Разработка программного обеспечения конфигурирования аппаратно-программного комплекса распределённой обработки видеообразов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Задачей выпускной квалификационной работы являлась разработка программного обеспечения конфигурирования аппаратно-программного комплекса распределённой обработки видеообразов (ISS, DSSL). Программный комплекс должен эффективно обрабатывать и передавать информацию на любом оборудовании, на котором установлен. А так же снижать нагрузку с сетей и находить оптимальный и короткий маршрут для передачи большого объёма информации. Выполненная работа состоит из введения, семи разделов, заключения, приложений и списка использованных источников.

В первом разделе выпускной квалификационной работы сделан обзор существующих систем видеоанализа объектов и распознавания образов и анализ основных структур программно-аппаратного комплексов видеоконтроля.

Во втором разделе приведены основные технические условия и выполнено формирование требований к комплексу распределенного децентрализованного адаптивного видеоконтроля.

В третьем разделе описано исследование предметной области автоматизации, осуществлена разработка структуры и алгоритма функционирования децентрализованного комплекса определения объектов и их перемещений, а также представлено функционально-структурное описание объекта автоматизации, сформулированы основные требования к комплексу.

В четвертом разделе выпускной квалификационной работы рассмотрено применение средств автоматизации, проектирования, представлена функциональная модель комплекса с использованием методологии IDEF3 и их декомпозиция на составляющие процессы, выполнено построение диаграмм.

В пятом разделе рассмотрены алгоритмы функционирования комплекса, организации вычислительных средств комплекса в структуру поэтапного решения задачи анализа видео-объектов, математическая модель задачи, алгоритмы и программа анализа маршрута передачи информации средствами комплекса, приведены результаты работы программы.

В шестом разделе содержится организационно-экономическая часть работы, где приведено технико-экономическое обоснование и оценка технико-экономических показателей программного средства, дается оценка трудоемкости разработки программы, расчёт сметной стоимости разработки и качественная оценка программного продукта.

В седьмом разделе рассмотрены вопросы экологичности и безопасности проекта, представлен анализ требований к разрабатываемому программно-аппаратному комплексу, решения по охране труда (защитное заземление), по обеспечению устойчивости его функционирования в чрезвычайных ситуациях.

Основной задачей проектирования являлось рассмотрение вопросов построения пространственно-распределенной аппаратно-программной и алгоритмически децентрализованной структуры, способной поэтапно обрабатывать видеообразы, и выполнять расчёт маршрута для эффективной передачи данных по сети.

Для выполнения задачи был выбран алгоритм Беллмана-Форда по нахождению кратчайшего пути в графе. Выбор был сделан в его пользу, т.к. алгоритм Дейкстры хоть и более совершенен, но более сложен в реализации и обладает огромным минусом - намного большим потреблением аппаратных средств при реализации. Таким образом, программа позволит эффективно использовать сетевые ресурсы, снижая нагрузку на сеть и передавать информацию наиболее быстро и эффективно.

По результатам работы можно сделать выводы о том, что предложенный подход и созданная программа формирования комплекса средств видеоанализа, могут быть использованы на практике при организации и функционировании сложных распределенных систем видеоанализа объектов, т.к. программа позволяет наиболее эффективно использовать ресурсы сети и значительно снизить уровень нагрузки.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ВИДЕОСИСТЕМ С ЭЛЕМЕНТАМИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ВИДЕОКОНТЕНТА

1.1 Обзор систем видеоанализа объектов

видеоконтент обработка вычислительный средство

1.1.1 FaceInspector (ISS)

Программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий автоматическое выделение из "живого" видеопотока оптимальное изображение лица для распознавания, сохранения в базе данных и последующей идентификации в режиме реального времени.

Инновационная технология распознавания лиц обеспечивает высокую (не менее 80%) вероятность распознавания лиц, в том числе, при изменении физических характеристик лица: старении, появлении бороды и усов, изменении прически.

Отсутствие физического контакта с системой, распознавание лиц всех людей, попавших в поле зрения видеокамеры, работа с внешними базами данных и другие преимущества - аргумент для использования системы в местах массового скопления людей, на секретных и стратегически важных объектах.

Интеграция системы "Face-Инспектор" в единый комплекс безопасности для обеспечения необходимой реакции его компонент по результатам распознавания и идентификации - высокоэффективный способ обеспечения безопасности самых различных объектов.

Использование системы "Face-Инспектор" для видеоконтроля обеспечит в реальном времени регистрацию всех людей, прошедших через рубеж контроля, предоставление данных о присутствии разыскиваемых персон. Полученная информация будет необходима в случае совершения правонарушений, беспорядков, при поиске пропавших людей. Надежная работа в широком диапазоне условий освещенности, одновременное распознавание лиц многих людей в движении является дополнительным аргументом в пользу использования системы.

Правоохранительные органы могут эффективно использовать систему "Face-Инспектор" для идентификации террористов, преступников, нарушителей при интеграции с собственными базами данных. Система обеспечит мгновенное оповещение о нахождении разыскиваемых лиц на контролируемом объекте, а, следовательно, оперативное реагирование и принятие необходимых мер со стороны силовых структур.

Использование системы "Face-Инспектор" - высокотехнологичное решение задачи контроля миграционных процессов, борьбы с террористами, контрабандистами. Службы пограничного и паспортного контроля аэропортов, вокзалов, иммиграционные службы имеют все основания использовать систему для автоматического сравнения фотографии на документе с "живым" лицом, поиска и предоставления информации из собственных баз данных, формирования видеоархива прибывающих в страну.

Система "Face-Инспектор" является эффективным инструментом для предотвращения проникновения "нежелательных людей" на охраняемую территорию за счет идентификации допущенных лиц. По результатам бесконтактной регистрации лица, сравнения с изображениями из базы данных по "черному" или "белому" списку, полномочия личности на проход будут автоматически удостоверены. В случае регистрации человека, не имеющего прав доступа в определенное помещение или территорию, автоматически будет реализована заданная реакция системы контроля доступа, установленного охранного оборудования (блокирование дверей, включение сирены), а также оперативное оповещение соответствующих подразделений.

Система "Face-Инспектор" эффективна для автоматического контроля и ведения базы данных сотрудников и посетителей предприятий, банков, офисов: в архиве сохраняется и будет при необходимости мгновенно найдена информация о дате, времени, направлении прохода интересующего человека, видеокадр с изображением его лица.

1.1.2 VideoInspector Xpress

Система "VideoInspector Xpress" - экономичная цифровая система видеонаблюдения с функциональными возможностями, необходимыми для решения задач охраны и видеоконтроля малых и средних объектов: предназначена для организации до 16 видеоканалов.

Высокие технические характеристики обеспечивают эффективность применения системы для обеспечения безопасности: полное разрешение видеокадра, сжатие данных с помощью алгоритма компрессии Delta-Wavelet, передача данных по сети, просмотр изображения через Web-браузер и др.

Система "VideoInspector Xpress" является готовым комплектом для быстрой и легкой инсталляции, надежной эксплуатации на базе персонального компьютера.

В стоимость комплекта поставки включены: максимально возможное количество каналов аудиозаписи и управления поворотными камерами, удаленное рабочее место оператора.

Область применения:

Система "VideoInspector Xpress" - лучший выбор для организации видео наблюдения на таких объектах как:

офисы;

магазины;

школы, детские сады;

банковские помещения: операционные залы, кассовые узлы, пункты обмена валюты, кабинеты;

залы игровых автоматов;

загородные дома и др.

Функциональные возможности:

Система "VideoInspector Xpress" предоставляет пользователю все необходимые в работе возможности профессиональных систем:

- многоканальная видеозапись и аудиозапись каналов видеозаписи/аудиозаписи/телеметрии: до 16;

- детекция движения с настройкой заданных параметров по каждому видеоканалу;

- отображение и воспроизведение видеозаписи, работа с видеоданными с использованием удобного пользовательского интерфейса;

- формирование архива большого объема с сохранением при этом высокого качества изображения благодаря высокопроизводительному алгоритму компрессии Delta-Wavelet;

- удаленный доступ к данным.

Многоканальная видеозапись:

- количество видеоканалов: от 1 до 16;

- высокая скорость видеозаписи - до 25 кадров в секунду на канал;

- общая скорость до 400 кадров в секунду (16 живых каналов);

- предтревожная видеозапись;

- управление поворотными камерами;

- разрешение видеокадра - 704х576, 704х288, 352х288;

- индивидуальные настройки параметров продолжительности и скорости записи, цветности, яркости и контрастности изображения для каждой видеокамеры;

- запись видеоданных по принципу замкнутого кольца;

- автоматическая и ручная программная обработка для улучшения качества изображения.

Детекция движения:

- помехоустойчивый программный детектор движения с возможностью индивидуальной настройки по каждому видеоканалу;

- настройка на детекцию объектов заданных параметров;

- накладываемая маска зон разрешенного/запрещенного движения для обнаружения движения в одних участках кадра и игнорирования в других - настройка начала видеозаписи по факту детекции движения.

Отображение и воспроизведение видеозаписи:

- удобный пользовательский русскоязычный интерфейс;

- многократное - до 16 - цифровое увеличение изображения, контрастирование, переключение цветности, увеличение четкости для детализации объекта;

- деинтерлейсинг - восстановление видеоизображения после оцифровки с целью устранения эффекта "гребенки" кадра максимального разрешения;

- многоэкранное представление видеозаписи с возможностью настройки количества изображений на экране от 1 до 32;

- удаленный просмотр с использованием каналов связи, поддерживающих протокол TCP/IP, через стандартный Web-браузер;

- настройка режима воспроизведения: прямой, обратный и покадровый просмотр;

- триплексный режим работы: одновременные отображение / запись / просмотр записанной видеоинформации;

- автоматическая и ручная программная обработка для улучшения качества изображения.

Формирование архива:

- формирование видеоархива большого объема с сохранением высокого качества изображения;

- сжатие видеозаписи с использованием уникального алгоритма компрессии Delta-Wavelet;

- выбор степени компрессии для оптимального использования дискового пространства;

- мгновенный поиск видеозаписи в архиве по признаку места и времени события, номеру видеокамеры;

- экспорт видеоизображения в формат AVI, видеокадров - в формат JPG;

- печать видеокадров на принтере;

- покадровый и ускоренный просмотр видеоархива;

- удаленный доступ к архиву с использованием каналов связи, поддерживающих протокол TCP/IP, через стандартный Web-браузер;

1.1.3 VideoInspector Global

Это сетевая система видеонаблюдения повышенной производительности с многосерверной архитектурой, предназначенная для решения сложных задач обеспечения безопасности средних и крупных объектов с территориально распределенной структурой.

Данная система - уникальная платформа для организации работы неограниченного количества видеосерверов и видеокамер, оборудования необходимого количества рабочих мест мониторинга и администрирования.

Использование архитектуры "клиент-сервер" при реализации сетевых решений эффективный способ обеспечения видеонаблюдения крупных территориально распределенных объектов. Поддержка механизма макрокоманд и скриптов позволяет осуществлять настройку реакции системы на регистрируемые события.

Системы «VideoInspector Global» - гарантия безопасности объектов независимо от их масштаба, особенностей территориальной структуры, удаленности друг от друга или единого центра управления системой будет надежно обеспечена. Система «VideoInspector Global» - оптимальный выбор для организации видеонаблюдения:

- крупных промышленных предприятий и всех объектов их инфраструктуры, в том числе, территориально разнесенных;

- транспортных магистралей любой протяженности;

- торговых сетей;

- объектов со сложной филиальной структурой.

Система «VideoInspector Global» предоставляет пользователю полный спектр функциональных возможностей необходимых для решения задач видеонаблюдения на объектах различной сложности и масштаба, их надежной охраны и обеспечения высокого уровня безопасности.

Многоканальные видео- и аудиозапись: сбор, передача по сети, отображение информации, поступающей от видеокамер и микрофонов.

Формирование архивов большого объема с обеспечением высокого качества видеоизображения; возможность организации единого хранилища данных.

Широкий спектр пользовательских возможностей: поиск информации по заданным параметрам, покадровый и ускоренный просмотр видеоархива, цифровое увеличение, контрастирование, увеличение четкости видеоизображения.

Удаленная работа с территориально распределенной системой видеонаблюдения: контроль обстановки на объекте в режиме реального времени, доступ к удаленному архиву для поиска и просмотра необходимой информации, мониторинг состояния и управление компонентами системы.

Автоматическое оповещение при регистрации определенных событий, например, при срабатывании детектора движения.

Сетевые возможности:

- построение сетевых решений с использованием архитектуры «клиент-сервер»: количество видеосерверов и видеокамер неограниченно;

- управление, работа с компонентами системы с использованием единого пользовательского интерфейса;

- настройка реакции компонентов системы на определенные события с использованием механизма макрокоманд и скриптов;

- удаленный мониторинг обстановки в режиме реального времени;

- удаленный доступ к работе с видеоархивом;

- дистанционное администрирование системы;

- удаленное управление поворотными видеокамерами;

- удалённый аудиомониторинг;

- многоуровневое разграничение прав доступа при работе с системой.

Передача данных и удаленная работа с системой с использованием каналов связи, поддерживающих протокол TCP/IP, через стандартный Web-browser.

Многоканальная видеозапись:

- настройка режима записи: непрерывно, по расписанию, по детекции движения;

- предтревожная видеозапись;

- управление поворотными камерами;

- высокая скорость видеозаписи- до 25 кадров в секунду на канал;

- разрешение видеокадра - 704х576, 704х288, 352х288;

- индивидуальные настройки параметров продолжительности и скорости записи, цветности, яркости и контрастности изображения для каждой видеокамеры;

- запись видеоданных по принципу замкнутого кольца;

- автоматическая и ручная программная обработка для улучшения качества изображения.

Детекция движения:

- помехоустойчивый программный детектор движения с возможностью индивидуальной настройки по каждому видеоканалу;

- настройка на детекцию объектов заданных параметров;

- накладываемая маска зон разрешенного/запрещенного движения для обнаружения движения в одних участках кадра и игнорирования в других;

- настройка начала видеозаписи по факту детекции движения.

Отображение и воспроизведение видеозаписи:

- удобный пользовательский русскоязычный интерфейс;

- поддержка интерактивных многоуровневых планов помещений;

- вывод данных на несколько физических мониторов;

- многократное - до 16 - цифровое увеличение изображения, контрастирование, переключение цветности, увеличение четкости для детализации объекта;

- деинтерлейсинг - восстановление видеоизображения после оцифровки с целью устранения эффекта "гребенки" кадра максимального разрешения;

- многоэкранное представление видеозаписи с возможностью настройки количества изображений на экране от 1 до 32;

- настройка режима воспроизведения: прямой, обратный и покадровый просмотр;

- триплексный режим работы: одновременные отображение / запись / просмотр записанной видеоинформации.

1.1.4 «Face-интеллект»

Модуль распознавания лиц предназначен для автоматической идентификации личности по видеоизображению. Он производит распознавание лиц, захваченных детектором лиц «Интеллекта», сравнивая их с заранее созданной базой эталонных изображений. Помимо автоматической идентификации личности по видеоизображению, модуль позволяет:

- добавлять и удалять лица из базы эталонных изображений;

- печатать и сохранять в файл формата bmp или jpeg фотографии распознанных лиц;

- вести в базе поиск и отображать статистику распознавания;

- просматривать видеозапись, соответствующую моменту распознавания лица;

- проверять фотографии на соответствие стандартам для систем автоматической идентификации личности.

Модуль захвата и распознавания лиц обеспечивает высокий процент распознавания и может использоваться совместно со СКУД для увеличения уровня контроля доступа на объектах с повышенными требованиями к обеспечению безопасности, например, в банках или на режимных предприятиях. Другим важным применением модуля является автоматизация фейс-контроля в казино, гостиницах, ресторанах и на других подобных объектах.

Модуль распознавания лиц работает с камерой и детектором лиц «Интеллекта». На первом шаге работы детектор лиц определяет появление в кадре лица и захватывает его изображение. Далее возможны две схемы работы модуля распознавания лиц: идентификация и верификация.

В режиме идентификации захваченное лицо сравнивается со всеми изображениями лиц, хранящимися в базе данных. Таким образом, выясняется, в частности, наличие человека в базе данных нежелательных посетителей или VIP -клиентов какого-либо заведения.

В режиме верификации лицо человека, воспользовавшегося карточкой-пропуском или каким-либо другим идентификатором личности для прохода через турникет или дверь с электронным замком, сравнивается с фотографией владельца пропуска, хранящейся в базе данных. Таким образом, можно выяснить, является ли человек, пытающий получить доступ, тем, за кого он себя выдает.

В настройках модуля задаются значения степени сходства (в процентах), соответствующие границам так называемых зон сходства. Допускается задание трех зон: красной (высокая степень сходства), желтой (средняя степень сходства) и зеленой (низкая степень сходства). При высокой степени сходства распознанное лицо, а также дата, время распознавания, номер камеры, захватившей лицо, и процент сходства сохраняются в базе распознанных лиц. Степень сходства визуально отображается на мониторе оператора при помощи соответствующего цвета, что облегчает контроль работы системы.

Помимо распознавания модуль позволяет удалять существующие записи из базы данных эталонных изображений, с которыми производится сравнение, или вносить новые записи, содержащие изображение и личные данные человека: ФИО, отдел, комментарий. В качестве эталонного изображения может использоваться как цифровая фотография, заранее загруженная в базу данных модуля, так и изображение, захваченное камерой системы при проходе человека через пост видеоконтроля. Модуль позволяет проверить одну фотографию или все фотографии в базе на соответствие биометрическим стандартам для систем автоматической идентификации личности (ISO 197945).

Интерфейс модуля распознавания лиц состоит из трех компонентов, выполняющих различные задачи: экрана, на который выводится текущая картинка с камеры, монитора лиц и монитора распознанных лиц.

На монитор лиц выводятся все последние успешно захваченные камерой изображения лиц. Количество изображений определяется настройками размера окна. Для каждого изображения указывается дата и время захвата, номер камеры, с которой работает модуль распознавания лиц. В случае успешного распознавания отображается также процент сходства и ФИО человека. В отдельном окне монитора лиц отображается последнее распознанное лицо, соответствующее эталонное изображение из базы данных, ФИО человека, дата и время распознавания, комментарий и процент сходства. Возможен просмотр видеофрагмента, соответствующего моменту распознаванию лица.

Монитор распознанных лиц работает в двух режимах: «Протокол» и «Архив». В режиме «Протокол» на экран выводятся данные распознанных лиц: захваченное изображение, фотография из базы данных, номер камеры, процент сходства, ФИО, дата и время распознавания. В режиме «Архив» монитор распознанных лиц позволяет делать выборку из базы распознанных лиц по следующим параметрам: время распознавания (указывается период), номер камеры, ФИО, степень сходства в процентах (указывается интервал значений). Выбранные лица отображаются в том же виде, как и в режиме «Протокол»

Функциональные возможности:

- распознавание изображения лица, захваченного детектором лиц «Интеллекта», путем сравнения с фотографиями, содержащимися в заранее созданной базе данных. В режиме идентификации производится сравнение со всеми лицами, имеющимися в базе. В режиме верификации осуществляется сравнение лица человека, пытающегося воспользоваться методом автоматической идентификации (проксимити-карта, биометрическая идентификация и т.п.) с его фотографией, хранящейся в базе данных. Для сравнения используется технология компании Cognitec.

- отображение на экране захваченных лиц и сопутствующих данных: даты и времени захвата, номера камеры, с которой работает модуль.

- отображение на экране распознанных лиц и сопутствующих данных: номера камеры, даты и времени распознавания, эталонной фотографии из базы данных, ФИО, степени сходства и комментария, введенного при добавлении лица в базу.

- печать фотографии и персональных данных распознанных личностей на принтере, сохранение изображений распознанных лиц в формате bmp или jpeg.

- просмотр видеофрагмента, соответствующего моменту распознавания лица.

- поиск и отображение на экране всех распознанных за определенный временной интервал лиц. Поиск ведется по ФИО и номеру камеры с фильтрацией по степени сходства.

- поиск личности в базе данных по фотографии.

- добавление в базу данных лиц новых записей, содержащих цифровую фотографию, персональные данные человека и комментарий.

- проверка фотографий в базе данных на соответствие биометрическим стандартам для систем автоматической идентификации личности (ISO 19794 5). Возможна проверка как фотографии одного человека, так и всех имеющихся фотографий. Результатом проверки является отчет, который сохраняется и впоследствии отображается при просмотре фотографии.

- отображение на экране статистики распознавания: общее количество кадров, захваченных детектором лиц, количество кадров, на которых алгоритмом распознавания лиц обнаружено лицо, количество кадров, на которых обнаружены глаза, и количество распознанных лиц.

2. ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К КОМПЛЕКСУ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО АДАПТИВНОГО ВИДЕОКОНТРОЛЯ

2.1 Основные технические условия

В ходе анализа существующих решений установлено, что задачи обеспечения контроля не могут сводиться лишь к видеомониторингу объектов, а должны поддерживать и интеллектуальную обработку видеоданных, при которой роль человека (ЛПР) заключалась бы в принятии окончательного решения. Однако при простом видеомониторинге получаемые видеофрагменты не дают достаточную информацию для уверенной идентификации ситуации и принятий соответствующих решений. Основным фактором, сдерживающим внедрение систем удаленного мониторинга, является недостаточное качество их сетевой инфраструктуры. Несмотря на то, что видеоинформационные сети активно развиваются. Их пропускная способность не может в полной мере удовлетворить потребностям задач видеоконтроля (п. 1.2.), поскольку еще существуют ограничения по количеству кадров в секунду при одновременном использовании нескольких видеокамер на одном канале. Сжатие же изображения зачастую существенно снижает распознаваемость и идентификация присутствующих в кадре объектов во многих случаях становится невозможной, поэтому видеонаблюдение часто позиционируется как инструмент для анализа уже произошедших инцидентов, а не как средство их предотвращения. В определенной мере это происходит из-за того, что при передаче исходных избыточно-информативных аналоговых видеоданных на значительное расстояние неизбежно возникает наложение помех, что, в итоге, приводит к снижению исходной информативности видеоданных до уровня, недостаточного для проведения качественного анализа.

Принципиально невозможно рассматривать объединение полностью аналоговых систем в существенно крупную сеть удаленного видеоконтроля. Причины этого были рассмотрены, в их числе:

1) недостаточное качество изображения при передаче с аналоговых видеокамер в ряде случаев не позволяло идентифицировать объекты, например, объекта - человека;

2) аналоговая видеосистема является, по сути, пассивным устройством, она сама, практически, не выполняет других задач, кроме формирования видеоизображения, а дистанционное управление функциями панорамирования, наклона, масштабирования или изменения экспозиции требует громоздких и дорогостоящих дополнительных кабельных соединений;

3) большим ограничением для аналоговых видеосистем является отсутствие гибкости - любое изменение конфигурации требует перекладки коаксиальных или иных кабелей кабельной системы, а это довольно дорого и непрактично.

Обращаясь к результатам анализа систем, можно отметить, что при удаленном мониторинге объектов для системы видеонаблюдения целесообразно использовать интегрированные решения видеоверификации тревог, минимизирующих количество ложных оценок. В таком варианте работы видеосистемы передача сигналов о нештатных ситуациях в мониторинговый центр начинаются только после ее обработки группой средств интеллектуального анализа. Следовательно, в рассматриваемой системе целесообразно внедрять интеллектуальные механизмы обработки видеообразов непосредственно в устройствах их получения (в видеокамерах), что также способствует и разгрузке остальных вычислительных ресурсов комплекса. Информативный аналоговый сигнал на этом его уровне может быть корректно преобразован в дискретный без потери информативности (при соблюдении требования двойных отсчетов по теореме Котельникова) и передан средствам дальнейшей обработки в дискретной форме видеообраза (Od) с результатом уже выполненного анализа (ai(Od)) для последующего (Od + ai(Od)) следующими устройствами рисунка 2.1.

Рисунок 2.1 - Структура распределенного децентрализованного комплекса

Очевидно, что при корректной работе аппаратуры дискретный видеообраз не теряет своей информативности при последующих передачах для выполнения процедур анализа (Od + (Od)+...+ aq(Od)) образов, их сцен и ситуаций. Определенное снижение этого уровня произойдет лишь при сжатии дискретного видеообраза, что, таким образом, целесообразно делать на заключительных стадиях его анализа и при формировании соответствующих архивов, но с компенсацией учетом результатов предшествующих обработок: (ai(Od)+...+ aq(Od)).

Поэтому основным направлением совершенствования систем удаленного мониторинга является внедрение средств и процедур интеллектуальной обработки видеоконтента для автоматического анализа объектов и ситуаций на как можно более ранних стадиях получения видеоинформации.

2.2 Требования к программно-аппаратному комплексу анализа видеообразов

В настоящее время видеоаналитика являются необходимым требованием для всех систем безопасности, поэтому комплекс видеоанализа должен обладать:

1) поддержкой нетривиальных функций видеоаналитики;

2) мощным инструментарием автоматической обработки видеопотока - отбора и выделения из него данных, событий, объектов, представляющих интерес для контроля ситуации и выявления угроз безопасности;

3) эффективной аналитической обработкой данных, обеспечивающей идентификацию людей или обнаружении предметов, представляющих потенциальную угрозу;

4) автоматизированной обработкой и анализом видеоданных с дополнением видеоинформации данными от систем жизнеобеспечения, связи и пр., для повышения результативности системы;

5) интегрируемостью новых компонентов, поскольку новые задачи и появляющиеся угрозы вызывают необходимость постоянного развития, в первую очередь это касается добавления новых функций видеоаналитики как наиболее эффективного способа решения;

6) возможностью включения новых видов технических средств и увеличения количества уже установленного оборудования с учетом неизбежного со временем расширения комплекса, вызванного появлением магистралей, строительством инфраструктуры, и этот процесс должен быть относительно легко реализуем без перехода на новую программную платформу, фундаментальной переработки проекта, длительной настройки для работы в новой конфигурации;

7) новые средства жизнеобеспечения, технологического и охранного оборудования, информационные системы должны естественно включаться в состав функционирующей системы;

8) предотвращением несанкционированной работы с системой, изменения настроек оборудования, работы с данными для пользователей на всех уровнях посредством многоуровневого распределения прав доступа.

Внедрение комплекса с автоматическими функциями видеоаналитики должно обеспечить:

1) постоянное максимально автоматизированное видеонаблюдение за обстановкой на территориях и в административных зданиях, учреждения, в том числе, автоматическое выявление оставленных и представляющих потенциальную опасность предметов;

2) оперативное информирование в случаях нарушений общественного порядка, коммунальных аварий и техногенных катастроф;

3) сплошным визуальным контролем на отдельных объектах с применением технологии автоматизированной идентификации объектов по изображению и сравнением с эталонной базой данных, в том числе, для проведения розыскных мероприятий как в реальном времени, так и по архивным материалам, при этом могут решаться как задачи обнаружения, так и предотвращения будущих инцидентов (например, отказ в проходе, предотвращение попыток террористического захвата);

4) контролируемый доступ на определенные объекты и в помещения на основе комбинированного анализа видеоизображения, предъявленных документов и, возможно, других биометрических данных;

5) контролем передвижения транспортных средств, включая мониторинг обстановки на транспортных развязках, въездов/выездов, выявление в потоке транспорта с определенными регистрационными номерами;

6) контролем работы технических систем жизнеобеспечения (электроснабжение, водопровод, лифтовое хозяйство, газовое хозяйство).

Пример распределённого комплекса представлен на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Распределенный комплекс видеонаблюдения TRASSIR

Нераспределенные же решения в этом случае неработоспособны, поскольку накладывают жесткие ограничения на расстояния контроля и возможность децентрализации, требуют создания сверхсложных кабельных сетей и соответствующих им инфраструктур.

3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И АЛГОРИТМА РАБОТЫ АДАПТИВНОГО ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО КОМПЛЕКСА ВИЗУАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕКТОВ И ТРАЕКТОРИЙ ИХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

3.1 Предметная область автоматизации

Разработка адаптивного децентрализованного программно-аппаратного комплекса автономного визуального определения объектов и их перемещений на основе систем преследует цели:

1) контроля за технологической дисциплиной для повышения качества работы организации, предприятия;

2) предотвращения несанкционированного прохода и проезда на контролируемую территорию;

3) контроля перемещения и поведения персонала, учет эффективности использования рабочего времени;

4) обеспечения безопасности персонала и контролируемой территории;

5) предотвращения хищений продукции и сырья с предприятия;

6) анализа перемещений и параметров (характера) перемещений (поведения) иных (транспортных и пр.) объектов наблюдения;

7) адаптации структуры средств анализа видеообразов комплекса к конкретной задача опознавания.

Объектами внимания системы видеоконтроля являются зоны возможных внешних и внутренних воздействий, периметры всех производственных и административных зданий, площадки хранения продукции, внутренние площади складских и административных помещений, проходные пункты.

3.2 Постановка задачи проектирования

Основной задачей дипломного проектирования является рассмотрение вопросов построения пространственно-распределенной аппаратно-программной алгоритмически децентрализованной структуры, способной поэтапно обрабатывать видеообразы, при необходимости, с возможностью автономного решения части задач до определенной глубины их проработки на локальных уровнях своей аппаратно-программной иерархии средств.

Таким образом, система должна представлять собой распределенную, частично гетерогенную, аналого-цифровую, структуру средств с рассредоточенным выполнением процедур с интеллектуальной обработкой видеоконтента, начиная от этапа работы «интеллектуальных» видеокамер, через уровень автономных видеорегистраторов и до уровня принятия общих результирующих решений центральными видеосерверными средствами.

Следовательно, требуется разработать гибкую структуру средств видеонаблюдения, совмещающую внешнее и внутреннее видеонаблюдение. Реализующих интеллектуальный анализ видеообразов, в том числе: идентификацию объектов заданного класса, определение объектов в их совокупности - сцене, определение и анализ динамики изменения контролируемых сцен, рассматриваемых как формирование конкретных ситуаций, при возможности ее адаптации к условиям выполнения конкретной задачи распознавания и анализа перемещения (пространственного поведения).

Так, например, комплекс должен реагировать на присутствие в зоне видеонаблюдения объектов заданного класса, как правило, людей, с распознаванием характерных черт этих объектов и производить анализ их действий, как правило, направлений и динамики перемещений, и их «поведения» в указанном смысле.

Таким образом, разрабатываемая структура системы должна быть ориентирована на анализ ситуаций в пространстве наблюдений при децентрализации обработки видеообразов с этапа формирования аналогового сиг нала видеокамерами с функциями интеллектуальной предобработки, до их завершающего анализа видеосерверами, реализующими соответствующие (ai) - алгоритмы обработки изображений из набора А.

Комплекс должен представлять собой распределенную структуру видеоанализа с децентрализацией и автономизацией процедур предобработки видео-информации при адаптации к условиям обработки конкретного видеоконтента посредством оптимизации объединения элементов ее структуры со свободными вычислительными ресурсами (видеосерверов ш из набора А) для эффективного решения конкретной текущей задачи опознавания.

Поскольку 1Р-видеомониторинг реализуется на базе открытых индустриальных 1Т-стандартов, то при этом существенно уменьшаются расходы на аппаратные средства и может быть использованы различные стандартные устройства для сетевой передачи сигналов, регистрации изображений и хранения видеоинформации. Использование в комплексе 1Р-сетей снижает расходы на создание кабельных коммуникаций и соединений, сводит к минимуму изменения на рабочих местах при установке 1Р-вндеомониторинга на действующем объекте и обеспечивает развертывании системы в более короткие сроки и с минимальными затратами. Расширение систем видеонаблюдения, построенных на основе 1Р - видеомониторинга, реализуется относительно просто, быстро, эффективно и с минимальными материальными затратами. Увеличение количества средств наблюдения или расширение объема памяти видеосерверов решается в минимальные сроки .

3.3 Обоснование выбора средств аппаратно-программных средств

Построение сложной видеосистемы подразумевает ее предварительное проектирование, при котором должны учитываться: планы охраняемых помещений и территорий, со схемами размещения технических средств проектируемой системы, описание технических решений, описание условий эксплуатации проектируемой системы, полную спецификацию технических средств проектируемой системы с указанием марок и моделей оборудования, техническое задание на проведение монтажных и пусконаладочных работ.

На основании результатов выполненного анализа, в качестве основы элементной базы для построения и комплексирования системы, выбраны аппаратно-программный комплекс TRASSIR , обеспечивающий решение задач идентификации образов, захвата видеоцелей и контроля траектории их перемещений. В результате исследования установлено, что внедрение видеонаблюдения с функциями интеллектуального анализа видеоданных, в том числе: распознавания транспортных средств, живых объектов, детекции их движения, определения оставленных предметов, контроля их перемещения.

В настоящее время является необходимым условием, и для се реализации требуется его комплексирование из существующей номенклатуры средств в аппаратно-программный комплекс с заданными свойствами, на основе выбранного элементного базиса DSSL. Па этом базисе возможна техническая реализация масштабных пространственных проемов, стабильное функционирование и решения задач любой сложности при использовании современного гетерогенного оборудования с рациональным сочетанием аналоговых и IP - технических характеристик. IP-решения DSSL TRASSIR отличаются возможностью создания масштабных и более простых в эксплуатации, чем аналоговые структуры, распределенных систем видеонаблюдения. Гибкие по организации и топологии, производительные и вполне экономичные цифровые технологии TRASSIR способны объединить в распределенную систему комплексы контроля территориально удаленных объектов.

Отечественная система TRASSIR является не только одной из самых функциональных из известных систем видеомониторинга, но и представляет собой уникальный инструмент интеллектуального опознавания и видеоанализа. Функциональные возможности системы заложены в ее аппаратурном и программном обеспечении, которое унифицировано для всех аппаратных моделей. Структура и возможности TRASSIR ориентированы на профессиональное применение в системах контроля тех пол отческой и общей безопасности. Она поддерживает и обеспечивает:

1) многозадачный режим работы;

2) многоуровневый доступ, удаленную работу по IP сети (TCP/IP);

3) распределенный многомониторный режим работы;

4) поддержка IP-устройств, интеллектуальных видеокамер, а также средств других производителей;

5) правление телеметрией (PTZ) устройств получения видеоинформации;

6) предобработку и анализ видеообразов;

7) детектирование и определение траекторий движения;

8) определение и подключение «тревожных» сигналов;

9) Informer - сервис оповещения о тревожных событиях;

10) запись по расписанию Синхронная запись видео и аудио образов объектов наблюдения;

11) формирование журнала событий;

12) архивирование и возможность просмотра видеоданных без поддержки средствами TRASSIR;

13) задание качества и степени компрессии видеоинформации:

14) реализацию интеллектуального поиска и анализа видеоинформации в архиве (Active Search);

15) задание правил (алгоритмов) интеллектуальной обработки и анализа видеоинформации, а также специальные возможности: интерактивного управления видеокамерами в режиме Active Dome и роботизированного управления видеокамерами Active Dome+ , возможность организации распределенной структуры и станции централизованного мониторинга, интеграции аппаратуры TRASSIR с иными системами контроля, например, ОПС, СКД.

3.3.1 Характеристики программно-аппаратной системы

Интерфейс системы TRASSIR интуитивно понятен, установка автоматизирована и осваивается без подробного изучения инструкции. Управление просмотром может осуществляться манипулятором или сенсорным экраном. Архив за любую дату и время вызывается двумя-тремя кликами. В программе создана эргономичная двухуровневая система настроек, предназначенная для пользователей с разным уровнем подготовки и полномочий. Все настройки системы сгруппированы по уровням сложности. Основной уровень для оператора предназначен для пользователя ПК, обладающего навыками работы со стандартными приложениями Windows и не имеющего полномочий администрирования системы. Преимуществом этого уровня является мгновенный доступ - для открытия панели настроек этого уровня достаточно щелкнуть правой клавишей мыши по нужному окну видеоканала. Оператор может ре1улировать разрешение записи, уровень сжатия, задать скорость ввода, настроить яркость, контрастность и освещенность. Расширенный уровень для администратора и инсталлятора TRASSIR - пользователь, обладающий статусом администратора системы, имеет доступ к системным настройкам и полной информации о работе системы. А инсталлятор, осуществляющий монтаж видеонаблюдения, настройку и дальнейшее сопровождение продукта, использует этот расширенный уровень как встроенный инструмент диагностики работы системы. Здесь доступны: расширенное управление настройками видеозаписи, мониторинг и диагностика системы в сети, одновременное управление настройками всех каналов, статистическая сводка о состоянии архивов и емкости хранилищ, отладочный журнал.

3.3.2 Характеристика многозадачного режима работы и многоуровневого доступа удаленной работа по сети

Существуют дуплексные, триплексные и пентаплексные видеосистемы. А TRASSIR можно назвать мультифункциональной: все операции, включая мониторинг, запись архива, просмотр архива, настройки, доступ по сети, просмотр архива по сети, а также взаимодействие с иными интегрированными системами осуществляются параллельно в едином интерфейсе, и пользователь может выполнять все необходимые ему действия одновременно, не останавливая работы других приложений.

В программном обеспечении TRASSIR реализована многоуровневая система распределения прав доступа - возможность создания пользователей с различными правами доступа (например, только просмотр текущих событий, просмотр + просмотр архива, возможность менять настройки системы и т.д.) Эта функция позволяет предотвратить несанкционированный доступ к системе.

Сетевая архитектура ПО TRASSIR позволяет строить распределенные системы любого масштаба к одному серверу может подключиться неограниченное количество сетевых клиентов, как по локальной, так и по глобальной сети (Интернет). Система обеспечивает не только просмотр текущих событий, но и полноценный доступ к архивам безопасного хранения данных. В системе реализовано удаленное администрирование и управление поворотными камерами.

Программа «Клиент» обеспечивает доступ к видеосерверу с удаленного рабочего места и предусматривает поддержку неограниченного количества сетевых клиентов. Возможность организации станции централизованного мониторинга обеспечивает контроль огромного количества устройств с помощью специализированного программного обеспечения TRASSIR CMS.

3.3.3 Поддержка интеллектуальной фиксации видео и аудио образов объектов наблюдения в предлагаемой структуре

Все модели систем TRASSIR. кроме линейки с программной компрессией, оснащены высококачественной синхронной аудиозаписью по каждому каналу, а некоторые модели семейства IP-видеосерверов TRASSIR Lanser и IP видеокамеры поддерживают дуплексную аудиосвязь. Командная структура записи по расписанию позволяет задать интервалы записи в произвольном порядке и с дополнительными параметрами. Расписание устанавливается на календарную неделю и циклично повторяется. TRASSIR имеет уникальный функционал - детектор лиц в поле зрения камеры, специализированные детекторы смещения, засветки и закрытия (саботажа) видеокамеры и пр. TRASSIR выполняет детектирование лиц, специальные детектирования и детектирования движений. В арсенале системы имеется набор детекторов движения и различных их фильтров. В TRASSIR функционирует базовый Generic Detector и специальный детектор объектного трассирования SIMT(Simple Intelligent Motion Trassir).

Generic Detector обеспечивает: детектирование медленного и быстрого движения, выставление произвольных зон детектирования, детектирование лиц, детектирование расфокусировки, детектирование сдвига, определение ослепления видеокамеры, ее закрытия.

Все эти функции создают события в журналах TRASSIR, тревожные сообщения оператору и по ним в дальнейшем можно осуществлять поиск. Детектор объектного трассирования SIMT обеспечивает: отличные результаты восстановления изображений при уличном применении и в сложных погодных условиях, эффективно фильтрует случайные шумы, селектирует объекты по размерам, селектирует объекты по направлению, селектирует объекты по скорости движения, детектирование только объектов с заданными параметрами, аналитическое предсказание дальнейшей траектории движения объекта с помощью вектора скорости (применяется в автоматическом режиме работы функции ActiveDome+).

Также существует дополнительный детектор, обеспечивающий: выявление медленного движения и детекцию оставленных предметов.

3.3.4 Интеграция TRASSIR с ОПС и СКД

Предусмотрена возможность подключения дополнительных информационных (тревожных) входов и выходов, и задаются правила их анализа. Используя в качестве аппаратной платформы IP-видеосерверы Lanser4M/4HDD/l Real, IP-камеры, можно дополнить функционал системы видеонаблюдения операциями анализа охранно-пожарной и охранной обстановки путем подключения датчиков соответствующей информации к тревожным входам и выходам устройств системы, что становится целесообразным и рентабельным, например, при подключении интегрированных систем типа «Болид» в качестве задающих соответствующие тревожные сигналы.

В TRASSIR предусмотрена возможность задания реакции на определенные события. Благодаря этой возможности можно установить на любое событие индивидуальную реакцию или несколько типов реакции: включение/выключение записи, изменение скорости записи, звуковые сигналы, отправка CMC, наведение поворотных видеокамер на объект. Поддерживаются каскадные правила - множественные реакции с заданной задержкой на одно событие.

Интеграция TRASSIR с ОПС и СКД, возможность совместной работы системы видеонаблюдения TRASSIR с системами охранно-пожарной сигнализации и контроля доступа, например, АРМ «ОРИОН» и ПК «APACS» позволяет построить комплексную систему безопасности, управляемую из единого центра и единым интерфейсом.

3.3.5 Функции мониторинга

Расположение видеоканалов на мониторе можно создавать произвольно, используя редактор неограниченного количества шаблонов их расположения - различных комбинаций как локальных, так и сетевых каналов, ip-видео каналов и планов помещений. С каждым отдельным окном можно связать камеру путем её «перетаскивания» в форму окна (drag&drop) при редактировании. На дополнительных мониторах можно комбинировать любые IP системы, программные системы и планы. Ma MDI - мониторах только Н.264 видео (1 канал на монитор) или до 16 каналов предпросмотра несжатого видео с аппаратных плат. Поддержка многомониторного режима работы TRASSIR обеспечивает базовую поддержку до 8 VGA мониторов и ее расширение далее. Возможность организации станции централизованного мониторинга обеспечивает контроль огромного количества устройств с помощью специализированного программного обеспечения TRASSIR CMS.

3.3.6 Задачи и процедуры архивирования

Запись видеоданных на дисковые накопители производится по циклическому принципу, когда текущие данные заменяют самые старые. Используется прогрессивная технология "MultiStor": при наличии нескольких накопителей запись с каждой камеры ведется одновременно на все, повышая надежность и снижая нагрузку на каждый накопитель в отдельности. За счет этого в случае выхода из строя одного из накопителей, информация на других сохраняется. В настройках записи в архив можно указывать объем оставляемого места на диске, какой объем информации удалять за один раз, какой объем места может занимать архив, а также предусмотрена система диагностики и статистики свободного места на каждом из накопителей. Каждый пользователь сможет оценить мгновенный доступ к архиву. Фрагменты из архива можно просматривать в любом порядке, вперед и назад, увеличивать и уменьшать скорость просмотра, просматривать покадрово, создавать снимки в форматах *.ВМР или *JPG. Осуществляется запись по расписанию и по детекции, предусмотрена предзапись и дозапись. TRASSIR поддерживает неограниченное количество жестких дисков записи - можно создавать архивы емкостью в десятки терабайт. Системой поддерживается горячее отключение и подключение цифровых носителей, в том числе и таких популярных как CD, USB-накопители и Fire Wire, на которые можно копировать как отдельные кадры так и целые фрагменты видеозаписей.

Возможен просмотр архивов без TRASSIR, поскольку существует 3 способа внешнего их просмотра и с системой поставляется внешний плеер архива (несколько вариантов для разных систем). Кроме того можно установить специальный кодек для основного формата системы - Н.264 и проигрывать видео со звуком в Windows Media Player, а также, с помощью TRASSIR, можно сконвертировать Н.264, mjpeg, mpeg4 файлы системы в .avi формат, читаемый на любом компьютере как с помощью Windows Media Player, так и другими средствами просмотра. Встроенные в систему внешние плееры позволяют вырезать нужные части видеофрагментов, делать скриншоты и проверять сохранность Н.264 видео (для защиты от редактирования - проверка на watermark).

Регулирование качества архивного видео и компрессии видеоинформации для задания оптимального соотношения объема и качества видеозаписи выбором степени компрессии из десятков вариантов простым (по принципу лучшехуже) способом или настраивая детально в системном меню (для администраторов системы).

3.3.7 Журнал событий и интеллектуальный поиск

Журнал событий предоставляет поиск системных тревожных и информационных уведомлений. Все события для их поиска и анализа сохраняются в БД TRASSIR, а пользователи журнала могут сохранять собственные фильтры как для online режима, гак и для поиска в БД. С помощью гибкой системы фильтров в журнале TRASSIR можно найти важную информацию согласно заданным критериям анализа. Сервис TRASSIR оповещения о тревожных событиях «Informer», - обеспечивает оперативной информацией о событиях вне зависимости от местоположения приемника информации. В Informer предусмотрено несколько каналов оповещения: индивидуальные звуковые сигналы для каждого типа событий, отправка писем по электронной почте, отсылка SMS на мобильный телефон. Пользовательский интерфейс функции максимально прост и не требует настройки внешних почтовых программ. Информер так же поддерживает воспроизведение звуковых сообщений, которые можно задавать для обозначения любого события.