（计算机系统结构专业论文）基于pc摄像头的考试监控系统研究与设计.pdf

j e 塞銮煎太亟堂包 论塞虫塞擅蓦 中文摘要 摘要：在线考试系统以其准确、客观、公正、快速等特性，正逐步形成一种新型 的考试方式，逐渐成为检测教学成果的一种有效手段。然而，在线考试系统也面 临着新的监考安全问题：如何有效的监控和防止考生在考试过程中的作弊行为、 保证在线考试的公平公正和可信度。基于p c 摄像头的考试监控系统为这一问题提 供了低成本、高效率的解决方案。 首先，论文分析了应用于考试监控系统的关键技术：d i r e c t s h o w 技术、屏幕图 像抓取技术、s o c k e t 通信技术、动态数据发布技术以及x m l 技术等。 其次，根据在线考试系统的安全需求，详细分析和设计了一个基于p c 摄像头 的考试监控系统，包括摄像头图像捕捉、屏幕图像获取、考点监控管理以及考试 过后的试卷和图像查询等功能模块。重点是摄像头图像采集以及s o c k e t 的通信实 现。 最后，论文对考试监控系统进行了仿真测试，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；屏幕截图；d i r e c t s h o w ；s o c k e t 分类号： 毡夏至适塞亟圭堂焦监奎垒工r 至 a b s t r a c t a b s t r a c r ：0 n l i n ee x a m i n a t i o ns y s t e mw i t hc h a r a c t e r i s f i c ss u c ha sa c c u r a t e i m p a r t i a l a n do b j e c t i v e ，f a s t ，a n ds oo n ，i s g r a d u a l l yb e c o m i n gan e ww a yo f e x a m i n a t i o n ，b e c o m ea ne f f e c t i v em e a n so ft e s t i n ga c a d e m i ca c h i e v e m e n t s h o w e v e r , o n l i n ee x a m i n a t i o ns y s t e mi sa l s of a c e dw i t hn e ws e c u r i t yi s s u e s ，t l a ti s ，h o wt o e f f e c t i v e l yc o n t r o la n dp r e v e n tt 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 s ，a n dg u a r a n t e e d t h eo n - l i n e t e s t i n g f a i ra n dc r e d i b l e p c c a m e r a - b a s e d m o n i t o r i n gs y s t e mo f e x a m i n a t i o n sp r o v i d e sf o rt h ei s s u eo fl o wc o s t ，h i g he f f i c i e n c ys o l u t i o n f i r s t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ek e yt e c h n o l o g yu s e di nt h ee x a m m o n i t o r i n gs y s t e m ： c a m e r ai m a g ea c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y , 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 , d y n a m i cd a t a r e l e a s et e c h n o l o g y ，a sw e l la sx m l t e c h n o l o g y s e c o n d l na c c o r d i n gt ot h es e c u r i t yn e e d so fo n l i n ee x a m i n a t i o ns y s t e m ，p r o v i d ea d e t a i l e da n a l y s i sa n dd e s i g no fap c c a m e r a b a s e de x a m m o n i t o r i n gs y s t e m ，i n c l u d i n g c a m e r ai m a g ec a p t u r e ，s c r e e ns e c t i o n a ld r a w i n g ，m o n i t o r i n gm a n a g e m e n to fp o i n t ，a n d p a p e r sm a di m a g e si n q u i r i e sf u n c t i o nm o d u l ea f t e rt h ee x a m i n a t i o n f o c u s e do n a c h i e v i n gc a l l l e r ai m a g ea c q u i s i t i o na n ds o c k e tc o m m u n i c a t i o n s f i n a l l y , t h ep a p e rh a sc a r r i e do nt h es i m u l a t i o nt e s tt ot h ee x a m - m o n i t o r i n gs y s t e m t h e 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 fo 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 c r e e ns e c t i o n a ld r a w i n g ；d i r e c t s h o w ； s o c k e t c i a s s n 0 ： 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l 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，实验室的同学们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 1研究背景和动机 1 1 1 在线考试系统介绍 1 绪论 考试是世界各国鉴别被考对象素质水平差异的一种检测手段，同时也是各类 学校鉴别教与学的效果的必要手段。客观公正地反映考生成绩是各种考试所追求 的目标，节约考试成本是考试组织者们应该关注的问题。从考试现象的产生、发 展、演变的历史来看，只要存在社会分工，考试就不可避免。然而，考试结果究 竟在多大程度上真实地反映被考对象的实际能力，即考试的可信度，则会受到许 多因素的制约：如试题的难易程度、被考对象的知识差异、考试方式的完善度及 公正程度等。因而如何提高考试的可信度，是值得探索和研究的课题。 网络化在线考试就是采用计算机为工具替代人类的手工出题、发题、身份验 证、监考、收卷、阅卷、统分和试卷分析等过程，使考试更加严格、真实可信， 是对传统考试的一种延伸与变革，它可以充分利用网络无限广阔的空间，随时随 地的对学生进行考试。不受时间与空问的限制，大大地简化了考试的过程，减轻 了繁重的考试管理工作，避免了考试过程中的人为因素，提高了考试考核水平、 管理水平和公正程度。与传统的考试相比，网络化在线考试系统具有降低考试成 本，解决繁重的考务工作等优点。 随着互联网的快速发展，网络化在线考试也正在逐渐普及。美国p r o m e t r i e ( 普 尔文) 考试公司就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 f t , s u n , o r a c l e ，c i s o 等六十多家世界知名i t 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i “。我们国内也有不少成功的考试系统， 如计算机等级考试系统、中国计算机软件专业资格和水平考试系统、博大无纸化 考试系统、无忧网上考试系统等。使用这类软件，考生只需注册，便可以参加考 试。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。 从逻辑上看，在线考试系统主要由两大部分构成，一是后台管理信息系统( 试 题生成、试卷维护、试题组卷、考生信息管理、自动判卷、考生成绩管理等) 以 及考生在线考试系统( 考试时间的控制、内容显示的方式、内容提交的方式等) 其中，后台管理信息系统只有管理员等少量授权用户使用。而考生在线考试系统 则对每一个考生可见。 在线考试系统通常存在两种运行模式，一种采用c s ( 客户端月艮务器) 结构， 另一种是b s ( 浏览器服务器) 结构。c s 结构的在线考试系统是指在每个考生端 的计算机上安装一套软件，同时在远程考试中心的一台服务器安装服务器软件， 等待来自考生客户端的考试连接请求。考试系统一旦升级或维护，会伴随大量的 工作量。c s 结构的系统还存在平台间的异构性，需要针对不同的操作系统开发不 同的在线考试系统。而基于w e b 的b s 结构的在线考试系统，借助基于h t t p 协 议的w e b 页面，以“请求响应”连接机制实现浏览器与服务器之间的信息交 互、信息处理、结果显示，解决了平台问的异构性。实现了客户端的零设计，升 级维护的对象只是服务器，减轻了开发工作量，提高了效率。目前，国内大多数 考试系统都采用b i s 结构，少部分采用c s 结构【2 j 。 1 1 2 在线考试系统的安全性问题 在线考试系统以其准确、客观、公正、快速、简捷等特性，正逐步形成一种 新型的考试方式，显现出应用技术革新的魅力。然而，对当前在线考试系统的上 述两种考试模式进行细致分析后，我们还是不能高枕无忧：在线考试系统的一个 突出优势就是借助网络远程考试的实现，也就是说通过网络访问远程考试中心试 题库获取试卷，在线答题并提交答案实现在线考试。由于考试本身的严肃性、时 间的统一性、考场行为的规范性，这也就要求考试系统的安全性、实时性、稳定 性等性能极高，处理系统突发事件的能力比较强，能够有效地保证考试公平、公 正、安全、稳定地进行。一方面要求每位考生的作答内容能够及时上传到远程服 务器，一旦发生意外导致考生无法上传作答内容，系统能够为考生恢复作答内容， 这是考试系统应该具备的内容备份功能；另一方面，使用在线考试系统能方便的 扩大考试人数。而考试人数的增加就会出现同一次考试要在全国甚至世界各地要 有不同的考点同时进行。随着考点的增多，进行远程考试的监考工作非常困难。 而在片面追求学历的社会风气影响下，考生在考场作弊的现象屡屡发生，这是所 有大规模的远程考试共同面临的问题。 然而，无论是c s 结构还是b s 结构的在线考试系统，对这两方面尤其是第 二个考场监控方面的关注与解决方案都不能令人满意，几乎都太注重考试系统本 身功能的实现，而忽略了考试过程的安全问题i j j 。 考试中心目前采取的防止作弊的办法主要有两种： 一是传统的监考方式，完全由监考老师来进行考生身份验证和考试过程中的 2 j 塞銮通太堂硒论奎 绪论 监考工作。然而由于监考人员的素质参差不齐，监考过程中也难免有错漏，因此 很难达到统一的公正标准。 第二种方法就是在考点使用视频监控装置。 另外，传统的身份验证方法一般是通过验证用户名、密码等来确认考生身份， 但是这些信息很容易泄漏，不能从根本上杜绝代考现象的发生，安全性差。因此， 为了更加准确的确认考生身份，本系统采取图像处理方式，在考场直接采样考生 图像，通过与报名时采集的考生图像对比来确定考生身份，再加上考试过程中， 监控人员也可以随时查看考试时定时采集的考生图像，双管齐下，能够有效地防 止代考现象的发生，保障考场的安全。 1 1 3 论文研究动机 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” 是采用b s 模型实现的大型在线考试系统。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，目前已经得到了很好的应用，其考点分布在全国十 几个省市，使用过本系统进行考试的考生数量已达到数万人次。 然而，随着系统应用范围的扩大，考点的分布极其分散，因此只能由考点在 其所在地选派人员进行监考，而各考点监考人员的不同，必然导致各考点的监考 标准和严格程度不同。而且，根据在线考试系统在应用过程中各考点的反馈情况 来看，考生在考试过程中的作弊现象比较普遍，例如有的考生具有一定的计算机 及网络知识，可能利用其发现的系统漏洞进行作弊。目前常见的学生在网络考试 中所使用的作弊方式有如下几种： ( 1 ) 考生请别人替考； ( 2 ) 因监考人员工作疏忽，考场中可能出现多个考生联合作弊的情况； ( 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 ) 利用g o o g l e ，百度等搜索引擎搜索相关资料，或者利用e - m a i l 、m s n 、 q q 等网络通讯工具来传递答案或者与考试有关的资料； ( 5 ) 借助可移动存储设备携带考试相关资料。 以上列举的这些情况，都是在在线考试系统的应用过程中发现的。诸如此类 的作弊行为，仅靠考场监考老师比较难于发现和管理。为尽量控制并杜绝这些类 似现象的发生，保证考试结果的公平公正，同时也进一步减少教师的监考工作量， 我们设计并研究了一个基于p c 摄像头的在线考试视频监控系统，在防止考试过程 中作弊行为的同时，还具有安装使用方便、低成本、高效率，以及便于考试后对 考试过程中相关情况的查询等特点。 北瘟交通太堂亟主捡塞绪论 1 2考试监控系统的发展及现状 目前，随着在线考试系统的应用越来越广泛，各种在线考试系统的功能也在 不断完善，但现有所知的在线考试系统大都关注考试系统本身功能和结构的完善， 安全方面的考虑也只限于系统本身及数据库信息的安全，如采用用户身份认证、 用户口令加密、数据库字段加密等手段，而在对考试过程中的监控和防止作弊方 面的关注和研究却很少，或者有的系统使用在考点安装视频监控装置的方法进行 监控。 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，就具有考场监控功能，但是该系统采用的方法就是在考点安装视频监控装 置来监控整个考场，不过这种监控方式有以下几个问题： ( 1 ) 此类视频监控设备价格相对比较昂贵，安装、调试及维护需要专业人士 进行。 ( 2 ) 视频监控器监控扫描角度问题。由于考场中考生们所处的位置不同，视 频监控器难免会出现不能对不同位置的考生有相同的监考力度的情况。 ( 3 ) 视频监控器或者摄像机只是负责扫描整个考试区域，同时进行录像，而 考生的作弊行为则要靠监视人员来发现，因此即使能扫描到考生的作弊情况，它 也不能进行处理，需要监视人员发现此情况后进行人为干预，而过多人为因素的 加入必然会侵考试的公正性下降。 ( 4 ) 视频监控器的扫描和记录是针对于整个考场的，若考试以后想对某个考 生进行调查或抽查工作，就要重新检查整个考场的录像资料，极其不方便，也不 容易发现问题。 ( 5 ) 不能有效验证考试考生和领取认证的考生是否是同个考生。 ( 6 ) 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 m b i t s d i 喷，帧速率3 0 帧秒( 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 d 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，给考点服务器增加较多负担。 综上可知，在线考试监控系统的相关研究和成熟的产品还非常少，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 3本文的研究和开发内容 4 综合上述在线考试系统以及现有的视频监视系统的安全问题分析，我们提出 新的在线考试监控系统体系模型。考试系统本身采用b s 结构，考试监控系统的 客户端采用从服务器下载a c t i v e x 控件到浏览器的方式，以基于w e b 的方式实现 功能。两者互相结合，能够很好地为大型在线考试提供考试功能，以及安全方面 的保证。 在线考试视频监控系统的特点有： ( 1 ) 操作简单。基于w e b 的监控系统采用浏览器作为统一的客户端，用户界 面一致、友好，使用方便，系统具有良好的可扩展性，软件的安装、维护和升级 容易。 ( 2 ) 瘦客户思想的网络结构。使用w e b 服务器，客户端用户不需要安装任何 软件，只需通过浏览器即可完成监控任务，减轻了客户端的负担，符合瘦客户的 思想，同时也给系统集成带来了方便。 ( 3 ) 实现即插即看。由于集成了w e b 功能，仅需设置一个i p 地址即可完成 安装，实现了即插即看功能，提高了集成的灵活性及简单性。 ( 4 ) 访问权限的管理。考试服务器提供了访问权限的账号管理机制，对网上 访问者采用权限校验方式，授权用户可以控制系统的配置，保证了系统的安全性 和稳定性。 通过我们的研究，希望开发出的在线考试视频监控系统能达到尽量减少人为 因素干扰、监考公平公正、最大限度防止作弊的目的。 本文按照如下思路组织：首先分析在线考试视频监控系统中涉及到的相关关 键技术；在此基础上，分析和设计一个基于摄像头图像采集的考试视频监控系统。 最后进行仿真测试，分析结果并总结。具体而言，论文分为以下六章： 第一章，简要论述目前在线考试系统存在的安全性问题，引出开发在线考试 视频监控系统的目的和意义。 第二章，结合n c a e 在线考试系统，设计基于p c 摄像头的在线考试监控系 统的功能和整体结构，分析其工作流程。 第三章，分析考试视频监控系统中涉及到的关键技术：摄像头图像采集技术、 屏幕截图技术、s o c k e t 通信技术、动态数据发布技术、x m l 技术。 第四章，通过分析系统设计中涉及到的关键技术，以最大限度的防止在线考 试中的作弊及其他安全问题为目的，分析并设计一个基于p c 摄像头的在线考试视 频监控系统，确定系统的实现思路和实现细节。 第五章，对在线考试视频监控系统进行模块测试并分析测试结果。 第六章，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 2 1n c a e 在线考试系统简介 全国信息化应用能力考试系统( 简称n c a e ) 是在信息产业部领导下组织实 施的全国范围的i t 专业认证体系，在信息产业部等有关部门指导下，与教育、培 训、i t 、人力资源等行业的主流机构进行开放性和创新性的合作，建立一套具有 国际化水准的技术类职业人才培训及认证体系，推动我国信息化建设的发展。 2 1 1 整体结构 n c a e 考试系统采用b s 模式，即浏览器服务器模式。系统由两部分组成： 考试中心管理部分和考点考试部分。考试中心管理部分主要负责与考试有关人员 的信息维护工作，以及题库维护、创建试卷模版和抽题等工作。应用程序访问数 据库采用直连方式。考点考试部分主要负责考生的试卷下载、上传成绩以及考生 的考试过程。考点可有多个，分布在不同地方，各自有各自的考点服务器。考点 服务器装的操作系统也是l i n u x ，但数据库为m y s q l ，应用程序访问数据库也采用 直连方式。 考试系统的模块结构如图2 1 所示： 6 德柽。辫鬻鬟鍪麓獬辫 薹磊雾i 豢簿g 耋鬻尊，2 徽爹 ：；i l ，i 、 扦的 窿痔掌”鬻一v 一镄鬻2 畛矗考彗麟 # 登零 ， i 囊攀等氧谚鹫。 簿。溉 瓣题彰彩带瑟* 。- 女薅黪墓灌撼、二o 蕺橇试髓黪黪 * 黪缀黪管理i ，” i i # | + $ # 删镕崭# # g n # # m i $ 。4 十 。s 一磐”i 劳谬黪雾喾磐8 辫移。 导磊鬻差蓐髫j i 查谰修矬考篷籀，氢 考前淮 爹备工作 够矗渗鐾麓爨j 扩 囊询垮魏考篷信意曩。 m j 壮榉掰蹲。”# 。甥8 堂? o 警& 蠢蠢羹霎挚i g 努黪i 蔓戚下载 黼聩鹾誉。一+ 蠢簟笠臌l 、科 势鬣试豢 。 数据包 蟛挚驾j 尊+ 。? | 。 图2 1n c a e 考试系统模块结构图 2 1 2 关键功能模块的实现 考后成 芗绩处理 考试系统根据使用人员的职能不同而将系统划分为多个功能模块，包括考生 与工作人员信息维护模块、题库管理模块、抽题模块、传输模块以及考试模块等。 下面就几个重要模块作详细介绍。 题库管理模块：完成题库的管理工作。包括试题的导入导出、知识点的划定、 难度系数复杂系数的设定、试题编辑等。该模块主要操作的表为d bq u e s t i o n ， d b和d b表 所放的是所有试题，导入导出试_ c h a p t e rk n o w l e d g e p o i n td b _ q u e s t i o n 题是对该表的插入删除操作，难度系数复杂系数的设定以及试题编辑是对该表的 修改操作。表d bc h a p t e r 和d b 存放的是章、节以及知识点信息。_knowledgepoint 抽题模块：完成试卷模版的制定以及为购买试卷的考点抽题等功能。一般每 一门考试科目都要有一个或多个模版，抽题时根据模版上给出的要求进行抽题。 模版制定时需要指出该套试卷中每一道题的类型，以及该题出自哪一章哪一节的 哪一个知识点，该题的难度系数和复杂系数都是多少，最后形成一个模版。抽题 时，利用一个循环函数按照模版的要求一道道的从试题库中抽题，若对应模版上 一道题在试题库中有多道符合条件的试题，则再利用一个随机函数在符合条件的 7 熏一 嚣嬲饕 试题中抽取，最后全部题抽完后形成一套试卷。注意，试卷上只是存放抽出试题 的题号，考试时再按抽出的题号在考点本地数据库中取题。需要说明的是，本考 试系统中试卷与考生的关系是l 对l ，即为每一个考生都要抽一套试卷。这样同一 门考试在抽题时实际上是为每一个考生都用同一个模版抽取一套试卷，因此若题 库中当符合抽题条件的试题个数比较少而需要抽题的考生多时，必然会出现试题 在多套试卷中重复出现的现象。 传输模块：完成考点的题库同步、试卷下载以及考试完成后上传考生试卷到 考试中心的功能。题库同步实际上是让考点服务器上的考生题库与考试中心的一 致，这样在考试时才能按考生试卷中的题号在本地数据库中取题。试卷下载是将 考试中心为考生抽取的试卷下载到考点服务器上，以便考试时使用。上传考生试 卷到考试中心是在考试完成后，考点把考生的试卷上传到考试中心，包括考生答 案、所用时间等。 考试模块：完成考生考试过程的功能，包括考试开启、监考老师的分配、考 生登陆、考生考试和试卷提交等过程。考生在登陆考试时，需要进行身份验证， 输入考生考号和密码，验证通过后才能进入考试页面。并且，同一个考生考号不 能在多台机子上登陆，这样防止考生作弊现象的发生。考生考试时，系统会自动 按照该生试卷上的题号在本地数据库中取题，每做完一道题，考生的答案就会立 刻存入本地数据库，防止机器故障等不可预知的情况使答案丢失。最后考生全部 答完题后提交试卷，本次考试就将完成。此模块主要是对考生试卷表d b _ t e s t 的读 写操作和对试题库表d b 的读操作。question 1 4 1 2 2在线考试与视频监控系统的组成结构 视频监控系统作为在线考试系统的辅助和补充结构，其功能的实现是必然要 与考试系统结合在起的，因此，我们讨论视频监控系统的组成结构就不可避免 的与考试系统联系在一起。 整个在线考试与视频监控系统由两个相对独立的子系统组成：考试中心部分， 考点部分。两个子系统之间通过中心考点数据交互模块实现数据互传。其中，考 点部分又是由考点服务器和考生计算机组成的，来完成现场考试的工作。 1 考试中心部分。 考试中心部分包括考试系统的中心数据库服务器、w e b 服务器、系统运行的 程序以及考试系统存在的物理环境。中心服务器的操作系统采用l i n u x 操作系统， 数据库服务器采用o r a c l e ，w e b 服务器使用t o m c a t 。考试中心程序由题库管理模 块、中心管理系统( 包括试卷模板管理模块、评卷模块、成绩查询模块、中心考 8 试信息维护模块和中心一考点数据传输处理模块等) 。所有考前的准备工作，如题 库的导入，试题的增、删、改、查，考试科目和试卷模版的增、删、改、查，试 卷的生成和下载，成绩的处理和查询等，都由考试中心管理员登录到考试中心来 完成。它是整个n c a e 在线考试系统的核心部分。 增加了视频监控功能后，考试中心的程序又增加了两个功能：一是在考点考 试期间访问任意考点，并查看考点或具体考生的考试进行情况。二是考试结束之 后，管理员可以恢复考生的试卷，包括考生答案和正确答案，并同时显示视频监 控程序在考生考试过程中所采集的图片，重现考试情境。便于事后核实考试情况。 2 考点部分。 一个考点包括一台考点服务器和多台考生计算机。 ( 1 ) 考点服务器 考点服务器上的考点管理系统，功能包括教师监控模块、试卷生成模块、考 点考试信息维护模块等。考点举行场考试之前，从中心下载到已经生成好的试 卷包，在考点服务器上将试卷重新组织，生成考生考试时使用的临时数据表，随 后批准考生考试。考生即可在考生计算机上通过浏览器登录考点服务器，通过身 份验证后就能进行考试。 增加视频监控功能后，考点服务器端程序增加的功能有：随时查看考生的考 试情况，包括考生答题状态和监控程序采集到的考生图片；对监控程序发现的考 生异常情况进行处理，包括记录异常，提示管理员，警告考生，甚至中止考生考 试等。 ( 2 ) 考生计算机 考生在计算机上通过浏览器访问考点服务器，登录系统进行考试。视频监控 程序在考生计算机上进行监控操作，它要完成的功能包括：控制摄像头进行考生 图像采集，屏幕图像抓取，图像处理，异常上报，以及与考点服务器通信等。 考试中心、考点与考生之间的关系如图2 2 所示： 9 图2 - 2 考试及视频监控系统组成结构 考试监控系统的用户分为三类，即考试中心管理员、考点管理员和考生，系 统的用例图如图2 3 所示： l o 图2 - 3 考试监控系统用例圈 2 3考试视频监控系统整体架构 2 3 1 系统功能分析与设计 监控程序在考生考试计算机上运行，负责监控考生的考试行为，完成考生考 试图像采集、图像处理和图像与试卷的上传等功能，称之为考生客户端。考生客 户端监控考生的考试行为，应该具备以下几个主要功能： ( 1 ) 定时采集图像。包括两部分，一是控制摄像头定时采集考生考试时的图 像。这是为了防止考试过程中发生替考、多人助考等情况；二是定时抓取考生屏 幕，为了防止考生借助网络作弊，例如运行q q 、m s n 等即时通信程序与其他考 生或非考试人员通讯，或访问百度、g o o g l e 等搜索引擎搜索考试相关内容，以及 打开考试相关文档等情况。借助对采集到的图像的分析，达到远距离监视考生行 为的目的，有针对性的观察考生的考试行为。 ( 2 ) 图像处理。比较并判别程序定时抓取的考生图像之间及与考生报名时提 交的图片之间的差异，若出现相似度达不到某个预先规定的阈值等异常，且连续 出现的异常超过预定数目，则将其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。 ( 3 ) 与考点监控服务器的通信功能。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，以便获取服务器端的相关监控指令，并 将监控情况汇报给监控服务器，执行监控服务器的命令等。 与考生客户端相对应的是考点服务器端的考试管理程序，实现相应考试监控 规则的管理和对考生客户端的控制。考点服务器端管理程序的主要功能分析如下： ( 1 ) 实时查看考生考试情况。整体查看本考点所有考生的报名照片和上传的 第一张照片的比较，如果感觉某个考生有替考嫌疑，可以单独放大此考生的照片。 在考试还没有开始时，可以通知考试监控程序禁止该考生的考试，并做有嫌疑标 记。考试过程中，可以要求查看即时采集的考生现场图片。确定某考生作弊时， 可中止该考生的考试，并做有嫌疑作弊标记。 ( 2 ) 与考生客户端的通信功能。这是考试监控系统的客户端和服务器之间借 助网络实现考试监控的基础功能。 另外，考点服务器端还要进行与考试中心服务器的通信，如考试之前下载试 卷，一场考试完后将考生试卷及相对应的图片打包上传到考试中心服务器等。这 些工作由考点服务器上的在线考试系统的考点程序来完成。 对于考试中心服务器来说，它除了提供在线考试的各项管理功能以外，还要 增加两个功能。 2 ( 1 ) 在考试过程中远程查看某考点的考生情况。在浏览器中显示所有考点的 链接地址，远程监控人员可以随意链接到任意考点，经过身份验证后，就能查看 部分或全部考生的考试情况，并进行操作。 ( 2 ) 考试结束后查看考生的试卷与相应图片的功能。一个考点的一场考试结 束后，考点程序将记录了本场考试各个考生的试卷情况( 包括考生答案、正确答 案、考生成绩、是否作弊等等) 的x m l 文件以及考试过程中采集的考生图像打包 并上传到考试中心服务器做备份。考试中心程序提供查看考生的试卷及相对应的 图片的功能。 系统的整体功能结构如图2 4 所示： 图2 - 4 考试监控系统功能圈 2 3 2 视频监控系统工作流程分析 考试视频监控系统为在线考试系统提供考场监控功能，作为在线考试系统的 必要补充而存在，因而其工作流程必须与在线考试的流程紧密结合。考试视频监 控系统的工作流程如下： ( 1 ) 考生登录到系统准备开始考试时，摄像头启动，弹出视频窗口显示摄像 头的扫描范围，提示考生调整摄像头位置，以保证考试过程中图像采集的质量。 考生调整完毕后，监控客户端提取考试现场该考生的第一张照片并上传到考点的 监控服务器以备查询。 ( 2 ) 考试过程中，监控客户端程序控制摄像头定时采集考生图像。时间间隔 默认为1 0 秒，可以由考试管理人员在考点监控服务器端自行更改。 ( 3 ) 采集到一幅考生考试时的静态图像后，进行图像处理工作。主要是和考 生登录系统后采集的第一张图片进行比较，简单判断考生是否有换人、多入、离 开的情况，如果有此情况发生，则更改系统的图片采集时间，缩短采集间隔。如 果连续发生3 次异常，则上报考点的考试监控服务器发生考生视频异常。考点的 考试监控服务器记录异常并提示管理人员和考生。 ( 4 ) 考试过程中，监控客户端程序定时抓取考生屏幕图像，并上传到考点监 控服务器，时间间隔默认为一分钟，可以由考试管理人员在考点监控服务器端自 行更改。 ( 5 ) 管理员可在考点监控服务器随时查看考生客户端抓取的此考生的屏幕图 片和采集到的考生图片。以便于判断此考生是否有作弊行为。如果有作弊行为， 可以中止该考生的考试，并作相应作弊标记。管理员在中止某考生考试之后，还 可以根据具体情况选择解除其中止状态，使之继续进行考试。 ( 6 ) 考试结束后，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做备份，以备日后查询。 考试及监控的详细流程如图2 5 所示： 1 4 考生端 一y 一+ 一y “ l ! 臣翅_ 恒圃 ；二：二 圈2 - 5 考试与监控详细流程 1 5 圈南 3 系统相关技术研究 3 1d i r e c t s h o w 技术 流媒体的处理，以其复杂性和技术性，一向广受工业界的关注。特别伴随着 因特网的普及，流媒体在网络上已广泛应用，怎样使流媒体的处理变得简单而富 有成效逐渐成为了焦点问题。选择一种合适的应用方案，将事半功倍。此时，微 软的d i r e c t s h o w 给了我们一个不错的选择。 d i r e c t s h o w 是微软公司提供的一套在w i n d o w s 平台上进行流媒体处理的开发 包，是d i r e c t x 的一个组件。d i r e c t s h o w 为多媒体流的捕捉和回放提供了强有力的 支持。d i r e c t s h o w 可以很方便地从支持w d m 驱动模型的采集卡上捕获数据，运 用并进行相应的后期处理乃至存储到文件中【5 1 。 1 d i r e c t s h o w 的体系结构如图3 1 所示： 至妇 命争事件 a c m v c m 1 编码解码器l r ；。酪 。： d i r e c t t s 。u n d1 崮： r i n g o 网：由囱 澍网v f wi 圈m p e g 2 i 网p 备伊j 图3 - 1d i r e c t s h o w 系统框图 d i r e e t s h o w 位于应用层中。它使用一种叫f i l t e rg r a p h 的模型来管理整个数据 流的处理过程：参与数据处理的各个功能模块叫f i l t e r ( 过滤器) ；各个f i l t e r 在 f i l t e rg r a p h 中按一定的顺序连接成一条“流水线”协同工作。按照功能来分，f i l t e r 大致分为三类：s o u r c ef i l t e r s 、t r a n s f o r mf i l t e r s 和r e n d e r i n gf i l t e r s 。s o u r c ef i l t e r s 1 6 ( 源过滤器) 主要负责取得数据，数据源可以是文件、因特网、或者计算机里的 采集卡、数字摄像机等，然后将数据往下传输；t r a n s f o r mf i l t e r s ( 传输过滤器) 主要负责数据的格式转换、传输；r e n d e r i n gf i l t e r s ( 渲染过滤器) 主要负责数据 的最终去向，我们可以将数据送给声卡、显卡进行多媒体的演示，也可以输出到 文件进行存储。 在d i r c c t s h o w 系统之上，即是我们的应用程序( a p p l i c a t i o n ) 。应用程序要按 照一定的意图建立起相应的f i l t e rg r a p h ，然后通过f i l t e rg r a p hm a n a g e r 来控制整 个的数据处理过程。d i r e c t s h o w 能在f i l t e rg r a p h 运行的时候接收到各种事件，并 通过消息的方式发送到我们的应用程序。这样，就实现了应用程序与d i r e c t s h o w 系统之间的交互。 2 d i r e c t s h o w 的重要接口 d i r e c t s h o w 采用了c o m 标准，所以很多重要的功能都是通过c o m 接口来完 成。下面就列举一些重要的d i r e c t s h o w 的接口。 ( 1 ) i g r a p h b u i l d e r 接1 2 1 用于构造f i l t e rg r a p h 的接口，建立和管理一系列的f i l t e r ，过滤和处理源媒体 流。 ( 2 ) i m e d i a c o n t r o l 接口 用于控制多媒体流在过滤器图表中的流动，如流的启动和停止。 ( 3 ) i m e d i a e v e n t 接口 用于捕获播放过程中发生的事件，并通知应用程序，如e cc o m p l e t e 等。 ( 4 ) i v i d e o g r m d o w 接口 用于控制视频窗口的属性。 ( 5 ) i m e a d i a s e e k i n g 接口 用于查找媒体的接口，定位流媒体，控制多媒体数据播放提供精确控制。 ( 6 ) i b a s e f i l t e r 接口 从i m e d i a f i l t e r 接口继承，用来定义一个具体的过滤器指针，并对多媒体数据 进行处理。 ( 7 ) i p i n 接口 用于管理两个过滤器之间的p i n ，从而连接过滤器。 ( 8 ) i s a m p l e g r a b b e r c b 接口 是s a m p l eg r a b b e r 过滤器的一个接1 2 1 ，用于当流媒体数据通过过滤器时进行 采样以获得帧图像 6 1 。 d i r e c t s h o w 是基于c o m 的，为了编写d i r e c t s h o w 应用程序，需要了解c o m 客户程序编写的基础知识。d i r e c t s h o w 提供了大量的接口，但在编程中发现还是 1 7 不够方便，如果能构建一个视频捕捉类把常用的一些动作封装起来，那么就更方 便了。 3 2屏幕截图 屏幕截图技术本质上是指图形设备接口技术。图形设备接口( g r a p h i c sd e v i c e i n t e r f a c e 。简称g d i ) 是w i n d o w s 操作系统向用户提供的可供调用的一套广泛的函 数集，在w i n d o w s 应用程序中无论何时要绘制或者管理图形都必须用到这些函数。 g d i 含有在w i n d o w s 应用程序内部执行、且与设备无关的图形操作函数，这 些函数可产生各种各样的线、正文和位图，它们可以输出到许多不同的输出设备 上。g d i 允许应用程序产生笔、刷子，字体和位图，以供特定的输出操作使用。 g d i 中比较常用的函数如下：设备上下文( d c ) 函数、绘图工具函数，位图函数、 绘图属性函数、映射函数、坐标函数、区域函数、裁剪( c l i p p i n g ) 函数等。所谓 设备上下文( d c ，d e v i c ec o n t e x t ) ，本质上是一个数据结构，定义了一系列的图 形对象以及相关属性和影响图形输出的图形模式，是连接w i n d o w s 应用程序、设 备驱动程序以及输出设备的纽带【”。 图形设备接口技术实现图像抓取的步骤如下： ( 1 ) 调用c r e a t e d c 创建一个显示( d i s p l a y ) 设备上下文，它对应了整个显 示屏幕。当想要在图形输出设备( 例如屏幕或打印机) 上绘制图形时，必须首先 获得设备上下文的句柄。先给出这个句柄，w i n d o w s 才允许程序使用设备，在g d i 函数中将句柄作为一个参数传入，向w i n d o w s 标明需要使用的设备。 ( 2 ) 选择用户坐标系及映射方式。 ( 3 ) 设定用户坐标系中的观察窗口和设备坐标系中的显示视区。 ( 4 ) 将创建的位图选入内存设备上下文； ( 5 ) 输出图形、文字和图像。 ( 6 ) 将位图保存至文件 ( 7 ) 释放所使用的显示设备上下文。 3 3基于t c p i p 协议和s o c k e t 的网络通信技术 3 3 1t c p i p 数据通信协议 1 t c p 和u d p 协议 t c p i p 通信协议是一套工业标准协议，它是i n t e m e t 最基本的协议，以它为基 1 8 础组建的i n t e r n e t 是目前国际上规模最大的计算机网络，i n t e m c t 的广泛应用，使 得t c p i p 成了事实上的标准。t c p i p 实际上是由不同层次上的多个协议组合而成 的协议组成【9 】。其协议族层次如图3 - 2 所示。 ，应用层一u n ， ， 口困匝圆口垂 匝亟四区巫囹 p 层i 面；囱 l ! 挲l 粤里l k 、 网络层 + 、 7 。匝母 一c 毒)一忸圃 ，链路层 w 二 一一 瞳匣 - 匝旦重匿亘 匝里蛋目 媒体 图3 - 2t c p i p 协议族层次图 ( 1 ) t c p 其中t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，传输控制通信协议) 、u d p ( u s e r d a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议) 是t c p i p 在传输层上的协议，而使用i p 作 为网络层的协议。 t c p 使用不可靠的婵服务，提供一个完全可靠的( 没有数据重复或丢失) 、 面向连接的、全双工的流传输服务，所谓面向连接，是指t c p 的一端要与另一端 进行数据传输之前。首先要建立连接，而数据传输结束后，还会有一个撤销连接 的过程。连接的建立会消耗1 5 个r t t ( r o u n d t r i p t i m e )