◆張曉惠 楊雄

基于人臉特征識別的高校查寢系統

◆張曉惠1通訊作者楊雄2

（1.福州職業(yè)技術學院阿里巴巴大數據學院 福建 350108；2.福州大學至誠學院計算機工程系 福建 350002）

鑒于目前高校查寢制度的不足，本文設計了一套基于微信小程序和人臉識別技術的高校查寢系統，以反饋學生晚間在校的情況。系統采用LAMP環(huán)境，即項目部署在阿里云ECS上，以Apache作為Web服務器，MySQL作為數據庫軟件，PHP作為開發(fā)語言，并接入百度在線人臉識別API完成人臉數據庫的管理和人臉搜索M:N識別。該系統中，輔導員發(fā)布隨機限時查寢任務，系統發(fā)出短信通知學生。學生在規(guī)定時間內上傳宿舍合照，系統即時進行人臉搜索M:N識別得到簽到結果，并在查寢結束后以郵件形式發(fā)送未簽名單通知輔導員。實驗結果證明，該系統能夠準確地實現人臉識別簽到，有效解決查寢結果統計問題，減輕輔導員的負擔，為學生安全提供保障。

微信小程序；人臉識別；查寢系統

隨著計算機及網絡技術的飛速發(fā)展，當今社會正向數字化、信息化、網絡化大步邁進[1]，高校信息化管理需求越來越顯著。全國各高校都有晚間查寢制度，以確保學生晚間在校情況，保障學生安全。然而，大多數高校仍采取傳統的查寢方式，傳統的查寢方式有人工查寢、指紋簽到等。人工查寢存在以下問題：工作量大，查寢效率、頻率低，存在人為干擾因素；大多采用紙質文檔記錄[2]，數據準確性和及時性差。而指紋簽到，容易有指紋膜作假，由他人代打簽到，且簽到效率低，往往需要排隊等候。

傳統的查寢方式不能準確、高效地反饋學生晚間在宿舍的真實情況[3]，很難滿足高校規(guī)范化管理的要求。為解決現階段高校宿舍查寢制度的不足，我們使用微信小程序結合人臉特征識別技術開發(fā)了一套高校查寢系統。在不需要任何的高科技的儀器下，只需要一部手機，就能完成宿舍的查寢工作，減輕輔導員的工作負擔，極大地提高了查寢簽到的便利性、靈活性與準確性[4-6]。

1 人臉特征識別

人臉特征識別作為一種重要的生物特征識別技術，近年來在移動支付、電子銀行、公安刑偵和身份認證等諸多領域得到廣泛使用。由于傳統人臉特征識別主要是采用基于特征點的方法、基于模型的方法和基于神經網絡等方法，都存在訓練數據集大和精度不高等缺陷。本文主要介紹基于深度學習技術的人臉特征識別技術。

相比傳統的人臉特征識別，深度學習技術可以自動從大量數據中學習特征，能夠從樣本中無監(jiān)督的學習。常用的深度學習模型為多層神經網絡，能逐層對復雜數據進行特征提取，其功能非常強大[7]。

2 系統需求分析

高校查寢系統需要將查寢通知、人臉識別、數據統計等相關工作所涉及的業(yè)務進行整合，構建一套能夠準確、高效地反饋學生晚間在寢情況的查寢系統。高校查寢系統的最終目的是減輕輔導員工作負擔，保障學生人身安全。本系統應滿足以下需求：告別傳統的查寢方式，使用智能手機完成查寢任務；以短信提醒學生查寢開始，查寢結束后以郵件告知輔導員未簽到名單；能夠準確地識別宿舍成員，并記錄每次的查寢結果；對歷史查寢數據進行對比展示，為輔導員后續(xù)管理學生提供決策依據[8-9]。

2.1 用戶權限分析

結合實際情況將查寢系統的用戶分為3類：學生、輔導員、系統管理員。每類角色用戶的權限如下：

（1）學生：學生作為被管理者，僅在有業(yè)務需求時訪問，所以對系統只有較低權限，如上傳照片、查詢歷史記錄等。

（2）輔導員：輔導員作為高校學生的直接管理者，擁有較高權限。輔導員為學生的人身安全負責，因此格外需要關注學生的晚歸情況。有多少人晚歸，為什么晚歸，以及學生未簽到次數，輔導員需要了解這些情況，才能保證學生的安全。本小程序中，輔導員可以發(fā)布隨機限時查寢任務，以起到突擊檢查的作用。同時可以查看學生上傳的照片，防止照片作假，并根據未簽到名單打電話詢問未歸的學生。

（3）系統管理員：系統管理員擁有最高權限，一般由系統開發(fā)人員或校園網絡中心工作人員擔任，主要職責是用戶管理，維護系統及保證系統正常運行，通常不參與系統的使用。

2.2 業(yè)務流程分析

首次使用本系統前，輔導員需要在Web后臺管理系統導入學生的身份信息和證件照，以創(chuàng)建人臉庫。查寢功能是整個系統的核心和難點所在，完成一次查寢的業(yè)務流程大致如下：

（1）輔導員登錄小程序，隨機或指定抽取宿舍，設置好時間后，發(fā)布查寢任務，發(fā)出短信通知；

（2）學生收到短信通知后，按照要求進行宿舍合照后并上傳。經人臉搜索M:N識別后，判斷學生是否在人臉數據庫中的指定用戶組，最后將識別出的同學標記為簽到成功，即時反饋簽到結果。

（3）查寢時間結束后，系統將未簽人員名單以郵件的形式發(fā)送給輔導員，由輔導員提醒未歸的同學及時歸寢。輔導員可隨時查看學生上傳的合照和簽到統計情況。查寢業(yè)務流程如圖1所示。

圖1 查寢流程圖

3 系統總體設計

3.1 系統架構

圖2 系統架構圖

高校查寢系統涉及的主要技術包括：微信小程序、云服務、Web開發(fā)和人臉識別API的應用。微信小程序和Web后臺管理系統的后端均使用ThinkPHP5.0框架，且后臺管理系統的前端基于Layui-mini，大大地簡化了系統開發(fā)。系統采用LAMP環(huán)境，即項目部署在阿里云ECS上，以Apache作為Web服務器，MySQL作為數據庫軟件，PHP作為開發(fā)語言，并接入百度在線人臉識別API完成人臉數據庫的管理和人臉搜索M:N識別[10]。

前端分別涉及：微信小程序和Web瀏覽器。之所以選用微信小程序作為高校查寢系統的平臺，是因為微信小程序，輕巧，無需安裝，基本上不占運行內存，易開易關，方便輔導員和學生輕松使用。在不需要任何的高科技的儀器下，只需要一部手機，就能完成查寢與統計工作，極大地提高了查寢簽到的便利性和靈活性。系統整體架構設計如圖2所示。

3.2 功能模塊設計

本系統的主要功能模塊由四個部分組成，分別是：輔導員模塊、學生模塊、個人中心模塊以及Web后臺管理模塊。

（1）輔導員模塊

該模塊包括快捷登錄，發(fā)布查寢任務，短信通知，查看宿舍合照、未簽名單和數據統計等功能。如果輔導員事先在小程序個人中心綁定微信openid[11]，即可快捷登錄，免去每次登錄都要輸入賬號密碼。進入小程序后，輔導員隨機或指定抽取宿舍，生成查寢名單，由系統發(fā)生短信通知學生。另外，輔導員可以隨時查看學生上傳的宿舍合照，以及某天查寢的未簽到名單、簽到情況占比和查寢折線圖等。

（2）學生模塊

該模塊包括查看查寢名單，拍照上傳，人臉識別以及回顧歷史查寢合照等功能。在查寢名單中的學生會收到短信通知，按照要求進行宿舍合照后并上傳，系統即時進行人臉搜索M:N識別，并反饋簽到結果。

M:N識別的原理，相當于在多個人臉的圖片中，先分別找出所有人臉，然后分別在待查找的人臉集合中，分別做1:N識別，最后將識別結果匯總在一起進行返回。

（3）個人中心模塊

該模塊包括以下幾點功能：個人基本信息的查詢與修改；綁定/解綁微信openid，修改手機、郵箱、密碼；學生可以查看每個月的簽到情況；輔導員有回收站功能，存放著被刪除的查寢記錄，保留31天；小程序的意見反饋功能。

（4）Web后臺管理模塊

該模塊在瀏覽器使用，包括兩類功能：一類是對學生的基本信息管理，如學號、姓名、性別、年級、系別、宿舍、人臉照片等。實現對學生信息的查詢、增加、刪除、修改，以及批量導入學生信息、人臉照片。人臉照片是實現人臉識別的基礎，輔導員首次使用本系統前需要導入學生的證件照，以創(chuàng)建人臉庫。另一類是對查寢結果產生的數據進行查看和統計，如查寢記錄與統計報表。查寢記錄保留著每次查寢各個宿舍學生的簽到與未簽到狀態(tài)，方便輔導員查看。統計報表則展示每周查寢的整體情況，如抽查率、簽到率，并以曲線圖的形式直觀反映查寢情況的占比，為輔導員后續(xù)管理學生宿舍提供決策依據。

3.3 數據庫設計

本系統在數據庫服務器上的關系型數據庫使用MySQL，數據庫中的信息包括輔導員和學生的基本信息，宿舍信息，查寢記錄，簽到結果和系統設置等。其中，查寢記錄是每次查寢每個宿舍的數據；簽到結果是每次查寢時每個學生人臉識別簽到的數據。查寢記錄和簽到結果是對查寢數據統計報表的基礎。系統整體E-R圖如圖3所示。

圖3 系統E-R圖

4 查寢系統實現

4.1 微信小程序（輔導員）

輔導員登錄小程序后，進入抽取宿舍頁面，修改要抽取男生宿舍與女生宿舍的數量，便可隨機抽取相應數量的宿舍，若輸入值超過宿舍數量則取最大值。輔導員還可以自定義添加宿舍。每次的抽簽結果都會生成宿舍和隨機號碼，要求學生按照隨機號碼做出相應手勢拍照，防止學生拍攝提前準備好的照片蒙混過關。當設置完開始時間和截止時間后，便可確定最終查寢名單，同時系統以發(fā)送短信驗證碼的形式通知被抽查到的宿舍成員。

待查寢結束后，系統自動發(fā)送郵件告知輔導員未簽名單，輔導員可以查看學生上傳的合照進行核實，打電話詢問未歸的學生。進入“統計”頁面，點擊上方日歷，選定某一天查看當天的查寢結果，即查寢的占比、未簽到人員名單。點擊右上角的更多，可以查看近七天以及近三十天的統計折線圖與該時段未簽到人員排行榜。統計頁面、查寢折線圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 統計頁面

圖5 查寢折線圖

4.2 微信小程序（學生）

學生收到短信通知后，登錄小程序。進入“查寢記錄”，學生初始都是未簽到狀態(tài)。點擊右上角的“上傳照片”，學生只能調用攝像頭進行拍照，若對合照不滿意，可以刪除再拍。上傳照片后，系統即時進行人臉搜索M:N識別，判斷學生是否在人臉數據庫中的指定用戶組，最后將識別出的同學標記為簽到成功，并將查寢結果保存在數據庫中。未簽到狀態(tài)圖、簽到狀態(tài)圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 未簽到狀態(tài)圖

圖7 簽到狀態(tài)圖

4.3 Web后臺管理系統

輔導員的賬號由系統管理員提供。首次使用本系統之前，輔導員需要在Web后臺管理系統的宿舍管理頁面，導入學生信息為學生創(chuàng)建賬號，上傳學生證件照為學生注冊人臉。在首頁可以查看每日/周查寢的整體情況，如抽查率、簽到率等，以及直觀的簽到曲線圖，為輔導員后續(xù)管理學生宿舍提供決策依據。Web后臺管理系統首頁如圖8所示。

圖8 Web后臺管理系統

5 結語

本文針對目前高校查寢制度所存在的不足，設計一套基于微信小程序和人臉識別技術的高校查寢系統，以反饋學生晚間在校的情況。實驗結果證明，本系統能夠快速、準確、穩(wěn)定地識別出對應學生并完成查寢統計工作，相對于傳統的簽到系統有著更好的實用性、經濟性和魯棒性，對校園信息化建設的發(fā)展有著積極的推動作用。

[1]洪成龍，楊雄，吳秋悅.基于微信小程序的智能查寢系統[J].網絡安全技術與應用，2020（11）：50-52.

[2]林志偉，王慶九，馬超虹.基于itchat的微信群簽到系統開發(fā)[J].實驗室研究與探索，2020，39（01）：108-115.

[3]陳靜嫻.基于二維碼技術?微信小程序技術的實驗室設備管理的設計與實現[J].計算機科學，2020，47（S2）：673-677.

[4]李雄，文開福，鐘小明.基于深度學習的人臉識別考勤管理系統開發(fā)[J].實驗室研究與探索，2019，38（07）：115-118+123.

[5]孫玥，楊國為.基于人臉識別的學生考勤系統的研究[J].現代電子技術，2020，43（10）：116-118+123.

[6]劉九暢.基于人臉識別技術校園宿管系統的設計與實現[D].南昌航空大學，2019.

[7]李玲俐.基于深度學習理論的人臉識別技術應用綜述[J].計算機與數字工程，2021，49（9）：1912-1913.

[8]趙金幸，肖炳甲，袁旗平.基于Android平臺的EAST即時通信系統[J].計算機應用與軟件，2020，37（08）：11-15+97.

[9]成偉.基于人臉識別學生宿舍管理系統設計[D].四川：電子科技大學，2016.

[10]李珊.基于微信小程序的學生活動管理系統的設計與實現[D].廣東：廣東工業(yè)大學，2019.

[11]倪紅軍，李霞，周巧扣.基于微信小程序的高校實驗室安全教育平臺構建[J].實驗室研究與探索，2020，39（12）：280-284.

2019年福建省教育廳青年基金項目（JAT191098）