基于人臉識別技術的高校在線考試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李福海 宋皓宇 馬宏琳

摘要：在線考試是檢驗在線教育效果的有效手段，而基于人臉識別的監(jiān)考機制是保證在線監(jiān)考的關鍵。在線考試系統(tǒng)采用前后端分離的開發(fā)技術，實現(xiàn)題庫管理、用戶管理、在線考試、考試分析等功能。系統(tǒng)通過人臉檢測模型和深度卷積網(wǎng)絡進行人臉識別，并引入殘差學習，實現(xiàn)了基于人臉識別的考生在線身份驗證和實時在線監(jiān)考，保證了考生在線考試成績的真實性和有效性。

關鍵詞：在線考試系統(tǒng);在線監(jiān)考;人臉識別;深度卷積網(wǎng)絡;人臉檢測

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）14-0056-02

1 背景

利用網(wǎng)絡資源實現(xiàn)線上教學已經(jīng)成為重要的教學途徑，同時在線考試也越來越受到高校的廣泛關注。利用人臉識別監(jiān)考技術實現(xiàn)在線考試系統(tǒng)，將有效地杜絕考試替考等作弊行為的發(fā)生，并促進便捷、公平、高效的考試模式變革，使得在線考試系統(tǒng)成為教學效果的重要檢驗方式。

根據(jù)教育部高等教育司的統(tǒng)計，2020年疫情期間，全國千余所高校的103萬名教師在線開設了107萬門課程，參加在線學習的學生共計1775萬人，合計23億人次[1]。人臉識別在線考試系統(tǒng)既能延續(xù)并擴展線上考試穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，并且在監(jiān)考方面采用科學準確的人臉識別技術來彌補由于達不到傳統(tǒng)監(jiān)考面對面效果的缺點，從而有效地保證線上考試的質(zhì)量，為高校提供一個優(yōu)秀的在線考核的平臺。

2 系統(tǒng)設計

人臉識別技術是一種新型生物特征識別法[2]。“基于人臉識別技術的高校在線考試系統(tǒng)”采用前后端分離的開發(fā)技術，其中前端采用了只關注視圖層的輕量型Vue框架，后端則采用主流的Spring Boot框架。系統(tǒng)使用Python語言編寫人臉識別程序，不僅語言簡潔、功能強大，而且還獨立于系統(tǒng)。同時，采用進程通信的方式處理人臉識別監(jiān)考請求，可以為考試監(jiān)考提供強有力的保證。在人臉識別模塊中，采用TensorFlow[3]人臉檢測模型，然后使用深度卷積網(wǎng)絡進行人臉識別，具體采用Inception V4[4]版本模型，同時引入了殘差學習，大大提升了網(wǎng)絡深度和準確度。

2.1 系統(tǒng)整體功能設計

對于人臉識別在線考試系統(tǒng)而言，首先要給廣大用戶提供一個優(yōu)質(zhì)的在線考試平臺，此外準確科學的監(jiān)考手段也是保證考核質(zhì)量的重要一步。因此，設計系統(tǒng)的主要功能如下：

1）用戶管理：實現(xiàn)對考生、教師、管理員等用戶的信息管理。

2）瀏覽并查看考試：可以瀏覽所安排的各項考試，并查看考試的詳情。

3）進行在線考試：可以選擇需要進行的考試進入答題，考生完成答題可以提交試卷結(jié)束考試。

4）人臉識別監(jiān)考：考試全程系統(tǒng)自動調(diào)用攝像頭進行人臉識別監(jiān)考，并對考生的不當操作做出響應。

5）查看考試結(jié)果：用戶能夠查看考試成績，并得到成績走勢圖和分布圖等。

6）考試管理：發(fā)布考試并編輯考試的各項信息。

7）題庫管理：使用題庫進行自動組卷。

8）留言互動：師生間可以發(fā)布留言進行交流互動。

基于上述功能分析，把人臉識別在線考試系統(tǒng)的用戶視域功能，設計為6個功能模塊。分別為：用戶管理模塊、題庫管理模塊、在線考試模塊、人臉識別模塊、考試分析模塊、討論區(qū)模塊。

2.2 “人臉識別監(jiān)考”的具體功能設計

在上述系統(tǒng)功能中，人臉識別監(jiān)考是本系統(tǒng)的核心。人臉識別監(jiān)考需要實現(xiàn)以下具體功能：

1）捕獲圖片：前端可以在考試過程中實時捕獲攝像頭前考生的考試狀態(tài)，并上傳至服務器本地。

2）建立連接：服務器接收到待識別圖片時，可以與Python端的人臉識別模塊建立連接，發(fā)送人臉識別請求并等待識別結(jié)果。

3）處理人像：Python端接收請求后，進行技術處理，并得到包含人臉的區(qū)域圖像。

4）人臉識別：Python端使用深度卷積網(wǎng)絡，利用提前訓練好的模型處理待檢測圖片，得出識別結(jié)果。

5）顯示識別結(jié)果：人臉識別結(jié)果返回至前端呈現(xiàn)給用戶，實現(xiàn)監(jiān)考。

2.3 系統(tǒng)詳細設計

系統(tǒng)使用IDEA開發(fā)工具，采用Java 語言和Python語言混合編寫開發(fā)，使用MySQL數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)存儲功能。根據(jù)系統(tǒng)的整體功能設計，進行系統(tǒng)詳細設計。

1）用戶相關業(yè)務：使用Vue前端框架的Element—UI進行組件化開發(fā)，給用戶提供信息管理操作;后端使用MyBatis框架訪問數(shù)據(jù)持久層，對相關數(shù)據(jù)進行增、刪、改、查。

2）捕獲圖片：前端Vue在渲染頁面時，使用Canvas對象進行攝像頭圖像繪制和捕獲待檢測圖片。使用video標簽顯示識別區(qū)域展示給用戶。捕獲前端圖片后首先將圖片編碼轉(zhuǎn)格式，然后通過Ajax傳遞至后端。

3）建立連接：后端使用進程通信的方式與Python端的人臉識別模塊建立連接。采用Socket套接字創(chuàng)建連接對象，然后發(fā)送人臉識別請求，Python端接收請求后開始執(zhí)行識別操作。

4）處理人像：使用基于TensorFlow的MTCNN模型[5]進行人臉檢測和人像處理。對待檢測圖片進行“圖像金字塔”預處理，得到不同尺寸的圖像。然后圖像依次進入P-Net網(wǎng)絡、R-Net網(wǎng)絡、O-Net網(wǎng)絡，得到準確的bbox坐標和landmark坐標。

5）人臉識別： 使用Inception v4進行人臉判別，然后通過SVM[6]分類訓練進行分類，即得到識別結(jié)果。

6）識別結(jié)果顯示：Python端識別完成后，將識別結(jié)果通過進程通信傳遞給后端，后端再通過AJax將結(jié)果返回至前端，前端對結(jié)果進行處理，展示給用戶。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)使用Vue框架進行組件化開發(fā)，將各個功能模塊及操作進行組件化處理，使用路由進行調(diào)用跳轉(zhuǎn)，設立觸發(fā)器監(jiān)聽用戶操作以完成相應的功能。人臉識別模塊采用深度卷積網(wǎng)絡來實現(xiàn)，當Socket對象接收到后端發(fā)送的識別請求，便會開始執(zhí)行人臉識別操作。在此之前，需要將下載的數(shù)據(jù)集對模型進行訓練，然后將圖像中的人臉進行預處理，然后驗證模型，最后使用SVM分類訓練驗證其分類結(jié)果。系統(tǒng)考試界面，如圖1所示?？荚嚠惓＝缑?，如圖2所示。由圖1可知，考生答題過程中有一人臉監(jiān)考區(qū)域?qū)崟r顯示考生狀態(tài)，考生本人在進行考試時會提示“本人考試中”。如果考試過程中出現(xiàn)其他異常情況則會返回提示信息，同時存儲識別結(jié)果至相關的考試信息中，如圖2所示。

4 結(jié)束語

基于人臉識別技術的在線考試系統(tǒng)是保證考生在線考試成績真實性的有效手段。系統(tǒng)的整體設計采用了前后端分離技術，使用Java語言和Python語言共同開發(fā)，完成了用戶管理、試題管理、考試管理等功能。人臉識別模塊采用了深度卷積網(wǎng)絡，并使用TensorFlow和Inception模型等實現(xiàn)了人臉檢測。兩者通過進程間通信交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了利用人臉識別進行實時監(jiān)考的在線考試系統(tǒng)。經(jīng)實踐檢驗，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，效果良好，可以滿足高校在線考試的需求，有效確保對考試全過程的實時監(jiān)控。

參考文獻：

[1] 李健.習近平統(tǒng)籌推進疫情防控與互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展治理的辯證思維[J].中國衛(wèi)生法制，2021，29（2）：100-104.

[2] 李飛，邢倩.在線教育“常態(tài)化”下高校專業(yè)課程教學實踐分析[J].高教學刊，2020（36）：102-105.

[3] 高見.TensorFlow框架下的人臉識別系統(tǒng)優(yōu)化設計[J].電子元器件與信息技術，2021，5（1）：142-143.

[4] 張景異，梁宸，吳攀，等.基于改進Inception V4的面部表情識別算法的研究[J].光電技術應用，2020，35（1）：56-63.

[5] 祁星晨，卓旭升.基于改進MTCNN算法的低功耗邊緣人臉檢測跟蹤系統(tǒng)[J].電子技術應用，2021，47（5）：40-44.

[6] 郭月.基于SVM的高分圖像自動分類算法研究與系統(tǒng)實現(xiàn)[D].石家莊：河北科技大學，2017.

收稿日期：2021-06-25

基金項目：2020年度河南省精品在線開放課程立項建設項目（教高〔2021〕4號）;河南省“十四五”普通高等教育規(guī)劃教材重點立項建設項目（教高〔2020〕469號）;河南省科技廳自然科學項目資助（202102110062）

作者簡介：李福海（1999—），男，河南信陽人，河南工業(yè)大學2017級本科生，主要研究方向為計算機軟件技術應用;宋皓宇，河南工業(yè)大學2020級本科生;馬宏琳，副教授，碩士。