考生身份識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

◆胡柳 鄧杰 肖瑤星 盧艷芝 曾蒸

安全模型、算法與編程

考生身份識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

◆胡柳 鄧杰 肖瑤星 盧艷芝 曾蒸

（湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 410200）

隨著國(guó)家教育考試中的信息化應(yīng)用程度越來越高，為了解決考生身份驗(yàn)證過程中存在的核驗(yàn)難度大、身份識(shí)別困難等問題，本文采用Microsoft Visual Studio 2012集成開發(fā)環(huán)境，結(jié)合EmguCV圖像處理工具包及PowerDesigner進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與編碼，設(shè)計(jì)了教育考試行業(yè)考生身份識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合圖片特征提取與匹配技術(shù)，將國(guó)家教育考試中考生身份證、準(zhǔn)考證、現(xiàn)場(chǎng)照片及報(bào)名系統(tǒng)中的照片信息進(jìn)行人臉匹配，有效提高考試進(jìn)場(chǎng)時(shí)考生身份的驗(yàn)證速度，提高工作效率。

教育考試；考生身份識(shí)別；圖片特征提??；人臉匹配

1 引言

隨著國(guó)家教育考試中信息化應(yīng)用程度越來越高，網(wǎng)絡(luò)報(bào)名、準(zhǔn)考證打印、成績(jī)查詢等業(yè)務(wù)功能全都移植到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，但考生身份驗(yàn)證，仍需要由監(jiān)考人員核驗(yàn)，且核驗(yàn)難度、身份識(shí)別難度較大，容易出現(xiàn)代考等作弊情況。身份證識(shí)別儀在考生進(jìn)入考場(chǎng)后可有效驗(yàn)證考生的身份，但難以實(shí)現(xiàn)身份證、準(zhǔn)考證和現(xiàn)場(chǎng)照片的有效匹配。因此，如何利用現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合圖片特征提取與匹配技術(shù)，將國(guó)家教育考試中考生身份證、準(zhǔn)考證及現(xiàn)場(chǎng)照片及網(wǎng)絡(luò)報(bào)名系統(tǒng)中的照片信息進(jìn)行有效對(duì)比，提高考生的身份驗(yàn)證技術(shù)、加快工作效率，成為亟待解決的重要問題。

當(dāng)前考生身份識(shí)別領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)已逐步成熟，如利用指紋識(shí)別技術(shù)[1-3]、人臉識(shí)別技術(shù)[4-6]、虹膜識(shí)別技術(shù)[7-8]、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[9]等，為考生身份識(shí)別研究提供了充分的技術(shù)支持。景晨凱等進(jìn)行了基于DCNN的人臉識(shí)別技術(shù)在考生身份驗(yàn)證中的應(yīng)用研究，依托真實(shí)的考生數(shù)據(jù)集以及應(yīng)用場(chǎng)景，基于GoogLeNet設(shè)計(jì)了一種更具表達(dá)能力更適用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)GoogLeNet-D。朱秀娟等則提出了一種將視頻進(jìn)行分幀處理，并根據(jù)人臉特征設(shè)計(jì)考試身份驗(yàn)證的分類器。

2 需求分析

2.1 可行性分析

本系統(tǒng)為小型應(yīng)用系統(tǒng)，開發(fā)投入較小，主要為系統(tǒng)開發(fā)的過程中所需要的人力、設(shè)備、硬軟件，在經(jīng)濟(jì)上是可行的。系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上屬于本地應(yīng)用型軟件，在特定情況下（管理員設(shè)置）才使用網(wǎng)絡(luò)模式，開發(fā)工具使用Microsoft Visual Studio 2012、數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具采用Microsoft SQL Server 2012、圖片處理相關(guān)工具包采用EmguCV，因此，本系統(tǒng)在技術(shù)層面上可行。根據(jù)系統(tǒng)工作流程及用戶的使用習(xí)慣，將界面設(shè)計(jì)采用圖形化設(shè)計(jì)，明確各功能的邊界，在數(shù)據(jù)處理過程時(shí)對(duì)輸入和輸出進(jìn)行嚴(yán)格的審查，判斷數(shù)據(jù)的有效性，提供盡可能多的可選擇項(xiàng)，減少用戶的輸入，保證系統(tǒng)不出現(xiàn)故障而中斷，使系統(tǒng)具有較高的可操作性。

2.2 功能需求分析

考生身份識(shí)別系統(tǒng)是應(yīng)用在國(guó)家教育考試中，考生進(jìn)場(chǎng)時(shí)進(jìn)行身份識(shí)別的應(yīng)用系統(tǒng)，人臉特征匹配，同時(shí)也完成考生的基本信息核驗(yàn)。主要功能模塊有系統(tǒng)設(shè)置、考試基本信息設(shè)置、考生信息導(dǎo)入、網(wǎng)絡(luò)資源配置、人臉匹配設(shè)置、人臉匹配六個(gè)部分。功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

2.3 性能需求分析

本系統(tǒng)的系統(tǒng)功能較為簡(jiǎn)單，只有設(shè)置功能和匹配功能，各功能模塊都應(yīng)該較快實(shí)現(xiàn)其功能。其中設(shè)置功能是針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的增、刪、改、查，匹配功能是需要對(duì)人臉進(jìn)行特征匹配，其所需時(shí)間稍長(zhǎng)。具體如表1所示。

表1 系統(tǒng)性能表

2.4 非功能需求分析

非功能需求是指系統(tǒng)除功能需求之外的與系統(tǒng)相關(guān)的需求，主要包括性能需求、安全需求、兼容性需求、環(huán)境需求、操作需求、管理需求等。非功能需求是保證系統(tǒng)可持續(xù)運(yùn)行的因素，也對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的各方面進(jìn)行把控。本系統(tǒng)主要是對(duì)考生信息、用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)、保證系統(tǒng)不被惡意數(shù)據(jù)操作或破壞，主要進(jìn)行服務(wù)器的安全防護(hù)、處理數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格審核，而系統(tǒng)的兼容性主要體現(xiàn)在操作系統(tǒng)的選用上，本系統(tǒng)支持的操作系統(tǒng)為Windows 7和Windows 10。系統(tǒng)需要使用EmguCV工具包，允許使用.Net語言來調(diào)用EmguCV函數(shù)，如C#、VB、VC++等。

3 功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵功能模塊為人臉匹配，通過對(duì)考生信息和人臉進(jìn)行匹配，獲取考生身份真實(shí)性的過程。

系統(tǒng)工作過程可分為“三角色三過程”，三角色指考生、系統(tǒng)管理員和監(jiān)考員，三個(gè)過程是指考生身份匹配前、匹配中和匹配后?？忌矸萜ヅ淝坝上到y(tǒng)管理員進(jìn)行系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)置，如添加考試基本信息、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)資源、編輯考生基本信息等。匹配中由監(jiān)考員通過掃描將考生身份證信息讀入系統(tǒng)，并利用攝像頭即時(shí)拍攝考生人臉頭像，系統(tǒng)將即時(shí)對(duì)考生身份信息進(jìn)行核驗(yàn)，人臉特征匹配。匹配后將考生身份識(shí)別結(jié)果以設(shè)置的顏色在系統(tǒng)中以醒目方式提醒監(jiān)考員，并將未通過的考生信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，以便于后續(xù)的處理。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

3.2 功能設(shè)計(jì)

3.2.1系統(tǒng)設(shè)置模塊

管理員提供密碼后設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器地址、數(shù)據(jù)庫(kù)登錄名及密碼、管理員密碼等業(yè)務(wù)，由管理員執(zhí)行完后將最新數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2.2考試基本信息設(shè)置模塊

管理員提供密碼后設(shè)置考試名稱、年份月份、場(chǎng)數(shù)、考室數(shù)量、每場(chǎng)人數(shù)、考生信息維護(hù)、考試信息管理等。管理員輸入正確的密碼后，可在平臺(tái)上開展添加考試、刪除考試及對(duì)考生信息進(jìn)行維護(hù)等業(yè)務(wù)。模塊流程如圖3所示。

3.2.3網(wǎng)絡(luò)資源配置模塊

網(wǎng)絡(luò)資源配置包括：管理員提供密碼后進(jìn)行考試網(wǎng)絡(luò)資源管理與配置，對(duì)于報(bào)考資源存在于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器時(shí)，可以直接設(shè)置本次考試考生信息資源所在的網(wǎng)絡(luò)資源地址。如果考試的考生信息存在于“網(wǎng)絡(luò)”時(shí)，本模塊需要在線進(jìn)行信息匹配，完善必要的字段信息。

圖3 考試基本信息設(shè)置流程圖

3.2.4人臉匹配設(shè)置模塊

管理員提供密碼后可以設(shè)置匹配項(xiàng)，如報(bào)名照片、準(zhǔn)考證照片、身份證照片、現(xiàn)場(chǎng)照片等，同時(shí)對(duì)照片對(duì)比閾值設(shè)置、匹配成功的提示顏色、匹配不成功的顏色等進(jìn)行設(shè)定。

3.2.5考生信息導(dǎo)入模塊

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)考員根據(jù)考試項(xiàng)目從數(shù)據(jù)庫(kù)下載考生數(shù)據(jù)到本地，用于現(xiàn)場(chǎng)人臉匹配及考生信息對(duì)比，若未查詢到則進(jìn)行相應(yīng)的提示。

3.2.6人臉匹配模塊

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)考員讀取考生身份證信息與考生數(shù)據(jù)對(duì)比，正確之后再根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置來匹配人臉圖片，其結(jié)果如果符合設(shè)定的閾值標(biāo)準(zhǔn)即給出相應(yīng)的結(jié)果，將結(jié)果按顏色來進(jìn)行顯示。

4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)涉及有考生、身份證、識(shí)別系統(tǒng)、監(jiān)考員、攝像頭、管理員，為了完成系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，涉及的實(shí)體有：系統(tǒng)、監(jiān)考員、考試、考生、網(wǎng)絡(luò)資源、異?？忌⑷四樒ヅ?。

系統(tǒng)（編號(hào)、數(shù)據(jù)庫(kù)地址、數(shù)據(jù)庫(kù)名、數(shù)據(jù)庫(kù)登錄名、數(shù)據(jù)庫(kù)登錄密碼、管理員密碼）；

監(jiān)考員（編號(hào)、姓名、用戶名、登錄密碼、聯(lián)系電話）；

考試（編號(hào)、考試編碼、考試名稱、考試人數(shù)、考試批次、考場(chǎng)數(shù)量、考場(chǎng)人數(shù)、考試時(shí)間_起、考試時(shí)間_止、網(wǎng)絡(luò)資源、備注）；

考生（編號(hào)、姓名、性別、身份證號(hào)、考試項(xiàng)目、考試批次、考場(chǎng)、座位號(hào)、照片）；

網(wǎng)絡(luò)資源（編號(hào)、考試項(xiàng)目、姓名資源、身份證號(hào)資源、考試批次資源、考場(chǎng)資源、座位號(hào)資源、照片資源）；

異?？忌ň幪?hào)、考試項(xiàng)目、考生編號(hào)、異常情況）；

人臉匹配（編號(hào)、考試項(xiàng)目、準(zhǔn)考證照片匹配、報(bào)名照片匹配、身份證照片匹配、現(xiàn)場(chǎng)照片匹配、照片匹配閾值、正常顏色、異常顏色）。

采用PowerDesigner對(duì)系統(tǒng)的實(shí)體及其屬性進(jìn)行繪制，系統(tǒng)E-R圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)E-R圖

5 界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)各功能模塊的進(jìn)入是從系統(tǒng)主窗口中進(jìn)入，通過各功能菜單進(jìn)入到相應(yīng)的設(shè)置和使用界面，完成考生身份的識(shí)別。功能較為簡(jiǎn)單，人機(jī)交互數(shù)據(jù)較少，界面風(fēng)格采用系統(tǒng)默認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)，不改變表單、報(bào)表、列表等控件的外觀樣式。人臉匹配界面如圖5所示。

圖5 人臉匹配界面

6 總結(jié)

教育考試是體現(xiàn)公平公正的重要性活動(dòng)，防止代考作弊行為能有效維護(hù)考試權(quán)威。本文以照片對(duì)比識(shí)別為出發(fā)點(diǎn)，將考生的報(bào)名照片、準(zhǔn)考證照片、身份證照片及現(xiàn)場(chǎng)照片進(jìn)行匹配，有效完成考生信息核驗(yàn)，提高國(guó)家教育考試的公平公正性。本文在系統(tǒng)框架及功能設(shè)置上還有待進(jìn)一步研究，同時(shí)，對(duì)于人臉匹配技術(shù)還需要不斷創(chuàng)新，在提高匹配效果的同時(shí)不影響匹配效率，不斷提高教育考試行業(yè)考生身份識(shí)別的效率。

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湖南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度教育考試研究專項(xiàng)課題（XJK018JKB023）