JDG人脸识别课堂管理系统全栈开发流程报告-软件工程

⭐️ 本报告的代码部分和程序设计参考了 计算机18-1班张宇哲（学号181002406）同学 在Gitee仓库发布的AI-Attendance，本文档基于软件工程的具体流程，从软件工程的角度细化的张同学的项目，不关注代码，只关注一套相对完整的软工流程。

❤️ 高润 + 姜宇晨 + 丁纪翔 ❤️ ｜时间有限，还有诸多问题，欢迎指正！

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文章目录

JDG人脸识别课堂管理系统全栈开发流程报告-软件工程
可行性分析
- 项目背景
- 项目组织
- 现有系统的局限性
- 要求与目标
- - 对所建议系统的说明
  - 改进之处
  - 影响
  - 局限性
- 技术可行性分析
- - 技术基础
  - 人员基础
- 投资及效益分析
- - 支出
  - 效益
- 结论
需求分析
- 需求获取
- - 功能性需求
  - 非功能性需求
  - - 性能需求
    - 环境需求
    - 可靠性需求
    - 安全性需求
    - 用户界面需求
- 需求分析与建模
- - 开发进度需求分析
  - 功能性分析
  - - 管理员
    - 老师
    - 学生
  - 结构化分析
  - - 数据流图与数据字典
    - - 系统的顶层数据流图与数据字典
      - 系统的中层数据流图与数据字典
      - 学生签到底层数据流图与数据字典
      - 信息上传底层数据流图与数据字典
    - 某门课程的学生状态转换图
系统结构化设计
- 结构化概要设计
- - 系统结构图
  - - 具有边界的中层DFD图
    - 系统的结构图
    - 优化的系统结构图
    - 信息上传模块的结构图
- 结构化详细设计
- - 签到通知程序的流程图
  - 签到通知程序的N-S图
  - 数据库设计
  - - 数据库的所有表单
    - 各个表的结构
    - 数据库代码（可迁移）
面向对象分析与设计
- UML用例图
原型设计与软件实现
- 原型设计
- - 老师功能
  - - 用户登录
    - 教师功能页
    - 课程创建
    - 课程添加学生
    - 发起签到
  - 学生功能
  - - 学生上传照片
    - 学生查看待签到列表
    - 人脸识别签到
- 软件实现
- - 建立项目
  - 验证码模块实现
软件测试
- 代码走查
- - 程序结构
  - 函数组织
  - 代码结构
  - 数据类型与变量
  - 循环
  - 输入输出
  - 注释
- 闰年检测模块的单元测试
- - 闰年检测模块实现代码
  - 闰年检测模块的控制流程图
  - 基于基本路径覆盖法的闰年检测模块的测试用例设计
- 日期合法性检验模块的集成测试
- - 等价类划分
  - 有效等价类测试用例设计
  - 无效等价类测试用例设计
项目部署
参考文献

可行性分析

随着在线教学的不断完善、信息技术的高速普及，人们对于使用信息技术进行在线课堂教学的要求越来越高。为了保证大学生课堂的出勤率及学生信息的管理，大部分学校选择采取签到的措施。而课堂签到一直以来是师生的痛点问题，手工方式签到费时费力。因此，师生迫切需要一个可行的、高效的签到系统。同时，传统的签到方式具有复杂、繁琐的特点，而使用人脸识别进行签到，是目前较好的解决方案。

项目背景

开发软件名称：JDG人脸识别课堂管理系统
项目开发者：
- 姜宇晨（1925102018）
- 高润（1925101007）
- 丁纪翔（1925102007）
用户：高校的学生和老师
软件开发动机：

大学里存在许多旷课现象，因为课堂学生人数越来越多，老师点名耗费的精力和时间也随之增加，老师为节约时间，只好采取抽样点名的方法，有时甚至不点名。在这种情况下，学生难免出现不自律、旷课的行为，影响了学生的学习成绩。现有的点名平台并不能避免同学之间代签到的现象，因此我们开发的JDG人脸识别课堂管理系统，只进行人脸识别签到，需要满足效率高、准确性强且无法作弊的需求。

项目组织

高润：可行性分析、需求分析与设计
姜宇晨：原型设计、软件开发
丁纪翔：测试调试、维护管理

现有系统的局限性

学习通
- 功能冗余，且没有人脸识别签到功能，定位签到虽然可以一定程度上减少学生不来教室就签到的可能性，但是会发生同学进行代签的情况
- 界面设计简陋，且功能不易寻找，这也是太多不必要的功能的存在带来的结果
QQ群接龙
- 方便快捷但无法确保学生真实出勤

要求与目标

对所建议系统的说明

用户添加
用户登录
学生可上传照片
管理员审核照片
老师创建课程，学生加入课程
老师发起签到
学生进行人脸识别签到
学生查看课程列表及自己的出勤情况
老师得到出勤情况的统计表

改进之处

界面简洁美观
没有冗余功能，方便快速进行签到
人脸识别提高了签到的真实性，一定程度上避免了学生在签到上作弊的情况
老师可以一键导出出勤情况表，方便老师进行存档记录

影响

减少老师点名耗费的时间，老师可将更多的时间用在课堂内容上
一定程度上减少学生旷课的情况，能提高学习成绩
提高学生签到的真实性，一定程度上避免学生之间互相代签到的情况
系统基于Chrome浏览器做适配，同时支持所有主流浏览器，不会对学生和老师的操作造成影响

局限性

缺乏实际课堂的测试
人脸识别的准确度还未进行调整优化，人脸识别模型可能出现过饱和和欠饱和的缺陷，导致同一个学生在不同时间签到的结果不同
功能简单，但无法进行课堂互动，如回答问题的加分等

技术可行性分析

技术基础

OpenCV, Dlib
人脸检测和识别的开源库
CNN, RNN, k-NN

人脸特征提取和分类算法
MySQL
数据存储的数据库
LayUI、Bootstrap

系统的前端框架，易用性强，简单易学
Spring Boot
系统的后端框架，使系统具有更好的可扩展性。使用到的依赖注入、面向对象方法都让整个程序更容易维护和扩展。
墨刀

项目原型设计
Apache Tomcat
系统的应用服务器
Nginx

开源、高性能、高可靠的 Web 和反向代理服务器，支持热部署

人员基础

项目组的三位成员都有一定的开发基础，对本项目的开发环境较为熟悉，具备研发该项目的能力。

投资及效益分析

支出

开发人员的研究经费
服务器租用费用
保障本系统运行与信息安全设备的使用费用

效益

开支缩减：本人脸识别课堂管理系统除了必要的功能外，尽可能减少不必要的功能，以减少能源损耗，降低错误的发生率，软件存在高度地可改进空间，提高了用户操作的效率；
价值提升：通过本系统的研发工作，项目组三位成员收获良多，不仅实现了系统的开发任务，还完成了一整套软件的开发流程。

结论

综上所述，该项目是可行的，可以按照计划进行项目开发。

需求分析

我们和老师、学生进行了交流对话，在调研阶段，设计了调查问卷，获取了需求，进而对需求进行分析与综合，得到了系统的解决方案和目标系统的详细逻辑模型。

需求获取

功能性需求

学生/老师/管理员的添加和登录
学生：照片提交、加入课程、人脸识别签到
老师：创建课程、发起签到、查看签到统计结果
管理员：审核学生照片、添加学生/老师账号

非功能性需求

性能需求

响应速度：要求每个页面在3秒内得到响应
数据库约束的完整性：数据库应当满足第三范式，即通过外键约束严格保证数据的完整性。对于带有外键约束的修改，必须在满足完整性的前提下进行修改

环境需求

签到平台需要连接网络
尽量使用chrome浏览器、Safari浏览器、火狐浏览器等主流浏览器

可靠性需求

人脸特征提取模型的精度不能设定过高，防止因妆容、光线等情况干扰识别的正确率
上传照片自动压缩，确保传输的速度和稳定性

安全性需求

服务器的安全性需要得到保证，避免学生和老师信息的泄露
为了防止密码泄露，不能使用明文存储和传输密码，应采用MD5加密方法进行加密
要求使用日志记录所有操作。日志按日存储，至少保存30天
为防止介质故障，需要对于数据库进行备份。至少在两个地方进行备份，每个月更新一次备份

用户界面需求

制作简洁、美观的用户界面，用户可以轻松找到功能，易用性很好

需求分析与建模

对所提需求进行分析与综合，具体描述了各个需求，制定了系统的解决方案，得到了目标系统的详细逻辑模型。

开发进度需求分析

根据可行性需求中提出的开发进度，我们制定了项目开发计划。
- 2021.11.05 项目提出
- 2021.11.06 完成可行性研究与撰写项目开发计划
- 2021.11.08 完成需求分析和结构化分析
- 2021.11.11 完成结构化设计与数据库结构设计
- 2021.11.13 软件编程实现了项目
- 2021.11.15 完成单元测试与集成测试
- 2021.11.17 编写用户手册与课程汇报

功能性分析

管理员

教师和学生账号的分配，进行学生、教师密码的管理
学生照片的审核和退回。如果学生的人脸照片不符合要求，那么有权退回并通知学生

老师

课程的创建
生成课程码，邀请学生加入
进入某个课程后可以发起发起点名
可以实时查看点名列表
可以选择课程结束
可以在课程结束后生成签到报告，查看学生总签到情况

学生

上传人脸照片并交给系统管理员审核
通过课程码加入课堂
进入课程后进行人脸签到
获取人脸签到的结果

结构化分析

结构化分析采用“自顶向下，逐层分解”的思想，由于系统规模较少，所以只将数据流图分为三层，分别是顶层、中层和底层。数据字典分为了五个部分，分别是数据流、数据项、数据存储、数据加工、实体数据。

数据流图与数据字典

系统的顶层数据流图与数据字典

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（1）顶层图的数据字典

（1.1）数据流
学生信息={姓名+密码}
老师信息={姓名+密码}
课程信息(老师)：课程名+任课教师编号
课程信息(学生)：课程名+任课老师姓名
签到信息：课程号+签到结束时间
学生照片={学号+图片数据}
人脸识别签到信息：学号+课程码+签到id+图片数据
照片审核结果：审核状态+备注
课程码：7{数字}7
考勤结果：[考勤成功|考勤失败]
签到结果：[签到成功|签到失败]
照片审核结果：[审核通过|审核未通过]

（1.2）数据项
学生学号：10{数字}10
老师编号：6{数字}6
签到id：9{数字}9
管理员账号：3{数字}3
姓名：2{汉字}4
备注：1{字符}100
课程名：1{字符}30
签到结束时间:日期+时间
审核状态：[审核通过|审核未通过]
密码：8{[数字|字母|英文符号]}20
数据元素名称：图片数据
类型：二进制数据
长度：0～10MB
说明：图片实际储存在硬盘中，数据库中只保存图片的存储地址

（1.3）外部实体
学生={学号+姓名}
老师={编号+姓名}
管理员={管理员账号}

系统的中层数据流图与数据字典

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（2）中层图的数据字典

（2.1）数据流
课程码：7{数字}7
学生照片：学号+图片数据
学生信息={学号+姓名+密码}
老师信息={编号+姓名+密码}
签到统计信息={学生姓名+[已签到|未签到]}
课程信息（学生查询）：课程名+任课老师姓名
课程信息（创建课程）：课程码+课程名+任课教师编号
课程信息（老师提供）：课程名+任课教师编号
签到信息：课程号+签到结束时间
学生签到记录：学号+签到id
照片特征：学号+特征向量
签到结果：[签到成功|签到失败]
审核结果：[审核通过|审核未通过]

（2.2）数据项
学生学号：10{数字}10
老师编号：6{数字}6
管理员账号：3{数字}3
签到id：9{数字}9
姓名：2{汉字}4
备注：1{字符}100
课程名：1{字符}30
签到结束时间:日期+时间
审核状态：[审核通过|审核未通过]
密码：8{[数字|字母|英文符号]}20
特征向量：通过神经网络输出的人脸的128维特征向量
数据元素名称：图片数据
类型：二进制数据
长度：0～10MB
说明：图片实际储存在硬盘中，数据库中只保存图片的存储地址

（2.3）数据存储
学生名单={学号+姓名+密码}
老师名单={编号+姓名+密码}
课程信息={课程码+课程名+任课教师编号}
课程学生记录={课程码+学号}
签到信息库={签到id+课程号+签到结束时间}
学生签到记录={签到id+学号}
照片库={学号+特征向量}

（2.4）数据加工
信息上传：分配学生学号和老师编号
创建课程：分配课程码
签到发起：分配签到id
签到统计：获取课程学生记录和学生签到记录，筛选未签到同学的信息
照片审核：审核未成功的照片删除，反之，CNN处理得到128维照片特征

（2.5）外部实体
学生={学号+姓名}
老师={编号+姓名}
管理员={管理员账号}

学生签到底层数据流图与数据字典

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（3）学生签到底层图的数据字典

（3.1）数据流
学生账号密码：学号+密码
上传照片：学号+学生照片
签到信息=签到id+学号
签到结果：[成功|失败]
签到通知={签到id+课程码+课程名称+任课老师}

（3.2）数据项
姓名：2{汉字}4
课程码：7{数字}7
签到id：9{数字}9
学生学号：10{数字}10
签到结束时间:日期+时间
密码：8{[数字|字母|英文符号]}20
特征向量：通过神经网络输出的人脸的128维特征向量
数据元素名称：学生照片
类型：二进制数据
长度：0～10MB
说明：图片实际储存在硬盘中，数据库中只保存图片的存储地址

（3.3）数据存储
学生名单={学号+姓名+密码}
签到信息库={签到id+课程码+签到结束时间}
照片库={学号+特征向量}
学生签到记录={签到id+学号}

（3.4）数据加工
登录系统：比对学生学号对应的密码是否和学生名单中保存的密码相同，则登录成功，否则登录失败
接收签到通知：寻找签到信息库中签到未结束的签到id，在学生签到记录中查找该学生是否已签到
生成照片特征码：利用CNN生成人脸128维特征向量
特征比对：利用分类算法为特征分类，比较二者对应学号是否相同，相同则识别成功，反之，失败

（3.5）外部实体
学生={学号+姓名}

信息上传底层数据流图与数据字典

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（4）信息上传底层图的数据字典

（4.1）数据流
管理员：管理员账号+密码
管理员信息：{管理员账号+密码}
学生名单={姓名+密码}
老师名单={姓名+密码}
学生信息={学号+姓名+密码}
老师信息={编号+姓名+密码}

（4.2）数据项
姓名：2{汉字}4
管理员账号：3{数字}3
学生学号：10{数字}10
老师编号：6{数字}6
密码：8{[数字|字母|英文符号]}20

（4.3）数据存储
管理员名单={管理员账号+密码}
学生名单={学号+姓名+密码}
老师名单={编号+姓名+密码}

（4.4）数据加工
登录系统：比对管理员账号对应的密码是否和管理员名单中保存的密码相同，则登录成功，否则登录失败
名单检查：检查名单中的各数据项格式是否合法，输出非法名单
学号分配：分配学生的学号
老师编号分配：分配老师的编号

（4.5）外部实体
管理员={管理员账号}

某门课程的学生状态转换图

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系统结构化设计

结构化概要设计

系统结构图

具有边界的中层DFD图

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系统的结构图

根据具有边界的中层数据流图，我们得到了系统的结构图。

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优化的系统结构图

根据信息上传和学生签到底层数据流图，我们优化了上述系统的结构图。

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信息上传模块的结构图

根据信息上传和底层数据流图，我们绘制了信息上传模块的结构图。由底层数据流图可知，信息上传模块是以事务调度为核心的，是事务型的处理模块。

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结构化详细设计

签到通知程序的流程图

签到通知程序的N-S图

我们将签到通知程序的流程图转换为了N-S图，使得模块间嵌套关系和层次关系得到更好地体现，思路清晰，结构良好，易于设计。

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数据库设计

数据库的所有表单

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各个表的结构

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数据库代码（可迁移）

为了实现数据库的迁移，所以我们给出了数据库创建的代码。

-- phpMyAdmin SQL Dump
-- version phpStudy 2014
-- http://www.phpmyadmin.net
-- 主机: localhost
-- 服务器版本: 5.5.53
-- PHP 版本: 5.4.45SET SQL_MODE="NO_AUTO_VALUE_ON_ZERO";
SET time_zone = "+00:00";--
-- 数据库: `jdg`
---- ----------------------------------------------------------
-- 表的结构 `admin`
--CREATE TABLE IF NOT EXISTS `admin` (`account` char(3) NOT NULL COMMENT '管理员账号',`password` varchar(20) NOT NULL COMMENT '管理员密码',PRIMARY KEY (`account`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='系统管理员';-- ----------------------------------------------------------
-- 表的结构 `canyu`
--CREATE TABLE IF NOT EXISTS `canyu` (`daka_id` char(9) NOT NULL COMMENT '签到ID',`id` char(10) NOT NULL COMMENT '学号',PRIMARY KEY (`daka_id`,`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='参与表';-- ----------------------------------------------------------
-- 表的结构 `chos_course`
--CREATE TABLE IF NOT EXISTS `chos_course` (`course_id` char(6) NOT NULL COMMENT '课程码',`id` char(10) NOT NULL COMMENT '学号',PRIMARY KEY (`course_id`,`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='选修表';-- ----------------------------------------------------------
-- 表的结构 `course`
--CREATE TABLE IF NOT EXISTS `course` (`course_id` char(6) NOT NULL COMMENT '课程码',`course_name` varchar(30) NOT NULL COMMENT '课程名',`teacher_id` char(6) NOT NULL COMMENT '教师编号',PRIMARY KEY (`course_id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='课程表';-- ----------------------------------------------------------
-- 表的结构 `daka`
--CREATE TABLE IF NOT EXISTS `daka` (`daka_id` char(9) NOT NULL COMMENT '签到ID',`course_id` char(6) NOT NULL COMMENT '课程码',`end_time` datetime NOT NULL COMMENT '结束时间',PRIMARY KEY (`daka_id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='签到表';-- ----------------------------------------------------------
-- 表的结构 `student`
--CREATE TABLE IF NOT EXISTS `student` (`id` char(10) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin NOT NULL COMMENT '学生学号，唯一',`name` varchar(4) NOT NULL COMMENT '学生姓名',`password` varchar(20) NOT NULL COMMENT '密码',PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 ROW_FORMAT=DYNAMIC COMMENT='学生表';-- ----------------------------------------------------------
-- 表的结构 `student_photo`
--CREATE TABLE IF NOT EXISTS `student_photo` (`id` char(10) NOT NULL COMMENT '学生学号，唯一',`tezhengxl` char(128) NOT NULL COMMENT '128维特征向量',PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=MyISAM DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='学生照片';-- ----------------------------------------------------------
-- 表的结构 `teacher`
--CREATE TABLE IF NOT EXISTS `teacher` (`teacher_id` char(6) NOT NULL COMMENT '教师编号',`name` varchar(4) NOT NULL COMMENT '教师姓名',`password` varchar(20) NOT NULL COMMENT '密码',PRIMARY KEY (`teacher_id`)
) ENGINE=MyISAM DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='教师表';

面向对象分析与设计

UML用例图

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原型设计与软件实现

原型设计

老师功能

用户登录

此功能需要编写对应的pojo、mappers、controller。

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教师功能页

构造pojo类、Dao类、Service类并编写对应的Mapper。使用GetCourse.do查看自己的课程：设置按钮可以添加课程，使用addCourse.do实现。还要实现添加学生功能，通过将学生加入，形成了完整的课程列表。

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课程创建

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课程添加学生

教师可以添加学生到课程中。通过点击添加学生，并输入studentid，即可添加学生进去。

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发起签到

通过发起签到，可以发起一次签到给学生，之后学生就可以进行签到了。教师发起签到以后，会添加一个check记录进入系统，学生进入系统即可查看到。

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学生功能

学生上传照片

要求学生进入学生界面，可以上传自己的照片到后台数据库。如果想要打回，直接从后台删除，重新上传即可。

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学生查看待签到列表

学生默认什么都看不到，学生需要输入签到ID，搜索之后才能看到这个签到记录。这个ID需要通过教师那里获取，一方面保证了同学一定在线。搜索之后方可查询到对应的签到记录，并且提供了进入签到的入口。点击该入口即可进行签到。

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人脸识别签到

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点击进入签到，即可完成调用摄像头，并提交签到。

软件实现

建立项目

采用Lay-UI的框架，进行导入。默认带了一些页面。

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验证码模块实现

在RandomValidateCode.java中实现。

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软件测试

我们首先进行了代码的走查，由高润、丁纪翔负责对姜宇晨编写的代码进行评价，发现代码潜在的问题。接着着重测试了系统中的每个单独的模块，以确保它作为一个单元来说功能是正确的。我们在单元测试中，主要采用白盒测试，以闰年检测模块的单元测试为例。在所有单元测试完毕后，我们就开始进行集成测试，集成测试中主要使用黑盒测试方法，采用自底向上的增量式集成测试方法，避免了开发大量桩模块，减少开发成本，测试效率得到提升。

代码走查

由高润、丁纪翔负责对姜宇晨编写的代码进行评价，发现代码潜在的问题，并进行更正。

程序结构

所有主要的数据构造描述清楚，合理
结构设计能够满足机能变更

函数组织

所有的变量声明每行只声明一个
函数名少于64个字符

代码结构

每行代码都少于80个字符
所有的变量名都少于32个字符
注释在代码中的位置不太好，不够清晰明了

数据类型与变量

程序没有使用特别的、易误解的、发音相似的命名
数据结构简单以便降低复杂性

循环

循环体不为空
代码不存在无穷次循环

输入输出

显示的文本无拼写和语法错误

注释

注释不清楚，部分主要的语句没有注释
看到代码不一定能快速明确其意义

闰年检测模块的单元测试

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老师发起签到时，要对签到设置的日期进行检验，检查输入的日期信息是否正确。而输入日期中的“日”在闰年2月时有29天，非闰年2月时有28天。因此，想要检测“日”是否正确，就必须要判断“月”是否是闰年2月。

闰年检测模块实现代码

int IsLeap(int year) {if (year % 4 == 0) {if (year % 100 == 0) {if (year % 4 == 0) leap = 1;elseleap = 0;}elseleap = 1;}elseleap = 0;return leap;
}

对闰年检测模块使用基本路径法进行白盒测试。首先通过IsLeap函数的代码，绘制了程序的流程图，进而绘制出如下控制流图G。

闰年检测模块的控制流程图

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在闰年检测模块的控制流图G中，环路复杂度环路复杂度V(G)=P+1=3+1=4，P为图G中判定节点的数目。环路复杂度决定了线性无关的路径的条数，即测试用例最少需要覆盖的图G中的路径的条数。接着，我们设计了覆盖所有4条线性无关路径的测试用例，对InLeap模块进行测试。

基于基本路径覆盖法的闰年检测模块的测试用例设计

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日期合法性检验模块的集成测试

由结构图可知，日期合法性检验模块集成了闰年检测模块。我们已经对闰年检测模块进行了单元测试，并无问题出现。

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集成测试采用自底向上的增量式集成测试方法，避免了桩模块的开发。而且，本项目真正涉及复杂逻辑功能操作的模块多位于底层结构中，所以，采用“自底而上的增量式”能够从最有可能出错的模块开始测试，减少了回测成本，还提高了集成测试的效率，支持故障隔离。日期合法性检验模块由签到发起模块驱动，所以首先设计了该模块的驱动模块“D签到发起”。

对合法性检验模块的集成测试以黑盒测试形式进行，使用等价类划分法。将输入的年、月、日进行等价类划分，从每个等价类中任意挑选一个进行测试用例设计。