基于人脸识别的教室管理系统设计与实现

摘 要

随着教育事业的不断发展和社会的信息数字化,学生数量也随着这些社会因素的增长而飞速增长。学生数量的急剧增长带来的往往就是教育管理问题。观察当今科技飞速发展的社会,高效的、快速的、便捷的生活几乎已经成为大众所共同追求的生活,所以人工智能也相继出现在大家的生活中。人工智能的起源可以追溯到上世纪的五六十年代,突破性成果的出现则是在 21 世纪。现如今人工智能技术在持续的飞速发展,人脸识别技术就是突破性成果之一。本文将通过对人脸识别技术与教室管理系统的结合,实现对学生的高效快速管理。通过调用百度智能云的人脸识别接口实现人脸识别学生面部信息,记录到数据库中,使用教室管理系统来对学生信息进行相关的考勤管理,还可以实现管理员人脸识别登陆,以这种方法来实现人脸识别与教室管理系统的结合从而实现高效的学生管理。

关键词:人工智能;人脸识别;学生管理

Face Recognition Based Classroom Management System

Abstract

As a result of the continuous development of education and the digitization of social information, the number of pupils rapidly increases with the increase of these social beginnings. The student quantity suddenly growth brings often is the education administration question. Today’s society is looking at the rapid development of knowledge and technology, an entrepreneur, fast and suitable living. While the origins of artificial intelligence can be traced back to the 1950s and 1960s, the breakthrough came in the 21st century. In this paper, when the knowledge technology and the classroom system are combined, the students are efficient and rapid. By calling Baidu Intelligent Cloud’s face recognition interface to realize face recognition student facial information, record it in the database, use the classroom management system to perform related attendance management on the student information, and also realize administrator face recognition login. By combining facial recognition and class management, efficient student management is achieved.

Keywords:Artificial intelligence; Face recognition; Student management

目 录
摘 要 III
Abstract IV

1 前言… 1
1.1 研究背景 … 1
1.2 国内外研究现状 … 1
1.3 主要研究内容 … 1
1.4 论文组织结构 … 2
2 系统开发环境和技术介绍… 3
2.1 J2EE 架构… 3
2.2 SSM 架构… 3
2.2.1 Spring… 3
2.2.2 MyBatis… 3
2.3 Spring Boot 框架… 3
2.4 Xampp 软件站集成软件包… 4
2.5 Spring Tool Suit (STS)开发环境 … 4
2.6 百度智能云人脸识别接口 … 4
3 系统分析… 5
3.1 可行性分析 … 5
3.1.1 需求可行性… 5
3.1.2 技术可行性… 5
3.1.3 操作可行性… 5
3.2 功能需求分析 … 5
3.2.1 前台功能说明… 6
3.2.2 后台功能说明… 6
3.2.3 系统用户角色分析… 7
3.3 其他性能分析 … 6
3.3.1 系统安全性… 7
3.3.2 数据完整性… 7

3.4用例建模 7
3.4.1用例图 7
3.4.2系统用例规约 8
3.5系统主要类模型 10
4系统设计 12
4.1系统活动图设计 12
4.1.1系统登陆活动图 12
4.1.2学校管理员信息管理活动图 12
4.1.3学生信息管理活动图 13
4.1.4班级信息管理活动图 14
4.1.5安全信息管理活动图 14
4.2系统主要时序图设计 15
4.2.1管理员操作时序图 15
4.2.2学生信息管理时序图 16
4.3数据库设计 错误!未定义书签。
5系统实现 12
5.1运行环境要求 20
5.2主要功能实现 18
5.2.1登陆与注册 20
5.2.2学校管理员信息管理功能 23
5.2.3班级信息管理功能 23
5.2.4安全信息管理功能 24
6 测试 25
6.1测试方法分析 25
6.2测试用例及结果分析 25
7总结与展望 25
7.1 总结 27
7.2 展望 27
参考文献 28
致 谢 29

1 前言

1.1研究背景

由于教育事业和社会信息数字化的没有停顿不间断的进步变化以及人工智能的普及, 人脸识别技术也得到了非常好的研究成果。2018 年是我国人脸识别技术被广泛使用的转折点,在这一年里“刷脸”行为逐渐进入到支付、信息验证等商用、科研、安全等邻域中。而对于校园安全管理这一邻域,面对大量的学生群体,传统的安全管理方式已经满足不了这一庞大群体所要求的高效精准,所以市面上相继出现了很多的校园安全系统这类管理系统。但这类系统所作用的范围过于广泛,在现如今学生数量只多不少的这一情况下,管理范围太大容易出现错误的可能性也会相对于的提高。在面对越来越庞大的学生群体时,小范围的管理其管理精确程度往往会高于大范围的管理,所以教室管理系统也理应顺势而生来替代大范围管理的校园管理系统。[1]
选择将人脸识别技术与教室管理系统相结合的方式,目的就是解决庞大学生群体的管理问题。能够高效便捷准确的解决这个问题时是本次研究的主要目标。

1.2国内外研究现状

关于人脸识别的探讨进程,国内外都已经有了非常多成功的例子。
在国外比较早出名的人脸识别公司有很多, 像美国的 IDX-Identix 有限公司、Bioscrypt(BII)公司、德国的 COGNITEC SYSTEMS GMBH 信息技术软件公司以及西班牙知名的 Herta 公司,他们同样也在人脸识别技术的研究开发这一邻域上取得相应的成功。在 Multimode Verification 上有美国的 IDX-Identix 有限公司,它包括了指纹的验证还有虹膜的验证。作为同属美国知名企业的 Bioscrypt(BII)公司,它一开始是在指纹识别考勤领域上, 后加入了人脸识别研究行列,并在这个行列上取得了很大的成功,是一个在占了美国政府很大市场占有率的知名企业。而德国的 COGNITEC SYSTEMS GMBH 信息技术软件公司, 其公司关键研究的是政府所需的人脸识别系统项目,单从这一方面就能看出其研究成果的不凡。
在国内就有百度智能云、阿里云、腾讯云等类似的行业巨头同样在人脸识别技术上取得很大的成果并与企业产品相结合,充分地把人脸识别技术商业化,成功的带来了更多的
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利益。实际上人脸识别技术的商用化并不仅仅是带来了金钱方面的利益,更把人脸识别这一新方法映入大众的眼帘,使大家能够更好的体验从而接受这一新事物新方法,是时代与科技能够得到发展的一个重要环节。由于国内起步较晚,直接导致在这一邻域上的研究成果出现的较晚于国外,但在近几年的飞速发展中可以看出差距也是在不断变小。

1.3主要研究内容

本课题的计划是实现一个基于人脸识别的教室管理系统。拟定实现一个快速高效准确管理学生与教室的一个管理系统。主要研究在对于图像源采集处理,与教室管理系统相结合。主要数据通过引入人脸识别接口来采集相应的图片源并记录在系统数据库中,再收集相应的图片信息,继而使用在点名打卡、纪律管理、迟到早退记录、教室重大公共财产的使用记录、教室安全等功能上。[2]

1.4论文组织结构

本论文大致上分成七个部分,由这七个部分大致地做出介绍。
第一部分是对前言的概述,主要是对所研究内容的研究背景、所研究项目的国内外已有的研究现状和本系统关键的研究内容做出与她们相对应的简单介绍与说明,对论文的结构做出大致介绍与分析。
第二部分是对系统所用到的开发的环境和所需要的技术的引入。
第三部分是对本系统的系统分析进行说明,这一部分关键是对系统进行的可行性分析、系统功能需求的分析、系统其他性能的分析并对它们进行用例建模。
第四部分是对系统设计的简单概括与描述。这一部分的内容分成对系统环境要求的说明和对功能模块的设计与展示、系统活动图的设计与展示、数据库的设计与展示。
第五部分是对系统实现进行简单说明,关键点是对系统所需要的运行环境和系统的主要功能实现的简单介绍与展示。
第六部分是对项目进行的测试,主要是对系统所实现的部分功能进行测试并展示该部分结果。
第七部分是总结与展望,该部分是对本论文的高度总结与归纳,也说明介绍其将来的发展空间。

2 系统开发环境和技术介绍

2.1J2EE 架构

J2EE 可以给企业系统提供非常良好的结构关系和运行方式。它能够供应 Heterogeneous Environments,在这样环境中的 Portable Program 都可以利用J2EE 来进行系统项目的开发。一般基于 J2EE 的程序,只要设计结构足够合理,就能部署到各种平台。它使用了一种特殊的方法,就是把通用服务器端复杂的任务交付给中间供应商来完成,这样就能实现让开发变得更加高效。很多 C/S 方面的问题就可以利用这种多层结构的公布示模型来解决,这样同时也可以降低开发的难度与开发的成本,缩短开发的时间,从而提高开发的效率。[3]
2.2SSM 架构

SSM 框架是 Spring 和 Spring MVC 以及 MyBatis 三个框架的功能整合,它的名称来源也是由这三个框架的首字母缩写拼凑组合起来的。它属于标准的 MVC 模式,在目前所使用的 Java EE 企业级框架中,是继SSH 框架之后较为主流的框架,在搭建各种大型的企业级应用系统时都可适用。[4]

2.2.1Spring

Spring 是在 2003 年时出现的一个开源轻量的 Java 开发框架,它的出现是为了把开发的复杂性理清楚,并且做出决断。可它的用途却不止是服务器端的开发。从 Simplicity、Testability 和 Loose Coupling 这三个方面上看,所有的 Java 应用都可以得到相应的好处。

2.2.2MyBatis

MyBatis 是一个基于Java 的 Persistence Layer Framework,它原来属于 iBATIS 中,在2010 年时项目转移至Google Code 并改名为MyBatis。可以通俗的理解成是用来对管理数据时进行增加、删除、修改、查询的框架。

2.3Spring Boot 框架

Spring Boot的存在是为了让Spring 应用程序更快的运行起来并且在运行时尽可能的减少配置文件。[5]它默认配置了很多框架的使用方法,整合了很多的框架,是所有基于 Spring 开发的项目的起点。[6]

2.4Xampp 软件站集成软件包

Xampp 是同时具有 Apache、MySQL、PHP 和 PERL 的软件包,在很多种操作系统上都可以安装运行并且正常使用,还支持多种语言。它的安装与使用难度远远低于去安装Apache 服务器后,再添加 MySQL、PHP 和 PERL 的难度,只需要在官网上下载后然后进行解压缩,再直接启动就完成了Xampp 的安装。[7]

2.5Spring Tool Suit (STS)开发环境

Spring Tool Suit (STS)是用来开发Spring 应用程序,它有现成的使用环境,以实现、运行及部署Spring 应用程序,还提供了 Git、Maven、AspectJ 和最新的 Eclipse 的版本这四个所需要的整合支持,有点类似Eclipse 的定制版,它的核心还是Javee 版本的 Eclipse。[8]

2.6百度智能云人脸识别接口

百度智能云所提供的人脸识别接口包括了提供人脸检测、人脸对比、人脸搜索、人脸库管理、身份验证、在线活体检测、视频活体检测等功能。[9]已经充分应用在广大市场中, 其所涉及应用的行业有金融、安防、教育、医疗等多种领域,也在这些邻域上取得优秀的成果。[10]

3系统分析

3.1可行性分析

教育事业的大力发展,学生数量的剧增也是一个必然的事件。在面对越来越庞大的学生群体时,小范围的管理其管理精确程度往往会高于大范围的管理,所以教室管理系统也理应顺势而生来替代大范围管理的校园管理系统。可以使学校对学生进行更加精确高效的管理,提高管理效率。

3.1.1需求可行性

学生人数的急剧增长并且再未来也会是呈增长趋势,采用管理作用范围是整个校园的管理系统,容易出现数据错误的可能性也很高,数据量越大,数据出错性就容易变大,且不能精确的管理,导致管理效率降低,所以采用小范围的管理,因为在面对这么大量的学生数据时,小范围的管理的精确程度往往会高于大范围的管理的精确程度。由此可见教室管理系统的出现是可行的。

3.1.2技术可行性

采用 SSM 框架来设计基于人脸识别的教室管理系统,它集合了Spring,Mybatis 这两种开源框架,包含了 Spring,Mybatis 的优点,也是一个可以用来制作 web 项目的框架。使用 XAMPP 软件站集成软件包来完成数据库的信息存储,它所包含的 Apache、MySQL、PHP 和 PERL 可以实现项目所需数据库的基本要求。在 Spring Tool Suit 上进行代码编写, 代码测试与功能实现,在技术上看是可行的。

3.1.3操作可行性

基于人脸识别的教室管理系统可以从很大的程度上保证数据的准确性,因为它所管理的数据范围较小,其所储存的数据量相比与管理范围大的校园管理系统而言要小得多,数据量小数据出错的可能性就会相应的降低。使用人脸识别技术结合管理就能快速的解决点名签到、迟到早退、教室安全、教室纪律和教室公共财产管理的问题,提高教室管理效率。

3.2功能需求分析

经过对基于人脸识别的教室管理系统进行需求分析后,可以得出结论,该系统的面对用户应该是普通管理员和高级管理员,即学校教师中有对教室进行管理这一职责的教师。管理员可对系统的所有信息进行数据的管理与数据信息检测。普通管理员有高级管理员进行人员管理,高级管理员由校方直接任命。权限等级较低的管理员担负所有学生的信息管理的职责,权限等级较高的管理员负责对权限等级较低的管理员进行信息管理,权限等级高级管理员权限大于普通管理员权限。
在本次项目中关键的功能模块包括学校管理员信息的管理、学生信息的管理、班级信息的管理和安全信息的管理这四个模块。把这些模块的功能整合在一起来实现基于人脸识别的教室管理系统的主要功能。

3.2.1前台功能说明

基于人脸识别的教室管理系统的前台管理模块包括以下几个功能模块:
1.登陆注册:如果系统中已经存在个人账号与个人信息,则可以直接通过账号密码或者直接点击人脸识别登陆,直接登陆系统继续进行操作;如果没有个人账号或个人信息, 则可以点击注册,使用教职工工号进行注册,注册成功后登陆账户进行个人信息的完善, 再继续系统内的其他功能操作。
2.信息搜索:信息搜索分为管理员信息搜索与班级信息搜索。管理员信息搜索要求输入管理员姓名与工号,可搜索查询显示其管理范围与数据操作记录;班级信息搜索要求输入班级编号,可以搜索查询显示出班级管理员信息与班级课程信息。

3.2.2后台功能说明

基于人脸识别的教室管理系统的后台功能模块主要包括以下几个模块:
1.登陆模块:操作使用者通过账号登陆或者面部识别登陆进入本系统进行数据管理操作。
2.管理员信息管理:主要对不同权限等级的管理员进行相关的数据操作。
3.学生信息管理:主要对学生的资料进行相关的数据操作,对学生的考勤、学生课堂记录编辑与查看等功能的数据进行管理。
4.班级信息管理:主要对班级的相关的资料与班级的课程信息进行相关的数据操作。

5.安全信息管理;主要对教室公共财产使用情况、教室环境检查记录等进行数据管理。

3.2.3系统用户角色分析

权限等级较高的高级管理员拥有最高管理权限,可以使用系统已经设定好的所有功能模块,并且有对管理员信息进行信息数据管理的权限。
权限等级较低的普通管理员只可以对学生、班级和安全信息管理这三个模块进行数据信息管理,权限低于高级管理员所拥有的管理权限。

3.3其他性能分析

3.3.1系统安全性

本系统对于管理权限的限制与划分有非常严格的要求,要求的主要细节如下:
如果高级管理员要登陆本系统就要进行相关的操作,就是使用自己所用的工号密码进行登陆操作,普通管理员也是需要用自己的工号密码进行登录,才可以使用相关权限,所做的具体操作都是通过登录的账户类型进行的判断,相应的账户才能进行相应的操作。这样做可以使本系统的安全可靠性得到更好的保证。

3.3.2数据完整性

本系统的所有信息数据记录必须要完整,对于重要信息的内容记录不可为空。在系统中如果数据与数据之间存在一定的联系,就要求必须要保证其联系的准确性。在本系统内存在的不同的记录中,相同的信息必须保证一致。

3.4用例建模

用例建模的主要内容包括用例图和用例规约。[11]用例图是用来对系统的功能做出简单的描述,用例规约是用来对用例图中的每个用例进行详细的文本说明[12]。

3.4.1用例图

基于人脸识别的教室管理系统主要满足高级管理员与普通管理员对学生的信息数据管理及教室安全管理的管理需求。

高级管理员的主要管理权限主要有以下几个方面:学校管理员信息管理,其中包括账号信息、个人基本信息;还有审查权限,包括班级信息审查,其中包括班级的基本信息审查;学生信息审查,其中包括学生的相关资料数据审查,学生日常记录审查;还有安全信息审查,其中包括对教室安全信息的数据审查。
高级管理员的用例图详情如图 3.1 所示。基于人脸识别的教室管理系统设计与实现_第1张图片
图 3.1 高级管理员的用例图
普通管理员的主要管理权限主要有以下几个方面:班级信息管理,其中包括班级的基本信息;学生信息管理,其中包括学生的资料数据操作,学生平时相关记录操作;安全信息管理,其中包括对教室安全信息的相关数据操作。
普通管理员的用例图详情如图 3.2 所示。
基于人脸识别的教室管理系统设计与实现_第2张图片
图 3.2 普通管理员的用例图
结合以上用例图的分析可知,本系统分为三个拥有各自相对应的功能及相对应的用户权限的不同角色类型。系统的用例图如下图 3.3 所示。基于人脸识别的教室管理系统设计与实现_第3张图片
3.4.2系统用例规约

在该系统中所使用到的部分用例如下面各个表格所示。
表 3.1 学校管理员信息管理的用例规约

执行者 高级管理员 普通管理员

用例描述 本用例通过操作使用者自身权限对管理员信息进行操作,高级管理员拥有最高权限, 可对系统内的所有信息进行各项的数据管
理。 本用例通过操作使用者自身权限对管理员信息进行操作,普通管理员可对系统内除管理员信息外的所有信息进行
各项的数据管理。

前置条件 操作使用者是系统中已经存在的并且已经
使用自身高级管理员身份账号登陆系统。 操作使用者是系统中已存在并已经使
用自身普通管理员身份账号登陆系统。

后置条件 系统保存操作使用者在高级管理员的权限
内所进行的所有信息数据操作。 系统保存操作使用者在普通管理员的
权限内所进行的所有信息数据操作。

操作路径 通过登录界面登陆系统对系统功能模块进
行选择操作。 通过登录界面登陆系统对系统功能模
块进行选择操作。
业务规则 使用者为系统内存在的高级管理员。 使用者为系统内存在的普通管理员。

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部分截图
基于人脸识别的教室管理系统设计与实现_第4张图片
基于人脸识别的教室管理系统设计与实现_第5张图片
基于人脸识别的教室管理系统设计与实现_第6张图片
基于人脸识别的教室管理系统设计与实现_第7张图片
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