基于人臉識(shí)別技術(shù)的智能講臺(tái)的設(shè)計(jì)

黃燕琴

基于人臉識(shí)別技術(shù)的智能講臺(tái)的設(shè)計(jì)

黃燕琴

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，福建漳州363000）

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”及智能化技術(shù)的普及，終將形成新一代的教育教學(xué)模式，即“互聯(lián)網(wǎng)+教育”模式，筆者就是利用基于人臉識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)管理的信息化和自動(dòng)化.其關(guān)鍵技術(shù)是人臉識(shí)別技術(shù)，以Matlab為平臺(tái)，對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，統(tǒng)計(jì)人臉像素比例信息，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，講臺(tái)數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程教學(xué)服務(wù)器對(duì)接可實(shí)現(xiàn)教學(xué)管理智能化.

智能講臺(tái)；人臉識(shí)別；二值化；互聯(lián)網(wǎng)+

隨著電子技術(shù)時(shí)代的到來，以信息技術(shù)為核心的多媒體技術(shù)得到了快速的發(fā)展，于是出現(xiàn)了多媒體教室，即把講臺(tái)桌、展示臺(tái)、計(jì)算機(jī)、顯示屏、投影儀、控制器及音響設(shè)備等整合在一起的多媒體講臺(tái)［1］.近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)，再從物聯(lián)網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展變化，以及智能化技術(shù)的普及，終將形成新一代的教育教學(xué)模式，即“互聯(lián)網(wǎng)+教育”模式，以信息化、智能化為核心的智能講臺(tái)的設(shè)計(jì)需求也將應(yīng)運(yùn)而生.

隨著各式各樣的多媒體講臺(tái)及配套設(shè)備進(jìn)入學(xué)校，在為師生提供更方便、更多樣化的多媒體教學(xué)的同時(shí)，也在這個(gè)過程中暴露出了一些問題，這些問題經(jīng)過歸納可總結(jié)為4點(diǎn).

（1）多媒體講臺(tái)的設(shè)備及輔助配套設(shè)施越來越豐富，內(nèi)部的各類教學(xué)軟件，造成了整個(gè)系統(tǒng)難以進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃和管理，各設(shè)備之間相對(duì)分散，不能進(jìn)行很好的流暢操作［2］.

（2）多媒體附加的單元越來越多，使得使用者的難度提高，管理者和維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)也在增加［3］.

（3）多媒體講臺(tái)各個(gè)設(shè)備的操作都相對(duì)分散和獨(dú)立，不夠清晰、統(tǒng)一，使用者需要花費(fèi)很多時(shí)間熟悉，增大了使用難度.

（4）講桌的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單一，不夠人性化.

為解決現(xiàn)有傳統(tǒng)多媒體講臺(tái)技術(shù)中的不足，智能化講臺(tái)旨在設(shè)計(jì)一款能夠人臉自動(dòng)識(shí)別學(xué)生、一鍵自啟動(dòng)、實(shí)現(xiàn)學(xué)生考勤登記、教師自動(dòng)識(shí)別及簽到，并最終通過網(wǎng)絡(luò)把相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)浇虒W(xué)管理系統(tǒng)，針對(duì)中小學(xué)課堂，還增加了學(xué)生人體溫度監(jiān)測(cè)等多種功能的信息化智能講臺(tái).

1基于人臉識(shí)別技術(shù)的信息化智能講臺(tái)的設(shè)計(jì)

基于人臉識(shí)別技術(shù)考勤、一鍵啟動(dòng)講臺(tái)設(shè)備、身份識(shí)別自動(dòng)教學(xué)評(píng)價(jià)，還有環(huán)境及人體紅外體溫健康監(jiān)測(cè)為一體的信息化智能講臺(tái).再通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)講臺(tái)數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程教學(xué)服務(wù)器的對(duì)接與管理.

1.1智能化講臺(tái)的主體部分

智能化講臺(tái)，包括講臺(tái)本體、中央控制器、計(jì)算機(jī)主機(jī)、顯示屏、投影儀和音響設(shè)備，講臺(tái)本體的側(cè)面上滑動(dòng)設(shè)有抽拉式的控制柜、展示臺(tái)和鍵盤托板，中央控制器設(shè)在控制柜內(nèi)，計(jì)算機(jī)主機(jī)和音響設(shè)備設(shè)在講臺(tái)本體的內(nèi)部，顯示屏嵌設(shè)在講臺(tái)本體臺(tái)面的一端，投影儀設(shè)在講臺(tái)本體臺(tái)面的另一端，鍵盤托板上設(shè)有鍵盤和鼠標(biāo)，顯示屏、鍵盤和鼠標(biāo)分別與計(jì)算機(jī)主機(jī)電連接，計(jì)算機(jī)主機(jī)、投影儀和音響設(shè)備分別與中央控制器電連接（見圖1）.

圖1信息化智能講臺(tái)

智能化講臺(tái)還包括升降臺(tái)、升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、攝像頭、人臉識(shí)別器、人體溫度監(jiān)測(cè)器、報(bào)警器和存儲(chǔ)器，升降臺(tái)設(shè)在講臺(tái)本體臺(tái)面另一端的上方，升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)在講臺(tái)本體內(nèi)部，升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以是氣缸或升降電機(jī)等.升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上設(shè)有支撐桿，該支撐桿延伸出講臺(tái)本體的臺(tái)面，并與升降臺(tái)固定連接，攝像頭和人體溫度監(jiān)測(cè)器分別設(shè)在升降臺(tái)上，升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)升降臺(tái)所處的高度，根據(jù)不同學(xué)生的高度調(diào)整攝像頭和人體溫度監(jiān)測(cè)器所處的位置.

人臉識(shí)別器、報(bào)警器、存儲(chǔ)器設(shè)在控制柜內(nèi)或講臺(tái)本體內(nèi)部；攝像頭通過人臉識(shí)別器與中央控制器電連接，人體溫度監(jiān)測(cè)器、報(bào)警器、存儲(chǔ)器和升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別與中央控制器電連接.講臺(tái)本體、中央控制器、計(jì)算機(jī)主機(jī)、顯示屏、投影儀和音響設(shè)備，講臺(tái)本體的側(cè)面上滑動(dòng)設(shè)有抽拉式的控制柜、展示臺(tái)和鍵盤托板，控制柜、展示臺(tái)分別設(shè)在講臺(tái)本體相對(duì)的兩側(cè)面上，中央控制器設(shè)在控制柜內(nèi)，計(jì)算機(jī)主機(jī)和音響設(shè)備設(shè)在講臺(tái)本體的內(nèi)部，講臺(tái)本體臺(tái)面的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接有翻轉(zhuǎn)臺(tái)，顯示屏嵌設(shè)在翻轉(zhuǎn)臺(tái)上，投影儀設(shè)在講臺(tái)本體臺(tái)面的另一端，鍵盤托板上設(shè)有鍵盤和鼠標(biāo)，顯示屏、鍵盤和鼠標(biāo)分別與計(jì)算機(jī)主機(jī)電連接，計(jì)算機(jī)主機(jī)、投影儀和音響設(shè)備分別與中央控制器電連接.

1.2智能化講臺(tái)的控制柜

控制柜由設(shè)在講臺(tái)本體內(nèi)部的第一電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)，展示臺(tái)由設(shè)在講臺(tái)本體內(nèi)部的第二電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)，鍵盤托板由設(shè)在講臺(tái)本體內(nèi)部的第三電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)，翻轉(zhuǎn)臺(tái)由設(shè)在講臺(tái)本體內(nèi)部的第四電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)，第一電動(dòng)推桿、第二電動(dòng)推桿、第三電動(dòng)推桿和第四電動(dòng)推桿分別與中央控制器電連接；講臺(tái)本體的臺(tái)面上設(shè)有與中央控制器電連接的一次啟動(dòng)鍵.

1.3智能講臺(tái)的整機(jī)實(shí)現(xiàn)

攝像頭獲取學(xué)生臉部圖像信息并發(fā)送至人臉識(shí)別器，人臉識(shí)別器提取存儲(chǔ)器中預(yù)存儲(chǔ)的臉部圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行比較識(shí)別并生成識(shí)別數(shù)據(jù)，人臉識(shí)別器完成識(shí)別后將識(shí)別數(shù)據(jù)發(fā)送至中央控制器進(jìn)行處理，中央控制器根據(jù)識(shí)別數(shù)據(jù)生成學(xué)生考勤情況表，保存至存儲(chǔ)器，同時(shí)通過局域網(wǎng)傳輸?shù)浇虅?wù)管理系統(tǒng)中備案，或是通過互聯(lián)網(wǎng)把學(xué)生考勤情況表保存到云端服務(wù)器中.

人體溫度監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)學(xué)生的人體溫度，并將測(cè)得人體溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至中央控制器處理，中央控制器配合人臉識(shí)別所得的識(shí)別數(shù)據(jù)生成當(dāng)日學(xué)生體溫表，保存至存儲(chǔ)器及云端服務(wù)器中，當(dāng)人體溫度超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，中央控制器控制報(bào)警器發(fā)出警報(bào).

固定攝像頭和人體溫度監(jiān)測(cè)器的升降臺(tái)高度的調(diào)整可通過手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整.手動(dòng)調(diào)整是通過按鍵來控制升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上升與下降，自動(dòng)調(diào)整是中央控制器根據(jù)攝像頭獲取的學(xué)生臉部圖像信息與人臉識(shí)別器經(jīng)識(shí)別生成的數(shù)據(jù)，來判斷是否已經(jīng)得到完整臉部特征，如果臉部位置偏低，則降低升降臺(tái)，否則提高升降臺(tái)位置.

電子鎖為NFC電子鎖、RFID電子鎖或指紋識(shí)別電子鎖.中央控制器在確認(rèn)教師身份合法后自動(dòng)開啟多功能智能講臺(tái)，多次判斷身份失敗，則拒絕開啟講臺(tái)，并通過報(bào)警器報(bào)警.

當(dāng)觸發(fā)一次啟動(dòng)鍵時(shí)，中央控制器控制計(jì)算機(jī)主機(jī)、顯示屏、投影儀、音響設(shè)分別啟動(dòng).還可以根據(jù)需要設(shè)定設(shè)備的開啟個(gè)數(shù)和各設(shè)備的開啟順序.當(dāng)觸發(fā)一次關(guān)閉鍵時(shí)，中央控制器控制計(jì)算機(jī)主機(jī)、顯示屏、投影儀、音響設(shè)備分別關(guān)閉.關(guān)閉時(shí)，也可以根據(jù)需要設(shè)定各設(shè)備的關(guān)閉順序.

2人臉識(shí)別技術(shù)

2.1邊緣檢測(cè)的圖像二值化處理

人臉識(shí)別特指利用分析比較人臉視覺特征信息進(jìn)行身份鑒別的計(jì)算機(jī)技術(shù).人臉識(shí)別是一項(xiàng)熱門的計(jì)算機(jī)技術(shù)研究，在生活中許多方面都有著重要應(yīng)用.在各種圖像處理系統(tǒng)中，現(xiàn)有圖像處理中邊緣檢測(cè)的圖像二值化算法是一種較好的方法，得到了廣泛應(yīng)用.在進(jìn)行圖像二值化操作前要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括彩色圖像灰化和增強(qiáng)［3］.常用的灰度均衡實(shí)現(xiàn)算法主要是直方圖均衡化［4-6］.

設(shè)原始圖像為g(x，y)，利用下式可得到拉普拉斯高斯算子的輸出：h(x，y)：

采用卷積定理，式子可以轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

式中：Δ2為拉普拉斯運(yùn)算：

根據(jù)模板寬度w選擇δ的取值，假如w相對(duì)于δ取得小，則邊緣位置精度高；反之，如果w相對(duì)于δ取得大，則檢測(cè)出來的邊緣位置會(huì)偏離真實(shí)邊緣過大，且會(huì)濾掉一些重要的細(xì)節(jié)部分.找出原始圖像g(x，y)中的所有邊緣像素點(diǎn)后，求取這些像素點(diǎn)灰度的平均值Vh，用Vh為閾值.二值化后的圖像pw(x，y)：

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)人臉圖像做二值化，統(tǒng)計(jì)像素比例信息，得到人臉識(shí)別結(jié)果.基于圖像網(wǎng)格分析做處理，得到分析結(jié)果.二值化圖像既保留了原始圖像的主要特征，又在很大程度上壓縮了原始信息量，而且它避免了乘法運(yùn)算，比灰度級(jí)圖像更適合符號(hào)法表示［7-8］.圖像二值化分析法也是一種經(jīng)典的處理方式.這里將人臉圖像打上網(wǎng)格，對(duì)區(qū)域塊圖像做二值分析，通過像素比例來做處理，得到人臉區(qū)域（見圖2）.

Matlab圖像處理工具箱提供了bwarea函數(shù)用來提取二值化圖像的面積.應(yīng)用這一點(diǎn)就可以比較二值圖像面積，從而得到相對(duì)的識(shí)別率0.921 4.

3結(jié)語

邊緣檢測(cè)的二值化處理方法是人臉識(shí)別的重要技術(shù)，講臺(tái)就是基于人臉識(shí)別技術(shù)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)學(xué)生和教師的識(shí)別及考勤登記，并把這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)與教務(wù)系統(tǒng)交互共享.人體紅外溫度監(jiān)測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)，特別適合小學(xué)或幼兒園.“互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)管理”通過互聯(lián)網(wǎng)把講臺(tái)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至云端及校園服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)、教務(wù)管理.筆者下一步將綜合考慮人臉表情的識(shí)別，進(jìn)一步優(yōu)化智能講臺(tái).

圖2MATLAB仿真效果圖

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On the Design of Intelligent Platform Based on Face Recognition Technology

HUANG Yan-qin
（Department of Electronic Engineering,Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou 363000,Fujian,China）

With the popularization of"Internet+"and intelligent technology,a new generation of education and teaching model will be formed,namely,"Internet+Education".This project is based on face recognition technology to realize the informationization and automation of teaching management.The key technology is the face recognition technology,with matlab as a platform for binary image processing and statistics face pixel ratio information.Based on the network technology,the platform data and the long-distance teaching server docking may realize the teaching management intelligence.

intelligent platform；face recognition；binarization；Internet+

TP391.4%

A%%%

1007-5348（2017）03-0025-04

（責(zé)任編輯：歐愷）

2016-11-29

黃燕琴(1982-)，女，福建漳浦人，漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系講師；研究方向：電子信息技術(shù).