施雯斐

(南京城市職業(yè)學(xué)院，南京 210002)

1 人臉識(shí)別技術(shù)

1.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

人臉識(shí)別也叫面部識(shí)別或人像識(shí)別，是一種根據(jù)人的面部信息來進(jìn)行身份識(shí)別的生物識(shí)別技術(shù)。人臉識(shí)別系統(tǒng)主要有四個(gè)過程：人臉圖像采集，圖像預(yù)處理，圖像特征提取，匹配及識(shí)別[1]。(1)人臉圖像的采集是通過攝像機(jī)或照相機(jī)采集包含人臉的視頻流或圖像。通常人臉圖像采集會(huì)受到圖像大小、圖像分辨率、光照環(huán)境、運(yùn)動(dòng)模糊程度、遮擋程度、采集角度等影響。(2)對(duì)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，主要包括圖像增強(qiáng)、人臉對(duì)齊。針對(duì)低質(zhì)量的圖像，一般采用暗光增強(qiáng)、超分辨率、去噪、去除運(yùn)動(dòng)模糊等方式進(jìn)行圖像增強(qiáng)，盡量避免因采集環(huán)境及設(shè)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(guān)鍵點(diǎn)把人臉“校準(zhǔn)”，盡量去消除姿勢(shì)不同帶來的誤差。(3)圖像特征提取，是用專業(yè)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(shí)別圖像。(4)匹配及識(shí)別，通常有兩種方式：人臉識(shí)別1∶1比對(duì)、人臉識(shí)別1∶N比對(duì)。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(duì)人臉的關(guān)鍵信息，從人臉的數(shù)據(jù)庫中檢索出人員信息。

人臉識(shí)別技術(shù)具有并發(fā)性、非強(qiáng)制性、無感知性、自學(xué)習(xí)性、高通用性的優(yōu)勢(shì)，它的存在使人們?cè)诠ぷ鲗W(xué)習(xí)和生活中實(shí)現(xiàn)刷臉乘車、刷臉購(gòu)物、刷臉簽到、刷臉解鎖手機(jī)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(shí)別技術(shù)的更多應(yīng)用將被人們發(fā)掘，它的存在及發(fā)展將改變?nèi)祟惖囊率匙⌒?、工作、學(xué)習(xí)、生活等方式。

1.2 人臉識(shí)別技術(shù)在高校的應(yīng)用

我國(guó)高校有關(guān)人臉識(shí)別問題研究的論文成果最早是2011年12月發(fā)表的一篇《基于人臉識(shí)別的高校無阻礙門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究》論文。截止至2020年6月1日，筆者在中國(guó)知網(wǎng)高級(jí)檢索用主題及關(guān)鍵詞“人臉識(shí)別”和“高?！睓z索，共檢索出48篇相關(guān)論文，通過知網(wǎng)中計(jì)量可視化分析中年發(fā)文量分析圖(如圖一)可以看出，從2011年到2019年有關(guān)高校人臉識(shí)別的論文發(fā)表量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中從2017年的5篇至2018年的18篇可以看出，高校人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用情況在2018年之后有著質(zhì)的飛躍，各大高校開始將人臉識(shí)別技術(shù)更多的應(yīng)用在教育教學(xué)中。

圖1 知網(wǎng)計(jì)量可視化分析—年發(fā)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(shí)別技術(shù)在高校中的應(yīng)用主要有智能安防、圖書館出入管理、學(xué)生考勤、宿舍管理、晨跑打卡等，貫穿了學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活。此外，現(xiàn)在由于疫情的原因，師生出入校園及校內(nèi)公共場(chǎng)所都需要測(cè)溫，所以許多高校采用人臉識(shí)別和紅外測(cè)溫相結(jié)合，這樣在對(duì)校園學(xué)生的體溫健康狀況檢測(cè)時(shí)，不僅提高了學(xué)生管理工作的效率，而且記錄了每個(gè)學(xué)生在校園軌跡回溯中的情況。

2 人臉識(shí)別在高校學(xué)生校園軌跡回溯中的應(yīng)用

2.1 人臉識(shí)別安防及測(cè)溫系統(tǒng)

眾所周知，2020年爆發(fā)的新冠肺炎導(dǎo)致全國(guó)乃至全球的學(xué)校都進(jìn)行了不同程度的停學(xué)，在疫情有所控制之后，各地區(qū)各學(xué)校逐漸復(fù)學(xué)返校。與中小學(xué)不同的是，高校的學(xué)生來自全國(guó)各地，甚至來自國(guó)外，數(shù)千學(xué)生集中返校對(duì)高校防疫工作無疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。這時(shí)就需要一套智能化的安防及測(cè)溫系統(tǒng)，在學(xué)生進(jìn)入校門時(shí)無接觸識(shí)別學(xué)生且體溫是否正常。該智能化的安防及測(cè)溫系統(tǒng)是基于人臉識(shí)別技術(shù)和紅外測(cè)溫技術(shù)設(shè)計(jì)的，主要的功能設(shè)計(jì)包括以下幾點(diǎn)：(1)人臉采集及建立數(shù)據(jù)庫。在新生入學(xué)時(shí)，統(tǒng)一安排人員及設(shè)備進(jìn)行新生人臉采集，同時(shí)錄入該生的基本信息及學(xué)號(hào)、專業(yè)等學(xué)籍信息，建立一套完整的學(xué)生信息數(shù)據(jù)庫，對(duì)接校園內(nèi)所有人臉識(shí)別相關(guān)系統(tǒng)。(2)人臉識(shí)別及紅外測(cè)溫。學(xué)生在特定區(qū)域內(nèi)，露出鼻子以上部位，盡量保持不動(dòng)，攝像頭識(shí)別出來后在大屏中顯示該生信息。同時(shí)，紅外測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)出的該生體溫也同樣顯示在大屏中，如果體溫異常會(huì)報(bào)警提示。(3)數(shù)據(jù)記錄。將每一個(gè)學(xué)生每一次進(jìn)出的數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫中，以便調(diào)取每位學(xué)生出入校園的記錄及體溫情況。

2.2 人臉識(shí)別圖書館管理系統(tǒng)

圖書館是高校學(xué)生出入頻率較高的一個(gè)校園場(chǎng)所，學(xué)生在圖書館管內(nèi)進(jìn)行借書、還書、查找資料、考試復(fù)習(xí)等一系列學(xué)習(xí)活動(dòng)，需要一套智能化的管理系統(tǒng)對(duì)學(xué)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(jìn)行統(tǒng)一管理，提高圖書管理工作效率，節(jié)省人力物力，更好的服務(wù)師生[2]。該智能化的圖書管理系統(tǒng)同樣是基于人臉識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)的，主要的功能設(shè)計(jì)包括以下幾點(diǎn)：(1)出入門禁系統(tǒng)。學(xué)生出入圖書館時(shí)，需要人臉識(shí)別身份信息，非本校學(xué)生禁止入內(nèi)。出圖書館時(shí)若忘記辦理借書手續(xù)，則門禁會(huì)報(bào)警提示。(2)圖書自助借還系統(tǒng)。借書時(shí)，學(xué)生只需要將人臉對(duì)準(zhǔn)攝像頭識(shí)別出身份后，按照借書程序自助辦理借書后，會(huì)顯示該生所借圖書的書名及借閱有效期。還書時(shí)，同樣在系統(tǒng)中識(shí)別身份后，選擇要還的書名，自助辦理還書手續(xù)。若出現(xiàn)超時(shí)借書需繳費(fèi)時(shí)，直接通過系統(tǒng)網(wǎng)上支付即可。(3)閱覽室座位使用情況統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)。通過閱覽室攝像頭實(shí)時(shí)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(xué)生密集使用閱覽室復(fù)習(xí)時(shí)更有效的使用閱覽室。(4)學(xué)生行為軌跡分析。根據(jù)學(xué)生出入圖書館的頻率及借書等情況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析該生的閱讀喜好、閱讀需求等，更好地為學(xué)生服務(wù)。

2.3 人臉識(shí)別學(xué)生考勤系統(tǒng)

高校與中小學(xué)不同的一點(diǎn)是高校學(xué)生上課沒有固定的教室，有些公共課程甚至有多個(gè)專業(yè)的學(xué)生混合在一個(gè)教室上課，這種情況下采用傳統(tǒng)的教師點(diǎn)名、紙質(zhì)簽到等考勤方式，不僅增加了教師的工作量，浪費(fèi)大量的時(shí)間，而且準(zhǔn)確率不高。人臉識(shí)別學(xué)生考勤系統(tǒng)具有準(zhǔn)確率高、統(tǒng)計(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)的主要功能設(shè)計(jì)包括以下幾點(diǎn)：(1)人臉身份信息識(shí)別。學(xué)生進(jìn)入教室時(shí)，在特點(diǎn)區(qū)域?qū)⒛槍?duì)準(zhǔn)攝像頭進(jìn)行人臉識(shí)別，顯示器上會(huì)顯示該生的基本信息及學(xué)籍信息，防止學(xué)生代考勤或者走錯(cuò)教室。(2)考勤數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。將每節(jié)課的考勤數(shù)據(jù)對(duì)接學(xué)校的大數(shù)據(jù)庫，方便教師在期末考核時(shí)調(diào)取學(xué)生的考勤數(shù)據(jù)。同時(shí)，該統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也記錄了學(xué)生每天在校園內(nèi)的行為軌跡，提高了學(xué)生在校園內(nèi)的安全性。

2.4 人臉識(shí)別學(xué)生晨跑打卡系統(tǒng)

根據(jù)國(guó)務(wù)院和教育部要求，推行學(xué)生校園健身晨跑，增強(qiáng)學(xué)生身體素質(zhì)。許多高校也對(duì)學(xué)生健身跑做出考核要求[3]。若采用傳統(tǒng)簽到方式對(duì)學(xué)生考核，不僅工作量大，而且存在代簽到的情況，影響考核結(jié)果。人臉識(shí)別學(xué)生晨跑打卡系統(tǒng)是基于人臉識(shí)別技術(shù)和定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，能夠解決傳統(tǒng)簽到存在的問題，主要的功能設(shè)計(jì)包括以下幾點(diǎn)：(1)手機(jī)軟件APP登錄。提前將全校學(xué)生的人臉數(shù)據(jù)信息錄入系統(tǒng)，學(xué)生通過學(xué)號(hào)和密碼登錄定制的軟件APP，登錄之后攜帶手機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤定位。(2)隨機(jī)產(chǎn)生路徑規(guī)劃。登錄APP后，每天該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)隨機(jī)產(chǎn)生當(dāng)天的路徑規(guī)劃，同時(shí)生成三個(gè)打卡點(diǎn)，學(xué)生跑步需經(jīng)過打卡點(diǎn)且全程跑完。為避免學(xué)生騎車打卡等作弊情況，系統(tǒng)會(huì)計(jì)算該生每日跑步的平均速度，若出現(xiàn)異常情況會(huì)自動(dòng)判定該日打卡無效。(3)人臉識(shí)別身份。學(xué)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(shí)別成功后才算打卡成功。此外，該手機(jī)該軟件記錄該生每日的跑步打卡情況，方便期末考核時(shí)數(shù)據(jù)的調(diào)取。

2.5 人臉識(shí)別學(xué)生宿舍管理系統(tǒng)

高校學(xué)生走讀的并不多，幾乎都住在學(xué)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(shí)，出入宿舍樓的人員也必須確認(rèn)是否為住校學(xué)生。此外，疫情期間也要保證出入宿舍的學(xué)生必須體溫正常。人臉識(shí)別學(xué)生宿舍管理系統(tǒng)是基于人臉識(shí)別技術(shù)和紅外測(cè)溫技術(shù)設(shè)計(jì)的，包括門禁系統(tǒng)、宿舍考勤、體溫測(cè)量三個(gè)主要功能。(1)門禁系統(tǒng)。對(duì)接學(xué)校的大數(shù)據(jù)庫，學(xué)生出入宿舍樓時(shí)人臉需對(duì)準(zhǔn)攝像頭，認(rèn)證成功后閘機(jī)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(tǒng)通過學(xué)生出入數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出宿舍內(nèi)外的學(xué)生人數(shù)及名單，宿舍阿姨通過該統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性考勤，提高考勤效率。(3)體溫測(cè)量。由于疫情的原因，在原來的宿舍管理系統(tǒng)中加入了體溫測(cè)量功能。學(xué)生在進(jìn)入到人臉閘機(jī)區(qū)域時(shí)，在進(jìn)行人臉身份認(rèn)證的同時(shí)進(jìn)行了紅外測(cè)溫，且溫度顯示于顯示器上，若體溫異常則立刻報(bào)警提示。

3 人臉識(shí)別在高校應(yīng)用中存在的問題及前景展望

盡管人臉識(shí)別技術(shù)在高校的教育教學(xué)及管理中應(yīng)用越來越廣泛[4]，但也存在一些實(shí)際問題，如：人臉門禁系統(tǒng)若出現(xiàn)多人聚集通過時(shí)，準(zhǔn)確率會(huì)下降。對(duì)人臉數(shù)據(jù)采集要求高，若采集者妝容太濃或光線過暗會(huì)導(dǎo)致識(shí)別準(zhǔn)確率下降。這些在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題還需要用技術(shù)手段進(jìn)一步完善。

隨著信息化建設(shè)及智慧校園建設(shè)的不斷發(fā)展，人臉識(shí)別技術(shù)將更加廣泛地應(yīng)用在高校的教學(xué)及管理中。未來，不僅在校園安防、教學(xué)及宿舍考勤管理應(yīng)用中有所改進(jìn)，同時(shí)在教學(xué)形式及方法等領(lǐng)域也會(huì)給高校帶來技術(shù)性的變革，為高校深入推進(jìn)教育教學(xué)改革提供技術(shù)支撐，進(jìn)一步提升高校教育及管理智能化水平。