基于指紋識別的通用考試系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

摘要本文針對在線考試和身份驗證的需求，設(shè)計了一個基于指紋識別的通用在線考試系統(tǒng)，系統(tǒng)采用C/S和B/S的混合結(jié)構(gòu);介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)以及指紋識別的關(guān)鍵算法、試卷的實時保存等，試驗表明系統(tǒng)具有較好的通用性。

關(guān)鍵詞在線考試 指紋識別 J2EEAjax

中圖分類號:G424文獻標識碼:A

1 前言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，考試方式已經(jīng)從計算機輔助考試發(fā)展到了基于網(wǎng)絡(luò)的在線考試，目前，常見的在線考試，采用用戶名和密碼進行登陸，由監(jiān)考人員根據(jù)相關(guān)證件上的照片進行核實，很容易出現(xiàn)代考的現(xiàn)象，本文結(jié)合指紋識別技術(shù)，結(jié)合C/S和B/S技術(shù)，設(shè)計一個通用的在線考試系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，完成對考試信息的管理和對考生指紋的識別。

2 系統(tǒng)簡介

為了使系統(tǒng)具有通用性，系統(tǒng)的要求為:一份試卷中可以有多個科目的題目，可以有多種題型，可以分配給不同的考生進行考試，試卷中的題目在考生進行考試的時候按照設(shè)定題型、科目、題量的約束隨機生成，對于單選、多選、判斷等客觀題，在考生提交試卷時，自動進行評分。系統(tǒng)主要功能如圖1所示。

圖1—系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

(1)考生信息管理:錄入考生的基本信息，包含指紋的采集、指紋特征的保存。

(2)課程信息管理: 管理課程的信息，題目按課程進行分類。

(3)題庫管理: 題目分為客觀題(單選、多選、判斷)和主觀題(填空題、簡答題)，支持單個題目的錄入和批量從word 中導(dǎo)入。

(4)試卷管理:設(shè)置試卷的基本信息(標題、試卷總分、時長、有效時間)，分配題型、考試科目、考試人員、評分老師。

(5)在線考試:通過輸入指紋進行身份的驗證，通過后，隨機出題，考生交卷后，自動計算客觀題的分數(shù)。

(6)在線評分:對主觀題進行評分。

(7)成績統(tǒng)計與打印:統(tǒng)計考生的成績，導(dǎo)出到Excel表中，并能將考生的試卷打印。

(8)在線監(jiān)控:對當前登陸的考生進行監(jiān)控，列出在線考生，可以對舞弊的考生，強行踢出考試系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)采用三層的C/S和B/S混合體系結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2—系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)圖

第一層是數(shù)據(jù)層，采用獨立的兩臺服務(wù)器;第二層應(yīng)用層，是采用Web Service實現(xiàn)中間層的應(yīng)用服務(wù);第三層是用戶界面層，分別由B/S結(jié)構(gòu)的Web網(wǎng)站和C/S結(jié)構(gòu)的管理端與考場端組成。其中，考生指紋的注冊和考試時身份的驗證采用C/S結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)指紋的采集、特征識別和匹配;教師出題時的題庫管理和智能組卷、考完試后主觀題的人工改卷，以及考生查分數(shù)和分散式考試中的考生報名等，主要采用B/S結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

為了提高速度和并發(fā)能力，考生在線答題部分采用Ajax引擎，Web服務(wù)器部分基于MVC設(shè)計模式，由JSP負責生成動態(tài)網(wǎng)頁，JavaBean負責業(yè)務(wù)邏輯，Servlet負責流程控制。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

4.1 指紋特征的提取

對于考生，預(yù)先提取指紋，將指紋特征模版存放到服務(wù)器中，當考生考試時，按下指紋，進行匹對，找出該考生的身份。指紋特征提取過程如圖3所示。

圖3—指紋特征提取過程圖

通過指紋采集儀獲取原始指紋圖像后，經(jīng)過分割、增強、二值化、細化、特征提取后獲得某指紋的特征點。本文指紋分割采用基于多級分割的算法，指紋圖象增強采用傳統(tǒng)的傅立葉變換， 在進行二值化時，通過對最大類間方差法(Otsu)的改進，采用局部遞歸分割算法，利用目標與背景的差異決定遞歸的次數(shù)和每次分割進行的局部區(qū)域，在閾值的選取時，為保持類間距離最大、類內(nèi)聚性好，獲得最佳的分割效果， 采用公式(1):

其中Pa代表目標部分的比例，Pb代表背景部分的比例，Wa代表目標灰度均值，Wb代表背景灰度均值。當式(2)取最大值時所對應(yīng)的灰度級即為所求的最佳閾值t*，即

然后，進行細化算法時采用經(jīng)典的OPTA算法。經(jīng)過上述處理后，生成只含指紋紋理的清晰的二值圖像，如圖4所示。

(a) 原始指紋(b)二值化(c)細化

圖4 指紋處理對比圖

最后，采用脊線跟隨算法最后得到該條脊線上的特征。

4.2 指紋識別

指紋識別就是根據(jù)從所采集到的指紋圖像中所提取的細節(jié)特征點集合P={p1，p2，…，pm}和模板中的細節(jié)特征點集合Q={q1，q2，…，qn}，判斷該兩組特征點集合是否來自于同一枚手指。采用一種基于三角形全等的指紋特征點快速匹配算法，算法的基本思路如下:

(1)通過特征點坐標找出離指紋圖像中心較近的6個像素點，組成20個不同的三元組;

(2)在特征模板中逐個查找對應(yīng)的三元組，在采集到的指紋特征和待匹配的指紋模板之間查找全等三角形;

(3)根據(jù)查找到的兩個三角形的相對位置，通過平移和旋轉(zhuǎn)操作，使兩個三角形在誤差允許的范圍內(nèi)重疊，求出相應(yīng)的平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù);

(4)根據(jù)前面所求出的平移和旋轉(zhuǎn)的相關(guān)參數(shù)，對全部指紋特征點進行平移和旋轉(zhuǎn)操作，根據(jù)兩組指紋特征中所有特征點的在誤差允許的范圍內(nèi)重疊程度確定該兩組指紋是否來自同一手指。

4.3 試卷的定時保存

在考試過程中，當遇到交卷失敗、網(wǎng)絡(luò)中斷等意外情況時，通常會造成外導(dǎo)致考試中斷，考生也可以重新登錄繼續(xù)考試，原先 數(shù)據(jù)的丟失，實時保存考生的答題情況非常必要。該考試系統(tǒng)采用Ajax技術(shù)由JavaScript代碼在后臺為用戶定時存盤，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，再次進入考試系統(tǒng)時，可根據(jù)保存的信息在故障點處繼續(xù)進行考試，原來考試的信息可以從服務(wù)器端一次性加載。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)與實驗分析

系統(tǒng)采用J2EE架構(gòu)實現(xiàn)考生基本信息的采集和系統(tǒng)管理員的管理模塊，指紋采集和識別模塊采用Delphi7.0編寫的客戶端，系統(tǒng)運行在HP ProLiant DL380 G6服務(wù)器(2GHz /2GB)，服務(wù)器OS，采用Solarise 10 64位操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用Oracle 10g，WEB應(yīng)用服務(wù)器軟件采用Tomcat6.0.

系統(tǒng)在實驗環(huán)境下，使用了本學(xué)院近3000枚指紋樣本作為考生指紋進行測試，各個功能的具體測試結(jié)果數(shù)據(jù)如表1。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果

通過對測試結(jié)果分析，系統(tǒng)能正確完成考生指紋的采集，指紋模板庫的建立，考生指紋的匹配，性能指標都符合基本要求。

6 小結(jié)

本文利用指紋識別技術(shù)改進現(xiàn)有的在線考試系統(tǒng)，系統(tǒng)綜合采用 C/S和B/S結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，考生只需手指在指紋采集儀器上輕輕劃過，即可確認用戶身份，而不需要傳統(tǒng)的出示一大堆證件等繁瑣步驟;本系統(tǒng)運行速度快，指紋采集驗證時間在1 s之內(nèi)完成， 實際運行結(jié)果證明本系統(tǒng)具有很強的實用價值。

題目源于:九江學(xué)院校級課題《基于生物特征識別的考試系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)》

參考文獻

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