人臉識別簽到

薛暉 北京市育英學(xué)校信息科技教師，北京市青少年機(jī)器人競賽技術(shù)委員會成員，北京市機(jī)器人骨干教師，海淀區(qū)信息技術(shù)學(xué)科帶頭人、骨干教師，海淀區(qū)優(yōu)秀科技輔導(dǎo)教師。曾任全國智能控制大賽裁判長，北京人工智能競賽裁判長，北京青少年機(jī)器人競賽裁判，北京市海淀創(chuàng)客編程秀項目負(fù)責(zé)人。指導(dǎo)學(xué)生獲得全國機(jī)器人創(chuàng)意項目一等獎，北京市創(chuàng)新大賽一等獎，北京市青少年科技后備人才早期培養(yǎng)計劃最佳學(xué)生獎等。

項目概述

人臉識別在生活中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，使用Python進(jìn)行人臉識別簽到項目的研究，能夠讓學(xué)生很好地體驗使用編程解決實際問題的樂趣。學(xué)生以項目式學(xué)習(xí)方式探究人臉識別的相關(guān)知識，了解人臉識別的發(fā)展歷程、概念和相關(guān)技術(shù)，描述算法的實現(xiàn)過程，編寫相關(guān)程序，親歷設(shè)計與實現(xiàn)人臉識別簽到項目的實踐應(yīng)用。

教師引導(dǎo)學(xué)生以人臉識別簽到項目為主線，先進(jìn)行項目分析，找到技術(shù)的關(guān)鍵點，再結(jié)合相關(guān)的Python語句進(jìn)行程序設(shè)計與編寫，在學(xué)生逐步解決關(guān)鍵問題的過程中培養(yǎng)他們的程序思維和項目研究意識。

學(xué)生通過人臉識別簽到項目可以了解人臉檢測的方法，學(xué)會使用Haar級聯(lián)分類器對人臉進(jìn)行框選標(biāo)注，使用攝像頭對人臉進(jìn)行實時檢測，然后提取出人臉的坐標(biāo)、寬度、高度，建立人臉圖像數(shù)據(jù)集，通過cv2.face_FaceRecognizer.train函數(shù)完成訓(xùn)練、生成訓(xùn)練模型。最后通過cv2.face_FaceRecognizer.predict調(diào)試人臉的識別，顯示相應(yīng)的簽到結(jié)果。

項目特色

學(xué)生學(xué)習(xí)在Python中應(yīng)用OpenCV實現(xiàn)人臉的識別，在項目式學(xué)習(xí)中利用程序資源理解函數(shù)命令的功能，形成自主學(xué)習(xí)及自主解決問題的能力，體驗解決問題的過程，增強(qiáng)信息意識。

教學(xué)目標(biāo)

1.了解人臉識別簽到所需的程序流程，學(xué)會創(chuàng)建工作簿xlwt函數(shù)，寫入數(shù)據(jù)sheet1.write（row，col，data）函數(shù)。

2.通過自主探究設(shè)計與編寫程序，結(jié)合實際效果，分析程序的含義，完成人臉識別簽到程序的項目研究。

3.在自主探究和反復(fù)嘗試、修正的過程中，引發(fā)深入的思考，初步發(fā)展計算思維，培養(yǎng)分析、解決問題的能力與信心。

教學(xué)重點與難點

教學(xué)重點：理解人臉識別簽到的程序流程。

教學(xué)難點：使用正確函數(shù)編寫程序，實現(xiàn)人臉識別相關(guān)功能。

教學(xué)準(zhǔn)備

計算機(jī)教室、PPT課件、攝像頭、Python軟件、OpenCV。

教學(xué)過程

一、項目分析

上課簽到是我們常見的課堂流程，學(xué)科任課教師由于執(zhí)教班級數(shù)量多，經(jīng)常不能夠認(rèn)識每一個學(xué)生，給簽到工作帶來了一些問題。教師以此引導(dǎo)學(xué)生嘗試通過以往學(xué)習(xí)的人臉識別功能，編寫一個能夠自動識別學(xué)生，并在Excel表中進(jìn)行姓名記錄的程序。接下來我們就來分析怎樣實現(xiàn)這個功能吧。

二、人臉識別的問題分析

師：要想簽到成功，我們需要識別目標(biāo)的臉部特征。在之前的課程中，我們學(xué)習(xí)了如何建立人臉圖像集并生成訓(xùn)練模型。如果使用訓(xùn)練好的模型識別效果不好，我們應(yīng)該如何調(diào)整呢？那最好的方式是調(diào)整人臉圖像集，重新訓(xùn)練模型來解決這個問題。當(dāng)人臉識別達(dá)到理想的效果后，就可以開始研究簽到功能了（流程如圖1所示）。

分析1：實現(xiàn)簽到的算法流程

分析預(yù)設(shè)功能：程序中要加載分類器；訓(xùn)練人臉數(shù)據(jù)模型；加載寫入Excel數(shù)據(jù)的函數(shù)；創(chuàng)建工作簿和表格。

操作步驟：1.載入攝像頭拍攝到的圖像并轉(zhuǎn)換為灰度圖。2.使用Haar級聯(lián)分類器進(jìn)行人臉檢測，并框選標(biāo)注。3.調(diào)用訓(xùn)練模型，對框選的人臉進(jìn)行識別，返回識別出來的ID和相似度數(shù)據(jù)。4.判斷識別后寫入Excel文件，并顯示“寫入簽到成功”；不能識別則顯示“Unknown”。5.判斷是否結(jié)束。

學(xué)生將操作步驟制作成流程圖（如圖2）。

分析2：如何在Python程序中寫入Excel

在Python程序中想要便捷地實現(xiàn)想要的功能，最好的方式就是調(diào)用功能函數(shù)。應(yīng)在人臉識別簽到功能代碼中寫入Excel數(shù)據(jù)的“xlwt.Workbook（）”函數(shù)。這是一個外部函數(shù)，需要事先通過PIP的方式安裝后才可以使用，相關(guān)命令解釋如下。

1.學(xué)習(xí)創(chuàng)建寫入Excel數(shù)據(jù)的函數(shù)

引入xlwt函數(shù)語句：import xlwt

創(chuàng)建工作簿命令：f=xlwt.Workbook（）

新建一個表格：

sheet1=f.add_sheet（"test"，cell_overwrite_ok=True）

其中括弧中第一個參數(shù)是表格的名稱，第二個參數(shù)是數(shù)據(jù)是否被重寫。

2.寫入數(shù)據(jù)命令

sheet1.write（row，col，data）

括弧中第一個參數(shù)是對應(yīng)的行，第二個參數(shù)是對應(yīng)的列，第三個參數(shù)則是要寫入的值。

3.保存Excel文件

f.save（"test.xls"）

f是創(chuàng)建工作表時的變量名稱，如果修改了變量名稱，則相應(yīng)的工作表也要進(jìn)行修改。例如創(chuàng)建工作簿命令ex=xlwt.Workbook（），則保存文件命令為ex.save（"test.xls"）

三、探究實踐

1.學(xué)生打開前一課編寫的人臉識別程序，教師指導(dǎo)學(xué)生為前一課程序中的Label標(biāo)簽編寫程序，使用confidence=cv2.face_FaceRecognizer.predict（src） 語句后，Label返回識別結(jié)果。有了識別的結(jié)果，計算機(jī)就可以清楚地標(biāo)注當(dāng)前人臉的標(biāo)簽，學(xué)生將標(biāo)簽對應(yīng)人臉就可以判斷出，計算機(jī)識別到了哪一個人。

2.教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)使用xlwt函數(shù)，和初中階段學(xué)習(xí)使用的Excel軟件一樣。首先需要建立一個sheet，然后在這個sheet中寫入數(shù)據(jù)，也就是先要有f=xlwt.Workbook（）命令，f就代表了創(chuàng)建工作簿的函數(shù)。接下來使用sheet1=f.add_sheet（"test"， cell_overwrite_ok=True）命令創(chuàng)建一個sheet，當(dāng)然這里的sheet1也可以是sheet2、sheet3……要注意第二個參數(shù)要等于True，否則數(shù)據(jù)不能夠被重寫。

3.接下來就是本節(jié)課的重點，把返回的Label識別結(jié)束寫入相應(yīng)的Excel表格中，在xlwt函數(shù)中所有的數(shù)據(jù)都是從0行、0列開始，如圖3所示。我們只要知道在Excel中哪一個表格位置是誰，并使用sheet1.write（row，col，data）命令就可以完成填寫簽到的功能，例如識別到李××就會返回Label為1，判斷返回值是1時，使用命令sheet1.write（1，1，“簽到成功”）在Excel的B2位置寫入“簽到成功”。

4.當(dāng)前寫入的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中，并沒有存儲到硬盤上，當(dāng)判斷結(jié)束后我們要把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入硬盤文件中，這就需要用到保存文件函數(shù)f.save（"test.xls"）。這里使用f是因為在程序開頭寫了f=xlwt.Workbook（）。“text.xls”其實也可以是自定義的文件名（注意：不要丟掉了擴(kuò)展名.xls）。需要注意的是，當(dāng)文件保存成功后并不會有任何的提示，我們可以從本地打開test.xls查看保存結(jié)果，但不要在程序運行時打開文件，這樣會造成文件存儲失敗而報錯。

四、程序參考代碼

實踐反思

本節(jié)課是學(xué)習(xí)人臉識別的技術(shù)應(yīng)用，通過分析生活、學(xué)習(xí)中遇到的問題，找出解決問題的方法，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯分析能力和學(xué)習(xí)意愿，在程序模仿、修改、分析、試錯的過程中培養(yǎng)學(xué)生信息科技的核心素養(yǎng)。

學(xué)生善于在學(xué)習(xí)中進(jìn)行模仿，能夠理解生活中的一些現(xiàn)象，能夠正確分辨出生活中的一些常見問題，但創(chuàng)新能力略顯不足。教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過小組合作的方式，形成團(tuán)隊互補(bǔ)，激發(fā)創(chuàng)新意識，更好地進(jìn)行項目探究，提升解決問題的能力。