人臉識(shí)別技術(shù)在智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用

林星翰 張帥

摘 要：人臉識(shí)別技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，已在我國(guó)諸如航天、科技、安保管理等領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用。近年來(lái)，隨著校園建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)展，學(xué)生人數(shù)不斷增多，學(xué)校對(duì)學(xué)生監(jiān)管的范圍也越來(lái)越廣，依靠人臉識(shí)別建設(shè)智慧校園的需求也越來(lái)越突出。鑒于此，本文將對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)在智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用加以分析，通過(guò)設(shè)計(jì)一套適用于中小學(xué)校園特點(diǎn)的基于人臉識(shí)別技術(shù)的智慧校園管理系統(tǒng)，充分發(fā)揮人臉識(shí)別技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和作用，以提高中小學(xué)校園安全管理水平。

關(guān)鍵詞：人臉識(shí)別技術(shù);智慧校園;安全管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）02-0029-03

0引言

人臉識(shí)別技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)基于人臉特征信息的身份識(shí)別技術(shù)，具有信息采集非接觸性和非強(qiáng)制性的特點(diǎn)。人臉識(shí)別技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，即1964年～1990年基于人臉面部幾何結(jié)構(gòu)特征識(shí)別研究的起步階段、1991年～2000年基于多維特征矢量特征識(shí)別研究的發(fā)展階段和2000年至今面向真實(shí)條件的人臉識(shí)別研究的自適應(yīng)學(xué)習(xí)階段。人臉識(shí)別技術(shù)已在我國(guó)航天系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司一院某研究所針對(duì)航天單位的特點(diǎn)，自主研發(fā)了人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)，應(yīng)用在該研究所內(nèi)重點(diǎn)樓宇、重點(diǎn)部位和園區(qū)入口處。該門禁系統(tǒng)與公安部門的案件系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)了保密安全工作的智能化管理[1]。中國(guó)航天科工集團(tuán)公司二院某研究所研發(fā)了基于人臉識(shí)別功能的新型智能監(jiān)控系統(tǒng)，已成功應(yīng)用在許多重大活動(dòng)駐地的安全保衛(wèi)場(chǎng)所[2]。另外，用于輔助武警哨位執(zhí)勤的人臉識(shí)別系統(tǒng)也應(yīng)用在我國(guó)一些航天單位的重要樓宇和涉密場(chǎng)所[3]，為國(guó)防和航天事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)。近年來(lái)，隨著校園建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)展，校園中的學(xué)生人數(shù)不斷增多，學(xué)校對(duì)學(xué)生監(jiān)管的范圍也越來(lái)越廣，依靠人臉識(shí)別建設(shè)智慧校園的需求也越來(lái)越突出。把航天領(lǐng)域的人臉識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用在校園安全防范能力提升、管理效率提高和服務(wù)質(zhì)量提高方面，將會(huì)促進(jìn)人工智能手段在校園管理中的應(yīng)用，將對(duì)減輕管理成本具有重要作用，對(duì)于智慧校園建設(shè)具有重要意義。

國(guó)內(nèi)高等院校高度重視人臉識(shí)別技術(shù)在智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用和推廣[4]。清華大學(xué)、山東大學(xué)把人臉識(shí)別技術(shù)引入學(xué)校信息化建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)了多種典型場(chǎng)景的應(yīng)用業(yè)務(wù)，提高了教學(xué)服務(wù)水平和教學(xué)管理質(zhì)量，對(duì)同類高校的人臉識(shí)別應(yīng)用具有一定的借鑒意義[5，6];溫州市職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校將人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于智慧校園的考勤系統(tǒng)中，是一次職業(yè)教育選擇課程改革的教學(xué)方法的創(chuàng)新[7]。浙江大學(xué)、武漢大學(xué)和中山大學(xué)等高校也已逐步實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別在智慧校園中的應(yīng)用[8]，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的管理系統(tǒng)，如門禁系統(tǒng)、考勤簽到系統(tǒng)、宿舍管理系統(tǒng)等。然而，目前大部分高等院?；谌四樧R(shí)別技術(shù)的智慧校園管理系統(tǒng)適用于開放式的校園環(huán)境，并不完全適用于封閉或半封閉式的中小學(xué)校園環(huán)境。中小學(xué)的學(xué)生大多為未成年人，均屬于安全防衛(wèi)能力較弱的群體。該群體的防范意識(shí)和自我保護(hù)能力相對(duì)較弱，中小學(xué)安全事故（如學(xué)生被冒領(lǐng)接走等）大部分是來(lái)自外來(lái)侵害。校門看守和學(xué)生宿舍出入管理，大部分采用來(lái)訪登記的方式。外來(lái)人員憑借虛假證件或虛假事由進(jìn)入校園的事件也時(shí)有發(fā)生。學(xué)校對(duì)于學(xué)生的日常管理（如考勤、食堂就餐、圖書館借閱等）多數(shù)是通過(guò)“一卡通”進(jìn)行，而“一卡通”又常常容易被學(xué)生丟失、被他人冒用，給學(xué)生造成不同程度的精神或經(jīng)濟(jì)上的損失，校方投入的管理成本也比較高，而管理效果并不理想。

本文主要針對(duì)上述中小學(xué)校園的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套適用于中小學(xué)校園特點(diǎn)的基于人臉識(shí)別技術(shù)的智慧校園管理系統(tǒng)，充分發(fā)揮人臉識(shí)別技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和作用，以提高中小學(xué)校園安全管理水平，創(chuàng)建更加安全、便捷和高效的學(xué)習(xí)環(huán)境，增進(jìn)學(xué)生、家長(zhǎng)和教師之間的相互了解。

1基于人臉識(shí)別的智慧校園管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1基于人臉識(shí)別的智慧校園管理系統(tǒng)的5方面需求

（1）人員分類管理的需求。對(duì)于封閉或半封閉式的中小學(xué)校園，校園出入人員主要由學(xué)生、教師、學(xué)生家長(zhǎng)、非教職工和訪客組成。在進(jìn)行校園管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮人員分類管理，對(duì)于不同人群賦予不同的出入權(quán)限。對(duì)學(xué)生、教師、非教職工一般應(yīng)按照在校人員管理;對(duì)學(xué)生家長(zhǎng)需要按照長(zhǎng)期訪問(wèn)人員管理;對(duì)訪客需要按照臨時(shí)訪問(wèn)人員管理;對(duì)社會(huì)非法進(jìn)入人員需要進(jìn)行黑名單管理。

（2）門禁快速甄別的需求。門禁系統(tǒng)需要能夠快速、有效、準(zhǔn)確地甄別各類出入人員，以改變以往門禁管理全靠門衛(wèi)登記監(jiān)督、效率不高數(shù)據(jù)滯后且追溯困難的局面。當(dāng)臨時(shí)訪問(wèn)人員大量出現(xiàn)（例如，清華大學(xué)、北京大學(xué)校門口經(jīng)常可見大量中學(xué)生參觀）的時(shí)候，靠門衛(wèi)登記監(jiān)督這種方式很難適應(yīng)當(dāng)前快節(jié)奏的工作需求，因此，快速甄別的需求尤為突出。

（3）考勤智能化管理的需求。傳統(tǒng)的學(xué)生上課考勤是通過(guò)老師點(diǎn)名學(xué)生答“到”的方式完成的。如果幾個(gè)班學(xué)生一起上同一門課，老師點(diǎn)名將會(huì)占用很長(zhǎng)的教學(xué)時(shí)間。不僅如此，這種方式還存在出席學(xué)生替缺席學(xué)生“代答到”的舞弊可能性，使得考勤結(jié)果失真。因此，基于人臉識(shí)別的考勤智能化需求自然產(chǎn)生。

（4）對(duì)校園生活服務(wù)便捷化的需求。針對(duì)諸如學(xué)生報(bào)道注冊(cè)、校園一卡通辦理、考場(chǎng)監(jiān)考、圖書館借閱、預(yù)約自習(xí)座位和體育館球館場(chǎng)地等校園生活服務(wù)，通過(guò)智慧系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、查詢、預(yù)約和身份確認(rèn)等方式來(lái)提供更加便捷智慧的服務(wù)，提升校園生活質(zhì)量，也是校園管理中重要的需求之一。

（5）用戶目標(biāo)管理的需求。安保人員可通過(guò)智慧校園管理系統(tǒng)對(duì)臨時(shí)訪客監(jiān)控，對(duì)住校學(xué)生按時(shí)就寢情況的監(jiān)督和自動(dòng)報(bào)警，提升校園安全排查和防范的能力;教師通過(guò)智慧校園管理系統(tǒng)能夠獲取精準(zhǔn)的考勤記錄并能按照一定的檢索條件進(jìn)行檢索;學(xué)生家長(zhǎng)借助于智慧校園管理系統(tǒng)的考勤信息推送能夠及時(shí)掌握學(xué)生在校的出勤情況，消除家長(zhǎng)的擔(dān)心。

1.2設(shè)計(jì)原則

基于人臉識(shí)別的智慧校園管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要遵循準(zhǔn)確性、可靠性和易用性設(shè)計(jì)原則。

（1）準(zhǔn)確性原則。應(yīng)多次采集人臉信息，建立穩(wěn)定可靠的人臉模型，并定期更新系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的人臉信息，提高人臉識(shí)別的準(zhǔn)確性;同時(shí)還應(yīng)提高數(shù)據(jù)傳輸及處理的準(zhǔn)確性。

（2）可靠性原則。人臉識(shí)別系統(tǒng)需要每天24小時(shí)連續(xù)工作，必須保證系統(tǒng)硬件和軟件的可靠性，系統(tǒng)應(yīng)具有狀態(tài)監(jiān)控、故障識(shí)別與預(yù)警、自我修復(fù)的能力。

（3）易用性原則。系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)校園實(shí)際應(yīng)用需求，應(yīng)符合校園有關(guān)人員的使用習(xí)慣，能實(shí)現(xiàn)人員信息統(tǒng)計(jì)的模塊化管理，如人員分類管理、校園情景管理、用戶需求查詢操作管理等;系統(tǒng)應(yīng)滿足多人同時(shí)訪問(wèn)監(jiān)控點(diǎn)的需求，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)和共享;同時(shí)人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔易操作。

1.3系統(tǒng)的功能及組成

基于人臉識(shí)別的智慧校園管理系統(tǒng)的功能和組成，如圖1所示。

在圖1中，基于人臉識(shí)別的智慧校園管理系統(tǒng)由人臉采集終端、圖像處理與識(shí)別服務(wù)器、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存服務(wù)器、監(jiān)視控制終端和智慧應(yīng)用終端集群五部分組成，通過(guò)校園網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境將各組成部分相連。智慧校園管理系統(tǒng)通過(guò)人臉采集終端采集校園內(nèi)各類人員的臉部信息，通過(guò)數(shù)字圖像處理獲取面部關(guān)鍵特征信息，并進(jìn)行人臉信息的身份識(shí)別匹配。最后由監(jiān)視控制終端完成校驗(yàn)后，實(shí)施各類應(yīng)用服務(wù)功能。

其中，圖像處理與識(shí)別服務(wù)器主要通過(guò)人臉檢測(cè)選取采集圖像中有用的人臉關(guān)鍵特征信息，采用背景建模、灰度變換和直方圖均衡化等方法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，建立可靠的人臉特征模型并保存在人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)人員身份進(jìn)行分類。當(dāng)有外部來(lái)訪人員時(shí)，人臉識(shí)別將自動(dòng)對(duì)來(lái)訪人員的面部信息進(jìn)行采集，然后通過(guò)人臉圖像特征提取的人臉信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征模型進(jìn)行搜索匹配。當(dāng)相識(shí)度超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，輸出匹配結(jié)果。當(dāng)系統(tǒng)無(wú)法確認(rèn)來(lái)訪者身份時(shí)，系統(tǒng)將向監(jiān)視控制終端發(fā)送提示信息，并根據(jù)控制終端的指令進(jìn)行最終判別。

智慧應(yīng)用終端集群主要分為校園安防、校園考勤和校園生活三類應(yīng)用服務(wù)。校園安防服務(wù)終端主要用于實(shí)現(xiàn)校門、樓門和宿舍等重要部位的門禁識(shí)別和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。校園考勤服務(wù)終端主要用于課堂出勤記錄、考試監(jiān)考統(tǒng)計(jì)和校內(nèi)學(xué)生活動(dòng)出勤統(tǒng)計(jì)等。校園生活服務(wù)終端則主要針對(duì)學(xué)生報(bào)道注冊(cè)管理、校園“一卡通”管理、圖書館借閱管理、公共資源預(yù)約管理、宿舍智能管理和教務(wù)信息的智能推送等校園生活提供便攜服務(wù)管理。

1.4系統(tǒng)的應(yīng)用流程設(shè)計(jì)

對(duì)應(yīng)圖1展示的基于人臉識(shí)別的智慧校園管理系統(tǒng)，圖2～圖4分別給出了該系統(tǒng)在校園安防、校園考勤和校園生活服務(wù)中的應(yīng)用流程。依據(jù)該流程進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)開發(fā)，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用。

校園安防服務(wù)終端主要部署在校門、宿舍樓門等關(guān)鍵部位。在圖2中，校園安防根據(jù)人臉識(shí)別判斷來(lái)訪人員身份放行，若為不法份子或疑似人員將直接通過(guò)系統(tǒng)預(yù)警。校園安防實(shí)時(shí)監(jiān)視校園監(jiān)控區(qū)域，識(shí)別和記錄臨訪人員的活動(dòng)信息。另外，可以通過(guò)與地方公安系統(tǒng)對(duì)接，以提高系統(tǒng)對(duì)校園外來(lái)人員或不法分子進(jìn)行甄別的能力，保證安保人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排查安全隱患。采用人臉識(shí)別的校園安防一方面提高了出入人員身份識(shí)別和記錄的效率，另一方面大大加強(qiáng)了校園的安全防范能力。

校園考勤服務(wù)終端主要部署在教室、實(shí)驗(yàn)室、會(huì)議室和體育場(chǎng)館等公共場(chǎng)所。在圖3中，教學(xué)管理員將教學(xué)/考試信息與應(yīng)出勤人員身份進(jìn)行綁定，通過(guò)人臉識(shí)別對(duì)到場(chǎng)人員進(jìn)行身份匹配確認(rèn)，形成考勤記錄，并對(duì)學(xué)生的缺勤情況以推送的形式及時(shí)向老師、家長(zhǎng)提示反饋?；谌四樧R(shí)別的校園考勤不但提升了考勤效率，而且可有效甄別非出勤人員，有利于建設(shè)更有規(guī)律和健康的教學(xué)環(huán)境。

校園生活服務(wù)終端主要部署在教學(xué)樓、圖書館等公共區(qū)域，這樣可以方便在校師生在線查詢所需的校園服務(wù)信息，并以在校人員身份進(jìn)行席位預(yù)約。在圖4中，校園生活服務(wù)終端將根據(jù)人臉識(shí)別校驗(yàn)完成預(yù)約服務(wù)身份匹配確認(rèn)后，提供相關(guān)業(yè)務(wù)的辦理和共享資源的使用。同時(shí)，系統(tǒng)將共享資源的占用情況實(shí)時(shí)反饋并更新服務(wù)信息?；谌四樧R(shí)別的校園生活服務(wù)終端不但提高了事務(wù)性管理業(yè)務(wù)的辦事效率，而且使圖書借閱、自習(xí)室座位使用和活動(dòng)場(chǎng)地預(yù)約等校園公共資源得到了充分利用。

2人臉識(shí)別校園管理系統(tǒng)的應(yīng)用示例

以某中學(xué)校園為例，該中學(xué)的校園管理采用的是半封閉式管理模式。當(dāng)前在校學(xué)生約2500人，在崗教職工近200人。目前該校已在校園門口和學(xué)生宿舍安裝部署了基于人臉識(shí)別的安防系統(tǒng)。系統(tǒng)使用前，在校師生、未教職員和學(xué)生家長(zhǎng)按照人員類別進(jìn)行了人臉信息的采集。系統(tǒng)正式投入使用后，與之前早晚高峰接送和校園開放日、家長(zhǎng)會(huì)、大型演出等活動(dòng)時(shí)人員密集出入校門時(shí)擁堵、排長(zhǎng)隊(duì)相比，現(xiàn)在學(xué)校入口刷臉入校時(shí)井然有序，每個(gè)人的通過(guò)不足1秒，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)臨時(shí)訪客的更準(zhǔn)確的跟蹤記錄;學(xué)生宿舍入口可自動(dòng)識(shí)別出入宿舍的學(xué)生信息，及時(shí)統(tǒng)計(jì)學(xué)生是否按時(shí)就寢，準(zhǔn)確識(shí)別非宿舍人員，大大改變了過(guò)去手工管理和刷卡管理帶來(lái)的信息遺漏、不準(zhǔn)確和效率低等問(wèn)題。同時(shí)，在部分多媒體教室安裝了人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)，課前任課老師通過(guò)該系統(tǒng)一鍵就可確認(rèn)上課考勤情況，大大節(jié)省了上課的時(shí)間，并且培養(yǎng)了學(xué)生按時(shí)出勤的好習(xí)慣。

當(dāng)前系統(tǒng)仍在持續(xù)升級(jí)改進(jìn)中，后續(xù)將信息管理擴(kuò)大至校園圖書館、體育館等公共資源開放區(qū)的管理和學(xué)生注冊(cè)管理，從而更科學(xué)、更高效的統(tǒng)籌資源管理，提高事務(wù)性工作的辦事效率，為學(xué)生和老師提供更和諧的學(xué)習(xí)生活環(huán)境。

3結(jié)語(yǔ)

本文在中學(xué)校園對(duì)學(xué)生半封閉式管理模式下，設(shè)計(jì)一套基于人臉識(shí)別技術(shù)的智慧校園管理系統(tǒng)，把繁瑣的程序簡(jiǎn)單化，提高校園的安全防范能力，改變了考勤記錄的方式，改善校園生活服務(wù)質(zhì)量，使校園管理效率進(jìn)一步提升，也大大降低了人的管理成本。在智慧校園的建設(shè)過(guò)程中，人臉識(shí)別技術(shù)既是服務(wù)于現(xiàn)代教育教學(xué)管理的一種手段，又是變革教學(xué)模式的有效助推之力。在未來(lái)智慧校園發(fā)展應(yīng)用中，以人臉識(shí)別技術(shù)為代表的信息技術(shù)需不斷完善校園管理系統(tǒng)的建設(shè)，為校園管理帶來(lái)更多便利，使校園管理更加規(guī)范。

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