基于百度AI的人臉識(shí)別新生報(bào)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要：近年來(lái)，人工智能逐漸走近人們的生活。人臉識(shí)別作為一項(xiàng)依托大數(shù)據(jù)共享時(shí)代而存在并且新興的生物識(shí)別技術(shù)，在快速發(fā)展為人們提供便利的同時(shí)，也對(duì)高校的管理與教學(xué)起到了積極的推動(dòng)作用。其中將人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于高校新生報(bào)到流程之中，不僅改變了傳統(tǒng)報(bào)到方式，也為新生以及管理人員提供極大的便利，同時(shí)為安全報(bào)到提供了保障。本文主要介紹了基于人臉識(shí)別的新生報(bào)到系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架以及各個(gè)核心模塊運(yùn)行原理及過(guò)程。

　　本文源自《網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用》2021 年第 06 期 史遠(yuǎn)航 饒欣宇 解佳坤 李芒 佟寬章

　　關(guān)鍵詞：百度 AI;新生報(bào)到;模塊化

　　1 綜述

　　米智恬在《人臉識(shí)別在學(xué)生公寓管理系統(tǒng)中的應(yīng)用》一文中指出，傳統(tǒng)管理學(xué)生進(jìn)出的方式轉(zhuǎn)變成基于人臉識(shí)別的門(mén)禁閘機(jī)方式，這種舉措將會(huì)大大減小管理人員的壓力，使得學(xué)生公寓安全得到更大保證。王磊欣在《基于人臉識(shí)別和活體檢測(cè)的養(yǎng)殖場(chǎng)考勤系統(tǒng)》中，提出了針對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)工作人員更加優(yōu)化的身份識(shí)別系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的人臉識(shí)別技術(shù)新增了活體檢測(cè)、識(shí)別陌生人和養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，體現(xiàn)人臉識(shí)別技術(shù)在企業(yè)日常安全管理的重要意義。王龍?jiān)凇度四樧R(shí)別技術(shù)在高校管理中的應(yīng)用》中表示，人臉識(shí)別技術(shù)在學(xué)生公寓、圖書(shū)館以及考試管理中的應(yīng)用，更進(jìn)一步拓寬了人臉識(shí)別的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　2 行業(yè)現(xiàn)狀

　　隨著新時(shí)代的發(fā)展，對(duì)人工智能領(lǐng)域的不斷拓展，人工智能人臉識(shí)別技術(shù)發(fā)展迅速，人臉識(shí)別技術(shù)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及生物識(shí)別技術(shù)衍生并得以發(fā)展[1]。人臉識(shí)別技術(shù)在人們的生活中已經(jīng)廣泛被接受，例如刷臉支付、刷臉乘車(chē)、疫情防控中人臉比對(duì)等等。現(xiàn)有的已經(jīng)可以達(dá)到人臉比相當(dāng)大成功率的技術(shù)，是人們普遍認(rèn)可的智能生物技術(shù) [2]。“人臉識(shí)別”在 2015 年掀起了一股熱浪，近兩年來(lái)我國(guó)各大高校陸續(xù)將人臉識(shí)別應(yīng)用于新生入學(xué)并獲得了顯著成果，無(wú)論為新生還是學(xué)校工作人員都提供了極大地方便[3]。早期，青海大學(xué)引入了人臉識(shí)別設(shè)備，極大地簡(jiǎn)化了新生入學(xué)流程，降低了學(xué)校與學(xué)生的時(shí)間成本，同時(shí)可以防止冒名頂替的情況發(fā)生，廣受社會(huì)好評(píng)。隨著我國(guó)高校的擴(kuò)招政策逐步施行，新生數(shù)目逐年增加，導(dǎo)致高校學(xué)生人口密度不斷增大，不便于人工進(jìn)行管理。本文基于相關(guān)實(shí)踐工作參考，主要就人臉識(shí)別技術(shù)在高校中新生報(bào)到系統(tǒng)的價(jià)值及應(yīng)用途徑等問(wèn)題進(jìn)行了分析，希望為相關(guān)從業(yè)者提供參考，為高校的智能化管理提供強(qiáng)有力的保障。

　　3 系統(tǒng)框架分析

　　新生報(bào)到系統(tǒng)包括軟件系統(tǒng)及硬件系統(tǒng)兩部分，其中軟件系統(tǒng)包括百度人臉識(shí)別 API、MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)、PyQt5 界面和新消息服務(wù)公眾號(hào) API;硬件系統(tǒng)由樹(shù)莓派 4B、圖像采集模塊、MLX90614 紅外測(cè)溫模塊、語(yǔ)音模塊和熱敏打印機(jī)等部件組成。

　　軟件部分主要采用 Python 語(yǔ)言編寫(xiě)，其中用到了 opencv 結(jié)合圖像采集模塊完成了人臉圖像的采集，用到 requests 完成了人臉圖像的上傳，在云端提前錄入全部人臉信息，所上傳的圖像在云端人臉庫(kù)中完成 1:N 檢索，由百度人臉識(shí)別 API 接口返回最佳匹配人臉信息的編號(hào)和相似度分?jǐn)?shù)。根據(jù) API 接口返回的編號(hào)在 MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索到對(duì)應(yīng)新生的信息，同時(shí)在數(shù)據(jù)庫(kù)中錄入該新生的全部信息。最后將新生信息(包括姓名、班級(jí)、宿舍樓、宿舍號(hào))、必要位置的地圖和測(cè)溫模塊得到的溫度信息顯示到界面上，整個(gè)顯示采用 Python 編寫(xiě)的Qt界面，與此同時(shí)把該新生報(bào)到情況通過(guò)新消息服務(wù)公眾號(hào)API 接口發(fā)送給指定的輔導(dǎo)員。

　　在硬件部分中，樹(shù)莓派 4B 作為主控，與所有硬件相連，并同時(shí)承載了所有軟件部分代碼的運(yùn)行，樹(shù)莓派 4B 的出色性能使得整個(gè)報(bào)到過(guò)程得以流暢進(jìn)行。圖像采集模塊為一無(wú)驅(qū)動(dòng)的高清攝像頭，負(fù)責(zé)捕捉人臉圖像，并將捕捉到的人臉圖像返回給主控。MLX90614 紅外測(cè)溫模塊可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無(wú)接觸測(cè)溫，同時(shí)將溫度信息返回給主控。語(yǔ)音模塊可提示新生如何進(jìn)行操作，輔助新生完成人臉識(shí)別，將實(shí)用性與文娛性充分結(jié)合在一起。熱敏打印機(jī)可兼容樹(shù)莓派上的 Linux 系統(tǒng)，可將新生信息打印出來(lái)，方便新生查看。

　　4 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

　　4.1 百度人臉識(shí)別 API 接口

　　百度人臉識(shí)別 API 是為企業(yè)和個(gè)人提供人臉識(shí)別服務(wù)的一個(gè)接口，該接口可實(shí)現(xiàn)給定一張照片，對(duì)比人臉庫(kù)中 N 張人臉，進(jìn)行 1:N 檢索，找出最相似的一張或多張人臉，并返回相似度分?jǐn)?shù)。同時(shí)支持百萬(wàn)級(jí)人臉庫(kù)管理，毫秒級(jí)識(shí)別響應(yīng)，可滿足新生身份核驗(yàn)的應(yīng)用場(chǎng)景[4]。

　　由于新生人臉可達(dá)上千張，于是我們前期采用 Python 代碼完成自動(dòng)導(dǎo)入人臉信息，代替手動(dòng)導(dǎo)入。在此基礎(chǔ)上，人臉識(shí)別 API 還具有人性化的 Python SDK，可在樹(shù)莓派上方便調(diào)用。將攝像頭采集到的人臉信息上傳至百度云端后，云端便開(kāi)始對(duì)指定人臉庫(kù)進(jìn)行檢索，當(dāng)匹配到人臉后，即可返回該人臉信息對(duì)應(yīng)的編號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)這個(gè)編號(hào)即可在數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取該新生的全部信息。若匹配不到信息，則會(huì)發(fā)出警報(bào)，工作人員可根據(jù)具體情況進(jìn)行處理。

　　整個(gè)識(shí)別過(guò)程(從上傳人臉圖像開(kāi)始到 API 接口返回?cái)?shù)據(jù)為止)平均花費(fèi) 1.5s 左右，確保能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能。與此同時(shí)，經(jīng)過(guò)大量測(cè)試，百度人臉識(shí)別的準(zhǔn)確度在 99%以上，能夠十分準(zhǔn)確的完成新生報(bào)到的工作。可有效地避免“假報(bào)到”現(xiàn)象的發(fā)生，使新生報(bào)到整個(gè)過(guò)程更加智能化、便捷化。

　　4.2 紅外測(cè)溫模塊

　　本系統(tǒng)的紅外測(cè)溫模塊采用的是 MLX90614 系列中的 GY-906-BCC。Melexis 公司生產(chǎn)的 MLX90614 系列測(cè)溫模塊是應(yīng)用非常方便的紅外測(cè)溫裝置，其所有的模塊都在出廠前進(jìn)行了校驗(yàn)，并且可以直接輸出線性或準(zhǔn)線性信號(hào)，具有很好的互換性，免去了復(fù)雜的校正過(guò)程[5]。此款測(cè)溫模塊使用芯片 MLX9061ESF-BCC，供電電源 3-5v 內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓，接入了樹(shù)莓派的 5V 輸出接口，通信協(xié)議采用的是標(biāo)準(zhǔn) IIC 通信協(xié)議[6]。

　　超聲傳感器測(cè)距的原理是依據(jù)超聲波在空氣中傳播的速度，通過(guò)計(jì)算源聲波發(fā)送時(shí)刻和回波信號(hào)接收時(shí)刻的時(shí)間間隔來(lái)獲取障礙物的距離信息[7]。因?yàn)?GY-906-BCC 的精確測(cè)溫距離為 10cm 所以我們引入了 HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊在測(cè)溫前對(duì)測(cè)溫進(jìn)行距離判斷。本系統(tǒng)采用的是 HC-SR04 的 2020 版本，可以通過(guò)電阻設(shè)置成 UART 或 IIC 模式。HC-SR04 提供了 2cm-400cm 的非接觸式距離[8]。升級(jí)解調(diào)芯片 RCWL-9206，帶 UART 與 IIC 功能 MCU，工作電壓 3-5.5V。

　　考慮到人體測(cè)溫的可操作性和系統(tǒng)模塊的組合性，我們的體溫測(cè)量距離設(shè)定為 30mm 測(cè)量人體手心的溫度，如果超過(guò)此距離系統(tǒng)會(huì)語(yǔ)音提示用戶靠近測(cè)溫點(diǎn)。為了保障測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們?cè)O(shè)計(jì)為 3 次測(cè)溫都滿足小于 30mm 的條件才可進(jìn)行測(cè)溫。因?yàn)闇y(cè)量人體手心溫度，手心溫度與正常體溫相比是偏低的，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)測(cè)溫的判斷條件時(shí)，最小值設(shè)置為了 33°而為了縮短測(cè)量時(shí)間我們的閾值設(shè)置為 4，如果 4 次測(cè)量都不滿足條件則判定為測(cè)溫失敗。最后調(diào)用已寫(xiě)好的語(yǔ)音提示模塊進(jìn)行結(jié)果的播報(bào)，并在屏幕打印測(cè)溫結(jié)果。

　　4.3 熱敏打印機(jī)模塊

　　本系統(tǒng)采用的打印機(jī)是 GY-EH402 嵌入式熱敏打印機(jī)。這款打印機(jī)外觀尺寸是 82*58*44 mm 比較小巧有利于精簡(jiǎn)我們的系統(tǒng)。默認(rèn)采用 5~9V 寬電壓供電方式，由于熱敏打印機(jī)的打印特性是電壓越高打印效果越清晰，因而我們把打印機(jī)外接出來(lái)并通過(guò)自帶的外接電源供電，而不采用樹(shù)莓派直接供電。這款打印機(jī)的適用寬度為 58MM 的熱敏紙卷，打印壽命 50 公里，因而可以支持長(zhǎng)時(shí)間的打印而不用頻繁換紙。它支持 arduino、樹(shù)莓派以及 Windows 串口與驅(qū)動(dòng)打印。在本系統(tǒng)中，我們用到了 Python-usb(提供訪問(wèn)主機(jī)的通用串行總線系統(tǒng)的方式)，Python-escpos(集成了 ESC/POS 指令的第三方庫(kù)，可以用于操作 ESC/POS 打印機(jī))，qrcode(用于生成二維碼)這三個(gè)庫(kù)，通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的 Python 命令驅(qū)動(dòng)打印機(jī)，而樹(shù)莓派與打印機(jī)的通信串口用的是 USB 串口。

　　4.4 信息反饋模塊

　　本系統(tǒng)的信息反饋模塊有三個(gè)部分。

　　第一部分為與用戶交互的信息反饋模塊。人臉識(shí)別過(guò)程中置信度過(guò)低造成的匹配失敗是正常的，而我們希望盡量減少的是由用戶錯(cuò)誤操作造成的匹配失敗的情況，因而本系統(tǒng)為用戶設(shè)定了一個(gè)信息反饋的部分。它可以根據(jù)收集到的信息自動(dòng)判斷是那部分造成了識(shí)別錯(cuò)誤的產(chǎn)生，并且可以將出現(xiàn)的常見(jiàn)錯(cuò)誤操作通過(guò)語(yǔ)音提示的方式反饋給用戶。

　　第二部分為與運(yùn)維人員交互的信息反饋模塊。在整體系統(tǒng)的運(yùn)行中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng) BUG 而造成系統(tǒng)崩潰，為了避免系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象，我們將運(yùn)行中產(chǎn)生的錯(cuò)誤都收集了起來(lái)，一旦系統(tǒng)丟出一個(gè)不可解決的錯(cuò)誤，由此模塊捕獲并記錄到本地文件中，而此時(shí)的系統(tǒng)可以跳過(guò)當(dāng)前錯(cuò)誤繼續(xù)運(yùn)行下方的程序，給用戶帶來(lái)良好的使用體驗(yàn)。當(dāng)?shù)诙伍_(kāi)機(jī)的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)上次運(yùn)行中是否產(chǎn)生了錯(cuò)誤日志，并將錯(cuò)誤日志以郵件的方式發(fā)送給運(yùn)維人員。

　　第三部分為與管理人員交互的信息反饋模塊。在每日的新生報(bào)到工作中，管理人員需要對(duì)一天的報(bào)到信息進(jìn)行收集整理，因而我們?yōu)槠湓O(shè)計(jì)了一個(gè)信息反饋模塊，可以自動(dòng)收集新生數(shù)據(jù)庫(kù)中所有的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行一些初步的整理，然后以郵件的方式發(fā)送給管理人員。

　　5 系統(tǒng)在高校中的應(yīng)用

　　當(dāng)前高等教育普及化趨勢(shì)之下[9]，新生數(shù)目逐年增加，新生報(bào)到成為高校最為重視也是最耗費(fèi)人力和精力的一環(huán)。報(bào)到人數(shù)多，流程繁雜，且新生找錯(cuò)位置、迷路、忘記宿舍等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。且近年來(lái)，雖然冒名頂替入學(xué)的現(xiàn)象已經(jīng)相對(duì)得到控制，但該現(xiàn)象還是時(shí)有發(fā)生。在當(dāng)前疫情的大背景之下，更是需要減少人員接觸與交互，所以利用智能化手段簡(jiǎn)化新生報(bào)到流程是高校的不二之選。

　　作為信息化校園建設(shè)中的重要一環(huán)，基于人臉識(shí)別的新生報(bào)到系統(tǒng)致力于打造一個(gè)快速、便捷、高效的新生報(bào)到流程。首先，我們建立安全、大容量的人臉信息庫(kù)，作為人臉特征的管理和處理中心，利用人臉識(shí)別核心技術(shù)對(duì)面部特征信息進(jìn)行采集與比對(duì)，不僅能夠?yàn)樗惴ㄌ峁?duì)應(yīng)的識(shí)別基準(zhǔn)，同時(shí)可利用接口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)，完成基本人員的信息對(duì)應(yīng)關(guān)系。其次多模塊的設(shè)計(jì)也是本系統(tǒng)突出特色之一。依據(jù)疫情的背景，系統(tǒng)利用紅外測(cè)溫模塊，無(wú)接觸式測(cè)溫對(duì)新生的安全形成一道屏障。為方便新生找尋對(duì)應(yīng)宿舍以及掌握相關(guān)報(bào)到信息，系統(tǒng)利用熱敏打印機(jī)，在新生完成了人臉識(shí)別核驗(yàn)后，會(huì)為新生打印出在數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)提前錄入的宿舍樓、宿舍號(hào)、班級(jí)等信息，也會(huì)標(biāo)明具體報(bào)到流程、路線等。為了完善系統(tǒng)功能，豐富數(shù)字化校園建設(shè)，系統(tǒng)利用信息反饋模塊完成用戶交互信息反饋、運(yùn)維人員信息反饋、管理人員信息反饋三部分使得新生報(bào)到的流程得到了很大的簡(jiǎn)化，為管理者提供極大便利，確保在為期幾天的報(bào)到時(shí)間內(nèi)，節(jié)省人力的同時(shí)高效率、少接觸、低擁堵地完成整個(gè)流程。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　本文使用的在新生報(bào)到系統(tǒng)中的人臉識(shí)別系統(tǒng)，可以有效避免頂替入學(xué)的社會(huì)問(wèn)題，促進(jìn)教育的公平。不僅如此，在未來(lái)將會(huì)出現(xiàn)在高校更多領(lǐng)域，合理有效的獲取信息，及時(shí)反饋信息。既不會(huì)出現(xiàn)對(duì)個(gè)人信息的過(guò)度采集，又不會(huì)由于全人工處理時(shí)對(duì)人臉比對(duì)的不完全，導(dǎo)致檢錄漏洞的出現(xiàn)。人臉識(shí)別技術(shù)的廣闊的市場(chǎng)前景是毋庸置疑的，后續(xù)將對(duì)搭建平臺(tái)展示項(xiàng)目衍生產(chǎn)品功能，助力大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的進(jìn)一步體現(xiàn)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)一步完善，擴(kuò)大現(xiàn)有管理能力，更大程度地服務(wù)全國(guó)高校，更快速推動(dòng)教育信息化建設(shè)。

　　對(duì)于突如其來(lái)的新冠疫情，全球范圍內(nèi)通過(guò)口罩進(jìn)行基本的防疫手段，但是此時(shí)無(wú)論是在火車(chē)站還是醫(yī)院等公共場(chǎng)所，還是需要暫時(shí)摘掉口罩進(jìn)行人臉識(shí)別，當(dāng)前人臉識(shí)別技術(shù)也已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)須摘掉口罩即可進(jìn)行人員識(shí)別。科技改變后續(xù)人臉識(shí)別技術(shù)將會(huì)更走近人們的生活，助力智慧城市建設(shè)。