《刷臉簽到系統(tǒng)》教學設計課題：刷臉簽到系統(tǒng)授課對象：中職一年級課型：新授課課時：3課時教材分析：結構內容：本節(jié)課選自《人工智能通識》的項目九。本節(jié)課的主要內容是了解人工智能在計算機視覺領域的典型應用-人臉識別，熟悉一種開源的人臉識別工具，并能熟練應用在圖片人臉識別和視頻人臉識別上。地位作用：計算機視覺是人工智能技術的一大應用領域。近年來，深度學習的發(fā)展推動了計算機視覺或圖像領域取得了很大進展。本節(jié)課的學習將帶領學生了解人臉識別，并且能夠動手實現(xiàn)智能刷臉簽到系統(tǒng)中的人臉識別功能。學情分析學習心理特征：本節(jié)課的授課對象為中職一年級學生該階段的學生，學習自制力較差，上課注意力易被分散，因此在上課過程中，應該采用講練結合的方式，讓學生能夠在實踐中學習和鞏固課程內容。同時該階段的學生有很多自己的想法和創(chuàng)意，因此在設計任務時，需要給學生一定的自由發(fā)揮的空間，讓學生自主地學習和實踐。另外由于中職一年級的學生水平各不相同，因此教師在學生操作過程中應該實時觀察，引導并鼓勵基礎較差的學生完成練習。知識基礎：中職一年級學生已經掌握了計算機的使用，并且基于前面項目的學習，能具備一定的代碼閱讀與代碼編寫能力，因此可以讓學習獨立在開發(fā)環(huán)境中逐步的編寫代碼、運行代碼、直到實現(xiàn)預期效果。教學目標知識與技能目標：能夠說出人臉識別的應用場景能夠說出Face_recognition可以做什么能夠說出OpenCV是什么能夠使用OpenCV處理視頻能夠熟練使用Face_recognition定位人臉能夠熟練使用Face_recognition對比人臉能夠熟練使用Face_recognition識別人臉過程與方法：小組合作討論人臉識別的常見應用。根據(jù)教師發(fā)布的實訓任務書，自主使用Face_recognition實現(xiàn)對圖片中的人臉進行定位。根據(jù)教師發(fā)布的實訓任務書，自主使用Face_recognition實現(xiàn)人臉的比對。根據(jù)教師發(fā)布的實訓任務書，自主使用Face_recognition實現(xiàn)圖片中的人臉識別。根據(jù)教師發(fā)布的實訓任務書，自主設計使用Face_recognition實現(xiàn)視頻中的人臉識別。情感態(tài)度與價值觀：能夠對實際工作崗位的工作內容有所認知。通過小組合作的方式，培養(yǎng)學生的主動參與的意識，強化自身的責任感，以及增強自己的合作能力。教學重難點教學重點：1、能夠說出人臉識別的應用場景2、能夠說出OpenCV是什么3、能夠熟練使用Face_recognition定位人臉4、能夠熟練使用Face_recognition對比人臉5、能夠熟練使用Face_recognition識別人臉教學難點：1、能夠熟練使用Face_recognition識別人臉教學方法教法：任務驅動法、練習法學法：自主學習法、小組合作學習法教學準備教學環(huán)境：多媒體網(wǎng)絡計算機房教學資源：多媒體網(wǎng)絡計算機，派Lab平臺，PPT課件，微課教學過程教學內容及過程時間分配設計意圖一、創(chuàng)設情景【教師活動】現(xiàn)在，人臉識別的技術已經布滿了大街小巷，移動支付端的刷臉支付，沒有現(xiàn)金與手機也可以買東西了，小區(qū)門口設置了刷臉進小區(qū)的裝置，極大提高了小區(qū)物業(yè)管理的效率；上班考勤刷臉就能打卡，；而這些全部歸功于當下很成熟的計算機視覺技術——人臉識別。小派想要動手研究人臉識別，希望未來可以給同學們做一個刷臉簽到系統(tǒng)，但是小派缺乏經驗，沒法自己完成，于是小派向我們尋求了幫助。2分鐘該環(huán)節(jié)通過創(chuàng)設生活中真實存在的情景，讓學生了解人臉識別的應用場景。二、任務分析【教師活動】小派給我們布置了一個任務就是能夠實現(xiàn)人臉識別功能，由于真實的刷臉簽到場景是通過攝像頭捕捉人臉隨刷隨簽的，考慮到實訓平臺無法與本地攝像頭連接，所以我們可以改變一種方式，通過傳入圖片或者視頻的方式來識別其中的人臉并且做出姓名標注。首先我們需要對如何開展該任務進行分析（該過程可以讓學生進行小組討論回答）預設：首先要了解實現(xiàn)人臉識別比較成熟且操作簡單的工具有什么，接著了解實現(xiàn)人臉識別的流程如何拆分成一些子任務，比如定位人臉、人臉比對、人臉姓名標注等，然后針對不同難度的子任務逐步去實現(xiàn)，最終能夠實現(xiàn)人臉識別。【學生活動】小組展開討論各小組發(fā)表自己的任務分析結果【教師活動】對各小組的討論結果進行評價，最后進行小結，得出最后的任務分析結果：子任務一：基于Face_recognition實現(xiàn)人臉定位子任務二：基于Face_recognition實現(xiàn)人臉比對子任務三：實現(xiàn)圖像中的人臉識別子任務四：實現(xiàn)視頻中的人臉識別5分鐘該環(huán)節(jié)主要是對本節(jié)課的任務的一個討論分析，在該過程中，讓每個學生對接下來要完成的任務進行分析和討論，讓學生成為課堂的主體，提高學生的參與感，提升學生的自主思考能力。新知學習任務一：基于Face_recognition實現(xiàn)人臉定位【教師活動】請同學們查閱資料并討論人臉識別的概念，以及它在實際生活中的應用。預設：人臉識別，是基于人的臉部特征信息進行身份識別的一種生物識別技術。用攝像機或攝像頭采集含有人臉的圖像或視頻流，并自動在圖像中檢測和跟蹤人臉，進而對檢測到的人臉進行臉部識別的一系列相關技術，通常也叫做人像識別、面部識別。1）門禁系統(tǒng)受安全保護的地區(qū)可以通過人臉識別辨識試圖進入者的身份。人臉識別系統(tǒng)可用于企業(yè)、住宅安全和管理。如人臉識別門禁考勤系統(tǒng)，人臉識別防盜門等。2）智慧出行目前利用人臉核驗證技術的刷臉安檢已進入普遍應用階段，在高鐵站、普通火車站和機場皆已大面積推廣。3）城市安防人臉識別應用在車站、機場等公共場所，可以有效識別可疑人物，提早發(fā)出預警，保衛(wèi)市民安全。4）智能家居人臉識別在智能家居中主要應用在安全解鎖和個性化家居服務兩個場景。在安全防范方面，人臉識別可以提供相對安全和便捷的入戶解鎖技術，將可能逐步替代傳統(tǒng)密碼或指紋門鎖。智能門鈴可以通過入臉識別對訪客身份進行識別。另外家中的監(jiān)控攝像頭可以實時監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)陌生人臉立即提醒住戶并報警。【學生活動】思考并回答問題【教師活動】對學生的回答進行小結。同學們說的都不錯，現(xiàn)如今人臉識別產品已廣泛應用于金融、司法、公安、政府、航天、電力、工廠、教育、醫(yī)療及眾多企事業(yè)單位等領域。那么關于人臉識別的實現(xiàn)，一般來說都要經過大量數(shù)據(jù)的采集、標注、復雜的模型訓練，同時需要高性能的硬件資源的配合。Face_recognition是一個強大、簡單、易上手的人臉識別開源項目，并且配備了完整的開發(fā)文檔和應用案例。你可以把它當一個python庫來使用，或者以命令行工具的方式提取、識別、操作人臉。我們可以基于這個工具快速地實現(xiàn)人臉識別。

下面請同學們打開派Lab，參照實訓任務書，完成任務一，人臉定位，也就是說確認輸入的圖片中的人臉所在的位置。在進行任務一的過程中，需要掌握一個核心函數(shù)：face_locations函數(shù)，可以定位圖像中識別出的所有人臉位置信息，返回值是列表形式，列表中每一行是一張人臉的位置信息，包括[top,right,bottom,left]。【學生活動】參考實訓任務書，熟悉Face_recognition工具的使用，能夠對一張人臉圖片進行人臉定位。【教師活動】在學生練習時進行巡視，對一些動手能力較弱的學生進行相關的指導，引導學生完成練習。30分鐘在該環(huán)節(jié)中，先通過提問的方式讓學生自主搜索和了解人臉識別相關的概念；同時讓學生積極討論，增加學生之間的互動與交流。另外，讓學生能夠動手嘗試首先人臉識別的第一步，完成一個小任務也能增強學生的成就感。任務二：基于Face_recognition實現(xiàn)人臉比對【教師活動】在上一個任務中，我們能夠定位圖片中的人臉，那么進一步的就可以針對定位出的人臉進行其他計算。比如通過提取兩張人臉的特征,再計算兩張人臉的相似度,從而判斷兩張人臉是否為同一個人。下面請同學們參考實訓任務書，先熟悉人臉比對的基本流程，然后分別用你和同學的人臉作為數(shù)據(jù)，完成任務二。同學們在完成任務二的過程中，需要理解一個核心函數(shù)：compare_faces函數(shù)，判斷圖像中的人臉是否為已知。face_pare_faces(known_face_encodings,face_encoding_to_check,tolerance=0.6)作用：判斷一張人臉圖像是否在已知人臉列表存在匹配項。其中參數(shù)known_face_encodings表示已知人臉的編碼列表；face_encoding_to_check表示一張未知人臉的編碼；tolerance表示兩張臉的向量距離小于該值則歸類為同一個人，默認閾值0.6。舉個例子：encoding列表=[同學1的編碼,同學2的編碼,同學3的編碼]；需要判斷的人臉編碼=同學3的編碼compare_faces(encoding列表,需要判斷的人臉編碼)=[False,False,True]因為compare_faces()將需要判斷的人臉編碼與encoding列表中的第一個編碼進行比較，發(fā)現(xiàn)不是同一張臉，所以函數(shù)輸出列表的第一個元素是False。以此類推，所以將人臉編碼與列表中的第三碼進行比較會發(fā)現(xiàn)是同一張臉，所以所以函數(shù)輸出列表的第三個元素是True。【學生活動】參考實訓任務書，完成任務二。【教師活動】在學生練習時進行巡視，對一些動手能力較弱的學生進行相關的指導，引導學生完成練習。20分鐘在該環(huán)節(jié)中，主要讓學生熟悉實現(xiàn)人臉比對的過程，增加學生對Face_recognition工具的熟練度。任務三：實現(xiàn)圖像中的人臉識別【教師活動】基于前兩個任務，同學們應該熟練了face_recognition對于人臉的基本操作方法，比如如何加載一張圖片，如何獲取圖片中的人臉位置，如何對圖片中的人臉進行編碼，然后進行人臉比對。現(xiàn)在，同學們進一步的實現(xiàn)人臉識別，這就需要在加載人臉編碼的時候同時設置人的名字，這樣在對未知圖片進行人臉識別的時候，可以識別到已知的人臉并打上正確的名字標簽。在這里同學們即將用到一個python庫，Pillow庫，它提供了廣泛的文件格式支持、高效的內部表示和相當強大的圖像處理功能，并且為一般的圖像處理工具提供了堅實的基礎。主要用到庫中的兩個模塊：Image和ImageDraw。Image模塊是Pillow庫的基礎模塊，只有Image類型的圖片數(shù)據(jù)才可以被Pillow庫處理。ImageDraw模塊可用于創(chuàng)建新圖像、對現(xiàn)有圖像進行注釋或潤色，以及動態(tài)生成圖形以供Web使用。本任務中，我們將使用ImageDraw模塊對圖像進行標注：1、將人臉用矩形框出來2、對人臉進行姓名標注現(xiàn)在就請同學們參考實訓任務書，自主完成任務三。【學生活動】參考實訓任務書，完成任務三。【教師活動】在學生練習時進行巡視，對一些動手能力較弱的學生進行相關的指導，引導學生完成練習。識別結果（供參考）30分鐘該環(huán)節(jié)是一個實訓環(huán)節(jié)，結合學生自身的特點，讓學生自己參考任務書，完成任務，提高學生的自學能力，以及動手實踐能力。任務四：實現(xiàn)視頻中的人臉識別【教師活動】上一個任務是識別圖片中的人臉，那么能否識別視頻中的人臉呢？這樣可以模擬攝像頭捕捉畫面中的人臉并且做出人名標注。在這個任務中，首先我們就需要熟悉對視頻文件的基本處理。OpenCV是計算機視覺領域一個圖像和視頻處理庫，用于各種圖像和視頻分析，如面部識別和檢測，車牌閱讀，照片編輯，高級機器人視覺，光學字符識別等。OpenCV用C++語言編寫，它具有C++，Python，Java和MATLAB接口，并支持Windows，Linux，Android和MacOS。對于python而言，在引用OpenCV庫的時候需要寫為importcv2。視頻信號時由一系列的圖像構成的，這些圖像稱為幀，播放幀的速度稱為幀速率，通常使用幀/秒表示，即FPS（FramesPerSecond),每秒出現(xiàn)的幀數(shù)。視頻文件格式是一種用于存儲數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的文件格式，典型的視頻文件格式包括*.avi、*.mp4、*.mov和*.wmv。在OpenCV中，使用cv2.VideoCapture()捕獲不同來源的視頻，如圖像序列、視頻文件和相機。【學生活動】參考實訓任務書，完成任務四。【教師活動】在學生練習時進行巡視，對一些動手能力較弱的學生進行相關的指導，引導學生完成練習。30分鐘該環(huán)節(jié)是一個實訓環(huán)節(jié)，結合學生自身的特點，讓學生自己參考任務書，完成任務，提高學生的自學能力，以及動手實踐能四、課堂小結【教師活動】教師請各小組對本節(jié)課學習的內容進行小結。最后教師進行總結。布置課后習題5分鐘讓學生自己進行小結，加深學生對本節(jié)課知識的理解，也同時鍛煉學生總結歸納的能力。學習效果評價課后習題題型題目答案填空題（一空一分）1、闡述人臉識別的概念2、闡述人臉檢測與人臉識別的區(qū)別3、FaceRecognition實現(xiàn)人臉比對的函數(shù)是（）1、略2、略3、compare_faces選擇題（每題2分）4、以下屬于人臉識別應用場景的是（）A.人臉支付B.火車站掃臉進站C.疑犯追蹤D.樓宇門禁5、OpenCV用于讀取視頻文件的函數(shù)是（）A.imread()B.imshow()