基于人臉識別的家校協(xié)同管理系統(tǒng)

摘 要：為了進(jìn)一步提升幼兒托管學(xué)校的家校協(xié)同管理水平和效率，更有效地保障幼兒接送環(huán)節(jié)的安全，避免漏接、誤接等意外事件發(fā)生，本項(xiàng)目利用人臉識別技術(shù)設(shè)計(jì)了家校協(xié)同管理系統(tǒng)，能快速核實(shí)家長身份，降低幼兒學(xué)生被拐走的可能性，同時(shí)也能進(jìn)一步促進(jìn)家校聯(lián)系，解決信息實(shí)時(shí)性差等問題，使教師能夠全面、迅速掌握學(xué)生信息，為學(xué)生安全保駕護(hù)航。

關(guān)鍵詞：人臉識別；家校聯(lián)系；學(xué)生管理；SpringBoot；Vue；MySQL

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-0-03

0 引 言

“互聯(lián)網(wǎng)+”思想不斷深入人心，是當(dāng)前計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的未來趨勢，人們也趨向于更加便利的生活方式。我國幼兒接送大多采用傳統(tǒng)的接送卡或常用社交軟件聯(lián)絡(luò)的方式，存在很大的安全隱患，同時(shí)幼兒園學(xué)生家校協(xié)同管理落后、教師工作量大。正因如此，家校信息交互不及時(shí)，幼年學(xué)生在放學(xué)期間被拐走的事件時(shí)有發(fā)生。

針對以上問題，已有部分學(xué)者展開了相關(guān)研究，將先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于幼兒接送管理過程。其中，熊鋼[1]等人使用RFID射頻卡身份驗(yàn)證及人臉識別身份驗(yàn)證，通過實(shí)時(shí)判斷人臉識別信息與射頻卡是否匹配來識別身份。黃穎[2]等人基于人臉識別的幼兒接送管理系統(tǒng)，使用人臉識別核實(shí)家長身份，同時(shí)具備信息管理、家校信箱等功能，可提升幼兒園管理效率。以上學(xué)者針對幼兒接送管理的研究都使用了人臉識別來驗(yàn)證家長身份，保障接送安全，但在異常行為監(jiān)測、家校協(xié)同管理、家校互動等方面較傳統(tǒng)接送方式?jīng)]有提升。市面上尚未出現(xiàn)高度切合現(xiàn)實(shí)需求、有競爭力的產(chǎn)品。本項(xiàng)目開發(fā)的針對幼兒學(xué)校實(shí)際需求的家校協(xié)同管理系統(tǒng)能夠滿足社會需求，具有廣闊的市場前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)前端使用Vue設(shè)計(jì)，后端使用SpringBoot框架，Vue使用axios插件對SpringBoot中定義好的數(shù)據(jù)路徑進(jìn)行請求，并接收SpringBoot返回的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)Vue與SpringBoot的交互，數(shù)據(jù)庫使用MySQL實(shí)現(xiàn)。軟件系統(tǒng)采用MVC架構(gòu)模式，用戶進(jìn)行操作請求時(shí)，Controller層先響應(yīng)請求，隨后向Model層發(fā)送操作數(shù)據(jù)邏輯的請求，Controller層接收到處理好的結(jié)果，重新展示在View層中，請求得到響應(yīng)。

圖1所示為系統(tǒng)功能模塊。

1.1 家長小程序端

家長微信小程序端設(shè)置了3個(gè)頁面，主頁面中有就餐申請、家庭作業(yè)、查看通知、接管記錄4個(gè)功能按鍵，動態(tài)頁面用于家長和教師間的交流，個(gè)人中心頁面用于編輯家長相關(guān)信息。家長小程序功能模塊如圖2所示。

家長首次登錄時(shí)需要填寫家長信息，可以通過掃描身份證的方式錄入姓名、身份證號、住址等信息，也可手動添加。之后需上傳一張清晰的家長面容照片，保存后，家長信息將存入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中，與學(xué)生信息關(guān)聯(lián)。考慮到家長有時(shí)因種種原因無法及時(shí)接回學(xué)生，可以填寫代接人信息，保存后，同樣可與學(xué)生關(guān)聯(lián)。家長可以隨時(shí)修改代接人信息，與傳統(tǒng)的聯(lián)系教師告知修改的方式相比更加便捷，減少了教師額外的工作量。

登錄后，進(jìn)入小程序首頁，可以看到4個(gè)選項(xiàng)，如圖3所示。

（1）就餐申請

家長可以在此處為學(xué)生申請?jiān)谛＞筒停x擇好就餐時(shí)間、填好備注之后提交，教師可以在后臺接收、查看。

（2）家庭作業(yè)

教師可以在此處發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)和作業(yè)等，家長可以及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

（3）查看公告

教師可能會不定時(shí)發(fā)布一些有關(guān)學(xué)習(xí)、生活方面的公告，家長可以在此處查看，更好地配合教師工作。

（4）接送記錄

家長每次接送學(xué)生時(shí)，人臉識別成功后，將會產(chǎn)生一條帶有學(xué)生信息、代接人信息、接管時(shí)間的記錄，便于家長及時(shí)查看學(xué)生是否按時(shí)接回，進(jìn)一步為學(xué)生的安全提供保障。

進(jìn)入小程序動態(tài)頁面可以看到各位家長和教師的動態(tài)，家長可以及時(shí)了解學(xué)校最新的動態(tài)，也可以在這里發(fā)表對學(xué)校教育工作的建議，增強(qiáng)家校之間的信息交互、情感交流，也能促進(jìn)師生感情，便于教師更好地開展教學(xué)工作。

1.2 教師網(wǎng)頁端

教師網(wǎng)頁端設(shè)計(jì)如圖4所示，分為注冊登錄、學(xué)生信息錄入、接管記錄、就餐審批、發(fā)布通知、操作日志查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)七個(gè)子功能模塊。

首次使用時(shí)需要先注冊輸入相應(yīng)的用戶名和密碼，用戶信息將會添加至數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。注冊成功后，輸入與之匹配的用戶名和密碼即可成功登錄家校通后臺管理系統(tǒng)。

在學(xué)生信息功能欄中，由教師根據(jù)資料將學(xué)生及家長信息錄入數(shù)據(jù)庫中，使家長在小程序端錄入的信息與學(xué)生信息綁定，家長在使用小程序登錄時(shí)就能直接獲取學(xué)生信息。通過數(shù)據(jù)共享，后續(xù)就能實(shí)現(xiàn)相關(guān)后臺信息的自動更新，更加方便快捷。教師也可以通過搜索姓名找到學(xué)生對應(yīng)的信息，對其進(jìn)行修改。

接管學(xué)生功能欄是本項(xiàng)目的核心，輸入學(xué)生的學(xué)號后，打開電腦攝像頭，調(diào)用百度人臉識別API[3]，對家長進(jìn)行人臉識別，與家長預(yù)存的代接人照片匹配，若成功則會在此頁面顯示接管人姓名和照片，教師可以選擇保存家長照片，為之后不定時(shí)的信息更新做準(zhǔn)備。

在就餐審批功能欄中，教師清晰地看到每位學(xué)生不同的就餐需求與就餐時(shí)間，根據(jù)其合理性，給予批準(zhǔn)或駁回處理。教師也能及時(shí)向?qū)W校食堂匯總就餐情況，使食堂能夠大致掌握用餐學(xué)生數(shù)量。

在發(fā)布通知功能欄中，教師可以先選擇通知類型，如作業(yè)、公告、動態(tài)，之后編輯相應(yīng)通知，提交后，家長就可以在小程序端查看，確保每位家長都能第一時(shí)間注意到信息的更新，實(shí)現(xiàn)了信息的快速交互。

在操作日志功能欄中，教師可以隨時(shí)查看家長在小程序端的操作，確保教學(xué)活動正常進(jìn)行，如果出現(xiàn)異常情況，教師能及時(shí)在操作日志中發(fā)現(xiàn)，并采取相應(yīng)措施。

在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能欄中，教師能通過折線統(tǒng)計(jì)圖清晰地看到用戶的訪問量，通過柱狀圖看出一周內(nèi)就餐申請的人數(shù)和身份驗(yàn)證一次成功的概率。若出現(xiàn)一次驗(yàn)證成功率低的情況，教師可以合理推測是由于家長人臉識別時(shí)遮擋面部或姿勢不規(guī)范導(dǎo)致，教師可以據(jù)此向家長提出建議，以此提高成功率，節(jié)約時(shí)間。

2 人臉識別技術(shù)

2.1 背景

傳統(tǒng)驗(yàn)證身份的手段，如證件、密碼等方式，存在被竊取、篡改等風(fēng)險(xiǎn)，越來越難以滿足現(xiàn)代社會人們安全防范的需要。人臉識別基于人的臉部特征信息進(jìn)行，具有非強(qiáng)制性、可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。目前，人臉識別技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于交通、教育、公共安全等領(lǐng)域。

2.2 人臉識別過程

人臉識別技術(shù)包括人臉采集、人臉檢測、圖像預(yù)處理、人臉特征提取和人臉識別。

2.2.1 人臉采集

人臉采集設(shè)備自動搜索并拍攝用戶的人臉圖像。在本系統(tǒng)中，教師在網(wǎng)頁端進(jìn)行幼兒接管登記時(shí)，先輸入學(xué)生學(xué)號，隨后打開電腦攝像頭拍攝家長照片，將照片的url傳至后臺對應(yīng)接口，實(shí)現(xiàn)人臉采集。之后對采集的照片和由學(xué)號獲取的家長預(yù)存的照片進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)身份核驗(yàn)。

2.2.2 人臉檢測

人臉檢測是人臉識別的預(yù)處理過程，在采集的人臉圖像中準(zhǔn)確標(biāo)定出人臉位置和大小，將人臉中有用的模式特征信息提取出來，利用這些信息實(shí)現(xiàn)人臉檢測。

人臉檢測大致分為三類：基于特征的人臉檢測、基于模板匹配的人臉檢測、基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的檢測方法。

基于統(tǒng)計(jì)理論的方法因能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測且擁有較高的檢測率而被廣泛應(yīng)用。其主要通過Adaboost算法和Haar特征來構(gòu)建Haar分類器，確定人臉是否存在[4]。Haar特征利用一些固定特征來模擬人臉中的相關(guān)信息，如：邊緣特征、線性特征、中心特征和對角線特征，主要用特征矩形來表征人臉，并采用積分圖快速計(jì)算矩陣特征值，有效實(shí)現(xiàn)降維，提高速度。

基于Haar特征的cascode級聯(lián)分類器通過Adaboost算法進(jìn)行訓(xùn)練。Adaboost算法是指將人臉看成一個(gè)整體，構(gòu)造二維像素矩陣，通過統(tǒng)計(jì)大量人臉和圖像樣本構(gòu)造人臉模式空間，根據(jù)相似度判斷人臉是否存在。cascode級聯(lián)分類器將圖片的特征分為幾個(gè)階段，每個(gè)階段都由一個(gè)弱分類器構(gòu)成，且弱分類器決定每個(gè)階段的閾值，只有達(dá)到這一閾值才會進(jìn)入下一弱分類器，否則舍棄，直到通過所有弱分類器的檢測，則可判斷圖像是人臉，實(shí)現(xiàn)對圖片的分類。所有弱分類器構(gòu)成了一個(gè)強(qiáng)分類器[5]。

2.2.3 人臉圖像預(yù)處理

基于人臉檢測的結(jié)果，對圖像做進(jìn)一步處理，由于姿態(tài)、光照等因素的影響可能導(dǎo)致圖像無法直接使用，通過預(yù)處理對圖像進(jìn)行光線補(bǔ)償、灰度變換、直方圖均衡化等處理，能最大程度還原圖像的真實(shí)性，提高人臉特征提取的準(zhǔn)確度和全面度。

2.2.4 人臉特征提取

對于人臉部特征的提取，本文選用LBP算法，它是一種用來描述圖像局部紋理特征的算子，其顯著優(yōu)點(diǎn)是對光照不敏感，但仍受姿態(tài)和表情等因素的影響。原始LBP算子定義在3×3窗口內(nèi)，以窗口中心的像素作為閾值，將相鄰8個(gè)像素點(diǎn)與其進(jìn)行比較，若周圍像素值大于中心像素值，則被標(biāo)記為1，反之為0。這樣周圍8個(gè)點(diǎn)就會產(chǎn)生8位二進(jìn)制數(shù)，即窗口中心像素點(diǎn)的LBP值[6]。

在進(jìn)行人臉識別時(shí)，LBP算法會將人臉圖像劃分為若干個(gè)相等的矩形區(qū)域，再對各矩形區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)分別計(jì)算其LBP值，然后求出各分塊的直方圖，最后把各分塊直方圖串聯(lián)后統(tǒng)計(jì)出一幅人臉直方圖，描述這幅圖片[7]。

2.2.5 人臉匹配與識別

提取的人臉特征數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中存儲的人臉特征模板進(jìn)行匹配，設(shè)置閾值，當(dāng)相似度超過這一閾值時(shí)，則識別成功。在本項(xiàng)目中，通過搜索學(xué)號得到對應(yīng)學(xué)生家長的圖像特征，將待識別的人臉與其比較，根據(jù)相似程度對人臉的身份進(jìn)行判斷，這是人臉識別中的1∶1模式，常用于核驗(yàn)是否為同一個(gè)人[8-10]。系統(tǒng)識別效果如圖5所示。

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)通過多方考慮實(shí)現(xiàn)了顯著的應(yīng)用效果：首先，教師可以線上給幼兒布置作業(yè)、發(fā)布通知等，不用再通過家長群告知，避免家長因未及時(shí)查看群消息而錯(cuò)過重要信息的可能，減輕了教師工作量，提高了工作效率。其次，家長也不用再因無法按時(shí)接回孩子而擔(dān)心，通過上傳代接人照片就可以快速實(shí)現(xiàn)代接，安全高效。最后，也是最核心的部分，基于人臉識別設(shè)計(jì)的接管系統(tǒng)大大降低了學(xué)生被拐走的可能性，為兒童的人身安全提供了保障，也讓家長更加放心，有利于形成良好的家校關(guān)系。

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