基于人臉識別技術的智能講臺的設計

黃燕琴

基于人臉識別技術的智能講臺的設計

黃燕琴

（漳州職業技術學院電子工程系，福建漳州363000）

隨著“互聯網+”及智能化技術的普及，終將形成新一代的教育教學模式，即“互聯網+教育”模式，筆者就是利用基于人臉識別技術實現教學管理的信息化和自動化.其關鍵技術是人臉識別技術，以Matlab為平臺，對圖像進行二值化處理，統計人臉像素比例信息，基于網絡技術，講臺數據與遠程教學服務器對接可實現教學管理智能化.

智能講臺；人臉識別；二值化；互聯網+

隨著電子技術時代的到來，以信息技術為核心的多媒體技術得到了快速的發展，于是出現了多媒體教室，即把講臺桌、展示臺、計算機、顯示屏、投影儀、控制器及音響設備等整合在一起的多媒體講臺［1］.近年來，隨著互聯網到物聯網，再從物聯網到互聯網+的發展變化，以及智能化技術的普及，終將形成新一代的教育教學模式，即“互聯網+教育”模式，以信息化、智能化為核心的智能講臺的設計需求也將應運而生.

隨著各式各樣的多媒體講臺及配套設備進入學校，在為師生提供更方便、更多樣化的多媒體教學的同時，也在這個過程中暴露出了一些問題，這些問題經過歸納可總結為4點.

（1）多媒體講臺的設備及輔助配套設施越來越豐富，內部的各類教學軟件，造成了整個系統難以進行統一的規劃和管理，各設備之間相對分散，不能進行很好的流暢操作［2］.

（2）多媒體附加的單元越來越多，使得使用者的難度提高，管理者和維護人員的負擔也在增加［3］.

（3）多媒體講臺各個設備的操作都相對分散和獨立，不夠清晰、統一，使用者需要花費很多時間熟悉，增大了使用難度.

（4）講桌的外形結構設計單一，不夠人性化.

為解決現有傳統多媒體講臺技術中的不足，智能化講臺旨在設計一款能夠人臉自動識別學生、一鍵自啟動、實現學生考勤登記、教師自動識別及簽到，并最終通過網絡把相關數據實時傳輸到教學管理系統，針對中小學課堂，還增加了學生人體溫度監測等多種功能的信息化智能講臺.

1基于人臉識別技術的信息化智能講臺的設計

基于人臉識別技術考勤、一鍵啟動講臺設備、身份識別自動教學評價，還有環境及人體紅外體溫健康監測為一體的信息化智能講臺.再通過網絡技術，實現講臺數據與遠程教學服務器的對接與管理.

1.1智能化講臺的主體部分

智能化講臺，包括講臺本體、中央控制器、計算機主機、顯示屏、投影儀和音響設備，講臺本體的側面上滑動設有抽拉式的控制柜、展示臺和鍵盤托板，中央控制器設在控制柜內，計算機主機和音響設備設在講臺本體的內部，顯示屏嵌設在講臺本體臺面的一端，投影儀設在講臺本體臺面的另一端，鍵盤托板上設有鍵盤和鼠標，顯示屏、鍵盤和鼠標分別與計算機主機電連接，計算機主機、投影儀和音響設備分別與中央控制器電連接（見圖1）.

圖1信息化智能講臺

智能化講臺還包括升降臺、升降驅動機構、攝像頭、人臉識別器、人體溫度監測器、報警器和存儲器，升降臺設在講臺本體臺面另一端的上方，升降驅動機構設在講臺本體內部，升降驅動機構可以是氣缸或升降電機等.升降驅動機構上設有支撐桿，該支撐桿延伸出講臺本體的臺面，并與升降臺固定連接，攝像頭和人體溫度監測器分別設在升降臺上，升降驅動機構可以調節升降臺所處的高度，根據不同學生的高度調整攝像頭和人體溫度監測器所處的位置.

人臉識別器、報警器、存儲器設在控制柜內或講臺本體內部；攝像頭通過人臉識別器與中央控制器電連接，人體溫度監測器、報警器、存儲器和升降驅動機構分別與中央控制器電連接.講臺本體、中央控制器、計算機主機、顯示屏、投影儀和音響設備，講臺本體的側面上滑動設有抽拉式的控制柜、展示臺和鍵盤托板，控制柜、展示臺分別設在講臺本體相對的兩側面上，中央控制器設在控制柜內，計算機主機和音響設備設在講臺本體的內部，講臺本體臺面的一端轉動連接有翻轉臺，顯示屏嵌設在翻轉臺上，投影儀設在講臺本體臺面的另一端，鍵盤托板上設有鍵盤和鼠標，顯示屏、鍵盤和鼠標分別與計算機主機電連接，計算機主機、投影儀和音響設備分別與中央控制器電連接.

1.2智能化講臺的控制柜

控制柜由設在講臺本體內部的第一電動推桿驅動滑動，展示臺由設在講臺本體內部的第二電動推桿驅動滑動，鍵盤托板由設在講臺本體內部的第三電動推桿驅動滑動，翻轉臺由設在講臺本體內部的第四電動推桿驅動翻轉，第一電動推桿、第二電動推桿、第三電動推桿和第四電動推桿分別與中央控制器電連接；講臺本體的臺面上設有與中央控制器電連接的一次啟動鍵.

1.3智能講臺的整機實現

攝像頭獲取學生臉部圖像信息并發送至人臉識別器，人臉識別器提取存儲器中預存儲的臉部圖像數據進行比較識別并生成識別數據，人臉識別器完成識別后將識別數據發送至中央控制器進行處理，中央控制器根據識別數據生成學生考勤情況表，保存至存儲器，同時通過局域網傳輸到教務管理系統中備案，或是通過互聯網把學生考勤情況表保存到云端服務器中.

人體溫度監測器監測學生的人體溫度，并將測得人體溫度數據發送至中央控制器處理，中央控制器配合人臉識別所得的識別數據生成當日學生體溫表，保存至存儲器及云端服務器中，當人體溫度超出預設范圍時，中央控制器控制報警器發出警報.

固定攝像頭和人體溫度監測器的升降臺高度的調整可通過手動或自動調整.手動調整是通過按鍵來控制升降驅動機構上升與下降，自動調整是中央控制器根據攝像頭獲取的學生臉部圖像信息與人臉識別器經識別生成的數據，來判斷是否已經得到完整臉部特征，如果臉部位置偏低，則降低升降臺，否則提高升降臺位置.

電子鎖為NFC電子鎖、RFID電子鎖或指紋識別電子鎖.中央控制器在確認教師身份合法后自動開啟多功能智能講臺，多次判斷身份失敗，則拒絕開啟講臺，并通過報警器報警.

當觸發一次啟動鍵時，中央控制器控制計算機主機、顯示屏、投影儀、音響設分別啟動.還可以根據需要設定設備的開啟個數和各設備的開啟順序.當觸發一次關閉鍵時，中央控制器控制計算機主機、顯示屏、投影儀、音響設備分別關閉.關閉時，也可以根據需要設定各設備的關閉順序.

2人臉識別技術

2.1邊緣檢測的圖像二值化處理

人臉識別特指利用分析比較人臉視覺特征信息進行身份鑒別的計算機技術.人臉識別是一項熱門的計算機技術研究，在生活中許多方面都有著重要應用.在各種圖像處理系統中，現有圖像處理中邊緣檢測的圖像二值化算法是一種較好的方法，得到了廣泛應用.在進行圖像二值化操作前要對圖像進行預處理，包括彩色圖像灰化和增強［3］.常用的灰度均衡實現算法主要是直方圖均衡化［4-6］.

設原始圖像為g(x，y)，利用下式可得到拉普拉斯高斯算子的輸出：h(x，y)：

采用卷積定理，式子可以轉變為：

式中：Δ2為拉普拉斯運算：

根據模板寬度w選擇δ的取值，假如w相對于δ取得小，則邊緣位置精度高；反之，如果w相對于δ取得大，則檢測出來的邊緣位置會偏離真實邊緣過大，且會濾掉一些重要的細節部分.找出原始圖像g(x，y)中的所有邊緣像素點后，求取這些像素點灰度的平均值Vh，用Vh為閾值.二值化后的圖像pw(x，y)：

2.2實驗結果

通過對人臉圖像做二值化，統計像素比例信息，得到人臉識別結果.基于圖像網格分析做處理，得到分析結果.二值化圖像既保留了原始圖像的主要特征，又在很大程度上壓縮了原始信息量，而且它避免了乘法運算，比灰度級圖像更適合符號法表示［7-8］.圖像二值化分析法也是一種經典的處理方式.這里將人臉圖像打上網格，對區域塊圖像做二值分析，通過像素比例來做處理，得到人臉區域（見圖2）.

Matlab圖像處理工具箱提供了bwarea函數用來提取二值化圖像的面積.應用這一點就可以比較二值圖像面積，從而得到相對的識別率0.921 4.

3結語

邊緣檢測的二值化處理方法是人臉識別的重要技術，講臺就是基于人臉識別技術自動實現學生和教師的識別及考勤登記，并把這些數據實時與教務系統交互共享.人體紅外溫度監測器實現對學生健康狀態監測，特別適合小學或幼兒園.“互聯網+教學管理”通過互聯網把講臺數據實時傳送至云端及校園服務器，實現遠程教學、教務管理.筆者下一步將綜合考慮人臉表情的識別，進一步優化智能講臺.

圖2MATLAB仿真效果圖

［1］Branun T.InternetProtocoalsMultimediaCommunications(Part)[J].IEEE Multimedia，2006，25（9）：85-90.

［2］王玉芬，郭曉娟.云計算對高校教學資源影響解析[J].實驗技術與管理，2010（5）：111-113.

［3］Huang D,Shan C F,Ardabilian M,et al.Local binary pattern and its application to facial image analysis：a survey[J].IEEE Transitions on systems，Man，and Cy-bernetics，Part C：Applications Review，2011，41（6）：765-781

［4］莊哲民，張阿妞，李芬蘭.基于優化的LDA算法人臉識別研究[J].中國圖像圖形學報，2007，29（9）：47-49.

［5］趙全友，潘保昌，鄭勝林，等.基于LoG算子的邊緣零交叉二值化方法[J].微型機與應用，2005（8）：46-48.

［6］彭立芹，馮文釗，曾志遠.一種改進的LoG遙感數字圖像邊緣提取算法[J].南京師范大學學報，2004，4（4）：47-50.

［7］劉新永，蔡鳳麗，王志楊.基于MATLAB的人臉檢測定位算法研究[J].通化師范學院學報，2015，36（6）：11-13.

［8］王瑋，黃非非，李見為，等.使用多尺度LBP特征描述與識別人臉[J].光學精密工程，2008，16（4）：696-705.

On the Design of Intelligent Platform Based on Face Recognition Technology

HUANG Yan-qin
（Department of Electronic Engineering,Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou 363000,Fujian,China）

With the popularization of"Internet+"and intelligent technology,a new generation of education and teaching model will be formed,namely,"Internet+Education".This project is based on face recognition technology to realize the informationization and automation of teaching management.The key technology is the face recognition technology,with matlab as a platform for binary image processing and statistics face pixel ratio information.Based on the network technology,the platform data and the long-distance teaching server docking may realize the teaching management intelligence.

intelligent platform；face recognition；binarization；Internet+

TP391.4%

A%%%

1007-5348（2017）03-0025-04

（責任編輯：歐愷）

2016-11-29

黃燕琴(1982-)，女，福建漳浦人，漳州職業技術學院電子工程系講師；研究方向：電子信息技術.