論人臉識別在高校智慧校園管理中應(yīng)用
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摘要：本文以某高校（以下簡稱某校）為例，針對目前高校的智能化管理需求，利用當(dāng)前先進成熟的人臉識別技術(shù)整合某校現(xiàn)有的信息資源對圖書館、學(xué)生公寓等正在推行一套人臉智能化的整體建設(shè)系統(tǒng)，推動某校由數(shù)字校園向智慧校園的轉(zhuǎn)型。該系統(tǒng)主要用于人臉考勤、身份認證、閘機通行、圖書借閱及校園安防等方面。實踐表明，人臉識別技術(shù)使得師生生活、學(xué)習(xí)更加安全、便捷和高效。人臉識別在助力某校管理工作過程中確有成效，但是，其在實際落地應(yīng)用場景中還存在諸多問題，需要進一步對技術(shù)進行優(yōu)化和改進。
關(guān)鍵詞：人臉識別；智慧校園；高校管理；優(yōu)化
1引言
近幾年，在快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)及人工智能（AI）等信息技術(shù)的推動下，促進了計算機視覺領(lǐng)域的日益成熟[1]。其中，由于人臉識別具有唯一性、非接觸性、可擴展性，而且識別速度快、驗證準(zhǔn)確率高，具有良好的用戶體驗等特點。因此，這項技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于安防、公安、金融、醫(yī)學(xué)、教育等領(lǐng)域。由于高校生源規(guī)模不斷擴大，人員背景復(fù)雜及校園社會化功能繁多，迫切需要高效便捷且人性化的管理模式來提高管理效率。高校利用大數(shù)據(jù)和人臉識別技術(shù)實現(xiàn)對校內(nèi)人員的行為數(shù)據(jù)分析和建模，為學(xué)校對學(xué)生的安全管理、教學(xué)分析等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。人臉識別技術(shù)覆蓋校園，能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)、高效協(xié)同的智能應(yīng)用。
智慧校園是指以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)、云計算等技術(shù)，對教學(xué)科研、校園生活和管理的數(shù)據(jù)進行采集和分析處理，為管理者和教職工提供高效智能的數(shù)據(jù)支撐、教學(xué)和學(xué)習(xí)一體化的服務(wù)環(huán)境。使校園網(wǎng)成為師生生活和學(xué)習(xí)的交互平臺，可以通過信息的大數(shù)據(jù)分析，從而實現(xiàn)信息互聯(lián)互通的全程閉環(huán)管理模式。
2.1系統(tǒng)業(yè)務(wù)整體設(shè)計
本次建設(shè)結(jié)合某校實際情況將人臉庫與學(xué)校現(xiàn)有的各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)間相互融合，人臉識別系統(tǒng)通過前端部署的人臉抓拍攝像機，將實時采集的人臉數(shù)據(jù)通過專用網(wǎng)絡(luò)上傳到后端部署的人臉識別管理服務(wù)器，同時，對接需要關(guān)注的特定人員底庫，進行特定人員的動態(tài)比對，分析報警應(yīng)用。第三方系統(tǒng)對接即與其他應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)API接口互通，以構(gòu)建更強大的系統(tǒng)應(yīng)用平臺，實現(xiàn)更多的功能應(yīng)用。
2.2人臉識別系統(tǒng)與安全
2.2.1人臉識別系統(tǒng)
人臉識別系統(tǒng)主要由人臉采集及預(yù)處理、人臉檢測及特征提取、人臉識別等構(gòu)成。其中，人臉檢測包括靜態(tài)和動態(tài)的過程，是前端檢測系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測人臉的位置信息及提取人臉關(guān)鍵點的特征，然后數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收前端系統(tǒng)提取的人臉特征與人臉庫進行識別比對并將結(jié)果反饋給前端系統(tǒng)。人臉識別表現(xiàn)為特征信息比對，設(shè)置特征相似度閾值，確定比對結(jié)果。其中的識別比對計算是提高人臉識別速度與精度的關(guān)鍵。目前，人臉檢測和人臉識別的技術(shù)的主流方法都是基于深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法[2-3]，具有高精度人臉識別效能，秒級反應(yīng)速度。而且，人臉特征提取在保證算法效果的前提下，可以將模型及運算優(yōu)化到終端，實現(xiàn)人臉在終端就能夠進行智能化比對。人臉庫系統(tǒng)支持多種方式采集并進行身份認證驗證，通過審核后方可錄入校人臉庫，并用于人員信息庫管理即基本數(shù)據(jù)源（人臉庫）的建設(shè)。
2.2.2人臉識別技術(shù)信息安全
與“人臉”相關(guān)的生物信息安全問題近期被大眾所質(zhì)疑，有相關(guān)的統(tǒng)計及調(diào)研數(shù)據(jù)也給這項逐步成熟的技術(shù)帶來了一些的負面效應(yīng)。人臉識別系統(tǒng)的產(chǎn)品安全性及人臉信息的采集、存儲、傳輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)都要加強信息安全技術(shù)支持，信息安全是人臉識別系統(tǒng)建設(shè)中著重要考慮的問題。在產(chǎn)品安全策略方面，系統(tǒng)采用基于雙目近紅外人臉識別和RGB攝像頭的活體檢測算法，防止冒用照片、視頻及3D合成人臉等，并采用高精度人臉識別比對引擎提高人臉識別能力。在人臉識別應(yīng)用場景中，為了保護用戶的隱私和人臉數(shù)據(jù)的安全，平臺通過人臉脫敏算法將原始的RGB圖像經(jīng)過人臉檢測和區(qū)域特征提取并建模加密為人臉特征值，以及經(jīng)過多次信號處理和非線性處理輸出圖片信息，這個過程是不可逆的，提高了人臉數(shù)據(jù)使用效率和數(shù)據(jù)安全，最大限度保護了信息存儲的安全性。系統(tǒng)是由多個單元組成的，各單元需要用戶認證才可以進入。權(quán)限設(shè)置采用多層次，高加密技術(shù)，以求保證系統(tǒng)各單元安全運行。面對使用人臉識別技術(shù)的背后帶來的諸多信息安全問題，在使用過程中可以通過一些方式提高我們的信息安全防控，有效地規(guī)避風(fēng)險，維護數(shù)據(jù)使用安全，做好防范措施繼續(xù)前行。從而實現(xiàn)從“一卡通”過渡到“一臉通”的轉(zhuǎn)型，只有這樣才能使人臉識別技術(shù)有可持續(xù)發(fā)展的根本，簡化原本煩瑣的管理程序，使校園管理工作更加安全和高效。
3人臉識別在某校管理中的應(yīng)用
人臉識別技術(shù)已經(jīng)在智慧校園管理系統(tǒng)中承擔(dān)了非常重要的角色，以此技術(shù)為紐帶，鏈接整合了全校各個部門各種的數(shù)字信息資源，已經(jīng)在學(xué)校管理中起到了愈來愈重要的作用。當(dāng)前其主要應(yīng)用如下所述。
3.1門禁或考勤管理
將人臉識別用于圖書館、學(xué)生公寓等門禁管理系統(tǒng)能有效區(qū)分有權(quán)限的師生身份，防止校外人員進入學(xué)生公寓或校內(nèi)人員進入權(quán)限范圍外的區(qū)域，對異常情況給予及時的預(yù)警處理。同時，閘機具有刷臉+刷卡（備用）識別功能，閘機使用擺閘，在緊急情況下可強行通過，在斷電后，會自動打開擺門。并且在宿舍管理值班室安裝了一鍵開關(guān)按鈕，避免了消防隱患。對維護學(xué)生的人身及財產(chǎn)安全提供了更多的保障。同時能對人員進出進行監(jiān)管或考勤管理，能夠完整地、準(zhǔn)確地記錄師生的出入動態(tài)。
3.2學(xué)生公寓管理
系統(tǒng)完成與數(shù)據(jù)中心庫和宿舍管理系統(tǒng)的對接，實現(xiàn)宿舍的自動同步入住信息、調(diào)宿（包括對調(diào)）、退宿等功能，同時，通道配置了反潛回功能（即“進出”成對）。系統(tǒng)支持查詢記錄（考勤記錄、連續(xù)多日異常、多次晚歸、實時歸寢狀態(tài)、異常行為核查、獨居寢室查詢等）及記錄數(shù)據(jù)的導(dǎo)出功能，對異常行為（尾隨、翻越、逆向闖入、陌生人等）報警上傳到平臺并聯(lián)動相機進行抓拍，并在大屏上展示抓拍的照片。能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生的出入考勤信息與報表實時推送，支持分級分層數(shù)據(jù)分類，為公寓管理及后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供有力的數(shù)據(jù)支撐。宿舍管理客戶端可以實時視頻預(yù)覽進出宿舍情況，包括出入口監(jiān)控畫面、多日異常情況警告和異常行為核查錄像等。移動端App能及時向?qū)W工處、輔導(dǎo)員等相關(guān)工作人員推送歸寢信息，從而實現(xiàn)高效且精準(zhǔn)的宿舍歸寢管理。
3.3圖書館管理
圖書館系統(tǒng)不僅可以刷臉門禁通行，還可以實現(xiàn)刷臉自助借還書、電子閱覽室刷臉消費、培訓(xùn)室人臉考勤、信息（脫敏處理的刷臉數(shù)據(jù)）等。圖書館作為師生教學(xué)資源的重要場所之一，有效地統(tǒng)計各學(xué)科學(xué)生的在館停留時間，加強圖書館的進出管理，從而準(zhǔn)確真實地統(tǒng)計師生出入館的數(shù)據(jù)，為學(xué)校的教學(xué)分析提供數(shù)據(jù)支撐。在培訓(xùn)室的考勤點布置人臉考勤設(shè)備，檢查是否按時參加會議和活動，極大地提升了圖書館的業(yè)務(wù)管理水平。圖書館的借書系統(tǒng)以及電子閱覽室消費系統(tǒng)的人證合一的刷臉模式，帶給師生良好的體驗感。
3.4校園安全防控管理
在校園內(nèi)主要通道的重點區(qū)域部署人臉識別及車輛動態(tài)布控點位，實現(xiàn)通行人員人臉圖像抓拍記錄、車牌識別、以圖搜圖、黑名單人員預(yù)警、人員軌跡追蹤等；對重點防范人員、非法人員等進行黑名單布控，實現(xiàn)識別預(yù)警并形成日志。對外來人員實現(xiàn)人臉圖像存檔及來訪記錄，方便事后回溯等功能應(yīng)用。當(dāng)前面對常態(tài)化的疫情，高校校園人員集中，防止疫情向校園擴散是校園管理工作的重中之重。將人臉識別用于校園管理，不僅提升了校園的管理效率，而且有助于高校“平安校園”的建設(shè)。
3.5人臉識別迎新管理
采用人臉識別系統(tǒng)迎新，可以省去煩瑣的報到流程，實現(xiàn)安全、高效、精確的報到模式。新生先通過人臉采集上傳照片，并實時獲取入住信息，學(xué)生也可以通過迎新系統(tǒng)查詢自己的報到流程，同時學(xué)校或?qū)W院可以通過迎新系統(tǒng)實時獲取學(xué)生的報到情況，可以查看學(xué)校或?qū)W院的新生報到比例（或報到人數(shù)）及報到地點等諸多數(shù)據(jù)信息，這樣管理者可以根據(jù)報到點的實際報到人數(shù)合理調(diào)配迎新工作人員，避免了由于個別報到點人員擁擠現(xiàn)象，也符合當(dāng)前疫情防控的需求。
3.6智能測溫功能
為了應(yīng)對目前的疫情，學(xué)校在圖書館、宿舍、個別辦公區(qū)域等出入門禁安裝人臉識別采用紅外熱成像測溫一體機，實時對進出人員無接觸測溫并記錄，對體溫異常者進行報警。同時可以檢測是否佩戴口罩等輔助功能。3.7人臉識別學(xué)籍核驗主要是對錄取新生的入學(xué)資格復(fù)查，防止學(xué)籍冒名頂替。對新生高考照片、身份證以及本人現(xiàn)場拍攝的照片進行比對、驗證，根據(jù)計算人臉的相似度判斷是否為同一個人。由于這里的比對僅僅是根據(jù)相似度做出的判斷，所以比對的結(jié)果只能作為參考。管理人員可以對相似度比較低的新生再做進一步的核實驗證。
4存在問題及優(yōu)化解決方案
人臉識別在某校應(yīng)用管理過程中一些問題也不斷顯露出來，復(fù)雜環(huán)境下的人臉識別、數(shù)據(jù)資源融合及閉環(huán)管理協(xié)同共享、使用對象不配合及宿舍管理人員的業(yè)務(wù)技術(shù)能力等諸多因素影響人臉識別技術(shù)未能充分發(fā)揮在管理中的作用。
4.1提高復(fù)雜背景下的識別的速度和精度
人臉識別的深度學(xué)習(xí)算法的環(huán)境泛化能力是目前人臉識別現(xiàn)階段發(fā)展的主要瓶頸，人臉識別技術(shù)無法精確的信息比對，而是相似度比對，即人臉識別目標(biāo)檢測模塊中交并比（Inter⁃sectionOverUnion,IOU）原理或在此基礎(chǔ)上的優(yōu)化應(yīng)用。這樣訓(xùn)練良好的模型在實際應(yīng)用場景中，其性能會有明顯下降，如果將非人臉或質(zhì)量差的圖像錄入系統(tǒng)會引起誤檢率高，造成系統(tǒng)算力的浪費及響應(yīng)時間較長等。人臉識別的效果還受到成像條件（成像角度、光線強弱、攝像器材等）、環(huán)境背景、部分遮擋、整形、面部姿態(tài)變化較大等影響。目前可行的方法有，提高人臉庫的照片質(zhì)量、硬件技術(shù)改進及算法優(yōu)化等。其中，采用近紅外設(shè)備可以有效地解決部分光照問題。為了提升系統(tǒng)的魯棒性，近年來，很多學(xué)者針對出現(xiàn)的不同問題對算法也進行不斷地優(yōu)化，如對人臉表情特征及有遮擋人臉識別的改進，使其具有更好的識別性能[4-6]。Mohanty等[7]使用人臉的灰度特征和膚色特征，并結(jié)合AdaBoost（自適應(yīng)增強）算法，提高了復(fù)雜背景下人臉檢測的速度。
4.2定量評價教師的課堂教學(xué)效果
教學(xué)效果的評價，已有各種方式，如階段式評價有期中、期末考試，課程論文等；過程式評價如課堂討論、測驗，課后作業(yè)等，但如何客觀定量地評價教師教學(xué)的課堂效果，還可嘗試通過學(xué)生在課堂上的表現(xiàn)來定量評估。依托對接學(xué)校的可視化教學(xué)中心的課堂教學(xué)錄像資源，把待評價課程的授課全過程的高清視頻轉(zhuǎn)化成高分辨率的幀圖像，利用人臉識別技術(shù)，把學(xué)生聽講時的眼神、表情、動作等換算成可量化的專注時間，再轉(zhuǎn)化為定量的學(xué)習(xí)效果。在后期建設(shè)中考慮基于大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)分析技術(shù)在實際教學(xué)中的應(yīng)用評價的實現(xiàn)。
4.3建設(shè)統(tǒng)一的校級物聯(lián)感知平臺，提高校園智慧化管理手段
智能物聯(lián)網(wǎng)是智能化時代的新基礎(chǔ)設(shè)施，校園智能化系統(tǒng)的建設(shè)急需要統(tǒng)一的校級物聯(lián)感知管理平臺，以整合現(xiàn)有智能化終端和各子系統(tǒng)，融合管理及物聯(lián)數(shù)據(jù)。該平臺集成智慧校園的管理決策中心、指揮調(diào)度中心、運行監(jiān)測中心，具有智慧校園管理能力，以實現(xiàn)行政化向服務(wù)化的轉(zhuǎn)變及系統(tǒng)化向智能化的轉(zhuǎn)變。針對目前校內(nèi)各系統(tǒng)資源整合度差，實現(xiàn)校園智能化必須打通校園各個物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)、打破數(shù)據(jù)孤島及數(shù)據(jù)碎片化、實現(xiàn)數(shù)據(jù)閉環(huán)，融合數(shù)據(jù)管理，統(tǒng)籌規(guī)劃。尤其是將獲取的圖像及視頻流結(jié)構(gòu)化處理，使之形成有效的數(shù)據(jù)閉環(huán)管理體系。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在安防系統(tǒng)及其他獨立系統(tǒng)中的應(yīng)用，如實現(xiàn)門禁系統(tǒng)與主干道抓拍機聯(lián)動，形成校園軌跡及人員熱力圖；實現(xiàn)電控聯(lián)動，平臺能夠聯(lián)動電控系統(tǒng)工作，通過閘機出入記錄判斷宿舍有無人員，系統(tǒng)即能夠自動將其宿舍總電源打開或關(guān)閉。此功能實現(xiàn)了最大程度地節(jié)約用電，并降低學(xué)生宿舍樓用電事故發(fā)生的概率。
4.4亟待解決有關(guān)人臉識別的其他問題
人臉識別率除了與人臉庫的照片質(zhì)量及算法有關(guān)，還與硬件的適配性很大關(guān)系。如人臉信息采集設(shè)備問題，某校采用人證核驗人像自助采集機，采集機等硬件攝像頭采用寬動態(tài)技術(shù)，可以調(diào)整紅外、白光補光亮度參數(shù)等，進行IPS（In-PlaneSwitching,平面轉(zhuǎn)換）硬屏技術(shù)優(yōu)化，從而解決采集出現(xiàn)的逆光、弱光等問題。但是，采集機的補光功能只能手動調(diào)整參數(shù)，并不能自適應(yīng)環(huán)境自動調(diào)整補光。另外，系統(tǒng)照片下發(fā)到前端設(shè)備速度很慢,考慮將人臉照片下發(fā)模式進行升級，實現(xiàn)照片在平臺端完成建模，建模數(shù)據(jù)進行同步及下發(fā)到Facepad，這樣不僅降低平臺下發(fā)時間，還有利于保障人臉數(shù)據(jù)的安全性和提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于目前的疫情常態(tài)化防控，開發(fā)或升級疫情防控信息化平臺已經(jīng)成為教育信息化新的發(fā)展需求[8]。在校門禁改造建設(shè)考慮與檢疫中心對接，實現(xiàn)防疫信息共享，并對進出人員進行自助查驗健康碼、體溫檢測等。現(xiàn)在使用的非接觸式的紅外測溫模塊的結(jié)果受周圍環(huán)境影響比較大，在高溫或低溫季節(jié)尤其明顯。
5結(jié)束語
目前，人臉識別技術(shù)不僅可以加強校園的安全防范和控制，而且可以有效地改善高校多方面管理，同時為校園管理提供有效，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。但是，人臉識別仍然需要提高處理復(fù)雜環(huán)境的能力，未來的研究應(yīng)依靠人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)來進一步提高系統(tǒng)的安全性，實時性和準(zhǔn)確性，并確保數(shù)據(jù)安全性和用戶隱私。
參考文獻：
[1]李雅琪,馮曉輝,王哲.計算機視覺技術(shù)的應(yīng)用進展[J].電子科學(xué)技術(shù),2019(2):18-27.
[2]姜健濤.基于深度學(xué)習(xí)的人臉識別技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2019.
[3]張順豐.基于深度學(xué)習(xí)的人臉識別算法研究[D].成都:電子科技大學(xué),2018.
[4]李小薪,梁榮華.有遮擋人臉識別綜述:從子空間回歸到深度學(xué)習(xí)[J].計算機學(xué)報,2018,41(1):177-207.
[5]孫雨浩,陶洋,胡昊.基于判別低秩矩陣恢復(fù)和協(xié)同表示的遮擋人臉識別[J].計算機工程與科學(xué),2020,42(12):2199-2207.
[6]盧洋.人臉表情圖像識別關(guān)鍵技術(shù)的分析與研究[D].長春:吉林大學(xué),2019.
[7]MohantyR,RaghunadhMV.AnewapproachtofacedetectionbasedonYCgCrcolormodelandimprovedAdaBoostalgorithm[C]//2016InternationalConferenceonCommunicationandSig⁃nalProcessing(ICCSP).April6-8,2016.Melmaruvathur,Tamiln⁃adu,India.IEEE,2016.
[8]顧軍,鈕新顏.人工智能時代教育系統(tǒng)疫情防控技術(shù)的智慧實踐[J].中國教育信息化,2020(21):43-47.
作者：胡娟 單位：南京信息工程大學(xué)
