基于人脸识别的集中式校园晨跑系统设计与实现

王超

摘要：在智慧校园建设中，人脸识别技术不仅能提升用户体验，还能提高管理效率。晨跑方案制定和技术选型因各校环境不同而有所差异，刷卡、指纹或App方案各有优缺点不适用于所有场景。文章提出的人脸识别晨跑方案，解决了集中时段、固定路线、有志愿者监管的大规模晨跑模式的痛点，提升了用户体验，有效防止代跑，降低了管理成本，实现了高效晨跑打卡。

关键词：晨跑；人脸识别；系统设计

中图分类号：TP319  文献标志码：A

0 引言

一日之计在于晨，早起自律，晨跑健体，许多高校组织晨跑活动以提高学生身体素质，培养运动习惯，激活学生学习状态，开启富有活力积极向上的一天。为了监督学生晨跑，晨跑成绩被计入体育成绩，成为考核的一部分，影响评优评先。所以，在设计晨跑系统时，既要提升用户体验，又要便于管理，更要保证成绩的公平性，高效晨跑系统设计是一个值得研究的方向。

根据作者多年的观察和实践可知：晨跑的开展需要借助信息化手段。通常记录跑步次数的方式有刷卡［1］、指纹、App［2］、刷脸［3］等。（1）刷卡打卡方式方便灵活，其缺点是代刷代跑且卡片复制难以监管。随着聚合支付和人脸识别的普及，校园卡使用场景越来越少，丢卡补卡给晨跑带来诸多不便，急需免卡晨跑方式。（2）指纹打卡方式的录入成本高，需要专门组织学生录入，在背光时指纹识别不灵敏，更存在无指纹或指纹不明显的特例，其体验感不佳。（3）App打卡方式灵活便捷，但需要额外下载手机软件，存在软件和设备的兼容、定位不准等问题，开发维护成本较高，且看手机跑步存在一定安全隐患。（4）传统的面板机刷脸打卡方式识别率高，能够实时获取刷脸状态，但因场地问题难以规模部署，通过速度较慢。

高校因校区环境地形和布局等差异，逐渐形成了适合自己的晨跑模式，大约可以分为两类：（1）多点位、多路线的灵活晨跑。（2）固定路线的集中式晨跑。学生晨跑的行动路线通常是宿舍-晨跑起点-晨跑终点-食堂-教室。如果宿舍区和教学区都不集中，选择灵活晨跑方式最便捷，由学生自行安排晨跑路线，灵活晨跑往往通过App打卡。本文提出的人脸识别改进方案，配合高性能抓拍机可以对移动的行人进行批量识别，解决识别慢、误识别和识别提醒难等问题，完美匹配集中时段、固定路线、有志愿者监管的高效晨跑模式，提升用户体验，降低管理成本，真正做到智慧晨跑。

1 设计

本节基于集中时段、固定路线、有志愿者监管的晨跑模式并结合人脸识别技术，对晨跑系统进行设计，设计时结合多方因素，以百分百识别和快速通过为核心目标。下面将具体从架构和软件模块对晨跑系统进行详细介绍。

1.1 架构设计

集中时段、固定路线意味着学生集中参与晨跑，人流量较大，需要保证学生快速通过避免人员拥堵。随着人脸识别技术的不断发展，一对多识别的速度和准确率已经达到商用水平，完全适用于晨跑场景。笔者围绕一对多识别技术提出的校园晨跑系统可以分为硬件和软件两部分。

1.1.1 硬件

硬件部分主要是识别设备，负责图像采集与识别，包括一对多识别的抓拍机、一对一识别的面板机。常见的人脸识别设备多用于校门、宿舍、支付，都是单人识别，在使用高峰期往往需要排队，增加设备数量可以解决排队问题，但由于场地和成本限制，大量部署并不现实，且在使用低谷期会造成设备闲置。为了解决快速识别的问题，引入一对多识别抓拍机，不仅可以在一帧画面上识别多人，还可以在跑动中进行抓拍识别。为了更好地识别，抓拍机的数量、位置、角度、参数等需要在正式使用前充分测试。为了更好地疏导学生，需要在抓拍机后布置面板机进行补充识别，让未收到成功打卡推送的学生到面板机处打卡。

识别设备有两种工作模式：一是前端识别。照片存储在前端，前端抓取到人像信息后直接在本地进行人脸对比。其优点是去中心化，对网络要求低；缺点是对前端设备的要求较高。二是后端识别。照片存储在后端服务器，后端接收前端视频流或前端分割好的人像图片，在后端进行人脸对比。其优点是前端成本较低；缺点是需要额外的处理服务器，对网络要求高。实际使用过程中，后端识别虽然系统完善，使用方便，但受网络和后端处理服务器性能的限制会影响识别速度和设备扩充，不利于二次开发。在设备使用5G时，还需要考虑流量成本，所以前者是较为友好的方案。抓拍机人脸识别最大的难点是消息推送，面板机提供了一个屏幕可以展示识别情况，但抓拍机不带屏幕。为了解决识别提醒的问题：一是另外安装大屏幕将识别结果实时展示出来，在户外场景中成本较高。二是使用消息推送手段推送至手机，可选短信推送或校级移动端消息推送。

1.1.2 软件

软件部分包括：设备管理模块、人脸采集模块、人脸识别模块、学生模块和晨跑管理模块。其中，人脸识别部分涉及深度学习算法自研成本较高，建议使用硬件配套的算法，其余模块可以自主开发。

1.2 模块设计

1.2.1 设备管理

设备管理模块管理所有前端识别设备。通过设备管理模块可以消除设备的品牌、型号、软件版本等不同导致的功能和接口差异，开发出设备对接、设备分组、人脸同步、图像预览、参数设置等基本功能，像操作一台设备一样操作所有设备。人脸图像同步时，只要人脸在某个设备上不能正常地进行特征提取，则该人脸上传都不应标记成功。

1.2.2 人脸采集

人脸采集模块包括人脸数据的初始化和更新，人脸初始化通常使用新生入学证件照，然后提供图片更新入口。采集图片时应申明采集须知，明确使用范围，明确照片的格式要求。更新图片时需要经过相关责任人的审核，以防随意上传他人照片，扰乱晨跑秩序。许多高校已经建设了门禁系统，晨跑系统的人脸采集可以依托于现有系统，统一采集入口，减少重复工作。

1.2.3 人脸识别

人脸识别模块接收或轮询前端识别设备的识别结果，存入数据库的同时向学生手机端推送。学生确认识别成功后开始晨跑，若识别不成功，至面板机进行补充识别，结束后考慮更新照片。

1.2.4 学生模块

学生在该模块查询打卡详情、有效次数、奖惩记录、晨跑日历、设置免打扰、更新图片、查看帮助文档等。打卡详情详细展示、学生打卡的时间地点，根据晨跑规则进行有效次数计算，累加奖惩记录展示总有效次数。晨跑日历不仅用于提醒当日是否晨跑，还进行有效次数的计算。误识别的打卡提醒会给一部分不参加晨跑学生造成困扰，所以有必要设置消息免打扰的开关。有时面板机能识别而抓拍机不能识别的，需要引导学生进行照片更新。最后提供帮助文档，说明进群方式或者内嵌客服系统进行问题收集和反馈。

1.2.5 晨跑管理

晨跑管理模块对管理员开放，可以对一些关键参数进行设置，特殊情况不能晨跑或参加晨跑减免活动的，不仅可以在奖惩页面单次或批量添加，还可以设置晨跑日历，导出全体学生的有效晨跑次数，结合晨跑规则在关键时间节点群发次数预警提醒等。

2 实现

在设计晨跑路线时，结合学生宿舍、食堂、教室位置，综合考虑合理规划动线，然后确定抓拍机与面板机数量和点位布置，进行如下准备工作。

2.1 前端识别设备

选择稳定可靠的一对多识别能力的前端识别设备，推荐选择能自动对焦的设备降低维护难度，设备的图片容量应能够容纳所有晨跑学生并留有余量，确定适合的高度和角度。实践中，一个普通1080 p抓拍机基本覆盖半幅路面，满足3 000人半小时通行的规模，间隔15 m多个抓拍机接力识别可以适当疏导人流。

点位优先选择具有天然通道型的场景，人脸在画面中以正脸为主。若只能布置在道路两侧，则需要调试抓拍机的高度和角度，引导学生经过时注视摄像头。点位应避开路口，避免出现各种角度的行走方向。

2.2 软件功能实现

晨跑系统使用React进行前端交互，使用Java进行后端逻辑处理，使用PostgreSQL进行数据存储。下面将针对各个模块进行说明。

完成设备管理模块，首先需要整理各类设备的接口文档，封装统一的设备管理接口，设计统一的状态码、错误码和说明信息等。管理员可以添加、删除和修改晨跑设备信息，如设备编号、设备位置、设备状态等。设备位置分校区、路线编号和起终点，设备状态分正常、故障和掉线等，能够在统一的界面实时预览画面，能够及时进行调整。图片上传时，应校验在不同类型设备上是否都能正常特征提取，为了提高效率，也可以只选取一种最严格的设备来验证特征提取，使得在其他设备可以正常上传。

人脸采集模块分两种情况，如果学校已有人脸采集开放平台的，可以直接使用平台提供的数据进行录入，录入结果展示在学生模块中。自建人脸采集平台的，由学生阅读并确认相关说明后，调用手机摄像头拍摄纯色背景、无美颜素颜照，再调用设备管理模块的图片录入接口。录入成功的，需存储图片信息包含学号、原图、缩略图、特征值等字段。涉及图片更新时，由學生发起申请再由辅导员或班主任登陆晨跑管理审核通过。此外，还需要对接人员基本信息包含学号、姓名、性别、辅导员或班主任等字段，检测到人员变更时应对照片信息进行相应的处置。

人脸识别模块只含后端服务，监听人脸识别结果推送或轮询抓取，推送或抓取的记录至少包含设备代码、识别时间、识别学号等字段，然后存入数据库，通过校级移动端平台进行实时推送。

学生模块页面加载时调用后端接口展示数据，有效次数使用实际打卡记录结合奖惩记录数据，采用实时计算的方式，如有故障可以随时通过修改数据库进行调整。计算有效次数的核心逻辑是四层循环，第一层遍历晨跑日历表，第二层根据时间查找当天的所有记录，第三、四层判断当天的识别记录是否计入有效晨跑。学生可以在此页面查询本学期和固化的往期记录，可与学生体育成绩系统打通。学生模块是直接面向用户的，视觉上尽可能美化设计，提升用户使用体验。

晨跑管理模块服务于管理员查询某个学生的晨跑记录、操作奖惩记录、导出成绩、设置晨跑日历、设置系统关键参数。管理页面多设计批量导入、批量下载等实用功能。

最后，系统中存储着一些敏感数据，体育成绩非常严肃，应做好服务器的登陆限制、账号密码复杂度、接口权限校验、代码漏洞检查等保证系统安全和信息安全。

2.3 管理与维护

晨跑的管理与维护也十分重要，集中式晨跑需要现场维持秩序，防止打印照片代刷、抄近道、骑车等违规行为，也要保障学生的安全，如组织汽车通行和帮助身体状况不适的学生。定期对软硬件进行检查，接入监控报警功能，保证正常运转。

3 结语

本文基于集中时段、固定路线、有志愿者监管的晨跑模式，设计了管理便捷、用户体验优秀的晨跑人脸识别系统。充分利用了人脸识别的优势，有效防止代跑，降低管理成本，实现高效晨跑打卡。本系统经过充分论证，经历试运行检验，能为其他高校设计晨跑提供参考借鉴。

参考文献

［1］严宇倞.一种校园卡考勤签到系统的设计［J］.中国市场，2016（50）：224-225.

［2］曹伟，葛小三.基于移动终端的高校晨跑打卡系统设计与开发［J］.测绘与空间地理信息，2022（6）：158-159，163.

［3］施雯斐.人脸识别在高校学生校园轨迹回溯中的应用［J］.黑龙江科学，2020（20）：29-31.

（编辑 姚 鑫）

Design and implementation of centralized campus morning running system based on face recognition

Wang  Chao1，2

（1.Information Construction and Management Office， Nanjing University of Posts and Telecommunications，

Nanjing 210023， China; 2.Smart campus Research center， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210023， China）

Abstract： In the construction of smart campuses， facial recognition technology can not only improve user experience but also improve management efficiency. The development of morning running plans and technical selection may vary depending on the environment of each school， and the card swiping， fingerprint， or App plans have their own advantages and disadvantages and are not Applicable to all scenarios. The facial recognition morning running solution proposed in the article solves the pain points of large-scale morning running modes with centralized time periods， fixed routes， and volunteer supervision， improves user experience， effectively prevents proxy running， reduces management costs， and achieves efficient morning running check-in.

Key words： morning running; face recognition; system design