基于視頻監(jiān)控的教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)的應(yīng)用研究

鄭策 ZHENG Ce；王建成 WANG Jian-cheng；鄭恒哲 ZHENG Heng-zhe；陳雪冬 CHEN Xue-dong；袁翾 YUAN Xuan；劉俊強 LIU Jun-qiang

（河南科技大學軟件學院，洛陽 471003）

0 引言

近年來，隨著科技和互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，很多行業(yè)對人流信息的統(tǒng)計有極大的需求，如火車站、公交站、地鐵站、商場出入口等人流量大的場所。通過人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)可以方便、可靠、實時地對各種場所的人流進行統(tǒng)計，而不對公眾造成任何影響。結(jié)合圖像分析技術(shù)，可以清楚快捷地掌握客流動態(tài)，提供數(shù)據(jù)支持，使決策者及時做出對策。利用圖像處理來完成人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)的主要優(yōu)點就是圖像信號非常直觀，便于人為地理解。本項目源于大學生的日常學習生活，教室作為其中一個十分特殊的公共場合，它的人數(shù)有著很重要的現(xiàn)實意義。

對大學生來說：脫離了高中緊張的學習環(huán)境，邁入高校的殿堂，缺少了老師和父母的嚴格要求，許多在校大學生作息時間紊亂，課堂到課情況不理想，出現(xiàn)缺課、曠課情況，嚴重影響到學業(yè)成績。讓學生養(yǎng)成一個好的作息習慣，規(guī)范學生的學習習慣，是很多高校最想做到的事情之一。

對同學來說：現(xiàn)在，在校大學生可以隨時隨地通過設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)操作，而目前各大高校圖書館和自習室資源普遍緊張，空閑教室往往成為許多學生自習的主要場所，但是由于不了解教室的資源使用情況，同學們尋找沒有課程且有空位的教室通常需要花費大量時間。因此，建立基于視頻監(jiān)控的教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)對大學生的學習以及學習環(huán)境至關(guān)重要。

對老師來說：統(tǒng)計出勤情況是記錄學生課程學習過程、提供平時成績評定依據(jù)的有效方法。而傳統(tǒng)考察出勤人數(shù)的方式大多耗時費力，并且存在替代簽到的情況使得數(shù)據(jù)不可靠，在浪費寶貴課堂時間的同時，也為老師增添了負擔。

因此，設(shè)計一種可方便統(tǒng)計教室內(nèi)人數(shù)并進行顯示的系統(tǒng)，有助于幫助學生快速尋找空閑教室，提高教室的資源利用率，規(guī)范學生的按時到課率以及幫助老師統(tǒng)計出勤情況。系統(tǒng)結(jié)合所學知識，通過運用目標檢測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對教室監(jiān)控視頻畫面處理分析，建立可視化界面，提供教室數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。

1 基于視頻監(jiān)控的教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)的定位與優(yōu)勢

1.1 項目宗旨

基于視頻監(jiān)控的教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)其宗旨是面向高校學生和老師，通過技術(shù)改變生活，以教室信息可視化為中心，為學生提供準確的教室信息，實現(xiàn)空閑教室資源的合理利用，節(jié)省人力物力，讓同學們能夠享受更加方便、快捷、優(yōu)質(zhì)的學習生活，同時可以幫助老師統(tǒng)計出勤情況。

1.2 項目的優(yōu)勢

①目前大多數(shù)高校只有圖書館有預約占位功能，而空閑教室資源普遍沒有被合理利用，且目前來看，在高校中教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)的市場為空白，無同類項目。②隨著科學技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控設(shè)備的成本也越來越低，并且許多高校教室原本就有視頻監(jiān)控設(shè)備，系統(tǒng)實施成本較低且可控。③本項目來源于切身的生活體驗，開發(fā)人員也為該項目的使用者，對項目功能的需求分析十分到位，所有功能的實現(xiàn)能夠完全貼近系統(tǒng)的需求。④項目內(nèi)容完全基于校園的學習生活，操作安全可控、內(nèi)容健康向上、使用方便快捷。⑤在學習之余做開發(fā)設(shè)計，既促進了學習，又提高了自己的應(yīng)用開發(fā)能力，且極大地降低了系統(tǒng)開發(fā)成本。⑥使用目前流行的技術(shù)進行項目的設(shè)計與開發(fā)，使得我們接觸并且掌握熱門流行技術(shù)，拓寬了我們的視野。⑦開發(fā)團隊穩(wěn)定，成員全部為大三學生，每年畢業(yè)生離校但新成員同步補充到位，因此項目的運行維護沒有斷點。

1.3 項目的具體功能

①視頻圖像的檢測處理。②教室數(shù)據(jù)分析和可視化。③用戶能夠?qū)ο鄳?yīng)數(shù)據(jù)進行查看。

2 項目的功能模塊設(shè)計

在團隊探討交流的基礎(chǔ)上形成了需求說明書，將系統(tǒng)的功能分為了以下幾個模塊：①數(shù)據(jù)獲取模塊：此模塊主要通過連接視頻監(jiān)控接口，獲取監(jiān)控畫面，并進行畫面的實時保存。②數(shù)據(jù)處理模塊：此模塊主要使用yolov5對獲取的視頻畫面進行處理，并保存處理后的結(jié)果將其上傳至云端服務(wù)器。③服務(wù)器管理模塊：此模塊主要將上傳來的數(shù)據(jù)進行處理后保存到云端數(shù)據(jù)庫，以及為前端提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)訪問接口。④前端顯示模塊：前端顯示模塊主要包含對獲取到的數(shù)據(jù)進行可視化處理以及項目介紹。數(shù)據(jù)可視化主要包含檢測處理后的圖像結(jié)果展示，人數(shù)統(tǒng)計展示，以及每個教室密度對應(yīng)的顏色指示燈。

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)均由后臺上傳、云端服務(wù)器獲取、云端數(shù)據(jù)庫存儲，不同的數(shù)據(jù)訪問接口具有相似的數(shù)據(jù)返回格式，降低了前后端分離帶來的成本，提高了開發(fā)速度。各模塊之間的耦合性較低，便于多人共時協(xié)同開發(fā)。項目總體實現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 項目總體實現(xiàn)流程

項目的后臺使用Python實現(xiàn)，主要負責視頻流的獲取，目標檢測處理，處理結(jié)果上傳，主要包括以下幾個方面：①capFrame()方法實現(xiàn)對視頻流的截圖并保存本地。②run()方法實現(xiàn)對圖片的處理并保存結(jié)果。③upload()方法把處理后的結(jié)果上傳至服務(wù)器。④使用多線程，使得capFrame()方法在運行時，run()方法和upload()方法也同時運行，互不影響。⑤使用方法循環(huán)，保證數(shù)據(jù)的實時性。

項目的服務(wù)器端使用JavaSSM框架和maven實現(xiàn)，主要負責后臺上傳數(shù)據(jù)的存儲，主要包括以下幾個方面：①實體類：ClassRoom.java，包含屬性：id:數(shù)據(jù)ID，photo:圖片，num:教室人數(shù)，class_name:教室名，time:時間，seat:教室座位數(shù)量。②控制器類：ClassRoomController.java，包含方法：getClasses():獲取班級列表；uploadFile():上傳數(shù)據(jù)（圖片、人數(shù)、班級名、座位數(shù)）。③實體類屬性名與數(shù)據(jù)庫表中屬性名對應(yīng)相同。

項目的數(shù)據(jù)庫用MySQL實現(xiàn)并完成數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，主要包括以下幾個方面：①確認數(shù)據(jù)庫名稱、字符集、排列順序等。②確定數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)表的名稱，一般情況下數(shù)據(jù)表的名稱和實體類的名稱一致，確定表內(nèi)所含字段的名稱、類型、長度、主鍵是否為空。③表class：如表1所示。④存儲過程函數(shù)updateClass():根據(jù)服務(wù)器端傳入的教室號數(shù)據(jù)進行判斷是否執(zhí)行插入或更新操作。

表1 數(shù)據(jù)庫class表

項目的前端用Vue框架和jQuery框架實現(xiàn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，主要包括以下幾個方面：①browserRedirect()方法根據(jù)設(shè)備類型跳轉(zhuǎn)至不同的頁面（如手機端、電腦端）。②getClass()方法調(diào)用服務(wù)器接口獲取教室信息。③times()方法定時任務(wù)，每隔5秒獲取一次班級信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的刷新。④使用Vue進行頁面渲染，v-for、v-if等方法來根據(jù)獲取到數(shù)據(jù)顯示不同內(nèi)容。

系統(tǒng)功能不做一一詳述，僅以目標檢測處理、檢測結(jié)果上傳、主界面為例做簡要描述。

3.1 目標檢測處理

此模塊運用目前流行的強悍的目標檢測技術(shù)yolov5，由于教室內(nèi)大多同學都是坐在座位，所以檢測人物模型時會有遮擋，我們改變思路，將頭部識別作為人數(shù)統(tǒng)計依據(jù)。通過訓練數(shù)據(jù)集得到的權(quán)重文件來進行圖片的頭部檢測處理，檢測后圖片處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 目標檢測后圖像

3.2 檢測結(jié)果上傳

此模塊將目標檢測處理后生成的圖像和文本文件上傳至云端服務(wù)器，之后由服務(wù)器進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)操作，關(guān)鍵代碼如下：

def upload():

#圖片所在目錄

img_dir="./runs/detect/exp_room/"

#txt文檔所在目錄

txt_dir="./runs/detect/exp_room/labels/"

#遍歷圖片目錄，將目錄中的內(nèi)容放入files

files=os.listdir(img_dir)

#遍歷files

for fi in files:

#如果該項為文件（非目錄）

if os.path.isfile(img_dir+fi):

print("上傳文件："+fi)

#打開與圖片名對應(yīng)的txt文件

num_file=open(txt_dir+fi.split(".")[0]+".txt",encoding='utf-8')

#讀取txt文件中的第一行（人數(shù)）

num=num_file.readline().split()[0]

class_name=fi.split(".")[0]

seat=class_name.split("$")[1]

class_name=class_name.split("$")[0]

#請求接口地址

url='http://srtp.achengovo.com/uploadFile'

#讀取圖片文件

file={'photo':open(img_dir+fi,'rb')}

#其余參數(shù)

data={'num':num,'class_name':class_name,"seat":seat}

print(data)

#向服務(wù)器發(fā)送post請求

response=requests.post(url,files=file,data=data)

#輸出請求結(jié)果

res=response.text

print(res)

3.3 主界面的實現(xiàn)

用戶登錄網(wǎng)址（http://srtp.achengovo.com/）后，會根據(jù)用戶設(shè)備的不同進行適配顯示，分為PC端和手機端，主頁主要包括首頁和關(guān)于項目，用戶可以根據(jù)頁面上部的導航直接進行頁面跳轉(zhuǎn)，首頁通過對云端服務(wù)器發(fā)送請求直接展示各教室的檢測數(shù)據(jù)，包括教室號、目標檢測處理后的圖片、教室人數(shù)、檢測時間和擁擠程度判斷，用戶可以直接查看信息并選擇是否要去往該教室。

首頁向服務(wù)器端發(fā)送請求獲得數(shù)據(jù)的關(guān)鍵代碼如下：

def getClasses():

#請求接口

url="http://srtp.achengovo.com/getClasses"

#發(fā)送請求

result=requests.get(url)

#將請求結(jié)果轉(zhuǎn)為json

result=result.json()

#遍歷輸出

for res in result:

print(res)

PC端主頁面展示如圖3所示。

圖3 PC端主頁面

手機端主頁面展示如圖4所示。

圖4 手機端主頁面

4 項目實施總結(jié)

基于視頻監(jiān)控的教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)已經(jīng)完成并定義為V1.0版。后期的開發(fā)還會繼續(xù)完善，擬在已經(jīng)設(shè)計的功能模塊上加入教室的課表以及教室占用的時間安排信息，并且融入可視化數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)更多方便快捷的功能。未來還會與學校教務(wù)處、網(wǎng)絡(luò)中心、圖書館以及后勤集團聯(lián)系，在獲得批準后調(diào)用教室監(jiān)控的視頻圖像接口，達到數(shù)據(jù)的精準、完整。

項目已經(jīng)在河南科技大學軟件學院學生會、青協(xié)進行推廣，團隊成員及時了解到用戶使用過程中的反饋意見，并一一記錄，通過團隊的討論給出解決方案，同時在系統(tǒng)的運行過程中不斷添加功能并解決相關(guān)異常，目前程序運行穩(wěn)定，反饋良好，項目開發(fā)過程形成的1.0版本取得了滿意的效果。后期還要在功能模塊上細化功能的實現(xiàn)，同時優(yōu)化相關(guān)代碼。