人臉識別學(xué)生管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

重慶城市職業(yè)學(xué)院 陳明遜

高校學(xué)生的日常管理工作，通常由任課教師、輔導(dǎo)員、學(xué)生干部等以人工方式記錄，這種傳統(tǒng)的考勤方式統(tǒng)計(jì)效率較低，還會造成課堂、人力、物力資源的浪費(fèi)。目前，各高校都在引進(jìn)智慧管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管理的信息化，各考勤系統(tǒng)大多以指紋、一卡通等方式進(jìn)行考勤，基于指紋考勤設(shè)備、一卡通考勤設(shè)備的應(yīng)用實(shí)踐，設(shè)計(jì)一套應(yīng)用人臉識別技術(shù)的考勤系統(tǒng)。

智慧校園管理系統(tǒng)是高校信息化管理的必經(jīng)之路，教育教學(xué)中教學(xué)管理乃是提升教學(xué)有效性的根本。課堂考勤、晚間歸寢考勤等日常校園管理，以傳統(tǒng)人工方式管理耗時耗力，且無法及時統(tǒng)計(jì)反映實(shí)際情況。因此現(xiàn)有指紋或一卡通的考勤設(shè)備，通過考勤設(shè)備的情況反饋，能較準(zhǔn)確的反映指紋采集和一卡通刷卡情況。但這與實(shí)際出勤情況仍有偏差，因?yàn)橹讣y可以通過模具仿造、一卡通可以替代刷卡等，所以采用這兩種方式獲取真實(shí)數(shù)據(jù)的難度較大。

人臉識別技術(shù)是智慧化時代的重要產(chǎn)物，通過人臉識別能夠有效將人與管理系統(tǒng)相連接。設(shè)想將學(xué)生基本信息與教學(xué)管理系統(tǒng)相連接，通過人臉識別技術(shù)獲取被考勤人員圖像，通過與基本信息中身份證照片的比對，完成學(xué)生考勤，可以使得校園管理更精細(xì)化，也能促進(jìn)校園管理信息化的改革。

1.人臉識別管理的優(yōu)劣勢分析

人臉識別技術(shù)是通過生物特征進(jìn)行識別的技術(shù)，通過識別每個人的臉部特征，將采集的圖像與系統(tǒng)的圖像庫信息進(jìn)行比對，實(shí)現(xiàn)識別的目的。其有3個優(yōu)點(diǎn)，一是非接觸性，被考勤人員不需要和相關(guān)設(shè)備直接接觸，而指紋采集和一卡通刷卡則必須接觸設(shè)備；二是非強(qiáng)制性，只要出現(xiàn)在人臉采集的特定區(qū)域時，設(shè)備便會主動采集信息；三是并發(fā)性，若在特定區(qū)域同時出現(xiàn)多人時，可以將全部人臉信息記錄。

人臉識別技術(shù)也有缺點(diǎn)，一是容易受到光線環(huán)境的影響，若光線過強(qiáng)或嚴(yán)重不足都會影響人臉信息的采集；二是易受到頭發(fā)、飾物遮擋的影響，有可能造成采集人像的不完整，導(dǎo)致比對信息失敗。這些確定會在一定程度上影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，會造成比對結(jié)果的判斷不準(zhǔn)確，但隨著人臉識別技術(shù)算法的不斷更新，精確度也會得以提升。

2.人臉識別的關(guān)鍵技術(shù)

1）人臉關(guān)鍵點(diǎn)檢測

人臉關(guān)鍵點(diǎn)檢測是在人臉檢測的基礎(chǔ)上，自動確定人臉各關(guān)鍵點(diǎn)的位置，如眼角、瞳孔、鼻尖、嘴角等。不能忽視了初始狀態(tài)對關(guān)鍵點(diǎn)檢測的影響。采用基于深度初始化網(wǎng)絡(luò)的人臉關(guān)鍵點(diǎn)檢測算法，能夠有效克服初始位置、人臉姿態(tài)、表情等因素對關(guān)鍵點(diǎn)檢測精度的影響，從而得到人臉各關(guān)鍵點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

2）人臉紋理正規(guī)化

將不同光照、姿態(tài)或表情的人臉，還原至良好光照、正面和無表情的人臉，減小待匹配人臉圖片與信息庫中人臉圖片的差異，從而降低特征提取和識別的難度。

在光照嚴(yán)重不足或太過強(qiáng)烈、角度過大、表情夸張的情況下，如果強(qiáng)行改變光照強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)至正面人臉、還原至正常表情，必然會引入大量“非自然”信息，使得正規(guī)化的人臉產(chǎn)生畸變、扭曲和紋理缺失。這樣不僅不會對人臉識別產(chǎn)生幫助，反而會降低其性能。可以借鑒人臉合成和生成對抗網(wǎng)絡(luò)的方法，通過初始數(shù)據(jù)庫的搭建、紋理正規(guī)化網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建以及網(wǎng)絡(luò)的融合訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)一個端到端的、由數(shù)據(jù)驅(qū)動的紋理正規(guī)化網(wǎng)絡(luò)和特征識別網(wǎng)絡(luò)。它能夠在提取深度特征的過程中，自適應(yīng)地根據(jù)人臉識別的任務(wù)對人臉的紋理進(jìn)行光照、姿態(tài)和表情的正規(guī)化，從而達(dá)到提高人臉識別性能的目的。

3）人臉特征提取

基于深層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過融合人臉多尺度特征信息，獲取高層語義特征表達(dá)，提升人臉特征的區(qū)分性。促使同一個人的人臉特征表達(dá)具有更高的相似性，不同人臉的特征表達(dá)相似度更低。

4）人臉特征比對

針對人臉識別中經(jīng)常遇見的跨場景人臉識別問題，如待驗(yàn)證照片與現(xiàn)場照片非同源、年齡跨度大、分辨率和角度差異明顯等問題，采取自適應(yīng)學(xué)習(xí)方法。通過算法縮小不同場景圖像之間的數(shù)據(jù)分布差異，將不同場景的人臉圖像映射到同一個具有更好表達(dá)能力的特征空間進(jìn)行比較，從而保證同一個人的人臉特征表達(dá)具有更高的相似性分?jǐn)?shù)，不同人臉的特征相似性分?jǐn)?shù)更低。

3.人臉識別管理系統(tǒng)的功能模塊

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取

初始化數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，可以將學(xué)生的基本信息整體導(dǎo)入系統(tǒng)，特別是身份證的完整信息，包含證件照。給學(xué)生管理人員開放權(quán)限，可供查詢、修改、刪除數(shù)據(jù)等維護(hù)功能。

基本信息中結(jié)構(gòu)和屬性字段比較簡單的部分直接導(dǎo)入，對于哪個時間段是正常簽到、遲到、早退、曠課、晚歸等，需要進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)明。同時也需要將人臉識別設(shè)備和教室信息進(jìn)行綁定，條件允許的情況下，各教室配備一臺識別設(shè)備。若成本過高，則可考慮每層樓配備一臺設(shè)備，將每層樓的教室信息與設(shè)備綁定。

2）教務(wù)系統(tǒng)的接入

考勤數(shù)據(jù)是基于每學(xué)期的課程安排和作息時間安排，在此之上增加學(xué)生的出勤狀態(tài)。通過教務(wù)系統(tǒng)的接入，直接獲取班級的排課情況，并將作息時間安排一并導(dǎo)入，則可通過數(shù)據(jù)的對接，實(shí)現(xiàn)考勤情況的記錄。

3）識別數(shù)據(jù)日志

數(shù)據(jù)日志用于記錄學(xué)生到教師或者宿舍樓的時間點(diǎn)，與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的導(dǎo)入的身份證照片、學(xué)號、班級等信息建立對應(yīng)關(guān)系。因此，當(dāng)人臉識別設(shè)備識別到信息是，便會登記采集數(shù)據(jù)的時間，通過與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的信息之間的綁定關(guān)系，記錄下采集數(shù)據(jù)時的圖像、學(xué)號、日期、時間、識別設(shè)備、教室等信息。

4）簽到記錄的導(dǎo)出

根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和識別數(shù)據(jù)日志，結(jié)合考勤的相關(guān)規(guī)則，便可通過后臺數(shù)據(jù)直接導(dǎo)出出勤、晚歸等狀態(tài)，向教務(wù)部門、輔導(dǎo)員、教室提供直觀的考勤狀態(tài)數(shù)據(jù)。

隨著信息化的發(fā)展迅速，人臉識別技術(shù)已經(jīng)廣泛用于生活、工作等各個領(lǐng)域，使用人臉識別技術(shù)建立校園管理系統(tǒng)，不僅能實(shí)現(xiàn)日常考勤，也能起到一定的監(jiān)控作用，對于管理的效率能夠很大程度的提升。