基于OpenCV 人脸识别技术的智能考试系统设计

刘元庆，朱丹丹

（徐州市教育局，江苏 徐州 221000）

0 引言

在互联网时代背景下,OpenCV 人脸识别技术应运而生,该技术凭借着自身非接触性、非强制性、并发性等特点,被广泛地应用于智能考试系统设计中,可以构建出系统、完善的人脸识别流程,实现对管理员、教师和学生的人脸识别和身份验证,促使在线考试变得更加智能化、高效化,为用户带来良好的使用体验［1］。 因此,在OpenCV 人脸识别技术的应用背景下,如何科学设计智能考试系统是技术人员必须思考和解决的问题。

1 系统需求分析

系统需求分析作为智能考试系统设计基础内容,在正式进入系统设计之前,技术人员要从以下两个维度出发,做好对系统需求分析［2］。 (1)用户需求分析。该系统所涉及的用户主要包含管理员用户、教师用户和学生用户。 用户类型不同,其系统需求也存在的一定的差异。 (2)功能需求分析。 系统功能主要包含身份验证模块、管理员模块、教师模块、在线考试模块等模块,技术人员要重点做好对这些功能模块的设计和实现,以保证用户的使用体验。

2 系统总体设计

2.1 系统总体功能设计

该系统主要包含以下三大模块:(1)管理员模块。管理员主要负责对系统的严格化管理,其管理内容主要包含对系统题库的维护以及人员个人信息的收集、管理,如学生信息管理、试题信息管理、考试结果管理等［3］。 (2)教师模块。 教师作为系统的核心工作人员,除了负责对题库信息的有效更新外,还负责引导学生快速、高效地查询所需要的信息。 (3)在线考试模块。该模块为学生的网络化考试提供了比较智能化的服务体验,便于学生更好地验证个人身份信息。 因此,该模块在实际设计期间,要加强对人脸识别功能的设计和实现。 当该系统各个功能模块被有效确定后,完成对系统数据库的科学设计以及相关数据模型的构建。

2.2 系统功能结构图

智能考试系统在具体的设计中,主要涉及了管理员模块、教师模块和在线考试模块,系统功能结构如图1 所示,从图1 中可以看出,该系统主要包含学生信息管理功能、试题信息管理功能、科目信息管理功能、考试结果管理功能等功能。 总之,管理员模块、教师模块和在线考试模块三种模块之间存在相辅相成、相互联系等关系,技术人员要严格按照如图1 所示的功能结构图,保证系统各大功能模块的实现效果,从而为用户提供更加的优质的服务体验［4］。

图1 智能考试系统总体功能模块

3 系统详细设计与实现

3.1 身份验证模块具体实现方法

身份验证算法流程如图2 所示,从图2 中可以看出,在进行身份信息验证期间,首先,要借助摄像头,实现对管理员、学生人脸图像的自动化、精确化采集；然后,对其进行人脸检测,并对检测好的人脸区域进行标定处理；最后,从这些人脸区域中,提取出眼睛、鼻子、嘴巴三大特征点,同时,针对定位好的特征点,科学校正人脸的角度和位置。 在此基础上,对人脸识别器进行科学训练,将最终训练结果与数据库存储的人脸样本进行科学的比对。 比对成功说明登录成功,否则,说明登录失败［5］。

图2 身份验证算法流程

另外,还要借助OpenCV 全面检测摄像头所采集到的人脸图像,然后,使用矩形框对人脸图像进行标定,标定结果。 OpenCV 在设计系统人脸识别功能期间,主要用到了FaceRecognizer 类,该类重点集成和应用了具有典型性的人脸识别算法,采用手工制作的方式,完成对人脸图像训练样本集的制定,样本集含有5 个人,每人所对应的图像共3 幅,这些样本集经过组合,形成了人脸数据库。

3.2 管理员模块详细设计与实现

3.2.1 管理员登录功能规划与具体实现

管理员登录功能作为该系统的常用功能,主要是指管理员通过向系统中输入正确的账号、密码,获取相应的管理员权限,以达到正常访问和使用智能考试系统的目的。 该功能在具体的设计中,需要管理员在系统登录界面输入正确的账号、密码。 此时,该系统会自动启用内部TextBox 组价,对管理员所输入的账号、密码信息进行接收,对这些程序进行编写处理,确保这些信息与数据库之间建立起有效的连接。 当连接成功后,系统会自动接收处理用户所输入的账号字符串,便于管理员更好地开展账号字段查询工作,全面地分析和判断用户当前所处的查询状态。 如果查询状态显示“成功”,说明该账号字段被系统得以全方位、精确化查询。 此时,系统会根据账号字段内容,完成对相应密码字段的反馈,并将最终的反馈结果与用户所输入的密码字段进行比对,如果比对成功,说明该用户拥有管理员的登录身份。

3.2.2 管理员添加教师信息功能具体实现

要想确保管理员在使用该系统期间,能够快捷有效地添加教师信息,技术人员要严格遵循以下设计流程:(1)需要在系统的指定界面位置处,设置多个文本框,该文本框与数据库内教师字段存在一一对应的关系。 (2)还要利用TextBox 控件,完成对教师字段信息的有效接收和管理,并确保相关程序与数据库之间能够建立起良好的连接关系。 (3)当连接关系构建成功后,用户可以使用数据库,完成对教师表的快捷化插入和保存。 当数据表插入成功后,说明教师信息添加功能得以有效设计和实现。 该功能模块在具体的设计中,主要运用了ADO.Net 技术,以实现对conn 对象的构建。

3.3 教师模块的规划与具体实现过程

3.3.1 教师浏览信息功能具体实现

在具体的设计中,教师浏览信息功能将相关试题表定位到指定的教师操作界面中。 用户对界面中的浏览按钮进行点击。 此时,系统会自动运行相关程序,与数据库之间建立起有效的连接。 当连接成功后,教师可以借助数据库,实现对试题表中所需字段信息的精确化查询,从而达到浏览操作试题信息的目的。

3.3.2 教师成绩查询功能具体实现

教师成绩查询功能主要是指教师向系统登录界面中输入正确的账号、密码,然后,采用以下两种方式,实现对学生成绩的精确化查询,一种是学生姓名搜索方式,另一种是考试得分范围搜索方式,与传统手动搜索方式相比,该系统的搜索功能具有一定的高效性和智能性。

3.4 在线考试模块具体实现

在整个系统中,学生使用频率最高。 学生几乎在每学期都会频繁用到该系统。 为此,技术人员要重视对学生注册功能的开设和实现。 学生注册功能主要是指学生在正式使用该系统之前,要采用注册审核的方式,完成对个人登录信息的填写和注册。 该功能模块的具体设计流程如下:首次登录系统的学生点击系统界面上的“注册”按钮后,会自动进入学生注册界面。此时,系统通过利用TextBox 控件,对学生所提交的信息进行全面读取和接收,然后,利用ASP 技术不断提高操作水平,便于学生在使用系统期间能够规范化地输入注册信息,并确保编写好的程序与数据库之间建立起有效的连接。 当连接成功后,系统会利用数据库自动完成对学生账号字段的精确化、快捷化查询。 经过查询,如果所提交的账号申请信息与数据库内的字段存在一一对应的关系,说明数据库已经保存过该用户的登录信息,数据库无需对这些信息进行再次保存；反之,需要严格按照所设置好的字段信息,将学生新提交的注册申请信息插入指定的数据表中,此时,页面会显示“申请成功”。 学生注册算法流程,如图3所示。

图3 学生注册算法流程

4 结语

综上所述,在OpenCV 人脸识别技术的应用背景下,本文针对高校教师和学生个性化使用需求,根据系统需求分析结果,完成对智能考试系统的各大功能模块的科学设计和开发。 该系统所取得的设计成果如下:(1)通过将OpenCV 人脸识别技术与智能考试系统设计进行充分结合。 在正式进入考试之前,高校需要借助该系统,将学生的脸部信息安全、可靠地存入系统数据库中,然后,采用人脸识别的方式,对学生的登录信息进行验证。 在正式考试期间,摄像头会将当前所读取的学生面部信息与系统数据库已存储的学生面部信息进行比对,如果比对成功,可允许考生进入考场进行考试,反之,则取消学生考试权限,从而避免出现替考现象。 (2)确定系统基本框架。 该系统通过采用B/S 设计模式,提高系统的层次感,便于工作人员能够更好地升级和维护系统。 (3)完成对系统数据库的科学设计。 该系统在全面分析教师和学生使用需求的基础上,确定正确的系统设计目标,然后,科学地规划和设计系统数据库,从而实现对管理员基本情况表、教师基本情况表、学生基本情况表、试题基本情况表、考试科目基本情况表、考试记录基本情况表等数据表的科学设计,使得各个数据表之间的依赖关系得以有效地明确,为统一化、规范化管理智能考试相关数据打下坚实的基础。 (4)设计和开发系统核心功能模块。 本文完成了对该系统的身份验证模块、管理员模块、教师模块、在线考试模块等模块的科学设计,完全符合实际应用需求。