基于 LBP 算法的人臉識別校園簽到系統(tǒng)

摘要中小學生的安全防護意識和安全防護能力不夠強遇到安全問題措手不及。為建和諧平安校園文章在傳統(tǒng)人臉識別算法的基礎(chǔ)上提出分塊算法的思想對人臉識別算法進行了應用優(yōu)化設計將局部的特征值進行全面提取和分析提高了局部分析的準確度增強了識別效果。采用人臉識別簽到系統(tǒng)對進出校園的人員進行身份識別可以有效阻止外來人員進入校園確保師生的人身安全。

關(guān)鍵詞：人臉識別;LBP算法;簽到系統(tǒng);校園安全

中圖法分類號：TP391文獻標識碼：A

Face recognition campus check-in system based on LBP algorithm

DANG Wenyu

（Henan University of Technology，Jiaozuo，Henan 454000，China）

Abstract：Primary and middle school students belong to a vulnerable group，and their safetyprotection awareness and safety protection ability are not strong enough，and they are caught offguard when they encounter safety problems. In order to build a harmonious and safe campus，thispaper proposes the idea of block LBP algorithm on the basis of traditional face recognition algorithm，carries out the application optimization design of face recognition algorithm，and comprehensivelyextracts and analyzes local eigenvalues，which improves the efficiency of face recognition. Theaccuracy of local analysis can greatly enhance the recognition effect.The face recognition sign-insystem is used to identify the people entering and leaving the campus，which can effectively preventoutsiders from entering the campus and ensure the personal safety of teachers and students.

Key words： face recognition，LBP algorithm，sign-in system，campus security

近年來，校園安全事件頻發(fā)，傳統(tǒng)保安管理模式存在諸多缺陷，如不能有效識別每一位學生或教師、應對突發(fā)事件反應速度慢、沒有預先預警能力等。然而，中小學生屬于典型的弱勢群體，當他們遇到突發(fā)狀況時，安全防護意識不強，自我保護能力不夠，遇到危險更是會措手不及，因此中小學生安全問題是教育部門急需考慮的問題。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起帶動各行各業(yè)的快速發(fā)展，而“物聯(lián)網(wǎng)+安全”的模式在很多行業(yè)得到了應用。對于校園安全防范而言，可以采用人臉識別技術(shù)，即校園簽到系統(tǒng)，來對進出中小學的人員進行身份識別，以快速發(fā)出預警、有效識別并阻止外來人員進入校園，確保師生的人身安全。經(jīng)過有關(guān)部門的一系列舉措的執(zhí)行，初步實現(xiàn)了校園的信息化建設，這為基于人臉識別的簽到系統(tǒng)的部署提供了良好的環(huán)境[1] 。

1? 簽到系統(tǒng)

常見的簽到系統(tǒng)主要是基于 C/S 模式開發(fā)的，其在進行安裝時，對客戶端的環(huán)境要求比較高，并且不利于更新和優(yōu)化處理，如果需要更新，則需要在每一個客戶端卸載并重新安裝。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進步，基于 B/S 模式的人臉識別的中小學簽到系統(tǒng)應運而生，其解決了 C/S 模式存在的大部分問題，使用方便，可以通過網(wǎng)絡進行訪問，而不需要安裝應用程序，對客戶端的要求比較低[2]。

近年來，我國對社會安全提出了更高的要求，為提高人們的安全防護意識進行了相關(guān)宣傳和教育，人們對安全防護有了新的認識。國家推出了一系列的政策和舉措，并特別指出，一些聯(lián)合部門必須在第一時間配合中小學安全防護的工作需要。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，一些基于 B/S 模式的人臉識別的中小學簽到系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。但是，這些系統(tǒng)大部分都是基于兩層架構(gòu)設計的。隨著科技的不斷發(fā)展，教育部門需要不斷更新監(jiān)控設備和人臉識別設備。目前，基于人臉識別的中小學簽到系統(tǒng)在技術(shù)選型上較多，如開發(fā)語言上可以選擇 Python 語言、Java 語言、C#語言、C++語言、C 語言等;體系架構(gòu)上可以選擇 SSH 架構(gòu)、SSM 架構(gòu)、 ASP.NET 架構(gòu)、MVC 設計模式等[3]。

2? 相關(guān)技術(shù)概述

SSH 是 Struts， Spring 和 Hibernate 的組合，整體架構(gòu)包括三個層次，滿足了前端表示層、業(yè)務邏輯層以及數(shù)據(jù)訪問層的開發(fā)需求。可以借助三層架構(gòu)搭建非常靈活的軟件建構(gòu)體系，在前端可以借助其他表現(xiàn)技術(shù)打造用戶體驗更好的交互界面。在數(shù)據(jù)層則可以通過封裝數(shù)據(jù)庫操作，實現(xiàn)通用模塊的開發(fā)和使用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的持久化。這樣的架構(gòu)使得開發(fā)人員可以更加專注于業(yè)務邏輯層的開發(fā)，實現(xiàn)更加符合應用需求的業(yè)務邏輯。SSH 框架架構(gòu)清晰，開發(fā)的系統(tǒng)耦合性降低，是應用系統(tǒng)開發(fā)的首選。

借助JSP 頁面豐富的標簽，可以實現(xiàn)和用戶交互性更好的效果，再配合 Struts 框架達到對數(shù)據(jù)的完美呈現(xiàn)。在具體應用中，可以借助 MVC Web 應用開發(fā)思想，在 VIEW 視圖中實現(xiàn)對用戶終端客戶的響應，把用戶的請求通過 HTTP 協(xié)議發(fā)送到Contorller Servlet 中，然后經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部的業(yè)務邏輯處理，實現(xiàn)到 Model 層的數(shù)據(jù)狀態(tài)傳遞，最終把系統(tǒng)數(shù)據(jù)提取出來，并把結(jié)果返回到前端用戶界面（圖1）。

Spring 架構(gòu)層專注于業(yè)務邏輯層的實現(xiàn)，圖2 對其中的核心架構(gòu)進行了描述。Hibernate 開源框架則可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久化處理。該框架的主要結(jié)構(gòu)如圖 3所示，通過該框架實現(xiàn)了用戶界面和數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)聯(lián)，也實現(xiàn)了程序開發(fā)通過面向?qū)ο髮?shù)據(jù)的處理。

在具體實現(xiàn)上則是通過反射機制核心實現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久化，即便系統(tǒng)出現(xiàn)掉電的情況，數(shù)據(jù)也不會丟失。

3? 系統(tǒng)設計

基于人臉識別的校園簽到系統(tǒng)不僅涉及硬件系統(tǒng)的部署，還需要確保軟件系統(tǒng)功能的開發(fā)和接口的對接。在整個系統(tǒng)的開發(fā)過程中，本文主要研究的是系統(tǒng)軟件部分的設計與實現(xiàn)，包括系統(tǒng)軟件功能部分的需求調(diào)研和分析、系統(tǒng)體系架構(gòu)的設計和編碼工作。在對基于人臉識別的校園簽到系統(tǒng)進行研究時，采用的是快速原型模型的開發(fā)思想。

通過系統(tǒng)實際的應用調(diào)研和技術(shù)分析針對學校安全管理員、教師、學生、家長以及系統(tǒng)管理員的應用需要，匯總分析簽到系統(tǒng)需解決的問題，確定系統(tǒng)相應的功能需求，具體包括基本信息管理、設備管理、簽到管理、系統(tǒng)管理等，并從安全性、擴展性、穩(wěn)定性以及并發(fā)性等方面對系統(tǒng)的性能需求進行分析。

至于校園簽到信息化建設，首先需要管理校園生活中的各種基礎(chǔ)信息，并建立對應的系統(tǒng)管理模塊。如圖4 所示，分別對不同的安防責任人進行功能管理，包含班級管理、學生信息管理、家長信息管理、教師信息管理、職工管理、請銷假管理等。

若要準確地進行簽到信息的采集，需要對相關(guān)參數(shù)進行設置，如簽到時間段、簽到的方式等，在簽到系統(tǒng)中需要提供簽到參數(shù)設置功能。設置完成之后，師生就能夠在規(guī)定的時間內(nèi)通過簽到設備進行人臉圖像的采集，從而完成簽到[4]。

簽到系統(tǒng)是面向?qū)W校應用設計的，為了提高系統(tǒng)的兼容性，通過采用分層架構(gòu)的設計思想，將系統(tǒng)分為基礎(chǔ)資源層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務層和表現(xiàn)層。至于對系統(tǒng)模塊的劃分設計，采用接口思想實現(xiàn)模塊間的交互設計，并利用分塊 LBP 算法對人臉進行識別，從而實現(xiàn)安全事件的處理和完成安全系數(shù)比較高的人臉快速識別。

基于簽到系統(tǒng)的邏輯模型，運用 Python 語言對核心功能以及相應操作界面進行編程設計，并對簽到系統(tǒng)的應用效果進行分析，驗證系統(tǒng)是否滿足用戶的實際需求。

4? 基于 LBP 算法的人臉識別

為了保護學生的人身安全，將人臉識別技術(shù)應用到校園簽到系統(tǒng)中，嚴格控制進出校園內(nèi)的人員。通過對師生的人臉圖像進行采集，并上傳到系統(tǒng)中，簽到系統(tǒng)就可以對進出校園的人員進行人臉識別，如果識別成功，則放行;如果識別不成功，則通知安保人員進行處理[5]。

人臉的外形是不穩(wěn)定的，面部表情受情緒影響比較大，神態(tài)隨時發(fā)生變化，在形體結(jié)構(gòu)方面來講差異性也比較大。在傳統(tǒng)人臉識別方式的基礎(chǔ)上，需對 LBP 算子進行更深層次的研究。故本文提出分塊 LBP 算法的思想，避免部分特征信息的丟失，以提高識別準確率。

將整個面部分為不同的矩形區(qū)域;對分區(qū)后的部分進行特征提取和分析;經(jīng)過分析可以得到每個區(qū)域的質(zhì)量分布圖;將每個區(qū)域按照規(guī)律進行排列后整合，得到最終的整體質(zhì)量分布圖。之后，就可以得出整個面部的特征向量，采用圖5 的方式對其進行子分塊的劃分，這就是分塊 LBP 算法的基本思想。通過該思想，可以將局部特征值進行全面提取和分析，提高了局部分析的準確度，能夠大大增強識別效果[6]。

在研發(fā)的過程中，針對 LBP 算子提取人臉圖像的表情特征信息時忽略了各相鄰鄰域點之間的關(guān)系。而改進的 LBP 算法按照鄰域點與中心像素點距離大小進行加權(quán)運算，然后通過增加比較各相鄰鄰域點之間的大小關(guān)系，得到全新的 LBP 算子值，并最終得到人臉特征直方圖。改進之后的 LBP 算法描述的表情紋理圖像會更均勻，能更好地描述人臉圖像[7]。通過人臉識別技術(shù)，還可以實現(xiàn)簽到系統(tǒng)與相關(guān)系統(tǒng)的接口對接，接收到危險人員的圖像信息之后，就可以采用人臉識別技術(shù)對進出校園的人員進行識別，可以快速鎖定危險人員，進而保障校園師生的人身安全。

5? 總結(jié)

校園簽到系統(tǒng)是當前各行業(yè)研究的重點，深入挖掘以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為核心的數(shù)據(jù)價值已經(jīng)在智慧校園建設過程中引起了人們的重視。本文在分析傳統(tǒng)人臉識別算法的基礎(chǔ)上，提出分塊 LBP 算法思想，對人臉識別算法進行了應用優(yōu)化設計，將局部特征值進行全面提取和分析，提高了局部分析的準確度，能夠大大增強識別效果，提高了人臉識別的準確度。當校園內(nèi)出現(xiàn)異常事件時，安保部門可以在第一時間內(nèi)做出響應，確保在校師生的人身安全，建設平安和諧校園。

參考文獻：

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[4] 精準人臉識別算法，“識”無遺漏—測評芊熠智能動態(tài)人臉識別終端[J].中國公共安全，2019（9）：112?113.

[5] 楊強，張鈞鳴.基于微服務架構(gòu)的大數(shù)據(jù)應用開發(fā)創(chuàng)新實踐[J].電力大數(shù)據(jù)，2019，22（3）：71?76.

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作者簡介：

黨文玉（1997—） ，碩士，研究方向：圖像處理技術(shù)。