基于人臉識別的智能課堂點名系統

荊洲++權偉++唐杰++晏寒

摘 要：為解決傳統課堂點名方式所帶來的耗時長、效率低、可靠性差等問題，本文分析并設計了一種基于人臉識別（FRT）的智能課堂點名系統。系統采用B/S結構，綜合使用Access數據庫技術、Web網頁設計技術，以及C#編程技術，統一了客戶端，將系統功能實現的核心部分集中到服務器上。本文對系統進行了總體流程規劃，為保證實現系統功能，設計出人臉檢測程序、數據庫、網頁三個模塊。實驗結果表明，系統實用性強、便捷性好，較傳統點名方式簽到準確率和課堂效率均得到明顯提高。

關鍵詞：人臉識別；智能課堂點名系統；Web開發；C#編程

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

上課點名是教師督促學生學習、提高學生自覺性的一種基本方法，并能作為評定學生平時成績的依據之一。但傳統課堂紙質點名方式既占用課堂時間；又影響教師教學積極性和學生求知熱情，降低課堂質量。

本文分析并設計了一種基于人臉識別（FRT）的智能課堂點名系統。系統采用B/S結構[瀏覽器（Browser）/服務器（Server）結構]。B/S結構的用戶界面是通過瀏覽器來實現的，并且瀏覽器界面只承擔少量邏輯運算，大部分指令邏輯交由服務器完成。在這種模式下，減少了瀏覽器界面的運行負荷，有利于系統維護和升級改造[1]。瀏覽器通過Web Server同Access數據庫進行數據交互，Access既可以用于小型數據庫系統開發，又可以作為大中型數據庫應用系統的輔助數據庫或組成部分。Access將數據庫信息與Web結合，可以更方便地共享跨越各種平臺和不同用戶級別的數據[2]。本文采用Asp.net開發平臺進行Web設計。Asp.net在執行的過程中，能夠使用VB和C#等多種編程語言，并能夠將其編譯成能夠被解釋的MSIL程序語言，這就為中層語言的執行功能提供了多種語言的使用權限，大大增強了其使用優勢[3]。

上課點名是學校教學管理中必不可少的手段之一，隨著科技的進步和發展，不少高校采用新的方式或系統進行點名。美國佛羅里達的一所學校通過掃描指紋的方式點名，英國郡伊利市的一所社區學院通過用紅外線掃描學生人臉進行識別的方式點名；國內有的學校將RFID即無線射頻識別技術與SMART CARD結合進行點名，有的學校通過短信貓接收學生短信進行點名等。這些點名方式或系統都借助了專有設備進行點名，不僅成本高，推廣難，操作流程也十分不便[4]。為解決上述問題，本文綜合應用人臉識別技術、圖形處理技術、匯編語言技術、網站制作技術等，設計出人臉檢測程序、數據庫、網頁并將三者互聯，形成一個完整系統。本系統的研發可上課時間得到更加充分的利用，便于教師授課，節省寶貴的課堂時間，提升課堂效率。系統操作界面方便、檢索信息迅速、查找方便、可靠性高、易推廣。

2 智能課堂點名系統方案設計（Design of the

intelligent student attendance system）

現有的課堂智能點名系統結構形式都很簡單，主要突出了對sttuts的應用和替簽現象的解決，在數據庫方面沒有完全達到“智能”[5]。本文所設計的基于人臉識別的智能課堂點名系統是一種結構嚴謹、邏輯性強的系統，其方案流程為：

教師或攝像頭拍攝課堂照片并上傳至系統網站。網站中的人臉識別程序利用大小可變的矩形框框定照片中人臉圖像，將其提取、存檔至以時間命名的文件夾中，同時更新數據庫的對應內容。學生登錄系統，跳轉至學生簽到界面，依據學期、課程代碼和簽到次數進行查詢，檢索出本次簽到的人臉圖像表。學生在呈現的表格中識別自己的人臉圖像，選定圖像后提交，網頁將自動依據GridView中被選定的按鈕對應行的人臉圖像地址捕捉，通過登錄頁面傳遞的各項基準信息，利用update語句更新相應數據庫表格中學生的簽到圖片地址。當學生誤選人臉圖像時，可再次選擇人臉圖像；當學生發現自己實到卻無自己人臉圖像，可前往查詢頁面查詢本次點名大圖，觀察人臉識別程序是否切割出其人臉；當學生誤選人臉圖像并發現自己實到卻無自己人臉圖像，可通過重置按鈕清空數據庫對應內容后前往查詢頁面查詢。出現上述幾類情況時，學生可向教師留言報錯；同時，教師在收到學生報錯的留言后，可進入查詢頁面查看大圖進行判斷，告知留言學生簽到情況無誤或確定其出勤。教師通過查看學生選定的人臉圖像結果和該生對應的教務圖像信息，根據二者是否一致，判斷簽到者是否為學生本人，勾選確定按鈕，最終提交更新，以此作為評定學生平時成績的依據。管理員根據情況定期維護。

具體的系統流程圖如圖1所示。

3 系統軟件的設計和實現（Design and implementation

of system software）

3.1 人臉識別程序設計

作為系統的核心部分，人臉識別程序的研發顯得尤為重要。通常所說的人臉檢測就是從給定的圖像或視頻中判定人臉的數目、位置和大小[6]。人臉檢測系統輸入可能包含人臉的圖片，輸出在圖片切割出的人臉圖像信息。

在實際人臉圖像處理過程中，人臉圖像的遮擋會經常出現，如頭發、口罩、圍巾等，而遮擋對人臉識別有很大的影響。如何準確、自動地檢測人臉遮擋區域成為遮擋人臉識別處理的關鍵問題之一[7]。

實現人臉識別的方法多種多樣，我們選擇基于Emgu CV的環境利用熟知的C#語言進行設計、開發。Emgu CV是一個跨平臺的、封裝Open CV的圖像處理庫，因其可靠性高、易于配置被廣泛應用。人臉識別程序設計過程為：在Visual Studio操作界面中適配Emgu CV環境，調用haarcascade_frontalface_default.xml圖形庫進行識別，利用大小可變的矩形框體框定照片中人臉圖像，如圖2所示，將其提取、存檔至以時間命名的文件夾中，同時更新數據庫的對應內容。

3.2 數據庫設計

本文根據課堂實際點名情況，在access數據庫中建立6個基本信息表格，具體內容如表1所示。

表1 數據庫表

Tab.1 Database table

表格名稱 表格內容

簽到記錄表

（tb_CheckInRecords） 本表記錄了學生簽到和對應的教師確認信息，以學生學號為主鍵對應的學期、課程代碼、選定的人臉圖像信息和雙方的留言等內容

人臉圖像存儲表

（tb_Course2Images） 為保存每次課堂由人臉識別程序提取出的圖像信息，制作本表保存對應的提取圖像和其所在課程、學期、點名次數的大圖

課程信息表（tb_Courses） 本四張表格分別登記和記錄課程信息，學生基本信息和登錄賬戶，教師基本信息和登錄賬戶，以及管理員登錄賬戶，便于網頁設置權限和定期維護

學生信息表（tb_Students）

教師信息表（tb_Teacher）

管理員信息表（tb_Users）

3.3 網頁設計

網頁前端設計采用html5+css3技術，創建了基于bootstrap的扁平化網頁，其界面美觀，動畫效果流程，有質感。html5具有以下優點：（1）提高可用性和改進用戶的友好體驗；（2）可移植性好。css3可以使用新的定制設計的選擇器和屬性，這些變化改進不但使得以往特定效果需要實現的代碼得到了顯著優化，還可以設計出眾多新式的客戶端特效[8]。網頁后端設計采用Asp.net技術，Asp.net完全基于模塊與組件，其可擴展性好、可定制性強，采用Asp.net技術開發可有效縮短Web應用程序的開發時間。

由于網頁訪問頻率很高，如每次訪問都要重新動態生成，嚴重影響其訪問的效率。如果采用數據緩存技術，將全部或部分數據暫時存放在內存中（或硬盤緩存區），頁面上不變的數據可以直接從緩存中取用，這樣就可以大大提高數據訪問的效率[9]。

3.3.1 登錄頁面

登錄人員輸入賬號密碼，選定身份類型登錄；網頁調用數據庫判斷是否跳轉，并通過賬號密碼為基準調用登錄人員的檢索信息，如學號或工號，作為其他網頁互聯的數據基準，存入網頁緩存區。

3.3.2 學生簽到頁面

登錄人員為學生時，網頁自動跳轉至本頁面。學生依據學期、課程代碼和簽到次數查詢，檢索出本次簽到的人臉圖像表。后臺實現過程為：通過Selcet語句（Select語句是SQL中的數據查詢命令，具有非常強大的數據查詢功能，在access中可以使用Select語句來實現數據的查詢操作[10]），在tb_Course2Images表格中篩選相應人臉圖像表列，呈現在網頁中，如圖3所示。

學生在呈現的表列中識別自己的人臉圖像，選定圖像并提交，網頁將自動依據GridView中按下的選定按鈕所在行對應的人臉圖像地址捕捉，依據登錄頁面傳遞的各項基準信息，利用update語句更新tb_CheckInRecords表格中該生簽到圖片地址，等候教師登錄確認。

當提交有誤時，學生可直接選擇正確的人臉圖像，按下提交按鈕；或通過重置按鈕直接清空對應單元格中的地址信息，再次選擇。當學生發現自己實到卻無自己人臉圖像時，若已誤選，可通過重置按鈕清空對應單元格中地址信息后，前往查詢頁面查詢本次點名大圖，觀察是否人臉識別程序未切割出人臉，或者教師誤拍；出現此類情況時，學生可向教師留言報錯，教師可根據實際情況進行回復和更改。

3.3.3 教師確認頁面

在學生簽到選擇這一環節完成后，教師登錄到本頁面，依據學期、課程代碼和簽到次數進行查詢，網頁通過調用數據庫tb_CheckInRecords表格，將查詢生成的表格反饋到本頁面呈現，如圖4所示。教師通過查看學生選定的人臉圖像結果和該生對應的教務圖像信息，根據二者是否一致，判斷簽到者是否為學生本人，進行逐個確認，最終提交更新，作為評定學生平時成績的依據。

為應對兩種特殊情況（a.同一人臉圖像被多個學生勾選；b.收到學生留言），設計者為本頁面添加了回復按鈕。按下回復按鈕時，網頁向tb_CheckInRecords表中的TeacherMsg列中寫入信息，用于教師告知相應學生誤勾，并提示該生登錄學生簽到頁面重新勾選；同時，教師在收到學生報錯留言后，可選擇進入查詢頁面，查看大圖進行判斷，告知留言學生簽到情況無誤或確定其出勤。回復按鈕實現了教師、學生在網頁上的交互，凸顯了系統人性化、智能化特色。

3.3.4 查詢頁面

本頁面分為兩個部分，分別對應學生查詢和教師查詢。

當學生需了解自己的簽到信息時，可根據自己想查詢的內容在Textbox中輸入相應查詢條件，網頁根據Textbox的返回值和登錄頁面保存的該生基準數據生成對應的SQL語句，與后臺數據庫管理系統建立連接、提取數據、斷開連接，最后將檢索結果以二維數組的形式返回給調用者[11]，顯示在GridView中。同時，學生查詢頁面中包含查看大圖選項，對應于學生簽到頁面的報錯查詢，保證簽到的準確性，如圖5所示。

當教師收到學生留言時，可進入教師查詢頁面，查出該生的基本信息和他反饋的相應簽到信息，如該次簽到大圖。查看大圖后，教師可跳轉到教師確認頁面對此進行回復。若教師想了解課程相關簽到信息，在輸入查詢條件后，網頁根據緩存的教師基準信息查詢數據庫，調出相關信息顯示于GridView控件中呈現給教師，如教師可查詢出他所教授的某門課程下所有學生的簽到信息。

圖5 查詢頁面

Fig.5 Query page

3.3.5 管理員頁面

管理員可以通過自身的最高權限，修改學生信息資料。如學生姓名、學生照片、學生性別和學生所在班級等。管理員輸入學生學號進行查詢，即可看到完整的學生信息表格。

在學生信息表末端，點擊編輯按鈕，網頁將學生信息置入各文本標簽，選中任意一個標簽，即可在此標簽中修改相應信息；為保護學生安全，管理員不能修改學生登錄密碼，其他信息均可以修改，又由于查詢條件（學生學號）屬性被設為只讀，故管理員只可修改除學生學號和學生登錄密碼以外的信息。修改相應信息后更新，后臺會將網頁信息讀入數據庫，完成信息的更新。點擊刪除按鈕，可直接在網頁刪除數據庫中的相應學生信息。

4 結論（Conclusion）

智能課堂點名系統充分結合了智能識別技術、計算機技術和網絡技術，可有效提高高校教務管理的智能化與信息化水平。課題所涉及的人臉識別、網頁開發技術是智能識別系統研究的熱點，所采用的技術成熟、應用性和移植性強；系統開發基于流行的軟件架構，利于實現；系統結構和設計清晰，功能明確，操作簡單。本課題的研究和設計成果可為高校管理的智能化和信息化建設提供有益的借鑒和參考。但是本文設計的人臉識別程序在實際使用時，識別準確率還有待提高。考慮到實際需要，需在原有基礎上隨時做出調整，實現難度較大，部分軟件版權要求高，使用上還存在一定困難。

從全文分析可看出：通過人臉識別程序、數據庫、網頁的綜合開發，科學、高效處理課堂點名的各類問題，系統將逐步改變傳統點名方式的格局，響應大數據時代的背景。如今，管理智能化、信息化已成為一種潮流，必須以大數據的思維，才能充分利用大數據的優勢，使教務教學系統良性發展，提高課堂效率、增強教學質量。

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作者簡介：

荊 洲（1996-），男，本科生.研究領域：電氣工程及其自動化.

權 偉（1982-），男，博士，講師.研究領域：控制科學與工程. 本文通訊作者.

唐 杰（1997-），男，本科生.研究領域：電氣工程及其自動化.

晏 寒（1995-），男，本科生.研究領域：電氣工程及其自動化.