（计算机系统结构专业论文）在线考试监控图像传输与实时响应系统的研究与设计.pdf

韭立交通太掌琢堂位论奎虫塞擅墨 中文摘要 摘要：在线考试系统的应用越来越广泛，但是考试现场监控仍然以人工监控为主， 浪费了大量的人力资源且影响考试公平性。针对这个问题，我们设计了利用低成 本的p c 摄像头和简单图像处理技术实现的考试监控方案，为在线考试系统提供了 一种实用性强的监控方式。 考试监控过程中，如何及时的传输监控数据并做出实时响应是一个核心问题。 本系统设计在浏览器端j s p 页面嵌入v a 斗编写a e t i v e x 控件，将监控数据的采集 处理等任务放在浏览器端完成。充分利用了考生本地资源，减轻了服务器负载。 另一方面，服务器端使用j a v a 编写。因此，如何将监控数据从浏览器端的c 抖 应用系统传送到服务器的j a v a 应用系统并及时做出响应是本文研究的重点。 本文综合s o c k e t 网络编程、s o a p 传输协议、x m l 文档格式等多种技术，研 究了监控服务器和考生客户端之间的消息通信和数据传输，设计了负责发送服务 器指令的s o c k e t 消息和负责传输考生考试数据的s o a p 消息格式并介绍了技术实 现的相关知识。 最后，在实验室网络环境下，测试了本考试监控系统的实际数据量和传输效 率。结果表明系统是有效可行的，是在线考试系统必要的辅助系统，具有较好的 应用前景。 关键词：考试监控；p c 摄像头：s o a p ；s o c k e t ；通信 分类号： a b s t r a c t a i 陷t r a c t ：o n l i n ee x a m i n a t i o ns y s t e mi su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y h o w e v e l , c o n 血o l i n ga n dp r e v e n t i n gt h ee x a m i n e ec h e a t i n gi ne x a m i n a t i o n si ss t i l lb ym a n u a l p r i m a r i l y d ol i k e t h a tw a s t e sl o t so fi e s o u r a n di n f l u e n c e st h ef a i l n e 懿qo ft e s t t o p m v i d e sah i g he f l ! i c i e n c ys o l u t i o nf o ro n - l i n et e s tm o n i t o r i n g , w od e s i g nam o n i t o r s y s t e mu s i n gs i m p l et e c h n o l o g yi ni m a g ep r o c e s s i n ga n dp cc a n l o l aw h i c hi sl o w c o s t e d kt h ep r o c e s so fm o n i t o r i n g , h o wt ot r a n s m i tk i n d so ft h ed a t aa n dm e s s a g e s b e t g d y l l $ a - v c l - a n dc l i e n t sa n dh o wt og i v er e a l - t i m er e s p o n s ei st h em a i np o i n t i nt h i s s y s t e m , d a t aa n di r l l a g e sf o rm o n i t o r 玳c o l l e c t e di ne x a m i n e e sb r o w s e rw h i c hh o l d a c t i v e xc o n t r o l si n j s p o t h e r w i s o , t h es e i c 鹤p r o c e s si sw r i t t e ni nj a v a s ow cf o c n s e o l lt h a th o wt ot r a n s m i td a t ab e t w e e nj a v a s y s t e ma n dc 抖s y s t a i l 1 1 把p a p e ra n a l y z e st h ek e yt e c h n o l o g ys u c h 硇s o c k e tc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , s o a pp r o t o c o la n dx m l t e c h n o l o g yf i r s t t h e n , d e s i g nt h ep r o j e c tf o rc o m m u n i c a t i o n a n dt r a n s m i s s i o nb e t w o e ns d v e ra n dc l i e n t s i n c l u d i n gt h ef o r m a to f s o a p m e s s a g ea n d s o c k e tm e s s a g c , a l s oi n t r o d u c ec o r r e l a t i v ei m p l e m e n t f i n a l l y , t h ep a p e rg i v e st h er e s u l t so fd a t aq u a n t i t yt e s ti nt h el a b o r a t o r y t h c r e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e , a n di st h en e c e s s a r ya u x i l i a r y s y s t e mw i t hb r i g h tp r o s p e c to f o n l i n ee x a m i n a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：e x a mm o n i t o r i n g ；p cc a m e r a ；s o a pp r o t o c o l ；s o c k e t ；c o m m u n i c a t e c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：欤名 签字日期：矽司年，2 月2 o h 导师签名： 雾? 墨 签字日期：l ”7 年，钥，。日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：浆书签字日期：哪 7 年胆月) 。日 致谢 值此论文完成之际，衷心地感谢那些曾经给予我关心和帮助的所有师长、同 学和朋友! 本论文的工作是在我的导师朱卫东副教授的悉心指导下完成的。朱老师不仅 在学术研究上诲人不倦、言传身教，指导我克服了许多研究上的难题，而且他谦 逊的品格。平易近人的作风也使我学会了很多为人处世的真谛，他严谨的治学态 度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年半以来朱老师 对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，实验室的刘宇同学、肖亮同学等对我论文中 的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。我还要由衷地感谢 计算机学院的各位老师和同学，感谢他们在学业上和生活上对我的帮助和指导。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。他 们无私的关怀和殷切的期望给了我克服困难的勇气、积极进取的动力和坚持不懈 的毅力。 1 绪论 l 。l 研究背景 1 1 1 在线考试系统介绍 随着互联网的快速发展与计算机技术的日趋成熟，计算机与网络的应用越来 越广泛，遍布各个领域。以i n t e m e t 为基础的在线考试作为现代教育的一个重要组 成部分，正在被越来越多的人们所接受。在线考试，就是将考试的整个过程：从 出题到答题以至之后的判卷等从诸多受限的传统纸质考试中抽离出来，利用计算 机，利用英特网四通八达无所不在的优势，赋予其新的生命。在线考试不受时间， 空间及考试科目的限制，给考试组织者、出题者、考生、评卷入带来了巨大的便 利，大大拓展了考试的灵活性。而且，在线考试的方式为考生带来了真正意义上 的平等，公开。试卷可以从数目惊人，质量过硬的题库中抽取试题即时生成，可 避免考试前的押题；系统可以根据人数抽出不同方式组题的试卷，避免了一些作 弊行为；可以采用标准化试题，从而使用计算机判卷，大大提高阅卷效率和阅卷 的公证性：可以直接把成绩送到数据库中保存备份，进行统计、排序等操作。它 可以杜绝试题泄露，评卷不公，或是可能出现的客观题评卷误差。总之，和传统 考试相比，在线考试有着不可比拟的优势。 纵观国内外相关领域，许多有远见的公司或企业纷纷投入到在线考试系统的 研究与使用中来。美国p r o m e t r i c ( 普尔文) 考试公司是国际上最大的计算机化教 育和考试认证服务的公司，开创了计算机化考试技术和管理标准，在世界的6 大 洲1 4 1 个国家建立认证考试网络，提供m i c r o s o 屯s u n , o r a c l e , c i s c o 等六十多家世 界知名玎公司的认证考试，并开发了g r e 和t o f e l 等考试使用的机考系统【l 】。 国内，有国家信息产业部信息化工程师认证考试管理中心( n c i e ) 进行的资格认 证考试，计算机等级考试，中国计算机软件专业资格和水平考试等一定规模的在 线考试，也有诸如博大无纸化考试系统、无忧网上考试系统等较为成熟的考试系 统。参加在线考试，考生只需注册便可以参加考试，甚至可以随报随考。考生在 考试结束后即可知道考试成绩，考试的结果会立即通过网络传送到相应的授证机 构，迅速且便捷。部分企业还利用考试系统不受地域限制的优点，组织全国各地 分公司的职工进行培训与考试，取得了不错的效果。 1 1 2 在线考试系统的安全性问题 现有的在线考试系统，其考试基本功能日趋完善：包括题库建设与管理、试 卷的抽取与生成、考生考试过程、考试后的试卷批改与成绩发布等，基本满足了 用户的要求，但这并不表明在线考试系统就已经完美的无懈可击，相反，在线考 试系统存在较多的安全问题。 安全性问题主要是两个方面，一是数据安全性，即考试试卷的保密性和考生 成绩答案等数据的准确性、完整性。二是考生考试的实时监控方面，即考生考试 现场作弊而导致的考试有失公平和客观的问题。 数据安全性又可以分为数据传输安全和数据本地安全。数据传输安全是指数 据传输的时候可能丢失、被截获、恶意篡改等问题；本地安全是指数据存放的保 密性，防止被窃取造成信息泄漏，防止因为病毒等不可预知的因素造成损失。对 于数据的安全性问题，一方面要求考试系统的功能完备，设计相应的备份恢复功 能模块，并且要求系统实时性、稳定性等较高，处理系统突发事件的能力比较强， 使得考试信息和考生的信息能够及时上传到远程服务器，一旦发生意外导致无法 上传考试信息，系统能够恢复备份内容。现有的考试系统在这方面都做了大量的 研究，基本解决了备份功能欠缺和系统稳定性问题。另一方面，通过对数据进行 加密来达到保密的效果。试题内容和考生信息都可以即时加密，然后再存放或是 进行传输。现在的加密算法研究成绩斐然，有大量的加密算法支持对数据的加密， 如m d 5 加密算法等。综上，数据的安全性研究已经趋于成熟，有较多的理论支持 和实际应用经验。 但考试的实时监控方面还有所欠缺。从考试系统出现至今，监控系统的发展 几乎停滞不前或是依赖于其他技术的发展，本身并没有进步，如视频监控的方案 由来已久，但发展到现在只是摄像设备的水平在提高，监控方案本身则没有太大 的进步。 详细分析考生考试过程中的安全性问题，可以从考生的作弊手法和传统监考 方式的弊端两方面进行说明。 在线考试中，考生的作弊手法主要有以下几种： l 、利用网络作弊，如利用q q 、m s n 等实时通讯工具，利用百度，g o o g l e 等 搜索引擎，利用电子邮箱等进行作弊。 2 、考生在考试现场换人替考或是找人协助答题等。 3 、在同一局域网内的考生通过网上邻居等，互相传送答案。 4 、借助可移动存储设备携带考试相关资料。 简单的讲，可以分为人工作弊和利用工具作弊。 2 北衷銮煎太宝硒雯位j 幺奎 绪论 传统的监考方式即人员监考，有专门的人员在考场内巡回检查，一个考场至 少需要配备一个监考人员。人员监考方式主要应对人工作弊，可以很快的发现替 考( 如果监考人员拥有足够准确的资料) 、协助答题即两人共同作答的情况，但是 人员监控方式浪费了大量的人力，且需要建立在监考人员可信的基础上。同样， 利用网络作弊防不胜防，监考人员不可能不问断的同时监视所有考生的屏幕，也 不可能认真观察每个考生是否有带违禁的移动存储设备。可见，应对网络条件下 的在线考试，人员监控作用非常受限。但是。如果不能保证考试现场的纪律性， 考试就失去了基本的公平与客观，也就没有了存在的意义。所以，考试监控力度 的加强是考试系统发展的重要支持，对于高标准严要求的考试，监控更是生命线 一般的存在。特别是，近年来，随着在线考试系统规模的扩大，有的考试需要在 全国各地不同的考点同时进行，如n c i e 考试中心的信息化工程师认证考试，在全 国2 8 个省市地区都设有考点。如此以来，由于考生的种种作弊行为，监考人员自 身素质的良莠不齐，都使得远程考试的监考工作变得非常困难，这是所有大规模 的远程考试共同面临的问题。 1 1 3 考试监控系统的发展现状 对于在线考试存在的安全问题，数据的安全问题基本得到了解决，不是制约 在线考试推广的主要因素了。对于第二种安全问题，即考试现场的实时监控问题， 现有考试系统的解决方案基本有以下几种： l 、通过监控程序对考生计算机的考试窗口界面进行特殊处理，使其不能最小 化，不能被其它应用程序界面所覆盖，不能被移动，不能被切换。考生看不到其 它应用程序界面，可以防止考生利用诸如b b s ，聊天器之类的工具进行作弊。 2 、监考服务器端预留网关和口地址范围检测功能，由管理员设定合法的m 范 围和网关地址，在监考时对每个考生所用的口地址进行记录比较，防止通过网络 进行代考。 3 、监控网络的口数据包，分析网络数据包的数据流量，来监控防止考生的利 用q q 、m s n ，e m a i l 等网络通讯工具进行的作弊操作。 4 、监控考试考点中的各种终端机之间的网络流量，防止考生之间的交流作弊 行为。 可以看出，以上几种方案都是针对利用工具作弊的情况，且主要通过技术手 段实现，也取得了不错的成果，发展较为迅速，解决方案较为成熟。目前，在应 用比较广泛的几个考试系统软件，如跗k 眦e 船m 【2 l 、w e b e x a m 3 1 等，都是通过在考 生机器上限制屏幕，并记录口的比较来加强对考生考试的控制 另一方面，应对人工作弊的方案则比较单一，目前只有普通的视频监控方式。 即在各个考场配备摄像设备，代替分散在各个考场的人员监考，有一个或几个监 考人员在监控室，利用专门的视频监控系统，通过屏幕监控考场状况。这种方式 节省了大量的人力资源，具有一定的效果。前文提及的美国普尔文考试公司开发 的，用于g r e 和t o f e l 等考试的机考系统则具有考场监控功能，在考点安装视 频监控装置来监控整个考场。 虽然具有一定成效，但为什么现有的视频监控方案没有普遍的使用? 认真分 析就会发现，现有的视频监控技术存在着与生俱来的弊端：监控范围固定且有限， 考生只能在装有电子监控设备的考场考试；监控范围是全体考生，不能对比是否 有个别的替考现象，也即不能将焦点锁定在某一个考生身上；很容易存在监控死 角，不利于及时发现作弊现象：不能及时应对作弊现象，只能如实的记录而不能 由实时处理；记录了考生的考试情况，若需日后查询则需要检查整个监控录像， 使用非常不方便；视频监控器的视频流图像的数据量十分庞大，传输时要占用很 大的网络带宽。例如，针对一幅具有中等分辨率( 6 4 0 x 4 8 0 ) 的彩色( 2 4 b i t s p i x e l ) 数字视频图像的数据量约7 3 7 硼) i t 嫩，帧速率3 0 赖，秒( n t s c 制式) ，则视频信 号的传送速率大约为2 2 1 1 m b i t s s ，一分钟的视频流则需要1 3 2 6 6 m 以上的硬盘空 间，数据量大，即使经过数据压缩后，其数据量也不小，如果是采取监控完成后 通过网络上传监控录像，给考点服务器增加较多负担；电子监控系统价格昂贵且 需要专业人员来安装调试，代价高而灵活性小。所以，视频监控方向虽有市场的 需求，但现有技术并不令人满意。 综上，在线考试监控系统的相关研究和成熟的产品还非常少，特别是视频监 控方面，有很大的发展空间。研究并开发一个性能良好且功能实用的考试监控系 统作为在线考试系统的辅助和补充是非常必要的，且有良好的研究和应用前景。 1 2 研究内容与意义 首先需要说明的是：利用页面锁定，包过滤等技术可以实现的监控考生利用 网络作弊的方式不是本系统研究的重点，因为这方面技术已基本成熟。本系统主 要针对人工作弊，提出一种视频监控的方案，以弥补视频监控方面的不足，满足 在线考试系统的实际需求。 针对在线考试系统的考场监控问题，我们需要一种考试实时监控方案，既具 备摄像头监控方式客观公正、节省人力的优势，又能最大程度的克服现有摄像头 监控技术的种种缺点。对此我们提出了基于个人摄像头的在线考试监控系统体系 模型。 4 本文以北京交通大学现代教育技术实验室开发的“全国信息化工程师认证考 试系统”为基础，研究设计了基于p c 摄像头的考试监控系统，通过对精确到对每 个人的监控，利用基本的图像处理技术结合简单的人工判别，旨在为在线考试系 统提供一种低成本、高效率、使用方便的监控方式。目标是开发出一个能尽量减 少人为因素的干扰、监考公平公正、最大限度防止作弊的在线考试监控系统。让 计算机帮助监考人员共同完成监考工作，减轻监考人员工作量；让计算机监控考 生的考场行为，弥补目前常用的两种监考方式的不足，充分保证在线考试的公平 公正性。本文在阐述了监控系统的整体设计思想与架构的基础上，重点设计监控 系统的传输与通信方案，主要有以下几个方面的内容： i 、研究分析在线考试监控系统需求，设计监控系统总体结构、功能模块。 2 、研究分析在监控系统的传输与通信方面涉及的相关原理及关键性技术，包 括s o c k e t 网络通信技术、s q a p 协议、x m l 技术、a c t i v e x 组件技术等。 3 、详细介绍监控系统各模块间的传输与通信的实现细节。包括考生客户端监 控报警模块、服务端异常处理模块及监控人员的管理监控模块。 4 、测试方案韵可行性与效果。 1 3 本文的组织结构 本文组织如下： 第一章，简要论述目前在线考试系统存在的安全性问题，说明开发在线考试 视频监控系统的目的和意义。 第二章，以n c a e 在线考试系统为基础，设计基于p c 摄像头的在线考试监 控系统的功能和整体架构，分析其工作流程。 第三章，对研究和开发基于p c 摄像头的考试监控系统中涉及到的相关关键技 术进行了详细论述。如s o c k e t 通信技术、s o a p 协议规范、x m l 技术、动态数据 发布技术、图像处理技术等。 第四章，详细设计了考试监控系统数据通信方案；重点研究了考点监控服务 器和考生客户端的两种通信方式和技术实现，规定了适用的协议和消息体结构。 并测试了监控过程中的图片数据量和传输情况 第五章，总结论文所做的研究工作，指出有待改进的地方，并展望后续工作。 2 考试监控系统架构分析 本文以全国信息化应用能力考试系统( 简称n c a e ) 作为研究背景。 本章首先阐述n c a e 考试系统的整体结构与基本流程并探讨该系统对监控系 统的需求，随后，将说明考试监控系统的架构和工作流程。 2 1n c a e 在线考试系统简介 n c a e 考试是信息产业部有关部门与教育、培训、r r 、人力资源等行业的主 流机构进行开放性和创新性的合作，建立的一套具有国际化水准的技术类职业人 才培训及认证体系。北京交通大学现代教育技术实验室为其开发的考试系统至今 已经过将近三年的运行，在运行过程中性能良好且稳定。截至2 0 0 7 年1 2 月1 日， 共有考点8 5 个，遍布全国各大省市；2 0 0 6 年1 月到2 0 0 7 年1 2 月，参加考试总人 次达到2 5 万余。 利用这个基本成熟的考试系统作为研究背景与实践基础，我们的设计大大的 简化，将更多的精力集中到监控系统本身而不是去重新搭建实验环境。 2 1 1 整体结构与考试流程 n c a e 考试系统由两大部分组成：考试中心部分和考点部分。考试中心部分 主要负责考试相关人员的信息维护工作，题库维护，创建试卷模版和抽题等工作。 考点部分主要负责考生的试卷下载、考试管理、考生考试及上传成绩。考试中心 和考点之问通过i n t o m o t 相互连接。考生在考点报名考试，由考试中心负责为考生 生成试卷，考点管理员通过网络将本考点所有考生试卷以加密数据包的格式下载 到本地，即可进行考试。考试结束后考生的答案和分数等信息再使用加密包的形 式上传到考试中心，由考试中心程序自动解析入库。考试中心和考点分别有各自 的服务器，都是采用b s 模式，但考试中心和考点之间则是独立对等的，通过 i n t c m o t 进行数据交互。考试中心服务器有且只有一个，而考点可有多个，分布在 不同地方，各自有各自的考点服务器。由一个中心服务器和所有的考点服务器进 行通信，交换相关数据，鄞考试中心和考点是一对多的关系。考试系统的整体结 构如下。 如图2 1 所示。 6 图2 1 考试系统整体架构图 f i g u r e2 1a r c h i t e c - t u r co f e x a ms y s t e m 考试系统主要流程由三类角色合作完成：中心管理员，考点管理员，考生。 其中，中心管理员又分为职能管理员和题库管理员。职能管理员负责为所有 考试工作人员( 包括中心管理员和考点管理员) 注册、认证、管理其日常事务； 管理考生信息，为考生生成试卷；与考点人员联系，及时返回给考点人员考试结 果和相关统计数据。题库管理员负责建设与管理试题库；创建并管理考试类别， 组卷、审核试卷等工作。考点管理员负责在考点下载试卷，批准考试，以及考试 结束后的上传成绩等工作。考生只需在考试前报名，按时参加考试，考试后查询 成绩即可。现有考试结构中，中心管理员是考试机构的人员，考点管理员则是各 地方负责组织考试的人员，是考试中心的合作者。学生考试过程在各自的考点管 理员的管理监督下完成，由于考点数量众多，中心管理员不可能完全介入，只是 抽查性质的出差去在某些考点亲自监考。 现将考试全部流程及人员职能说明如图2 2 。这里需要注意：题库管理员需要 建立题库并维护，这个工作是独立与考试流程之外的。 7 考试系统工作流程 中心职能管理员中心题库管理员考点管理员考生 注 ( 兰竺 ) 册 注册r 作人员 l 阶 基本信息 i 段 为考生报名 v 刨建考试类别 考 试 f 刨建试息模版 i 中 心 准 抽鸯 备 阶 j 段 | 审核试譬 上 l苎童翌皇i 考 下载试卷 点 准 批准考试 备 阶 段 v 考 试 l 登采考垂艉务器l 阶l 参加考试 l 段 v 考 上传试卷与成绩l i 试 结 柬结果壹诲 后 工 由 作 图2 2 考试系统流程图 f i g u r e2 2f l o wo f e x a m i n a t i o n s 2 1 2 对考试监控系统的需求 从考试系统的整体结构和工作流程可以看出，如果在某一考点有考试，考试 中心只能控制现场考试以外的操作：报名、抽卷、成绩入库、查询等，对于现场 考试则没有办法控制，只能由考点本地的考点管理员进行考试管理和监控。而现 有考试结构中，只有中心管理员是n c i e 考试机构的人员，考点管理员则是各地方 负责组织考试的人员，是考试中心的合作者。如此，考试中心对于这场考试的公 平性，客观性就没有准确的判断，或者只能通过成绩分析是否合理。在对考点管 理人员不信任的情况下，需要考试中心派专人去监考管理，且现场考试结束后， 没有对考试情况做存根保留以备日后查询验证。所以，考试中心希望有一个至少 能客观记录考点考试情况的监控系统，以加强对考试的控制与主导。虽然现有的 视频监控设备能达到考试中心的最基本要求，但是现有视频监控设备动辄上万元， 而且对于远程实时方面完全只能记录没有处理方法；安装、调试、维护、拆除都 要专业人员着手进行，对于考点数目众多，且具有不确定性的n c a e 考试而言， 部署现有的视频监控设备是不可能实现的。但考试的质量要提升，必须加大考试 监控的力度。如此矛盾的情况下，需要一种性能优越、灵活性高、成本小的考试 监控方案对n c a e 考试系统进行支持，这也是本考试监控系统产生的实际需求。 深入到n c a e 考试系统的具体职能和流程中分析：考试监控系统是部署在考 点的，需要考生考试计算机和考点服务器的数据交互、考点服务器与考试中心服 务器的数据交互。所以，在考生考试和上传成绩这两步( 如图2 2 ) 中，需要在原 有功能基础上进一步拓展。 对于考生来讲，在考试的过程中，设置考试监控设备，首先就有了一种威慑 作用，让大部分考生从心理上放弃了作弊的想法。同时，作为考生，希望监控系 统的操作简单，准确性好，不要出现误判情况，导致影响考生考试的状态。从考 点管理员角度出发，希望监控设备功能强大，能随时看到每个考生的影像，最好 系统能识别一些简单的作弊行为并报警，减少管理员的工作量，节省人力物力。 考试结束后，监控的结果能备案保存供以后查证，查证的时候要高效准确，不要 像现有的视频监控录像一样，需要从头到尾一点点的认真看完。从中心管理员角 度出发，希望考试监控系统是相对独立的，在考点管理员不被信任的情况下，能 客观准确的记录考试情况，包括对考试中实际发生的作弊情况的处理。这样，中 心管理员可以在考试结束后对考试过程进行审核与监督，防止出现考点管理员参 与作弊的情况。甚至在网络条件支持的情况下，中心人员希望直接参与考试实时 监控，而不仅仅是事后的检查。 考试结束后，考点需要将本次考试的监控记录备份保留。同时，需要把监控 9 结果的所有数据和考生的考试答案、成绩一起上传到考试中心，作为本次考试的 日志记录，供考试中心检查备案。 综上：考试系统对于监控系统的需求主要是以下几点： l 、客观真实，准确度好。 2 、操作简单，实用性强。 3 、方便灵活，成本小 4 、方便保存与查证。 图2 3 是本考试监控系统的用例图： 图2 3 考试监控系统用例图 f i g u r e2 3u c a s ed i a g r a mo f e x a m - m o n i t o r i n gs y s t e m 2 2 考试监控系统整体架构 通过上一节对考试系统的结构分析、需求分析，本节将提出考试监控系统的 初步构想，包括总体结构展示与功能流程分析。 2 2 1系统结构 通过上面分析可以知道，考试监控系统是部署在考点的，考试中心主要功能 是监督、查证与保存所以，我们以一个考点为例，展示监控系统的整体框架， 1 0 如图2 4 图2 4 考试监控系统结构模型图 f i g u r e2 4m o d e lo f e x a m - m o n i t o r i n gs y s t e m 如图2 4 所示：考点通过i n t c r n c t 与外界相连，与考试中心进行通信。考点本 地以考点服务器为中心，考生计算机通过i n l r a n e ：t 连接到考点服务器进行考试。与 传统的视频监控系统不同，并不是整个考场只配置一个大的摄像头，而是分别为 每个考生配备一个普通的p c 摄像头，用于考生考试全程的监控。一个考生一个摄 像头，这样就把视频监控的焦点聚集到了每个考生身上，可以对考生的具体行为 进行较为精确的监控。配合图像处理软件由计算机对考生考试有初步的监控与判 断。摄像头的监控范围可以扩大到将考生的周围情况一起包括进来，比如考生桌 子上等地方，有利于管理员的判断。 图2 4 只是一个整体的硬件架构，在这个架构上我们将通过软件的配合开发出 一套计算机辅助的考试监控系统。 2 2 2 系统功能分析与设计 为了不加重服务器负载，同时充分利用考生考试计算机自身资源，本系统将 监控的主要任务：包括考生考试图像的抓取分析和对考生考试窗口的控制等都放 在考生浏览器端实现，利用a c t i v e x 技术扩展了浏览器端功能，所以，虽然考点依 然是b s 模式，但却拥有了几乎能媲美c s 模式客户端的功能。因此，在下文中 将考生测览器端统一称作“考试客户端”。 考试监控程序分为两部分：考生客户端程序和考点服务器端程序。具体模块 设计如下：考点服务器端有三个模块：考试即时监控模块、考试异常处理模块、 考试情况查询模块。考生客户端有考生图像处理模块、考试异常报警模块、考试 异常处理模块。 图2 5 监控系统功能模块 f i g u r e2 5a r c h i 咖o f e x a m - m o n i t o r i n gs y s t e m 各模块功能分析如下。 考生客户端程序部署在考生考试计算机上，负责监控考生的考试行为，完成 考生考试图像采集、简单图像处理、疑似作弊行为的报警、图像与试卷的上传等 工作。 l 、考生图像处理模块。 本模块的功能是：定时采集图像，并做简单的处理比较，初步判定考生是否 有作弊行为。考试监控程序记录的并不是像常规视频采集一样的连贯图像，而是 定时抓取的考生考试静态照片。原因如下： 首先，我们平时看到的图像就是由一被祯的图片连贯而成的。每一帧都是静 止的图像，快速连续地显示帧便形成了运动的假象。高的帧率可以得到更流畅、 更逼真的动画。每秒钟帧数愈多，所显示的动作就会愈流畅。可以想象，在考试 监控图像中，其实包含了大量的重复信息，大部分的画面都是没有用的，白白增 加了人观察的负担和网络传输的压力。如果我们以固定的时间间隔抓取图片，那 么我们的信息量几乎没有损耗而数据量大幅度降低，效率上升了。另一方面，图 像采集的下一步要进行图像处理，我们的图像处理是对静态图片的简单处理，而 不是针对动态视频，所以，连贯的视频对于我们的下一步处理不但没有帮助，反 而是一种负担，需要额外的工作量对其进行处理，抽取静态图片进行分析。综上， 我们的监控系统采用定时抓取图片的方式进行实时图像采集。 假设没有计算机辅助的图像识别过程，完全依靠人力在本系统第一步采集到 的大量的图片中查找是否有作弊现象，那么本系统如同虚设。本系统的图像识别 并不是要做到极为精确的人脸识别，完全靠计算机判别是否有作弊现象，而是应 用现在成熟的图像处理技术，做图像对比，由计算机辅助做出考生是否作弊的判 断。考生状态分为正常状态和疑似作弊两种，主要利用图像识别的基本技术进行 图片的差异性判断。判断内容主要有两种：一是由计算机首先比较考生报名照片 和考试初始照片，若出现相似度达不到某个预先规定的阈值则判为疑似找人替考 的照片，向考点服务器报警再由考点管理员进一步判断；在随后的考试过程中， 比较考生考试实时照片与标准照片，若出现的差异度超过阈值，则记录并向考点 监控中心服务器报告，由管理员通过考点管理程序对此考生作相应处理，同时在 考生计算机上弹出警告窗口。 2 、考试异常报警模块。 本模块是本文研究的重点。考生客户端程序除了要对本机实施监控以外，还 需要和考试监控中心保持通信，将监控情况汇报给监控服务器、获取服务器端的 相关监控指令、执行监控服务器的命令等。如考点客户端程序判断考生状态为疑 似作弊，则将有嫌疑的图像发给考点服务器，等待考点管理员的进一步处理。 3 、考试异常处理模块。 考点客户端程序可能收到考点监控服务器的多种指令，包括暂停考试、继续 考试、结束考试等。接到考点服务器指令后客户端程序可以利用w i n d o w s 操作系 统的相关接口，暂时锁住考生答题界面，或是允许继续考试，或是关闭考生答题 窗口。 考点服务器端程序是考点管理员进行考试监考的窗口。一方面可以对考生情 况进行确认；另一方面可以控制考生客户端。考点服务器端程序的主要功能分析 如下； l 、考点管理监控模块。 本模块与异常处理模块一起构成考点服务器端的核心模块。考点管理监控模 块主要用于查看考生考试情况。对考生情况的监控主要是两个方面：随机抽查考 生考试实时图片，检查计算机判断属于疑似作弊的考生图片。由于考生有作弊嫌 疑时，考生客户端程序会被暂停执行，需要确定考生是否作弊，如果没有作弊或 是作弊情节较轻可以继续考试的，考点管理员立即批准考生继续进行考试，暂停 的时间不计入考试总时问；对于作弊情节严重不允许继续考试的，管理员对该考 生做有嫌疑标记，并可以直接停止考生考试。计算机判断属于正常状态的考生， 考点管理员首先查看考生报名照片和参加考试的实际照片，判断是否是同一个人： 然后查看考试的实时照片，监控考生有无不合理举动或是摄像头监控范围内有无 1 3 违规物品，如参考书等。对于计算机判断属于疑似作弊状态的考生，考点管理员 查看其有嫌疑的图片，可以单独放大此考生的照片以判断是否作弊。 2 、考试异常处理模块。 本模块对应于考生客户端的异常报警模块，实现与考生客户端的通信。当考 点服务器接收到考生疑似作弊照片时，考点管理员察看照片并判断，决定考生继 续考试或是停止考试。如果是考生移动过大或是其他的非正常原因导致程序误判 考生作弊或是考生作弊情节轻微能继续考试的情况，管理员可以批准考生继续考 试；如果确定考生作弊且情节严重，管理员可立即结束考生考试。 3 、考试情况查询模块。 考试结束后，考生的所有考试图片打包上传至考点服务器并保存，其中有作 弊嫌疑的照片单独标识。考点管理员可以查询任何考生的图片记录或者专门审核 嫌疑图片。考生所有照片按照拍摄时间不同依次命名保存，可以通过开发一个简 单的小工具，以类似f l a s h 的方式查看考生考试全过程。管理员可以定期对考生考 试图片记录进行备份并清理，以保证考点数据的简洁与安全 考点考试结束后，考点管理员还需要把考试结果，包括考生答案，考生成绩， 考生考试监控图片一起传送至考试中心服务器，当然具体事务由程序完成，管理 员要做的只是点击操作。其中，考生答案和考试成绩的传输现已实现，通过x m l 格式的文件进行存储传输。考生图片的传输如果不强调失效性，可以考虑通过f t p 等方式进行。 2 2 3 视频监控系统工作流程分析 视频监控系统的正常工作需要考生和考点管理员两方面的配合。虽然考生参 与监控为考生增添了负担，但是综合来讲，以微小的代价换得较高质量的视频监 控效果还是合适的。以下将结合考试流程，阐述监控系统工作流程和相关人员的 相应事项。视频监控是从学生登录考点服务器准备考试时开始工作的，直到学生 交卷考试结束，监控过程才结束随后就是后期查询和审核的过程。考试视频监 控系统的工作流程如图2 6 。 考试监控系统流程 考点服务器考生客户端 q p l 考生营陆考点服务器i l下载拇纵摄像头控件l 上 珥壁摄像头位置 并拍摄杯准图片 上 i 上传番片置考点服务嚣l i i 接收圈片i j 罨 馆 i 开始考试 i 帮 n - v i 定对摄取考生图片并处理 i 产爹 一 i 将异嚣暇片发绘考点曩务器i l j 接收异常图像 j 念 f ： ，。 吨芝2 譬一 ：= ； 导i 经 i关闭考试页面 柙 - v i陶像打包上传 u 望 楚 c 蓟 钾 图2 6 监控系统工作流程 f i 删2 6f l o wo f e x a m - m o n i t o r i n gs y s t e m 比较图2 6 和图2 4 ，可以看出，图2 6 是对考试流程中，“开始考试”到“考 试结束”过程的扩充与细化。考点安装考试系统并下载试卷，考试准备完毕。接 下来的考试过程又可以按时间顺序分为：考试前、考试中、考试后三个阶段，下 面分别介绍流程图中这三个阶段的处理流程。 考试前： l 、考生登陆考点服务器。在考生预备登录开始考试之前，首先要确认每个考 生的摄像头都没有硬件问题。考生通过浏览器登录到考点服务器准备开始考试。 登录地址例如：h t t p ：2 0 2 1 1 2 1 5 2 2 2 0 ，其中2 0 2 1 1 2 1 5 2 2 2 0 是考点服务器m 。 2 、通过浏览器以控件的形式下载摄像头控制软件。连接考点服务器成功后， 浏览器自动提示下载摄像头控制程序插件，点击下载，自动安装。 3 、考生拍摄标准照片。启动摄像头，弹出视频窗口显示摄像头的扫描范围， 由摄像头监控程序为考生提供标准照片并提示考生以此为标准调整摄像头位置， 保证摄像头的监视范围。考生调整完毕后，试拍第一张照片并上传到考点的监控 服务器。这张图片将作为考生本次考试的标准图片，用于图像识别程序和以后的 图片对比或是管理员查证替考作弊现象。拍好图片后，镜头调整页面会设定相关 的上传方式，不需要额外的软件支持与考生操作。 4 、将标准照片传送至考点服务器，申请开始考试。在标准照片传送到考点服 务器后，由服务器端的图像辨别程序对比初始标准照片和考生报名照片，有嫌疑 的将做出标记并排在审核的前列，等待管理员人工辨别。 5 、考点管理员批准考生开始考试。管理员可以先批准所有考生进行考试，再 结合计算机识辨结果审查有无替考行为，随时发现随时解决。或者当考试规模不 大的时候，可以审核完考生确为真人后，再统一批准考试。这里需要注意，如果 考点管理员未批准考试，则考生不能进入答题页面。 考试中： 6 、考试过程中，监控系统利用摄像头在固定的时间间隔内拍摄考生考试画面， 并将图片存在考生机器的固定位置，等待进一步处理。摄像头采集考生图像的时 间间隔默认为l o 秒，可以由考试管理人员在考点监控服务器端自行更改。 7 、系统将每次截取到的考生图像与考生标准图像进行比较，有两种可能，正 常或是异常。异常情况通常是指：1 ) 进行人脸检测，如果检测出没有人脸或两个 及两个以上的人脸则发出报警，判定为有嫌疑的图片；2 ) 进行差异值计算，将图 片与标准图片进行图像差异值计算，如果超出一定的阈值则发出报警，判定为有 嫌疑的图片。此处注意，我们只需要做到简单的人脸检测与差值比较就可以了， 不需要实现复杂的人脸识别。 8 、在整个考试过程中，如果考生没有任何违规行为，那么至考试结束，不会 1 6 受到监控摄像头的任何干扰，实现了监考的透明化。考试结束，考生交卷或是系 统自动回收试卷，监控过程结束。 如果考生确有离开座位、换人考试、多人助考等作弊现象，监控系统将会与 考点服务器通信，在考试管理页面显示警报，管理员可以暂停考生考试，查看嫌 疑照片，然后决定是否允许考试继续考试。考试管理页面会对应“暂停考生考试”、 “结束考生考试”或是“考试继续进行”有相应的处理流程，管理员只需要决定 即可 如果考生考试过程中有违规行为，但并非作弊，比如大幅度的摇晃身体，改 变摄像头的监控范围等，监控系统会按照作弊处理，发出嫌疑警报，需要管理员 介入处理。对应这种情况，我们采取的措施是：发现异常图片首先向考生报警， 如在考生界面弹出提示框；连续2 次或多次( 可由管理员设置次数) 再判为作弊 嫌疑，像考点监控程序发出报警。 考试后： 9 、考试结束后，将考生考试监控图片传送至考点服务器。再由考点管理员执 行成绩打包和数据上传两步，将本考点的详细考试情况及数据库相关内容，包括 考生编号、考生成绩、考生答案、正确答案、作弊标记等等写入x m l 文件中，与 考试过程中采集到的考生图像一起上传到考试中心服务器，中心管理员可以检查 考生考试的图片记录和考点管理员的处理方法，没有问题则可以将结果备份保留， 以备日后查询。 至此，考试监控系统的总体架构、模块组成和工作流程都有了详细的说明， 本文解决的重点问题也列了出来，接下来将介绍本文所用的相关理论与技术。 1 7 3 系统相关技术研究 本文涉及的技术主要包括两个方面：一是考点服务器程序与考点客户端程序 问的通信技术，二是图像识别处理技术。图像处理不是本文研究的重点，本文只 关心：1 ) 图像识别程序如何部署到考点客户端程序；2 ) 在信任图像识别程序的 基础上，如何将图像识别的结果和实时通信关联起来，实现考点服务器对考生客 户端的控制；所以图像处理的相关知识在本章只做简短的介绍。本章重点讨论网 络环境下。计算机之间的实时通信技术，本监控系统主要利用a c t i v e x 技术将图像 识别程序通过浏览器部署在客户端，实现了应用需求，保留了b s 模式的简约风 格；利用s o a p 协议实现了考点服务器程序与考生客户端程序的通信。现将相关 技术详述如下。 3 1s o c k e t 网络通信技术 本考试系统的考点环境基于v r m d o w s 操作系统，这是由于w m d o w s 已成为当 前的最普遍的操作系统。所以，网络通信的首选是w ”m d o w s 的s o c k e t 编程。s o c k e t 技术对于程序的执行效率和编程灵活性支持较好，适合传递时效性高的消息。 s o c k e t 工作原理如下。 套接与z ( s o c k e t ) 是应用程序同t c p i