關(guān)鍵詞：簽到系統(tǒng);課程簽到;人臉識(shí)別;TrackingJS;百度云人臉識(shí)別API

0 引言（Introduction）

人工智能技術(shù)發(fā)展為教育領(lǐng)域帶來新的發(fā)展機(jī)遇，其中課

程智能簽到系統(tǒng)[1]作為智慧教育的一個(gè)研究方向，旨在高效、低成本地解決學(xué)生課堂簽到問題，并確保簽到的可靠性和防作弊性。課程簽到與公司的上、下班簽到不同，公司簽到通常都有固定時(shí)間，通過指紋識(shí)別[2]打卡機(jī)或人臉識(shí)別[3]打卡機(jī)就能實(shí)現(xiàn)打卡功能。然而，學(xué)校課程簽到方式更為復(fù)雜，涉及不同的時(shí)間段、教室地點(diǎn)、教師和班級(jí)等。由于影響簽到因素眾多，若在每間教室都安裝簽到機(jī)，將導(dǎo)致高昂成本和復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)。簽到分為線上和線下兩種方式。線上簽到適用于慕課、云課堂、視頻會(huì)議等網(wǎng)絡(luò)課程，無特定地點(diǎn)要求;線下簽到則需在實(shí)體場(chǎng)所如教室、會(huì)場(chǎng)進(jìn)行，以確認(rèn)參與者親自到場(chǎng)。本文聚焦于線下簽到功能，利用前端的TrackingJS人臉識(shí)別跟蹤技術(shù)高效抓取完整的人臉圖像，結(jié)合百度云人臉識(shí)別接口完成人臉識(shí)別認(rèn)證，同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于教師端的手機(jī)攝像頭拍照功能，以綜合解決方案應(yīng)對(duì)學(xué)生課程簽到的各種挑戰(zhàn)。

1 線下簽到技術(shù)分析（Study of off-line attendancetechnologies）

1.1 基于考勤機(jī)器的簽到

在智能手機(jī)普及之前，企事業(yè)單位通常采用考勤機(jī)進(jìn)行員工簽到，由于上班時(shí)間統(tǒng)一，所以一兩臺(tái)考勤機(jī)就能滿足中小企事業(yè)單位的簽到要求。

（1）射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）和近場(chǎng)通信（NFC）刷卡機(jī)簽到

刷卡機(jī)簽到方式在企事業(yè)單位得到廣泛應(yīng)用，員工使用卡片刷卡完成考勤，但是這種方式存在作弊風(fēng)險(xiǎn)，員工可能代刷。RFID簽到則要求員工人手一張卡和一個(gè)專用讀卡器。有學(xué)者提出通過手機(jī)NFC技術(shù)實(shí)現(xiàn)課堂智能簽到[4]，或是在客戶端通過RFID模塊采集學(xué)生的校園一卡通卡號(hào)，再通過無線網(wǎng)絡(luò)將考勤信息傳輸?shù)椒?wù)器端[5]。

（2）指紋機(jī)和人臉識(shí)別機(jī)簽到

利用人工智能的圖像識(shí)別技術(shù)，通過指紋機(jī)和人臉識(shí)別機(jī)進(jìn)行人員考勤，主要用于企事業(yè)單位。這種方式避免了作弊行為，但是如果在每個(gè)教室安裝一個(gè)簽到機(jī)，成本比較高，無法大范圍推廣，例如項(xiàng)新建等[2]設(shè)計(jì)了一款課堂指紋簽到智能管理系統(tǒng)。

（3）聲紋識(shí)別機(jī)和虹膜識(shí)別機(jī)簽到

聲紋識(shí)別機(jī)和虹膜識(shí)別機(jī)成本比較高，因此通常只用在特殊行業(yè)，如銀行等對(duì)安全級(jí)別要求很高的單位使用。

1.2 基于智能手機(jī)App簽到

隨著智能手機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，攝像頭、Wi-Fi、GPS技術(shù)已經(jīng)成為手機(jī)的基本配置，通過這些硬件可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)App簽到。

（1）基于Wi-Fi和地理位置簽到

植入地理位置識(shí)別功能的簽到App要求簽到者在指定地點(diǎn)簽到，可以防止簽到作弊行為。但是，在高樓或建筑群中，GPS信號(hào)可能受影響，降低了簽到可靠性。Wi-Fi簽到則要求用戶連接特定的Wi-Fi，使用不便。例如，ZHANG等[6]通過位置服務(wù)+ 人臉識(shí)別技術(shù)解決簽到作弊問題，耿申[7]基于WLAN室內(nèi)定位+二維碼技術(shù)開發(fā)了一款簽到系統(tǒng)。

（2）二維碼簽到

例如，釘釘App允許用戶創(chuàng)建線下會(huì)議，填寫相關(guān)信息后會(huì)生成簽到二維碼，參會(huì)者需在會(huì)場(chǎng)通過釘釘App掃描此二維碼進(jìn)行簽到。然而，簽到作弊行為依然可能發(fā)生，參會(huì)者可能會(huì)拍照并將二維碼分享給他人進(jìn)行遠(yuǎn)程簽到，而非在會(huì)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)簽到。周歡等[8]提出基于主動(dòng)式二維碼+LBS技術(shù)的學(xué)生考勤管理系統(tǒng)應(yīng)用研究，杜絕“代簽到”現(xiàn)象。包蕾[9]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于二維碼的代簽規(guī)避系統(tǒng)。

（3）人臉識(shí)別簽到

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，人臉識(shí)別已經(jīng)成為簽到設(shè)計(jì)的主要技術(shù)，由于智能手機(jī)基本都配備了攝像頭及基于云技術(shù)的人臉識(shí)別技術(shù)，所以降低了開發(fā)簽到App的復(fù)雜性，降低了使用成本，使其成為簽到系統(tǒng)的基本功能。例如，DUAN設(shè)計(jì)了一款人臉識(shí)別課程簽到系統(tǒng)[10]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)（System design）

人臉識(shí)別技術(shù)已普遍應(yīng)用于簽到功能，百度云、阿里云、騰訊云等云服務(wù)商均提供了人臉識(shí)別接口，使系統(tǒng)開發(fā)者能更專注于簽到流程的優(yōu)化，解決系統(tǒng)成本高、可靠性不足、無法完全避免作弊行為等問題。設(shè)計(jì)思路主要從以下幾個(gè)方面考慮。

2.1 前端人臉跟蹤

TrackingJS[11]是基于瀏覽器端的人臉檢測(cè)庫(kù)，用于實(shí)時(shí)追蹤來自相機(jī)捕獲的圖像。追蹤的數(shù)據(jù)對(duì)象可以是顏色或人的圖像。若追蹤的數(shù)據(jù)對(duì)象為人臉圖像時(shí)，還可以設(shè)置具體的追蹤檢測(cè)目標(biāo)為人臉圖像中的眼睛、鼻子、嘴巴，當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)移動(dòng)或者出現(xiàn)時(shí)，就會(huì)觸發(fā)JavaScript事件，最終根據(jù)JavaScript的回調(diào)函數(shù)完成完整的動(dòng)態(tài)人臉圖像抓取。

2.2 基于百度云人臉識(shí)別接口

通過百度云人臉識(shí)別API（接口）[12]，將前端捕獲的人臉圖像與已注冊(cè)的人臉庫(kù)中的圖片進(jìn)行相似度比對(duì)，并返回相似度分值。本系統(tǒng)設(shè)置相似度分值大于80為識(shí)別匹配。

2.3 基于教師端課程簽到

學(xué)生端簽到方式適用于線上網(wǎng)課，教師可以發(fā)送簽到碼或二維碼，學(xué)生則在學(xué)生端通過人臉識(shí)別完成簽到;線下課程簽到方式如果設(shè)計(jì)為學(xué)生端人臉識(shí)別簽到，還要考慮添加GPS或Wi-Fi定位功能，防止學(xué)生作弊。陳維華等[13]設(shè)計(jì)了一款基于網(wǎng)絡(luò)攝像頭設(shè)備的簽到系統(tǒng)，需要在每個(gè)教室都布置網(wǎng)絡(luò)攝像頭，并且系統(tǒng)需要處理每個(gè)教室攝像頭發(fā)出的請(qǐng)求，成本較高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度高。賀一粒[14]設(shè)計(jì)了一款基于深度學(xué)習(xí)框架Keras和Tensor Flow的教師端人臉識(shí)別系統(tǒng)，需要對(duì)人臉識(shí)別模型進(jìn)行訓(xùn)練，增大了系統(tǒng)開發(fā)工作量。本系統(tǒng)采用教師手機(jī)端人臉識(shí)別簽到方式，簽到流程為教師手機(jī)發(fā)起簽到，開啟攝像頭并放講臺(tái)上，學(xué)生主動(dòng)掃臉簽到。此方案能有效防止代簽，簡(jiǎn)單易行、成本低且可靠，學(xué)生無手機(jī)或手機(jī)沒電時(shí)也能完成課程簽到。

2.4 課程簽到設(shè)計(jì)

課程簽到方式主要分為線下課簽到、線上課簽到、公開課簽到3種方式。發(fā)起課程簽到狀態(tài)圖如圖1所示。

2.5 功能模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的用戶角色分為管理員、教師、學(xué)生3種。

（1）管理員。管理員用戶的系統(tǒng)權(quán)限主要包括用戶登錄、系統(tǒng)管理、用戶管理、課程管理和系統(tǒng)監(jiān)控，其中系統(tǒng)管理又包含7個(gè)子模塊，主要為菜單管理、角色管理、部門管理、職務(wù)管理、通知公告、字段管理、日志管理;系統(tǒng)監(jiān)控包含在線用戶子模塊。管理員用例圖如圖2所示。

（2）教師。教師用戶的系統(tǒng)權(quán)限主要包括用戶注冊(cè)登錄和課程管理。教師用例圖如圖3所示。

（3）學(xué)生。學(xué)生用戶的系統(tǒng)權(quán)限主要包括用戶登錄、查看首頁(yè)通知、課程學(xué)習(xí)和簽到記錄。學(xué)生用例圖如圖4所示。

3 架構(gòu)設(shè)計(jì)（Architecture design）

依據(jù)智慧教育生態(tài)系統(tǒng)分層架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想[15]，進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化本系統(tǒng)架構(gòu)方案。本系統(tǒng)的后端開發(fā)采用Java語(yǔ)言，基于Spring Boot框架，部署于TOMCAT服務(wù)器，前端采用VueJS框架，部署在Nginx服務(wù)器，并做負(fù)載均衡器。數(shù)據(jù)接口采用Redis數(shù)據(jù)庫(kù)作為緩存，持久化層采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。采用MyBatis框架實(shí)現(xiàn)Java對(duì)象與數(shù)據(jù)庫(kù)表的ORM 關(guān)系映射，完成數(shù)據(jù)持久化。

該架構(gòu)要求前端項(xiàng)目和后端項(xiàng)目分別部署于兩個(gè)不同的服務(wù)器上，并且需要獨(dú)立進(jìn)行部署。由于前端和后端是兩個(gè)不同的工程，因此它們有著不同的代碼庫(kù)。同時(shí)，前端通過Ajax技術(shù)調(diào)用后端的Restful API，后端再通過跨域訪問百度云人臉識(shí)別接口，從而實(shí)現(xiàn)真正的解耦。前后端分離MVC架構(gòu)模式（圖5）。這種架構(gòu)設(shè)計(jì)主要解決了全校上萬(wàn)學(xué)生同一簽到時(shí)間的阻塞問題。

4 核心功能實(shí)現(xiàn)（Implementation of core functions）

4.1 人臉識(shí)別模塊

人臉識(shí)別模塊主要是為了支持課程簽到服務(wù)而開發(fā)的模塊，包含人臉信息注冊(cè)和人臉識(shí)別認(rèn)證兩個(gè)子功能，確保學(xué)生進(jìn)行課程簽到打卡時(shí)能通過人臉識(shí)別進(jìn)行身份認(rèn)證。人臉信息注冊(cè)功能主要為了將用戶人臉畫像進(jìn)行保存，在用戶使用人臉識(shí)別認(rèn)證功能時(shí)，可以將用戶注冊(cè)的人臉畫像進(jìn)行比對(duì)，從而判斷是否為用戶本人進(jìn)行操作;人臉識(shí)別認(rèn)證功能主要為了在簽到打卡時(shí)確保是學(xué)生本人的操作，從而預(yù)防作弊行為。

4.2 人臉信息注冊(cè)

人臉信息注冊(cè)主要基于人臉檢測(cè)技術(shù)TrackingJS完成人臉的檢測(cè)追蹤操作，TrackingJS檢測(cè)到人臉后，前端服務(wù)自動(dòng)捕獲人臉畫像，并將人臉畫像轉(zhuǎn)換為BASE64編碼格式，最終使用Axios異步請(qǐng)求后端人臉信息注冊(cè)接口，由后端完成人臉信息本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)保存操作和百度人臉可視化庫(kù)人臉注冊(cè)操作，并將人臉信息注冊(cè)結(jié)果返回前端進(jìn)行渲染后展示給用戶。

4.3 人臉識(shí)別認(rèn)證

人臉識(shí)別認(rèn)證功能主要輔助簽到功能，主要判別學(xué)生簽到時(shí)是否為學(xué)生本人;人臉識(shí)別認(rèn)證功能分為兩種使用場(chǎng)景：一種是單次人臉識(shí)別認(rèn)證，在調(diào)用人臉識(shí)別組件時(shí)將autoClose屬性設(shè)置為true，主要在云課程簽到中使用，學(xué)生用戶在簽到時(shí)進(jìn)行單次人臉識(shí)別，識(shí)別完成后系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉人臉識(shí)別彈窗;另一種是連續(xù)人臉識(shí)別認(rèn)證，在調(diào)用人臉識(shí)別組件時(shí)將autoClose屬性設(shè)置為1，主要在線下課簽到中使用，教師創(chuàng)建完課程簽到后學(xué)生可依次進(jìn)行人臉識(shí)別認(rèn)證簽到，教師可手動(dòng)關(guān)閉人臉識(shí)別彈窗，同時(shí)系統(tǒng)也支持簽到時(shí)間結(jié)束后自動(dòng)關(guān)閉人臉識(shí)別彈窗。人臉識(shí)別認(rèn)證活動(dòng)圖如圖6所示。

（1）代碼分析

前端通過TrackingJS抓取人臉代碼如下，tracker.on（）函數(shù)監(jiān)聽攝像頭抓取到包含眼睛和嘴巴的完整人臉圖像，觸發(fā)回調(diào)函數(shù)處理人臉圖像。

人臉識(shí)別百度云接口調(diào)用代碼如下，aipFace.search（）發(fā)起百度云接口調(diào)用，返回的數(shù)據(jù)包存放到responseBody JSON對(duì)象中，若錯(cuò)誤碼為“0”且返回的圖片相似度分值≥80，則返回識(shí)別成功的用戶ID。

4.4 線下課簽到模塊

在線下課簽到場(chǎng)景下，授課教師發(fā)起線下課簽到后，教師端攝像頭自動(dòng)開啟，在教室內(nèi)上課的學(xué)生逐一進(jìn)行刷臉簽到。該簽到方式的應(yīng)用場(chǎng)景類似于學(xué)校門禁刷臉系統(tǒng)。線下課簽到活動(dòng)圖如圖8所示。

線下課（課堂）簽到具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

（1）教師點(diǎn)擊“線下課”發(fā)起簽到（圖9）。

（2）教師填寫簽到信息，包括主題、簽到活動(dòng)時(shí)長(zhǎng)、教室。然后選擇“教師端簽到”，點(diǎn)擊“開始簽到”（圖10）。

（3）教師打開簽到攝像頭和簽到進(jìn)度窗口，如果學(xué)生簽到成功，就會(huì)在簽到進(jìn)度窗顯示學(xué)生頭像圖標(biāo)和姓名（圖11）。

5 未來改進(jìn)方法（Improving the approach inthe future）

未來的主要開發(fā)工作將圍繞提升用戶體驗(yàn)和性能兩個(gè)方面進(jìn)行。

（1）采用PWA（漸進(jìn)式Web應(yīng)用）技術(shù)

由于必須在手機(jī)上打開瀏覽器輸入U(xiǎn)RL地址才能啟動(dòng)Web應(yīng)用，導(dǎo)致用戶體驗(yàn)感不好，因此采用PWA技術(shù)讓系統(tǒng)更接近原生應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)在桌面直接啟動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)，或者開發(fā)前端微信小程序，提高用戶的體驗(yàn)感。

（2）人臉識(shí)別驗(yàn)證性能優(yōu)化

采用消息隊(duì)列的方式進(jìn)行人臉識(shí)別簽到，將現(xiàn)階段的同步請(qǐng)求百度的人臉識(shí)別API接口改為異步的方式，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

（3）配置Nginx服務(wù)器負(fù)載均衡機(jī)制

根據(jù)日志監(jiān)測(cè)流量，充分利用Nginx服務(wù)器負(fù)載均衡機(jī)制，反向代理機(jī)制將動(dòng)態(tài)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給后臺(tái)Tomcat應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行優(yōu)化處理，或者將Web服務(wù)器遷移到百度云，由云計(jì)算動(dòng)態(tài)調(diào)整負(fù)載均衡機(jī)制。

（4）優(yōu)化Redis數(shù)據(jù)緩存

進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整Redis緩存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提高簽到查詢效率，避免對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)造成過大的壓力，通過日志監(jiān)測(cè)機(jī)制，將數(shù)據(jù)訪問量減少至一個(gè)閾值，及時(shí)同步持久化數(shù)據(jù)。

（5）課堂紀(jì)律監(jiān)控

基于多人臉識(shí)別抓取和肢體識(shí)別技術(shù)，教師可以通過手機(jī)攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控課堂，統(tǒng)計(jì)學(xué)生抬頭聽課與低頭睡覺或玩手機(jī)等課堂行為，以維護(hù)課堂紀(jì)律。

6 結(jié)論（Conclusion）

通過人臉識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種教師端課堂人臉識(shí)別簽到系統(tǒng)。完成了基于人臉識(shí)別技術(shù)的簽到系統(tǒng)的界面和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)通過教師端手機(jī)，開啟簽到攝像頭，通過TrackingJS人臉追蹤技術(shù)動(dòng)態(tài)抓取完整的人臉圖片，通過百度云人臉識(shí)別接口完成人臉驗(yàn)證，并記錄和統(tǒng)計(jì)學(xué)生的簽到信息，導(dǎo)出簽到記錄。通過測(cè)試，系統(tǒng)具備較高的識(shí)別精度和可靠性，滿足了對(duì)學(xué)生簽到管理的實(shí)際需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，把課程簽到分為線下課簽到和線上課簽到及公開課簽到3種方式，保證了線下課簽到的可靠性，還能防止學(xué)生出現(xiàn)異地簽到和虛假簽到等情況，系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)潔明了，具有較高的實(shí)用性、安全性和可維護(hù)性。