數(shù)字取證課程中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用研究

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真技術(shù)；數(shù)字取證；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

引言

近年來(lái)，數(shù)字技術(shù)得到了高速發(fā)展，智能設(shè)備中承載了各種數(shù)字信息，給公安機(jī)關(guān)的警務(wù)執(zhí)法活動(dòng)以及數(shù)字取證工作帶來(lái)了極大壓力。據(jù)中國(guó)裁判文書網(wǎng)檢索結(jié)果顯示，截至目前涉網(wǎng)違法犯罪案件已經(jīng)接近100萬(wàn)件，而且發(fā)案數(shù)量在逐年上升，這體現(xiàn)了我國(guó)警察在警務(wù)執(zhí)法活動(dòng)中對(duì)數(shù)字取證技術(shù)與手段的迫切需求；從另一方面，公安教育中對(duì)數(shù)字取證技術(shù)課程的要求也越來(lái)越高，其必要性與不可取代性愈發(fā)明顯。數(shù)字取證課程實(shí)踐性強(qiáng)，實(shí)戰(zhàn)化要求高，在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)可取得明顯效果。

一、虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字取證課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

警務(wù)取證活動(dòng)由于其特殊性決定了不能供大批警務(wù)人員現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，而其又具有較強(qiáng)的實(shí)操性，需要相關(guān)警務(wù)人員具有專業(yè)的技能和豐富的經(jīng)驗(yàn)。然而，公安院校在傳統(tǒng)的數(shù)字取證課程教學(xué)中，授課教師只能通過(guò)書本照本宣科或進(jìn)行假設(shè)性模擬，搭建案件場(chǎng)景還原度不高的模擬場(chǎng)景，利用電子設(shè)備和電子證物的實(shí)物進(jìn)行演示，并安排學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于假設(shè)性場(chǎng)景單一性與低質(zhì)性所限，傳統(tǒng)的實(shí)景實(shí)物教學(xué)方式并不能滿足數(shù)字取證在實(shí)際案件中的實(shí)際技術(shù)要求。目前數(shù)字取證技術(shù)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中還存在很多制約其訓(xùn)練與發(fā)展的因素，致使其訓(xùn)練的效果不夠顯著，且無(wú)法達(dá)到預(yù)期的訓(xùn)練目的。

虛擬仿真技術(shù)能夠很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)取證課程中的不足。虛擬仿真技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)[1]。它利用計(jì)算機(jī)三維建模和渲染方法，采用多源信息融合生成一種三維動(dòng)態(tài)的模擬環(huán)境，用戶可以在該環(huán)境中以特定角色進(jìn)行“實(shí)景”漫游并與虛擬世界中的人和物進(jìn)行交互，提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等全方位的感官模擬，從而讓用戶產(chǎn)生沉浸式的臨場(chǎng)體驗(yàn)。將虛擬仿真技術(shù)引入數(shù)字取證實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以利用實(shí)驗(yàn)環(huán)境和裝置的可虛擬性與可仿真性，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高度還原不同的現(xiàn)實(shí)案件現(xiàn)場(chǎng)，按照現(xiàn)實(shí)數(shù)字取證實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中的不同內(nèi)容進(jìn)行仿真，學(xué)生只需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)即可動(dòng)手操作，學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，完成現(xiàn)場(chǎng)和物證的電子數(shù)據(jù)勘驗(yàn)的訓(xùn)練任務(wù)，一定程度上減少了對(duì)實(shí)驗(yàn)空間和硬件的要求，也能讓學(xué)生可以隨時(shí)、隨地進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。另外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和設(shè)備，一定程度上免除了真實(shí)場(chǎng)景搭建和設(shè)備購(gòu)買以及后期維護(hù)的費(fèi)用，更有利于取證技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建與相關(guān)技術(shù)的及時(shí)更新，同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)也能一定程度上提高學(xué)生的參與性與增加其學(xué)習(xí)樂(lè)趣[2]。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程

（一）數(shù)據(jù)收集

可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源決定了優(yōu)秀的訓(xùn)練效果，足夠的數(shù)據(jù)量能夠保障系統(tǒng)的靈活性。因此，前期的數(shù)據(jù)收集非常重要。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)收集涉及文獻(xiàn)、案例和專家論證等三個(gè)方面。教材著作等文獻(xiàn)中的經(jīng)典案例、各部門頒布的法律法規(guī)中的相關(guān)條款，直接決定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)案件場(chǎng)景以及模擬取證時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)流程與涉及的相關(guān)技術(shù)。現(xiàn)實(shí)案例方面主要是收集目前記錄在案的相關(guān)案件案例，根據(jù)發(fā)生頻次從高到低依次排序整理，復(fù)核相關(guān)流程，整合提取指導(dǎo)性操作規(guī)范，歸納總結(jié)所涉的技術(shù)手段。最后還要邀請(qǐng)相關(guān)技術(shù)專家，對(duì)所涉場(chǎng)景進(jìn)行技術(shù)論證，給出技術(shù)方案指導(dǎo)。經(jīng)過(guò)以上三個(gè)方面的操作，收集的數(shù)據(jù)才能夠達(dá)到系統(tǒng)需求，為下一步工作提供保障。

（二）制作虛擬仿真場(chǎng)景

涉網(wǎng)違法犯罪案件的現(xiàn)場(chǎng)具有特殊性，虛擬仿真場(chǎng)景除了涵蓋傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)勘查功能外，還需要在現(xiàn)場(chǎng)中設(shè)計(jì)對(duì)各類電子設(shè)備處理的功能模塊。具體實(shí)施過(guò)程中，首先根據(jù)相關(guān)資料，設(shè)計(jì)模擬出不同案件場(chǎng)景的平面圖，列出不同場(chǎng)景下的勘查取證流程與不同角色的原畫；其次，利用三維軟件制作建筑模型、繪制貼圖、設(shè)置燈光角度、制作場(chǎng)景中所需的設(shè)備，比如U盤、硬盤，攝像機(jī)等；再次，制作場(chǎng)景中的人物模型，結(jié)合場(chǎng)景設(shè)計(jì)對(duì)話流程，以及其與設(shè)備的交互內(nèi)容；最后，對(duì)場(chǎng)景中的模型、引導(dǎo)流程進(jìn)行導(dǎo)出前的設(shè)置及優(yōu)化，為后期學(xué)生在系統(tǒng)中進(jìn)行訓(xùn)練和考核提供依據(jù)[3]。

（三）設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)以數(shù)字取證場(chǎng)景、流程及其相關(guān)技術(shù)為核心，用3D虛擬可視化的方式對(duì)場(chǎng)景和流程以及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行虛擬仿真，提升數(shù)字取證課程的教學(xué)效果[4]。

系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

（四）虛擬現(xiàn)實(shí)的交互功能設(shè)計(jì)

以上架構(gòu)根據(jù)虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的功能特性，為不同場(chǎng)景設(shè)置不同流程與設(shè)備[5]。按照架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，虛擬仿真系統(tǒng)分為管理控制、模塊化結(jié)構(gòu)、數(shù)字取證仿真訓(xùn)練平臺(tái)以及考核與分析模塊等四部分。各部分的實(shí)現(xiàn)依托軟硬件，學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境下即可使用系統(tǒng)功能開(kāi)展實(shí)訓(xùn)演練[6]。

管理控制部分是數(shù)字取證虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的核心模塊，是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，這部分的設(shè)計(jì)目的是保證系統(tǒng)能夠使用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，并能夠完成各個(gè)功能模塊，設(shè)計(jì)能夠與用戶溝通的交互界面，以及整合前期收集的各類案例數(shù)據(jù)資源，定期更新系統(tǒng)功能。

模塊化結(jié)構(gòu)包括訓(xùn)練教學(xué)模塊和信息采集模塊。信息采集模塊負(fù)責(zé)感知參與訓(xùn)練學(xué)生對(duì)系統(tǒng)的輸入操作，并根據(jù)具體要求進(jìn)行反饋，這些要求可能來(lái)源于學(xué)生的動(dòng)作、行為等。訓(xùn)練教學(xué)模塊設(shè)計(jì)不同場(chǎng)景，學(xué)生可以根據(jù)學(xué)習(xí)需要，進(jìn)行基本的初級(jí)訓(xùn)練、個(gè)別的設(shè)備取證訓(xùn)練和復(fù)雜的電子設(shè)備勘查訓(xùn)練。

數(shù)字取證仿真訓(xùn)練平臺(tái)是虛擬仿真系統(tǒng)的具體應(yīng)用，對(duì)數(shù)字取證課程中涉及的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行仿真，主要有行為仿真、設(shè)備仿真和場(chǎng)景仿真。以管理控制部分和模塊化結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，按照實(shí)驗(yàn)要求，完成行為、設(shè)備和場(chǎng)景間實(shí)時(shí)交互，使訓(xùn)練學(xué)生體驗(yàn)到身臨其境的感覺(jué)。

考核與分析模塊對(duì)參與虛擬仿真平臺(tái)訓(xùn)練學(xué)生的考核結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，并有針對(duì)性地作以調(diào)整。例如，參加訓(xùn)練的學(xué)生如果對(duì)某一案例的場(chǎng)景操作不夠熟練，考核結(jié)果不夠理想，可以建議學(xué)生先對(duì)這部分內(nèi)容進(jìn)行加強(qiáng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，甚至可以強(qiáng)制學(xué)生完成基礎(chǔ)訓(xùn)練以后才給其開(kāi)放復(fù)雜場(chǎng)景的數(shù)字取證實(shí)驗(yàn)操作。

三、數(shù)字取證課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的交互式引導(dǎo)設(shè)計(jì)

（一）界面交互引導(dǎo)

界面交互提供人機(jī)交互的接口，是人和計(jì)算機(jī)之間的交流媒介。數(shù)字取證課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)包含各類案例場(chǎng)景，每個(gè)場(chǎng)景的界面由不同的設(shè)備組成，而設(shè)備中將由不同任務(wù)進(jìn)行構(gòu)建[7]。

例如，對(duì)某個(gè)場(chǎng)景下的個(gè)人電腦進(jìn)行取證，首先界面中要顯示個(gè)人電腦的位置，引導(dǎo)參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生來(lái)到電腦面前并插入專用U盤。界面引導(dǎo)要遵循數(shù)字取證流程，接下來(lái)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)間的提取，引導(dǎo)界面中顯示的時(shí)間核對(duì)，符合實(shí)際場(chǎng)景中的實(shí)驗(yàn)步驟。最后的界面需要引導(dǎo)屏幕信息提取，包括運(yùn)行錄像截圖、進(jìn)行內(nèi)存數(shù)據(jù)提取、系統(tǒng)信息提取、用戶信息提取以及有密碼保護(hù)的數(shù)據(jù)提取等。在界面引導(dǎo)過(guò)程中，每一步都需要相應(yīng)的操作反饋，讓參加實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)生有更好的體驗(yàn)感[8]。

（二）聲音交互引導(dǎo)

聲音是虛擬場(chǎng)景中的重要元素，它能夠使虛擬場(chǎng)景由純粹的視覺(jué)感受轉(zhuǎn)化為視聽(tīng)相結(jié)合的感受，從而提升虛擬場(chǎng)景中的沉浸感[9]。在虛擬仿真系統(tǒng)中融入聲音交互引導(dǎo)，能夠使虛擬系統(tǒng)的真實(shí)感體驗(yàn)更強(qiáng)。數(shù)字取證課程場(chǎng)景多，不同的虛擬場(chǎng)景搭配不同的對(duì)話情節(jié)，不同的環(huán)境音，這樣使學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互時(shí)，能夠獲得更真實(shí)的體驗(yàn)。在案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)虛擬角色與學(xué)生的聲音交互，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)操作，真實(shí)感更強(qiáng)。

四、虛擬仿真系統(tǒng)在數(shù)字取證課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

為驗(yàn)證系統(tǒng)性能，數(shù)字取證課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中開(kāi)展教學(xué)改革，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過(guò)程等方面進(jìn)行評(píng)估，應(yīng)用效果明顯。

（一）針對(duì)性的訓(xùn)練內(nèi)容

如前所述，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考核模塊能夠反映學(xué)生的能力水平和學(xué)習(xí)效果，個(gè)體差異要求教學(xué)中因材施教，虛擬仿真系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)能夠針對(duì)不同學(xué)生設(shè)置個(gè)性化學(xué)習(xí)內(nèi)容。例如，初學(xué)者可以對(duì)數(shù)字設(shè)備單一的場(chǎng)景進(jìn)行仿真取證訓(xùn)練，每次熟悉了解一項(xiàng)取證設(shè)備的具體操作以及流程即可，再逐步加大訓(xùn)練難度，從單一設(shè)備到多設(shè)備取證，從單一場(chǎng)景到多場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)取證，每一級(jí)設(shè)置考察機(jī)制，逐步解鎖復(fù)雜場(chǎng)景。如果某些知識(shí)點(diǎn)難度較大，也可以設(shè)置門檻，要求學(xué)生增加訓(xùn)練次數(shù)，達(dá)到閾值才可以滿足要求。

另外，數(shù)字取證技術(shù)的發(fā)展也要求對(duì)學(xué)生訓(xùn)練內(nèi)容有所調(diào)整并提高重視程度。例如，有些場(chǎng)景中涉及個(gè)人電腦電子數(shù)據(jù)凍結(jié)任務(wù)，學(xué)生要對(duì)個(gè)人電腦中的硬盤計(jì)算電子數(shù)據(jù)的完整性校驗(yàn)值，鎖定網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用賬號(hào)，制作《協(xié)助凍結(jié)電子數(shù)據(jù)通知書》通知相關(guān)協(xié)助單位，并采取保護(hù)。另外，在個(gè)人電腦內(nèi)存數(shù)據(jù)提取任務(wù)中，需要參訓(xùn)人員提取打開(kāi)且未保存的文檔，查詢最近的聊天記錄，保存相關(guān)用戶名及密碼及剪切板信息。而在相同的案例場(chǎng)景中，每個(gè)學(xué)生的操作目標(biāo)也有所不同，教師可以在數(shù)字取證虛擬仿真系統(tǒng)中設(shè)置不同科目，然后下發(fā)給不同身份的學(xué)生，參與實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的學(xué)生在虛擬環(huán)境中按照分配的身份完成自己的任務(wù)，例如有實(shí)施計(jì)算機(jī)設(shè)備取證的身份、有實(shí)施移動(dòng)設(shè)備取證的身份，大家根據(jù)分工協(xié)同完成取證工作，由此學(xué)生掌握了知識(shí)點(diǎn)，也提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

（二）實(shí)戰(zhàn)化的訓(xùn)練過(guò)程

使用虛擬仿真系統(tǒng)開(kāi)展數(shù)字取證實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，最重要的原因就是滿足公安類課程實(shí)戰(zhàn)化要求。交互式的虛擬仿真系統(tǒng)使數(shù)字取證課程中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分更具實(shí)戰(zhàn)化，團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)和單機(jī)實(shí)驗(yàn)都能夠開(kāi)展。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可以選擇一個(gè)身份，完成某個(gè)設(shè)備的取證工作。由于不同場(chǎng)景的要求不同，學(xué)生可以變換身份，體驗(yàn)針對(duì)各類不同案例下的取證技術(shù)和實(shí)施規(guī)范。例如，學(xué)生選擇對(duì)嫌疑人個(gè)人電腦中用戶信息提取的案例，系統(tǒng)的管理控制部分首先根據(jù)案情簡(jiǎn)介由訓(xùn)練教學(xué)模塊生成高度仿真的虛擬場(chǎng)景，學(xué)生通過(guò)界面交互引導(dǎo)和聲音引導(dǎo)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，選擇合適的取證工具，提取聊天軟件中的聊天記錄、瀏覽器中瀏覽的網(wǎng)頁(yè)，查詢郵件客戶端中的郵件，通過(guò)注冊(cè)表了解U盤訪問(wèn)記錄，打開(kāi)資源管理器查看最近打開(kāi)的文件、回收站文件，運(yùn)行eventvwr.msc查看用戶日志文件等訓(xùn)練。在實(shí)施操作的過(guò)程中，學(xué)生能夠隨時(shí)查看考核分?jǐn)?shù)，了解訓(xùn)練效果，明白自己存在的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)不足并開(kāi)展有針對(duì)性地訓(xùn)練。系統(tǒng)案例素材豐富，實(shí)驗(yàn)過(guò)程場(chǎng)景真實(shí)，有助于提高學(xué)生的數(shù)字取證能力。

（三）實(shí)時(shí)性的分析評(píng)估

借助虛擬仿真系統(tǒng)中針對(duì)性的訓(xùn)練內(nèi)容和實(shí)戰(zhàn)化的訓(xùn)練過(guò)程，數(shù)字取證課程的實(shí)驗(yàn)效果得到明顯提高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的日志和分析評(píng)估模塊可以進(jìn)一步對(duì)訓(xùn)練實(shí)施效果進(jìn)行實(shí)時(shí)性分析。日志能夠記錄參與操作學(xué)生的行為過(guò)程，除了生成學(xué)生評(píng)價(jià)成績(jī)，其中所包含的每個(gè)場(chǎng)景的操作時(shí)間和操作過(guò)程中重復(fù)次數(shù)、錯(cuò)誤原因等，還為授課教師提供了評(píng)估知識(shí)點(diǎn)難易程度的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的自動(dòng)分析功能對(duì)場(chǎng)景、模塊、參訓(xùn)人員等分門別類列出峰值和谷值，直觀且簡(jiǎn)單明了地反饋學(xué)生學(xué)習(xí)和授課教師教授的側(cè)重點(diǎn)。

總結(jié)

數(shù)字取證課程中的實(shí)驗(yàn)操作涉及的案例多樣且更新變化快，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字取證課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，收集案例數(shù)據(jù)后按照教學(xué)要求制作虛擬仿真場(chǎng)景，在虛擬現(xiàn)實(shí)交互的輔助下，使學(xué)生在現(xiàn)實(shí)案件的虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)模擬演練，可以增強(qiáng)學(xué)生的數(shù)字取證能力和涉網(wǎng)案件現(xiàn)場(chǎng)勘查能力。