[摘 要]本文通過對人臉識別技術與其他身份識別技術的對比，進而提出基于人臉識別的高校考勤系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)考勤系統(tǒng)，同時對考勤系統(tǒng)的組成結構、工作原理、算法代碼編寫流程等進行了研究。由于人臉識別技術有著“人臉無法替代”、非侵犯性的特性，因此，將人臉識別技術應用于高校考勤系統(tǒng)能排除傳統(tǒng)考勤系統(tǒng)存在的隱患。人臉識別技術從系統(tǒng)設備、網(wǎng)絡設計、軟件設計等方面提升了人臉識別終端機對人臉的識別率，系統(tǒng)能根據(jù)實際情況生成考勤結果。與傳統(tǒng)考勤系統(tǒng)相比，人臉識別考勤流程更加簡單，使考勤工作效率得到了提高。

[關鍵詞]高校考勤 人臉識別 識別速度 人臉特征提取

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

引 言

在高校中，學生的上課考勤率是非常重要的數(shù)據(jù)，它不僅能作為教師教學質量的評價參考，還能宏觀分析學生的學習狀態(tài)。對于教師而言，學生的課堂考勤數(shù)據(jù)是評價學生的必要依據(jù)。另外，學生的考勤數(shù)據(jù)也能對教學研究提供數(shù)據(jù)支持。高?？记诘碾y題在于如何在現(xiàn)有的考勤環(huán)境下、在不影響正常授課的情況下取得這些數(shù)據(jù)。近年來，隨著考勤系統(tǒng)在各領域的廣泛應用，高校教室考勤的方式也在快速變化，從最基本的教師點名和紙質簽到方式，發(fā)展到現(xiàn)在比較超前的手機簽到、“一卡通”簽到，甚至有些高校采取指紋簽到。考勤方式越來越成熟，大大縮短了考勤所需要的時間，提高了考勤的效率與準確率，并且能夠及時得到考勤結果。然而，這些考勤系統(tǒng)所使用的技術往往存在一些制約因素。首先，某些考勤系統(tǒng)需要學生攜帶指定的設備。例如，手機考勤，學生必須攜帶手機，且手機必須安裝指定的APP；在使用“一卡通”刷卡式考勤時，若學生的系統(tǒng)卡片丟失，會存在被他人代用的隱患，使考勤系統(tǒng)形同虛設。大部分考勤系統(tǒng)都包含一個特定的行為環(huán)節(jié)，即需要學生參與：手機考勤需要學生打開應用；“一卡通”考勤需要學生靠近讀卡設備并執(zhí)行刷卡操作；指紋考勤需要每個學生逐個按壓指紋。另外，指紋系統(tǒng)還存在5%左右的誤識率、識別速度慢、高峰時需要排長隊，以及指紋采集設備磨損影響指紋識別效果等問題。

為了解決上述問題，可將人臉識別技術應用到現(xiàn)代高?？记谙到y(tǒng)中。由于人臉識別技術有著“人臉無法替代”性、非侵犯性的特性，排除了“一卡通”刷卡或指紋考勤系統(tǒng)存在的安全隱患，人臉識別技術能夠精確提取人臉特征（人臉輪廓以及眼睛、鼻子、嘴巴、耳朵之間的距離和皮膚的顏色）或行為特征（快樂、悲傷、恐懼、驚奇等），將其作為身份識別的依據(jù)。本文對人臉識別技術與其他身份識別技術進行對比，分析它們之間的優(yōu)缺點，得出基于人臉識別的考勤系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)考勤系統(tǒng)的結論，同時對系統(tǒng)的組成結構、工作原理、算法代碼編寫流程等進行了研究。

高校人臉識別考勤系統(tǒng)的設計基礎

考勤系統(tǒng)應該針對高校常見的上課教室，多數(shù)教室長12.0米，寬9.5米，高4.1米，兩扇門供出入，教室配備日光燈、PC機，光線充足。PC機有網(wǎng)絡接口、4G運行內(nèi)存、攝像頭，可以連接學校網(wǎng)絡，網(wǎng)絡寬帶為100M，滿足系統(tǒng)要求?；谌四樧R別技術的考勤系統(tǒng)不僅需要滿足高校對學生的考勤需求，還可為學生和教師提供快捷服務。系統(tǒng)以人臉為識別對象，解決傳統(tǒng)考勤方式的替代簽到、替代打卡等問題，同時，還能減少管理成本。

1.人臉識別考勤系統(tǒng)的性能指標

基于人臉識別的考勤系統(tǒng)的性能指標一般包括正確識別率和系統(tǒng)識別效率。正確識別率要達到95%以上才有識別意義，若正確識別率太低，則無法保持考勤工作的正常運行；系統(tǒng)識別效率則以單個人的識別時間作為判別準則。高校一般一個合班有五六十人，每個人都需要考勤識別過身份才能進入教室。上下課時間為10分鐘，即系統(tǒng)需要在10分鐘內(nèi)識別50人左右，理論上每12秒完成一次識別，而實際上為了提高考勤效率，要求識別單個人臉的時間更少。

2.人臉識別考勤系統(tǒng)的可靠性

可靠性需求指的是系統(tǒng)在一定運行時長內(nèi)很少出現(xiàn)故障，如果出現(xiàn)故障則要求在很短時間內(nèi)恢復正常，非正規(guī)的操作不會導致系統(tǒng)崩潰。為了提高考勤效率，要求考勤系統(tǒng)在出現(xiàn)故障后，經(jīng)及時檢修能夠快速恢復，以免耽誤正常考勤；對于異常操作，要能顯示警示信息，且不會對已有的信息造成破壞。

3.人臉識別考勤系統(tǒng)的兼容性需求

這里的兼容性指多個方面：首先，從硬件的角度看，要求采用的傳輸方式、物理線路等能適用于市面上大多數(shù)圖像采集設備；其次，要求考勤系統(tǒng)能在目前比較常用的Windows平臺上正常使用，且能與其他功能性軟件同時運行；最后，要求采取不同的操作時，仍能保持數(shù)據(jù)的一致性。

4.人臉識別考勤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫要求

人臉識別考勤系統(tǒng)對于安全性的要求較高，要集中在一個較短的時間段完成考勤，數(shù)據(jù)庫服務器的吞吐量較大，所以要注重提高系統(tǒng)軟件的穩(wěn)定性。

高校人臉識別考勤系統(tǒng)的功能設計

人臉識別考勤系統(tǒng)的最基本要求就是能準確識別考勤對象的臉部。高?？记趯ο笫歉咝W生，人臉數(shù)據(jù)是學生基本數(shù)據(jù)中的一項關鍵數(shù)據(jù)。這就需要對符合身份條件的學生進行人臉數(shù)據(jù)采集，所以系統(tǒng)必須具備采集人臉圖像信息的功能，把需要考勤的學生人臉圖像收集到系統(tǒng)中。第一，通過點擊注冊進行學生信息的采集，隨后，要驗證管理員信息，防止非管理人員的直接注冊對系統(tǒng)信息造成損壞；如果有新的管理員加入，可以在管理員登錄界面進行注冊。第二，通過人臉采集設備獲取人臉圖像信息，在采集時注意照相的角度、光線等，采集好后通過網(wǎng)絡傳輸?shù)较到y(tǒng)。第三，標記圖像信息。系統(tǒng)無法判定人臉圖像屬于哪位學生，因此，系統(tǒng)必須提供一個標記功能，為每張人臉圖像標記學生的名字、學號、班級等，形成一個人員特征數(shù)據(jù)庫。有了人員特征庫才能把需要考勤的學生的人臉圖像與學生一一對應起來，為人臉識別提供必要條件。

有了人臉特征數(shù)據(jù)庫之后，應進行人臉檢測、特征提取與識別。特征提取與識別是人臉識別模塊非常關鍵的一步，在識別時，要使用合適的方法進行提取，與數(shù)據(jù)庫中已存在的人臉模板比對。如果待測的圖像在數(shù)據(jù)庫中找到匹配模板，則說明考勤成功，會有考勤成功的提示消息；若沒有找到匹配的模板，則會提示異?？记?，說明考勤對象的信息沒有注冊，需要進行注冊。

另外，系統(tǒng)使用時間過長就會產(chǎn)生一些“垃圾”，這些“垃圾”不僅會影響系統(tǒng)的運行速度，還會影響用戶信息安全，所以系統(tǒng)需要有一個主動能銷毀“垃圾”的功能，這就是系統(tǒng)重置。在點擊系統(tǒng)重置時，要驗證管理員信息，防止非管理人員對數(shù)據(jù)造成損壞。系統(tǒng)重置功能可以銷毀數(shù)據(jù)庫中保存的信息，讓系統(tǒng)恢復到最初始狀態(tài)。

高校人臉識別考勤系統(tǒng)總體設計方案

基于上述需求分析，應從硬件角度和軟件角度分別介紹系統(tǒng)設計方案，并分析系統(tǒng)的主要技術支持。

為了完成各種功能的需求，人臉識別考勤系統(tǒng)在硬件上應該包括三大部分，第一，具有人臉采集設備，必須具備紅外探頭和攝像頭的功能，能獲得人臉圖像。第二，考勤系統(tǒng)應帶顯示屏，能上網(wǎng)，可在系統(tǒng)上實現(xiàn)人臉圖像的處理、識別以及考勤信息管理等功能。第三，考勤系統(tǒng)的服務器可部署數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，有較高的安全性設置。

人臉采集設備是人臉識別考勤系統(tǒng)的重要部分，該設備需要具備攝像頭并能傳輸數(shù)據(jù)。對于注冊的學生，應把其注冊信息寫入數(shù)據(jù)庫中；對于簽到的人員，可與數(shù)據(jù)庫中模板比較，判斷圖像中人是否是本班成員或者是否是本人，如果確定無誤則顯示簽到成功，失敗則要提示失敗信息。人臉識別考勤系統(tǒng)的軟件結構圖如圖1所示。

人臉識別考勤系統(tǒng)功能模塊的詳細設計

結合以上需求分析以及考勤工作的實際需要，我們將人臉識別考勤系統(tǒng)分為幾個模塊：注冊模塊（人臉采集、信息錄入）、考勤模塊（身份識別、考勤登記、考勤情況統(tǒng)計）、系統(tǒng)設置（系統(tǒng)重置），各模塊相互配合組成一個完整的考勤系統(tǒng)?？记谙到y(tǒng)主要功能結構如圖2所示。

1.注冊模塊

注冊模塊是用來實現(xiàn)人員基本信息和人臉圖像的保存，人臉采集由攝像頭完成。為了簡化開發(fā)，減少開發(fā)成本，該系統(tǒng)可以選用PC機自帶的攝像頭，由攝像頭采集人臉照片，后臺進行圖像處理，人臉提取依靠人臉檢測算法實現(xiàn)，通過CNN卷積算法提取人臉。在信息錄入之前首先要驗證管理員信息，錄入部分應包括姓名、班級、學號、性別等基本信息。用戶注冊時需要采集一張人臉的照片，用以上算法得到該人臉的模板并將之保存在數(shù)據(jù)庫中，留作比對識別的依據(jù)。

2.系統(tǒng)設置模塊

根據(jù)需求分析，每次簽到人數(shù)不同，簽到班級也不同，為了信息的安全性，系統(tǒng)應具備可移植性。這就需要系統(tǒng)具有重置功能，而重置功能可以重置整個數(shù)據(jù)庫，使數(shù)據(jù)庫的所有記錄銷毀，讓數(shù)據(jù)庫還原到一個干凈的節(jié)點。因此，在點擊重置系統(tǒng)時，必須驗證管理員信息，防止非管理人員損壞數(shù)據(jù)。

3.考勤模塊

身份識別是考勤系統(tǒng)的核心功能。將待識別的人臉圖像與人臉特征庫中的信息進行比較，根據(jù)人臉識別算法，系統(tǒng)判定人臉特征庫中是否有信息和待識別人臉屬于一個人，識別成功后可以得到人臉特征庫中對應的信息（學號、姓名、班級等），完成從圖像到學號的身份識別。

教室考勤部分負責系統(tǒng)的考勤邏輯。學生要先注冊，然后點擊拍照，將當前的人臉圖像與人臉特征庫中的人臉進行身份對比，識別成功的結果被更新到考勤表的“已簽到”中；如果識別失敗，則系統(tǒng)根據(jù)情況提示，如是否注冊、是否人臉端正等。每次的識別情況都會更新到“已簽到”表中，未簽到的則進入“未簽到”表中。

考勤情況統(tǒng)計部分負責統(tǒng)計系統(tǒng)的考勤情況，包括對單個年級的出勤率統(tǒng)計，對整個年級的出勤率統(tǒng)計等。

結 語

因為人臉識別技術比其他生物識別技術有著不可比擬的優(yōu)勢，被人們廣泛應用于各類智能控制系統(tǒng)中。本文將人臉識別技術應用到高?？记谙到y(tǒng)中，采取CNN卷積算法的人臉比對，可快速、精確、高效地對學生身份進行人臉識別。通過研究得出，本文所用的人臉識別考勤系統(tǒng)與傳統(tǒng)考勤系統(tǒng)相比，克服了傳統(tǒng)考勤系統(tǒng)的安全隱患，可靠性更高，具有良好的識別率。

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作者單位：陜西工業(yè)職業(yè)技術學院