基于人脸识别技术的课堂考勤系统设计与研究

摘  要：课堂考勤系统的作用为督促学生参与到课堂教学中，让学生能够更好学习相关知识。传统的课堂教学采用课堂点名的方式，容易打乱教师的授课节奏。基于对人脸识别技术开发现状的研究和分析，本文提出了该项技术的设计和实现方法，使学校方面能够通过应用这种设备，完成对学生考勤系统的技术设计和管理，发挥该设备应有的督促效果。

关键词：人脸识别技术;课堂考勤系统;系统设计

中图分类号：TP391.4     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）13-0118-02

Design and Research of Classroom Attendance System Based on

Face Recognition Technology

CHEN Ying

（Minxi Vocational & Technical College，Longyan  364021，China）

Abstract：The role of classroom attendance system is to urge students to participate in classroom teaching，so that students can better learn relevant knowledge. The traditional teaching method uses the way of classroom roll-call，which disrupts the rhythm of teachersteaching. Based on the research and analysis of the current situation of the development of face recognition technology，this paper puts forward the design and implementation method of this technology，so that the school can complete the technology and arrangement of the student attendance system through the application of this equipment，and give full play to the supervision effect of the equipment.

Keywords：face recognition technology;classroom attendance system;system design

0  引  言

在传统的课堂考勤中，多采用教师点名或者收集课堂作业的方法，这会在很大程度上扰乱教师的授课节奏，大幅降低教师对相关知识的讲解质量。在人脸识别技术的应用中，学生必须在进入教室前通过该设备录入相关信息，让学校方面能够分析学生的课堂学习情况，同时对学生进入教室的时间进行分析，从而可以了解学生是否出现迟到等问题，实现对学生各类信息的记录。

1  基于人脸识别技术的课堂考勤系统设计框架

1.1  硬件框架

硬件框架为整个系统的支撑系统，因此要从系统负载的程序以及信息收集等角度出发，完成对整个系统的设计。

硬件设备上首先为摄像头，由于在录入人脸信息时，通常人脸距离摄像头的距离较近，这就要求摄像头拥有较大的广角，以保证摄像头采集的信息能够符合录入要求。另外，在一些教学楼中，存在采光效果较差的问题，所以需要激光测距摄像头、红外摄像头等设备辅助光学摄像头，以提高成像质量[1]。

其次为相应的电路板，包括电阻、电容、电感以及单片机等各类电子器件，这类设备的作用为向单片機中传递信号，并借助单片机中的程序完成对相关信息的比较和收集工作，以记录学生进入教室的时间。

最后为辅助硬件，包括紧固件、导线等，在相关设备正常运行的基础上，才能够保证整个系统正常运行。

1.2  软件框架

在软件框架的设计中，首先要确定整个系统本身发挥的功能。根据需求分析，本文确定软件系统的功能包括图像记录、图像比较、作弊行为比较、时间记录等，在确定了相关功能后，再进一步确定这些功能的具体应用方式。

通常情况下，在整个系统的研究和运行中，图像记录技术应用于收集整个系统运行方法的过程，将采集到的图像进行分解，并分析这一图像中的各类具体参数[2]。在具体的课堂考勤中使用图像比较技术，再通过通信技术将相关信息传输到教务系统中。作弊行为分析主要用于鉴别学生使用照片等方式代替签到的行为，可以通过分析红外摄像头、测距摄像头的信息，确定学生是否存在签到作弊行为。时间记录系统可以使用单片机中自带的时钟程序进行记录。

1.3  通信系统框架

通信系统的主要功能是将学生的课堂考勤信息传输到教务系统，例如在同时开课班级过多的情况下，在某些时间点会产生大量的签到与考勤信息，当并发数据量过大时，会导致网络系统的运行效率下降。因此通信系统设计时必须考虑到并发数据过大的情况，以避免高峰时段系统崩溃。

本文建设的框架为，由设备中设置的软件完成对相关信息的综合处理工作，对比考勤人员的人脸信息、考勤时间信息等多个参数，采用脉冲信号的方式向教学管理系统发送相关信息。根据学生的信息设置独有的编号，并且在所有信息都符合相关设置规定时，才发送相应的脉冲信号到教学管理的服务器中，完成对学生相关信息的收集，而对无效信息进行自动放弃传输，以降低系统负载。

2  基于人脸识别技术的课堂考勤系统设计方法

2.1  硬件系统设计

在硬件系统设计中，包含摄像头设计、电路设计、其余硬件设计等内容，设计方法如下。

2.1.1  摄像头设计

在摄像头设计中，为提高硬件设备的功能性，设置的摄像头有三类：光学摄像头、红外摄像头以及测距摄像头。同时提高摄像头的搭配合理性，以实现对整个设备空间的高效利用。

对于光学摄像头来说，大广角状态下摄像头的光圈通常较大，在整个设备中占据的空间较大，在具体的设计中，考虑整个设备在运行中的安装高度，可以根据学生的平均身高确定位置，光学摄像头的圆心位于拍照高度的中心线。对于红外摄像头来说，通常情况下光圈的直径也较大，可以将其设置在与光学摄像头高度一致的位置上，两者并排排列。而对于测距摄像头来说，占用的空间最小，可以将其设置在其余两个摄像头的上方或者下方。考虑到人性化设计理念，采用的方法为将其设置在其余两个摄像头的下方，最终三个摄像头呈现倒“品”字形排列。

2.1.2  电路设计

在电路设计中，首先要根据三个摄像头的信息采集和分析方法设计相应的分析与信号传递电路，应用的电子器件包括电阻、电感等相关设备[3]。在完成电路的设计工作后，将电路整合到同一电路板中，提高对信息的传递与有效性。其次将导线与摄像头连接，为确保电路能够发挥应有的信息传递功能，因此采用三路接线的方法，即不同类型的摄像头，通过导线与其对应的电路板电路连接。最后为电路板与通信系统的连接，在经过对人脸信息的采集、对比和时间信息分析等，由控制芯片发出相应的信号，经过电路板中的电子器件放大后，将信号传递到学生考勤信息的记录服务器中，完成数据记录工作。

2.2  软件系统设计

在软件设计中，系统大致分为设备运行状态控制和人脸信息分析两大模块。设备运行状态控制模块的作用为完成信息记录和比较、设备休眠和运行状态的切换。对于信息的记录和比较系统，在所有学生录入人脸信息后，由教学管理系统的服务器将这类信息传入人脸识别设备中，为节省设备的运行资源，可以通过通信系统，由教学管理系统将第二天所有进入教室的学生的人脸信息输入到人脸识别设备中。

在人脸信息分析模块中，学生录入初始图像后，通过测量眉间距、鼻翼宽度、眼角间距、鼻尖到下巴长度等信息，实现对人脸中各类参数的记录和分析，并在数据库中建成学生学号与面部信息的对应系统。在考勤过程中，光学摄像头完成拍摄，通过设置的像素计算程序，测量考勤人员的面部特征，与数据库中的信息进行对比，分析是否为该学生。同时，可通过测距摄像头完成对学生面部信息的进一步分析工作，提高人脸识别的精度。红外摄像头的作用一方面为在夜间或光照强度过低情况下的照明，另一方面可以分析签到的学生，是否存在利用照片等手段进行考勤作弊行为。

2.3  通信系统设计

在通信系统的设计中，主要有两种设计思路，一种为基于硬件设备的人脸信息分析技术。这一系统运行中，借助该设备完成对人脸信息的比较和分析工作，当确定所有信息符合考勤要求时，通过发射脉冲信号的方式，发送学号信息和考评结果信息。另一种由服务器完成对各类数据的分析，设备本身几乎不具备数据分析能力，只是在完成拍照工作后，将图片输入到教学管理服务器中，让其自动完成对各类数据的比较和分析工作，并同时记录考勤时间等信息。这种方法对通信系统的要求极高，整个通信系统要有较大的带宽，需要建成完善的光纤通信系统以防止数据量过大时出现信道堵塞现象。

3  基于人脸识别技术的课堂考勤系统实现方法

3.1  设备安装方面

设备安装包括系统各类硬件设备的安装工作。摄像头的性能对考勤系统的影响巨大，因此需要保证预留摄像头坑空间的广阔性，防止在摄像头的安装中，由于预留空间不足，对摄像头造成损坏。另外，摄像头要与电路板连接，所以在具体的工作中，預留的空间还需要能够容纳所有的线缆。对于电路板来说，需要通过紧固件降低与考勤设备外壳固定，在具体的构件生产中，要分析这一系统对设备造成的影响。对于摄像头和电路板来说，需要应用焊锡工艺，完成各类导线与电路板的连接工作。

3.2  设备调试方面

在完成设备制造和安装工作后，要落实对设备的调试工作。首先工作人员向学校教学管理系统中输入个人信息，并设置编号。要根据教务系统排课时间，由系统将信息输入到识别设备中。然后进行考勤测试，测试的内容包括正常签到、签到作弊和未签到三种情况，分析实际的考勤精度。最后根据系统运行测试的结果反馈，根据院校的实际情况进一步完成对软硬件的优化和完善工作，保证系统能完全符合院校的实际需求。

4  结  论

综上所述，在基于人脸识别技术的课堂考勤系统设计中，硬件设计的内容包括摄像头、电路以及各类辅助硬件，软件设计的内容包括设备运行状态控制和人脸信息分析模块，通信系统要根据识别设备的运行原理，确定其实际运行模式，满足数据通信要求。

参考文献：

[1] 张欣蓓，刘旭，王浩博，等.基于人脸识别技术的课堂考勤系统设计与实现 [J].无线互联科技，2019，16（2）：68-70.

[2] 吴美香，邓园园，裴枫华，等.基于人脸识别的移动课堂考勤系统的设计与实现 [J].软件，2018，39（1）：5-8.

[3] 王少豪.基于图像的人脸识别技术在高校课堂考勤系统中的研究与应用 [J].电脑知识与技术，2017，13（33）：209-210.

作者简介：陈颖（1983-），男，汉族，福建龙岩人，助教，研究生，研究方向：计算机软件。