基于人臉識(shí)別的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)研究與開發(fā)

羅婷 沈陽(yáng)廣播電視大學(xué)

引言

出勤率是影響教學(xué)活動(dòng)開展、教學(xué)效果的一個(gè)重要因素，而部分高校仍采用人工考核方式確認(rèn)學(xué)生出勤率，即：教學(xué)過程中教師依據(jù)名單進(jìn)行點(diǎn)名。然而此種方式主要存在可能冒名頂替上課、退補(bǔ)選課可能導(dǎo)致班級(jí)名單變化、點(diǎn)名耗費(fèi)時(shí)間較多等。為避免這些問題、保證教學(xué)效果，高校嘗試?yán)萌四樧R(shí)別技術(shù)研發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)。

1 基于人臉識(shí)別的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)研究與開發(fā)

1.1 基于人臉識(shí)別的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 .1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1）系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中大多采用C/S與B/S結(jié)構(gòu)這兩類。

C/S結(jié)構(gòu)即客戶端與服務(wù)器端結(jié)構(gòu)。現(xiàn)階段，采用此種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用軟件數(shù)量較多。此結(jié)構(gòu)可充分發(fā)揮客戶端、服務(wù)器端的優(yōu)勢(shì)，保證任務(wù)分配的合理性，且對(duì)降低通訊壓力有效?；贑/S結(jié)構(gòu)的軟件，客戶端可獨(dú)立完成任務(wù)處理工作，處理完畢后將結(jié)果輸入服務(wù)器，這對(duì)降低服務(wù)器壓力有利。但是，此結(jié)果的維護(hù)成本較高，對(duì)系統(tǒng)依賴性較高。

B/S結(jié)構(gòu)即瀏覽器與服務(wù)器結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)是由C/S結(jié)構(gòu)發(fā)展而來(lái)的。利用此B/S結(jié)構(gòu)需利用網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器連接起來(lái)，并完成事務(wù)的處理。B/S結(jié)構(gòu)客戶端工作壓力較低、維護(hù)成本也比較低，但是其運(yùn)行速度受網(wǎng)速影響較大。

1.1 .2 總功能模塊

依據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)工作要求、用戶，可將此系統(tǒng)功能模塊分為以下幾個(gè)：

(1）人臉驗(yàn)證模塊。此模塊的主要功能是檢測(cè)、識(shí)別人臉。

(2）管理員模塊。此模塊主要功能是維護(hù)管理系統(tǒng)、管理用戶、管理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

(3）教師模塊。此模塊的主要功能是管理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、維護(hù)個(gè)人信息、管理學(xué)生人臉信息等。

(4）學(xué)生模塊。此模塊的主要功能是管理個(gè)人實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、管理個(gè)人信息等。

1.1 .3 功能模塊設(shè)計(jì)

(1）人臉驗(yàn)證模塊設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)中人臉驗(yàn)證模塊是由人臉檢測(cè)、圖像預(yù)處理、人臉識(shí)別這三個(gè)部分組成的。第一，人臉檢測(cè)。系統(tǒng)將自動(dòng)檢測(cè)采集的圖像中是否包含人臉。第二，圖像預(yù)處理。系統(tǒng)為保證可迅速識(shí)別圖像中的人臉，應(yīng)對(duì)圖像進(jìn)行合理樹立。第三，人臉識(shí)別。系統(tǒng)將提取人臉圖像中的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行分析，確定用戶身份。

(2）管理員模塊設(shè)計(jì)

管理員模塊是由以下功能模塊組成的：第一，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理。教師可利用此模塊增加、刪除、更改、查看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，了解實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行情況，總結(jié)實(shí)驗(yàn)狀況等。第二，用戶信息管理。管理員將管理所有用戶的信息，比如：增加用戶、刪除用戶、設(shè)置用戶權(quán)限等。另外，也可查看、拍攝用戶人臉圖像。第三，個(gè)人信息管理。通過此模塊，可實(shí)現(xiàn)個(gè)人信息的維護(hù)及管理功能。第四，課程信息管理。通過此模塊，可了解教師的課程信息、相關(guān)公告。

(3）教師操作模塊

此模塊主要由以下模塊構(gòu)成：第一，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理。教師可增加、刪除、更改、查看學(xué)生的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，了解實(shí)驗(yàn)課程開展情況，審核試驗(yàn)報(bào)告等。第二，用戶信息管理。教師可管理學(xué)生的個(gè)人信息，查看、拍攝學(xué)生人臉圖像。第三，個(gè)人信息管理。教師可通過此功能管理自己的個(gè)人信息。第四，課程信息管理。教師可通過此功能管理自己的課程信息、發(fā)布或更改公告。

(4）學(xué)生操作模塊

此模塊主要由以下功能模塊構(gòu)成：第一，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理。學(xué)生可通過此功能查詢、提交、刪除自己的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，同時(shí)可查看自己的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。第二，個(gè)人信息管理。學(xué)生可通過此功能管理、維護(hù)自己的信息。第三，課程信息管理。學(xué)生可通過此功能了解教師安排的實(shí)驗(yàn)任務(wù)、發(fā)布的公告。

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)、軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，因而為保證軟件可正常、穩(wěn)定運(yùn)行需合理規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)。因而為保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)可正常運(yùn)行，應(yīng)建立數(shù)據(jù)庫(kù)模型，以保證數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)、管理。

1.2 .1 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過部分特殊綜合方式，總結(jié)功能需求并形成一個(gè)獨(dú)立的概念模型即概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用此種方式，研究人員將重視信息的組織結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，將依據(jù)E_R模型圖進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。為保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行了以下設(shè)計(jì)：

(1）管理員。其主要涉及賬號(hào)、姓名、登錄密碼等。

(2）教師。其主要涉及教師工號(hào)、教師姓名、教師登錄密碼、教師性別等。

(3）學(xué)生。其主要涉及學(xué)生學(xué)號(hào)、學(xué)生姓名、學(xué)生登錄密碼、學(xué)生班級(jí)等。

(4）實(shí)驗(yàn)任務(wù)。其主要涉及實(shí)驗(yàn)題目、實(shí)驗(yàn)要求等。

(5）實(shí)驗(yàn)報(bào)告。其主要涉及實(shí)驗(yàn)報(bào)告題目、實(shí)驗(yàn)報(bào)告分?jǐn)?shù)、實(shí)驗(yàn)課任課教師等。

(6）公告。其主要涉及公告標(biāo)題、公告內(nèi)容、公告發(fā)布時(shí)間等。

1.2 .2 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員在明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)概念結(jié)構(gòu)之后，應(yīng)將其轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫿Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)工作。

1.2 .3 數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員在明確系統(tǒng)實(shí)體之后，應(yīng)進(jìn)行下一步設(shè)計(jì)工作。為保證數(shù)據(jù)可快速、順利處理，應(yīng)設(shè)置數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)表中同一列的數(shù)據(jù)屬于同一類型，行則表示一條記錄。實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)可表主要包含以下幾類：管理員表、教師表、學(xué)生表、課程表、實(shí)驗(yàn)任務(wù)表、實(shí)驗(yàn)報(bào)告表、公告表。通過這些表格存儲(chǔ)、管理相關(guān)信息。

2 基于人臉識(shí)別的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

此系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要人臉驗(yàn)證模塊、用戶登錄模塊、教師操作模塊、學(xué)生操作模塊、管理員操作模塊的支持。

(1）人臉驗(yàn)證模塊實(shí)現(xiàn)。此模塊是由人臉驗(yàn)證、圖像預(yù)處理、人臉識(shí)別這幾個(gè)部分組成?；贏daboost算法、圖像預(yù)處理技術(shù)、主成分分析算法可實(shí)現(xiàn)人臉驗(yàn)證功能。

(2）用戶登錄模塊實(shí)現(xiàn)。用戶將通過統(tǒng)一界面登錄系統(tǒng)，用戶輸入自己的用戶名、密碼，經(jīng)過驗(yàn)證用戶名、密碼、人臉，才可進(jìn)入系統(tǒng)界面。

(3）教師操作模塊實(shí)現(xiàn)。教師在經(jīng)過上述驗(yàn)證方式后，順利進(jìn)行教師操作系統(tǒng)，其主要包含報(bào)告管理、個(gè)人信息管理、學(xué)生管理、課程信息幾個(gè)菜單。每個(gè)菜單均有其各自功能，教師可依據(jù)自己的需求點(diǎn)擊不同菜單完成后續(xù)操作。

(4）學(xué)生操作模塊實(shí)現(xiàn)。學(xué)生在經(jīng)過一系列驗(yàn)證之后，將登陸學(xué)生操作系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要包含報(bào)告管理、個(gè)人信息管理、課程信息幾個(gè)菜單。學(xué)生可依據(jù)自己的需要點(diǎn)擊不同菜單，依據(jù)提示進(jìn)行后續(xù)操作。

(5）管理員操作模塊實(shí)現(xiàn)。管理員通過用驗(yàn)證用戶名、密碼、人臉之后登錄管理員系統(tǒng)。此系統(tǒng)擁有報(bào)告管理、個(gè)人信息管理、用戶管理、課程信息幾個(gè)菜單。管理員可依據(jù)工作要求，點(diǎn)擊不同菜單。

目前，此系統(tǒng)已在某高校進(jìn)行試運(yùn)行，且本系統(tǒng)可滿足學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)操作方式簡(jiǎn)單、安全性較高，可滿足用戶要求。

3 結(jié)語(yǔ)

基于人臉識(shí)別技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)，對(duì)推動(dòng)教育事業(yè)穩(wěn)定發(fā)展、提高教學(xué)效果具有重要意義。此管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)識(shí)別實(shí)驗(yàn)室人員出入時(shí)間，提高高校教務(wù)管理效率及管理質(zhì)量。同時(shí)，此管理系統(tǒng)的應(yīng)用可降低實(shí)驗(yàn)室管理難度，提高實(shí)驗(yàn)室管理效率、實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用率，且對(duì)提高實(shí)驗(yàn)室管理工作智能化水平具有重要意義。