基于手机平台的快速学校签到系统的研究与设计

2020-08-05李晨波

数字通信世界 2020年7期

李敏，陆莎，常旺，李晨波

（甘肃机电职业技术学院，天水 741000）

1 签到系统的现状

签到系统从开始到现在，比较常用的考勤方式有以下几种：考勤本考勤；打卡考勤机；＂—；卡通＂考勤；手机考勤；前3种考勤常常会出现代替打卡，使得替课和逃课的现象时有发生，另外，考勤信息由专人或后台统计，教师无法实时直观的获得学生的考勤情况。而手机考勤非接触，速度快，考勤方式比较友好，后台的学生信息即可供教师查询，学生本人也可申请查询，而且采集的照片信息也是一种美好的回忆。1993年，世界上第一台智能手机诞生，自此，智能手机就进入了飞速的发展的趋势里。伴随着计算机集成性和移动互联网的高速发展与应用，智能手机改变了大家的日常生活，它不再仅仅扮演打电话发短信的角色，更多的成为大部分人上网，消遣，学习的工具，因此手机成为了互联网终端，逐渐改变着大家的学习、生活习惯。由此而生的还有ipad 或者一些具有高性能的独立操作系统的小型移动终端设备。如今4G 已经基本普及全国的移动通信，5G 也开始使用，更高的数据速率、更少的延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接，用户的体验越来越好。网络的高效性使得跟随它的移动终端功能也越来越强大，新出的华为Mate30可以AI 隔空手势操作，智能识别主人方位等强大功能，利用高性能的手机可以降低开发成本，开发更高价值应用软件，这对开发人员将是一个新的挑战。目前利用学校的手机签到的系统由以下四种（1）通过手机当作认证载体，利用手机GPS 定位功能来确定签到者的位置来完成签到的认证。（2）通过手机当作认证载体，利用二维码技术“；扫一扫”；来实现签到。教师在课前几分钟的时间里，打开签到软件，软件自动生成二维码，供学生扫码来实现签到，为防止学生拍照二维码发给不在场的同学完成签到，此签到二维码需要每隔一定的微小时间间隔来自动刷新。在此过程中，二维码充当证明签到者所处位置的载体。（3）通过手机当作认证载体，利用重力传感器、加速度传感器的“；摇一摇”；来实现签到。签到过程为：签到时，教师要求同学们拿出手机打开签到软件，教师和同学们一起以相同的频率来摇晃手机。手机内部的重力传感器、加速度传感器记录下晃动数据并上传到服务器，服务器将数据进行拟合对比后，最终声称签到成功的名单。此签到过程具有很强的时效性，不在场同学完全伪造不出同样的摇晃频率，并且该签到方式新颖、操作简单，因此具有很强的应用性。（4）通过手机当作认证载体，利用NFC“；碰一碰”；实现签到。NFC（Near Field Communication）即近场通信技术。通过NFC 设备间的简单接触，就可实现两台设备的信息交换。学生使用具有NFC 功能的手机触碰教室里设置的NFC 标签，手机读取信息后自动向服务器发送签到成功的消息，即可完成签到。这四种方法都需要被签到人员高度的配合，也会浪费比较长的时间。学校的上课时间是非常宝贵的，这将造成时间的极大浪费。

2 系统的分析

2.1 系统的业务功能分析

在高校每学期开学之前，教务处的工作人员都需要编制和制定每一个班级的课程表，而班级的学生则需要根据课程表的具体时间安排和地点安排去上课。但是这种方式仅仅可以对学生上课的时间和地点起到一个提醒的作用，并不能避免高校学生迟到、早退或者是旷课等的情况。在传统的高校学生管理之中，辅导员和任课教师会通过点名的方式来考察学生的出勤情况发生，但是由于学生人数众多，替别人答“到”的情况经常发生，这不仅会浪费大量的时间，也难以保障考勤效果。针对这样的情况，在该快速签到系统的设计过程中，主要应该考虑到以下几个方面的功能：（1）将班级之中所有学生的姓名、学号、以及面部验证信息都录入到这个系统之中。（2）上课时，教师可以通过手机拍照的形式来完成验证。（3）系统可以实时储存学生的签到信息。（4）通过这个系统，教师可以对全班学生的考勤情况进行查询。

2.2 系统之中的角色分析

根据这个签到系统的业务，可以将系统之中的角色按照三种来进行划分，其一是教师，其二是学生，其三是系统的管理员。教师负责采集上课学生的面部信息，然后提交给系统，系统的管理员可以对学生的签到情况以及出勤情况等进行管理。同时，系统也可以为教师和学生们提供出信息查询模块，通过这个模块，教师和学生就可以对班级的具体出勤情况以及每一名学生的出勤情况进行查询。

3 签到系统的建设与实现

3.1 人脸识别技术

人脸检测属于目标检测之中的一项应用，主要是根据人面部的眉毛、眼睛、鼻子、嘴巴、下巴等的特征来进行检测。在本次所设计的这个基于手机平台的高校快速签到系统之中，主要的人脸检测技术是DNN 技术，通过这一技术，可以将人脸划分为六十八个点，并根据这六十八个检测点不同的特征来实现人脸识别。在应用该技术进行具体的面部识别过程中，教师首先应该打开相关的手机APP，然后授予这个APP 打开手机摄像头的权限，这样就可以通过面部拍摄的形式来进行检测[4]。

本次设计中的核心技术是人脸识别，在人工智能和模式识别的普及的今天，人脸识别已然成为研究热点，它在各行各业中应用广泛。人脸识别方式非常友好，它是非接触式的身份认证技术，因此它拥有无可比拟的优势。然而人们也对它有着更多的要求，比如更快速的识别，更高的识别准确率以及可靠的稳定性，从而使得人脸识别在应用过程中依然面临更多外界干扰和挑战。

人脸识别由人脸检测、人脸跟踪、人脸对比三部分组成。首先在不同的场景和背景中进行人脸检测，根据信息检测点识别面部特征，并且提取面部信息特征。接下来采用不同的模型动态跟踪提取到的面部信息特征，模型可选取基于运动的或者多种模型相结合。最后将识别到的面部信息特征和数据库中现有的身份信息进行对比，确认其身份。

3.2 人脸识别验证

在通过了人脸的检测、跟踪与对比之后，最后的一步，也是最关键的一步就是人脸的识别验证。在本次所设计的基于手机平台的高校快速签到系统之中，教师可以通过相关的手机APP 来完成学生面部的检测、跟踪和对比，但是由于手机之中的运算资源比较有限，所以在具体的识别验证过程中，则需要借助于云端的服务器来进行。在本次所设计的这个系统之中，云端服务器应用的是以dlib 为基础的开源人脸识别库face recognition，并通过这个识别库来搭建起一个可用来进行人脸识别的环境，然后借助于face recognition 来实现dlit 的调用封装，其命令和接口都十分简单，这个识别的过程不仅十分可靠，而且操作也十分方便。经测试发现，应用该数据库进行人脸识别验证的准确率可以达到99.38%，由此可见，这是一项具有强大功能且简单易行的人脸识别验证数据库。将这个数据库应用到本次所研究的签到系统之中，就可以有效保障人脸识别的效率与准确性，提升系统的使用性能。

3.3 设计方案

在分析了目前的签到软件后，确定本系统的方案，如图1所示。

图1 系统方案

教师通过手机拍照上传完成签到，后台的管理系统实施相应的操作。在这个系统中，前端硬件部分只需要一部手机（联网、有高清摄像头），软件方面可选择的人脸识别算法较多，比如基于几何特征分析的算法、基于模型分析的算法等，各个算法各有千秋。检测出人脸后，对目标人脸进行跟踪，提取特征，与数据库中人脸进行对比，匹配完成后将统计的结果返回终端，显示在主界面上，并对缺席人员做单独突出显示，方便下一步操作。