基于人脸图像识别学生宿舍系统的设计与实现_分析日常的宿舍楼人脸识别使用情况抽取业务需求及技术需求

摘  要
21 世纪以来，各行各业都在迅速发展，而计算机技术由于其能给人类带来 各种方便，更是发展迅速。人脸识别技术是利用分析比较人脸视觉特征信息进行 身份鉴别的计算机技术，由于其实用性，已逐渐被越来越多的用户接受和熟悉。 学校管理人员对学生宿舍的管理要求越来越高，如何对学生宿舍进行智能化管理 已经成为学校管理人员需要面对的一个问题。
本文主要从需求分析、关键技术、设计与实现、测试与分析四大部分对学生
宿舍管理系统进行了全方位的阐述，具体内容如下：
( 1) 本文基于人脸图像识别技术设计了学生宿舍管理系统，在文中描述了部 分功能的设计过程和设计成果，并且为学生宿舍管理系统的各种功能编写了详细 的测试用例，以便于对宿舍管理系统的各种功能进行测试，最后综合测试结果， 对这些测试结果进行分析。本文在文中描述了系统进行人脸识别的设计和实现过 程，并对人脸检测和人脸识别进行了实验，获取了人脸检测的速度和准确率以及
人脸识别的速度和准确率。
(2) 本文本文设计的学生宿舍管理系统面向大多数学校管理人员用户，具有 操作方便、易于使用的特点，方便大多数用户在短时间内掌握。同时，学生宿舍 管理系统的界面设计得简洁明了，使操作员在使用时一 目了然，只用简单的操作
就能获取所需信息。另外，系统采用了 SSM 框架，使得系统有了良好的扩展性。
(3) 系统在存储用户敏感信息时采用加密存储的方式，网络传输时启用安全 系数高的 HTTPS 协议传输数据，严格控制用户权限，限制用户数据的传播范围。 同时系统能够严格控制宿舍进出人员的进出权限，可以避免非授权人员进入，引 发风险，可以提高学生宿舍管理的保密性和安全性。
关键词： SSM；人脸识别； 宿舍管理系统
Abstract
Since the 21st century, all walks of life are developing rapidly, and computer technology is  developing rapidly because  it can bring all kinds of convenience to human beings. Face recognition technology is a kind of computer technology which uses  the  analysis  and  comparison  of face  visual  feature  information  for  identity identification. Because of its practicability, it has been gradually accepted and familiar by more and more users. School administrators have higher and higher requirements for the management of students' dormitories.Therefore, how to carry out intelligent management of students' dormitories has become a problem that school administrators need to face.
This thesis mainly expounds the management system of students' dormitory from four parts:  demand  analysis, key  technology,  design  and  implementation, test  and analysis. The specific contents are as follows:
Firstly, this thesis designs the dormitory management system based on the face image recognition technology. This thesis describes the  design process  and design results of some functions, and compiles detailed test cases for various functions of the dormitory management system, so as to facilitate the testing of various functions of the dormitory management system, and finally synthesizes the test results to analyze these test results.  In this thesis,  I  describe the  design  and  implementation  of face recognition  system,  and  do  experiments  on  face  detection  and  face recognition to obtain the speed and accuracy of face detection and face recognition.
Secondly, the  student  dormitory management  system realized in this thesis  is designed for the majority of school administrators. It is easy to operate and use, which is convenient for most users to master in a short time. At the same time, the interface of student dormitory management system is designed succinctly and clearly, which makes the operator clear at a glance when using, and only simple operation is need to obtain  the  required  information.  In  addition,  the  system  adopts  SSM  framework,
which makes the system have good flexibility.
Finally, the system uses encrypted storage when storing sensitive information of users, and enables high security HTTPS protocol to transmit data, which can strictly control the authority of users and limit the spread range of user's data. Meanwhile, the system can strictly control the access rights of the personnel in and out of the dormitory, which can avoid the risk caused by the entry of unauthorized personnel. It improves the confidentiality and security of dormitory management.
Key words:SSM; Face recognition; Dormitory management system
目  录
摘  要 I
Abstract
1 绪论  
1.1 课题背景及研究意义 
1.2 国内外学生宿舍管理系统研究现状
1.3 人脸识别技术的研究现状 
1.4 本论文主要工作内容 
1.5 本论文创新点 
2 学生宿舍管理系统技术选择和需求分析  
2.1 Spring 
2.1.1 IOC
2.1.2AOP
2.2 Spring MVC
2.3 MyBatis
2.4 系统需求概述 
2.5 系统建设目标
2.6 用户特征 
2.7 非功能性需求 
3 学生宿舍管理系统平台设计
3.1 平台架构设计 
3.2 系统总体业务描述 
3.3 学生宿舍管理系统前端设计概要
3.4 用户管理 
3.4.1 宿舍管理员权限
3.4.2 辅导员权限
3.4.3 学工处权限
3.5 业务流程 
3.5.1 宿舍大门出入流程图
3.5.2 宿舍异常就寝记录流程
4 人脸识别在学生宿舍管理系统中的应用  
4.1 机器学习 
4.2 人脸图像采集 
4.3 人脸检测 
4.4 人脸图像预处理 
4.5 人脸识别 
4.6 学生宿舍管理系统中人脸识别的应用
5 学生宿舍管理系统的实现与测试 
 5.1 前端代码结构设计 
5.2 系统登录页面设计 
5.3 学生宿舍管理系统基础管理 
5.3.1 学生信息管理. 
5.3.2 住宿分配管理. 
5.3.3 调宿管理
5.3.4 退宿管理
5.4 学生宿舍管理系统宿舍就寝信息管理
5.4.1 出入记录管理
5.4.2 就寝补录
5.4.3 请假信息
5.4.4 晚休就寝管理
5.4.5 午休就寝管理
5.4.6 告警管理
5.4.7 就寝统计
5.5  功能测试
5.6 详细测试记录 
5.6.1 查看学生信息功能测试记录
5.6.2 修改学生信息功能测试记录
5.7 人脸识别测试 
6 总结与展望
参考文献
致谢
1 绪论
1. 1 课题背景及研究意义
学生宿舍对绝大多数高校来说都是一个非常重要的地方，学生们在这里学 习、休息、娱乐，期间经常会发生各种各样的事情，对于大多数学生来说，宿舍 生活是大学生活中最主要的一部分之一。高校学生都很年轻，心态不成熟，他们 是一个极不稳定的群体。因此，学校需要尽力保证这个团体的稳定以及他们的人 身安全，这不仅影响学生自身的成长，也影响学校的秩序，更影响社会的发展和 进步，在校内学生宿舍安装人脸识系统来记录和控制学生的新出，以便于保护学 生安全是非常有用的。
人脸识别技术是新时代的身份识别技术，它作为计算机技术的一种在计算机 技术飞速发展的带动下得到了快速发展，也逐渐被广泛应用。如今，人脸的机器 识别已用于需要可靠识别人类的各种民用和执法应用中。用于建筑物或安全区域 中的物理访问控制的身份验证是最常见的面部识别应用程序之一[ 1][2]。在访问点， 某人的面部图像被相机捕获，并与此人的预存图像匹配，只有匹配时，才允许访 问。对于安全性较高的区域，可以与刷卡组合使用，以便进行双重检查[3] 。例如 这种面部识别系统安装在机场中，以方便机组人员和机场工作人员通过不同的控 制级别，而不必出示身份证或护照。为了允许通过互联网进行安全交易，可以使 用面部验证方式代替诸如密码或 PIN 码之类很容易被盗或被遗忘的电子验证方 式[4][5] 。这些应用程序包括电子商务和移动商务及银行业的安全交易、计算机网 络接入以及诸如电子健康和电子学习等个性化应用程序。人脸识别也被用于刑事 鉴定（匹配面部照片） 和公共场所监视的法医应用，以检测是否存在罪犯或恐怖 分子（例如在机场或边境管制） 。它还用于政府申请，如国民身份证、驾驶执照、 护照和边境管制、移民等[6][7]。
人脸识别也是无处不在且无处不在的计算的重要组成部分，其目的是将智能 整合到我们的生活环境中，并允许人类以自然的方式与机器进行交互[8] ，就像人 与人之间进行交互一样。例如，智能家居应该能够识别所有者，他们的家人，朋 友和客人，记住他们的喜好（从喜欢的食物和电视节目到室温） ，了解他们在说 什么、他们在看什么、每个人在看什么、手势、动作或表情，并根据所有这些提示来便利日常生活。
人脸识别技术首先要从摄像头记录的视频中检测人脸，然后利用数字图像处 理技术，提取人脸特征值，跟事先采集的人脸信息库做对比来完成人脸识别。在 学生宿舍门口实用人脸识别技术来控制可以提高学校管理人员的效率和准确性。 在学生宿舍管理过程中使用人脸识别技术，对于维护学生宿舍的秩序和稳定以及 保护学生的安全是有重大作用的。
1.2 国内外学生宿舍管理系统研究现状
中国的专家学者早在上世纪末就开始研究学生宿舍管理方面的问题。学生宿 舍管理系统的研究极大地提高了学生管理的工作效率，改善了学校资产长期流 失、经营不善等一系列问题。2010 年，唐红雨、何峰和郑明喜在他们的著作中 指出根据实际需要,设计学生宿舍管理系统,然后再研究开发学生宿舍管理软件, 可以达到降低管理成本,提高宿舍管理效率的目的[9]。学生信息的输入、整理和分 类极其繁琐，不利于学校的长远发展，因此，运用现代计算机技术来节省管理人 员的时间，用人脸识别技术来提高学生宿舍管理的准确率来改进当下的学生宿舍 管理系统是非常有必要的。2015 年，郭旭和田金琴在他们的著作中表明，研究 和设计学生宿舍管理系统是为了更方便更快捷地管理学生们在学生宿舍中的学 习和生活,能方便地解决学生在学生宿舍期间遇到的各种问题或者困难[ 10] 。2018 年，井月在其著作中指出，信息化技术为高校学生宿舍管理工作提供了新途径, 大大提高了管理水平, 降低了管理成本,是高校宿舍管理工作的有力抓手和必然趋 势[ 11]。
1.3 人脸识别技术的研究现状
21 世纪以来，人脸检测和识别一直是专家们一个重要的研究领域。人脸识 别的研究，极大地增加了人们生活的安全性，视频监控等多种需要用到人脸识别 技术的应用都体现了它的重要性和它优越的性能。
人脸识别问题涉及到使用计算机算法，使用存储的人脸数据库来识别或验证 给定静止图像或视频中场景中的一个或多个人物。它是一个有监督的模式识别问 题，其解决方案主要包括三个步骤： 人脸检测、人脸区域特征提取、识别或验证。 在识别问题中，系统将给定的未命名图像与已知身份的图像数据库进行比较，并 报告查询图像的身份[ 12][13][14] 。在验证过程中，查询图像和已知身份被提供给计
算机算法，该算法要么确认要么拒绝该认证。因此，识别是一个 1 对 N 的匹配 问题，而验证是一个 1 对 1 的匹配问题。多年来，人脸识别技术取得了长足的进 步和成熟，目前已成功应用于生物特征识别、信息安全、执法与监控、访问控制、 虚拟现实和人机交互等诸多领域[ 15]。虽然大多数这些应用采用使用由无处不在的 基于 CCD 的可见光传感器捕获的静止人脸图像的 2D 人脸识别，但是存在其他 类型的面部识别技术，例如，基于视频的面部识别、3D 人脸识别和来自使用非 可见光传感器捕获的图像的人脸识别[ 16][17]。
2015 年叶浪在他的文章中研究了基于卷积神经网络的人脸识别 ，他以 LeNet-5 结构为基础,构建了一些卷积神经网络模型[ 18] 。2006 年，深度学习作为 机器学习中一个单独的研究领域被提了出来[ 19] 。2008 年，李超在他的文章中提 出了一种方法来解决 3D 人脸识别中的一个重要问题： 由于对象的表情变化而导 致的人脸几何形状的变形，他提出并实现了由表情识别系统，表情面部识别系统 和中性面部识别系统三个子系统组成的框架[20] 。2017 年，海敏文、张浩瑞和宋 邦潘通过解决由于长距离人脸识别中的距离变化而导致的识别率变化，提出了一
种合适的长距离人脸识别方法，对于长距离人脸识别测试，直接获得实际距离为 1 至 9 m 的人脸图像，应用距离拍摄的实际面部图像来解决因距离变化而引起的 问题，而 CNN 则用于提取面部的整体特征[21]。2019 年，Shahzadi Asra、Holambe Sushilkumar Nathrao 发表了基于深度学习的视频人脸识别算法性能分析，他们提 出了一种用于从视频信号中进行面部验证的新算法，并使用 MATLAB 来实现和 仿真该算法[22]。
1.4 本论文主要工作内容
本文主要从需求、关键技术、设计与实现、测试与分析四大部分对学生宿舍
管理系统进行了全方位的阐述，具体内容如下：
( 1) 本文基于人脸图像识别技术设计了学生宿舍管理系统，在文中描述了部 分功能的设计过程和设计成果，并且为学生宿舍管理系统的各种功能编写了详细 的测试用例，以便于对宿舍管理系统的各种功能进行测试，最后综合测试结果，
对这些测试结果进行分析。
(2) 本文在文中描述系统进行人脸识别的设计和实现过程，并对人脸检测和 人脸识别进行了实验，获取了人脸检测的速度和准确率以及人脸识别的速度和准确率。
(3) 本文设计的学生宿舍管理系统面向大多数学校管理人员用户，其中大部 分用户对计算机技术并不是很熟悉，为了让这些用户能快速熟悉使用本系统，本 文设计的学生宿舍管理系统需要具有操作方便、易于使用的特点，方便大多数用 户在短时间内掌握。同时，为了让用户对系统界面看起来感觉舒适，学生宿舍管 理系统的界面需要设计得简洁明了，使操作员登录时一 目了然，只用简单的操作
就能获取所需信息。
(4) 学生宿舍管理系统要求高度稳定。学生宿舍管理系统一旦被正式开始使
用，每天需要处理大量的数据，这就要求系统能稳定运行，不出故障，响应快， 这样才能让用户使用得更舒适。学生宿舍管理系统中包含了大量需要保密的数 据，为了使这些数据不泄露，本文设计的系统必须具备较高的安全性。
1.5 本论文创新点
随着计算机科学技术的发展，学校管理人员对门禁的要求越来越高，越来越 多的学校希望能对学生宿舍进行智能管理，本文采用人脸识别检测方法对宿舍的 门禁进行智能化管理，使学生进出宿舍更加方便、简单、快捷，也方便了管理人 员的管理。
为了方便学校对学生宿舍的管理，本论文设计了宿舍实时就寝查询功能，分 为午休就寝实时统计和晚休就寝实时统计，辅导员用户可以在平台上直接查看当 前统计时间段内班级就寝实时统计信息和年级就寝实时统计信息，还可直接查看 就寝异常学生名单及其详细信息，例如，班级、宿舍等。与此同时，宿管用户可 以直接查看当前统计时间段内自己所负责楼栋的就寝实时统计信息，可直接查看 就寝异常学生名单及其详细信息。
本系统设计了消息提醒机制和异常信息告警机制，可以即时向管理人员反馈 异常信息，可以即时了解学生宿舍异常信息，节省了管理人员去宿舍查看的时间。 为了保证平台用户数据的安全性，本系统在存储用户敏感信息时采用加密存储的 方式，网络传输时启用安全系数高的 HTTPS 协议传输数据，严格控制用户权限， 限制用户数据的传播范围。同时系统对于宿舍进出人员有进出权限设置，严格控 制，可以避免非授权人员进入，引发风险，提高了学生宿舍管理的安全性。
本论文设计的学生宿舍管理系统可以让管理人员直接在线管理学生宿舍，极
大得提高了管理人员管理学生宿舍的效率。同时本系统在稳定环境下要求数据量 小的页面响应时间低于 1 秒，而数据量大的页面要求响应时间低于 5 秒，基本满 足了学校对学生宿舍管理的需求.