學生宿舍人臉識別考勤系統(tǒng)設計

吳永斌 濮永仙 肖坤娥 虞泉 袁銘舉 吳興蛟

摘要：為規(guī)范學生宿舍管理，保障學生人身安全，采用人臉識別技術，結(jié)合目前通用的軟件開發(fā)方式與數(shù)據(jù)庫技術，基于云服務器數(shù)據(jù)處理和移動設備終端，設計開發(fā)一套智能化學生宿舍考勤系統(tǒng)。該系統(tǒng)可有效解決現(xiàn)階段高校學生宿舍考勤難的問題，相較傳統(tǒng)考勤管理方式，新方法將考勤效率提升約50%。基于人臉識別的學生宿舍考勤系統(tǒng)可有效提升學生宿舍考勤管理效率。

關鍵詞：宿舍考勤系統(tǒng);人臉識別;人工智能

DOI：10.11907/rjdk.192196 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）006-0113-04

0 引言

大學宿舍是學生學習、生活的主要陣地，是學生在校期間出入最頻繁的場所，也是學校對學生管理的重要基地。但現(xiàn)階段學生基數(shù)大，部分學生安全意識淡薄，晚歸、未歸現(xiàn)象嚴重，宿舍財物丟失時有發(fā)生，校園安全管理面臨巨大壓力。

考勤電子化已成為趨勢。傳統(tǒng)宿舍考勤使用“紙+筆”的記錄方式記錄宿舍考勤，雖然成本較低，但存在考勤效率低、代替考勤、考勤不規(guī)范、考勤信息統(tǒng)計難度大等問題;另一種使用校園IC卡進行考勤，但IC卡存在易丟失、易被復制的缺陷，同時使用IC卡無法確定刷卡人實際身份，給實際管理帶來困難。

為解決上述問題，本文針對某校實際情況，提出一種基于人臉識別+門禁系統(tǒng)的宿舍考勤系統(tǒng)設計，以期解決考勤程序繁瑣、管理不規(guī)范的問題，在提高工作效率的同時，還可更加準確地校驗學生個體身份，加強學生管理。

1 相關工作

1.1 人臉識別概述

人臉識別指利用分析、比較人臉視覺特征信息進行身份鑒別的計算機技術。人臉識別歸屬于計算機技術研究領域，是一種生物特征識別技術，依據(jù)生物體生物特征區(qū)分個體。在生物特征識別技術中，指紋識別是一種相對成熟的技術，但是指紋信息容易復制，需要與采集器進行接觸且容易受外界影響。而人臉識別的優(yōu)點在于非接觸采集和識別，體驗效果較好。同時隨著人臉識別算法、芯片、數(shù)據(jù)處理平臺、5G技術和物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展與完善，人臉識別在考勤及其它領域的應用將越來越廣泛。

1.2 人臉識別方法

人臉識別方式有多種，常見方法包括face^{、DeepFace、FR+FCN、DeepID、Baidu AI開放平臺等。}

face^{從網(wǎng)絡上搜集了500萬張人臉圖片用于訓練深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模型，在LFW數(shù)據(jù)集上進行測試，準確率高達0.9950;DeepFace按照人臉檢測一對齊一表達一分類的流程，通過額外的3D模型改進人臉對齊方法，基于4百萬人臉圖像（4000個個體）訓練的一個9層人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行人臉特征表達，該模型在LFW數(shù)據(jù)集上取得了97.4%的準確率;百度AI開放平臺可實現(xiàn)臉部特征提取和識別，通過深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡分別提取人臉不同區(qū)域特征，再經(jīng)過metric learning將特征維度降低到128維度，通過120萬（18000個個體）的訓練集訓練，該方法在LFW數(shù)據(jù)集上取得了99.8%的成績。}

通過上述3種方法可知，人臉識別準確率已達到較高水平，本文借助調(diào)用百度API的方式進行人臉識別和校驗，該過程主要包含4個部分：人臉信息采集、人臉信息傳輸、人臉信息匹配、人臉信息匹配結(jié)果處理。

（1）人臉數(shù)據(jù)采集。攝像鏡頭可采集不同的人臉信息，比如靜態(tài)圖像、動態(tài)圖像、不同的位置、表情等。當用戶在采集設備拍攝范圍內(nèi)時，采集設備會自動搜索并拍攝用戶人臉圖像信息。

（2）人臉信息傳輸。該環(huán)節(jié)將攝像鏡頭采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄娜四槇D像處理服務器中，等待處理。

（3）人臉信息匹配。數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌骱螅掌鲿鶕?jù)收集到的圖像信息進行人臉特征提取，提取到人臉特征后與數(shù)據(jù)庫中存儲的特征數(shù)據(jù)集合進行搜索匹配，根據(jù)相似程度對人臉身份信息進行判斷。

（4）人臉信息匹配結(jié)果處理。該過程通過設定一個閾值，當人臉信息匹配相似度超過該閾值，則輸出匹配得到的結(jié)果，執(zhí)行后續(xù)相關操作。

1.3 百度AI接口

百度人臉識別基于深度學習的人臉識別方案，可準確識別圖片中的人臉信息，提供人臉屬性識別、關鍵點定位、人臉1：1比對、人臉1：N識別、活體檢測等功能，可精準定位圖中人臉，獲得眼、口、鼻等72個關鍵點位置，分析性別、年齡、表情等多種人臉屬性;同時針對一張人臉照片，在指定人臉集合中搜索，找出最相似的一張或多張人臉，并給出相似度分值，得出相識度，對比兩張人臉相似度再進行相似度評分，從而判斷是否為同一個人。該接口實際應用廣泛，技術相對成熟。

2 系統(tǒng)總體設計

本文系統(tǒng)可基于人臉識別技術對宿舍進行快速、高效的考勤管理。系統(tǒng)主要功能包括：學生信息初始化模塊、學生請假模塊、刷臉考勤模塊、門禁控制模塊、考勤情況模塊、考勤統(tǒng)計模塊，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖l所示。

新生入學時，通過RFID讀卡器獲取學生基本信息后，系統(tǒng)將自動分配宿舍樓棟權(quán)限，并采集學生人臉信息進行保存，完成學生信息初始化;若學生需請假，則可使用學生端APP申請請假、相關班主任輔導員可審核請假信息;學生出入宿舍門禁時學生人臉信息會被攝像頭采集并與后端數(shù)據(jù)進行驗證，驗證通過后打開相應門禁，并對學生出入請假進行統(tǒng)計、存儲;系統(tǒng)可對某一特定時間內(nèi)的學生考勤進行統(tǒng)計和分析，宿舍管理員、班主任、輔導員可通過APP或Web頁面實時查看學生出入宿舍情況，并對學生宿舍考勤情況進行統(tǒng)計，方便學校加強管理。

基于人臉識別技術的宿舍考勤系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)模式設計，手機客戶端采用HTML5技術實現(xiàn)跨平臺APP開發(fā)，后臺管理系統(tǒng)使用Java語言作為開發(fā)語言，并使用輕量級數(shù)據(jù)庫MySQL作為本地數(shù)據(jù)存儲平臺。后臺管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫服務器部署在阿里云提供的云服務器上，可以快速完成數(shù)據(jù)交互，并將圖片數(shù)據(jù)存儲在百度云提供的百度AI中，可使用百度AI提供的在線人臉識別服務完成人臉數(shù)據(jù)庫建立和1：N的人臉識別。

2.1 學生信息初始化

該模塊可完成學生人臉信息錄入操作，實現(xiàn)人臉信息采集，并將百度AI中的照片與數(shù)據(jù)庫信息實現(xiàn)一一對應，同時完成學生宿舍樓棟信息初始化，分配宿舍樓棟權(quán)限。

2.2 刷臉考勤模塊

當完成學生信息初始化后，完成一次識別校驗的操作流程如圖2所示。

（1）宿舍門口門禁嵌入式設備的攝像頭每兩秒掃描一次，并將獲取到的圖片以base64格式的數(shù)據(jù)使用ajax技術將信息上傳到服務器。

（2）圖片服務器接收到門禁嵌入式設備發(fā)送的數(shù)據(jù)后，先判斷是否存在人臉，確定人臉信息后通過圖像服務器提取人臉特征，并將人臉特征與數(shù)據(jù)庫中的人臉特征集合進行比對，比對結(jié)果返回一個JSON數(shù)據(jù)集合。

（3）對返回的JSON數(shù)據(jù)進行解析，并設定閾值為85%，如果識別超過該閾值，則嵌入式設備給門禁系統(tǒng)發(fā)送一條開啟門禁指令，同時向數(shù)據(jù)庫服務器寫入一條記錄，表示該生已經(jīng)離開或者返回宿舍。

2.3 門禁控制模塊

該模塊主要完成對門禁系統(tǒng)的開關操作。當接收到嵌入式設備開啟或關閉指令時，門禁系統(tǒng)執(zhí)行相應操作，檢測到人員安全通過后關閉門禁閥門，操作結(jié)束。具體實現(xiàn)流程如圖3所示。

2.4 考勤情況模塊

該模塊使用HTML5技術開發(fā)APP，主要完成學生請假、班主任輔導員快速審批請假信息等任務。當學生提交請假申請后，班主任、輔導員的APP或Web端會有相應提示。班主任、輔導員完成審批后學生也可接收到服務器的推送消息。學生出現(xiàn)未歸或晚歸情況時，系統(tǒng)將給APP發(fā)送提示消息。

考勤模塊實現(xiàn)代碼為：

功能：調(diào)用百度人臉識別AI算法實現(xiàn)人臉識別

輸入：

APP_ID：百度AI提供的你的App ID;API_KEY：百度AI提供的你的API_KEY;SECRE了_KEY：百度AI提供的你的SE-CRET_KEY;IMAGE：嵌入式設備采集到的圖像信息（base64格式）。

2.5 考勤統(tǒng)計模塊

該模塊主要實現(xiàn)考勤信息統(tǒng)計。學生若已請假，但班主任或輔導員還未進行審核，將導致狀態(tài)信息不一致，待審核后狀態(tài)會發(fā)生改變。每天固定的時間進行考勤統(tǒng)計，直接生成未歸信息并存儲相關數(shù)據(jù)，待后期查詢使用，同時統(tǒng)計晚歸情況。班主任輔導員可以方便地在APP端或Web端查詢學生未歸、晚歸情況，方便對學生加強管理。

3 系統(tǒng)創(chuàng)新點

（1）本文系統(tǒng)將人臉識別技術與宿舍考勤結(jié)合，可提高識別率、降低出錯率，加強學生管理力度。

（2）本文使用云服務器進行數(shù)據(jù)處理，降低學校采購設備成本，提高數(shù)據(jù)執(zhí)行效率。

（3）移動設備終端可通過以太網(wǎng)、WiFi、4G等方式與服務器連接，同時計算機和移動終端設備（手機、平板電腦）等均可通過APP連接服務器，實時處理請假數(shù)據(jù)、實時查詢考勤數(shù)據(jù)，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，防患于未然。

（4）采用B/S模式為設計基礎，使用Webservers+MySql數(shù)據(jù)庫服務器技術，使用戶能實時接收信息，在移動終端上也可使用基本功能。

4數(shù)據(jù)庫設計

本文系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫表較多，為減少頁面顯示，選擇3個重要的表（學生信息表、出入記錄表、請假表）作為參照表，主要用于存儲學生基本信息，記錄學生進出人數(shù)據(jù)和請假信息。

5 結(jié)語

本文設計了一種基于人臉識別的宿舍考勤管理系統(tǒng)，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，以Java作為開發(fā)語言，前端使用HTML5技術，可生成多平臺產(chǎn)品。該系統(tǒng)包含圖像處理服務器和考勤管理系統(tǒng)服務器，在嵌入式設備上配有攝像頭，采集到的人臉信息按照Base64編碼方式傳輸給圖像處理服務器，服務器驗證結(jié)束后給嵌入式設備發(fā)送數(shù)據(jù)，嵌入式設備向后臺系統(tǒng)服務器發(fā)送相關信息，進行記錄，同時還可控制門禁，達到實時考勤的效果。在移動設備端，教師可實時處理相關審核信息，學生可在線請假，并實時獲取消息推送和查詢考勤結(jié)果。

該系統(tǒng)通過人臉識別的方式實現(xiàn)宿舍考勤管理，不僅有效解決了宿舍考勤難、復雜性高和身份識別的問題，也大幅提升了考勤效率，加強了對學生的安全管理。但該系統(tǒng)還存在實時效率不高、對網(wǎng)絡依賴較大等缺陷，且在校園網(wǎng)未完全覆蓋的地方實施難度較大，未來將繼續(xù)優(yōu)化改善。