基于击键特征的身份识别技术在考试系统中的应用

文/金振乾

基于击键特征的身份识别技术在考试系统中的应用

文/金振乾

在线考试使用简便，功能强大效率高，受到师生欢迎。但在线考试过程中容易出现替考行为。为减少此类情况发生，本文提出通过击键特征进行考生身份识别，通过记录和分析学生使用键盘的参数，进行身份识别，从而有效帮助教师发现替考行为。

行为特征 击键特征 身份识别

1 引言

在线考试因收发卷方便，批改和统计结果准确率高、速度快，正在被越来越多的教师采用。但在考试过程中，学生不是直接将试卷提交给教师，而是利用终端提交给服务器，导致更容易出现替考行为。因此必须使用其他身份验证措施，减少乃至杜绝替考行为。其中，行为特征识别能够兼顾识别效果、成本和复杂度，适用于考试环境。

早在20世纪80年代，Gaines等人研究发现，每个人敲击键盘的特点是不同的，并由此产生了击键动力学。相关研究成果表明，综合分析每个人敲击键盘时的按键力度、按键位置、按键行程、按键持续时间、按键间隔时间等参数，可以有效分辨用户的真实身份。

2 击键特征的相关数据

通过击键特征进行身份识别的过程中，特征数据覆盖面越广，数据量越大，算法越先进，越容易得到准确的判断结果。

在现实环境中，很难收集到高覆盖面的大量特征数据，从而降低了识别效果。

特征识别的目的在于减少和杜绝替考行为，因此在学生登录系统环节采集特征样本，识别目的为用户身份是否与账户名相对应。这是因为：大多数学校使用的在线学习系统兼顾作业和考试功能，学生在平时会多次登录系统并输入学号、账号和密码等信息。这些信息均为固定击键序列，学生输入熟练，模式性更强，受硬件因素影响小，更容易识别；击键特征识别的目的是辅助教师发现替考行为，只需要提出警告即可，具体处理仍由教师进行。

击键特征主要通过四种时间参数来表现：

P-R时间：按下一个按键到释放该按键的时间间隔，也叫持续时间；

P-P时间：相邻两次按下按键的时间间隔；

R-P时间：释放一个按键到按下下一个按键的时间间隔，也叫间隔时间；

图1：12431023号学生击键特征分布图

图2：12421005号学生击键特征分布图

R-R时间：相邻两次释放按键的时间间隔。

系统只需监测P-R时间和R-P时间，即持续时间和间隔时间，另两个参数可用P-R时间和R-P时间推算。系统需要采集的数据包括：

输入学号时P-R时间：

输入学号时R-P时间：

输入姓名拼音时P-R时间：

输入姓名拼音时R-P时间：

输入密码时P-R时间：

输入密码时R-P时间：

其中：

x表示学号长度；

y表示姓名拼音长度；

z表示密码长度；

m表示采集数据的次数。

3 特征分析

图1和图2分别为学号为12431023和12421005的两名学生输入自己学号时的R-P数据分布。

每个学生的击键数据是有规律的，每次击键的特征数据符合正态分布规律，即大量数据会集中于某个区间之内。但也有大于这个区间或小于这个区间的数据，即噪声数据。为简化计算，本文将噪声数据舍弃，不进行计算，并采用数据标准差进行识别运算。

计算正常数据的标准差：

Si是数据集中第i个数据的标准差；

k是数据集中第i个数据的采集次数。

当学生登录考试系统时，采集输入学号、输入姓名拼音、输入密码时产生的R-P值和P-R值，共六组数据。计算每一组数据和对应数据集的平均值的差值。假设每组数据中有N项数值，将会产生N个实际数据和平均值的差值，如果有一定范围数据的差值小于标准差，就认为该组数据是由正确的学生输入的，可认为登录学生的身份没有被仿冒，否则向监考老师发出警报，以便教师进行进一步核查。

4 测试效果

在测试过程中，笔者共提取了22名学生的击键数据，其中17人的数据有效。经过验证，如果范围阈值设定为70%，该算法可以实现11.8%的FAR（False alarm rate，合法用户的拒绝比例）。如果将阈值降低到65%，那么FAR可以降低到0%。

较高的阈值可能产生较高的误报率，但会减少替考的可能性；而较低的阈值误报率较低，但也会降低替考者的识别比例。综合监考教师工作量、服务器运算量、误报率和替考识别率等多方面因素，阈值设定为65%到70%之间可以取得较好的平衡。

5 结束语

在后续研究中，将进一步研究噪声数据对识别率的影响，同时使用计算机深度学习等算法，在不过多增加运算压力的前提下提高识别率，降低误报率，使之发挥更大的作用。

[1]程叶霞,薛质.基于击键特征匹配的单点登录系统[J].通信技术,2012,45(01)：99-101.

[2]傅博.基于击键序列特征提取的用户身份认证[D].陕西师范大学,2008.

[3]张治元,田国忠.基于击键韵律的身份认证模型设计与实现[J].计算机应用,2009,29(10)：2799-2801.

[4]朱明,周津,王继康.基于击键特征的用户身份认证新方法[J].计算机工程,2002,28(10)：138-139.

作者单位 河南司法警官职业学院 河南省郑州市450000

金振乾（1981-），男，河南省封丘县人。硕士学位。讲师。研究方向为程序设计和信息化教学方向的研究。