陸汝梅 鮑庭瑞 安徽工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

隨著互聯(lián)網(wǎng)和多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，多媒體電子教室系統(tǒng)已經(jīng)在教育領(lǐng)域全面普及。它解決了傳統(tǒng)教育模式的單一性和被動(dòng)性，使用了多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)互動(dòng)式學(xué)習(xí)，這樣既增加了學(xué)習(xí)的趣味性，又幫助用戶提高學(xué)習(xí)效率。但是，當(dāng)教學(xué)過(guò)程只能在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下時(shí)，電子教室雖然可以很好地進(jìn)行教學(xué)互動(dòng)，完成教學(xué)過(guò)程，但是失去了對(duì)學(xué)生的監(jiān)管。當(dāng)然，目前的電子教室系統(tǒng)也具備一些監(jiān)督功能，但都需要主機(jī)暫停教學(xué)過(guò)程，主動(dòng)地逐個(gè)查看客機(jī)狀態(tài)，或查看學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。這樣，在面對(duì)多個(gè)用戶機(jī)進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)時(shí)，一方面無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，另一方面，不時(shí)地查看學(xué)生狀態(tài)也影響了其他學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度。因此，在現(xiàn)有的電子教室系統(tǒng)中，應(yīng)該增加監(jiān)督管理學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的模塊，這個(gè)模塊區(qū)別于現(xiàn)有的電子教室監(jiān)督管理，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）這個(gè)模塊安裝在客戶機(jī)中，但需要主機(jī)開(kāi)啟該模塊的功能；

（2）該模塊一旦啟用，會(huì)自動(dòng)地調(diào)用客戶機(jī)攝像頭，并按時(shí)間有規(guī)律地采集圖像；

（3）對(duì)采集下來(lái)的圖像進(jìn)行人臉識(shí)別，并將對(duì)比信息反饋主機(jī)，主機(jī)可以有針對(duì)性監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。

要實(shí)現(xiàn)以上功能，首先要分析多媒體電子教室系統(tǒng)的構(gòu)架。

1 多媒體電子教室系統(tǒng)的特征

多媒體電子教室系統(tǒng)發(fā)展時(shí)間較晚，早期采用的是純硬件的方式，主要通過(guò)安裝在主控端和被控端的控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)信息傳遞。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要考慮操作系統(tǒng)和兼容性問(wèn)題，缺點(diǎn)是成本較高、安裝繁瑣、易出故障。因此，這種純硬件的方式無(wú)法普及應(yīng)用。后來(lái)，隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷提高，一種基于局域網(wǎng)的多媒體電子教室系統(tǒng)軟件逐漸取代了純硬件系統(tǒng)。它作為主流的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)工具，已經(jīng)被各類學(xué)校廣泛使用。網(wǎng)絡(luò)上也涌現(xiàn)出各種類型的多媒體電子教室軟件，但在功能結(jié)構(gòu)上大同小異，歸納來(lái)看，主要具備以下特點(diǎn)。

（1）基于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，采用中控方式實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的信息傳輸，教師為主控端，學(xué)生為被控端；

（2）主控端和被控端根據(jù)客戶需求設(shè)計(jì)不同的功能模塊；

（3）被控端可脫離主控端的教學(xué)控制；

從以上的特點(diǎn)來(lái)看，這些特點(diǎn)足以說(shuō)明純軟件電子教室系統(tǒng)的完全滿足用戶的需要。它解決了純硬件方式高成本的問(wèn)題，只需在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行安裝設(shè)置就能使用，后期維護(hù)簡(jiǎn)單，便于升級(jí)。由此可見(jiàn)，這種基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化多媒體電子教室系統(tǒng)更適合普及應(yīng)用。本文所述的核心觀點(diǎn)也正是建立在這樣的系統(tǒng)上。

2 人臉識(shí)別技術(shù)的研究背景

人臉作為人們識(shí)別他人身份的標(biāo)志，在某種程度上肯定包含了每個(gè)人獨(dú)有的信息。人臉識(shí)別技術(shù)就是依據(jù)人的臉部信息特征，對(duì)采集的圖像或視頻進(jìn)行識(shí)別，先判斷是否存在人臉，再進(jìn)一步分析人臉主要器官的位置信息，然后將特征數(shù)據(jù)與已知人臉進(jìn)行對(duì)比，從而識(shí)別每個(gè)人的身份。人臉識(shí)別過(guò)程主要依據(jù)人臉器官的特征數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行識(shí)別，這些特征數(shù)據(jù)會(huì)因?yàn)楸碚鲗?duì)象的表情、姿態(tài)和年齡等可變因素使識(shí)別過(guò)程變得復(fù)雜，因此識(shí)別方法也有所區(qū)別。

人臉識(shí)別的一般過(guò)程是這樣的，如圖1-1，首先通過(guò)采集設(shè)備對(duì)每個(gè)人的人臉進(jìn)行采像獲取面像信息，將信息存入面像數(shù)據(jù)庫(kù)，這是人臉識(shí)別的前期準(zhǔn)備工作。接下來(lái)，是針對(duì)每一次的識(shí)別過(guò)程。首先在自然環(huán)境下進(jìn)行人像采集，接著將采集圖像進(jìn)行預(yù)處理，如果存在人臉信息再提取特征值，再將人臉圖像的特征值與數(shù)據(jù)庫(kù)中的人臉信息進(jìn)行對(duì)比，最后達(dá)到人臉識(shí)別的目的。從人臉識(shí)別的過(guò)程看，人臉識(shí)別的核心主要集中在四個(gè)方面（1）人臉信息數(shù)據(jù)庫(kù)建立（2）人臉檢測(cè)與動(dòng)態(tài)跟蹤；（3）人臉信息預(yù)處理；（4）人臉信息對(duì)比。

圖1 -1

3 人臉檢測(cè)技術(shù)在多媒體系統(tǒng)中的應(yīng)用

人臉檢測(cè)技術(shù)發(fā)展至今已達(dá)到一個(gè)前所未有的高度。大規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)建立、光照、人臉外觀變化、遮擋物、圖像質(zhì)量等問(wèn)題也隨著各種新算法的產(chǎn)生和改進(jìn)，逐步形成合理的解決方案。本文就是依據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)算法，將人臉檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在多媒體系統(tǒng)中，目的是實(shí)現(xiàn)在多媒體教學(xué)系統(tǒng)中對(duì)學(xué)生的監(jiān)督管理。

多媒體電子教室教學(xué)大多數(shù)是一種一人一機(jī)的教學(xué)方式，教師機(jī)作為主機(jī)端，學(xué)生機(jī)作為用戶端，教師在主機(jī)端演示和講解，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩舳?，學(xué)生在用戶端可以實(shí)時(shí)在線學(xué)習(xí)。作者在長(zhǎng)期的多媒體教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，電子教室教學(xué)雖然能夠豐富教學(xué)手段，將教學(xué)內(nèi)容變得更生動(dòng)更易接受，但同時(shí)也產(chǎn)生很多問(wèn)題。例如：學(xué)生離開(kāi)座位或不在學(xué)習(xí)狀態(tài)時(shí)，教師正在進(jìn)行電子授課而無(wú)法察覺(jué)。因此，作者在多媒體電子教室的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)新的模塊。這個(gè)模塊可以解決學(xué)生離座和不在學(xué)習(xí)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)提示信息反饋給教師，教師根據(jù)提示信息找到該學(xué)生，并幫助其調(diào)整學(xué)習(xí)狀態(tài)，從而起到監(jiān)督管理的職能。

3.1 在線檢測(cè)

在客戶端通過(guò)調(diào)用攝像頭實(shí)時(shí)檢測(cè)學(xué)員是否在線學(xué)習(xí)，檢測(cè)結(jié)果以是否存在人臉信息為參考標(biāo)準(zhǔn)。若存在人臉，則進(jìn)行下一步檢測(cè)；若不存在人臉信息，則表示學(xué)員已脫離教學(xué)活動(dòng)，用戶端立即反饋狀態(tài)信息到主機(jī)端，主機(jī)端根據(jù)提示信息，對(duì)脫管學(xué)員進(jìn)行處理。

3.2 在線狀態(tài)

對(duì)人臉檢測(cè)圖像進(jìn)行算法分析，得出人眼狀態(tài)，若睜眼則結(jié)果安全，若閉眼則將結(jié)果反饋給主機(jī)端，教師接受到反饋信息后可以有效干預(yù)學(xué)生狀態(tài)。

本文所論述的觀點(diǎn)是建立在較為成熟的多媒體系統(tǒng)上，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架等問(wèn)題，只需在現(xiàn)有的系統(tǒng)中添加人臉檢測(cè)監(jiān)督模塊，因此論述的重點(diǎn)集中在兩個(gè)方面，一個(gè)是是否存在人臉以及人眼狀態(tài)，不需要進(jìn)行人臉識(shí)別；另一個(gè)是主機(jī)端和用戶端的交互控制。第一個(gè)問(wèn)題只要找到合適的算法就能解決。

第二個(gè)問(wèn)題需要依據(jù)多媒體電子教室系統(tǒng)的要求，JavaScript、C++、Matlab等常用的編程語(yǔ)言均可實(shí)現(xiàn)。