人脸识别技术在智慧校园建设中的应用

林星翰 张帅

摘 要：人脸识别技术经历了三个发展阶段，已在我国诸如航天、科技、安保管理等领域得到广泛的运用。近年来，随着校园建设规模的扩展，学生人数不断增多，学校对学生监管的范围也越来越广，依靠人脸识别建设智慧校园的需求也越来越突出。鉴于此，本文将对人脸识别技术在智慧校园建设中的应用加以分析，通过设计一套适用于中小学校园特点的基于人脸识别技术的智慧校园管理系统，充分发挥人脸识别技术的优势和作用，以提高中小学校园安全管理水平。

关键词：人脸识别技术;智慧校园;安全管理系统

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）02-0029-03

0引言

人脸识别技术是20世纪60年代发展起来的一项基于人脸特征信息的身份識别技术，具有信息采集非接触性和非强制性的特点。人脸识别技术经历了三个发展阶段，即1964年～1990年基于人脸面部几何结构特征识别研究的起步阶段、1991年～2000年基于多维特征矢量特征识别研究的发展阶段和2000年至今面向真实条件的人脸识别研究的自适应学习阶段。人脸识别技术已在我国航天系统中得到了应用，中国航天科技集团公司一院某研究所针对航天单位的特点，自主研发了人脸识别门禁系统，应用在该研究所内重点楼宇、重点部位和园区入口处。该门禁系统与公安部门的案件系统相连接，实现了保密安全工作的智能化管理[1]。中国航天科工集团公司二院某研究所研发了基于人脸识别功能的新型智能监控系统，已成功应用在许多重大活动驻地的安全保卫场所[2]。另外，用于辅助武警哨位执勤的人脸识别系统也应用在我国一些航天单位的重要楼宇和涉密场所[3]，为国防和航天事业做出了重要贡献。近年来，随着校园建设规模的扩展，校园中的学生人数不断增多，学校对学生监管的范围也越来越广，依靠人脸识别建设智慧校园的需求也越来越突出。把航天领域的人脸识别系统应用在校园安全防范能力提升、管理效率提高和服务质量提高方面，将会促进人工智能手段在校园管理中的应用，将对减轻管理成本具有重要作用，对于智慧校园建设具有重要意义。

国内高等院校高度重视人脸识别技术在智慧校园建设中的应用和推广[4]。清华大学、山东大学把人脸识别技术引入学校信息化建设中，实现了多种典型场景的应用业务，提高了教学服务水平和教学管理质量，对同类高校的人脸识别应用具有一定的借鉴意义[5，6];温州市职业中等专业学校将人脸识别技术应用于智慧校园的考勤系统中，是一次职业教育选择课程改革的教学方法的创新[7]。浙江大学、武汉大学和中山大学等高校也已逐步实现人脸识别在智慧校园中的应用[8]，设计了相应的管理系统，如门禁系统、考勤签到系统、宿舍管理系统等。然而，目前大部分高等院校基于人脸识别技术的智慧校园管理系统适用于开放式的校园环境，并不完全适用于封闭或半封闭式的中小学校园环境。中小学的学生大多为未成年人，均属于安全防卫能力较弱的群体。该群体的防范意识和自我保护能力相对较弱，中小学安全事故（如学生被冒领接走等）大部分是来自外来侵害。校门看守和学生宿舍出入管理，大部分采用来访登记的方式。外来人员凭借虚假证件或虚假事由进入校园的事件也时有发生。学校对于学生的日常管理（如考勤、食堂就餐、图书馆借阅等）多数是通过“一卡通”进行，而“一卡通”又常常容易被学生丢失、被他人冒用，给学生造成不同程度的精神或经济上的损失，校方投入的管理成本也比较高，而管理效果并不理想。

本文主要针对上述中小学校园的特点，设计一套适用于中小学校园特点的基于人脸识别技术的智慧校园管理系统，充分发挥人脸识别技术的优势和作用，以提高中小学校园安全管理水平，创建更加安全、便捷和高效的学习环境，增进学生、家长和教师之间的相互了解。

1基于人脸识别的智慧校园管理系统设计

1.1基于人脸识别的智慧校园管理系统的5方面需求

（1）人员分类管理的需求。对于封闭或半封闭式的中小学校园，校园出入人员主要由学生、教师、学生家长、非教职工和访客组成。在进行校园管理系统设计时应考虑人员分类管理，对于不同人群赋予不同的出入权限。对学生、教师、非教职工一般应按照在校人员管理;对学生家长需要按照长期访问人员管理;对访客需要按照临时访问人员管理;对社会非法进入人员需要进行黑名单管理。

（2）门禁快速甄别的需求。门禁系统需要能够快速、有效、准确地甄别各类出入人员，以改变以往门禁管理全靠门卫登记监督、效率不高数据滞后且追溯困难的局面。当临时访问人员大量出现（例如，清华大学、北京大学校门口经常可见大量中学生参观）的时候，靠门卫登记监督这种方式很难适应当前快节奏的工作需求，因此，快速甄别的需求尤为突出。

（3）考勤智能化管理的需求。传统的学生上课考勤是通过老师点名学生答“到”的方式完成的。如果几个班学生一起上同一门课，老师点名将会占用很长的教学时间。不仅如此，这种方式还存在出席学生替缺席学生“代答到”的舞弊可能性，使得考勤结果失真。因此，基于人脸识别的考勤智能化需求自然产生。

（4）对校园生活服务便捷化的需求。针对诸如学生报道注册、校园一卡通办理、考场监考、图书馆借阅、预约自习座位和体育馆球馆场地等校园生活服务，通过智慧系统进行统计、查询、预约和身份确认等方式来提供更加便捷智慧的服务，提升校园生活质量，也是校园管理中重要的需求之一。

（5）用户目标管理的需求。安保人员可通过智慧校园管理系统对临时访客监控，对住校学生按时就寝情况的监督和自动报警，提升校园安全排查和防范的能力;教师通过智慧校园管理系统能够获取精准的考勤记录并能按照一定的检索条件进行检索;学生家长借助于智慧校园管理系统的考勤信息推送能够及时掌握学生在校的出勤情况，消除家长的担心。

1.2设计原则

基于人脸识别的智慧校园管理系统设计需要遵循准确性、可靠性和易用性设计原则。

（1）准确性原则。应多次采集人脸信息，建立稳定可靠的人脸模型，并定期更新系统数据库中的人脸信息，提高人脸识别的准确性;同时还应提高数据传输及处理的准确性。

（2）可靠性原则。人脸识别系统需要每天24小时连续工作，必须保证系统硬件和软件的可靠性，系统应具有状态监控、故障识别与预警、自我修复的能力。

（3）易用性原则。系统应适应校园实际应用需求，应符合校园有关人员的使用习惯，能实现人员信息统计的模块化管理，如人员分类管理、校园情景管理、用户需求查询操作管理等;系统应满足多人同时访问监控点的需求，实现信息实时和共享;同时人机交互界面简洁易操作。

1.3系统的功能及组成

基于人脸识别的智慧校园管理系统的功能和组成，如图1所示。

在图1中，基于人脸识别的智慧校园管理系统由人脸采集终端、图像处理与识别服务器、数据储存服务器、监视控制终端和智慧应用终端集群五部分组成，通过校园网络传输环境将各组成部分相连。智慧校园管理系统通过人脸采集终端采集校园内各类人员的脸部信息，通过数字图像處理获取面部关键特征信息，并进行人脸信息的身份识别匹配。最后由监视控制终端完成校验后，实施各类应用服务功能。

其中，图像处理与识别服务器主要通过人脸检测选取采集图像中有用的人脸关键特征信息，采用背景建模、灰度变换和直方图均衡化等方法对图像进行预处理，建立可靠的人脸特征模型并保存在人脸数据库中，对人员身份进行分类。当有外部来访人员时，人脸识别将自动对来访人员的面部信息进行采集，然后通过人脸图像特征提取的人脸信息与数据库中的特征模型进行搜索匹配。当相识度超过预先设定的阈值时，输出匹配结果。当系统无法确认来访者身份时，系统将向监视控制终端发送提示信息，并根据控制终端的指令进行最终判别。

智慧应用终端集群主要分为校园安防、校园考勤和校园生活三类应用服务。校园安防服务终端主要用于实现校门、楼门和宿舍等重要部位的门禁识别和动态监测。校园考勤服务终端主要用于课堂出勤记录、考试监考统计和校内学生活动出勤统计等。校园生活服务终端则主要针对学生报道注册管理、校园“一卡通”管理、图书馆借阅管理、公共资源预约管理、宿舍智能管理和教务信息的智能推送等校园生活提供便携服务管理。

1.4系统的应用流程设计

对应图1展示的基于人脸识别的智慧校园管理系统，图2～图4分别给出了该系统在校园安防、校园考勤和校园生活服务中的应用流程。依据该流程进行系统软硬件设计开发，即可实现系统的应用。

校园安防服务终端主要部署在校门、宿舍楼门等关键部位。在图2中，校园安防根据人脸识别判断来访人员身份放行，若为不法份子或疑似人员将直接通过系统预警。校园安防实时监视校园监控区域，识别和记录临访人员的活动信息。另外，可以通过与地方公安系统对接，以提高系统对校园外来人员或不法分子进行甄别的能力，保证安保人员及时发现和排查安全隐患。采用人脸识别的校园安防一方面提高了出入人员身份识别和记录的效率，另一方面大大加强了校园的安全防范能力。

校园考勤服务终端主要部署在教室、实验室、会议室和体育场馆等公共场所。在图3中，教学管理员将教学/考试信息与应出勤人员身份进行绑定，通过人脸识别对到场人员进行身份匹配确认，形成考勤记录，并对学生的缺勤情况以推送的形式及时向老师、家长提示反馈。基于人脸识别的校园考勤不但提升了考勤效率，而且可有效甄别非出勤人员，有利于建设更有规律和健康的教学环境。

校园生活服务终端主要部署在教学楼、图书馆等公共区域，这样可以方便在校师生在线查询所需的校园服务信息，并以在校人员身份进行席位预约。在图4中，校园生活服务终端将根据人脸识别校验完成预约服务身份匹配确认后，提供相关业务的办理和共享资源的使用。同时，系统将共享资源的占用情况实时反馈并更新服务信息。基于人脸识别的校园生活服务终端不但提高了事务性管理业务的办事效率，而且使图书借阅、自习室座位使用和活动场地预约等校园公共资源得到了充分利用。

2人脸识别校园管理系统的应用示例

以某中学校园为例，该中学的校园管理采用的是半封闭式管理模式。当前在校学生约2500人，在岗教职工近200人。目前该校已在校园门口和学生宿舍安装部署了基于人脸识别的安防系统。系统使用前，在校师生、未教职员和学生家长按照人员类别进行了人脸信息的采集。系统正式投入使用后，与之前早晚高峰接送和校园开放日、家长会、大型演出等活动时人员密集出入校门时拥堵、排长队相比，现在学校入口刷脸入校时井然有序，每个人的通过不足1秒，也实现了对临时访客的更准确的跟踪记录;学生宿舍入口可自动识别出入宿舍的学生信息，及时统计学生是否按时就寝，准确识别非宿舍人员，大大改变了过去手工管理和刷卡管理带来的信息遗漏、不准确和效率低等问题。同时，在部分多媒体教室安装了人脸识别考勤系统，课前任课老师通过该系统一键就可确认上课考勤情况，大大节省了上课的时间，并且培养了学生按时出勤的好习惯。

当前系统仍在持续升级改进中，后续将信息管理扩大至校园图书馆、体育馆等公共资源开放区的管理和学生注册管理，从而更科学、更高效的统筹资源管理，提高事务性工作的办事效率，为学生和老师提供更和谐的学习生活环境。

3结语

本文在中学校园对学生半封闭式管理模式下，设计一套基于人脸识别技术的智慧校园管理系统，把繁琐的程序简单化，提高校园的安全防范能力，改变了考勤记录的方式，改善校园生活服务质量，使校园管理效率进一步提升，也大大降低了人的管理成本。在智慧校园的建设过程中，人脸识别技术既是服务于现代教育教学管理的一种手段，又是变革教学模式的有效助推之力。在未来智慧校园发展应用中，以人脸识别技术为代表的信息技术需不断完善校园管理系统的建设，为校园管理带来更多便利，使校园管理更加规范。

参考文献

[1] 中国国防科技信息中心.航天科技一院12所研发的人脸识别门禁系统正式投入使用[EB/OL].2017-11-24.（2017-11-24）[2019-12-03]https：//www.sohu.com/a/206318420_313834.

[2] 央视网.航天科工研发深度学习智能监控系统人脸识别更便捷[EB/OL].2017-04-28.（2017-04-28）[2019-12-03]http：//news.cctv.com/2017/04/28/ARTIYnPZefMxCipZFyHkdgLl170428.shtml.

[3] 央视网.“人脸识别”进哨位了[EB/OL].2018-02-25.（2018-05-25）[2019-12-03]http：//mil.news.sina.com.cn/2018-05-25/doc-ihaysviy8842262.shtml.

[4] 崔亚楠.人脸识别技术在高校管理中的应用[J].软件导刊，2016，15（06）：147-149.

[5] 宣华，钟文锋，陈卫.人脸识别技术在清华大学教学管理中的应用[J].中国教育信息化，2018（11）：77-80.

[6] 于磊磊，李茂政.山东大学人脸识别技术在高校的应用模式参考[J].中国教育网络，2018（10）：62-63.

[7] 王超.智慧校园系统的考勤管理子系统的设计与实现[D].北京：北京交通大学，2016.

[8] 李迎，甘霖.关于人脸识别技术与其应用于智慧校园的思考[J].电脑知识与技术，2019，15（04）：169-170.