基于手機(jī)平臺的快速學(xué)校簽到系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李 敏，陸 莎，常 旺，李晨波

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天水 741000）

1 簽到系統(tǒng)的現(xiàn)狀

簽到系統(tǒng)從開始到現(xiàn)在，比較常用的考勤方式有以下幾種：考勤本考勤；打卡考勤機(jī)；＂—；卡通＂考勤；手機(jī)考勤；前3種考勤常常會出現(xiàn)代替打卡，使得替課和逃課的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，另外，考勤信息由專人或后臺統(tǒng)計(jì)，教師無法實(shí)時(shí)直觀的獲得學(xué)生的考勤情況。而手機(jī)考勤非接觸，速度快，考勤方式比較友好，后臺的學(xué)生信息即可供教師查詢，學(xué)生本人也可申請查詢，而且采集的照片信息也是一種美好的回憶。1993年，世界上第一臺智能手機(jī)誕生，自此，智能手機(jī)就進(jìn)入了飛速的發(fā)展的趨勢里。伴隨著計(jì)算機(jī)集成性和移動互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展與應(yīng)用，智能手機(jī)改變了大家的日常生活，它不再僅僅扮演打電話發(fā)短信的角色，更多的成為大部分人上網(wǎng)，消遣，學(xué)習(xí)的工具，因此手機(jī)成為了互聯(lián)網(wǎng)終端，逐漸改變著大家的學(xué)習(xí)、生活習(xí)慣。由此而生的還有ipad 或者一些具有高性能的獨(dú)立操作系統(tǒng)的小型移動終端設(shè)備。如今4G 已經(jīng)基本普及全國的移動通信，5G 也開始使用，更高的數(shù)據(jù)速率、更少的延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接，用戶的體驗(yàn)越來越好。網(wǎng)絡(luò)的高效性使得跟隨它的移動終端功能也越來越強(qiáng)大，新出的華為Mate30可以AI 隔空手勢操作，智能識別主人方位等強(qiáng)大功能，利用高性能的手機(jī)可以降低開發(fā)成本，開發(fā)更高價(jià)值應(yīng)用軟件，這對開發(fā)人員將是一個新的挑戰(zhàn)。目前利用學(xué)校的手機(jī)簽到的系統(tǒng)由以下四種（1）通過手機(jī)當(dāng)作認(rèn)證載體，利用手機(jī)GPS 定位功能來確定簽到者的位置來完成簽到的認(rèn)證。（2）通過手機(jī)當(dāng)作認(rèn)證載體，利用二維碼技術(shù)“；掃一掃”；來實(shí)現(xiàn)簽到。教師在課前幾分鐘的時(shí)間里，打開簽到軟件，軟件自動生成二維碼，供學(xué)生掃碼來實(shí)現(xiàn)簽到，為防止學(xué)生拍照二維碼發(fā)給不在場的同學(xué)完成簽到，此簽到二維碼需要每隔一定的微小時(shí)間間隔來自動刷新。在此過程中，二維碼充當(dāng)證明簽到者所處位置的載體。（3）通過手機(jī)當(dāng)作認(rèn)證載體，利用重力傳感器、加速度傳感器的“；搖一搖”；來實(shí)現(xiàn)簽到。簽到過程為：簽到時(shí)，教師要求同學(xué)們拿出手機(jī)打開簽到軟件，教師和同學(xué)們一起以相同的頻率來搖晃手機(jī)。手機(jī)內(nèi)部的重力傳感器、加速度傳感器記錄下晃動數(shù)據(jù)并上傳到服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合對比后，最終聲稱簽到成功的名單。此簽到過程具有很強(qiáng)的時(shí)效性，不在場同學(xué)完全偽造不出同樣的搖晃頻率，并且該簽到方式新穎、操作簡單，因此具有很強(qiáng)的應(yīng)用性。（4）通過手機(jī)當(dāng)作認(rèn)證載體，利用NFC“；碰一碰”；實(shí)現(xiàn)簽到。NFC（Near Field Communication）即近場通信技術(shù)。通過NFC 設(shè)備間的簡單接觸，就可實(shí)現(xiàn)兩臺設(shè)備的信息交換。學(xué)生使用具有NFC 功能的手機(jī)觸碰教室里設(shè)置的NFC 標(biāo)簽，手機(jī)讀取信息后自動向服務(wù)器發(fā)送簽到成功的消息，即可完成簽到。這四種方法都需要被簽到人員高度的配合，也會浪費(fèi)比較長的時(shí)間。學(xué)校的上課時(shí)間是非常寶貴的，這將造成時(shí)間的極大浪費(fèi)。

2 系統(tǒng)的分析

2.1 系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能分析

在高校每學(xué)期開學(xué)之前，教務(wù)處的工作人員都需要編制和制定每一個班級的課程表，而班級的學(xué)生則需要根據(jù)課程表的具體時(shí)間安排和地點(diǎn)安排去上課。但是這種方式僅僅可以對學(xué)生上課的時(shí)間和地點(diǎn)起到一個提醒的作用，并不能避免高校學(xué)生遲到、早退或者是曠課等的情況。在傳統(tǒng)的高校學(xué)生管理之中，輔導(dǎo)員和任課教師會通過點(diǎn)名 的方式來考察學(xué)生的出勤情況發(fā)生，但是由于學(xué)生人數(shù)眾多，替別人答“到”的情況經(jīng)常發(fā)生，這不僅會浪費(fèi)大量的 時(shí)間，也難以保障考勤效果。針對這樣的情況，在該快速簽到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，主要應(yīng)該考慮到以下幾個方面的 功能：（1）將班級之中所有學(xué)生的姓名、學(xué)號、以及面部驗(yàn)證信息都錄入到這個系統(tǒng)之中。（2）上課時(shí)，教師 可以通過手機(jī)拍照的形式來完成驗(yàn)證。（3）系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)儲存學(xué)生的簽到信息。（4）通過這個系統(tǒng)，教師可以 對全班學(xué)生的考勤情況進(jìn)行查詢。

2.2 系統(tǒng)之中的角色分析

根據(jù)這個簽到系統(tǒng)的業(yè)務(wù)，可以將系統(tǒng)之中的角色按照三種來進(jìn)行劃分，其一是教師，其二是學(xué)生，其三是系 統(tǒng)的管理員。教師負(fù)責(zé)采集上課學(xué)生的面部信息，然后提交給系統(tǒng)，系統(tǒng)的管理員可以對學(xué)生的簽到情況以及出勤 情況等進(jìn)行管理。同時(shí)，系統(tǒng)也可以為教師和學(xué)生們提供出信息查詢模塊，通過這個模塊，教師和學(xué)生就可以對班 級的具體出勤情況以及每一名學(xué)生的出勤情況進(jìn)行查詢。

3 簽到系統(tǒng)的建設(shè)與實(shí)現(xiàn)

3.1 人臉識別技術(shù)

人臉檢測屬于目標(biāo)檢測之中的一項(xiàng)應(yīng)用，主要是根據(jù)人面部的眉毛、眼睛、鼻子、嘴巴、下巴等的特征來進(jìn)行檢測。在本次所設(shè)計(jì)的這個基于手機(jī)平臺的高校快速簽到系統(tǒng)之中，主要的人臉檢測技術(shù)是DNN 技術(shù)，通過這一技術(shù)，可以將人臉劃分為六十八個點(diǎn)，并根據(jù)這六十八個檢測點(diǎn)不同的特征來實(shí)現(xiàn)人臉識別。在應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行具體的面部識別過程中，教師首先應(yīng)該打開相關(guān)的手機(jī)APP，然后授予這個APP 打開手機(jī)攝像頭的權(quán)限，這樣就可以通過面部拍攝的形式來進(jìn)行檢測[4]。

本次設(shè)計(jì)中的核心技術(shù)是人臉識別，在人工智能和模式識別的普及的今天，人臉識別已然成為研究熱點(diǎn)，它在各行各業(yè)中應(yīng)用廣泛。人臉識別方式非常友好，它是非接觸式的身份認(rèn)證技術(shù)，因此它擁有無可比擬的優(yōu)勢。然而人們也對它有著更多的要求，比如更快速的識別，更高的識別準(zhǔn)確率以及可靠的穩(wěn)定性，從而使得人臉識別在應(yīng)用過程中依然面臨更多外界干擾和挑戰(zhàn)。

人臉識別由人臉檢測、人臉跟蹤、人臉對比三部分組成。首先在不同的場景和背景中進(jìn)行人臉檢測，根據(jù)信息檢測點(diǎn)識別面部特征，并且提取面部信息特征。接下來采用不同的模型動態(tài)跟蹤提取到的面部信息特征，模型可選取基于運(yùn)動的或者多種模型相結(jié)合。最后將識別到的面部信息特征和數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)有的身份信息進(jìn)行對比，確認(rèn)其身份。

3.2 人臉識別驗(yàn)證

在通過了人臉的檢測、跟蹤與對比之后，最后的一步，也是最關(guān)鍵的一步就是人臉的識別驗(yàn)證。在本次所設(shè)計(jì)的基于手機(jī)平臺的高校快速簽到系統(tǒng)之中，教師可以通過相關(guān)的手機(jī)APP 來完成學(xué)生面部的檢測、跟蹤和對比，但是由于手機(jī)之中的運(yùn)算資源比較有限，所以在具體的識別驗(yàn)證過程中，則需要借助于云端的服務(wù)器來進(jìn)行。在本次所設(shè)計(jì)的這個系統(tǒng)之中，云端服務(wù)器應(yīng)用的是以dlib 為基礎(chǔ)的開源人臉識別庫face recognition，并通過這個識別庫來搭建起一個可用來進(jìn)行人臉識別的環(huán)境，然后借助于face recognition 來實(shí)現(xiàn)dlit 的調(diào)用封裝，其命令和接口都十分簡單，這個識別的過程不僅十分可靠，而且操作也十分方便。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用該數(shù)據(jù)庫進(jìn)行人臉識別驗(yàn)證的準(zhǔn)確率可以達(dá)到99.38%，由此可見，這是一項(xiàng)具有強(qiáng)大功能且簡單易行的人臉識別驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫。將這個數(shù)據(jù)庫應(yīng)用到本次所研究的簽到系統(tǒng)之中，就可以有效保障人臉識別的效率與準(zhǔn)確性，提升系統(tǒng)的使用性能。

3.3 設(shè)計(jì)方案

在分析了目前的簽到軟件后，確定本系統(tǒng)的方案，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案

教師通過手機(jī)拍照上傳完成簽到，后臺的管理系統(tǒng)實(shí)施相應(yīng)的操作。在這個系統(tǒng)中，前端硬件部分只需要一部手機(jī)（聯(lián)網(wǎng)、有高清攝像頭），軟件方面可選擇的人臉識別算法較多，比如基于幾何特征分析的算法、基于模型分析的算法等，各個算法各有千秋。檢測出人臉后，對目標(biāo)人臉進(jìn)行跟蹤，提取特征，與數(shù)據(jù)庫中人臉進(jìn)行對比，匹配完成后將統(tǒng)計(jì)的結(jié)果返回終端，顯示在主界面上，并對缺席人員做單獨(dú)突出顯示，方便下一步操作。

3.4 后臺信息管理

管理員通過權(quán)限登陸進(jìn)入信息管理系統(tǒng)頁面，可以查看每個學(xué)生的每節(jié)課的考勤記錄和上課面和姿態(tài)，并生成報(bào)表和相冊。供給老師，學(xué)生、課程及教務(wù)系統(tǒng)的查詢。功能包含教務(wù)信息管理、學(xué)生信息管理、簽到信息管理和系統(tǒng)維護(hù)。

4 結(jié)束語

基于手機(jī)平臺的快速學(xué)校簽到系統(tǒng)，充分利用了現(xiàn)有技術(shù)成果，以手機(jī)替代老式系統(tǒng)的“簽到卡”，靈活運(yùn)用智能手機(jī)“刷臉”簽到硬件技術(shù)功能，使課堂簽到活動變得簡單、高效、精確。在今后的研究中將繼續(xù)對軟件的性能和學(xué)生定位的精確度進(jìn)行提高，讓上課簽到的軟件功能更加完善、精準(zhǔn)與快速。