人臉識別在高校學生校園軌跡回溯中的應用

施雯斐

(南京城市職業學院，南京 210002)

1 人臉識別技術

1.1 技術簡介

人臉識別也叫面部識別或人像識別，是一種根據人的面部信息來進行身份識別的生物識別技術。人臉識別系統主要有四個過程：人臉圖像采集，圖像預處理，圖像特征提取，匹配及識別[1]。(1)人臉圖像的采集是通過攝像機或照相機采集包含人臉的視頻流或圖像。通常人臉圖像采集會受到圖像大小、圖像分辨率、光照環境、運動模糊程度、遮擋程度、采集角度等影響。(2)對采集的圖像進行預處理，主要包括圖像增強、人臉對齊。針對低質量的圖像，一般采用暗光增強、超分辨率、去噪、去除運動模糊等方式進行圖像增強，盡量避免因采集環境及設備等客觀因素帶來的誤差。若采集的人臉是歪的，則需要利用眼角、鼻子、臉的輪廓這些關鍵點把人臉“校準”，盡量去消除姿勢不同帶來的誤差。(3)圖像特征提取，是用專業的算法將圖像的特征信息提取出來。特征信息的提取有利于高效的匹配和識別圖像。(4)匹配及識別，通常有兩種方式：人臉識別1∶1比對、人臉識別1∶N比對。前者適用于采集的人臉是圖片形式，后者適用于采集的人臉是視頻流形式。通過比對人臉的關鍵信息，從人臉的數據庫中檢索出人員信息。

人臉識別技術具有并發性、非強制性、無感知性、自學習性、高通用性的優勢，它的存在使人們在工作學習和生活中實現刷臉乘車、刷臉購物、刷臉簽到、刷臉解鎖手機等等，出門無需攜帶鑰匙、銀行卡、交通卡等常被我們遺忘卻非常重要的物品。未來，人臉識別技術的更多應用將被人們發掘，它的存在及發展將改變人類的衣食住行 、工作、學習、生活等方式。

1.2 人臉識別技術在高校的應用

我國高校有關人臉識別問題研究的論文成果最早是2011年12月發表的一篇《基于人臉識別的高校無阻礙門禁系統設計研究》論文。截止至2020年6月1日，筆者在中國知網高級檢索用主題及關鍵詞“人臉識別”和“高校”檢索，共檢索出48篇相關論文，通過知網中計量可視化分析中年發文量分析圖(如圖一)可以看出，從2011年到2019年有關高校人臉識別的論文發表量呈增長趨勢，其中從2017年的5篇至2018年的18篇可以看出，高校人臉識別技術的應用情況在2018年之后有著質的飛躍，各大高校開始將人臉識別技術更多的應用在教育教學中。

圖1 知網計量可視化分析—年發文量分析圖Fig.1 Analysis graph of number of published paper yearly through measurement visualized analysis of CNKI

目前，人臉識別技術在高校中的應用主要有智能安防、圖書館出入管理、學生考勤、宿舍管理、晨跑打卡等，貫穿了學生的學習和生活。此外，現在由于疫情的原因，師生出入校園及校內公共場所都需要測溫，所以許多高校采用人臉識別和紅外測溫相結合，這樣在對校園學生的體溫健康狀況檢測時，不僅提高了學生管理工作的效率，而且記錄了每個學生在校園軌跡回溯中的情況。

2 人臉識別在高校學生校園軌跡回溯中的應用

2.1 人臉識別安防及測溫系統

眾所周知，2020年爆發的新冠肺炎導致全國乃至全球的學校都進行了不同程度的停學，在疫情有所控制之后，各地區各學校逐漸復學返校。與中小學不同的是，高校的學生來自全國各地，甚至來自國外，數千學生集中返校對高校防疫工作無疑是一個巨大的挑戰。這時就需要一套智能化的安防及測溫系統，在學生進入校門時無接觸識別學生且體溫是否正常。該智能化的安防及測溫系統是基于人臉識別技術和紅外測溫技術設計的，主要的功能設計包括以下幾點：(1)人臉采集及建立數據庫。在新生入學時，統一安排人員及設備進行新生人臉采集，同時錄入該生的基本信息及學號、專業等學籍信息，建立一套完整的學生信息數據庫，對接校園內所有人臉識別相關系統。(2)人臉識別及紅外測溫。學生在特定區域內，露出鼻子以上部位，盡量保持不動，攝像頭識別出來后在大屏中顯示該生信息。同時，紅外測溫系統測出的該生體溫也同樣顯示在大屏中，如果體溫異常會報警提示。(3)數據記錄。將每一個學生每一次進出的數據記錄在數據庫中，以便調取每位學生出入校園的記錄及體溫情況。

2.2 人臉識別圖書館管理系統

圖書館是高校學生出入頻率較高的一個校園場所，學生在圖書館管內進行借書、還書、查找資料、考試復習等一系列學習活動，需要一套智能化的管理系統對學生出入圖書館、借還書、閱覽室座位使用情況、行為軌跡分析等行為進行統一管理，提高圖書管理工作效率，節省人力物力，更好的服務師生[2]。該智能化的圖書管理系統同樣是基于人臉識別技術設計的，主要的功能設計包括以下幾點：(1)出入門禁系統。學生出入圖書館時，需要人臉識別身份信息，非本校學生禁止入內。出圖書館時若忘記辦理借書手續，則門禁會報警提示。(2)圖書自助借還系統。借書時，學生只需要將人臉對準攝像頭識別出身份后，按照借書程序自助辦理借書后，會顯示該生所借圖書的書名及借閱有效期。還書時，同樣在系統中識別身份后，選擇要還的書名，自助辦理還書手續。若出現超時借書需繳費時，直接通過系統網上支付即可。(3)閱覽室座位使用情況統計系統。通過閱覽室攝像頭實時抓拍的人臉圖像來判斷閱覽室座位的使用情況，方便在期末考試期間學生密集使用閱覽室復習時更有效的使用閱覽室。(4)學生行為軌跡分析。根據學生出入圖書館的頻率及借書等情況的數據統計，分析該生的閱讀喜好、閱讀需求等，更好地為學生服務。

2.3 人臉識別學生考勤系統

高校與中小學不同的一點是高校學生上課沒有固定的教室，有些公共課程甚至有多個專業的學生混合在一個教室上課，這種情況下采用傳統的教師點名、紙質簽到等考勤方式，不僅增加了教師的工作量，浪費大量的時間，而且準確率不高。人臉識別學生考勤系統具有準確率高、統計方便等優點，該系統的主要功能設計包括以下幾點：(1)人臉身份信息識別。學生進入教室時，在特點區域將臉對準攝像頭進行人臉識別，顯示器上會顯示該生的基本信息及學籍信息，防止學生代考勤或者走錯教室。(2)考勤數據統計。將每節課的考勤數據對接學校的大數據庫，方便教師在期末考核時調取學生的考勤數據。同時，該統計數據也記錄了學生每天在校園內的行為軌跡，提高了學生在校園內的安全性。

2.4 人臉識別學生晨跑打卡系統

根據國務院和教育部要求，推行學生校園健身晨跑，增強學生身體素質。許多高校也對學生健身跑做出考核要求[3]。若采用傳統簽到方式對學生考核，不僅工作量大，而且存在代簽到的情況，影響考核結果。人臉識別學生晨跑打卡系統是基于人臉識別技術和定位系統設計的，能夠解決傳統簽到存在的問題，主要的功能設計包括以下幾點：(1)手機軟件APP登錄。提前將全校學生的人臉數據信息錄入系統，學生通過學號和密碼登錄定制的軟件APP，登錄之后攜帶手機實現實時跟蹤定位。(2)隨機產生路徑規劃。登錄APP后，每天該系統會自動隨機產生當天的路徑規劃，同時生成三個打卡點，學生跑步需經過打卡點且全程跑完。為避免學生騎車打卡等作弊情況，系統會計算該生每日跑步的平均速度，若出現異常情況會自動判定該日打卡無效。(3)人臉識別身份。學生跑完全程后需到指定校園建筑物前拍照上傳人臉圖像，人臉圖像識別成功后才算打卡成功。此外，該手機該軟件記錄該生每日的跑步打卡情況，方便期末考核時數據的調取。

2.5 人臉識別學生宿舍管理系統

高校學生走讀的并不多，幾乎都住在學生宿舍。千余人的宿舍管理工作量巨大，宿舍阿姨每晚必須查寢保證住校生的安全。同時，出入宿舍樓的人員也必須確認是否為住校學生。此外，疫情期間也要保證出入宿舍的學生必須體溫正常。人臉識別學生宿舍管理系統是基于人臉識別技術和紅外測溫技術設計的，包括門禁系統、宿舍考勤、體溫測量三個主要功能。(1)門禁系統。對接學校的大數據庫，學生出入宿舍樓時人臉需對準攝像頭，認證成功后閘機打開，確保出入宿舍樓的人員均為住校生。(2)宿舍考勤。該系統通過學生出入數據統計出宿舍內外的學生人數及名單，宿舍阿姨通過該統計結果進行針對性考勤，提高考勤效率。(3)體溫測量。由于疫情的原因，在原來的宿舍管理系統中加入了體溫測量功能。學生在進入到人臉閘機區域時，在進行人臉身份認證的同時進行了紅外測溫，且溫度顯示于顯示器上，若體溫異常則立刻報警提示。

3 人臉識別在高校應用中存在的問題及前景展望

盡管人臉識別技術在高校的教育教學及管理中應用越來越廣泛[4]，但也存在一些實際問題，如：人臉門禁系統若出現多人聚集通過時，準確率會下降。對人臉數據采集要求高，若采集者妝容太濃或光線過暗會導致識別準確率下降。這些在應用中出現的問題還需要用技術手段進一步完善。

隨著信息化建設及智慧校園建設的不斷發展，人臉識別技術將更加廣泛地應用在高校的教學及管理中。未來，不僅在校園安防、教學及宿舍考勤管理應用中有所改進，同時在教學形式及方法等領域也會給高校帶來技術性的變革，為高校深入推進教育教學改革提供技術支撐，進一步提升高校教育及管理智能化水平。