基于人臉特征識別的高校查寢系統(tǒng)

◆張曉惠 楊雄

基于人臉特征識別的高校查寢系統(tǒng)

◆張曉惠1通訊作者楊雄2

（1.福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院阿里巴巴大數(shù)據(jù)學(xué)院 福建 350108；2.福州大學(xué)至誠學(xué)院計算機(jī)工程系 福建 350002）

鑒于目前高校查寢制度的不足，本文設(shè)計了一套基于微信小程序和人臉識別技術(shù)的高校查寢系統(tǒng)，以反饋學(xué)生晚間在校的情況。系統(tǒng)采用LAMP環(huán)境，即項目部署在阿里云ECS上，以Apache作為Web服務(wù)器，MySQL作為數(shù)據(jù)庫軟件，PHP作為開發(fā)語言，并接入百度在線人臉識別API完成人臉數(shù)據(jù)庫的管理和人臉?biāo)阉鱉:N識別。該系統(tǒng)中，輔導(dǎo)員發(fā)布隨機(jī)限時查寢任務(wù)，系統(tǒng)發(fā)出短信通知學(xué)生。學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)上傳宿舍合照，系統(tǒng)即時進(jìn)行人臉?biāo)阉鱉:N識別得到簽到結(jié)果，并在查寢結(jié)束后以郵件形式發(fā)送未簽名單通知輔導(dǎo)員。實驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實現(xiàn)人臉識別簽到，有效解決查寢結(jié)果統(tǒng)計問題，減輕輔導(dǎo)員的負(fù)擔(dān)，為學(xué)生安全提供保障。

微信小程序；人臉識別；查寢系統(tǒng)

隨著計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)今社會正向數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化大步邁進(jìn)[1]，高校信息化管理需求越來越顯著。全國各高校都有晚間查寢制度，以確保學(xué)生晚間在校情況，保障學(xué)生安全。然而，大多數(shù)高校仍采取傳統(tǒng)的查寢方式，傳統(tǒng)的查寢方式有人工查寢、指紋簽到等。人工查寢存在以下問題：工作量大，查寢效率、頻率低，存在人為干擾因素；大多采用紙質(zhì)文檔記錄[2]，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和及時性差。而指紋簽到，容易有指紋膜作假，由他人代打簽到，且簽到效率低，往往需要排隊等候。

傳統(tǒng)的查寢方式不能準(zhǔn)確、高效地反饋學(xué)生晚間在宿舍的真實情況[3]，很難滿足高校規(guī)范化管理的要求。為解決現(xiàn)階段高校宿舍查寢制度的不足，我們使用微信小程序結(jié)合人臉特征識別技術(shù)開發(fā)了一套高校查寢系統(tǒng)。在不需要任何的高科技的儀器下，只需要一部手機(jī)，就能完成宿舍的查寢工作，減輕輔導(dǎo)員的工作負(fù)擔(dān)，極大地提高了查寢簽到的便利性、靈活性與準(zhǔn)確性[4-6]。

1 人臉特征識別

人臉特征識別作為一種重要的生物特征識別技術(shù)，近年來在移動支付、電子銀行、公安刑偵和身份認(rèn)證等諸多領(lǐng)域得到廣泛使用。由于傳統(tǒng)人臉特征識別主要是采用基于特征點的方法、基于模型的方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，都存在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集大和精度不高等缺陷。本文主要介紹基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的人臉特征識別技術(shù)。

相比傳統(tǒng)的人臉特征識別，深度學(xué)習(xí)技術(shù)可以自動從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)特征，能夠從樣本中無監(jiān)督的學(xué)習(xí)。常用的深度學(xué)習(xí)模型為多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能逐層對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，其功能非常強(qiáng)大[7]。

2 系統(tǒng)需求分析

高校查寢系統(tǒng)需要將查寢通知、人臉識別、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等相關(guān)工作所涉及的業(yè)務(wù)進(jìn)行整合，構(gòu)建一套能夠準(zhǔn)確、高效地反饋學(xué)生晚間在寢情況的查寢系統(tǒng)。高校查寢系統(tǒng)的最終目的是減輕輔導(dǎo)員工作負(fù)擔(dān)，保障學(xué)生人身安全。本系統(tǒng)應(yīng)滿足以下需求：告別傳統(tǒng)的查寢方式，使用智能手機(jī)完成查寢任務(wù)；以短信提醒學(xué)生查寢開始，查寢結(jié)束后以郵件告知輔導(dǎo)員未簽到名單；能夠準(zhǔn)確地識別宿舍成員，并記錄每次的查寢結(jié)果；對歷史查寢數(shù)據(jù)進(jìn)行對比展示，為輔導(dǎo)員后續(xù)管理學(xué)生提供決策依據(jù)[8-9]。

2.1 用戶權(quán)限分析

結(jié)合實際情況將查寢系統(tǒng)的用戶分為3類：學(xué)生、輔導(dǎo)員、系統(tǒng)管理員。每類角色用戶的權(quán)限如下：

（1）學(xué)生：學(xué)生作為被管理者，僅在有業(yè)務(wù)需求時訪問，所以對系統(tǒng)只有較低權(quán)限，如上傳照片、查詢歷史記錄等。

（2）輔導(dǎo)員：輔導(dǎo)員作為高校學(xué)生的直接管理者，擁有較高權(quán)限。輔導(dǎo)員為學(xué)生的人身安全負(fù)責(zé)，因此格外需要關(guān)注學(xué)生的晚歸情況。有多少人晚歸，為什么晚歸，以及學(xué)生未簽到次數(shù)，輔導(dǎo)員需要了解這些情況，才能保證學(xué)生的安全。本小程序中，輔導(dǎo)員可以發(fā)布隨機(jī)限時查寢任務(wù)，以起到突擊檢查的作用。同時可以查看學(xué)生上傳的照片，防止照片作假，并根據(jù)未簽到名單打電話詢問未歸的學(xué)生。

（3）系統(tǒng)管理員：系統(tǒng)管理員擁有最高權(quán)限，一般由系統(tǒng)開發(fā)人員或校園網(wǎng)絡(luò)中心工作人員擔(dān)任，主要職責(zé)是用戶管理，維護(hù)系統(tǒng)及保證系統(tǒng)正常運行，通常不參與系統(tǒng)的使用。

2.2 業(yè)務(wù)流程分析

首次使用本系統(tǒng)前，輔導(dǎo)員需要在Web后臺管理系統(tǒng)導(dǎo)入學(xué)生的身份信息和證件照，以創(chuàng)建人臉庫。查寢功能是整個系統(tǒng)的核心和難點所在，完成一次查寢的業(yè)務(wù)流程大致如下：

（1）輔導(dǎo)員登錄小程序，隨機(jī)或指定抽取宿舍，設(shè)置好時間后，發(fā)布查寢任務(wù)，發(fā)出短信通知；

（2）學(xué)生收到短信通知后，按照要求進(jìn)行宿舍合照后并上傳。經(jīng)人臉?biāo)阉鱉:N識別后，判斷學(xué)生是否在人臉數(shù)據(jù)庫中的指定用戶組，最后將識別出的同學(xué)標(biāo)記為簽到成功，即時反饋簽到結(jié)果。

（3）查寢時間結(jié)束后，系統(tǒng)將未簽人員名單以郵件的形式發(fā)送給輔導(dǎo)員，由輔導(dǎo)員提醒未歸的同學(xué)及時歸寢。輔導(dǎo)員可隨時查看學(xué)生上傳的合照和簽到統(tǒng)計情況。查寢業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

圖1 查寢流程圖

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

高校查寢系統(tǒng)涉及的主要技術(shù)包括：微信小程序、云服務(wù)、Web開發(fā)和人臉識別API的應(yīng)用。微信小程序和Web后臺管理系統(tǒng)的后端均使用ThinkPHP5.0框架，且后臺管理系統(tǒng)的前端基于Layui-mini，大大地簡化了系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)采用LAMP環(huán)境，即項目部署在阿里云ECS上，以Apache作為Web服務(wù)器，MySQL作為數(shù)據(jù)庫軟件，PHP作為開發(fā)語言，并接入百度在線人臉識別API完成人臉數(shù)據(jù)庫的管理和人臉?biāo)阉鱉:N識別[10]。

前端分別涉及：微信小程序和Web瀏覽器。之所以選用微信小程序作為高校查寢系統(tǒng)的平臺，是因為微信小程序，輕巧，無需安裝，基本上不占運行內(nèi)存，易開易關(guān)，方便輔導(dǎo)員和學(xué)生輕松使用。在不需要任何的高科技的儀器下，只需要一部手機(jī)，就能完成查寢與統(tǒng)計工作，極大地提高了查寢簽到的便利性和靈活性。系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

3.2 功能模塊設(shè)計

本系統(tǒng)的主要功能模塊由四個部分組成，分別是：輔導(dǎo)員模塊、學(xué)生模塊、個人中心模塊以及Web后臺管理模塊。

（1）輔導(dǎo)員模塊

該模塊包括快捷登錄，發(fā)布查寢任務(wù)，短信通知，查看宿舍合照、未簽名單和數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能。如果輔導(dǎo)員事先在小程序個人中心綁定微信openid[11]，即可快捷登錄，免去每次登錄都要輸入賬號密碼。進(jìn)入小程序后，輔導(dǎo)員隨機(jī)或指定抽取宿舍，生成查寢名單，由系統(tǒng)發(fā)生短信通知學(xué)生。另外，輔導(dǎo)員可以隨時查看學(xué)生上傳的宿舍合照，以及某天查寢的未簽到名單、簽到情況占比和查寢折線圖等。

（2）學(xué)生模塊

該模塊包括查看查寢名單，拍照上傳，人臉識別以及回顧歷史查寢合照等功能。在查寢名單中的學(xué)生會收到短信通知，按照要求進(jìn)行宿舍合照后并上傳，系統(tǒng)即時進(jìn)行人臉?biāo)阉鱉:N識別，并反饋簽到結(jié)果。

M:N識別的原理，相當(dāng)于在多個人臉的圖片中，先分別找出所有人臉，然后分別在待查找的人臉集合中，分別做1:N識別，最后將識別結(jié)果匯總在一起進(jìn)行返回。

（3）個人中心模塊

該模塊包括以下幾點功能：個人基本信息的查詢與修改；綁定/解綁微信openid，修改手機(jī)、郵箱、密碼；學(xué)生可以查看每個月的簽到情況；輔導(dǎo)員有回收站功能，存放著被刪除的查寢記錄，保留31天；小程序的意見反饋功能。

（4）Web后臺管理模塊

該模塊在瀏覽器使用，包括兩類功能：一類是對學(xué)生的基本信息管理，如學(xué)號、姓名、性別、年級、系別、宿舍、人臉照片等。實現(xiàn)對學(xué)生信息的查詢、增加、刪除、修改，以及批量導(dǎo)入學(xué)生信息、人臉照片。人臉照片是實現(xiàn)人臉識別的基礎(chǔ)，輔導(dǎo)員首次使用本系統(tǒng)前需要導(dǎo)入學(xué)生的證件照，以創(chuàng)建人臉庫。另一類是對查寢結(jié)果產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和統(tǒng)計，如查寢記錄與統(tǒng)計報表。查寢記錄保留著每次查寢各個宿舍學(xué)生的簽到與未簽到狀態(tài)，方便輔導(dǎo)員查看。統(tǒng)計報表則展示每周查寢的整體情況，如抽查率、簽到率，并以曲線圖的形式直觀反映查寢情況的占比，為輔導(dǎo)員后續(xù)管理學(xué)生宿舍提供決策依據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫使用MySQL，數(shù)據(jù)庫中的信息包括輔導(dǎo)員和學(xué)生的基本信息，宿舍信息，查寢記錄，簽到結(jié)果和系統(tǒng)設(shè)置等。其中，查寢記錄是每次查寢每個宿舍的數(shù)據(jù)；簽到結(jié)果是每次查寢時每個學(xué)生人臉識別簽到的數(shù)據(jù)。查寢記錄和簽到結(jié)果是對查寢數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表的基礎(chǔ)。系統(tǒng)整體E-R圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)E-R圖

4 查寢系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 微信小程序（輔導(dǎo)員）

輔導(dǎo)員登錄小程序后，進(jìn)入抽取宿舍頁面，修改要抽取男生宿舍與女生宿舍的數(shù)量，便可隨機(jī)抽取相應(yīng)數(shù)量的宿舍，若輸入值超過宿舍數(shù)量則取最大值。輔導(dǎo)員還可以自定義添加宿舍。每次的抽簽結(jié)果都會生成宿舍和隨機(jī)號碼，要求學(xué)生按照隨機(jī)號碼做出相應(yīng)手勢拍照，防止學(xué)生拍攝提前準(zhǔn)備好的照片蒙混過關(guān)。當(dāng)設(shè)置完開始時間和截止時間后，便可確定最終查寢名單，同時系統(tǒng)以發(fā)送短信驗證碼的形式通知被抽查到的宿舍成員。

待查寢結(jié)束后，系統(tǒng)自動發(fā)送郵件告知輔導(dǎo)員未簽名單，輔導(dǎo)員可以查看學(xué)生上傳的合照進(jìn)行核實，打電話詢問未歸的學(xué)生。進(jìn)入“統(tǒng)計”頁面，點擊上方日歷，選定某一天查看當(dāng)天的查寢結(jié)果，即查寢的占比、未簽到人員名單。點擊右上角的更多，可以查看近七天以及近三十天的統(tǒng)計折線圖與該時段未簽到人員排行榜。統(tǒng)計頁面、查寢折線圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 統(tǒng)計頁面

圖5 查寢折線圖

4.2 微信小程序（學(xué)生）

學(xué)生收到短信通知后，登錄小程序。進(jìn)入“查寢記錄”，學(xué)生初始都是未簽到狀態(tài)。點擊右上角的“上傳照片”，學(xué)生只能調(diào)用攝像頭進(jìn)行拍照，若對合照不滿意，可以刪除再拍。上傳照片后，系統(tǒng)即時進(jìn)行人臉?biāo)阉鱉:N識別，判斷學(xué)生是否在人臉數(shù)據(jù)庫中的指定用戶組，最后將識別出的同學(xué)標(biāo)記為簽到成功，并將查寢結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中。未簽到狀態(tài)圖、簽到狀態(tài)圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 未簽到狀態(tài)圖

圖7 簽到狀態(tài)圖

4.3 Web后臺管理系統(tǒng)

輔導(dǎo)員的賬號由系統(tǒng)管理員提供。首次使用本系統(tǒng)之前，輔導(dǎo)員需要在Web后臺管理系統(tǒng)的宿舍管理頁面，導(dǎo)入學(xué)生信息為學(xué)生創(chuàng)建賬號，上傳學(xué)生證件照為學(xué)生注冊人臉。在首頁可以查看每日/周查寢的整體情況，如抽查率、簽到率等，以及直觀的簽到曲線圖，為輔導(dǎo)員后續(xù)管理學(xué)生宿舍提供決策依據(jù)。Web后臺管理系統(tǒng)首頁如圖8所示。

圖8 Web后臺管理系統(tǒng)

5 結(jié)語

本文針對目前高校查寢制度所存在的不足，設(shè)計一套基于微信小程序和人臉識別技術(shù)的高校查寢系統(tǒng)，以反饋學(xué)生晚間在校的情況。實驗結(jié)果證明，本系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地識別出對應(yīng)學(xué)生并完成查寢統(tǒng)計工作，相對于傳統(tǒng)的簽到系統(tǒng)有著更好的實用性、經(jīng)濟(jì)性和魯棒性，對校園信息化建設(shè)的發(fā)展有著積極的推動作用。

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2019年福建省教育廳青年基金項目（JAT191098）