人臉識別在高校公寓管理中的應用研究

姜瓊瓊　劉陽

摘要：文章以高校管理系統為研究對象，分析了江蘇大學公寓管理模式現狀，總結出當前公寓管理模式存在的問題。通過對人臉識別技術的研究，針對現有管理系統的不足，將人臉識別技術應用到高校管理系統中，設計了基于人臉識別技術的公寓管理系統，提高門禁對人員的識別性，提高公寓的安全管理，便于學校對學生的管理。

關鍵詞：公寓管理系統；人臉識別技術；系統設計與實現

高校學生公寓的管理涉及到學生的人身和財產安全，校園安全問題維系著社會和學校的穩定、牽動著家庭的幸福，直接影響到我國高等教育的改革和發展。現階段的公寓管理模式已經不能滿足快速發展的信息化校園管理，廣泛使用的校園一卡通的信息識別技術的缺陷日益突出，如代刷、漏刷，一卡通丟失、失效，身份驗證識別率低等問題。人臉識別具有唯一性、易攜帶、不可復制性等生物特征很好的解決了學校在安全管理方面存在的問題，大大提高了高校公寓管理的安全性，是不斷改進公寓管理系統不可或缺的識別技術。

一、公寓管理系統概述及存在的問題

（一）公寓管理系統概述

高校公寓管理系統是一個提高公寓管理效率、規范學生住宿管理、減輕高校公寓管理人員日常工作負擔、提高高校綜合管理效能的有效工具。系統以公寓房源、學生信息為基礎數據，可以對房間床位分配、住宿繳費、房間設備維護、日常設施檢查、公寓人員的工作分配與管理等進行規范化、系統化設置；可以使公寓管理中心、學工處、教務處、財務處等學校職能部門及學校領導隨時獲得所需要的公寓管理信息，實現信息無障礙共享，進一步提高公寓管理的效率。

（二）公寓管理系統存在的問題

自從門禁系統設立以來，從管理者到學生都存在很大的問題

1.宿管處有明確的工作考核標準，需要每天晚上11點以前的歸寢率達到80%以上才不會被扣工資，所以經常與不刷卡的學生發生沖突；為加強對學生刷卡的控制，宿管處經常要在早上與中午的時候派人在門禁處對學生進行監督，加重了工作量，導致宿舍人員抱怨不斷；

2.門禁的刷卡率與學生的考勤掛鉤，如果出門忘刷卡，晚上回宿舍忘刷卡，就會對學生的考勤率造成一定的影響，會在學生不知情的情況下對學生成績產生影響。

3.在學生請假期間沒有刷門禁，需要在輔導員處寫三份假條，一份給輔導員存根，一份給上課老師，一份給宿管科方便在晚上未歸寢時，宿管處無須再上報給輔導員處；在學生丟失一卡通的情況下，晚上歸寢不僅要告知宿管處，更要對輔導員進行聲明，程序繁復，為學生和管理者都帶來了諸多不便。

4.學生認為刷卡是侵犯隱私的行為，經常不配合宿管科的工作，甚至為方便逃課、放假前提前回家或出去玩，經常會找同學代刷、替刷，不便于對公寓學生進行嚴格的管理。

二、人臉識別相關知識

（一）人臉識別概述

人臉識別是通過計算機利用人特有的面部特征分析人的面部圖像提取有效信息進行身份識別的一種生物識別技術。它屬于生物識別技術中一項應用前景廣泛且價值很高的識別技術，具有可采集性、易攜帶、穩定性、、唯一性等特點。人臉識別是通過將攝像頭采集到圖像，并對采集到的圖片進行人臉的檢測和跟蹤，進而對檢測到的人臉進行臉部的特征識別。

（二）人臉識別方法

人臉識別的方法有很多，如：基于特征臉（PCA）的人臉識別方法、幾何特征的人臉識別方法、神經網絡的人臉識別方法、彈性圖匹配的人臉識別方法、支持向量機（SVM）的人臉識別方法。但無論采用什么方法，都要考慮多方面的因素，如噪音、光照強度、膚色、表情等。

（三）人臉識別過程

人臉識別是對獲取到的圖像進行檢測、特征識別、圖像匹配等一系列程序后，對探測到的數據進行比對的過程。主要包括：人臉檢測、特征提取、圖像匹配等一系列過程。

1.人臉檢測。對高清攝像頭采集到的圖像進行檢測，根據人臉的面部特征如：眼睛、鼻子、嘴巴，人臉輪廓形狀等一系列要素的屬性值進行檢測。常見的人臉檢測算法容易受到噪聲、光照、膚色、以及人臉角度等因素的影響。典型的人臉檢測算法有基于膚色區域分割的檢測算法、基于統計模板的檢測算法。

2.特征識別。對檢測到的人臉數據進行面部特征識別，以提取出能區別不同個體的差異性的面部的關鍵特征，如：眼睛之間的距離，眼睛、鼻子、嘴巴之間的比例、人臉輪廓的。這些特征對于同一個體必須是穩定的，且對于不同的個體要具有差異性。與此同時，特征提取作為人臉識別技術中最為關鍵的一步，不僅要將高維的圖像數據轉換為低維數據以便識別，更需要將圖像數據中有用的關鍵信息和主要的能描述表征人臉面部信息的特征數據提取出來。

3.圖像匹配。是將通過人臉檢測與面部特征提取后的數據通過適合的分類器進行人臉身份鑒別，以判斷其圖像與數據庫中的數據的相似度是否在80%以上。該階段的過程十分依賴于特征提取的結果。針對不同個體間的面部特征具有一些相似性，同一個體在不同條件下的差異性也很大，這些相同或相似的面部結構屬性對于人臉檢測是十分有利的，但對于圖像匹配來說困難卻很大。

三.江蘇大學基于人臉識別技術的學生公寓管理信息系統的設計

將人臉識別技術與門禁系統相結合以后，利用系統采集到的圖像進行相應的識別，確認與IC卡上的信息相一致，門禁系統的信息錄入功能進行相應的實現，當兩邊的數據不一致，則比較人臉識別到的信息是否在數據庫中能找到，IC卡上的信息在數據庫中是否有相對應的信息，如果都在數據庫中存檔，但信息不一致，則系統記錄的信息以人臉識別到的信息為準，將數據記錄在系統中；當人臉識別到的數據在數據庫中不存在而IC卡上的數據信息存在，則說明該人員不屬于本公寓，系統提示錯誤信號；當人臉識別到的數據與IC卡的數據都不在數據庫中，則系統提示錯誤信號。

工作流程：每當有人經過刷卡時，首先讀取IC卡的信息，接著檢測人臉圖像，門禁控制器給攝像頭發出采集信息，攝像頭拍攝一幅含有人臉的正面照片，當照片數據傳送到門禁控制器后，對接收的數據卡傳送的人臉圖像進行預處理和人臉檢測；對檢測出的人臉圖片進行處理，計算出人臉特征向量，并與IC卡上的數據進行匹配，如果匹配成功，則系統記錄此次通行時間跟人的相關數據，如果不一致，以攝像頭采集到的人臉特征為基礎與人臉數據庫中的數據做匹配，如果人臉數據庫中有此人的信息，則將此人的通行記錄記錄在檔，IC卡信息作廢。流程圖如圖1所示：

四、江蘇大學基于人臉識別技術的學生公寓管理信息系統的實現

（一）系統實現環境

開發語言為Java語言。java免費開源是世界上采用最廣泛的編程語言。

開發工具Eclipse。Eclipse 是開放源代碼的、而且是基于Java開發平臺，可以拓展。Eclipse是一個框架和一組服務，是通過插件組件來構建開發環境，也包括自身帶有的插件集，比如Java開發工具（Java Development Kit，JDK）就在其中。

數據庫mysql。Mysql是一個開源而且免費的中小型關系數據庫，其特性非常好，往往被用中小公司采用，通常分布式存儲中往往mysql是最好的選擇，既能保證性能又能降低成本。

版本控制工具SVN/Git。SVN屬于集中式版本管理，全程是Subversion，它是開源免費的一個版本控制工具。Git是一款分布式版本控制系統，它是也是免費開源的，主要用于敏捷高效地處理任何或小或大的項目，十分好用，被大多數新興公司所采用，而且最大的開源網站gitHub也用的是Git，是版本管理最好的選擇。

項目輔助工具Maven。Maven其最大的便利性在于導包的自動性，解決了人為導包所帶來的繁瑣，并且便于對導包進行集中控制和管理。

服務器軟件tomcat。Tomcat是Apache開源的一款免費web應用服務器，它的代碼也已經開源，其具有輕量簡便好用的特性，是中小型系統中采用最為普遍的應用服務器，目前非常流行。

阿里云服務器。阿里云，致力于打造公共、開放的云計算服務平臺。它提供云服務器ECS、關系型數據庫服務RDS、對象存儲服務OSS、內容分發網絡CDN等產品服務，可以隨著應用的增長和擴大方便安全的擴展。

（二）.系統實現的技術支持

1.前端顯示技術

目前前端技術有很多語言，而就安全性實用性美觀性來言，還是html/html5，CSS等技術比較主流，瀏覽器腳本語言推薦js，Jquery，Ajax技術，因為其能提供很好的頁面交互體驗。

AJAX即“Asynchronous Javascript And XML”（異步JavaScript和XML），是指一種創建交互式網頁應用的網頁開發技術。它通過在后臺與服務器進行少量數據交換，使網頁實現異步更新。使在不重新加載整個網頁的情況下，實現對網頁的某部分進行更新。

2.后臺應用技術

就安全性來講，java語言的web應用安全性是較高的，例如銀行機構系統等安全性很高的系統和產品均是采用的java語言進行開發。Java語言有很多框架最基礎的比如Struts，Spring等基礎框架。而且java是開源免費的，其生態非常龐大，擁有眾多的免費開源的中間件。

Java是由Sun Microsystems公司推出的Java面向對象程序設計語言（以下簡稱Java語言）和Java平臺的總稱。由James Gosling和同事們共同研發，并在1995年正式推出。用Java實現的HotJava瀏覽器（支持Java applet）顯示了Java的魅力：跨平臺、動態Web、Internet計算。從此，Java被廣泛的應用并推動了Web的快速發展，常用的瀏覽器均支持Javaapplet。另一方面，Java技術也不斷更新。Java自面世后就發展十分迅速，非常流行，同時對C++語言形成有力沖擊。在全球云計算和移動互聯網的產業環境下，Java更具備了明顯的優勢和廣闊前景。3.數據庫技術

由于本系統不會產生很大的數據量，因此采用輕量級的mysql數據庫。與后臺的結合采用框架技術hibernate和mybatis均可。

MySQL所使用的 SQL 語言是用于訪問數據庫最常用的標準化語言。MySQL 軟件采用了雙授權政策，分為社區版和商業版。由于其體積小、速度快、總體成本低，尤其是開放源碼這一特點，一般中小型網站的開發都采用 MySQL 作為網站數據庫。

4.服務器技術

服務器技術一般采用linux+tomcat，由于本系統并非大型系統，所以tomcat足以滿足日常需求，linux系統穩定成本低。

Tomcat是Apache 軟件基金會（Apache Software Foundation）的Jakarta 項目中的一個核心項目，由Apache、Sun 和其他一些公司及個人共同開發而成。由于Tomcat 技術先進、性能穩定，而且免費，因而深受Java愛好者的喜愛并得到了大部分軟件開發商的認可，成為目前比較流行的Web 應用服務器。

Linux是一套免費使用和自由傳播的類Unix操作系統，是一個基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務、支持多線程和多CPU的操作系統。它能運行主要的UNIX工具軟件、應用程序和網絡協議。它支持32位和64位硬件。Linux繼承了Unix以網絡為核心的設計思想，是性能穩定的多用戶網絡操作系統。

（三）系統實施的難點

本系統是基于公寓管理信息化的基礎上研究設計的公寓管理系統，并根據人臉識別技術擴展了門禁的功能提高了門禁系統的效率。但本系統仍存在一些難以解決的問題和難點。

1.在門禁系統中，面對高峰期的學生流動情況，刷卡感應可能會出現問題，需要不斷通過檢測人臉來達到信息錄入的目的，而系統需要高速運轉，不斷與人臉數據庫中的數據做對比，但人臉的檢測與比對是需要一定時間的。然而留給系統的時間只有1至2秒鐘，時間短，人數多，如果系統運行速度跟不上，很可能在高峰期導致系統崩潰。造成門禁系統的癱瘓。

2.人臉檢測與處理需要考慮眾多因素。如果硬件設施不完備，或比較低級，不能將影響因素過濾，則將產生很大的誤差，造成數據不準確，尤其是早上與晚上的光照程度差別很大，夏天與冬天的光照差別也很大，在光照差別影響很大的情況下，門禁的效果將與無人臉識別一樣準確率低下，不能高效率的統計人流量。不同的算法針對性不同，檢測到的人臉準確率也不一樣，如何提高人臉檢測的精度與準確度是值得深入研究的問題。

3.統計公寓信息時，因為每棟公寓都是一個獨立的子系統，而整個學校所有的公寓組合統計則會產生非常大的數據量，系統容易崩潰。

五.結語

隨著技術的不斷發展，人臉識別技術的應用前景不容小覷。無論是從人群眾多的機場、體育場還是火車站還是人數眾多的高等學校，都會應用人臉識別技術來加強對人員的控制。高校公寓管理也會與學校的教學網平臺融為一體，提高學校的綜合水平。然而人臉識別技術的研究仍有很多地方是值得我們深入探討與學習的，對人臉檢測的算法問題仍可以進一步展開進行討論。對在不同條件下采集到的人臉數據的處理如光照、噪聲、膚色等的問題也能通過算法進行測試與實現。人臉識別技術與其他系統的結合應用也值得進一步的思考與研究。

本系統基于人臉識別技術分析設計了公寓管理信息系統，但對于人臉的識別過程只是做了簡單的描述，并沒有進行詳細設計與實現，希望在以后的工作中能夠實現此模塊具體的設計過程。

門禁技術的硬件系統需要隨著軟件功能的升級相應的隨之更新，使軟硬件功能相映襯。

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