趣谈面部识别技术在多媒体电子教室系统中的应用

陆汝梅 鲍庭瑞 安徽工业职业技术学院

随着互联网和多媒体技术的迅速发展，多媒体电子教室系统已经在教育领域全面普及。它解决了传统教育模式的单一性和被动性，使用了多媒体技术实现互动式学习，这样既增加了学习的趣味性，又帮助用户提高学习效率。但是，当教学过程只能在网络环境下时，电子教室虽然可以很好地进行教学互动，完成教学过程，但是失去了对学生的监管。当然，目前的电子教室系统也具备一些监督功能，但都需要主机暂停教学过程，主动地逐个查看客机状态，或查看学生的学习状态。这样，在面对多个用户机进行教学活动时，一方面无法进行实时监督，另一方面，不时地查看学生状态也影响了其他学生的学习进度。因此，在现有的电子教室系统中，应该增加监督管理学生学习状态的模块，这个模块区别于现有的电子教室监督管理，主要实现以下功能：

（1）这个模块安装在客户机中，但需要主机开启该模块的功能；

（2）该模块一旦启用，会自动地调用客户机摄像头，并按时间有规律地采集图像；

（3）对采集下来的图像进行人脸识别，并将对比信息反馈主机，主机可以有针对性监督学生的学习状态。

要实现以上功能，首先要分析多媒体电子教室系统的构架。

1 多媒体电子教室系统的特征

多媒体电子教室系统发展时间较晚，早期采用的是纯硬件的方式，主要通过安装在主控端和被控端的控制卡来实现信息传递。这种方式的优点是不需要考虑操作系统和兼容性问题，缺点是成本较高、安装繁琐、易出故障。因此，这种纯硬件的方式无法普及应用。后来，随着多媒体技术和网络技术的不断提高，一种基于局域网的多媒体电子教室系统软件逐渐取代了纯硬件系统。它作为主流的计算机辅助教学工具，已经被各类学校广泛使用。网络上也涌现出各种类型的多媒体电子教室软件，但在功能结构上大同小异，归纳来看，主要具备以下特点。

（1）基于互联网环境，采用中控方式实现一对多的信息传输，教师为主控端，学生为被控端；

（2）主控端和被控端根据客户需求设计不同的功能模块；

（3）被控端可脱离主控端的教学控制；

从以上的特点来看，这些特点足以说明纯软件电子教室系统的完全满足用户的需要。它解决了纯硬件方式高成本的问题，只需在现有的网络上进行安装设置就能使用，后期维护简单，便于升级。由此可见，这种基于现有网络的数字化多媒体电子教室系统更适合普及应用。本文所述的核心观点也正是建立在这样的系统上。

2 人脸识别技术的研究背景

人脸作为人们识别他人身份的标志，在某种程度上肯定包含了每个人独有的信息。人脸识别技术就是依据人的脸部信息特征，对采集的图像或视频进行识别，先判断是否存在人脸，再进一步分析人脸主要器官的位置信息，然后将特征数据与已知人脸进行对比，从而识别每个人的身份。人脸识别过程主要依据人脸器官的特征数据来进行识别，这些特征数据会因为表征对象的表情、姿态和年龄等可变因素使识别过程变得复杂，因此识别方法也有所区别。

人脸识别的一般过程是这样的，如图1-1，首先通过采集设备对每个人的人脸进行采像获取面像信息，将信息存入面像数据库，这是人脸识别的前期准备工作。接下来，是针对每一次的识别过程。首先在自然环境下进行人像采集，接着将采集图像进行预处理，如果存在人脸信息再提取特征值，再将人脸图像的特征值与数据库中的人脸信息进行对比，最后达到人脸识别的目的。从人脸识别的过程看，人脸识别的核心主要集中在四个方面（1）人脸信息数据库建立（2）人脸检测与动态跟踪；（3）人脸信息预处理；（4）人脸信息对比。

图1 -1

3 人脸检测技术在多媒体系统中的应用

人脸检测技术发展至今已达到一个前所未有的高度。大规模数据库建立、光照、人脸外观变化、遮挡物、图像质量等问题也随着各种新算法的产生和改进，逐步形成合理的解决方案。本文就是依据现有的技术算法，将人脸检测技术应用在多媒体系统中，目的是实现在多媒体教学系统中对学生的监督管理。

多媒体电子教室教学大多数是一种一人一机的教学方式，教师机作为主机端，学生机作为用户端，教师在主机端演示和讲解，通过网络传输到用户端，学生在用户端可以实时在线学习。作者在长期的多媒体教学过程中发现，电子教室教学虽然能够丰富教学手段，将教学内容变得更生动更易接受，但同时也产生很多问题。例如：学生离开座位或不在学习状态时，教师正在进行电子授课而无法察觉。因此，作者在多媒体电子教室的基础上添加了一个新的模块。这个模块可以解决学生离座和不在学习状态时，通过提示信息反馈给教师，教师根据提示信息找到该学生，并帮助其调整学习状态，从而起到监督管理的职能。

3.1 在线检测

在客户端通过调用摄像头实时检测学员是否在线学习，检测结果以是否存在人脸信息为参考标准。若存在人脸，则进行下一步检测；若不存在人脸信息，则表示学员已脱离教学活动，用户端立即反馈状态信息到主机端，主机端根据提示信息，对脱管学员进行处理。

3.2 在线状态

对人脸检测图像进行算法分析，得出人眼状态，若睁眼则结果安全，若闭眼则将结果反馈给主机端，教师接受到反馈信息后可以有效干预学生状态。

本文所论述的观点是建立在较为成熟的多媒体系统上，不需要考虑网络构架等问题，只需在现有的系统中添加人脸检测监督模块，因此论述的重点集中在两个方面，一个是是否存在人脸以及人眼状态，不需要进行人脸识别；另一个是主机端和用户端的交互控制。第一个问题只要找到合适的算法就能解决。

第二个问题需要依据多媒体电子教室系统的要求，JavaScript、C++、Matlab等常用的编程语言均可实现。