計算機視覺課堂實時考勤系統(tǒng)設計
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摘要：本文基于計算機視覺技術設計了一種課堂實時考勤系統(tǒng)，首先根據(jù)MVC架構搭建系統(tǒng)整體結構，然后設計了基于深度學習的計算機視覺模型用于人臉檢測和識別，并建立了關系型數(shù)據(jù)庫模型，最后通過Web服務實現(xiàn)實時考勤功能。本系統(tǒng)有利于學校課堂教學管理，具有一定的發(fā)展前景。
關鍵詞：計算機視覺；課堂考勤；深度學習；MCV架構
前言
隨著國家標準《智慧校園總體框架》（Smartcampusoverallframework）的，智慧校園的規(guī)劃與設計成為了校園建設的重點項目[1]。而課堂考勤作為學校教學管理、學生評價的重要組成部分，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術、人工智能和移動通信技術的水平的提高與發(fā)展，更應該向著智能化、準確化的方向發(fā)展[2]。本文研究了的當前應用的課堂考勤方式，并做了進一步的分析，最終根據(jù)社會技術的革新與發(fā)展[3]，提出了一種基于計算機視覺的實時課堂考勤系統(tǒng)的設計。我們的主要工作是搭建了整個系統(tǒng)框架，包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、服務器、計算機視覺模型、網(wǎng)絡通信、圖像采集系統(tǒng)、客戶端和網(wǎng)絡通信系統(tǒng)。
1課堂考勤方式現(xiàn)狀
目前校園中主要的課堂考勤方式存在為兩種，分別是傳統(tǒng)的考勤方式和生物識別的考勤方式。如圖1所示，其中傳統(tǒng)的考勤方式包括點名考勤和通過校園卡進行考勤，點名考勤的方式仍然是高校中最常用的考勤手段，因它不受場地的限制，可以根據(jù)點名冊直接核對現(xiàn)場的學生信息，但這種方式存在的缺點就是花費時間，影響上課效率，為此有些教師不進行點名，因此影響了考勤的效果。校園卡考勤解決了點名占用課堂時間的問題，但這種方式具有學生代考勤的漏洞，因為學生可以拿著別人的校園卡進行考勤。生物識別的考勤方式包括指紋考勤和人臉識別考勤，這些方式有效解決了傳統(tǒng)考勤方式代考勤的弊端，但這種方式受設備硬件的影響，識別能力太慢，尤其是在下課后學生較多，考勤簽退時容易發(fā)生擁擠等現(xiàn)象，具有安全隱患[4]。因此，為解決當前考勤方式存在的一些弊端，本文設計了一種基于計算機視覺的實時課堂考勤系統(tǒng)。
2系統(tǒng)設計基礎
2.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境
本文設計的實時課堂考勤系統(tǒng)主要是使用Python開發(fā)語言，Python是目前最流行開發(fā)語言之一，主要應用于Web服務設計、大數(shù)據(jù)、人工智能等領域，它的主要優(yōu)點是開發(fā)效率高、可擴展性強、跨平臺和具有可移植性等，滿足了本文系統(tǒng)的設計要求。另外，在開發(fā)過程還用到了基于Python的第三方軟件開發(fā)包，包括Flask用于搭建系統(tǒng)的Web服務器；PyQt5用于搭建系統(tǒng)的客戶端；OpenCV用于系統(tǒng)中對圖像視頻的處理；Tensoflow用于開發(fā)計算機視覺模型，搭建深度學習模型，完成人臉檢測和識別任務；Mysqlclient用于管理、訪問、查詢和更新Mysql數(shù)據(jù)庫。
2.2系統(tǒng)開發(fā)框架
本文設計的實時課堂考勤系統(tǒng)通信基于Web應用，因此選擇一個合適的服務架構有利于提高系統(tǒng)的開發(fā)和部署效率。目前較流行的Web應用主要有MVC（ModelViewController）和CMS（ContentManagementSystem）兩種架構。本文使用了基于Python和Flask搭建的MVC架構[5]，該架構如圖2所示，主要包括模型層、視圖層和控制器。使用該框架的優(yōu)點是可將視圖層和業(yè)務邏輯層進行分離開發(fā)，提高開發(fā)效率，方便系統(tǒng)的部署、維護和管理。
3系統(tǒng)設計方式
3.1系統(tǒng)總結構設計
本文設計的實時課堂考勤系統(tǒng)的總體結構如圖3所示。根據(jù)MVC構架的設計，我們將該系統(tǒng)分為了模型層、控制器層和視圖層，另外還包括網(wǎng)絡通信設備。
3.2模型層設計
模型層主要是關系型數(shù)據(jù)庫模，MySQL是目前使用最多的關系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，也是學校管理系統(tǒng)使用最多的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，為了更好地與學校管理系統(tǒng)兼容，我們選擇了MySQL數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)表之間的關系如圖4所示。
3.3控制器層設計
控制器層主要包括服務器應用軟件和計算機視覺模型，服務器應用軟件的功能包括系統(tǒng)通信配置、數(shù)據(jù)業(yè)務處理和系統(tǒng)各模塊間的調度。計算機視覺模型是實時課堂考勤系統(tǒng)的核心模塊，基于深度學習卷積神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)[6]，主要作用是進行人臉檢測和識別兩個部分，計算機視覺模型的工作流程如圖5所示。在人臉檢測階段使用VGG16檢測器作為主干網(wǎng)絡，為提高模型的檢測準確率，通過引入注意力模型和多尺度特征融合對網(wǎng)絡進行了優(yōu)化，有效地從輸入圖片中提取人臉位置信息，得到人臉圖像。在人臉識別階段首先使用FaceNe人臉識別網(wǎng)絡提取人臉圖像的特征圖，然后通過決策樹算法與待檢測的人臉特征進行匹配，從而識別圖片中的學生信息。
3.4視圖層設計
本文設計的實時考勤系統(tǒng)的模型層主要包括圖像采集系統(tǒng)和客戶端。目前各學校教室內(nèi)都安裝有監(jiān)控設備，因此為節(jié)約成本和安裝消耗，圖像采集系統(tǒng)使用教室內(nèi)的監(jiān)控設備作為圖像采集系統(tǒng)，負責采集教室現(xiàn)場圖片?？蛻舳嗽O計首先在本系統(tǒng)中采用應用程序接口，然后在教學管理系統(tǒng)中設計圖形化用戶界面，通過應用程序接口調用本系統(tǒng)的功能，從而減少資源浪費，方便維護和管理。
4實時考勤功能的實現(xiàn)
實時考勤功能的實現(xiàn)方式如圖6所示，首先系統(tǒng)啟動后，用戶可以隨時更新考勤信息，比如在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建新的考勤表等。接著系統(tǒng)會自動讀取考勤表的信息，比如課程所在教室、上課時間。然后啟動考勤程序，進行簽到、簽退操作，并將考勤數(shù)據(jù)保存到考勤數(shù)據(jù)表中。整個系統(tǒng)啟動完成后可以自動運行，直到關閉系統(tǒng)，而且可以實時進行課堂考勤。
5結語
本文設計了一種基于計算機視覺的課堂實時考勤系統(tǒng)，可以有效地解決當前考勤方式影響上課效率、容易出現(xiàn)舞弊等缺點，滿足課堂考勤智能化、自動化的要求。未來工作我們將在現(xiàn)在系統(tǒng)的基礎上，進一步通過計算機視覺技術，檢測學生上課時的不規(guī)范行為，并納入教學管理和學生評價體系，促進智慧校園建設。
參考文獻
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[2]周克輝,羅瑋,陳泰峰.高校學生考勤管理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和需求分析研究[J].電子測試,2019(22):53-55.
[3]鄭銀環(huán).智慧課堂學生考勤管理研究與設計[J].現(xiàn)代信息科技,2019,3(09):1-4+7
[4]張正旺.基于人臉識別的課堂自動考勤系統(tǒng)[J].科技視界,2019(27):17-18.
[5]牛作東,李捍東.基于Python與flask工具搭建可高效開發(fā)的實用型MVC框架[J].計算機應用與軟件,2019,36(07):21-25.
[6]李倩玉,蔣建國,齊美彬.基于改進深層網(wǎng)絡的人臉識別算法[J].電子學報,2017,45(03):619-625.
作者：牛作東 李捍東 單位：貴州大學電氣工程學院
