熊健然

（杭州學(xué)軍中學(xué)，浙江杭州，310012）

0 引言

隨著人工智能的發(fā)展，機(jī)械視覺技術(shù)越來越廣泛的被應(yīng)用于人們的生活。機(jī)械視覺技術(shù)是一種依靠光電設(shè)備采集成像，計算機(jī)對圖像進(jìn)行分析判斷，已達(dá)到識別物體的技術(shù)[1]。在我國教育事業(yè)不斷發(fā)展的同時，各類先進(jìn)技術(shù)被運(yùn)用于課堂，但機(jī)械視覺技術(shù)卻沒能廣泛且高效的在課堂中使用。目前機(jī)械視覺已被廣泛的運(yùn)用于各個領(lǐng)域，在我國的生產(chǎn)和生活中起著極為重要的作用。而機(jī)器視覺所具有的高效，準(zhǔn)確的特點(diǎn)，使它作為一種現(xiàn)代化的識別手段，被越來越多的人所重視[2-3]。

目前機(jī)器視覺主要運(yùn)用于我國的工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療科技領(lǐng)域[4]。由于它高精度，高效率的特點(diǎn)，可以幫助企業(yè)減少人工費(fèi)用，提高勞動生產(chǎn)率，對于促進(jìn)工業(yè)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重大意義[5-7]。在龐大的市場和激烈的競爭的背景下，產(chǎn)品的品質(zhì)，外觀成為了在性能之外的重要衡量因素，表面質(zhì)量成為了重要的比較方面，而機(jī)器視覺很大程度就是為此而生的[8-10]。機(jī)器視覺是一種優(yōu)點(diǎn)多多的技術(shù)。它具有無接觸無損傷的特點(diǎn)，能夠有效實現(xiàn)設(shè)備自動化，智能化和精確化。它還具有安全性高，光譜響應(yīng)范圍寬，生產(chǎn)效率高，適應(yīng)性強(qiáng)的多種優(yōu)點(diǎn)[11]。學(xué)校作為我國教育事業(yè)的前線陣地，高效率的課堂是全社會所追求和關(guān)注的。為了督促學(xué)生在課堂上高效的學(xué)習(xí)，老師要經(jīng)常在課堂上對學(xué)生進(jìn)行批評，提醒。但是老師的精力和時間有限，無法時時刻刻提醒學(xué)生。學(xué)?？梢酝ㄟ^監(jiān)控，老師巡邏來加強(qiáng)管控，但這樣做費(fèi)時費(fèi)力，效率低下，同時還會造成誤判，漏判等現(xiàn)象。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，眾多老師對于學(xué)生開小差的行為無可奈何，且缺少有效的應(yīng)對和處理手段。而基于機(jī)器視覺的檢測方法可以在很大程度上解決這一問題。通過該方法，可以通過識別學(xué)生的面部表情，判斷學(xué)生的聽課狀態(tài)，節(jié)省了人力，提高了課堂效率，同時在心理上也能督促學(xué)生認(rèn)真聽課，讓老師能把更多的精力放在授課而不是提醒學(xué)生上。

因此設(shè)計了一種基于視覺技術(shù)的人臉表情識別系統(tǒng)，根據(jù)學(xué)生上課走神，打瞌睡的現(xiàn)狀而設(shè)想出的一種能根據(jù)學(xué)生課堂面部表情判斷學(xué)生聽課情況的軟件，運(yùn)用人工智能的視覺技術(shù)，減輕教師教學(xué)壓力，加強(qiáng)學(xué)生的聽課效率。型號為MVSUC401M-T的420萬像素的面陣工業(yè)相機(jī)對人臉進(jìn)行圖像采集，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析檢測，從而判斷學(xué)生的聽課狀態(tài)。此方法準(zhǔn)確率高，成本低。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架設(shè)計

該系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成，兩部分在千兆網(wǎng)的鏈接下獨(dú)立工作。傳感器觸發(fā)后，工業(yè)相機(jī)開始工作，采集學(xué)生的面部照片，并通過千兆網(wǎng)和PC端進(jìn)行傳輸，由控制端的學(xué)生面部表情智能識別系統(tǒng)通過學(xué)生表情個人信息特征識別算法對學(xué)生的面部表情進(jìn)行檢測，完成對學(xué)生是否走神的判斷。整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于人臉表情的采集需要，系統(tǒng)需要傳感器，相機(jī)，鏡頭和光源進(jìn)行采集工作。另外還需PC端進(jìn)行判斷識別。其中傳感器和相機(jī)通過信號線連接，采用工業(yè)相機(jī)和工業(yè)鏡頭以保證圖片的清晰度，并在相機(jī)下放安裝光源提供亮度。

■2.1 工業(yè)相機(jī)

由于所需拍攝的人臉大小約為300×200像素，且需拍攝兩張及以上的人臉，所需像素要大約500萬。且人臉處于運(yùn)動狀態(tài)下，要保證拍出清晰的圖像，需要高幀率的相機(jī)。本系統(tǒng)采用型號為MV-SUA501GM-T的500萬像素的面陣工業(yè)相機(jī)，幀率為40fps。根據(jù)教室環(huán)境固定，學(xué)生高度固定，但個人特征不同的特點(diǎn)，彩色圖像難以處理，因此選用黑白工業(yè)相機(jī)，如此可以快速準(zhǔn)確的處理圖像。圖2為工業(yè)相機(jī)實物圖。

圖2 相機(jī)實物圖

如圖3所示為型號為MV-SUA501GM-T的500萬像素的面陣工業(yè)相機(jī)的感光曲線特性圖。

圖3 相機(jī)感光特性曲線圖

■2.2 工業(yè)鏡頭

在鏡頭方面，由于需要拍攝的范圍較大，因此需要低焦距的鏡頭。所以選用焦距8mm的MV-LD-8-3M-A的工業(yè)鏡頭。如圖4為工業(yè)鏡頭實物圖。

圖4 鏡頭實物圖

■ 2.3 光源

考慮到教室內(nèi)已有條狀光源的白燈，選型號為MVHLH-50R/G/B/W45的環(huán)形紅色光源，由于紅光波長短，抗干擾能力強(qiáng)，可以有效的補(bǔ)光。角度選為45度，可以有效的較少室內(nèi)光的干擾，且能夠增加紅光的傳播距離。

■2.4 多傳感器配合

識別系統(tǒng)和傳感器的配合是本系統(tǒng)的重點(diǎn)，表情識別系統(tǒng)中的圖像采集和圖像處理部分采用了觸發(fā)傳感器，各傳感器的選型及參數(shù)如表1所示。

圖5 光源實物圖

表1 硬件型號參數(shù)表

3 系統(tǒng)軟件框架設(shè)計

■3.1 軟件框架設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件部分處理流程如圖6所示。該流程又三部分組成，在傳感器觸發(fā)后，執(zhí)行圖像采集部分，將采相機(jī)集到的圖像傳給預(yù)處理部分依次進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，圖像去噪，二值化和邊緣檢測處理，最后進(jìn)入表情識別檢測部分，對圖片中的表情進(jìn)行檢測，并顯示結(jié)果。

圖6 軟件系統(tǒng)框架圖

■3.2 軟件系統(tǒng)界面設(shè)計

軟件系統(tǒng)運(yùn)行于PC控制端上，采用VS開發(fā)環(huán)境開發(fā)。該軟件可以通過設(shè)置參數(shù)，對圖像采集系統(tǒng)傳來的圖像進(jìn)行檢測識別，通過相機(jī)，實時識別人體面部表情，并將結(jié)果顯示在軟件界面上。

圖7 軟件界面

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)是一種基于視覺技術(shù)的人臉表情識別系統(tǒng)，對實時檢測人臉表情有著較好的精確度和速度。該軟件能大大節(jié)約老師在課堂上的時間，有效的提升了課堂質(zhì)量，讓學(xué)生能夠認(rèn)真專注的聽講。該系統(tǒng)準(zhǔn)確率高，誤差小，能夠精確的反映學(xué)生當(dāng)前的聽課狀態(tài)，實現(xiàn)對學(xué)生聽講的監(jiān)督和提醒，實現(xiàn)了自動化，精確化的目標(biāo)，應(yīng)用市場廣闊。