劉 剛，胥友鵬，沈陳贊

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”必將給傳統(tǒng)教學(xué)模式的變革帶來巨大的沖擊[1]。為了適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”新常態(tài)，各高校紛紛引入慕課信息化教學(xué)平臺(tái)，開發(fā)自己的在線視頻教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)信息化教學(xué)改革。然而，這些平臺(tái)大都只注重優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的建設(shè)與共享，缺乏對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的監(jiān)督和評(píng)估，為此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于人臉識(shí)別和行為監(jiān)測(cè)的在線視頻學(xué)習(xí)質(zhì)量評(píng)估軟件，可方便教師及時(shí)有效地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

1 平臺(tái)界面的設(shè)計(jì)

在線視頻學(xué)習(xí)平臺(tái)界面分上中下三個(gè)區(qū)域，上面區(qū)域是功能菜單區(qū)；中間區(qū)域按照課程的分類，羅列出對(duì)應(yīng)課程下的視頻資源；下面區(qū)域是狀態(tài)顯示區(qū)。門戶界面如圖1所示。用戶成功登錄軟件之后，通過點(diǎn)擊圖1界面中課程鏈接可進(jìn)入視頻學(xué)習(xí)功能界面。該界面包括視頻資源列表，視頻播放區(qū)，圖像捕獲，行為監(jiān)測(cè)這四個(gè)區(qū)域。

圖1 在線視頻學(xué)習(xí)平臺(tái)的門戶界面

2 學(xué)習(xí)質(zhì)量評(píng)估軟件的設(shè)計(jì)

軟件功能結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)管理、學(xué)習(xí)監(jiān)測(cè)和質(zhì)量評(píng)估功能，如圖2所示?；谌四樧R(shí)別和行為監(jiān)測(cè)的在線視頻學(xué)習(xí)質(zhì)量評(píng)估軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析三個(gè)模塊。軟件邏輯框圖如圖3所示。

圖3 軟件邏輯框圖

圖2 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

3 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 流媒體技術(shù)

流媒體是指采用流式傳輸技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)播放的媒體格式[3]。即把連續(xù)的多媒體文件經(jīng)過壓縮處理后放在流媒體服務(wù)器上，用戶觀看時(shí)，流媒體服務(wù)器向用戶順序或?qū)崟r(shí)的傳輸各個(gè)壓縮包，實(shí)現(xiàn)邊下載邊觀看的效果，節(jié)省用戶的存儲(chǔ)資源。

本軟件利用微軟的Windows Media Technology技術(shù)[4]在Windows Server 2008時(shí)搭建了自己的流媒體服務(wù)器。其核心是MMS協(xié)議和ASF格式文件。MMS用于網(wǎng)絡(luò)傳輸控制，ASF用于多媒體內(nèi)容的壓縮和編碼。構(gòu)建的流媒體服務(wù)器視頻資源如圖4所示。

基于人臉識(shí)別和行為監(jiān)測(cè)的在線視頻學(xué)習(xí)質(zhì)量評(píng)估軟件的硬件部署由流媒體服務(wù)器、人臉識(shí)別應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器以及用戶、PC機(jī)四部分構(gòu)成。硬件部署圖如圖5所示。PC機(jī)上運(yùn)行視頻教學(xué)軟件，用戶可在上面觀看教學(xué)視頻，同時(shí)后臺(tái)會(huì)對(duì)用戶的人臉及行為進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)；流媒體服務(wù)器上部署有微軟的流媒體服務(wù)，包括各種視頻資源經(jīng)過壓縮、編碼后形成的ASF格式文件；人臉識(shí)別服務(wù)器上部署了人臉識(shí)別的Web API服務(wù)；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器部署了SQL Server 2008，用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存取。

圖4 構(gòu)建流媒體服務(wù)器視頻資源

3.2 人臉識(shí)別Web API

人臉識(shí)別技術(shù)是基于人的臉部特征進(jìn)行身份認(rèn)證的一種生物識(shí)別技術(shù)[5-6]。通過攝像頭捕捉人臉面部圖像，利用人臉識(shí)別算法，自動(dòng)在圖像中檢測(cè)人臉、識(shí)別身份。一般經(jīng)過人像采集、圖像處理、特征提取、模式識(shí)別四個(gè)步驟。Web API是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程接口[7]，其利用Http協(xié)議構(gòu)建面向各種客戶端的服務(wù)。

本軟件基于人臉特征點(diǎn)提取的方法實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別算法。并將復(fù)雜的人臉識(shí)別服務(wù)封裝成Web API接口，只通過發(fā)起GET或POST請(qǐng)求，進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數(shù)傳遞，完成人臉識(shí)別服務(wù)的快速調(diào)用。降低了軟件開發(fā)的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了軟件的松耦合。具體API調(diào)用代碼如下：

圖5 硬件部署圖

3.3 有效時(shí)長(zhǎng)測(cè)算

用戶在視頻學(xué)習(xí)的過程中可能存在跳播或快進(jìn)行為，以此來達(dá)到快速完成視頻學(xué)習(xí)任務(wù)的目的。為了有效測(cè)算用戶的實(shí)際觀看時(shí)長(zhǎng)，利用多元集合求交集、并集思路，設(shè)計(jì)了一個(gè)有效時(shí)長(zhǎng)測(cè)算方法。算法的輸入是由若干播放時(shí)段(PlaySegment)構(gòu)成的列表(List)，每個(gè)PlaySegment中包含開始時(shí)間(StartTime)和結(jié)束時(shí)間(EndTime)兩個(gè)元素。視頻觀看有效時(shí)長(zhǎng)算法具體實(shí)現(xiàn)如下：

輸入： list

輸出： 有效時(shí)長(zhǎng)validPlayTime

3.4 綜合評(píng)價(jià)機(jī)制

為了有效地評(píng)估用戶在一次視頻觀看后的學(xué)習(xí)質(zhì)量，按照層次分析法[8-9]設(shè)計(jì)了一種綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)機(jī)制。該評(píng)價(jià)機(jī)制包含有效人臉識(shí)別比率和有效觀看時(shí)長(zhǎng)比率兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)估公式如下：

以上評(píng)價(jià)公式中各參數(shù)含義如表1所示。

表1 評(píng)價(jià)公式中各參數(shù)含義

4 應(yīng)用分析

以“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)”課程中的一節(jié)視頻課程“子網(wǎng)規(guī)劃與劃分”為實(shí)例。該視頻總時(shí)長(zhǎng)為484 s，即L=484；每間隔5 s進(jìn)行一次人臉識(shí)別，即?=5；取兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重相同，均為0.5，即ωf=ωt=0.5。視頻學(xué)習(xí)完成之后，學(xué)習(xí)情況從視頻觀看、人臉識(shí)別兩個(gè)方面統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 視頻觀看統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖7 人臉識(shí)別統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖6和圖7可以看出，本次視頻觀看的有效時(shí)長(zhǎng)l=362 s；成功識(shí)別出的人臉次數(shù)n=62次。由式（2）和式（3）可得出：Rf=0.693，Rt=0.748。進(jìn)一步由式（1）可得出評(píng)估得分S=72.05。將0～100劃分為四個(gè)等級(jí)，本次視頻學(xué)習(xí)質(zhì)量為“良”。

通過本例就可以評(píng)估出一次視頻學(xué)習(xí)的質(zhì)量，每一門課程由很多個(gè)視頻資源組成，通過統(tǒng)計(jì)分析每次的視頻學(xué)習(xí)質(zhì)量，可進(jìn)一步評(píng)估出該門課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量評(píng)估情況。這樣就有助于老師和家長(zhǎng)及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于人臉識(shí)別和行為監(jiān)測(cè)的在線視頻學(xué)習(xí)質(zhì)量評(píng)估軟件。軟件利用人臉檢測(cè)和識(shí)別技術(shù)，在學(xué)習(xí)的過程中，通過攝像頭將捕獲到的學(xué)生圖像輸入給人臉識(shí)別服務(wù)，同時(shí)對(duì)學(xué)生在視頻觀看過程中的行為進(jìn)行記錄分析，最終在視頻播放完畢之后，智能化的給出學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)質(zhì)量評(píng)價(jià)，方便教師及時(shí)有效地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。