計(jì)算機(jī)視覺課堂實(shí)時(shí)考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：本文基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了一種課堂實(shí)時(shí)考勤系統(tǒng)，首先根據(jù)MVC架構(gòu)搭建系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，然后設(shè)計(jì)了基于深度學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)視覺模型用于人臉檢測和識(shí)別，并建立了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫模型，最后通過Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)考勤功能。本系統(tǒng)有利于學(xué)校課堂教學(xué)管理，具有一定的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)視覺；課堂考勤；深度學(xué)習(xí)；MCV架構(gòu)

前言

隨著國家標(biāo)準(zhǔn)《智慧校園總體框架》（Smartcampusoverallframework）的，智慧校園的規(guī)劃與設(shè)計(jì)成為了校園建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目[1]。而課堂考勤作為學(xué)校教學(xué)管理、學(xué)生評(píng)價(jià)的重要組成部分，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能和移動(dòng)通信技術(shù)的水平的提高與發(fā)展，更應(yīng)該向著智能化、準(zhǔn)確化的方向發(fā)展[2]。本文研究了的當(dāng)前應(yīng)用的課堂考勤方式，并做了進(jìn)一步的分析，最終根據(jù)社會(huì)技術(shù)的革新與發(fā)展[3]，提出了一種基于計(jì)算機(jī)視覺的實(shí)時(shí)課堂考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。我們的主要工作是搭建了整個(gè)系統(tǒng)框架，包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、服務(wù)器、計(jì)算機(jī)視覺模型、網(wǎng)絡(luò)通信、圖像采集系統(tǒng)、客戶端和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。

1課堂考勤方式現(xiàn)狀

目前校園中主要的課堂考勤方式存在為兩種，分別是傳統(tǒng)的考勤方式和生物識(shí)別的考勤方式。如圖1所示，其中傳統(tǒng)的考勤方式包括點(diǎn)名考勤和通過校園卡進(jìn)行考勤，點(diǎn)名考勤的方式仍然是高校中最常用的考勤手段，因它不受場地的限制，可以根據(jù)點(diǎn)名冊直接核對現(xiàn)場的學(xué)生信息，但這種方式存在的缺點(diǎn)就是花費(fèi)時(shí)間，影響上課效率，為此有些教師不進(jìn)行點(diǎn)名，因此影響了考勤的效果。校園卡考勤解決了點(diǎn)名占用課堂時(shí)間的問題，但這種方式具有學(xué)生代考勤的漏洞，因?yàn)閷W(xué)生可以拿著別人的校園卡進(jìn)行考勤。生物識(shí)別的考勤方式包括指紋考勤和人臉識(shí)別考勤，這些方式有效解決了傳統(tǒng)考勤方式代考勤的弊端，但這種方式受設(shè)備硬件的影響，識(shí)別能力太慢，尤其是在下課后學(xué)生較多，考勤簽退時(shí)容易發(fā)生擁擠等現(xiàn)象，具有安全隱患[4]。因此，為解決當(dāng)前考勤方式存在的一些弊端，本文設(shè)計(jì)了一種基于計(jì)算機(jī)視覺的實(shí)時(shí)課堂考勤系統(tǒng)。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

2.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)課堂考勤系統(tǒng)主要是使用Python開發(fā)語言，Python是目前最流行開發(fā)語言之一，主要應(yīng)用于Web服務(wù)設(shè)計(jì)、大數(shù)據(jù)、人工智能等領(lǐng)域，它的主要優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)效率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、跨平臺(tái)和具有可移植性等，滿足了本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。另外，在開發(fā)過程還用到了基于Python的第三方軟件開發(fā)包，包括Flask用于搭建系統(tǒng)的Web服務(wù)器；PyQt5用于搭建系統(tǒng)的客戶端；OpenCV用于系統(tǒng)中對圖像視頻的處理；Tensoflow用于開發(fā)計(jì)算機(jī)視覺模型，搭建深度學(xué)習(xí)模型，完成人臉檢測和識(shí)別任務(wù)；Mysqlclient用于管理、訪問、查詢和更新Mysql數(shù)據(jù)庫。

2.2系統(tǒng)開發(fā)框架

本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)課堂考勤系統(tǒng)通信基于Web應(yīng)用，因此選擇一個(gè)合適的服務(wù)架構(gòu)有利于提高系統(tǒng)的開發(fā)和部署效率。目前較流行的Web應(yīng)用主要有MVC（ModelViewController）和CMS（ContentManagementSystem）兩種架構(gòu)。本文使用了基于Python和Flask搭建的MVC架構(gòu)[5]，該架構(gòu)如圖2所示，主要包括模型層、視圖層和控制器。使用該框架的優(yōu)點(diǎn)是可將視圖層和業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行分離開發(fā)，提高開發(fā)效率，方便系統(tǒng)的部署、維護(hù)和管理。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式

3.1系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)課堂考勤系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)MVC構(gòu)架的設(shè)計(jì)，我們將該系統(tǒng)分為了模型層、控制器層和視圖層，另外還包括網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。

3.2模型層設(shè)計(jì)

模型層主要是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫模，MySQL是目前使用最多的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，也是學(xué)校管理系統(tǒng)使用最多的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，為了更好地與學(xué)校管理系統(tǒng)兼容，我們選擇了MySQL數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)表之間的關(guān)系如圖4所示。

3.3控制器層設(shè)計(jì)

控制器層主要包括服務(wù)器應(yīng)用軟件和計(jì)算機(jī)視覺模型，服務(wù)器應(yīng)用軟件的功能包括系統(tǒng)通信配置、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理和系統(tǒng)各模塊間的調(diào)度。計(jì)算機(jī)視覺模型是實(shí)時(shí)課堂考勤系統(tǒng)的核心模塊，基于深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)[6]，主要作用是進(jìn)行人臉檢測和識(shí)別兩個(gè)部分，計(jì)算機(jī)視覺模型的工作流程如圖5所示。在人臉檢測階段使用VGG16檢測器作為主干網(wǎng)絡(luò)，為提高模型的檢測準(zhǔn)確率，通過引入注意力模型和多尺度特征融合對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化，有效地從輸入圖片中提取人臉位置信息，得到人臉圖像。在人臉識(shí)別階段首先使用FaceNe人臉識(shí)別網(wǎng)絡(luò)提取人臉圖像的特征圖，然后通過決策樹算法與待檢測的人臉特征進(jìn)行匹配，從而識(shí)別圖片中的學(xué)生信息。

3.4視圖層設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)考勤系統(tǒng)的模型層主要包括圖像采集系統(tǒng)和客戶端。目前各學(xué)校教室內(nèi)都安裝有監(jiān)控設(shè)備，因此為節(jié)約成本和安裝消耗，圖像采集系統(tǒng)使用教室內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備作為圖像采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)采集教室現(xiàn)場圖片?？蛻舳嗽O(shè)計(jì)首先在本系統(tǒng)中采用應(yīng)用程序接口，然后在教學(xué)管理系統(tǒng)中設(shè)計(jì)圖形化用戶界面，通過應(yīng)用程序接口調(diào)用本系統(tǒng)的功能，從而減少資源浪費(fèi)，方便維護(hù)和管理。

4實(shí)時(shí)考勤功能的實(shí)現(xiàn)

實(shí)時(shí)考勤功能的實(shí)現(xiàn)方式如圖6所示，首先系統(tǒng)啟動(dòng)后，用戶可以隨時(shí)更新考勤信息，比如在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建新的考勤表等。接著系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取考勤表的信息，比如課程所在教室、上課時(shí)間。然后啟動(dòng)考勤程序，進(jìn)行簽到、簽退操作，并將考勤數(shù)據(jù)保存到考勤數(shù)據(jù)表中。整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)完成后可以自動(dòng)運(yùn)行，直到關(guān)閉系統(tǒng)，而且可以實(shí)時(shí)進(jìn)行課堂考勤。

5結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于計(jì)算機(jī)視覺的課堂實(shí)時(shí)考勤系統(tǒng)，可以有效地解決當(dāng)前考勤方式影響上課效率、容易出現(xiàn)舞弊等缺點(diǎn)，滿足課堂考勤智能化、自動(dòng)化的要求。未來工作我們將在現(xiàn)在系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，檢測學(xué)生上課時(shí)的不規(guī)范行為，并納入教學(xué)管理和學(xué)生評(píng)價(jià)體系，促進(jìn)智慧校園建設(shè)。

參考文獻(xiàn)

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[6]李倩玉,蔣建國,齊美彬.基于改進(jìn)深層網(wǎng)絡(luò)的人臉識(shí)別算法[J].電子學(xué)報(bào),2017,45(03):619-625.

作者：牛作東 李捍東 單位：貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院