基于全景智能的分散型網(wǎng)絡(luò)考試防作弊系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

孫震丹 胡星

摘? ?要：網(wǎng)絡(luò)考試已經(jīng)是教學(xué)過(guò)程中不可缺少的一環(huán)，網(wǎng)絡(luò)考試防作弊系統(tǒng)則是保障教育質(zhì)量的重要手段。當(dāng)前，分散型網(wǎng)絡(luò)考試在監(jiān)考和巡考領(lǐng)域防作弊研究存在不足，不能被大規(guī)模應(yīng)用。通過(guò)研究相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，作者發(fā)現(xiàn)無(wú)死角監(jiān)考部署和智能巡考是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。文章通過(guò)梳理分散型網(wǎng)絡(luò)考試業(yè)務(wù)流程，利用全景智能技術(shù)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出具有無(wú)人監(jiān)考部署、無(wú)死角監(jiān)考環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程自動(dòng)化防作弊行為監(jiān)測(cè)、作弊輔助判定與提醒、現(xiàn)場(chǎng)回顧與證據(jù)留存的防作弊信息系統(tǒng)，并驗(yàn)證其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，為分散型網(wǎng)絡(luò)考試防作弊提供了新的研究方向。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)考試;在線考試;防作弊;全景視覺(jué);人工智能;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2021）05-0039-07

一、引言

1.分散型網(wǎng)絡(luò)考試防作弊的研究背景

人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代互聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)興起，不僅加速了網(wǎng)絡(luò)考試的快速普及，也提升了網(wǎng)絡(luò)考試防作弊技術(shù)能力。網(wǎng)絡(luò)考試具有無(wú)紙化、方便、快捷、公平、公正等優(yōu)勢(shì)[1]，因而在我國(guó)基礎(chǔ)、高等、職業(yè)、終身等教育領(lǐng)域，部署了大量計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化考場(chǎng)，用以開(kāi)展大規(guī)模計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)考試。

然而，集中化網(wǎng)絡(luò)考試不能滿足所有人的需求。一是機(jī)房有限，考試周期很長(zhǎng);二是集中網(wǎng)絡(luò)考試為社會(huì)帶來(lái)公共交通不便以及飛行巡考等成本增加;三是仍有一部分人由于學(xué)習(xí)出國(guó)或所在地不同、工作時(shí)間沖突、生活不便、生病等原因不能去集中考點(diǎn)參加機(jī)考。近幾年，國(guó)家開(kāi)放大學(xué)為適應(yīng)終身教育發(fā)展的需求，提出“隨學(xué)隨考”考試[2]，即獨(dú)自在居所或單位進(jìn)行分散型網(wǎng)絡(luò)考試，以解決上述矛盾。2020年，我國(guó)新冠疫情形勢(shì)嚴(yán)峻，防控期間網(wǎng)絡(luò)考試被大規(guī)模推廣與應(yīng)用，學(xué)習(xí)者被分散隔離在居所或工作單位環(huán)境中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)考試。然而，上述分散型網(wǎng)絡(luò)考試面對(duì)大量分散的考生，存在監(jiān)考人員無(wú)法被滿足、智能監(jiān)考程度不夠、實(shí)施不便、取證困難、可信度不高等質(zhì)量問(wèn)題[3]。因而發(fā)展分散型網(wǎng)絡(luò)考試防作弊系統(tǒng)，不僅是網(wǎng)絡(luò)考試發(fā)展過(guò)程中的新型補(bǔ)充形式，也是增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)考試透明性、公正性、可追溯性不可或缺的重要手段[4]。

2.分散型網(wǎng)絡(luò)考試防作弊的研究與發(fā)展

根據(jù)《國(guó)家教育考試違規(guī)處理辦法》對(duì)作弊行為的定義和范圍整理[5]，分散型網(wǎng)絡(luò)考試防作弊特征主要有以下三種：防人——主動(dòng)作弊和協(xié)助作弊;防物——桌面清空、2～3米內(nèi)視野內(nèi)無(wú)參考資料;防電子設(shè)備——手機(jī)、手表、耳機(jī)、智能眼鏡等。

從近三年領(lǐng)域?qū)＜业南嚓P(guān)研究文獻(xiàn)來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)考試防作弊相關(guān)的研究成果不足5篇。文獻(xiàn)[6]是增加長(zhǎng)桿攝像模組檢測(cè)設(shè)備監(jiān)控個(gè)人考試現(xiàn)場(chǎng);文獻(xiàn)[7]提出了基于人臉識(shí)別的防替考作弊手段;文獻(xiàn)[8]給出了結(jié)合攝像頭并控制計(jì)算機(jī)I/O接口網(wǎng)絡(luò)、USB、屏幕、組題策略的防作弊機(jī)制;文獻(xiàn)[9]提出身份驗(yàn)證、活體指紋采集比對(duì)、照片人臉比對(duì)識(shí)別和考試進(jìn)程記錄監(jiān)管共4部分功能模塊的信息化監(jiān)考系統(tǒng);另外，文獻(xiàn)[10]對(duì)半封閉網(wǎng)絡(luò)條件下，基于混合B/S+C/S考試系統(tǒng)客戶端技術(shù)，對(duì)防范作弊行為做了系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

目前，在我國(guó)商用主流網(wǎng)絡(luò)考試防作弊系統(tǒng)中，主機(jī)到客戶端防作弊功能已經(jīng)比較完善。同時(shí)，人工智能視覺(jué)識(shí)別技術(shù)興起，人臉識(shí)別功能逐步替代了賬號(hào)、身份證或指紋等進(jìn)行身份識(shí)別的防替考手段。而分散型網(wǎng)絡(luò)考試防作弊系統(tǒng)發(fā)展才剛剛開(kāi)始，如在考試現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)USB網(wǎng)絡(luò)攝像頭聯(lián)機(jī)檢測(cè)，或是在手機(jī)安裝專用考場(chǎng)監(jiān)控APP應(yīng)用，并通過(guò)手機(jī)攝像頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取證。這些實(shí)踐為分散型網(wǎng)絡(luò)考試防作弊的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

3.分散型網(wǎng)絡(luò)考試防作弊的研究局限性

單人在居所或工作單位等環(huán)境下獨(dú)立開(kāi)展的分散型網(wǎng)絡(luò)考試，在防作弊領(lǐng)域有三個(gè)難點(diǎn)。一是無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)死角監(jiān)考，這是因?yàn)槠胀ǖ碾娔X或手機(jī)攝像頭因水平視角小于170度，無(wú)法將考生四周5米以內(nèi)的范圍全部覆蓋。二是目前的影像采集使用非專業(yè)設(shè)備，其在線工作穩(wěn)定性與狀況難以感知。三是大規(guī)模分散考場(chǎng)影像連續(xù)傳輸、存儲(chǔ)與調(diào)取困難。這是因?yàn)椋诩械木W(wǎng)絡(luò)考點(diǎn)，每個(gè)考場(chǎng)只需傳輸一路監(jiān)控視頻供遠(yuǎn)程巡監(jiān)，而分散網(wǎng)絡(luò)考試每個(gè)考生就會(huì)生成一路視頻，因而對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)考、作弊取證提出挑戰(zhàn)。

4.全景智能技術(shù)的發(fā)展

全景智能技術(shù)由全景視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，是一種新型攝像設(shè)備[11]。全景視覺(jué)系統(tǒng)與普通視覺(jué)不同，其具有影像捕捉廣泛的特點(diǎn)。全景視覺(jué)環(huán)境感知系統(tǒng)成像視場(chǎng)大于半球視場(chǎng)（360°×180°），甚至可以接近球面視場(chǎng)（360°×360°）[12]，拍攝水平方向和垂直方向總共720度空間的圖像，因此其生成的全景圖像及全景視頻簡(jiǎn)稱全景影像。全景視覺(jué)系統(tǒng)雖能拍攝全空間無(wú)死角攝影，但是全景影像卻存在非線性畸變即雙魚眼問(wèn)題，需要使用VR眼鏡觀看，不利于觀看和圖像分析。不過(guò)隨著專業(yè)算法技術(shù)的不斷完善，全景影像在應(yīng)用中首先會(huì)作展開(kāi)處理，轉(zhuǎn)換為無(wú)死角拉伸的長(zhǎng)方形影像，就可以通過(guò)圖片或特殊的視頻播放器觀看。

如今，全景攝像系統(tǒng)更是結(jié)合了人工智能技術(shù)，發(fā)展成為全新的全景智能系統(tǒng)。其支持全景模式下的影像跟拍、直播，同時(shí)能夠完成復(fù)雜環(huán)境下的環(huán)境識(shí)別、人臉識(shí)別、聲紋識(shí)別、骨骼行為識(shí)別等智能任務(wù)，全景智能系統(tǒng)正在成為影像技術(shù)研究領(lǐng)域的一個(gè)新興發(fā)展方向。目前，全景智能設(shè)備更為小巧、輕便，便于操作，價(jià)格親民，在拍攝出強(qiáng)烈動(dòng)感效果的同時(shí)，還能錄制多種高制式視頻。例如：可錄制1080P、2.7K、4K視頻，還可選擇PAL、NTSC等制式，幀速率可高達(dá)120P。因此，該設(shè)備廣泛應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)控、全景直播教室、無(wú)人機(jī)攝影、旅游自拍、戶外運(yùn)動(dòng)、四輪競(jìng)賽等民用領(lǐng)域。

綜上所述，分散型網(wǎng)絡(luò)考試是網(wǎng)絡(luò)考試的重要形式，而防作弊系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)考試的重要保障和支撐。本研究基于分散型網(wǎng)絡(luò)考試監(jiān)考、巡考業(yè)務(wù)特征，充分發(fā)揮全景智能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一套分散型網(wǎng)絡(luò)考試防作弊系統(tǒng)，以解決無(wú)死角監(jiān)考，大規(guī)模視頻考場(chǎng)傳輸、存儲(chǔ)與調(diào)取，遠(yuǎn)程巡考等問(wèn)題，為促進(jìn)分散型網(wǎng)絡(luò)考試防作弊技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，貢獻(xiàn)創(chuàng)新的方法和工具。

二、分散型網(wǎng)絡(luò)考試防作弊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)

分散型網(wǎng)絡(luò)防作弊系統(tǒng)在國(guó)家開(kāi)放大學(xué)開(kāi)展“隨學(xué)隨考”工作實(shí)踐基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)與防作弊系統(tǒng)間的有效與協(xié)調(diào)運(yùn)行。從考生視角，以完成計(jì)算機(jī)考試過(guò)程為主線;在考務(wù)視角，以完成居所及單位考場(chǎng)本地化無(wú)人監(jiān)考、遠(yuǎn)程智能巡考為主要工作任務(wù)。

分散型網(wǎng)絡(luò)防作弊系統(tǒng)借鑒參考網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)測(cè)評(píng)業(yè)務(wù)流程[13]。其業(yè)務(wù)流程貫穿防作弊和網(wǎng)絡(luò)考試兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，包括考前、考中、結(jié)束三個(gè)關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程，如圖1所示。

1.考前監(jiān)測(cè)

考試開(kāi)始前，考生首先要啟動(dòng)全景智能監(jiān)考員終端設(shè)備。設(shè)備完成鏡頭、麥克、內(nèi)存、網(wǎng)卡自檢，然后自動(dòng)連通網(wǎng)絡(luò)，并向考試監(jiān)控中心注冊(cè)設(shè)備定位，同步GPS考試時(shí)鐘，提示全景智能監(jiān)考員，監(jiān)考員就位自檢成功并啟動(dòng)自動(dòng)錄制功能，然后等待遠(yuǎn)程核對(duì)考試項(xiàng)目給予考場(chǎng)檢查指令。

巡考人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回傳影像，協(xié)助考生將終端設(shè)備擺放正確，然后給予現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)備考試指令。全景智能監(jiān)考員收到指令，人工或智能實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)清查，在視距2米范圍內(nèi)，如發(fā)現(xiàn)書籍、無(wú)用紙張、文具用品、手機(jī)、桌面刻字、非考試人員等，設(shè)備會(huì)提示移除，如存在光線過(guò)暗或干擾，會(huì)提醒予以糾正。

進(jìn)一步檢查電子眼鏡、隱形耳麥、智能手表作等弊設(shè)備是否存在。全景智能監(jiān)考員提示考生伸手腕到固定區(qū)域，檢查是否戴有手表，晃動(dòng)頭部撩開(kāi)頭發(fā)，探視兩耳是否裝有收音電子設(shè)備，摘掉眼鏡查看是否具有作弊功能，直至沒(méi)有作弊風(fēng)險(xiǎn)。

此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)也要進(jìn)行自檢，包括：計(jì)算機(jī)設(shè)備是否正常、電腦是否有軟件作弊器應(yīng)用程序、同主機(jī)設(shè)備是否有雙鍵盤等協(xié)助作弊的I/O設(shè)備。當(dāng)考生正常登錄考試系統(tǒng)，全景智能監(jiān)考員會(huì)提示考生進(jìn)行人臉識(shí)別核身，防作弊系統(tǒng)確認(rèn)考生身份后，一方面要將考場(chǎng)視頻送至考試中心存檔，另一方面要給予考試系統(tǒng)組卷提示，進(jìn)入答卷考中過(guò)程。

2.考中監(jiān)控

進(jìn)入考中過(guò)程，全景智能監(jiān)考員記錄考生正面及雙手、計(jì)算機(jī)屏幕、周邊全景影像，并自動(dòng)開(kāi)啟遠(yuǎn)程巡考模式。巡考模式主要有作弊識(shí)別和巡考員異常檢查兩大業(yè)務(wù)職能。

作弊識(shí)別能夠自主識(shí)別提醒、終止考試兩種級(jí)別作弊異常。一是考生低頭翻看手機(jī)或書籍，扭頭，不關(guān)注電腦顯示屏和鍵盤輸入設(shè)備，手部沒(méi)有動(dòng)作，屏幕卻出現(xiàn)自動(dòng)答題等提醒級(jí)異常;二是對(duì)中途有人員進(jìn)入考場(chǎng)談話、去洗手間離開(kāi)座位等終止考試級(jí)異常。

全景智能監(jiān)考員發(fā)現(xiàn)異常，會(huì)提示考試監(jiān)控中心巡考員人工干預(yù)異常處理，并對(duì)違紀(jì)情況標(biāo)記替考、作弊及違紀(jì)事項(xiàng)。巡考人員首先按提示調(diào)取考場(chǎng)實(shí)況影像和異常影像回放，如果發(fā)現(xiàn)作弊行為存在，可以通過(guò)全景智能監(jiān)考員向考試者提出質(zhì)疑或給予口頭警告，系統(tǒng)將自動(dòng)記錄與考生通話音視頻、警告及違紀(jì)標(biāo)志信息，防止再次作弊和追溯。如果違反考紀(jì)情況嚴(yán)重，巡考員可以下達(dá)違紀(jì)終止考試指令，通知網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)提交試卷，終止本次考試并取消本次考試成績(jī)，進(jìn)入考試結(jié)束過(guò)程。

在自動(dòng)巡考模式下，巡考員異常檢查包括：全景智能監(jiān)考員運(yùn)行狀態(tài)是否出現(xiàn)異常。例如：是否長(zhǎng)時(shí)斷網(wǎng)（設(shè)備脫網(wǎng)時(shí)間超過(guò)10秒）、是否有異物遮擋攝像頭或被移位、麥克風(fēng)堵塞現(xiàn)場(chǎng)收音不良等。一旦發(fā)現(xiàn)異常，系統(tǒng)會(huì)提示遠(yuǎn)程監(jiān)考員干預(yù)異常處理。例如：自動(dòng)終止考試、取消成績(jī)、重新開(kāi)始新的考試等。當(dāng)防作弊系統(tǒng)接收到網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)的考試結(jié)束信號(hào)，啟動(dòng)巡考結(jié)束處理，智能監(jiān)考員設(shè)備將影像自動(dòng)上傳至考試中心平臺(tái)存證。作弊及警告影像記錄保存6個(gè)月，作弊記錄保存1年，以備后期復(fù)查調(diào)取使用。

當(dāng)考試過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)巡考異常和監(jiān)考終端異常，直到考生交卷或考試系統(tǒng)定時(shí)強(qiáng)制收卷，防作弊系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入到最后的考試結(jié)束環(huán)節(jié)。當(dāng)智能監(jiān)考員接受到考試結(jié)束指令，完成上傳注銷并登記本次監(jiān)考起止時(shí)間后，設(shè)備自動(dòng)關(guān)機(jī)。

3.考后處理

考后由技術(shù)人員啟動(dòng)異常數(shù)據(jù)自動(dòng)分揀工作，將考試過(guò)程中被標(biāo)注的異常逐一通過(guò)監(jiān)考人員人工復(fù)審，再次確認(rèn)是否存在作弊行為。如確實(shí)存在作弊行為，將通知考試系統(tǒng)取消考試成績(jī)，同時(shí)，將違紀(jì)處理意見(jiàn)計(jì)入防作弊系統(tǒng)，以備發(fā)布和核查調(diào)用。

三、分散型網(wǎng)絡(luò)考試防作弊系統(tǒng)

1.總體設(shè)計(jì)思路

（1）設(shè)計(jì)理念

一方面，要實(shí)現(xiàn)智能一體化全景終端。具備全景影像記錄、網(wǎng)絡(luò)通訊、位置定位、物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制能力，為無(wú)死角監(jiān)考提供客觀、可信的存證依據(jù)和遠(yuǎn)程設(shè)備管理手段。另一方面，要實(shí)現(xiàn)作弊識(shí)別智能化。實(shí)現(xiàn)無(wú)人考場(chǎng)清查、身份確權(quán)、多態(tài)作弊行為識(shí)別能力，具備設(shè)備異常及遠(yuǎn)程運(yùn)維功能，以減輕大規(guī)模并發(fā)考試對(duì)監(jiān)考、巡考人工的依賴，為網(wǎng)絡(luò)考試提供公平有利的防作弊手段，確?？荚図樌M(jìn)行。

（2）技術(shù)架構(gòu)

要以全景智能技術(shù)為核心，通過(guò)無(wú)死角考場(chǎng)視頻采集、傳輸、查看、存儲(chǔ)信息，確保影像數(shù)據(jù)真實(shí)、身份信息可信。以人工智能算法、物聯(lián)網(wǎng)、分布式云計(jì)算為關(guān)鍵支撐技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種作弊行為的智能識(shí)別，且可溯源復(fù)查，避免考試公平和誠(chéng)信危機(jī)。要具備大規(guī)模并發(fā)開(kāi)展分散型網(wǎng)絡(luò)考試防作弊的應(yīng)用能力，影像傳輸前要做必要的編碼壓縮，能夠?qū)崿F(xiàn)文件上傳的分發(fā)隊(duì)列，避免出現(xiàn)擁堵，對(duì)影像調(diào)取要實(shí)時(shí)快捷，存儲(chǔ)于后臺(tái)無(wú)人干預(yù)。

（3）應(yīng)用管理

防作弊系統(tǒng)需要建立開(kāi)放式應(yīng)用接口。一方面要加強(qiáng)對(duì)智能監(jiān)控終端I/O遠(yuǎn)程管理配置的能力;另一方面要實(shí)現(xiàn)對(duì)第三方考試系統(tǒng)提供RMI接口調(diào)用功能，以方便與更多的考試系統(tǒng)對(duì)接。

2.分散型網(wǎng)絡(luò)防作弊系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)分散型網(wǎng)絡(luò)防作弊系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路，本文基于全景智能技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)?；谥悄苋凹夹g(shù)的網(wǎng)絡(luò)考試防作弊系統(tǒng)整體上包含設(shè)備和應(yīng)用兩大模塊，自下而上包括I/O模塊層、圖像處理層、圖像存儲(chǔ)層、通訊服務(wù)層、識(shí)別算法與分布式計(jì)算層、防作弊應(yīng)用層、接口層，如圖 2 所示。

（1）I/O模塊層

I/O模塊層是防作弊系統(tǒng)的感官傳感器聚合，由考生用戶放置于考場(chǎng)使用。其采用5G、物聯(lián)網(wǎng)、視頻編解碼、直播與互傳等技術(shù)，構(gòu)建一體化全景智能防作弊終端。具體包含以下功能：①實(shí)現(xiàn)4K120幀全景360度無(wú)死角考場(chǎng)影像采集。②音頻功能。實(shí)現(xiàn)7米半徑全向聲音采集，為提示語(yǔ)音播放、遠(yuǎn)程語(yǔ)音求助、作弊警告對(duì)話、協(xié)助作弊音源捕捉提供支持。③通訊與定位模塊。支持4G、5G移動(dòng)信號(hào)及WiFi網(wǎng)絡(luò)接入，為影像傳輸、考場(chǎng)位置定位與平臺(tái)管理提供高速通訊支持。④本地影像存儲(chǔ)。實(shí)現(xiàn)4～6小時(shí)考試原畫影像、分幀圖片和直播影像循環(huán)存儲(chǔ)能力。⑤設(shè)備中控。實(shí)現(xiàn)對(duì)所有I/O模塊、傳感器和適配器部件的開(kāi)關(guān)和通訊控制。

（2）圖像處理和存儲(chǔ)層

該部分由高速視頻編解碼芯片對(duì)全景影像進(jìn)行加工，生成用于防作弊系統(tǒng)識(shí)別、現(xiàn)場(chǎng)瀏覽、存儲(chǔ)、傳輸?shù)某Ｒ?guī)影像。其主要包括以下功能模塊：①影像展開(kāi)處理。在內(nèi)存中將全景鷹眼球形影像進(jìn)行44∶9的長(zhǎng)方形4K120幀拉伸處理，通過(guò)算法糾正其圖像彎曲變形與變暗區(qū)域。②影像分割。為記錄和識(shí)別環(huán)境輔助作弊、考生作弊、系統(tǒng)作弊影像，需將拉伸影像進(jìn)行三分屏切割，生成3個(gè)獨(dú)立的1080P30幀視頻流，包括：畫面4∶3比例的電腦機(jī)考畫面、考生正面畫面，以及32∶9的環(huán)境長(zhǎng)畫面。然后將3個(gè)影像合成一個(gè)三分屏影像，編碼存儲(chǔ)在4K3分原畫存儲(chǔ)區(qū)，目的是為了去除非監(jiān)管區(qū)域的影像雜訊和減少視頻尺寸，便于考場(chǎng)原始影像遠(yuǎn)程取證，存儲(chǔ)區(qū)40Gb滿足4小時(shí)左右的循環(huán)存儲(chǔ)。③內(nèi)存中的分割影像，同時(shí)送給關(guān)鍵幀分割處理，按照考試主動(dòng)作弊識(shí)別存檔要求，設(shè)置2S～10S為間隔單位截取關(guān)鍵幀，每幀大小4～6Mb，放置于幀圖片存儲(chǔ)區(qū)，用于生成延時(shí)影像編碼和遠(yuǎn)程4K考場(chǎng)原畫質(zhì)照片調(diào)取使用。④分割影像流同時(shí)送給H.264編碼器，輸出800K～1M 1080PAV編碼傳送給RTS直播推流服務(wù)，通過(guò)RRMP協(xié)議提供1～2s延遲的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況，用于巡考人員現(xiàn)場(chǎng)影像調(diào)取。⑤延時(shí)影像處理。將關(guān)鍵幀按順序送往延時(shí)編碼器，生成1080P切片m3u8文件流，通過(guò)RTMP協(xié)議推送延時(shí)影像給自動(dòng)巡考系統(tǒng)，提升遠(yuǎn)程巡考系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別作弊行為的圖像傳輸品質(zhì)與穩(wěn)定性，其延時(shí)控制在30s以內(nèi)，4小時(shí)考試延時(shí)影像本地存儲(chǔ)尺寸小于15Gb。⑥存儲(chǔ)功能。存儲(chǔ)容量配置不小于64Gb，用于4～5小時(shí)考試過(guò)程延時(shí)影像、3分4k原畫、幀圖片的循環(huán)存儲(chǔ)。

（3）通訊服務(wù)層

通訊服務(wù)層包括三個(gè)功能模塊：①FTP服務(wù)。支持遠(yuǎn)程巡考對(duì)現(xiàn)場(chǎng)照片和3分4K原畫文件進(jìn)行下載回看。②RTSP服務(wù)。向巡考應(yīng)用層提供考場(chǎng)延時(shí)影像和實(shí)況影像。③設(shè)備中控服務(wù)。為巡考應(yīng)用層提供對(duì)智能全景終端的遠(yuǎn)程運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)、參數(shù)配置、運(yùn)維管控功能。

（4）識(shí)別算法層

識(shí)別算法層一般采用人工智能第三方SaaS服務(wù)。該層主要功能包括：①人臉識(shí)別。將PCA作為人臉特征提取方法，由于人臉骨骼打點(diǎn)提升了提取的精確度而對(duì)臉部光線、表情等信息極不敏感，因此使用分類器對(duì)人臉進(jìn)行分類歸屬?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn)人臉識(shí)別和考生身份核驗(yàn)，避免替考行為發(fā)生[14]。②環(huán)境識(shí)別。基于視頻內(nèi)容提取抽幀算法，并對(duì)每一幀畫面里的內(nèi)容，如書本、文具用品、眼睛、手表、耳機(jī)形狀等進(jìn)行歸納提取，建立視頻資料庫(kù)，識(shí)別考場(chǎng)環(huán)境，防止作弊器材進(jìn)場(chǎng)。③圖像識(shí)別。采用圖像語(yǔ)義分割算法，基于影像區(qū)域的人體多邊形標(biāo)注與分割，識(shí)別協(xié)助作弊人進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)輔助作弊。④骨骼識(shí)別?；诠趋傈c(diǎn)算法，檢測(cè)出人體頭部、軀干、四肢上的關(guān)鍵點(diǎn)，融合人體骨架和作弊行為視頻圖像信息的行為識(shí)別方法，在保留基于骨架方法對(duì)動(dòng)作針對(duì)性的同時(shí)，通過(guò)與圖像信息結(jié)合，提高行為識(shí)別的準(zhǔn)確率，對(duì)回頭、低頭、起身、離開(kāi)、頭部不看計(jì)算機(jī)等行為進(jìn)行歸納提取，建立可識(shí)別的作弊行為視頻資料庫(kù)。⑤聲紋識(shí)別。聲紋識(shí)別技術(shù)是一種生物認(rèn)證的方法，從說(shuō)話人能反映自己生理和行為個(gè)性特征的語(yǔ)音參數(shù)中提取出說(shuō)話人是誰(shuí)的過(guò)程。在與文本相關(guān)的聲紋識(shí)別研究中，既要包含說(shuō)話人身份的識(shí)別，又要包含語(yǔ)音文本內(nèi)容的識(shí)別。結(jié)合語(yǔ)音識(shí)別與文本相關(guān)的聲紋識(shí)別方法，從而建立說(shuō)話人的聲紋模型和語(yǔ)音文本模型，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)除考生以外的語(yǔ)音進(jìn)行身份辨認(rèn)，識(shí)別是否存在協(xié)助作弊。

（5）分布式計(jì)算層

分布式計(jì)算層包含分布式計(jì)算架構(gòu)、分布式應(yīng)用服務(wù)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、對(duì)象存儲(chǔ)及IoTOS等大并發(fā)防作弊支撐架構(gòu)。①ECS應(yīng)用服務(wù)器。用于防作弊應(yīng)用的部署。②EDAS分布式應(yīng)用服務(wù)。為防作弊應(yīng)用提供彈性微服務(wù)發(fā)布及管理框架，以便支持大并發(fā)監(jiān)考應(yīng)用訪問(wèn)。③DRDS分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。將考生身份信息、考試信息分布式存儲(chǔ)。④OSS對(duì)象存儲(chǔ)。用于延時(shí)影像、幀圖片、4K3分原畫、巡考作弊通話記錄等考試存證影像遠(yuǎn)端保存，同時(shí)提供CDN點(diǎn)播加速，為作弊復(fù)審存證影提供回看功能。⑤IoTOS物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。提供智能全景終端的遠(yuǎn)程控制、開(kāi)發(fā)組件、可視化編程設(shè)計(jì)工具，將智能全景終端的設(shè)備注冊(cè)、運(yùn)行狀態(tài)、配置信息抓取控制。

（6）防作弊應(yīng)用層

防作弊應(yīng)用層包括巡考管理、考后處理、設(shè)備管理三個(gè)模塊。

巡考管理。調(diào)用全景智能監(jiān)考終端m3u8延時(shí)影像，生成16/32/64/128分屏的視頻巡檢窗口。①作弊識(shí)別?？贾虚_(kāi)始自動(dòng)調(diào)取識(shí)別算法層進(jìn)行作弊識(shí)別，發(fā)現(xiàn)違紀(jì)可疑行為會(huì)對(duì)巡考員發(fā)出告警提示，并在視頻區(qū)域閃動(dòng)紅色方框。②現(xiàn)場(chǎng)調(diào)取。巡考員人工調(diào)取全景智能監(jiān)考終端的RTSP現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況直播影像。③作弊警示。向考場(chǎng)發(fā)送作弊警示語(yǔ)音提醒，實(shí)現(xiàn)巡考員與考生雙向語(yǔ)音溝通，警示存證自動(dòng)錄制與存儲(chǔ)。④作弊處理。下達(dá)強(qiáng)制退出考試命令，并自動(dòng)通知網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)結(jié)束考試，并取消本次成績(jī)。

考后處理。①存證保存?？荚囇訒r(shí)影像、考試過(guò)程中調(diào)取的現(xiàn)場(chǎng)圖片、直播影像、作弊警示存證等全部保存，按業(yè)務(wù)需求保存在CDN節(jié)點(diǎn)上6～12個(gè)月。②作弊復(fù)審。按照考生考號(hào)、考場(chǎng)所在位置、考試日期等進(jìn)行復(fù)審檢索，可調(diào)取CDN節(jié)點(diǎn)上的存證。存證到期后，防作弊系統(tǒng)生成存證到期列表，提示工作人員刪除存證影像。

設(shè)備管理。包含設(shè)備注冊(cè)、終端運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)管、設(shè)備異常故障處理、遠(yuǎn)程設(shè)備配置四個(gè)子模塊。①設(shè)備注冊(cè)。在考生啟動(dòng)全景智能監(jiān)考終端時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)設(shè)備考試注冊(cè)、同步GPS時(shí)鐘、發(fā)送待機(jī)工作指令。②狀態(tài)監(jiān)管。提示全景智能監(jiān)考終端的存儲(chǔ)空間、編碼器GPU壓力與溫度、網(wǎng)絡(luò)吞吐、上聯(lián)服務(wù)器、鏡頭與音視頻工作狀態(tài)等信息。③故障處理。提供遠(yuǎn)程設(shè)備故障重啟，以及音視頻參數(shù)等設(shè)備故障自檢修、自恢復(fù)管理。④遠(yuǎn)程配置。配置全景智能監(jiān)考終端的延時(shí)影像ISO感光、間隔時(shí)長(zhǎng)、各存儲(chǔ)區(qū)容量、文件、影像文件像素及編碼屬性。

（7）接口層

接口層提供統(tǒng)一的設(shè)備終端操作SDK，供網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)調(diào)用人臉識(shí)別認(rèn)證、時(shí)鐘同步等功能。存證檢索及調(diào)取API，如網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)機(jī)考作弊，可以進(jìn)行考試、應(yīng)用層存證檢索、存證調(diào)取SDKI。該層還可為網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)提供考試開(kāi)始、考試過(guò)程中、考試結(jié)束數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)流程的調(diào)用與訪問(wèn)，滿足與第三方考試系統(tǒng)緊密集成的業(yè)務(wù)需求。

綜上所述，基于全景智能技術(shù)構(gòu)建的分散型網(wǎng)絡(luò)考試防作弊系統(tǒng)具備以下核心功能：①本地?zé)o死角監(jiān)考功能。一方面可將考生考試過(guò)程以全景三分屏形式全程記錄，并提供原始影像、現(xiàn)場(chǎng)圖像抓拍下載，以及現(xiàn)場(chǎng)影像直播;另一方面，可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)監(jiān)管終端，進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)行狀態(tài)查詢、配置與運(yùn)維。②提供基于人工智能識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)的作弊自主識(shí)別、作弊提醒和終止考試功能，并將考試及作弊處理全過(guò)程存證，提供復(fù)查管理。

四、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及環(huán)境搭建

在研制分散型網(wǎng)絡(luò)防作弊系統(tǒng)的過(guò)程中，筆者不僅要對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的全景攝像機(jī)終端進(jìn)行必要改進(jìn)，同時(shí)還要使用百度、Face++等人工智能平臺(tái)的SaaS服務(wù)進(jìn)行封裝模型庫(kù)，同時(shí)還要引入許多成熟的新技術(shù)，如流媒體技術(shù)、分布式應(yīng)用與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，從而更好地保證分散網(wǎng)絡(luò)防作弊系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、易用性、分布性、智能化、開(kāi)放性等優(yōu)良特征。其核心技術(shù)主要為全景影像拉伸算法和人工智能三畫面識(shí)別兩個(gè)方面。

1.全景影像處理技術(shù)

全景攝像機(jī)為了擁有更大的水平廣角，采用了魚眼鏡頭，不僅存在嚴(yán)重的圖像畸變，如圖3（a）所示，也會(huì)因考場(chǎng)四周角度光線照度不同，對(duì)影像帶來(lái)大量的噪聲干擾，使后期的人工智能識(shí)別算法誤判率增加。因而，為了獲得2、3分屏高清考場(chǎng)影像，就需要在全景影像的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)拉伸、去燥、切割、合成四個(gè)步驟。拉伸采用了全景相機(jī)濾波、參數(shù)標(biāo)定、重投、影和圖像塊的拼接四個(gè)步驟。運(yùn)用TV圖像去噪模型建立泛函函數(shù)后引入卷積運(yùn)算，二次濾波去噪，降低噪聲點(diǎn)對(duì)圖像拼接過(guò)程的干擾。然后將魚眼圖像投影到多個(gè)平面，分割成多個(gè)子圖，且相鄰子圖之間具有視角重疊區(qū)域，在此基礎(chǔ)上通過(guò)半投影變換構(gòu)造直紋面方程的圖像拼接方式，重構(gòu)魚眼圖像全局，幾何變換生成一個(gè)長(zhǎng)方形狀，如圖3（b）所示。使用多分辨率融合獲得一張無(wú)縫隙的全景圖像，再用圖割法尋找最佳縫合線生成44∶9的長(zhǎng)方形影像，將各個(gè)子圖重新拼接為一張較為完成的圖像以達(dá)到魚眼圖像畸變校正的目的。最后，引入SIFT圖像拼接算法進(jìn)行特征點(diǎn)的提取與匹配，采用加權(quán)融合算法對(duì)圖像進(jìn)行融合處理，得到視覺(jué)效果良好的長(zhǎng)方形全景影像，再進(jìn)行監(jiān)考區(qū)域切合處理，生成供智能巡考2、3分流處理使用，如圖3（c）和圖3（d）所示。

2.人工智能作弊識(shí)別技術(shù)

人工智能也稱機(jī)器智能，通過(guò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、感覺(jué)及思維方式的模擬，因而具有人類的知識(shí)和行為。人工智能可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，以及推斷、判斷來(lái)解決問(wèn)題，甚至擁有知識(shí)記憶和人類自然語(yǔ)言的能力[14]。這也是人工智能技術(shù)在防作弊領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的主要因素。哥本哈根大學(xué)曾提出，有人工智能在，別想欺騙考試[15]。

近幾年來(lái)，華為、百度、阿里、科大訊飛等IT企業(yè)提供了AI開(kāi)放平臺(tái)，幫助開(kāi)發(fā)者快速創(chuàng)建和部署在線編程環(huán)境、免費(fèi)GPU算力、海量開(kāi)源算法和開(kāi)放數(shù)據(jù)。分散型網(wǎng)絡(luò)防作弊系統(tǒng)所用的人臉、圖像比對(duì)、聲紋、手勢(shì)、骨骼[16]等識(shí)別模型，基于AI調(diào)用CV-目標(biāo)檢測(cè)、RNA結(jié)構(gòu)與色算法、分布式推薦算法等綜合算法就可以實(shí)現(xiàn)。因此，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，只需要建立防作弊模型庫(kù)，不斷將作弊行為視頻入庫(kù)讓機(jī)器學(xué)習(xí)，就能識(shí)別更多作弊種類和操作方式，提升了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率并減少了識(shí)別算法模型研究的時(shí)間。

3.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

分散型網(wǎng)絡(luò)考試防作弊系統(tǒng)搭建場(chǎng)景和軟硬件配置清單分別如圖4、表1所示。

五、結(jié)論與建議

應(yīng)用全景智能技術(shù)構(gòu)建的防作弊系統(tǒng)，為分散型網(wǎng)絡(luò)考試提供了創(chuàng)新解決思路。該系統(tǒng)在架構(gòu)設(shè)計(jì)上綜合運(yùn)用了全景智能終端大廣角覆蓋特征與人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在算法、算力、智能化方面的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品，快速搭建了實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了分散型網(wǎng)絡(luò)考試的本地?zé)o死角監(jiān)考、遠(yuǎn)程智能巡考等功能，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

在系統(tǒng)應(yīng)用的過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在震懾和杜絕作弊行為方面仍需完善。一方面，全景智能終端防作弊專用功能需要增強(qiáng)。例如：設(shè)備操控的易用性與穩(wěn)定性需要加強(qiáng)，需要具備防屏蔽信號(hào)干擾、人體熱成像防躲避識(shí)別、隱形攝像機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和高速影像處理能力。另一方面，要完善防作弊識(shí)別行為庫(kù)，提升識(shí)別精準(zhǔn)度，加強(qiáng)隱私保護(hù)中肖像侵權(quán)的模糊處理，以便適應(yīng)真實(shí)考場(chǎng)嚴(yán)苛的實(shí)戰(zhàn)需要。

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（編輯：王曉明）