基于人臉識別技術的考勤管理分析系統開發研究

張靜

（長春職業技術學院，吉林 長春 130033）

1 引言

近十年，社會經歷著從信息化時代向智能化時代轉變，人工智能技術以爆炸式的發展速度應用到人們的工作、學習、生活中，帶動了新一輪信息化改革。作為人工智能的典型技術，人臉識別技術以速度快、效率高、準確度高而被廣泛應用在信息化系統中，使原有的信息化系統具備了智慧識別能力，提升軟件應用的使用效率，帶給人們更好的使用體驗。

基于人臉識別技術的考勤管理分析系統就是應用人臉識別技術，通過無感知多攝像頭的綜合布點，結合可交互式智能電子顯示屏，可編程電磁鎖，實現智能化交互與顯示、課堂出勤率的實時統計與分析[1]。

2 系統需求

2.1 使用人臉識別技術提升課堂的簽到效率

傳統的百人課堂，需要至少5分鐘才能完成出勤統計，需要耗費較大的精力；而人臉識別技術的應用，能夠有效提高課堂的簽到效率，在使用便利、提高效率、準確度的同時，提升使用感受。

2.2 課堂出勤數據自動記錄，實現主動管理

課堂出勤管理需要提升數據記錄效率，自動記錄學生的出勤信息，實現數據的分析。及時發現高缺席頻率學生，能夠向教師、學生自動反饋出勤情況，縮短教學管理反應周期，實現主動管理。

2.3 與原有教務系統對接，實現課堂教師、學生、課程數據共享

需要在原有教務系統中提取教師、學生、課程表的信息，作為考勤系統的數據源，完整地收集教學過程管理數據，并提供分析指引，輔助決策及管理。

2.4 課堂信息管理、展示平臺

教學管理者在巡課過程中需要及時獲取課堂信息，及時發現問題解決問題。教師、學生也時常有課程信息查詢的要求。需要一套信息查詢工具，及時獲取課堂科目、教師、學生出勤等信息。

2.5 自動門禁管理

教室、實驗室安排專人開門，教師上課、串課、監考前要協調開門，浪費人力資源的同時，時常出現人到門未開的情況，影響教學及考試。教學場所需要自動門禁管理，可以通過信息化開鎖系統，在系統內預存程序，調取課程表信息，自主設置開鎖用戶權限、時間，進行刷卡或人臉識別開鎖，節省人力資源和管理成本。

3 系統工作原理與流程

系統工作原理與流程如圖1所示。

圖1 系統原理與流程框圖

3.1 人臉識別身份認證

人臉識別是基于人的臉部特征信息進行身份識別的一種生物識別技術。[2]被識別人員（學生、教師）在進入、走出攝像頭范圍時，被攝像頭拍攝圖像，經過圖像采集與分離技術的圖像分割、采樣操作，進行人臉捕捉，調用對比引擎與教務系統提供的應到課人像數據庫的人像數據進行對比，得到對比結果，識別人員身份，輸出人員信息[3]。

3.2 可編程電磁鎖開鎖控制

門鎖控制子系統控制可編程電磁鎖的開鎖操作。通過智慧班牌上的攝像頭進行人員身份的識別，取得人員信息；通過教務系統提取可使用教室人員的信息；兩者對比，結果相同，則打開電磁鎖。

3.3 電子班牌顯示區

在教室門口的電子班牌上，通過教務系統的數據提取，獲得授課信息（包括當前課程名稱，課程內容，授課進度等）、任課教師信息（包括照片、簡介等）；通過人臉識別身份認證獲取當前到課的學生信息（包括學生班級，應出席人數），方便教學管理人員檢查巡視。

3.4 結果通知區

教室前的電子白板和手機客戶端程序（或微信小程序）是結果通知區。電子白板顯示當前人臉識別確認身份的學生情況。供學生觀察自己到課狀態；供授課教師了解實時到課情況。

當實施場景中沒有電子白板或顯示屏時，可使用手機客戶端程序（或微信小程序），接收學生簽到信息，授課教師獲得實時到課情況。

3.5 數據報表

后臺系統對到課情況數據形成分析結果與報表，供管理部門提取使用；返回教務管理系統記錄數據，顯示報表；課堂出勤分析還可與院校教學質量監控系統對接，提供數據參考。

4 系統設計

4.1 硬件設計

利用安卓系統可交互式智慧班牌、可編程電磁鎖、可編程變焦式人像采集云臺攝像頭、中央電子白板等硬件設備，結合集成化系統管理與數據分析軟件平臺，實現多媒體顯示、無打擾教學巡視、教室人像門禁控制、課堂智能化人像簽到、課堂上課狀態采集與實時分析等多種功能。

圖2 系統硬件部署示意圖

4.1.1 交互式智慧班牌

集成人像采集攝像頭的交互式智慧班牌安放于學校教室門前。與教務系統同步，顯示當前教室的基本信息、授課教師信息、教室內學生到課情況、課程表。教務管理人員可在班牌上實現身份認證，觀看教室內授課畫面。

圖3 交互式智慧班牌效果圖

4.1.2 可編程電磁鎖

可編程電磁鎖與智慧班牌聯動，通過人臉識別技術進行身份識別，與獲取的后臺權限信息驗證，驗證通過產生聯動，實現人像識別開門操作。

電磁鎖采用通電開鎖模式，1臺終端機控制1把鎖。

圖4 通電開鎖模式的接法示意圖

4.1.3 可編程變焦式人像采集云臺攝像頭

可編程變焦式人像采集云臺攝像頭部署在學校教室前方中心位置，進行人像采集，并通過人臉掃描功能模塊進行聯動控制，操作攝像頭旋轉、變焦、掃描等動作，對進場人員影像進行采集，并將視頻流傳送給后臺管理程序。

4.1.4 中央電子白板顯示器

當前到課實時情況在中央電子白板顯示器上顯示。發現自己未被記錄可以再次進入掃描區域掃描。

4.2 軟件功能設計

軟件功能結構圖如圖5所示。

圖5 軟件功能結構圖

4.2.1 系統管理程序

可對交互式智慧班牌系統進行統一管理，包括設備注冊、攝像頭注冊、位置信息管理、IP地址管理、顯示單元管理等。

可對可編程變焦式人像采集云臺攝像頭進行統一管理，包括攝像頭注冊、位置信息管理、采集區域管理、掃描頻率管理、變焦管理等。

在不與教務系統對接的情況下，可單獨管理課程表信息、學生信息及授課教師信息。

4.2.2 人臉識別與出勤統計子系統

上課前，接收攝像頭傳送的視頻流，進行人像比對，記錄人員的進入信息、時間，統計到課人數，并將結果傳送給智慧班牌及中央電子白板大屏幕控制系統，進行顯示，同時傳送給教務系統和app客戶端。

開始上課時，不間斷獲取學生影像數據。通過算法計算出學生的上課情緒，分析學習狀態數據，形成分析結果與報表，供教學管理部門提取使用。課堂出勤分析還可與院校教學質量監控系統對接，提供數據參考。

4.2.3 交互式智慧班牌顯示子系統

在學校教室、實驗室、機房或辦公區會議室門前安放基于安卓系統的固定的可交互式電子顯示屏。開發與當前學校的教務管理系統、會議室預約系統通信的顯示子系統，實現相關信息的顯示功能，具體如下：

在教室門口的互動式電子顯示屏上可顯示當前教室的基本信息（門牌號、座位數量等）、授課信息（當前課程名稱、課程內容、授課進度等）、任課教師信息（教師基本信息、簡介等）、當前應到課的學生信息（學生班級，應出席人數），通過與人像識別系統和統計分析系統交互，顯示當前教室實際到課人數，已到及未到人員信息等。顯示屏還可根據需要顯示一些通知信息，如生活信息、屏幕廣告等內容。

以上顯示內容可與當前學校的教務管理系統通信，通過教務管理系統獲取課程、教師及學生信息（需教務系統提供接口程序）等。

4.2.4 人臉驗證自動開鎖子系統

教室、實訓室、考場管理人員通過在教室門口的探頭掃描，進行人臉識別認證自動開鎖。其中教室、實訓室、考場管理人員信息通過與當前學校的教務管理系統接口讀取證件照片、教師課程信息、教室、實訓室考場使用信息等數據進行身份驗證，確認權限，自動打開門鎖。

4.2.5 電子白板或手機客戶端（結果通知區）子系統

電子白板用來顯示當前到課實時情況，供上課者了解到課狀態是否被記錄（進入人像是否被識別、比對成功）。授課教師了解實時到課情況，并作出相應操作。也可以使用手機客戶端程序（或微信小程序），上課者接收自己的簽到（離開）信息，授課教師通過APP或小程序獲得實時到課情況。

4.2.6 數據分析與報表子系統與教學質量監控子系統

教學評估面向管理者，提供全面、實時、精要、直觀的分析視圖和課堂動態督導信息，可量化、易感知、實時精準地了解課堂教學的運行情況，通過智慧課堂教學活動沉淀的教學數據，即時全面了解教學質量情況。

4.2.7 智能教室APP客戶端

學生在人臉識別失敗的情況下使用手機APP簽到，接收自己的簽到信息。授課教師通過APP或小程序獲得實時到課情況、學習狀態數據以及學生的分析數據圖表。

5 代碼開發

為了解耦和提高代碼復用，本系統采用三層架構與MVC結合的模式實現系統開發。

架構分層為：業務邏輯層（BLL）（service層）、數據訪問層（DAL）（dao層）、實體類庫（Model）。

下面以教室管理為例進行代碼開發的說明。

5.1 實體類庫（Model）

實體類庫又稱為Entity實體類。用一個專門的類來抽象出數據表的結構，類的屬性就是表的屬性。Model實體類庫層需要被DAL層、BLL層和UI層引用。

以下為教室管理的ClassRoom類（教室類）的部分代碼：

5.2 數據訪問層（DAL）

數據訪問層主要是存放對數據類的訪問，即對數據庫的添加、刪除、修改、更新等基本操作。數據訪問層根據業務需求，構造SQL語句，構造參數，調用幫助類，獲取結果。DAL層被BLL層調用。

以下為ClassRoomMapper接口代碼：

5.3 業務邏輯層（BLL）

業務邏輯層好比是橋梁，將UI表示層與DAL數據訪問層之間聯系起來，處理涉及業務邏輯相關的問題，比如在調用訪問數據庫之前，先處理數據、判斷數據。BLL層只被UI層引用。

以下為ClassRoomService類代碼：

6 結語

本文設計實現了基于人臉識別技術的考勤管理分析系統，實現自動無感知課堂考勤，識別速度快準確率高，節約課堂點名時間，可與教務系統實時同步數據。

系統的硬件設備由安裝在教室內攝像頭、顯示大屏、教室外智慧班牌以及后臺服務器組成。攝像頭用來采集學生進入教室時的影像，實現簽到，簽到的結果實時更新到顯示大屏。可視化的智慧班牌用以展示各個班級的考勤信息、授課信息、精品課程、德育宣傳、班級榮譽、考場信息、校園通知、班級風采等信息。點擊觸摸屏，可以查看出勤的相關統計信息，也可以調取教室內的實時影像，實現教學管理人員無干擾查課。