人脸识别在高校公寓管理中的应用研究

2017-01-16姜琼琼刘阳

东方教育 2016年15期

姜琼琼　刘阳

摘要：文章以高校管理系统为研究对象，分析了江苏大学公寓管理模式现状，总结出当前公寓管理模式存在的问题。通过对人脸识别技术的研究，针对现有管理系统的不足，将人脸识别技术应用到高校管理系统中，设计了基于人脸识别技术的公寓管理系统，提高门禁对人员的识别性，提高公寓的安全管理，便于学校对学生的管理。

关键词：公寓管理系统；人脸识别技术；系统设计与实现

高校学生公寓的管理涉及到学生的人身和财产安全，校园安全问题维系着社会和学校的稳定、牵动着家庭的幸福，直接影响到我国高等教育的改革和发展。现阶段的公寓管理模式已经不能满足快速发展的信息化校园管理，广泛使用的校园一卡通的信息识别技术的缺陷日益突出，如代刷、漏刷，一卡通丢失、失效，身份验证识别率低等问题。人脸识别具有唯一性、易携带、不可复制性等生物特征很好的解决了学校在安全管理方面存在的问题，大大提高了高校公寓管理的安全性，是不断改进公寓管理系统不可或缺的识别技术。

一、公寓管理系统概述及存在的问题

（一）公寓管理系统概述

高校公寓管理系统是一个提高公寓管理效率、规范学生住宿管理、减轻高校公寓管理人员日常工作负担、提高高校综合管理效能的有效工具。系统以公寓房源、学生信息为基础数据，可以对房间床位分配、住宿缴费、房间设备维护、日常设施检查、公寓人员的工作分配与管理等进行规范化、系统化设置；可以使公寓管理中心、学工处、教务处、财务处等学校职能部门及学校领导随时获得所需要的公寓管理信息，实现信息无障碍共享，进一步提高公寓管理的效率。

（二）公寓管理系统存在的问题

自从门禁系统设立以来，从管理者到学生都存在很大的问题

1.宿管处有明确的工作考核标准，需要每天晚上11点以前的归寝率达到80%以上才不会被扣工资，所以经常与不刷卡的学生发生冲突；为加强对学生刷卡的控制，宿管处经常要在早上与中午的时候派人在门禁处对学生进行监督，加重了工作量，导致宿舍人员抱怨不断；

2.门禁的刷卡率与学生的考勤挂钩，如果出门忘刷卡，晚上回宿舍忘刷卡，就会对学生的考勤率造成一定的影响，会在学生不知情的情况下对学生成绩产生影响。

3.在学生请假期间没有刷门禁，需要在辅导员处写三份假条，一份给辅导员存根，一份给上课老师，一份给宿管科方便在晚上未归寝时，宿管处无须再上报给辅导员处；在学生丢失一卡通的情况下，晚上归寝不仅要告知宿管处，更要对辅导员进行声明，程序繁复，为学生和管理者都带来了诸多不便。

4.学生认为刷卡是侵犯隐私的行为，经常不配合宿管科的工作，甚至为方便逃课、放假前提前回家或出去玩，经常会找同学代刷、替刷，不便于对公寓学生进行严格的管理。

二、人脸识别相关知识

（一）人脸识别概述

人脸识别是通过计算机利用人特有的面部特征分析人的面部图像提取有效信息进行身份识别的一种生物识别技术。它属于生物识别技术中一项应用前景广泛且价值很高的识别技术，具有可采集性、易携带、稳定性、、唯一性等特点。人脸识别是通过将摄像头采集到图像，并对采集到的图片进行人脸的检测和跟踪，进而对检测到的人脸进行脸部的特征识别。

（二）人脸识别方法

人脸识别的方法有很多，如：基于特征脸（PCA）的人脸识别方法、几何特征的人脸识别方法、神经网络的人脸识别方法、弹性图匹配的人脸识别方法、支持向量机（SVM）的人脸识别方法。但无论采用什么方法，都要考虑多方面的因素，如噪音、光照强度、肤色、表情等。

（三）人脸识别过程

人脸识别是对获取到的图像进行检测、特征识别、图像匹配等一系列程序后，对探测到的数据进行比对的过程。主要包括：人脸检测、特征提取、图像匹配等一系列过程。

1.人脸检测。对高清摄像头采集到的图像进行检测，根据人脸的面部特征如：眼睛、鼻子、嘴巴，人脸轮廓形状等一系列要素的属性值进行检测。常见的人脸检测算法容易受到噪声、光照、肤色、以及人脸角度等因素的影响。典型的人脸检测算法有基于肤色区域分割的检测算法、基于统计模板的检测算法。

2.特征识别。对检测到的人脸数据进行面部特征识别，以提取出能区别不同个体的差异性的面部的关键特征，如：眼睛之间的距离，眼睛、鼻子、嘴巴之间的比例、人脸轮廓的。这些特征对于同一个体必须是稳定的，且对于不同的个体要具有差异性。与此同时，特征提取作为人脸识别技术中最为关键的一步，不仅要将高维的图像数据转换为低维数据以便识别，更需要将图像数据中有用的关键信息和主要的能描述表征人脸面部信息的特征数据提取出来。

3.图像匹配。是将通过人脸检测与面部特征提取后的数据通过适合的分类器进行人脸身份鉴别，以判断其图像与数据库中的数据的相似度是否在80%以上。该阶段的过程十分依赖于特征提取的结果。针对不同个体间的面部特征具有一些相似性，同一个体在不同条件下的差异性也很大，这些相同或相似的面部结构属性对于人脸检测是十分有利的，但对于图像匹配来说困难却很大。

三.江苏大学基于人脸识别技术的学生公寓管理信息系统的设计

将人脸识别技术与门禁系统相结合以后，利用系统采集到的图像进行相应的识别，确认与IC卡上的信息相一致，门禁系统的信息录入功能进行相应的实现，当两边的数据不一致，则比较人脸识别到的信息是否在数据库中能找到，IC卡上的信息在数据库中是否有相对应的信息，如果都在数据库中存档，但信息不一致，则系统记录的信息以人脸识别到的信息为准，将数据记录在系统中；当人脸识别到的数据在数据库中不存在而IC卡上的数据信息存在，则说明该人员不属于本公寓，系统提示错误信号；当人脸识别到的数据与IC卡的数据都不在数据库中，则系统提示错误信号。

工作流程：每当有人经过刷卡时，首先读取IC卡的信息，接着检测人脸图像，门禁控制器给摄像头发出采集信息，摄像头拍摄一幅含有人脸的正面照片，当照片数据传送到门禁控制器后，对接收的数据卡传送的人脸图像进行预处理和人脸检测；对检测出的人脸图片进行处理，计算出人脸特征向量，并与IC卡上的数据进行匹配，如果匹配成功，则系统记录此次通行时间跟人的相关数据，如果不一致，以摄像头采集到的人脸特征为基础与人脸数据库中的数据做匹配，如果人脸数据库中有此人的信息，则将此人的通行记录记录在档，IC卡信息作废。流程图如图1所示：

四、江苏大学基于人脸识别技术的学生公寓管理信息系统的实现

（一）系统实现环境

开发语言为Java语言。java免费开源是世界上采用最广泛的编程语言。

开发工具Eclipse。Eclipse 是开放源代码的、而且是基于Java开发平台，可以拓展。Eclipse是一个框架和一组服务，是通过插件组件来构建开发环境，也包括自身带有的插件集，比如Java开发工具（Java Development Kit，JDK）就在其中。

数据库mysql。Mysql是一个开源而且免费的中小型关系数据库，其特性非常好，往往被用中小公司采用，通常分布式存储中往往mysql是最好的选择，既能保证性能又能降低成本。

版本控制工具SVN/Git。SVN属于集中式版本管理，全程是Subversion，它是开源免费的一个版本控制工具。Git是一款分布式版本控制系统，它是也是免费开源的，主要用于敏捷高效地处理任何或小或大的项目，十分好用，被大多数新兴公司所采用，而且最大的开源网站gitHub也用的是Git，是版本管理最好的选择。

项目辅助工具Maven。Maven其最大的便利性在于导包的自动性，解决了人为导包所带来的繁琐，并且便于对导包进行集中控制和管理。

服务器软件tomcat。Tomcat是Apache开源的一款免费web应用服务器，它的代码也已经开源，其具有轻量简便好用的特性，是中小型系统中采用最为普遍的应用服务器，目前非常流行。

阿里云服务器。阿里云，致力于打造公共、开放的云计算服务平台。它提供云服务器ECS、关系型数据库服务RDS、对象存储服务OSS、内容分发网络CDN等产品服务，可以随着应用的增长和扩大方便安全的扩展。

（二）.系统实现的技术支持

1.前端显示技术

目前前端技术有很多语言，而就安全性实用性美观性来言，还是html/html5，CSS等技术比较主流，浏览器脚本语言推荐js，Jquery，Ajax技术，因为其能提供很好的页面交互体验。

AJAX即“Asynchronous Javascript And XML”（异步JavaScript和XML），是指一种创建交互式网页应用的网页开发技术。它通过在后台与服务器进行少量数据交换，使网页实现异步更新。使在不重新加载整个网页的情况下，实现对网页的某部分进行更新。

2.后台应用技术

就安全性来讲，java语言的web应用安全性是较高的，例如银行机构系统等安全性很高的系统和产品均是采用的java语言进行开发。Java语言有很多框架最基础的比如Struts，Spring等基础框架。而且java是开源免费的，其生态非常庞大，拥有众多的免费开源的中间件。

Java是由Sun Microsystems公司推出的Java面向对象程序设计语言（以下简称Java语言）和Java平台的总称。由James Gosling和同事们共同研发，并在1995年正式推出。用Java实现的HotJava浏览器（支持Java applet）显示了Java的魅力：跨平台、动态Web、Internet计算。从此，Java被广泛的应用并推动了Web的快速发展，常用的浏览器均支持Javaapplet。另一方面，Java技术也不断更新。Java自面世后就发展十分迅速，非常流行，同时对C++语言形成有力冲击。在全球云计算和移动互联网的产业环境下，Java更具备了明显的优势和广阔前景。3.数据库技术

由于本系统不会产生很大的数据量，因此采用轻量级的mysql数据库。与后台的结合采用框架技术hibernate和mybatis均可。

MySQL所使用的 SQL 语言是用于访问数据库最常用的标准化语言。MySQL 软件采用了双授权政策，分为社区版和商业版。由于其体积小、速度快、总体成本低，尤其是开放源码这一特点，一般中小型网站的开发都采用 MySQL 作为网站数据库。

4.服务器技术

服务器技术一般采用linux+tomcat，由于本系统并非大型系统，所以tomcat足以满足日常需求，linux系统稳定成本低。

Tomcat是Apache 软件基金会（Apache Software Foundation）的Jakarta 项目中的一个核心项目，由Apache、Sun 和其他一些公司及个人共同开发而成。由于Tomcat 技术先进、性能稳定，而且免费，因而深受Java爱好者的喜爱并得到了大部分软件开发商的认可，成为目前比较流行的Web 应用服务器。

Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统，是一个基于POSIX和UNIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它能运行主要的UNIX工具软件、应用程序和网络协议。它支持32位和64位硬件。Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想，是性能稳定的多用户网络操作系统。

（三）系统实施的难点

本系统是基于公寓管理信息化的基础上研究设计的公寓管理系统，并根据人脸识别技术扩展了门禁的功能提高了门禁系统的效率。但本系统仍存在一些难以解决的问题和难点。

1.在门禁系统中，面对高峰期的学生流动情况，刷卡感应可能会出现问题，需要不断通过检测人脸来达到信息录入的目的，而系统需要高速运转，不断与人脸数据库中的数据做对比，但人脸的检测与比对是需要一定时间的。然而留给系统的时间只有1至2秒钟，时间短，人数多，如果系统运行速度跟不上，很可能在高峰期导致系统崩溃。造成门禁系统的瘫痪。

2.人脸检测与处理需要考虑众多因素。如果硬件设施不完备，或比较低级，不能将影响因素过滤，则将产生很大的误差，造成数据不准确，尤其是早上与晚上的光照程度差别很大，夏天与冬天的光照差别也很大，在光照差别影响很大的情况下，门禁的效果将与无人脸识别一样准确率低下，不能高效率的统计人流量。不同的算法针对性不同，检测到的人脸准确率也不一样，如何提高人脸检测的精度与准确度是值得深入研究的问题。

3.统计公寓信息时，因为每栋公寓都是一个独立的子系统，而整个学校所有的公寓组合统计则会产生非常大的数据量，系统容易崩溃。

五.结语

随着技术的不断发展，人脸识别技术的应用前景不容小觑。无论是从人群众多的机场、体育场还是火车站还是人数众多的高等学校，都会应用人脸识别技术来加强对人员的控制。高校公寓管理也会与学校的教学网平台融为一体，提高学校的综合水平。然而人脸识别技术的研究仍有很多地方是值得我们深入探讨与学习的，对人脸检测的算法问题仍可以进一步展开进行讨论。对在不同条件下采集到的人脸数据的处理如光照、噪声、肤色等的问题也能通过算法进行测试与实现。人脸识别技术与其他系统的结合应用也值得进一步的思考与研究。

本系统基于人脸识别技术分析设计了公寓管理信息系统，但对于人脸的识别过程只是做了简单的描述，并没有进行详细设计与实现，希望在以后的工作中能够实现此模块具体的设计过程。

门禁技术的硬件系统需要随着软件功能的升级相应的随之更新，使软硬件功能相映衬。

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