基于手機平臺的快速學校簽到系統的研究與設計

李 敏，陸 莎，常 旺，李晨波

（甘肅機電職業(yè)技術學院，天水 741000）

1 簽到系統的現狀

簽到系統從開始到現在，比較常用的考勤方式有以下幾種：考勤本考勤；打卡考勤機；＂—；卡通＂考勤；手機考勤；前3種考勤常常會出現代替打卡，使得替課和逃課的現象時有發(fā)生，另外，考勤信息由專人或后臺統計，教師無法實時直觀的獲得學生的考勤情況。而手機考勤非接觸，速度快，考勤方式比較友好，后臺的學生信息即可供教師查詢，學生本人也可申請查詢，而且采集的照片信息也是一種美好的回憶。1993年，世界上第一臺智能手機誕生，自此，智能手機就進入了飛速的發(fā)展的趨勢里。伴隨著計算機集成性和移動互聯網的高速發(fā)展與應用，智能手機改變了大家的日常生活，它不再僅僅扮演打電話發(fā)短信的角色，更多的成為大部分人上網，消遣，學習的工具，因此手機成為了互聯網終端，逐漸改變著大家的學習、生活習慣。由此而生的還有ipad 或者一些具有高性能的獨立操作系統的小型移動終端設備。如今4G 已經基本普及全國的移動通信，5G 也開始使用，更高的數據速率、更少的延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統容量和大規(guī)模設備連接，用戶的體驗越來越好。網絡的高效性使得跟隨它的移動終端功能也越來越強大，新出的華為Mate30可以AI 隔空手勢操作，智能識別主人方位等強大功能，利用高性能的手機可以降低開發(fā)成本，開發(fā)更高價值應用軟件，這對開發(fā)人員將是一個新的挑戰(zhàn)。目前利用學校的手機簽到的系統由以下四種（1）通過手機當作認證載體，利用手機GPS 定位功能來確定簽到者的位置來完成簽到的認證。（2）通過手機當作認證載體，利用二維碼技術“；掃一掃”；來實現簽到。教師在課前幾分鐘的時間里，打開簽到軟件，軟件自動生成二維碼，供學生掃碼來實現簽到，為防止學生拍照二維碼發(fā)給不在場的同學完成簽到，此簽到二維碼需要每隔一定的微小時間間隔來自動刷新。在此過程中，二維碼充當證明簽到者所處位置的載體。（3）通過手機當作認證載體，利用重力傳感器、加速度傳感器的“；搖一搖”；來實現簽到。簽到過程為：簽到時，教師要求同學們拿出手機打開簽到軟件，教師和同學們一起以相同的頻率來搖晃手機。手機內部的重力傳感器、加速度傳感器記錄下晃動數據并上傳到服務器，服務器將數據進行擬合對比后，最終聲稱簽到成功的名單。此簽到過程具有很強的時效性，不在場同學完全偽造不出同樣的搖晃頻率，并且該簽到方式新穎、操作簡單，因此具有很強的應用性。（4）通過手機當作認證載體，利用NFC“；碰一碰”；實現簽到。NFC（Near Field Communication）即近場通信技術。通過NFC 設備間的簡單接觸，就可實現兩臺設備的信息交換。學生使用具有NFC 功能的手機觸碰教室里設置的NFC 標簽，手機讀取信息后自動向服務器發(fā)送簽到成功的消息，即可完成簽到。這四種方法都需要被簽到人員高度的配合，也會浪費比較長的時間。學校的上課時間是非常寶貴的，這將造成時間的極大浪費。

2 系統的分析

2.1 系統的業(yè)務功能分析

在高校每學期開學之前，教務處的工作人員都需要編制和制定每一個班級的課程表，而班級的學生則需要根據課程表的具體時間安排和地點安排去上課。但是這種方式僅僅可以對學生上課的時間和地點起到一個提醒的作用，并不能避免高校學生遲到、早退或者是曠課等的情況。在傳統的高校學生管理之中，輔導員和任課教師會通過點名 的方式來考察學生的出勤情況發(fā)生，但是由于學生人數眾多，替別人答“到”的情況經常發(fā)生，這不僅會浪費大量的 時間，也難以保障考勤效果。針對這樣的情況，在該快速簽到系統的設計過程中，主要應該考慮到以下幾個方面的 功能：（1）將班級之中所有學生的姓名、學號、以及面部驗證信息都錄入到這個系統之中。（2）上課時，教師 可以通過手機拍照的形式來完成驗證。（3）系統可以實時儲存學生的簽到信息。（4）通過這個系統，教師可以 對全班學生的考勤情況進行查詢。

2.2 系統之中的角色分析

根據這個簽到系統的業(yè)務，可以將系統之中的角色按照三種來進行劃分，其一是教師，其二是學生，其三是系 統的管理員。教師負責采集上課學生的面部信息，然后提交給系統，系統的管理員可以對學生的簽到情況以及出勤 情況等進行管理。同時，系統也可以為教師和學生們提供出信息查詢模塊，通過這個模塊，教師和學生就可以對班 級的具體出勤情況以及每一名學生的出勤情況進行查詢。

3 簽到系統的建設與實現

3.1 人臉識別技術

人臉檢測屬于目標檢測之中的一項應用，主要是根據人面部的眉毛、眼睛、鼻子、嘴巴、下巴等的特征來進行檢測。在本次所設計的這個基于手機平臺的高?？焖俸灥较到y之中，主要的人臉檢測技術是DNN 技術，通過這一技術，可以將人臉劃分為六十八個點，并根據這六十八個檢測點不同的特征來實現人臉識別。在應用該技術進行具體的面部識別過程中，教師首先應該打開相關的手機APP，然后授予這個APP 打開手機攝像頭的權限，這樣就可以通過面部拍攝的形式來進行檢測[4]。

本次設計中的核心技術是人臉識別，在人工智能和模式識別的普及的今天，人臉識別已然成為研究熱點，它在各行各業(yè)中應用廣泛。人臉識別方式非常友好，它是非接觸式的身份認證技術，因此它擁有無可比擬的優(yōu)勢。然而人們也對它有著更多的要求，比如更快速的識別，更高的識別準確率以及可靠的穩(wěn)定性，從而使得人臉識別在應用過程中依然面臨更多外界干擾和挑戰(zhàn)。

人臉識別由人臉檢測、人臉跟蹤、人臉對比三部分組成。首先在不同的場景和背景中進行人臉檢測，根據信息檢測點識別面部特征，并且提取面部信息特征。接下來采用不同的模型動態(tài)跟蹤提取到的面部信息特征，模型可選取基于運動的或者多種模型相結合。最后將識別到的面部信息特征和數據庫中現有的身份信息進行對比，確認其身份。

3.2 人臉識別驗證

在通過了人臉的檢測、跟蹤與對比之后，最后的一步，也是最關鍵的一步就是人臉的識別驗證。在本次所設計的基于手機平臺的高?？焖俸灥较到y之中，教師可以通過相關的手機APP 來完成學生面部的檢測、跟蹤和對比，但是由于手機之中的運算資源比較有限，所以在具體的識別驗證過程中，則需要借助于云端的服務器來進行。在本次所設計的這個系統之中，云端服務器應用的是以dlib 為基礎的開源人臉識別庫face recognition，并通過這個識別庫來搭建起一個可用來進行人臉識別的環(huán)境，然后借助于face recognition 來實現dlit 的調用封裝，其命令和接口都十分簡單，這個識別的過程不僅十分可靠，而且操作也十分方便。經測試發(fā)現，應用該數據庫進行人臉識別驗證的準確率可以達到99.38%，由此可見，這是一項具有強大功能且簡單易行的人臉識別驗證數據庫。將這個數據庫應用到本次所研究的簽到系統之中，就可以有效保障人臉識別的效率與準確性，提升系統的使用性能。

3.3 設計方案

在分析了目前的簽到軟件后，確定本系統的方案，如圖1所示。

圖1 系統方案

教師通過手機拍照上傳完成簽到，后臺的管理系統實施相應的操作。在這個系統中，前端硬件部分只需要一部手機（聯網、有高清攝像頭），軟件方面可選擇的人臉識別算法較多，比如基于幾何特征分析的算法、基于模型分析的算法等，各個算法各有千秋。檢測出人臉后，對目標人臉進行跟蹤，提取特征，與數據庫中人臉進行對比，匹配完成后將統計的結果返回終端，顯示在主界面上，并對缺席人員做單獨突出顯示，方便下一步操作。

3.4 后臺信息管理

管理員通過權限登陸進入信息管理系統頁面，可以查看每個學生的每節(jié)課的考勤記錄和上課面和姿態(tài)，并生成報表和相冊。供給老師，學生、課程及教務系統的查詢。功能包含教務信息管理、學生信息管理、簽到信息管理和系統維護。

4 結束語

基于手機平臺的快速學校簽到系統，充分利用了現有技術成果，以手機替代老式系統的“簽到卡”，靈活運用智能手機“刷臉”簽到硬件技術功能，使課堂簽到活動變得簡單、高效、精確。在今后的研究中將繼續(xù)對軟件的性能和學生定位的精確度進行提高，讓上課簽到的軟件功能更加完善、精準與快速。