具有双目识别模块的学生上机管理系统设计

摘要：本文主要介绍了具有双目识别模块的学生上机管理系统的设计思路。通过把传统的上机管理系统与一套具有双目识别功能的人脸识别设备相结合，使上机管理系统的功能得到强化突现，并促使使用者养成良好的上机习惯与用眼习惯。

关键词：双目识别 上机管理系统 人体工程学

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)02-0078-02

人类是靠眼睛来实现视觉的。通过科学研究发现，单个人眼只能形成二维的图像。人类之所以能够产生立体的视觉，全凭我们同时使用了双眼来接收图像。若仅使用单个眼睛时，人们只能知道物体的形状，但无法判断物体的远近和大小。这个现象及其原理已被广泛地应用在日常的生产生活当中，例如3D电影。本文就是结合了双目识别的原理，改进了常规的人脸识别技术，并将其与传统的学生上机管理系统相结合，开发智能化程度较高的新型管理系统。

1、双目识别的理论基础

1.1 相机成像原理

一般来说，不同的数码相机成像规律不同，且光路较为复杂，但原理基本一致，如图1所示。其中，O点为光学中心，ABC为物，A＇B＇C＇为物ABC在数码相机中CCD（电荷偶合器件）或CMOS（互补金属氧化物半导体）上所对应的像。点A＇、B＇、C＇分别由点A、B、C过点O的连线，与像平面相交得到。由几何关系得:

故本文将该光路图简化为图2。此光路图将O至像平面的距离等效处理，等效距离随焦距变化而变化的，其值可由实测标定。

1.2 人脸曲面的逆构建

1.2.1 坐标系

由等效光路图易知，为了建立满足几何关系的方程，需要建立像平面坐标系和系统坐标系。

本文采用的像平面坐标系是像素坐标系，像平面是一个矩形区域，坐标系的 图2 简化后的等效光路图

原点位于像平面的中心位置，像素坐标的最小刻度是单位像素（pixel）。像素坐标刻度与像平面实长之间成一个线性比例关系

或

在像素坐标系上，目标点坐标值的测量误差限为0.5像素，故对应像平面实长的测量误差限即为厘米。在实际应用当中，比例系数的值并不一定需要进行标定。因为参数可采用像素单位进行标定，从而简化了运算过程。

系统坐标系的建立是为了便于系统的构建，以及结果的运算处理，其构造相对于像平面坐标系要复杂的多。文中所建立的系统坐标系是一个三维的笛卡尔坐标系，三个坐标轴的方向分别对应于：像平面中心连线方向、相机观测方向，以及与前两者正交且过光学中心的直线方向。

此外，像平面坐标系的横坐标是与系统坐标系的x轴重合的，这样便于坐标的运算处理。目标点的识别结果将以系统坐标的方式进行表示和存储。

1.2.2 特征点及其定位方法

在传统的人脸识别技术中，为了进行有效的人脸识别，需要寻找若干个特征点，以便提高识别精度。常用的脸部特征点有眼睛、嘴、鼻子等。在本文当中，特征点除了能够进行位置标定外，还能够组织形成三角形网格，用插值的方法来进行结果的估计。

由于特征点选取和识别的技术已经达到十分成熟的地步，故对其具体原理不再赘述。

如图3所示的是双目识别系统观测某点时的等效光路图。其中，是两个像平面中心的距离，和分别是两条光线在系统坐标系xz平面上的投影与x轴的夹角。

实测中，夹角的计算公式为

需要注意的是，由于双目系统的两个像平面坐标系是关于y轴对称的，因此在两个像平面中的坐标也是对

称的。此外，由于在实际应用当中一般 图3 双目识别系统的等效光路图

使用的是两部相同的图像采集设备，故有

测距结果即为所测点的系统坐标系下的z轴坐标值。此外，要将测点在系统空间中进行定位，还需要计算出x轴和y轴上的坐标值。

通过测定坐标定位公式，我们可以定义人脸面部上的各个特征点。特征点取的越多，对人脸曲面的描述也就越具体。由于所取特征点是一组离散的点，因此应用插值算法可构建出完整的人脸曲面。

1.2.3 结果判定

本文所述的双目识别检测技术，共含有三个子项，包括平整度检测、图像识别、曲面识别。平整度检测项目主要用于判定测试对象是否是真人，而不是平整的图片等物；图像识别项目采用的是常规的人脸识别方法，用于二维人脸图像特征的检测；曲面识别项目则是用于检测三维人脸曲面的几何特征。

结合以上三项，可以进行较传统方法更为可靠的人像识别。

2、双目识别模块的设计

本文提出的学生上机管理系统的双目识别功能是通过双目识别模块进行实现的，这是实现该系统功能的关键一环。

2.1 设计思想

双目识别模块主要进行对象的识别，同时通过与主机连接进行实时通信，一方面向主机上传识别结果，另一方面接收主机的指令。

由于本文所述的双目识别模块是用于学生上机管理的，因此在设计思想上应该要根据设计对象的特点进行一定的创新。设计思想主要包括以下三个方面：

(1)双目识别模块应满足实时进行学生身份识别的基本要求，以便识别成功后进行登录操作或维持登录状态。这也是系统开发的基本要求。

(2)硬件模块应采用柔性设计，具备自动调节功能，使设备更加人性化、智能化。

(3)利用人体工程学原理，帮助学生养成良好的上机习惯。

2.2 结构功能

如图4所示，识别模块的图像采集设备使用两个分辨率较高的摄像头，可以保证系统能够获取较为清晰的图像以进行人像识别。

识别模块上安装有伺服电机，用于自动调整摄像头的仰角，以配合用户的身高。摄像头的焦距是固定的，各项参数已据此标定，从而能够保证用户头部与屏幕保持一定的距离。这种设计从人体工程学的角度出发，能够使用户以良好的坐姿与距离来进行上机操作，培养用户良好的操作习惯，能够在一定程度上保护视力，维护身体健康。

此外，图像数据的分析处理是通过集成于模块中的ARM处理器进行实现的，而模块与计算机的通信接口可采用目前较为常见的RS232接口或USB2.0接口，使设备能够实现较好的兼容性。

3、系统的总体设计

3.1 解决方案

3.1.1 系统架构

如图5所示，机房的计算机分为管理员用机和学生用机，且均需要连接至局域网。在机房入口处，设置一个刷卡机，用于学生上下机的登记。刷卡机连接到管理员用机，在管理员用机上可查看管理界面。管理员用机与学生用机之间采用客户端/服务器模式，管理员用机通过局域网与远程数据库通信，学生的人脸信息均存储于远程数据库中。

系统的软件部分使用VB作为开发平台，选用Microsoft SQL Server 2008 作为数据库。

3.1.2 主要功能设计

(1)客户端。

登录：学生在刷卡机上刷卡上机之后，即在管理员用机中保存上机信息。已刷卡学生可于任意一台学生用机上的客户端界面输入学号和密码，若学号与存于管理员用机上的上机信息相符，则开启双目识别模块的人脸识别功能，识别通过后即可登录，并向管理员用机报告学生当前的机位。

定时人脸检测：自学生成功登录开始，每隔5分钟进行一次人脸识别，若不能通过，则自动将计算机锁定，并向主机通报识别结果。主要目的是为了防止学生无故离开座位，便于机房的管理工作。

设备连接检查：每隔10秒（或在进行定时人脸检测时），自动检查网络连接和与双目识别模块的连接，若连接中断，则自动锁定计算机，甚至强制关机。

(2)服务器端。

监控管理：具有对机房各学生用机进行强制下机和远程开关机的能力；查看各学生用机的屏幕画面和各学生的实时人像；了解学生的上机状态。

统计查询：按个人或按课程统计用户的上机总机时、上下机时间等信息。

(3)远程数据库。

远程数据库由教务处进行管理，由网络中心进行维护，主要功能包括：添加删除学生用户，修改学生信息，设置用户名和初始密码；为数据库做备份或恢复操作。

3.2 关键技术

本文所述系统是传统的上机管理系统与双目识别模块相结合的产物。由于传统的上机管理系统的开发技术已经较为成熟，故系统的关键技术主要有以下两点：

(1)开发成本较低、识别能力较强的双目识别模块。

(2)系统需要建立软硬件通信协议，用于识别模块与上位机的数据交互。对于使用USB2.0进行通信的情况，还另需开发相应的设备驱动程序。

4、结语

本文主要介绍了一种装备有双目识别模块的学生上机管理系统。该系统在传统的上机管理系统的基础上，增加了一套具有双目识别功能的人脸识别设备，用于增强系统功能，减轻机房管理员的工作负担。此外，该系统还能够督促使用者在上机时养成良好的坐姿和用眼习惯，保护使用者的身心健康。

本文所述的双目识别模块不仅能够用于学校机房的日常管理，还适用于各种上机考试当中，防止替考现象的发生。

参考文献

[1]袁健.学校机房上机管理系统的设计与实现[J].计算机与现代化,2006,12:127-129.

[2]李外云.基于ARM架构的嵌入式人脸识别技术研究.博士论文,华东师范大学,2008.

[3]侯东良.一个基于计算机视觉的监控系统算法设计[J].上海第二工业大学学报,2006,2(23):112-116.

[4]吴福朝.计算机视觉中的数学方法[M].北京:科学出版社,2008.