“人臉識(shí)別”三維解構(gòu)的教學(xué)設(shè)計(jì)

廖力紫 張馨月

在人工智能的學(xué)習(xí)中，“人臉識(shí)別”是一個(gè)重要的主題，但是人臉識(shí)別涉及一些復(fù)雜高深的專業(yè)術(shù)語和算法，中學(xué)生目前還沒有達(dá)到這方面的知識(shí)儲(chǔ)備。怎么辦呢？這實(shí)在是對(duì)教師的考驗(yàn)，如果不顧一切地講算法，學(xué)生肯定云里霧里，聽不懂，但是如果完全跳過算法，直接給出程序，那么課堂就成了體驗(yàn)課，沒有一定深度，沒有涉及知識(shí)核心，沒有展現(xiàn)學(xué)科精華。要想解決這一矛盾，關(guān)于“人臉識(shí)別”的教學(xué)必須做到既要讓學(xué)生體會(huì)學(xué)科核心思想，又不能讓那些專業(yè)算法成為攔路虎，阻擋學(xué)生學(xué)習(xí)的腳步。為了做到這一點(diǎn)，筆者經(jīng)過深入思考后，把知識(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化分解和重構(gòu)。

● 設(shè)計(jì)思想

針對(duì)中學(xué)生的理解能力，筆者將“人臉識(shí)別”的內(nèi)容從三個(gè)維度進(jìn)行解構(gòu)（如右圖）。橫向簡(jiǎn)化分解成人臉檢測(cè)定位和人臉訓(xùn)練識(shí)別這兩部分;縱向分成基于靜態(tài)圖片的識(shí)別和基于動(dòng)態(tài)視頻的識(shí)別兩部分;第三維度設(shè)置知識(shí)卡片、拓展閱讀，對(duì)學(xué)習(xí)過程中不可避免的專業(yè)名詞和術(shù)語，以知識(shí)卡片和拓展閱讀的形式進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹和補(bǔ)充說明，讓學(xué)生自行閱讀了解，避免干擾主體思維的形成。

根據(jù)上面的知識(shí)解構(gòu)，第一部分首先從人臉檢測(cè)定位入手，學(xué)習(xí)基于靜態(tài)圖片的人臉定位和基于視頻攝像頭的人臉定位，這部分建議2～3課時(shí)。第二部分進(jìn)行人臉訓(xùn)練識(shí)別的學(xué)習(xí)，也是從圖片和視頻這兩方面分別進(jìn)行，這部分建議2～3課時(shí)。

● 教學(xué)內(nèi)容

1.人臉檢測(cè)定位

學(xué)習(xí)人臉檢測(cè)定位先從圖片入手，讓學(xué)生首先了解核心的分類器技術(shù)，再過渡到視頻，這樣在學(xué)習(xí)視頻處理時(shí)，加上幀的相關(guān)知識(shí)即可。

（1）基于圖片的人臉檢測(cè)

這部分的教學(xué)目標(biāo)是了解原理和過程、讀懂程序，能在現(xiàn)有程序的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改變換和應(yīng)用;教學(xué)重點(diǎn)是人臉檢測(cè)的過程和詳細(xì)步驟，教學(xué)難點(diǎn)是分類器。

人臉檢測(cè)在生活中有很多地方會(huì)運(yùn)用到，如為方便大家拍照，手機(jī)畫面會(huì)自動(dòng)標(biāo)注出人臉。在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，可以用這個(gè)例子，讓學(xué)生有直觀印象。

讓學(xué)生對(duì)人臉檢測(cè)的過程有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)，這是教學(xué)的重點(diǎn)，人臉檢測(cè)先判斷是否存在人臉，如果存在人臉，則給出臉的位置、大小和各個(gè)主要面部器官的位置信息。人臉檢測(cè)程序的主要步驟為：引入OpenCV——讀入圖片，并預(yù)處理——人臉分類器——人臉標(biāo)注顯示。

本節(jié)課的人臉檢測(cè)程序?qū)?huì)涉及OpenCV庫，為了不影響學(xué)生主體思維的形成，將對(duì)OpenCV庫的介紹設(shè)置成“知識(shí)卡片”的形式，讓學(xué)生自行閱讀。圖片預(yù)處理成灰度圖，這個(gè)可以根據(jù)情況進(jìn)行講解，也可讓學(xué)生自行閱讀。分類器是人臉檢測(cè)的核心，需要重點(diǎn)講解，本次程序要用到的是Haar分類器中的haarcascade_frontalface_default.xml。

在學(xué)生實(shí)踐了人臉檢測(cè)程序、理解了相關(guān)代碼后，可在練習(xí)環(huán)節(jié)讓學(xué)生修改人臉標(biāo)注框的形狀，把方形框改成圓形框，或者修改標(biāo)注框的顏色。如果這個(gè)任務(wù)完成良好，可以加入第二個(gè)練習(xí)，在檢測(cè)人臉的基礎(chǔ)上檢測(cè)眼睛。對(duì)學(xué)有余力的學(xué)生，還可以讓其在檢測(cè)人臉的基礎(chǔ)上檢測(cè)笑容。

（2）基于視頻的人臉檢測(cè)

學(xué)習(xí)了基于圖片的人臉檢測(cè)，再學(xué)習(xí)基于視頻的檢測(cè)就容易多了，只需要補(bǔ)充動(dòng)態(tài)視頻的相關(guān)知識(shí)即可。這部分的教學(xué)目標(biāo)是理解動(dòng)態(tài)視頻的原理，能調(diào)用攝像頭讀取幀、檢測(cè)人臉;教學(xué)重難點(diǎn)是理解幀，將動(dòng)態(tài)影像轉(zhuǎn)化成靜態(tài)圖像進(jìn)行處理。

動(dòng)態(tài)視覺效果是由多幅靜態(tài)圖片連續(xù)播放形成，每一幅靜態(tài)圖片就是“幀”。因此，視頻檢測(cè)的實(shí)質(zhì)是針對(duì)一系列的連續(xù)靜態(tài)圖片——幀所做的檢測(cè)，所以這節(jié)的重點(diǎn)是學(xué)習(xí)如何處理幀。

教師先講解如何調(diào)用攝像頭→讀取幀→關(guān)閉攝像頭，讓學(xué)生上機(jī)實(shí)踐，學(xué)會(huì)對(duì)攝像頭的控制和對(duì)幀的讀取;再結(jié)合基于圖片檢測(cè)的知識(shí)，對(duì)幀加入進(jìn)行人臉檢測(cè)的代碼。根據(jù)前面的圖片檢測(cè)眼睛的練習(xí)，可以設(shè)置“基于視頻檢測(cè)眼睛”的拓展練習(xí)。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可以讓學(xué)生閱讀關(guān)于人臉識(shí)別技術(shù)發(fā)展的相關(guān)資料。

2.人臉訓(xùn)練識(shí)別

在已經(jīng)檢測(cè)到人臉的基礎(chǔ)上讓機(jī)器“認(rèn)識(shí)”人，核心是機(jī)器學(xué)習(xí)。機(jī)器要“學(xué)習(xí)”，離不開數(shù)據(jù)，這體現(xiàn)了數(shù)據(jù)的重要性。

（1）基于圖片的人臉識(shí)別

這部分的教學(xué)目標(biāo)是理解基于圖片的“人臉識(shí)別”原理，能對(duì)不同的人臉進(jìn)行識(shí)別;教學(xué)重難點(diǎn)是理解機(jī)器學(xué)習(xí)，了解標(biāo)簽的作用和置信度的含義。

機(jī)器學(xué)習(xí)是教學(xué)的重難點(diǎn)，機(jī)器學(xué)習(xí)的過程要分析清楚。機(jī)器學(xué)習(xí)需要數(shù)據(jù)，輸入人臉圖片，對(duì)它進(jìn)行訓(xùn)練，它會(huì)學(xué)習(xí)關(guān)于人臉特征的內(nèi)容。在訓(xùn)練完成后，當(dāng)輸入一張人臉照片時(shí)，它會(huì)依據(jù)前面的學(xué)習(xí)判斷出這個(gè)人是否“認(rèn)識(shí)”。一般來說，給機(jī)器訓(xùn)練的數(shù)據(jù)越多，它的識(shí)別結(jié)果越準(zhǔn)確，可以給學(xué)生提供介紹“人臉數(shù)據(jù)集”的相關(guān)資料。

本節(jié)課的人臉識(shí)別程序使用LBPH識(shí)別器，這個(gè)識(shí)別器由OpenCV擴(kuò)展庫提供，需要安裝此擴(kuò)展庫，對(duì)LBPH識(shí)別器的介紹可放在“知識(shí)卡片”中。

在實(shí)踐環(huán)節(jié)，教師首先分析針對(duì)單人的訓(xùn)練識(shí)別，明確人臉識(shí)別程序的主要步驟為：引入相關(guān)庫——輸入訓(xùn)練圖片——設(shè)置圖片標(biāo)簽——加入LBPH識(shí)別器——機(jī)器訓(xùn)練——輸入預(yù)測(cè)圖片——機(jī)器識(shí)別預(yù)測(cè)——輸出預(yù)測(cè)結(jié)果。設(shè)置標(biāo)簽屬于機(jī)器學(xué)習(xí)中的有監(jiān)督學(xué)習(xí)，此處可以根據(jù)學(xué)生的接受程度，適當(dāng)加入有監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)的介紹。

接著讓學(xué)生思考如何在單人識(shí)別的基礎(chǔ)上完成兩人的訓(xùn)練識(shí)別。如果學(xué)生能夠完成多人的訓(xùn)練識(shí)別，可以進(jìn)行練習(xí)二：將程序中輸出的標(biāo)簽和置信度修改成更容易讓普通人看懂的結(jié)果。順著這個(gè)思路，拓展練習(xí)可設(shè)置成：直接在圖片上標(biāo)注識(shí)別出的人名。人臉識(shí)別屬于計(jì)算機(jī)視覺的范圍，拓展閱讀可以給學(xué)生提供計(jì)算機(jī)視覺的相關(guān)資料。

（2）基于視頻的人臉識(shí)別

這部分的教學(xué)目標(biāo)是綜合運(yùn)用前面的知識(shí)，完成一個(gè)比較完整的項(xiàng)目。如果學(xué)生基礎(chǔ)比較薄弱，可以把這部分簡(jiǎn)化，作為體驗(yàn)課。

● 教學(xué)反思

學(xué)生在運(yùn)行基于圖片的人臉檢測(cè)程序時(shí)發(fā)現(xiàn)，只有用正臉照片才能識(shí)別，側(cè)臉圖片無法識(shí)別。筆者順著這個(gè)問題引導(dǎo)學(xué)生觀察OpenCV庫的Haar分類器，有些學(xué)生發(fā)現(xiàn)了側(cè)臉分類器 haarcascade_frontalface_alt.xml，用這個(gè)分類器可以對(duì)側(cè)臉進(jìn)行識(shí)別。為什么側(cè)臉分類器可以識(shí)別正臉分類器無法識(shí)別的人臉呢？筆者拋出這個(gè)問題，引發(fā)了學(xué)生的熱烈討論。另外，在一個(gè)班有一對(duì)雙胞胎，為了分辨雙胞胎，學(xué)生們反復(fù)調(diào)整置信度，或者換不同的識(shí)別器，整個(gè)課堂的教學(xué)氛圍非常積極活躍，完全超出了教學(xué)預(yù)設(shè)。

教學(xué)設(shè)計(jì)是有規(guī)律可尋的，但真實(shí)的課堂遠(yuǎn)比預(yù)設(shè)的更精彩，這也是值得教師慶幸的事。