计算机视觉课堂实时考勤系统设计

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摘要：本文基于计算机视觉技术设计了一种课堂实时考勤系统，首先根据MVC架构搭建系统整体结构，然后设计了基于深度学习的计算机视觉模型用于人脸检测和识别，并建立了关系型数据库模型，最后通过Web服务实现实时考勤功能。本系统有利于学校课堂教学管理，具有一定的发展前景。

关键词：计算机视觉；课堂考勤；深度学习；MCV架构

前言

随着国家标准《智慧校园总体框架》（Smartcampusoverallframework）的，智慧校园的规划与设计成为了校园建设的重点项目[1]。而课堂考勤作为学校教学管理、学生评价的重要组成部分，随着物联网技术、人工智能和移动通信技术的水平的提高与发展，更应该向着智能化、准确化的方向发展[2]。本文研究了的当前应用的课堂考勤方式，并做了进一步的分析，最终根据社会技术的革新与发展[3]，提出了一种基于计算机视觉的实时课堂考勤系统的设计。我们的主要工作是搭建了整个系统框架，包括数据库系统、服务器、计算机视觉模型、网络通信、图像采集系统、客户端和网络通信系统。

1课堂考勤方式现状

目前校园中主要的课堂考勤方式存在为两种，分别是传统的考勤方式和生物识别的考勤方式。如图1所示，其中传统的考勤方式包括点名考勤和通过校园卡进行考勤，点名考勤的方式仍然是高校中最常用的考勤手段，因它不受场地的限制，可以根据点名册直接核对现场的学生信息，但这种方式存在的缺点就是花费时间，影响上课效率，为此有些教师不进行点名，因此影响了考勤的效果。校园卡考勤解决了点名占用课堂时间的问题，但这种方式具有学生代考勤的漏洞，因为学生可以拿着别人的校园卡进行考勤。生物识别的考勤方式包括指纹考勤和人脸识别考勤，这些方式有效解决了传统考勤方式代考勤的弊端，但这种方式受设备硬件的影响，识别能力太慢，尤其是在下课后学生较多，考勤签退时容易发生拥挤等现象，具有安全隐患[4]。因此，为解决当前考勤方式存在的一些弊端，本文设计了一种基于计算机视觉的实时课堂考勤系统。

2系统设计基础

2.1系统开发环境

本文设计的实时课堂考勤系统主要是使用Python开发语言，Python是目前最流行开发语言之一，主要应用于Web服务设计、大数据、人工智能等领域，它的主要优点是开发效率高、可扩展性强、跨平台和具有可移植性等，满足了本文系统的设计要求。另外，在开发过程还用到了基于Python的第三方软件开发包，包括Flask用于搭建系统的Web服务器；PyQt5用于搭建系统的客户端；OpenCV用于系统中对图像视频的处理；Tensoflow用于开发计算机视觉模型，搭建深度学习模型，完成人脸检测和识别任务；Mysqlclient用于管理、访问、查询和更新Mysql数据库。

2.2系统开发框架

本文设计的实时课堂考勤系统通信基于Web应用，因此选择一个合适的服务架构有利于提高系统的开发和部署效率。目前较流行的Web应用主要有MVC（ModelViewController）和CMS（ContentManagementSystem）两种架构。本文使用了基于Python和Flask搭建的MVC架构[5]，该架构如图2所示，主要包括模型层、视图层和控制器。使用该框架的优点是可将视图层和业务逻辑层进行分离开发，提高开发效率，方便系统的部署、维护和管理。

3系统设计方式

3.1系统总结构设计

本文设计的实时课堂考勤系统的总体结构如图3所示。根据MVC构架的设计，我们将该系统分为了模型层、控制器层和视图层，另外还包括网络通信设备。

3.2模型层设计

模型层主要是关系型数据库模，MySQL是目前使用最多的关系型数据库系统，也是学校管理系统使用最多的数据系统，为了更好地与学校管理系统兼容，我们选择了MySQL数据库，数据表之间的关系如图4所示。

3.3控制器层设计

控制器层主要包括服务器应用软件和计算机视觉模型，服务器应用软件的功能包括系统通信配置、数据业务处理和系统各模块间的调度。计算机视觉模型是实时课堂考勤系统的核心模块，基于深度学习卷积神经网络实现[6]，主要作用是进行人脸检测和识别两个部分，计算机视觉模型的工作流程如图5所示。在人脸检测阶段使用VGG16检测器作为主干网络，为提高模型的检测准确率，通过引入注意力模型和多尺度特征融合对网络进行了优化，有效地从输入图片中提取人脸位置信息，得到人脸图像。在人脸识别阶段首先使用FaceNe人脸识别网络提取人脸图像的特征图，然后通过决策树算法与待检测的人脸特征进行匹配，从而识别图片中的学生信息。

3.4视图层设计

本文设计的实时考勤系统的模型层主要包括图像采集系统和客户端。目前各学校教室内都安装有监控设备，因此为节约成本和安装消耗，图像采集系统使用教室内的监控设备作为图像采集系统，负责采集教室现场图片。客户端设计首先在本系统中采用应用程序接口，然后在教学管理系统中设计图形化用户界面，通过应用程序接口调用本系统的功能，从而减少资源浪费，方便维护和管理。

4实时考勤功能的实现

实时考勤功能的实现方式如图6所示，首先系统启动后，用户可以随时更新考勤信息，比如在数据库中创建新的考勤表等。接着系统会自动读取考勤表的信息，比如课程所在教室、上课时间。然后启动考勤程序，进行签到、签退操作，并将考勤数据保存到考勤数据表中。整个系统启动完成后可以自动运行，直到关闭系统，而且可以实时进行课堂考勤。

5结语

本文设计了一种基于计算机视觉的课堂实时考勤系统，可以有效地解决当前考勤方式影响上课效率、容易出现舞弊等缺点，满足课堂考勤智能化、自动化的要求。未来工作我们将在现在系统的基础上，进一步通过计算机视觉技术，检测学生上课时的不规范行为，并纳入教学管理和学生评价体系，促进智慧校园建设。

参考文献

[1]高煜妤.人脸识别技术在智慧校园中的应用研究[J].电子测试,2018(17):129-130.

[2]周克辉,罗玮,陈泰峰.高校学生考勤管理系统发展现状和需求分析研究[J].电子测试,2019(22):53-55.

[3]郑银环.智慧课堂学生考勤管理研究与设计[J].现代信息科技,2019,3(09):1-4+7

[4]张正旺.基于人脸识别的课堂自动考勤系统[J].科技视界,2019(27):17-18.

[5]牛作东,李捍东.基于Python与flask工具搭建可高效开发的实用型MVC框架[J].计算机应用与软件,2019,36(07):21-25.

[6]李倩玉,蒋建国,齐美彬.基于改进深层网络的人脸识别算法[J].电子学报,2017,45(03):619-625.

作者：牛作东 李捍东 单位：贵州大学电气工程学院