Интеллектуализация информационных технологий в классе видеомониторинговых охранных систем. Проблемы антитерроризма и обеспечение безопасности: решения и перспективы.
| Проблемы антитерроризма и обеспечение безопасности: решения и перспективы.
Отправным моментом нашего сообщения являются базовые прототипы oхранных видеомониторинговых систем, находящихся в рабочей эксплуатации (патент на изобретение №2159960 от 27 ноября 2000г). XXI век – век терроризма. Что можно противопоставить бурно прогрессирующей индустрии зла? Только полную мощь человеческого разума, глобально аккумулируемый профессиональный опыт и новейшие интеллектуальные информационные технологии, позволяющие создать адекватные технологии противодействия современному терроризму. Безусловно, это относится к обеспечению всех видов безопасности гражданского общества: государственной, общественной и личной. Центральная роль здесь, очевидно, принадлежит видеомониторинговым системам, отличающимся наибольшей информационной плотностью, с одной стороны, и необходимостью применения наиболее развитых и тонких методов искусственного интеллекта – с другой стороны. 1.Базовые видеомониторинговые системы 1.1 Вводное замечание Данные, поступающие с объектов, позволяют формировать последовательность апостериорных эмпирических оценок в результате работы системы с заданной степенью точности. Анализ криминальных ситуаций и реакций системы на такого рода ситуации позволил сформировать и реализовать на практике ряд математических фильтров, а так же принципы и способы самонастройки системы, отражающие надежные теоретические и развитые эвристические предпосылки решения задачи обнаружения ситуативных изменений в реальном масштабе времени. 1.2 Некоторые исходные понятия для задачи фильтрации Каждой зоне чувствительности видеокамеры соответствует геометрическая область плоскости видеоснимка (зоны обзора), в которой видеокамера реагирует на изменения освещенности, движение наблюдаемого объекта. В общем случае для одной зоны обзора устанавливается несколько зон чувствительности видеокамеры. Зона чувствительности определяет видеосенсорные свойства системы. Зона обзора физического объекта отображается в совокупность пикселей анализируемого изображения. Каждой зоне сопоставляется набор параметров (DХпор;DУпор; Dt), где: Здесь фильтрация видеоизображений – процесс принятия системой видеомониторинга решений о фиксации (или не фиксации) видеоизображений. Другими словами, решается вопрос, являются ли изменения параметров видеоизображения в зоне чувствительности видеокамеры объектовыми или шумовыми. При этом должно обеспечиваться малое запаздывание в обнаружении и малое число ложных тревог. Данное противоречие порождает традиционную оптимизационную постановку задачи, которая должна включить и требования к сложности алгоритма, определяющей практическую эффективность системы. 1.3 Характерные задачи базового алгоритмического обеспечения В качестве примера характерных элементов конкретной технической реализации мы рассматриваем: а) три реализации фильтров с относительно новыми эвристическими включениями, которые могут работать как по отдельности, так и совместно по одной зоне видеонаблюдения; b) методики расстановки зон чувствительности видеокамер и способы обработки получаемых с этих зон данных с целью обеспечения возможности отслеживания траекторий наблюдаемого объекта и принятия решений о “санкционированности/несанкционированости” контролируемой обстановки; c) алгоритмы автоматического изменения чувствительности зон видеонаблюдения в зависимости от изменения времени суток, погодных условий или специфических условий конкретного наблюдаемого объекта, а также на основе анализа статистических данных (самонастройка системы). 1.4 Методы оценки ситуации Метод видеоанализа с “боковым зрением”Для решения поставленной задачи предлагается следующий способ видеомониторинга. При помощи видеокамеры получают изображение объекта. Из полного видеокадра выделяются охраняемые зоны, например, дверь, сейф, и т.д. (в разработанной системе до 30 на одну видеокамеру), для каждой из которых формируется зона, находящаяся в идентичных условиях освещения и выполняющая компенсационные функции. Цифровая обработка изменения параметров изображений в основной и компенсирующей зонах за определенный интервал времени позволяет отсечь шум и свести к минимуму ложные срабатывания. При этом фиксация события происходит в том случае, если изменение параметров изображения превосходит, а в компенсирующей зоне не превосходит предварительно установленные уровни. Разработанные и апробированные на практике методологии расстановки зон позволяют максимально использовать возможности видеокамеры и специфику способов обработки информации. Рассмотрим вариант предлагаемого способа. Суть метода заключается в одновременном анализе двух геометрических зон видеокадра (зона А и зона В), в результате которого принимается решение о регистрации события. Считается, что зона А или В сработала, если для промежутка времени Dt реальное значение DУ превышает пороговое DУпор. Определим функцию Р срабатывания зоны как 0 если DУ меньше DУпор и 1 в обратном случае. Пусть А – событие первой зоны, В – событие второй зоны. Если Р(А)*(1-Р(В)) = 1, то событие, зарегистрированное в зоне А, является не шумовым и фиксируется. Bозможны следующие варианты конфигурирования пары зон А и В: 1.5 Способы самонастройки системы Самонастройка системы может осуществляться по следующим направлениям.1) Предустановка зависимостей чувствительности зон от времени. Для объектов, в охраняемых зонах которых события должны заведомо происходить по определенному графику (например, видеомониторинг городских улиц в дневное и ночное время, входа в здание в выходные дни и будни, в обеденный перерыв, начало и окончание работы и т.п.), возможна автоматическая корректировка порогов чувствительности в соответствии со временем суток, днем недели. Кроме того, при корректировке чувствительности зон можно учитывать условия освещения в охраняемых зонах в различное время суток и в зависимости от времени года. Зависимость чувствительности от времени может устанавливаться оператором как для системы в целом, так и индивидуально для каждой наблюдаемой зоны.2) Статистический анализ числа событий в зоне за определенный период в зависимости от времени суток, дня недели и т.д. На основе данных статистического анализа получаются оценки математического ожидания, и среднеквадратичных отклонений плотности событий в данной зоне для заданного интервала времени суток. В случае, если число событий отличается от среднего для данного интервала времени суток больше, чем на величину среднеквадратичного отклонения, система может, соответственно, повысить или понизить чувствительность соответствующей зоны. При этом шаг приращения порога чувствительности и пределы его изменения могут варьироваться оператором в зависимости от специфики конкретного охраняемого объекта, либо автоматически, в результате обучения и самообучения системы. 2.Развитие концепции интеллектуального видеомониторинга и разработка систем нового поколения Повышение качества видеомониторинга за счет оптимизации пороговой функции системы при параметрическом и непараметрическом подходах к задаче самонастройки и обучения может осуществляться за счет более или менее удачно выбранных эвристических методов, отражающих конкретные условия и ограничения решаемой задачи, либо традиционным выбором более информативных описаний. Все эти эвристики назначаются априорно и определяют жесткую структуру алгоритмов, гибкость которых ограничена на уровне параметров. Дальнейший качественный эффект требует привлечения нового класса систем – систем искусственного интеллекта (СИИ). Гибкость последних обусловлена принципиальным отличительным свойством алгоритмов функционирования – они управляемы знаниями. СИИ (часто называемые Экспертными Системами или, точнее, Системами, Основанными на Знаниях – СОЗ) существенно зависят от объема баз знаний (БЗ) и эффективности машины вывода (MB). Ключевым моментом развиваемой концепции является обеспечение эффективного программирования “теории предметной области” в терминах ее профессиональной экспертизы (читай – в терминах эксперта по антитеррористической деятельности). В качестве инструментального средства, поддерживающего процесс программирования или концептуального моделирования (КМ) предметной области (ПО), следует использовать языки представления знаний весьма высокого уровня, позволяющие эксперту в естественной для него форме описывать достаточно тонкие разнообразные факты и правила функционирования системы в агрессивной среде. Выдвигаемая концепция основана на семействе концептуальных объектно-ориентировaнных языков (СУБЗ “Concept”), отличающихся рядом существенных свойств, позволяющих характеризовать их как языки нового поколения. 2.1 Особенности прикладной проблематики видеомониторинговых СОЗ Итак, расширение прикладной проблематики, проявляющееся в чрезвычайном усложнении условий применения мониторинговых систем безопасности (расширение спектра угроз, средств и методов их создания, технической, технологической и тактико-стратегической оснащенности, нарастание информированности потенциального агрессора, возможность активного использования им утечки информации о средствах и методах защиты и т.п.) обусловили необходимость применения технологии искусственного интеллекта. Формирование текущей модели выводимого представления о наблюдаемой динамической сцене определяется, с одной стороны, точками соотнесения (пространственно-временными фиксациями, условиями наблюдения, априоризмом прогностических условий и т.п.), а с другой – характером динамики развивающегося (ветвящегося) сценария. Мониторинг включает ретроспективную, текущую и прогностическую составляющие. В случае активного мониторинга положение осложняется эффектами рефлексивного взаимодействия противодействующих сторон, выдвигающими жесткие требования к инференциальным возможностям системы (т.е. возможностям логического вывода), в масштабе реального времени интерпретирующей характер и динамику поведения агента (агентов) и оценивающей возможные цели поведения как прогнозируемые угрозы (в текущей “темпоральной” точке соотнесения, т.е. в фиксируемой временной точке). На первый план прикладной проблематики СИМ (Систем Интеллектуального Мониторинга), как СОЗ, выдвигается проблема сложности анализируемой и интерпретируемой (в изменениях) динамической сцены. Это связано со следующими особенностями мониторинговой экспертизы анализируемой предметной области:
Очевидно, новое поколение СИМ вследствие уже этих перечисленных основных особенностей становится поколением систем искусственного интеллекта, требуя привлечения все более обширных многоаспектных и углубленных объемов экспертного знания, в значительной мере эксклюзивного с точки зрения Эксперта-Пользователя. Для реализации интегрированного знания и данных, в частности, видеоБД и БЗ необходимы единые и достаточно универсальные инструментальные средства и информационные технологии концептуального моделирования, привлекающие понятия абстрактного уровня и объекты видеоряда. 2.2 Разработка информационных технологий концептуального моделирования для систем интеллектуального мониторинга Предлагаемые перспективные технологии включают ряд важнейших аспектов, реализация которых обеспечивает требуемый уровень адекватности интеллектуальных систем. Требование высокой вероятности обнаружения угроз по интерпретируемой модели динамического объекта удовлетворяется при концептуализации и соответствующем описании динамической сцены, содержащем знания об относительной важности и последовательности проявлений элементов динамического изображения. База знаний должна включать также знание о связях объектов (и их динамических деталей) сцены: структурных, логических и модальных (т.е. зависящих от времени, точки зрения, положения, действий как рефлексивных актов и т.д.). Существенной особенностью предлагаемой технологии концептуального моделирования (КМ) является многоплановая эффективность этого процесса. В частности, возможность концептуального программирования ПО непосредственно Экспертом/Пользователем без участия инженера по знаниям или системного программиста, т.к. программирование осуществляется в терминах Эксперта. Система языков (СУБЗ “Concept”) позволяет описывать ПО на декларативном уровне с минимумом процедурных включений и др. Важную роль при этом играет возможность свободного перехода от абстракций высокого уровня к конкретным экземплярам объектов – понятий сцены и их изображениям.Принципы КМ
В процессе концептуального моделирования, в общем случае, Эксперт проходит указанную последовательность специфицируя понятия (или описывая объект) и постепенно уточняя получаемые на каждом этапе концептуальные схемы. При этом учитываются существенные, по мнению Эксперта, точки соотнесения. Результатом описания является глобальная концептуальная схема, описывающая в основном ПО. Получаемая гибридная модель знаний, используемая для задачи интерпретации динамической сцены и идентификации типа поведения агентов, вообще говоря, не полна. Поэтому процесс вычисления при интерпретации поведения необходимо включает детерминизацию и вывод (абдукцию, традукцию, дедукцию, индукцию, а также вывод на прецедентах, нечеткий вывод и т.д.). Каждый язык привлекаемого семейства имеет собственный достаточно мощный механизм вывода. 2.3 Обучение системы интеллектуального мониторинга на прецедентах Процедуры обучения и самонастройки системы носят разнородный характер и включают процессы адаптации интеллектуальной системы на разных уровнях от параметрического до концептуального, на уровне извлечения знаний из данных (в частности, Data Mining – процедура). Последнее позволяет накапливать опыт, извлекаемый из прецедентов в виде правил продукций, автоматически. Данный опыт может накапливаться собственно системой, либо привноситься извне. Существенной особенностью перспективных систем интеллектуального видеомониторинга является их соответствие мультиагентной среде функционирования как в режиме обучения, так и в режиме рабочей эксплуатации. Заключение На основании отечественного опыта эксплуатации средств видеомониторинга и первых шагов в реализации экспертного подхода при создании конкретных информационных фильтров на ряде площадок в Москве и различных регионах России, главным образом для субъектов оперативно-розыскной деятельности, в целях обеспечения государственной, общественной и личной безопасности граждан, можно выделить следующие результаты и выводы:
Принципиально новые возможности современного аппаратного обеспечения видеомониторинговых систем предоставляют достаточно широкие возможности реализации мощных методов и инструментальных средств искусственного интеллекта. Оптимизм по отношению к реализации предлагаемых нами новых концепций представляется обоснованным в связи с получением в последние годы существенных фундаментальных результатов по таким важнейшим направлениям теоретических исследований в данной области, как:
Актуальность внедрения концепции интеллектуализации для единого ряда систем мониторингового типа поддержано не только определенным приоритетом результатов Российских ученых в названных теоретических направлениях, но и практической подготовленностью инфраструктур, создаваемых разработчиками, имеющими опыт в реализации соответствующих проектов и образцов компьютеризированных систем, находящихся в режиме рабочей эксплуатации. |