)生需請假，則可使用學(xué)生端APP申請請假、相關(guān)班主任輔導(dǎo)員可審核請假信息；學(xué)生出入宿舍門禁時學(xué)生人臉信息會被攝像頭采集并與后端數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，驗證通過后打開相應(yīng)門禁，并對學(xué)生出入請假進(jìn)行統(tǒng)計、存儲；系統(tǒng)可對某一特定時間內(nèi)的學(xué)生考勤進(jìn)行統(tǒng)計和分析，宿舍管理員、班主任、輔導(dǎo)員可通過APP或Web頁面實(shí)時查看學(xué)生出入宿舍情況，并對學(xué)生宿舍考勤情況進(jìn)行統(tǒng)計，方便學(xué)校加強(qiáng)管理?；谌四樧R別技術(shù)的宿舍考勤系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)模式設(shè)計，手機(jī)客戶端采用HTML5技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨平臺APP開發(fā)，后臺管理系統(tǒng)使用Java語言作為開發(fā)語言，并使用輕量級數(shù)據(jù)庫MySQL作為本地數(shù)據(jù)存儲平臺。后臺管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器部署在阿里云提供的云服務(wù)器上，可以快速完成數(shù)據(jù)交互，并將圖片數(shù)據(jù)存儲在百度云提供的百度AI中，可使用百度AI提供的在線人臉識別服務(wù)完成人臉數(shù)據(jù)庫建立和1∶N的人臉識別。
2.1學(xué)生信息初始化
該模塊可完成學(xué)生人臉信息錄入操作，實(shí)現(xiàn)人臉信息采集，并將百度AI中的照片與數(shù)據(jù)庫信息實(shí)現(xiàn)一一對應(yīng)，同時完成學(xué)生宿舍樓棟信息初始化，分配宿舍樓棟權(quán)限。
2.2刷臉考勤模塊
當(dāng)完成學(xué)生信息初始化后，完成一次識別校驗的操作流程如圖2所示。（1）宿舍門口門禁嵌入式設(shè)備的攝像頭每兩秒掃描一次，并將獲取到的圖片以base64格式的數(shù)據(jù)使用ajax技術(shù)將信息上傳到服務(wù)器。（2）圖片服務(wù)器接收到門禁嵌入式設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)后，先判斷是否存在人臉，確定人臉信息后通過圖像服務(wù)器提取人臉特征，并將人臉特征與數(shù)據(jù)庫中的人臉特征集合進(jìn)行比對，比對結(jié)果返回一個JSON數(shù)據(jù)集合。（3）對返回的JSON數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并設(shè)定閾值為85%，如果識別超過該閾值，則嵌入式設(shè)備給門禁系統(tǒng)發(fā)送一條開啟門禁指令，同時向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器寫入一條記錄，表示該生已經(jīng)離開或者返回宿舍。2.3門禁控制模塊該模塊主要完成對門禁系統(tǒng)的開關(guān)操作。當(dāng)接收到嵌入式設(shè)備開啟或關(guān)閉指令時，門禁系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)操作，檢測到人員安全通過后關(guān)閉門禁閥門，操作結(jié)束。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。
2.4考勤情況模塊
該模塊使用HTML5技術(shù)開發(fā)APP，主要完成學(xué)生請假、班主任輔導(dǎo)員快速審批請假信息等任務(wù)。當(dāng)學(xué)生提交請假申請后，班主任、輔導(dǎo)員的APP或Web端會有相應(yīng)提示。班主任、輔導(dǎo)員完成審批后學(xué)生也可接收到服務(wù)器的推送消息。學(xué)生出現(xiàn)未歸或晚歸情況時，系統(tǒng)將給APP發(fā)送提示消息［21］?？记谀K實(shí)現(xiàn)代碼為：功能：調(diào)用百度人臉識別AI算法實(shí)現(xiàn)人臉識別輸入：APP_ID：百度AI提供的你的AppID；API_KEY：百度AI提供的你的API_KEY；SECRET_KEY：百度AI提供的你的SE⁃CRET_KEY；IMAGE：嵌入式設(shè)備采集到的圖像信息（base64格式）。輸出：ERROR_MSG：人臉識別結(jié)果信息。SCORE：人臉匹配得分（80以上為同一個人）USER_ID：用戶匹配結(jié)果ID判斷SCORE是否大于85（閾值）識別成功。寫入數(shù)據(jù)到mysql數(shù)據(jù)庫中。打開門禁。識別失敗。返回錯誤信息。
2.5考勤統(tǒng)計模塊
該模塊主要實(shí)現(xiàn)考勤信息統(tǒng)計。學(xué)生若已請假，但班主任或輔導(dǎo)員還未進(jìn)行審核，將導(dǎo)致狀態(tài)信息不一致，待審核后狀態(tài)會發(fā)生改變。每天固定的時間進(jìn)行考勤統(tǒng)計，直接生成未歸信息并存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，待后期查詢使用，同時統(tǒng)計晚歸情況。班主任輔導(dǎo)員可以方便地在APP端或Web端查詢學(xué)生未歸、晚歸情況，方便對學(xué)生加強(qiáng)管理。
3系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)
（1）本文系統(tǒng)將人臉識別技術(shù)與宿舍考勤結(jié)合，可提高識別率、降低出錯率，加強(qiáng)學(xué)生管理力度。（2）本文使用云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，降低學(xué)校采購設(shè)備成本，提高數(shù)據(jù)執(zhí)行效率。（3）移動設(shè)備終端可通過以太網(wǎng)、WiFi、4G等方式與服務(wù)器連接，同時計算機(jī)和移動終端設(shè)備（手機(jī)、平板電腦）等均可通過APP連接服務(wù)器，實(shí)時處理請假數(shù)據(jù)、實(shí)時查詢考勤數(shù)據(jù)，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，防患于未然。（4）采用B/S模式為設(shè)計基礎(chǔ)，使用Webservers+MySql數(shù)據(jù)庫服務(wù)器技術(shù)，使用戶能實(shí)時接收信息，在移動終端上也可使用基本功能。
4數(shù)據(jù)庫設(shè)計
本文系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫表較多，為減少頁面顯示，選擇3個重要的表（學(xué)生信息表、出入記錄表、請假表）作為參照表，主要用于存儲學(xué)生基本信息，記錄學(xué)生進(jìn)出入數(shù)據(jù)和請假信息。
5結(jié)語
本文設(shè)計了一種基于人臉識別的宿舍考勤管理系統(tǒng)，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，以Java作為開發(fā)語言，前端使用HTML5技術(shù)，可生成多平臺產(chǎn)品。該系統(tǒng)包含圖像處理服務(wù)器和考勤管理系統(tǒng)服務(wù)器，在嵌入式設(shè)備上配有攝像頭，采集到的人臉信息按照Base64編碼方式傳輸給圖像處理服務(wù)器，服務(wù)器驗證結(jié)束后給嵌入式設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，嵌入式設(shè)備向后臺系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送相關(guān)信息，進(jìn)行記錄，同時還可控制門禁，達(dá)到實(shí)時考勤的效果。在移動設(shè)備端，教師可實(shí)時處理相關(guān)審核信息，學(xué)生可在線請假，并實(shí)時獲取消息推送和查詢考勤結(jié)果。該系統(tǒng)通過人臉識別的方式實(shí)現(xiàn)宿舍考勤管理，不僅有效解決了宿舍考勤難、復(fù)雜性高和身份識別的問題，也大幅提升了考勤效率，加強(qiáng)了對學(xué)生的安全管理。但該系統(tǒng)還存在實(shí)時效率不高、對網(wǎng)絡(luò)依賴較大等缺陷，且在校園網(wǎng)未完全覆蓋的地方實(shí)施難度較大，未來將繼續(xù)優(yōu)化改善。
作者：吳永斌 濮永仙 肖坤娥 虞泉 袁銘舉 吳興蛟 單位：德宏師范高等?？茖W(xué)校