張靜

（長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130033）

1 引言

近十年，社會(huì)經(jīng)歷著從信息化時(shí)代向智能化時(shí)代轉(zhuǎn)變，人工智能技術(shù)以爆炸式的發(fā)展速度應(yīng)用到人們的工作、學(xué)習(xí)、生活中，帶動(dòng)了新一輪信息化改革。作為人工智能的典型技術(shù)，人臉識(shí)別技術(shù)以速度快、效率高、準(zhǔn)確度高而被廣泛應(yīng)用在信息化系統(tǒng)中，使原有的信息化系統(tǒng)具備了智慧識(shí)別能力，提升軟件應(yīng)用的使用效率，帶給人們更好的使用體驗(yàn)。

基于人臉識(shí)別技術(shù)的考勤管理分析系統(tǒng)就是應(yīng)用人臉識(shí)別技術(shù)，通過(guò)無(wú)感知多攝像頭的綜合布點(diǎn)，結(jié)合可交互式智能電子顯示屏，可編程電磁鎖，實(shí)現(xiàn)智能化交互與顯示、課堂出勤率的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)與分析[1]。

2 系統(tǒng)需求

2.1 使用人臉識(shí)別技術(shù)提升課堂的簽到效率

傳統(tǒng)的百人課堂，需要至少5分鐘才能完成出勤統(tǒng)計(jì)，需要耗費(fèi)較大的精力；而人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效提高課堂的簽到效率，在使用便利、提高效率、準(zhǔn)確度的同時(shí)，提升使用感受。

2.2 課堂出勤數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)管理

課堂出勤管理需要提升數(shù)據(jù)記錄效率，自動(dòng)記錄學(xué)生的出勤信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析。及時(shí)發(fā)現(xiàn)高缺席頻率學(xué)生，能夠向教師、學(xué)生自動(dòng)反饋出勤情況，縮短教學(xué)管理反應(yīng)周期，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)管理。

2.3 與原有教務(wù)系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)課堂教師、學(xué)生、課程數(shù)據(jù)共享

需要在原有教務(wù)系統(tǒng)中提取教師、學(xué)生、課程表的信息，作為考勤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，完整地收集教學(xué)過(guò)程管理數(shù)據(jù)，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(tái)

教學(xué)管理者在巡課過(guò)程中需要及時(shí)獲取課堂信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題。教師、學(xué)生也時(shí)常有課程信息查詢的要求。需要一套信息查詢工具，及時(shí)獲取課堂科目、教師、學(xué)生出勤等信息。

2.5 自動(dòng)門禁管理

教室、實(shí)驗(yàn)室安排專人開(kāi)門，教師上課、串課、監(jiān)考前要協(xié)調(diào)開(kāi)門，浪費(fèi)人力資源的同時(shí)，時(shí)常出現(xiàn)人到門未開(kāi)的情況，影響教學(xué)及考試。教學(xué)場(chǎng)所需要自動(dòng)門禁管理，可以通過(guò)信息化開(kāi)鎖系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)預(yù)存程序，調(diào)取課程表信息，自主設(shè)置開(kāi)鎖用戶權(quán)限、時(shí)間，進(jìn)行刷卡或人臉識(shí)別開(kāi)鎖，節(jié)省人力資源和管理成本。

3 系統(tǒng)工作原理與流程

系統(tǒng)工作原理與流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理與流程框圖

3.1 人臉識(shí)別身份認(rèn)證

人臉識(shí)別是基于人的臉部特征信息進(jìn)行身份識(shí)別的一種生物識(shí)別技術(shù)。[2]被識(shí)別人員（學(xué)生、教師）在進(jìn)入、走出攝像頭范圍時(shí)，被攝像頭拍攝圖像，經(jīng)過(guò)圖像采集與分離技術(shù)的圖像分割、采樣操作，進(jìn)行人臉捕捉，調(diào)用對(duì)比引擎與教務(wù)系統(tǒng)提供的應(yīng)到課人像數(shù)據(jù)庫(kù)的人像數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到對(duì)比結(jié)果，識(shí)別人員身份，輸出人員信息[3]。

3.2 可編程電磁鎖開(kāi)鎖控制

門鎖控制子系統(tǒng)控制可編程電磁鎖的開(kāi)鎖操作。通過(guò)智慧班牌上的攝像頭進(jìn)行人員身份的識(shí)別，取得人員信息；通過(guò)教務(wù)系統(tǒng)提取可使用教室人員的信息；兩者對(duì)比，結(jié)果相同，則打開(kāi)電磁鎖。

3.3 電子班牌顯示區(qū)

在教室門口的電子班牌上，通過(guò)教務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提取，獲得授課信息（包括當(dāng)前課程名稱，課程內(nèi)容，授課進(jìn)度等）、任課教師信息（包括照片、簡(jiǎn)介等）；通過(guò)人臉識(shí)別身份認(rèn)證獲取當(dāng)前到課的學(xué)生信息（包括學(xué)生班級(jí)，應(yīng)出席人數(shù)），方便教學(xué)管理人員檢查巡視。

3.4 結(jié)果通知區(qū)

教室前的電子白板和手機(jī)客戶端程序（或微信小程序）是結(jié)果通知區(qū)。電子白板顯示當(dāng)前人臉識(shí)別確認(rèn)身份的學(xué)生情況。供學(xué)生觀察自己到課狀態(tài)；供授課教師了解實(shí)時(shí)到課情況。

當(dāng)實(shí)施場(chǎng)景中沒(méi)有電子白板或顯示屏?xí)r，可使用手機(jī)客戶端程序（或微信小程序），接收學(xué)生簽到信息，授課教師獲得實(shí)時(shí)到課情況。

3.5 數(shù)據(jù)報(bào)表

后臺(tái)系統(tǒng)對(duì)到課情況數(shù)據(jù)形成分析結(jié)果與報(bào)表，供管理部門提取使用；返回教務(wù)管理系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)，顯示報(bào)表；課堂出勤分析還可與院校教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)接，提供數(shù)據(jù)參考。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

利用安卓系統(tǒng)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(tái)攝像頭、中央電子白板等硬件設(shè)備，結(jié)合集成化系統(tǒng)管理與數(shù)據(jù)分析軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多媒體顯示、無(wú)打擾教學(xué)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(tài)采集與實(shí)時(shí)分析等多種功能。

圖2 系統(tǒng)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(xué)校教室門前。與教務(wù)系統(tǒng)同步，顯示當(dāng)前教室的基本信息、授課教師信息、教室內(nèi)學(xué)生到課情況、課程表。教務(wù)管理人員可在班牌上實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證，觀看教室內(nèi)授課畫(huà)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(lián)動(dòng)，通過(guò)人臉識(shí)別技術(shù)進(jìn)行身份識(shí)別，與獲取的后臺(tái)權(quán)限信息驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人像識(shí)別開(kāi)門操作。

電磁鎖采用通電開(kāi)鎖模式，1臺(tái)終端機(jī)控制1把鎖。

圖4 通電開(kāi)鎖模式的接法示意圖

4.1.3 可編程變焦式人像采集云臺(tái)攝像頭

可編程變焦式人像采集云臺(tái)攝像頭部署在學(xué)校教室前方中心位置，進(jìn)行人像采集，并通過(guò)人臉掃描功能模塊進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，操作攝像頭旋轉(zhuǎn)、變焦、掃描等動(dòng)作，對(duì)進(jìn)場(chǎng)人員影像進(jìn)行采集，并將視頻流傳送給后臺(tái)管理程序。

4.1.4 中央電子白板顯示器

當(dāng)前到課實(shí)時(shí)情況在中央電子白板顯示器上顯示。發(fā)現(xiàn)自己未被記錄可以再次進(jìn)入掃描區(qū)域掃描。

4.2 軟件功能設(shè)計(jì)

軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

4.2.1 系統(tǒng)管理程序

可對(duì)交互式智慧班牌系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括設(shè)備注冊(cè)、攝像頭注冊(cè)、位置信息管理、IP地址管理、顯示單元管理等。

可對(duì)可編程變焦式人像采集云臺(tái)攝像頭進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括攝像頭注冊(cè)、位置信息管理、采集區(qū)域管理、掃描頻率管理、變焦管理等。

在不與教務(wù)系統(tǒng)對(duì)接的情況下，可單獨(dú)管理課程表信息、學(xué)生信息及授課教師信息。

4.2.2 人臉識(shí)別與出勤統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)

上課前，接收攝像頭傳送的視頻流，進(jìn)行人像比對(duì)，記錄人員的進(jìn)入信息、時(shí)間，統(tǒng)計(jì)到課人數(shù)，并將結(jié)果傳送給智慧班牌及中央電子白板大屏幕控制系統(tǒng)，進(jìn)行顯示，同時(shí)傳送給教務(wù)系統(tǒng)和app客戶端。

開(kāi)始上課時(shí)，不間斷獲取學(xué)生影像數(shù)據(jù)。通過(guò)算法計(jì)算出學(xué)生的上課情緒，分析學(xué)習(xí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，形成分析結(jié)果與報(bào)表，供教學(xué)管理部門提取使用。課堂出勤分析還可與院校教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)接，提供數(shù)據(jù)參考。

4.2.3 交互式智慧班牌顯示子系統(tǒng)

在學(xué)校教室、實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房或辦公區(qū)會(huì)議室門前安放基于安卓系統(tǒng)的固定的可交互式電子顯示屏。開(kāi)發(fā)與當(dāng)前學(xué)校的教務(wù)管理系統(tǒng)、會(huì)議室預(yù)約系統(tǒng)通信的顯示子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的顯示功能，具體如下：

在教室門口的互動(dòng)式電子顯示屏上可顯示當(dāng)前教室的基本信息（門牌號(hào)、座位數(shù)量等）、授課信息（當(dāng)前課程名稱、課程內(nèi)容、授課進(jìn)度等）、任課教師信息（教師基本信息、簡(jiǎn)介等）、當(dāng)前應(yīng)到課的學(xué)生信息（學(xué)生班級(jí)，應(yīng)出席人數(shù)），通過(guò)與人像識(shí)別系統(tǒng)和統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)交互，顯示當(dāng)前教室實(shí)際到課人數(shù)，已到及未到人員信息等。顯示屏還可根據(jù)需要顯示一些通知信息，如生活信息、屏幕廣告等內(nèi)容。

以上顯示內(nèi)容可與當(dāng)前學(xué)校的教務(wù)管理系統(tǒng)通信，通過(guò)教務(wù)管理系統(tǒng)獲取課程、教師及學(xué)生信息（需教務(wù)系統(tǒng)提供接口程序）等。

4.2.4 人臉驗(yàn)證自動(dòng)開(kāi)鎖子系統(tǒng)

教室、實(shí)訓(xùn)室、考場(chǎng)管理人員通過(guò)在教室門口的探頭掃描，進(jìn)行人臉識(shí)別認(rèn)證自動(dòng)開(kāi)鎖。其中教室、實(shí)訓(xùn)室、考場(chǎng)管理人員信息通過(guò)與當(dāng)前學(xué)校的教務(wù)管理系統(tǒng)接口讀取證件照片、教師課程信息、教室、實(shí)訓(xùn)室考場(chǎng)使用信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行身份驗(yàn)證，確認(rèn)權(quán)限，自動(dòng)打開(kāi)門鎖。

4.2.5 電子白板或手機(jī)客戶端（結(jié)果通知區(qū)）子系統(tǒng)

電子白板用來(lái)顯示當(dāng)前到課實(shí)時(shí)情況，供上課者了解到課狀態(tài)是否被記錄（進(jìn)入人像是否被識(shí)別、比對(duì)成功）。授課教師了解實(shí)時(shí)到課情況，并作出相應(yīng)操作。也可以使用手機(jī)客戶端程序（或微信小程序），上課者接收自己的簽到（離開(kāi)）信息，授課教師通過(guò)APP或小程序獲得實(shí)時(shí)到課情況。

4.2.6 數(shù)據(jù)分析與報(bào)表子系統(tǒng)與教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控子系統(tǒng)

教學(xué)評(píng)估面向管理者，提供全面、實(shí)時(shí)、精要、直觀的分析視圖和課堂動(dòng)態(tài)督導(dǎo)信息，可量化、易感知、實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地了解課堂教學(xué)的運(yùn)行情況，通過(guò)智慧課堂教學(xué)活動(dòng)沉淀的教學(xué)數(shù)據(jù)，即時(shí)全面了解教學(xué)質(zhì)量情況。

4.2.7 智能教室APP客戶端

學(xué)生在人臉識(shí)別失敗的情況下使用手機(jī)APP簽到，接收自己的簽到信息。授課教師通過(guò)APP或小程序獲得實(shí)時(shí)到課情況、學(xué)習(xí)狀態(tài)數(shù)據(jù)以及學(xué)生的分析數(shù)據(jù)圖表。

5 代碼開(kāi)發(fā)

為了解耦和提高代碼復(fù)用，本系統(tǒng)采用三層架構(gòu)與MVC結(jié)合的模式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

架構(gòu)分層為：業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）（service層）、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層（DAL）（dao層）、實(shí)體類庫(kù)（Model）。

下面以教室管理為例進(jìn)行代碼開(kāi)發(fā)的說(shuō)明。

5.1 實(shí)體類庫(kù)（Model）

實(shí)體類庫(kù)又稱為Entity實(shí)體類。用一個(gè)專門的類來(lái)抽象出數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)，類的屬性就是表的屬性。Model實(shí)體類庫(kù)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(shù)據(jù)訪問(wèn)層（DAL）

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層主要是存放對(duì)數(shù)據(jù)類的訪問(wèn)，即對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的添加、刪除、修改、更新等基本操作。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層根據(jù)業(yè)務(wù)需求，構(gòu)造SQL語(yǔ)句，構(gòu)造參數(shù)，調(diào)用幫助類，獲取結(jié)果。DAL層被BLL層調(diào)用。

以下為ClassRoomMapper接口代碼：

5.3 業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）

業(yè)務(wù)邏輯層好比是橋梁，將UI表示層與DAL數(shù)據(jù)訪問(wèn)層之間聯(lián)系起來(lái)，處理涉及業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)的問(wèn)題，比如在調(diào)用訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)之前，先處理數(shù)據(jù)、判斷數(shù)據(jù)。BLL層只被UI層引用。

以下為ClassRoomService類代碼：

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于人臉識(shí)別技術(shù)的考勤管理分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無(wú)感知課堂考勤，識(shí)別速度快準(zhǔn)確率高，節(jié)約課堂點(diǎn)名時(shí)間，可與教務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的硬件設(shè)備由安裝在教室內(nèi)攝像頭、顯示大屏、教室外智慧班牌以及后臺(tái)服務(wù)器組成。攝像頭用來(lái)采集學(xué)生進(jìn)入教室時(shí)的影像，實(shí)現(xiàn)簽到，簽到的結(jié)果實(shí)時(shí)更新到顯示大屏。可視化的智慧班牌用以展示各個(gè)班級(jí)的考勤信息、授課信息、精品課程、德育宣傳、班級(jí)榮譽(yù)、考場(chǎng)信息、校園通知、班級(jí)風(fēng)采等信息。點(diǎn)擊觸摸屏，可以查看出勤的相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息，也可以調(diào)取教室內(nèi)的實(shí)時(shí)影像，實(shí)現(xiàn)教學(xué)管理人員無(wú)干擾查課。