基于人臉識別的集中式校園晨跑系統設計與實現

王超

摘要：在智慧校園建設中，人臉識別技術不僅能提升用戶體驗，還能提高管理效率。晨跑方案制定和技術選型因各校環境不同而有所差異，刷卡、指紋或App方案各有優缺點不適用于所有場景。文章提出的人臉識別晨跑方案，解決了集中時段、固定路線、有志愿者監管的大規模晨跑模式的痛點，提升了用戶體驗，有效防止代跑，降低了管理成本，實現了高效晨跑打卡。

關鍵詞：晨跑；人臉識別；系統設計

中圖分類號：TP319? 文獻標志碼：A

0 引言

一日之計在于晨，早起自律，晨跑健體，許多高校組織晨跑活動以提高學生身體素質，培養運動習慣，激活學生學習狀態，開啟富有活力積極向上的一天。為了監督學生晨跑，晨跑成績被計入體育成績，成為考核的一部分，影響評優評先。所以，在設計晨跑系統時，既要提升用戶體驗，又要便于管理，更要保證成績的公平性，高效晨跑系統設計是一個值得研究的方向。

根據作者多年的觀察和實踐可知：晨跑的開展需要借助信息化手段。通常記錄跑步次數的方式有刷卡［1］、指紋、App［2］、刷臉［3］等。（1）刷卡打卡方式方便靈活，其缺點是代刷代跑且卡片復制難以監管。隨著聚合支付和人臉識別的普及，校園卡使用場景越來越少，丟卡補卡給晨跑帶來諸多不便，急需免卡晨跑方式。（2）指紋打卡方式的錄入成本高，需要專門組織學生錄入，在背光時指紋識別不靈敏，更存在無指紋或指紋不明顯的特例，其體驗感不佳。（3）App打卡方式靈活便捷，但需要額外下載手機軟件，存在軟件和設備的兼容、定位不準等問題，開發維護成本較高，且看手機跑步存在一定安全隱患。（4）傳統的面板機刷臉打卡方式識別率高，能夠實時獲取刷臉狀態，但因場地問題難以規模部署，通過速度較慢。

高校因校區環境地形和布局等差異，逐漸形成了適合自己的晨跑模式，大約可以分為兩類：（1）多點位、多路線的靈活晨跑。（2）固定路線的集中式晨跑。學生晨跑的行動路線通常是宿舍-晨跑起點-晨跑終點-食堂-教室。如果宿舍區和教學區都不集中，選擇靈活晨跑方式最便捷，由學生自行安排晨跑路線，靈活晨跑往往通過App打卡。本文提出的人臉識別改進方案，配合高性能抓拍機可以對移動的行人進行批量識別，解決識別慢、誤識別和識別提醒難等問題，完美匹配集中時段、固定路線、有志愿者監管的高效晨跑模式，提升用戶體驗，降低管理成本，真正做到智慧晨跑。

1 設計

本節基于集中時段、固定路線、有志愿者監管的晨跑模式并結合人臉識別技術，對晨跑系統進行設計，設計時結合多方因素，以百分百識別和快速通過為核心目標。下面將具體從架構和軟件模塊對晨跑系統進行詳細介紹。

1.1 架構設計

集中時段、固定路線意味著學生集中參與晨跑，人流量較大，需要保證學生快速通過避免人員擁堵。隨著人臉識別技術的不斷發展，一對多識別的速度和準確率已經達到商用水平，完全適用于晨跑場景。筆者圍繞一對多識別技術提出的校園晨跑系統可以分為硬件和軟件兩部分。

1.1.1 硬件

硬件部分主要是識別設備，負責圖像采集與識別，包括一對多識別的抓拍機、一對一識別的面板機。常見的人臉識別設備多用于校門、宿舍、支付，都是單人識別，在使用高峰期往往需要排隊，增加設備數量可以解決排隊問題，但由于場地和成本限制，大量部署并不現實，且在使用低谷期會造成設備閑置。為了解決快速識別的問題，引入一對多識別抓拍機，不僅可以在一幀畫面上識別多人，還可以在跑動中進行抓拍識別。為了更好地識別，抓拍機的數量、位置、角度、參數等需要在正式使用前充分測試。為了更好地疏導學生，需要在抓拍機后布置面板機進行補充識別，讓未收到成功打卡推送的學生到面板機處打卡。

識別設備有兩種工作模式：一是前端識別。照片存儲在前端，前端抓取到人像信息后直接在本地進行人臉對比。其優點是去中心化，對網絡要求低；缺點是對前端設備的要求較高。二是后端識別。照片存儲在后端服務器，后端接收前端視頻流或前端分割好的人像圖片，在后端進行人臉對比。其優點是前端成本較低；缺點是需要額外的處理服務器，對網絡要求高。實際使用過程中，后端識別雖然系統完善，使用方便，但受網絡和后端處理服務器性能的限制會影響識別速度和設備擴充，不利于二次開發。在設備使用5G時，還需要考慮流量成本，所以前者是較為友好的方案。抓拍機人臉識別最大的難點是消息推送，面板機提供了一個屏幕可以展示識別情況，但抓拍機不帶屏幕。為了解決識別提醒的問題：一是另外安裝大屏幕將識別結果實時展示出來，在戶外場景中成本較高。二是使用消息推送手段推送至手機，可選短信推送或校級移動端消息推送。

1.1.2 軟件

軟件部分包括：設備管理模塊、人臉采集模塊、人臉識別模塊、學生模塊和晨跑管理模塊。其中，人臉識別部分涉及深度學習算法自研成本較高，建議使用硬件配套的算法，其余模塊可以自主開發。

1.2 模塊設計

1.2.1 設備管理

設備管理模塊管理所有前端識別設備。通過設備管理模塊可以消除設備的品牌、型號、軟件版本等不同導致的功能和接口差異，開發出設備對接、設備分組、人臉同步、圖像預覽、參數設置等基本功能，像操作一臺設備一樣操作所有設備。人臉圖像同步時，只要人臉在某個設備上不能正常地進行特征提取，則該人臉上傳都不應標記成功。

1.2.2 人臉采集

人臉采集模塊包括人臉數據的初始化和更新，人臉初始化通常使用新生入學證件照，然后提供圖片更新入口。采集圖片時應申明采集須知，明確使用范圍，明確照片的格式要求。更新圖片時需要經過相關責任人的審核，以防隨意上傳他人照片，擾亂晨跑秩序。許多高校已經建設了門禁系統，晨跑系統的人臉采集可以依托于現有系統，統一采集入口，減少重復工作。

1.2.3 人臉識別

人臉識別模塊接收或輪詢前端識別設備的識別結果，存入數據庫的同時向學生手機端推送。學生確認識別成功后開始晨跑，若識別不成功，至面板機進行補充識別，結束后考慮更新照片。

1.2.4 學生模塊

學生在該模塊查詢打卡詳情、有效次數、獎懲記錄、晨跑日歷、設置免打擾、更新圖片、查看幫助文檔等。打卡詳情詳細展示、學生打卡的時間地點，根據晨跑規則進行有效次數計算，累加獎懲記錄展示總有效次數。晨跑日歷不僅用于提醒當日是否晨跑，還進行有效次數的計算。誤識別的打卡提醒會給一部分不參加晨跑學生造成困擾，所以有必要設置消息免打擾的開關。有時面板機能識別而抓拍機不能識別的，需要引導學生進行照片更新。最后提供幫助文檔，說明進群方式或者內嵌客服系統進行問題收集和反饋。

1.2.5 晨跑管理

晨跑管理模塊對管理員開放，可以對一些關鍵參數進行設置，特殊情況不能晨跑或參加晨跑減免活動的，不僅可以在獎懲頁面單次或批量添加，還可以設置晨跑日歷，導出全體學生的有效晨跑次數，結合晨跑規則在關鍵時間節點群發次數預警提醒等。

2 實現

在設計晨跑路線時，結合學生宿舍、食堂、教室位置，綜合考慮合理規劃動線，然后確定抓拍機與面板機數量和點位布置，進行如下準備工作。

2.1 前端識別設備

選擇穩定可靠的一對多識別能力的前端識別設備，推薦選擇能自動對焦的設備降低維護難度，設備的圖片容量應能夠容納所有晨跑學生并留有余量，確定適合的高度和角度。實踐中，一個普通1080 p抓拍機基本覆蓋半幅路面，滿足3 000人半小時通行的規模，間隔15 m多個抓拍機接力識別可以適當疏導人流。

點位優先選擇具有天然通道型的場景，人臉在畫面中以正臉為主。若只能布置在道路兩側，則需要調試抓拍機的高度和角度，引導學生經過時注視攝像頭。點位應避開路口，避免出現各種角度的行走方向。

2.2 軟件功能實現

晨跑系統使用React進行前端交互，使用Java進行后端邏輯處理，使用PostgreSQL進行數據存儲。下面將針對各個模塊進行說明。

完成設備管理模塊，首先需要整理各類設備的接口文檔，封裝統一的設備管理接口，設計統一的狀態碼、錯誤碼和說明信息等。管理員可以添加、刪除和修改晨跑設備信息，如設備編號、設備位置、設備狀態等。設備位置分校區、路線編號和起終點，設備狀態分正常、故障和掉線等，能夠在統一的界面實時預覽畫面，能夠及時進行調整。圖片上傳時，應校驗在不同類型設備上是否都能正常特征提取，為了提高效率，也可以只選取一種最嚴格的設備來驗證特征提取，使得在其他設備可以正常上傳。

人臉采集模塊分兩種情況，如果學校已有人臉采集開放平臺的，可以直接使用平臺提供的數據進行錄入，錄入結果展示在學生模塊中。自建人臉采集平臺的，由學生閱讀并確認相關說明后，調用手機攝像頭拍攝純色背景、無美顏素顏照，再調用設備管理模塊的圖片錄入接口。錄入成功的，需存儲圖片信息包含學號、原圖、縮略圖、特征值等字段。涉及圖片更新時，由學生發起申請再由輔導員或班主任登陸晨跑管理審核通過。此外，還需要對接人員基本信息包含學號、姓名、性別、輔導員或班主任等字段，檢測到人員變更時應對照片信息進行相應的處置。

人臉識別模塊只含后端服務，監聽人臉識別結果推送或輪詢抓取，推送或抓取的記錄至少包含設備代碼、識別時間、識別學號等字段，然后存入數據庫，通過校級移動端平臺進行實時推送。

學生模塊頁面加載時調用后端接口展示數據，有效次數使用實際打卡記錄結合獎懲記錄數據，采用實時計算的方式，如有故障可以隨時通過修改數據庫進行調整。計算有效次數的核心邏輯是四層循環，第一層遍歷晨跑日歷表，第二層根據時間查找當天的所有記錄，第三、四層判斷當天的識別記錄是否計入有效晨跑。學生可以在此頁面查詢本學期和固化的往期記錄，可與學生體育成績系統打通。學生模塊是直接面向用戶的，視覺上盡可能美化設計，提升用戶使用體驗。

晨跑管理模塊服務于管理員查詢某個學生的晨跑記錄、操作獎懲記錄、導出成績、設置晨跑日歷、設置系統關鍵參數。管理頁面多設計批量導入、批量下載等實用功能。

最后，系統中存儲著一些敏感數據，體育成績非常嚴肅，應做好服務器的登陸限制、賬號密碼復雜度、接口權限校驗、代碼漏洞檢查等保證系統安全和信息安全。

2.3 管理與維護

晨跑的管理與維護也十分重要，集中式晨跑需要現場維持秩序，防止打印照片代刷、抄近道、騎車等違規行為，也要保障學生的安全，如組織汽車通行和幫助身體狀況不適的學生。定期對軟硬件進行檢查，接入監控報警功能，保證正常運轉。

3 結語

本文基于集中時段、固定路線、有志愿者監管的晨跑模式，設計了管理便捷、用戶體驗優秀的晨跑人臉識別系統。充分利用了人臉識別的優勢，有效防止代跑，降低管理成本，實現高效晨跑打卡。本系統經過充分論證，經歷試運行檢驗，能為其他高校設計晨跑提供參考借鑒。

參考文獻

［1］嚴宇倞.一種校園卡考勤簽到系統的設計［J］.中國市場，2016（50）：224-225.

［2］曹偉，葛小三.基于移動終端的高校晨跑打卡系統設計與開發［J］.測繪與空間地理信息，2022（6）：158-159，163.

［3］施雯斐.人臉識別在高校學生校園軌跡回溯中的應用［J］.黑龍江科學，2020（20）：29-31.

（編輯 姚 鑫）

Design and implementation of centralized campus morning running system based on face recognition

Wang? Chao1，2

（1.Information Construction and Management Office， Nanjing University of Posts and Telecommunications，

Nanjing 210023， China; 2.Smart campus Research center， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210023， China）

Abstract： In the construction of smart campuses， facial recognition technology can not only improve user experience but also improve management efficiency. The development of morning running plans and technical selection may vary depending on the environment of each school， and the card swiping， fingerprint， or App plans have their own advantages and disadvantages and are not Applicable to all scenarios. The facial recognition morning running solution proposed in the article solves the pain points of large-scale morning running modes with centralized time periods， fixed routes， and volunteer supervision， improves user experience， effectively prevents proxy running， reduces management costs， and achieves efficient morning running check-in.

Key words： morning running; face recognition; system design