基于人脸识别技术的考勤管理分析系统开发研究

张静

（长春职业技术学院，吉林 长春 130033）

1 引言

近十年，社会经历着从信息化时代向智能化时代转变，人工智能技术以爆炸式的发展速度应用到人们的工作、学习、生活中，带动了新一轮信息化改革。作为人工智能的典型技术，人脸识别技术以速度快、效率高、准确度高而被广泛应用在信息化系统中，使原有的信息化系统具备了智慧识别能力，提升软件应用的使用效率，带给人们更好的使用体验。

基于人脸识别技术的考勤管理分析系统就是应用人脸识别技术，通过无感知多摄像头的综合布点，结合可交互式智能电子显示屏，可编程电磁锁，实现智能化交互与显示、课堂出勤率的实时统计与分析[1]。

2 系统需求

2.1 使用人脸识别技术提升课堂的签到效率

传统的百人课堂，需要至少5分钟才能完成出勤统计，需要耗费较大的精力；而人脸识别技术的应用，能够有效提高课堂的签到效率，在使用便利、提高效率、准确度的同时，提升使用感受。

2.2 课堂出勤数据自动记录，实现主动管理

课堂出勤管理需要提升数据记录效率，自动记录学生的出勤信息，实现数据的分析。及时发现高缺席频率学生，能够向教师、学生自动反馈出勤情况，缩短教学管理反应周期，实现主动管理。

2.3 与原有教务系统对接，实现课堂教师、学生、课程数据共享

需要在原有教务系统中提取教师、学生、课程表的信息，作为考勤系统的数据源，完整地收集教学过程管理数据，并提供分析指引，辅助决策及管理。

2.4 课堂信息管理、展示平台

教学管理者在巡课过程中需要及时获取课堂信息，及时发现问题解决问题。教师、学生也时常有课程信息查询的要求。需要一套信息查询工具，及时获取课堂科目、教师、学生出勤等信息。

2.5 自动门禁管理

教室、实验室安排专人开门，教师上课、串课、监考前要协调开门，浪费人力资源的同时，时常出现人到门未开的情况，影响教学及考试。教学场所需要自动门禁管理，可以通过信息化开锁系统，在系统内预存程序，调取课程表信息，自主设置开锁用户权限、时间，进行刷卡或人脸识别开锁，节省人力资源和管理成本。

3 系统工作原理与流程

系统工作原理与流程如图1所示。

图1 系统原理与流程框图

3.1 人脸识别身份认证

人脸识别是基于人的脸部特征信息进行身份识别的一种生物识别技术。[2]被识别人员（学生、教师）在进入、走出摄像头范围时，被摄像头拍摄图像，经过图像采集与分离技术的图像分割、采样操作，进行人脸捕捉，调用对比引擎与教务系统提供的应到课人像数据库的人像数据进行对比，得到对比结果，识别人员身份，输出人员信息[3]。

3.2 可编程电磁锁开锁控制

门锁控制子系统控制可编程电磁锁的开锁操作。通过智慧班牌上的摄像头进行人员身份的识别，取得人员信息；通过教务系统提取可使用教室人员的信息；两者对比，结果相同，则打开电磁锁。

3.3 电子班牌显示区

在教室门口的电子班牌上，通过教务系统的数据提取，获得授课信息（包括当前课程名称，课程内容，授课进度等）、任课教师信息（包括照片、简介等）；通过人脸识别身份认证获取当前到课的学生信息（包括学生班级，应出席人数），方便教学管理人员检查巡视。

3.4 结果通知区

教室前的电子白板和手机客户端程序（或微信小程序）是结果通知区。电子白板显示当前人脸识别确认身份的学生情况。供学生观察自己到课状态；供授课教师了解实时到课情况。

当实施场景中没有电子白板或显示屏时，可使用手机客户端程序（或微信小程序），接收学生签到信息，授课教师获得实时到课情况。

3.5 数据报表

后台系统对到课情况数据形成分析结果与报表，供管理部门提取使用；返回教务管理系统记录数据，显示报表；课堂出勤分析还可与院校教学质量监控系统对接，提供数据参考。

4 系统设计

4.1 硬件设计

利用安卓系统可交互式智慧班牌、可编程电磁锁、可编程变焦式人像采集云台摄像头、中央电子白板等硬件设备，结合集成化系统管理与数据分析软件平台，实现多媒体显示、无打扰教学巡视、教室人像门禁控制、课堂智能化人像签到、课堂上课状态采集与实时分析等多种功能。

图2 系统硬件部署示意图

4.1.1 交互式智慧班牌

集成人像采集摄像头的交互式智慧班牌安放于学校教室门前。与教务系统同步，显示当前教室的基本信息、授课教师信息、教室内学生到课情况、课程表。教务管理人员可在班牌上实现身份认证，观看教室内授课画面。

图3 交互式智慧班牌效果图

4.1.2 可编程电磁锁

可编程电磁锁与智慧班牌联动，通过人脸识别技术进行身份识别，与获取的后台权限信息验证，验证通过产生联动，实现人像识别开门操作。

电磁锁采用通电开锁模式，1台终端机控制1把锁。

图4 通电开锁模式的接法示意图

4.1.3 可编程变焦式人像采集云台摄像头

可编程变焦式人像采集云台摄像头部署在学校教室前方中心位置，进行人像采集，并通过人脸扫描功能模块进行联动控制，操作摄像头旋转、变焦、扫描等动作，对进场人员影像进行采集，并将视频流传送给后台管理程序。

4.1.4 中央电子白板显示器

当前到课实时情况在中央电子白板显示器上显示。发现自己未被记录可以再次进入扫描区域扫描。

4.2 软件功能设计

软件功能结构图如图5所示。

图5 软件功能结构图

4.2.1 系统管理程序

可对交互式智慧班牌系统进行统一管理，包括设备注册、摄像头注册、位置信息管理、IP地址管理、显示单元管理等。

可对可编程变焦式人像采集云台摄像头进行统一管理，包括摄像头注册、位置信息管理、采集区域管理、扫描频率管理、变焦管理等。

在不与教务系统对接的情况下，可单独管理课程表信息、学生信息及授课教师信息。

4.2.2 人脸识别与出勤统计子系统

上课前，接收摄像头传送的视频流，进行人像比对，记录人员的进入信息、时间，统计到课人数，并将结果传送给智慧班牌及中央电子白板大屏幕控制系统，进行显示，同时传送给教务系统和app客户端。

开始上课时，不间断获取学生影像数据。通过算法计算出学生的上课情绪，分析学习状态数据，形成分析结果与报表，供教学管理部门提取使用。课堂出勤分析还可与院校教学质量监控系统对接，提供数据参考。

4.2.3 交互式智慧班牌显示子系统

在学校教室、实验室、机房或办公区会议室门前安放基于安卓系统的固定的可交互式电子显示屏。开发与当前学校的教务管理系统、会议室预约系统通信的显示子系统，实现相关信息的显示功能，具体如下：

在教室门口的互动式电子显示屏上可显示当前教室的基本信息（门牌号、座位数量等）、授课信息（当前课程名称、课程内容、授课进度等）、任课教师信息（教师基本信息、简介等）、当前应到课的学生信息（学生班级，应出席人数），通过与人像识别系统和统计分析系统交互，显示当前教室实际到课人数，已到及未到人员信息等。显示屏还可根据需要显示一些通知信息，如生活信息、屏幕广告等内容。

以上显示内容可与当前学校的教务管理系统通信，通过教务管理系统获取课程、教师及学生信息（需教务系统提供接口程序）等。

4.2.4 人脸验证自动开锁子系统

教室、实训室、考场管理人员通过在教室门口的探头扫描，进行人脸识别认证自动开锁。其中教室、实训室、考场管理人员信息通过与当前学校的教务管理系统接口读取证件照片、教师课程信息、教室、实训室考场使用信息等数据进行身份验证，确认权限，自动打开门锁。

4.2.5 电子白板或手机客户端（结果通知区）子系统

电子白板用来显示当前到课实时情况，供上课者了解到课状态是否被记录（进入人像是否被识别、比对成功）。授课教师了解实时到课情况，并作出相应操作。也可以使用手机客户端程序（或微信小程序），上课者接收自己的签到（离开）信息，授课教师通过APP或小程序获得实时到课情况。

4.2.6 数据分析与报表子系统与教学质量监控子系统

教学评估面向管理者，提供全面、实时、精要、直观的分析视图和课堂动态督导信息，可量化、易感知、实时精准地了解课堂教学的运行情况，通过智慧课堂教学活动沉淀的教学数据，即时全面了解教学质量情况。

4.2.7 智能教室APP客户端

学生在人脸识别失败的情况下使用手机APP签到，接收自己的签到信息。授课教师通过APP或小程序获得实时到课情况、学习状态数据以及学生的分析数据图表。

5 代码开发

为了解耦和提高代码复用，本系统采用三层架构与MVC结合的模式实现系统开发。

架构分层为：业务逻辑层（BLL）（service层）、数据访问层（DAL）（dao层）、实体类库（Model）。

下面以教室管理为例进行代码开发的说明。

5.1 实体类库（Model）

实体类库又称为Entity实体类。用一个专门的类来抽象出数据表的结构，类的属性就是表的属性。Model实体类库层需要被DAL层、BLL层和UI层引用。

以下为教室管理的ClassRoom类（教室类）的部分代码：

5.2 数据访问层（DAL）

数据访问层主要是存放对数据类的访问，即对数据库的添加、删除、修改、更新等基本操作。数据访问层根据业务需求，构造SQL语句，构造参数，调用帮助类，获取结果。DAL层被BLL层调用。

以下为ClassRoomMapper接口代码：

5.3 业务逻辑层（BLL）

业务逻辑层好比是桥梁，将UI表示层与DAL数据访问层之间联系起来，处理涉及业务逻辑相关的问题，比如在调用访问数据库之前，先处理数据、判断数据。BLL层只被UI层引用。

以下为ClassRoomService类代码：

6 结语

本文设计实现了基于人脸识别技术的考勤管理分析系统，实现自动无感知课堂考勤，识别速度快准确率高，节约课堂点名时间，可与教务系统实时同步数据。

系统的硬件设备由安装在教室内摄像头、显示大屏、教室外智慧班牌以及后台服务器组成。摄像头用来采集学生进入教室时的影像，实现签到，签到的结果实时更新到显示大屏。可视化的智慧班牌用以展示各个班级的考勤信息、授课信息、精品课程、德育宣传、班级荣誉、考场信息、校园通知、班级风采等信息。点击触摸屏，可以查看出勤的相关统计信息，也可以调取教室内的实时影像，实现教学管理人员无干扰查课。