基于視頻監(jiān)控的考研教室動態(tài)播報系統(tǒng)

基金項(xiàng)目：2023年河南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目大創(chuàng)項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：基于視頻監(jiān)控的考研教室動態(tài)播報系統(tǒng)；項(xiàng)目編號：202310472049。2022年河南省科技發(fā)展計劃科技攻關(guān)項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：輕量化深度網(wǎng)絡(luò)的肺部分割研究；項(xiàng)目編號：222102210325。河南省教育廳2022年省級專創(chuàng)融合特色示范課程；項(xiàng)目名稱：C語言程序設(shè)計；項(xiàng)目編號：89。2024年度河南省高校人文社會科學(xué)研究一般項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：文化與旅游深度融合的路徑與對策研究；項(xiàng)目編號：2024-ZDJH-805。

作者簡介：張甲鵬（2004—），男，本科生；研究方向：目標(biāo)檢測。

*通信作者：竇育民（1973—），男，講師，博士；研究方向：計算機(jī)視覺。

摘要：：為了節(jié)省學(xué)生尋找空閑教室的時間，實(shí)時播報教室人數(shù)情況，文章研究基于視頻監(jiān)控的考研教室動態(tài)播報系統(tǒng)，以滿足考研學(xué)子的需求。在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行客流識別是目前國內(nèi)研究的熱點(diǎn)問題，涉及圖像處理與識別的許多核心問題，包括視頻圖像的實(shí)時采集、運(yùn)動目標(biāo)檢測、目標(biāo)跟蹤以及圖像的處理與分析等多方面的內(nèi)容。基于YOLOv5s的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，文章提出一種基于YOLOv5s的教室場景下的學(xué)生計數(shù)方法，從而甄別出該教室是否為空閑教室，將統(tǒng)計信息報送系統(tǒng)后臺處理，對空閑教室按空閑座位進(jìn)行降序排列，推送到客戶公告端，用戶可以看到空閑教室編號、空閑位置數(shù)等信息，實(shí)現(xiàn)人數(shù)的實(shí)時播報。

關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控；人員計數(shù)；YOLOv5

中圖分類號：TP3111文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

近年來，我國高等教育普及化程度持續(xù)提高，高校畢業(yè)生逐年增多。在現(xiàn)實(shí)的就業(yè)形勢下，越來越多的大學(xué)生寄希望于讀研來舒緩“壓力”［1-3］。隨著考研學(xué)子的不斷增多、考研競爭力的不斷增加，尋找空閑教室進(jìn)行自習(xí)備考已經(jīng)成為多數(shù)考研學(xué)子的一項(xiàng)重要需求。然而，考研學(xué)子在尋找教室的過程中經(jīng)常會遇到許多難題，其中主要包括：由于不知道各教室是否有課，學(xué)生需要在各教學(xué)樓、各樓層、各教室之間花費(fèi)較多的時間去尋找空閑教室；學(xué)生隨機(jī)選擇自習(xí)教室，各教室之間容易出現(xiàn)自習(xí)人數(shù)分布不均的現(xiàn)象，使教學(xué)資源因分配不均而造成浪費(fèi)［4］。為了節(jié)省學(xué)生尋找空閑教室的時間，本文對此項(xiàng)目進(jìn)行研究，通過實(shí)時播報教室人數(shù)情況，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供更多時間，滿足考研學(xué)子的需求。

隨著卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)的特征提取網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時性以及精度方面均優(yōu)于傳統(tǒng)方法，常見的網(wǎng)絡(luò)如SSD、FasterR-CNN、YOLO等［5］。本文利用YOLOv5s模型開發(fā)出一種人數(shù)識別統(tǒng)計系統(tǒng)，為考研學(xué)子尋找空閑教室提供便利，從而解決學(xué)生浪費(fèi)大量時間和精力去尋找空閑教室的痛點(diǎn)。

1項(xiàng)目概述

11背景分析

計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用為諸多行業(yè)的發(fā)展提供了全新的工具。其中，計算機(jī)圖像處理技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用日益廣泛［6］，智能視頻監(jiān)控在各個領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色，其中的熱點(diǎn)之一是基于圖像識別的人數(shù)統(tǒng)計［7］。對于海量的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)，通過使用圖像與視頻中的目標(biāo)檢測、跟蹤、分類和識別等技術(shù)為監(jiān)控視頻的智能化處理與應(yīng)用提供了新的契機(jī)［8］。目前，人數(shù)識別、教室位置空余識別、空閑教室推薦等技術(shù)愈發(fā)成熟，給人們的日常生活帶來了極大的便利。如何將這些技術(shù)具體應(yīng)用于日常生活中從而給人們帶來更大的使用價值成為眾多工作者思考的問題之一。

目前的教室人數(shù)識別軟件大多只有人數(shù)識別，人數(shù)識別率和準(zhǔn)確率也逐漸提高，但是對動態(tài)的教室人數(shù)識別以及考研教室的推薦還存在著一定的問題需要解決。視頻具有比圖片更豐富的圖像資源，蘊(yùn)含著更為豐富的信息，但同時也給圖像處理帶來了更大的困難。如何對識別出的教室人數(shù)進(jìn)行合理的對應(yīng)處理，幫助考研學(xué)子快速找到需要的教室是本文需要研究和解決的問題之一。

12設(shè)計目標(biāo)

基于視頻監(jiān)控的考研教室動態(tài)播報系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)教室人數(shù)檢測，判斷教室的使用狀況，實(shí)現(xiàn)電腦端數(shù)據(jù)的實(shí)時處理與精確的空閑教室推薦，同時傳輸?shù)娇蛻舳藢?shí)現(xiàn)互通。該系統(tǒng)應(yīng)具備一定的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，可以在不同的場景下進(jìn)行人數(shù)檢測，幫助考研學(xué)子節(jié)省時間，提高學(xué)習(xí)效率。

13開發(fā)環(huán)境及工具

（1）PyQT5：QT是常用的用戶界面設(shè)計工具，在Python中則使用PyQT5這一工具包，它是Python語言和QT庫的成功融合，能夠?qū)崿F(xiàn)檢測界面的設(shè)計。

（2）YOLOv5：YOLOv5是單階段算法中的典型代表，它由3個部分構(gòu)成：主干、頸部、頭部。其中，主干網(wǎng)絡(luò)用于接收不同大小的圖片，從輸入圖像中提取信息特征；頸部網(wǎng)絡(luò)將提取到的圖像特征按照一定規(guī)律進(jìn)行融合，豐富特征的語義信息，將處理后的特征輸入檢測頭中進(jìn)行預(yù)測，分類器會獲取對象的類別并生成邊界框的坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)端到端的目標(biāo)檢測和識別［9］。

（3）Finalshell：Finalshell是一款一體化的服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)管理軟件。該軟件支持多標(biāo)簽、批量服務(wù)器管理、自定義命令參數(shù)、SSH加速等功能，它不僅是SSH客戶端，還是功能強(qiáng)大的開發(fā)與運(yùn)維工具，可以充分滿足本項(xiàng)目的開發(fā)運(yùn)維需求。

（6）Redis：Redis是一個開源的、使用C語言編寫的、支持網(wǎng)絡(luò)交互的、可基于內(nèi)存也可持久化的Key-Value數(shù)據(jù)庫［10］。

（4）Caddy：Caddy服務(wù)器是一個開源的，使用Golang編寫，支持HTTP/2的Web服務(wù)端。它可以使用Golang標(biāo)準(zhǔn)庫提供HTTP功能，也可以作為反向代理和負(fù)載均衡器［11］。

（5）FastAPI：FastAPI是一個現(xiàn)代的、快速（高性能）的Web框架，用于構(gòu)建API。

（6）iVX：iVX是一款新型的低代碼開發(fā)平臺，其獨(dú)特之處在于它能像編程語言一樣靈活地生成代碼和整個應(yīng)用。

2系統(tǒng)整體方案設(shè)計

21系統(tǒng)模塊的設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層次分明，減少耦合，系統(tǒng)總體劃分為3個部分：教室人數(shù)檢測模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和微信小程序查詢模塊。

（1）教室人數(shù)檢測模塊：該模塊利用教室的現(xiàn)有設(shè)備即攝像頭監(jiān)控教室情況［12-13］，使用Pycharm等工具開發(fā)代碼，利用YOLOv5快速目標(biāo)檢測技術(shù)［14］對目標(biāo)進(jìn)行單一的檢測，只對教室人數(shù)進(jìn)行識別和統(tǒng)計，從而對攝像頭傳遞的原始圖像進(jìn)行初步的分析處理，得到檢測結(jié)果。

（2）數(shù)據(jù)傳輸模塊：該模塊首先搭建部署服務(wù)器，然后使用Python的Web框架創(chuàng)建一個API［15］接口用于接收從人數(shù)檢測界面?zhèn)鱽淼臄?shù)據(jù)。先將檢測出的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，然后在Pycharm中利用FastAPI編寫請求體，將數(shù)據(jù)庫上傳至服務(wù)器。隨后在小程序后臺中，通過GET調(diào)用從PythonAPI發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。最后在小程序前端，獲取經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)并展示。

（3）微信小程序查詢模塊：該模塊主要實(shí)現(xiàn)將檢測平臺獲取的數(shù)據(jù)由Python［16］傳到小程序的功能。當(dāng)用戶在小程序界面輸入某教室號點(diǎn)擊查詢時，后臺服務(wù)運(yùn)行調(diào)取API，服務(wù)返回的參數(shù)是檢測到的該教室人數(shù)，然后頁面跳轉(zhuǎn)呈現(xiàn)該教室信息。該部分流程如圖1所示。

22關(guān)鍵功能的設(shè)計

221教室人數(shù)的檢測

教室人數(shù)檢測平臺也就是系統(tǒng)后端的開發(fā)主要使用了YOLOv5快速目標(biāo)檢測技術(shù)和PyQT5界面開發(fā)工具，其中最為核心的是YOLOv5快速目標(biāo)檢測技術(shù)。本檢測過程首先調(diào)用教室監(jiān)控，然后將原始視頻傳輸?shù)綑z測平臺進(jìn)行檢測。該過程主要使用YOLOv5中的detect.py程序，運(yùn)用的是YOLOv5s權(quán)重文件，逐幀分析處理視頻并單一統(tǒng)計person標(biāo)簽數(shù)量，實(shí)現(xiàn)人數(shù)的統(tǒng)計。在檢測過程中，首先對講臺位置進(jìn)行檢測。如果有人則直接判定為“不可用”；如果講臺位置無人，則對教室人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。如果檢測人數(shù)超過總座位數(shù)的二分之一，則判定為“不可用”，反之則為“可用”。將檢測出的教室人數(shù)及教室使用狀況顯示在用QTDesigner設(shè)計出的界面上，如圖2所示。

222服務(wù)器的部署

服務(wù)器的搭建主要使用了Finalshell、Redis數(shù)據(jù)庫、FastAPIWeb框架及Caddy等工具。首先安裝Finalshell遠(yuǎn)程連接服務(wù)器工具，然后在該工具中安裝Redis、Python39及Caddy。在傳輸操作中，首先以json形式將數(shù)據(jù)存儲在Redis數(shù)據(jù)庫中，然后在Pycharm中利用FastAPI編寫請求體用于將數(shù)據(jù)庫上傳至服務(wù)器，以供前端獲取數(shù)據(jù)。在此過程中同時使用了Caddy進(jìn)行反向代理來確保HTTPS的安全性。

223微信小程序開發(fā)

開發(fā)者選擇首先在低代碼iVX平臺內(nèi)進(jìn)行微信小程序的開發(fā)，然后將生成的代碼和小程序?qū)С觯撾x平臺進(jìn)行使用。iVX提供了一個完善的低代碼開發(fā)IDE（整合開發(fā)環(huán)境），支持不編寫代碼即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的構(gòu)建，支持生成微信小程序等類型的應(yīng)用。在小程序的前臺開發(fā)中，開發(fā)者使用可視化組件、自定義樣式和布局以及無代碼的交互邏輯設(shè)計和控制來搭建各類頁面。在后臺開發(fā)中，開發(fā)者主要進(jìn)行API屬性和服務(wù)調(diào)用的配置。

小程序前臺分為3個頁面展現(xiàn)小程序的功能。在“首頁”，用戶可以直觀地看到由后臺推送的閑置教室，除此之外最主要的功能是用戶輸入教室號后點(diǎn)擊查詢來查看教室人數(shù)；在“教室信息”頁，用戶可以選擇教學(xué)樓和樓層，從而看到相應(yīng)教室的數(shù)據(jù)；在“個人中心”頁面，可以看到個人信息和預(yù)約教室等內(nèi)容。前臺的數(shù)據(jù)由后臺通過API獲取，在后臺配置API的屬性，通過GET調(diào)用接口URL，再通過后臺服務(wù)獲取調(diào)試結(jié)果，前臺調(diào)用后臺服務(wù)即可獲取數(shù)據(jù)，最終頁面跳轉(zhuǎn)將相關(guān)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶。

3功能實(shí)現(xiàn)

31后端人數(shù)檢測功能

基于視頻監(jiān)控的考研教室動態(tài)播報系統(tǒng)［17］的后臺使用已有的YOLOv5人臉檢測的算法和程序。首先調(diào)用教室攝像頭進(jìn)行圖像采集，然后利用算法逐幀檢測出視頻中的人像并將其標(biāo)記出來，最后統(tǒng)計出視頻中的人數(shù)得到檢測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸模塊通過API將識別得到的教室人數(shù)數(shù)據(jù)傳送到小程序后臺數(shù)據(jù)庫中，對應(yīng)至教室人數(shù)欄目，通過算法識別出教室狀態(tài)為“可用教室”，如圖3所示。

32前端小程序播報功能

（1）登錄模塊：用戶輸入手機(jī)號、密碼后點(diǎn)擊登錄，系統(tǒng)確認(rèn)信息后進(jìn)入功能頁面。新用戶可以通過點(diǎn)擊登錄下方的提示進(jìn)入注冊頁面進(jìn)行賬號注冊。如果成功，則提示注冊成功并返回登錄窗口，如果失敗則提示失敗原因并重新注冊［18］。

（2）注冊模塊：用戶輸入昵稱、手機(jī)號、密碼等賬號基本信息，填寫正確的圖片驗(yàn)證碼和短信驗(yàn)證碼后點(diǎn)擊注冊即可完成注冊。通過圖片驗(yàn)證碼和短信驗(yàn)證碼2種驗(yàn)證可以提高系統(tǒng)的安全性。如果已有賬號，用戶可以點(diǎn)擊提示返回登錄頁面。

（3）教室檢索模塊：小程序前端提供教室號搜索框和查詢按鈕，用戶登錄小程序輸入教室號后發(fā)送查詢請求給后臺服務(wù)模塊。后臺服務(wù)模塊接收到查詢請求后，查詢數(shù)據(jù)庫中指定教室號對應(yīng)的人數(shù)數(shù)據(jù)并將查詢結(jié)果返回給小程序前端，用戶可以在小程序上看到相關(guān)教室的人數(shù)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（4）優(yōu)先推選教室功能：用戶首頁有優(yōu)先推選教室模塊，后臺獲取數(shù)據(jù)后會進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，然后通過算法將座位數(shù)較少的教室推送至優(yōu)先推選模塊供考研學(xué)子快速選擇，如圖5所示。

（5）數(shù)據(jù)獲取模塊：使用Python的FastAPIWeb框架創(chuàng)建一個API接口，用于接收從人數(shù)檢測界面?zhèn)鱽淼臄?shù)據(jù)。在API接口中，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的處理，通過HTTP請求將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到小程序后臺，在此過程中可以使用Python的requests庫發(fā)送POST請求將數(shù)據(jù)傳遞給小程序后臺的API接口。在小程序后臺的API接口中，首先接收從PythonAPI發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，然后在小程序前端通過調(diào)用后臺提供的API接口，獲取經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)。

（6）結(jié)果反饋模塊：通過API獲取數(shù)據(jù)后，用戶查詢的某個教室結(jié)果將以文字的形式出現(xiàn)在小程序教室信息頁面或者在教室信息頁面顯示某層樓的所有教室信息以供用戶選擇，如圖6所示。

4結(jié)語

本文用PyQtGUI設(shè)計實(shí)現(xiàn)了基于深度學(xué)習(xí)的教室人數(shù)識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)搭載了應(yīng)用于人流量較大場景下的多人臉識別算法。該算法很好地滿足了精度和速度的要求，體系統(tǒng)一、輕巧，易于在移動設(shè)備上搭建，界面簡潔清晰、功能強(qiáng)大，可以為用戶提供多人臉識別的各種功能［19］。在此基礎(chǔ)上，基于視頻監(jiān)控的考研教室動態(tài)播報系統(tǒng)利用教室現(xiàn)有視頻監(jiān)控，通過利用算法程序處理視頻圖像，實(shí)時識別教室人數(shù)并作出統(tǒng)計，將教室使用情況動態(tài)播報至客戶端，為考研學(xué)子提供了易于尋找空閑教室的平臺。只要有網(wǎng)絡(luò)，就可以實(shí)現(xiàn)在3個校區(qū)內(nèi)多人同時在線了解各教室內(nèi)座位情況，極大地節(jié)約了考研學(xué)生尋找教室的時間。開發(fā)者后期將會繼續(xù)實(shí)現(xiàn)播報系統(tǒng)和程序客戶端的統(tǒng)一化和規(guī)范化，提升考研教室小程序的運(yùn)行管理效率。

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（編輯王永超）