趣談面部識別技術在多媒體電子教室系統中的應用

陸汝梅 鮑庭瑞 安徽工業職業技術學院

隨著互聯網和多媒體技術的迅速發展，多媒體電子教室系統已經在教育領域全面普及。它解決了傳統教育模式的單一性和被動性，使用了多媒體技術實現互動式學習，這樣既增加了學習的趣味性，又幫助用戶提高學習效率。但是，當教學過程只能在網絡環境下時，電子教室雖然可以很好地進行教學互動，完成教學過程，但是失去了對學生的監管。當然，目前的電子教室系統也具備一些監督功能，但都需要主機暫停教學過程，主動地逐個查看客機狀態，或查看學生的學習狀態。這樣，在面對多個用戶機進行教學活動時，一方面無法進行實時監督，另一方面，不時地查看學生狀態也影響了其他學生的學習進度。因此，在現有的電子教室系統中，應該增加監督管理學生學習狀態的模塊，這個模塊區別于現有的電子教室監督管理，主要實現以下功能：

（1）這個模塊安裝在客戶機中，但需要主機開啟該模塊的功能；

（2）該模塊一旦啟用，會自動地調用客戶機攝像頭，并按時間有規律地采集圖像；

（3）對采集下來的圖像進行人臉識別，并將對比信息反饋主機，主機可以有針對性監督學生的學習狀態。

要實現以上功能，首先要分析多媒體電子教室系統的構架。

1 多媒體電子教室系統的特征

多媒體電子教室系統發展時間較晚，早期采用的是純硬件的方式，主要通過安裝在主控端和被控端的控制卡來實現信息傳遞。這種方式的優點是不需要考慮操作系統和兼容性問題，缺點是成本較高、安裝繁瑣、易出故障。因此，這種純硬件的方式無法普及應用。后來，隨著多媒體技術和網絡技術的不斷提高，一種基于局域網的多媒體電子教室系統軟件逐漸取代了純硬件系統。它作為主流的計算機輔助教學工具，已經被各類學校廣泛使用。網絡上也涌現出各種類型的多媒體電子教室軟件，但在功能結構上大同小異，歸納來看，主要具備以下特點。

（1）基于互聯網環境，采用中控方式實現一對多的信息傳輸，教師為主控端，學生為被控端；

（2）主控端和被控端根據客戶需求設計不同的功能模塊；

（3）被控端可脫離主控端的教學控制；

從以上的特點來看，這些特點足以說明純軟件電子教室系統的完全滿足用戶的需要。它解決了純硬件方式高成本的問題，只需在現有的網絡上進行安裝設置就能使用，后期維護簡單，便于升級。由此可見，這種基于現有網絡的數字化多媒體電子教室系統更適合普及應用。本文所述的核心觀點也正是建立在這樣的系統上。

2 人臉識別技術的研究背景

人臉作為人們識別他人身份的標志，在某種程度上肯定包含了每個人獨有的信息。人臉識別技術就是依據人的臉部信息特征，對采集的圖像或視頻進行識別，先判斷是否存在人臉，再進一步分析人臉主要器官的位置信息，然后將特征數據與已知人臉進行對比，從而識別每個人的身份。人臉識別過程主要依據人臉器官的特征數據來進行識別，這些特征數據會因為表征對象的表情、姿態和年齡等可變因素使識別過程變得復雜，因此識別方法也有所區別。

人臉識別的一般過程是這樣的，如圖1-1，首先通過采集設備對每個人的人臉進行采像獲取面像信息，將信息存入面像數據庫，這是人臉識別的前期準備工作。接下來，是針對每一次的識別過程。首先在自然環境下進行人像采集，接著將采集圖像進行預處理，如果存在人臉信息再提取特征值，再將人臉圖像的特征值與數據庫中的人臉信息進行對比，最后達到人臉識別的目的。從人臉識別的過程看，人臉識別的核心主要集中在四個方面（1）人臉信息數據庫建立（2）人臉檢測與動態跟蹤；（3）人臉信息預處理；（4）人臉信息對比。

圖1 -1

3 人臉檢測技術在多媒體系統中的應用

人臉檢測技術發展至今已達到一個前所未有的高度。大規模數據庫建立、光照、人臉外觀變化、遮擋物、圖像質量等問題也隨著各種新算法的產生和改進，逐步形成合理的解決方案。本文就是依據現有的技術算法，將人臉檢測技術應用在多媒體系統中，目的是實現在多媒體教學系統中對學生的監督管理。

多媒體電子教室教學大多數是一種一人一機的教學方式，教師機作為主機端，學生機作為用戶端，教師在主機端演示和講解，通過網絡傳輸到用戶端，學生在用戶端可以實時在線學習。作者在長期的多媒體教學過程中發現，電子教室教學雖然能夠豐富教學手段，將教學內容變得更生動更易接受，但同時也產生很多問題。例如：學生離開座位或不在學習狀態時，教師正在進行電子授課而無法察覺。因此，作者在多媒體電子教室的基礎上添加了一個新的模塊。這個模塊可以解決學生離座和不在學習狀態時，通過提示信息反饋給教師，教師根據提示信息找到該學生，并幫助其調整學習狀態，從而起到監督管理的職能。

3.1 在線檢測

在客戶端通過調用攝像頭實時檢測學員是否在線學習，檢測結果以是否存在人臉信息為參考標準。若存在人臉，則進行下一步檢測；若不存在人臉信息，則表示學員已脫離教學活動，用戶端立即反饋狀態信息到主機端，主機端根據提示信息，對脫管學員進行處理。

3.2 在線狀態

對人臉檢測圖像進行算法分析，得出人眼狀態，若睜眼則結果安全，若閉眼則將結果反饋給主機端，教師接受到反饋信息后可以有效干預學生狀態。

本文所論述的觀點是建立在較為成熟的多媒體系統上，不需要考慮網絡構架等問題，只需在現有的系統中添加人臉檢測監督模塊，因此論述的重點集中在兩個方面，一個是是否存在人臉以及人眼狀態，不需要進行人臉識別；另一個是主機端和用戶端的交互控制。第一個問題只要找到合適的算法就能解決。

第二個問題需要依據多媒體電子教室系統的要求，JavaScript、C++、Matlab等常用的編程語言均可實現。