學生宿舍人臉識別考勤系統(tǒng)設計研究
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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，結合目前通用的軟件開發(fā)方式與數據庫技術，基于云服務器數據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%?；谌四樧R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
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。但現階段學生基數大，部分學生安全意識淡薄，晚歸、未歸現象嚴重，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［1］。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［2］；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［3-8］。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［9-13］。同時隨著人臉識別算法、芯片、數據處理平臺、5G技術和物聯網技術的不斷發(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［14］。
1.2人臉識別方法
人臉識別方式有多種，常見方法包括face++、Deep⁃Face、FR+FCN、DeepID［15-19］、BaiduAI開放平臺等。face++從網絡上搜集了500萬張人臉圖片用于訓練深度卷積神經網絡模型，在LFW數據集上進行測試，準確率高達0.9950；DeepFace按照人臉檢測—對齊—表達—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層人工神經網絡進行人臉特征表達，該模型在LFW數據集上取得了97.4%的準確率；百度AI開放平臺可實現臉部特征提取和識別，通過深度卷積神經網絡分別提取人臉不同區(qū)域特征，再經過metriclearning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數據集上取得了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、人臉信息匹配結果處理。（1）人臉數據采集。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據傳輸到對應的人臉圖像處理服務器中，等待處理。（3）人臉信息匹配。數據傳輸到服務器后，服務器會根據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據庫中存儲的特征數據集合進行搜索匹配，根據相似程度對人臉身份信息進行判斷。（4）人臉信息匹配結果處理。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［20］，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)整體架構如圖1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據進行驗證，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?；谌四樧R別技術的宿舍考勤系統(tǒng)采用B/S架構模式設計，手機客戶端采用HTML5技術實現跨平臺APP開發(fā)，后臺管理系統(tǒng)使用Java語言作為開發(fā)語言，并使用輕量級數據庫MySQL作為本地數據存儲平臺。后臺管理系統(tǒng)及數據庫服務器部署在阿里云提供的云服務器上，可以快速完成數據交互，并將圖片數據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據庫建立和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，實現人臉信息采集，并將百度AI中的照片與數據庫信息實現一一對應，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格式的數據使用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)送的數據后，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，并將人臉特征與數據庫中的人臉特征集合進行比對，比對結果返回一個JSON數據集合。（3）對返回的JSON數據進行解析，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，同時向數據庫服務器寫入一條記錄，表示該生已經離開或者返回宿舍。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，操作結束。具體實現流程如圖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。學生出現未歸或晚歸情況時，系統(tǒng)將給APP發(fā)送提示消息［21］。考勤模塊實現代碼為：功能：調用百度人臉識別AI算法實現人臉識別輸入：APP_ID：百度AI提供的你的AppID；API_KEY：百度AI提供的你的API_KEY；SECRET_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）。輸出：ERROR_MSG：人臉識別結果信息。SCORE：人臉匹配得分（80以上為同一個人）USER_ID：用戶匹配結果ID判斷SCORE是否大于85（閾值）識別成功。寫入數據到mysql數據庫中。打開門禁。識別失敗。返回錯誤信息。
2.5考勤統(tǒng)計模塊
該模塊主要實現考勤信息統(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據，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據處理，降低學校采購設備成本，提高數據執(zhí)行效率。（3）移動設備終端可通過以太網、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，實時處理請假數據、實時查詢考勤數據，以便及時發(fā)現問題，防患于未然。（4）采用B/S模式為設計基礎，使用Webservers+MySql數據庫服務器技術，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數據庫設計
本文系統(tǒng)使用的數據庫表較多，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，記錄學生進出入數據和請假信息。
5結語
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，以Java作為開發(fā)語言，前端使用HTML5技術，可生成多平臺產品。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，服務器驗證結束后給嵌入式設備發(fā)送數據，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果。該系統(tǒng)通過人臉識別的方式實現宿舍考勤管理，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、對網絡依賴較大等缺陷，且在校園網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。
作者：吳永斌 濮永仙 肖坤娥 虞泉 袁銘舉 吳興蛟 單位：德宏師范高等?？茖W校