在線無人監(jiān)考防作弊新技術(shù)探索

李沛秦， 陳 浩， 熊 偉， 謝劍斌， 閆 瑋

(國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073)

0 引言

人類社會(huì)邁入21世紀(jì)，以多媒體和國際互聯(lián)網(wǎng)為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)，正以驚人的速度改變著人們的生活方式和學(xué)習(xí)方式。網(wǎng)絡(luò)教育通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行教學(xué)活動(dòng),這樣的教育手段打破了傳統(tǒng)教師教學(xué)的時(shí)間以及地點(diǎn)的限制,網(wǎng)絡(luò)教育獨(dú)有的快捷以及交互性強(qiáng)等特點(diǎn)受到了廣大教師、學(xué)生的一致好評(píng)；其而靈活的、開放的架構(gòu)有利于數(shù)據(jù)共享，因此網(wǎng)絡(luò)教育在全球范圍內(nèi)都受到了極高的關(guān)注,在研究和應(yīng)用等方面發(fā)展十分迅速[1][2]。特別是近年來隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的興起，以MOOC (Massive Open Online Course) 為代表的在線教育平臺(tái)如雨后春筍般迅速發(fā)展，智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等移動(dòng)學(xué)習(xí)終端大量普及，互聯(lián)網(wǎng)、5G通信技術(shù)等帶來了更快的傳輸速率，使得在線直播教學(xué)受到了前所未有的廣泛關(guān)注。

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育比傳統(tǒng)模式更靈活、更能體現(xiàn)學(xué)習(xí)主體地位，也方便組織遠(yuǎn)程考試，這對(duì)于位置偏遠(yuǎn)的學(xué)生或考生，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。尤其是今年全球普遍出現(xiàn)新冠狀病毒肺炎疫情，為了防控疫情傳播，今年上半年我國大學(xué)生群體全程通過居家網(wǎng)絡(luò)課程進(jìn)行學(xué)習(xí)。無人監(jiān)考是遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育中用于評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)效果的重要環(huán)節(jié)，必須確保其安全性、公正性?，F(xiàn)有遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)在人員身份驗(yàn)證、學(xué)習(xí)過程監(jiān)督、考試過程監(jiān)控等方面存在安全隱患和管控漏洞。為切實(shí)推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)教育發(fā)展，國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院“人工智能與模式識(shí)別”課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)生物特征活體鑒別、面部特征識(shí)別、考試過程中的異常作弊行為檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)開展了探索，力求從技術(shù)層面確保真學(xué)真考。

1 無人監(jiān)考特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)教育具有鮮明時(shí)代性，在保留書本閱讀、離線教學(xué)等傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的前提下，強(qiáng)調(diào)依托信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開展在線學(xué)習(xí)與考試。積極運(yùn)用“網(wǎng)絡(luò)+教育”的理念方法，逐步實(shí)現(xiàn)多樣化教育、個(gè)性化學(xué)習(xí)、智能化服務(wù)、精細(xì)化管理。與傳統(tǒng)教育模式相比，網(wǎng)絡(luò)教育主要依靠遠(yuǎn)程在線學(xué)習(xí)、在線考試完成教育過程，具有方便靈活、節(jié)省資源等優(yōu)點(diǎn)，也有助于發(fā)揮個(gè)人主觀能動(dòng)性。但部分單位、人員由于工作任務(wù)重等原因，在缺少傳統(tǒng)教育模式中專人監(jiān)督、考核的前提下，參加網(wǎng)絡(luò)無人監(jiān)考可能在身份驗(yàn)證、考試質(zhì)量等方面存在替學(xué)、替考等問題。需要通過技術(shù)手段加以輔助，以消除漏洞，確保網(wǎng)絡(luò)教育落到實(shí)處。

大學(xué)MOOC以及大量的其它各種終身教育、非學(xué)歷教育等課程，普遍存在既要方便遠(yuǎn)程考試，又要加強(qiáng)考試監(jiān)管的問題?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教育的考試模式主要有集中筆試、集中機(jī)考、集中網(wǎng)考、分散網(wǎng)考共四類，如表1所示：

表1 學(xué)習(xí)、考試模式分析

傳統(tǒng)的高校集中教育考試模式具有固定性的特征,需要在特定的地點(diǎn)用紙質(zhì)閉卷考試的方法考查學(xué)習(xí)者的完成情況,這對(duì)于非本校學(xué)習(xí)者來說存在很大的不便,特別對(duì)已工作的社會(huì)學(xué)生會(huì)出現(xiàn)較為突出的工學(xué)矛盾問題。工學(xué)矛盾的產(chǎn)生不僅要學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)壓力和質(zhì)量大幅降低,還會(huì)阻礙潛在學(xué)習(xí)者接受網(wǎng)絡(luò)教育的熱情。為了改變這樣的現(xiàn)狀,高校網(wǎng)絡(luò)教育考試模式要在“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)支持上進(jìn)行大力的創(chuàng)新和改革,打造網(wǎng)絡(luò)化的考試平臺(tái)。

就“隨時(shí)異課”和“分散網(wǎng)考”的現(xiàn)狀來看，目前缺少智能無人化監(jiān)管，遠(yuǎn)程教育體系尚不能充分保障考試安全。隨著人工智能、視覺計(jì)算新技術(shù)的發(fā)展，人臉識(shí)別、目標(biāo)跟蹤、音視頻數(shù)據(jù)分析等新方法為加強(qiáng)遠(yuǎn)程教育中的學(xué)習(xí)質(zhì)量、考試安全提供了技術(shù)保障。新型信息技術(shù)的應(yīng)用，可以使網(wǎng)絡(luò)教育進(jìn)一步完善，更加受到廣大學(xué)習(xí)者的歡迎。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 融合式人臉活體快速檢測(cè)

相對(duì)于傳統(tǒng)的密碼登陸方式，人臉識(shí)別是一種安全等級(jí)較高、且使用便捷的認(rèn)證方式，在安全防范領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，現(xiàn)有人臉認(rèn)證系統(tǒng)可通過照片、圖片、視頻等非活體生物樣本攻破。在無人監(jiān)考系統(tǒng)中，我們采用融合式人臉活體檢測(cè)方法：

首先定位人臉Landmark關(guān)鍵點(diǎn)[3]，其位置和序號(hào)如圖1所示。

圖1 人臉關(guān)鍵點(diǎn)位置及序號(hào)

以人臉關(guān)鍵點(diǎn)為中心，適宜的窗口劃分對(duì)應(yīng)的塊并計(jì)算其LBP直方圖，將所有塊的直方圖連接起來構(gòu)成特征向量。分別針對(duì)活體人臉樣本和假體人臉樣本提取上述特征向量，通過深度網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和分類，實(shí)現(xiàn)活體人臉檢測(cè)。與基于結(jié)構(gòu)光的方法[4]相比，該方法不需要增加額外的特種光源。實(shí)測(cè)該方法達(dá)到了基本實(shí)時(shí)的處理速度，在相對(duì)穩(wěn)定的光照環(huán)境下準(zhǔn)確率超過99%，可以檢測(cè)出照片、打印紙、視頻、面具等假體人臉攻擊。

2.2 綜合全局和局部特征的跨年代人臉魯棒識(shí)別

人臉識(shí)別已經(jīng)過幾十年的發(fā)展，并且近年來借助深度學(xué)習(xí)在若干數(shù)據(jù)集上已獲得令人矚目的進(jìn)展[5]。但在無人監(jiān)考應(yīng)用中，通常注冊(cè)人臉和現(xiàn)場比對(duì)人臉存在因年齡差異造成的變化，從而導(dǎo)致識(shí)別率下降[6]。

本課題以人臉局部部件的特異性作為研究對(duì)象，首先從視頻圖像中檢測(cè)人臉并基于面部關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)；然后提取左右眉、左右眼、鼻子、嘴唇這6個(gè)局部部件，外加全臉共7個(gè)面部部件，針對(duì)每一部件訓(xùn)練其對(duì)應(yīng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；在進(jìn)行人臉比對(duì)時(shí)，將待處理人臉部件圖像輸入對(duì)應(yīng)CNN，輸出7個(gè)部件各自所屬類別，然后綜合各部件特征，考察目標(biāo)人臉與模板人臉的相似程度，實(shí)現(xiàn)定量計(jì)算。方法框架如圖2所示。

圖2 基于五官特異性的跨年代人臉識(shí)別

該方法融合了局部特征和全局特征，增強(qiáng)了對(duì)人臉因年齡變化造成差異的適應(yīng)性[7]。

2.3 基于改進(jìn)CSSD的作弊行為檢測(cè)

在無人監(jiān)考過程中，針對(duì)偷看手機(jī)、紙條、書本等非允許物品進(jìn)行檢測(cè)，可有效發(fā)現(xiàn)夾帶、抄襲等作弊行為。近年來，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)以多種方式被用于目標(biāo)檢測(cè)。但現(xiàn)有算法存在的不足是對(duì)小目標(biāo)和遮擋問題不夠魯棒[8]，難以直接應(yīng)用于無人監(jiān)考領(lǐng)域。

我們首先構(gòu)建如下檢測(cè)場景(不要求絕對(duì)按照此場景安裝采集設(shè)備，僅作為示例展示頂視拍攝效果，只要提供此視角監(jiān)控畫面即可)，如圖3所示。

圖3 作弊行為檢測(cè)場景

然后基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用改進(jìn)的DenseNet加深網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)的特征提取能力。并且通過反卷積和下采樣單元構(gòu)建了一個(gè)環(huán)形特征金字塔，將其命名為環(huán)形單次檢測(cè)器CSSD(Cycle Single Shot Detector)[9]。環(huán)形特征金字塔可以充分利用各層之間的信息準(zhǔn)確預(yù)測(cè)行為檢測(cè)框，最終使算法在遮擋情況下和檢測(cè)小目標(biāo)方面表現(xiàn)良好，能準(zhǔn)確檢測(cè)出學(xué)習(xí)、考試場景中出現(xiàn)的手機(jī)、書本、紙條等目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際規(guī)則可有效發(fā)現(xiàn)夾帶、抄襲等作弊行為。

3 結(jié)語

教育模式變革推動(dòng)采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，在全國各種類型的學(xué)校、企事業(yè)單位建設(shè)涵蓋“教育、學(xué)習(xí)、考試、交流、管理”為一體的網(wǎng)絡(luò)教育新平臺(tái)。通過跨年代人臉比對(duì)確保學(xué)習(xí)考試人員身份；通過活體檢測(cè)杜絕使用照片、圖片等偽造人臉替考；通過場景中的目標(biāo)檢測(cè)避免夾帶、抄襲等作弊行為；結(jié)合行為檢測(cè)與跟蹤等多項(xiàng)視覺計(jì)算新技術(shù)，有助于為建設(shè)和管控網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、無人監(jiān)考提供技術(shù)支撐，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)預(yù)警、智能管控、精確決策支持等目的?；谏鲜鲂录夹g(shù)可以實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)考試要素?cái)?shù)字化、設(shè)施設(shè)備智能化、信息資源網(wǎng)絡(luò)化和日常管理可視化，有效提升網(wǎng)絡(luò)考試安全等級(jí)，推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)教育改革順利開展。