Análisis automático de eventos y comportamientos en entornos monitorizados

Transcripción

1 automático eventos y comportamientos en entornos monitorizados Aplicación técnicas Inteligencia Artificial a sistemas vigilancia Paseo la iversidad 4, Ciudad Real Tel: (Ext. 3746)

2 Importancia los sistemas seguridad Actualmente, la seguridad los ciudadanos e infraestructuras en espacios públicos y privados es uno los principales temas preocupación para la mayor parte gobiernos e instituciones. Como ejemplo citar la ciudad Londres don se han implantado más cuatro millones cámaras que envían la señal a centros control seguridad, don operadores humanos supervisan las imágenes recibidas para tectar que puedan conllevar peligro para los ciudadanos. Este hecho ha generado un intenso bate entre aquellos ciudadanos que se sienten más seguros con la presencia estos dispositivos y aquellos que ven perturbada su intimidad. En los últimos años, las nuevas tecnologías están influyendo notoriamente en el diseño los sistemas seguridad presentes en los centros control, otorgando mayor robustez a los procesos vigilancia y evitando sagradables o peligrosas. La Inteligencia Artificial está jugando un papel clave en la evolución los sistemas seguridad. buen ejemplo ello se encuentra en el área l análisis contenido vío, también llamado vío cognitivo, que permite el análisis las conductas o comportamientos los objetos en movimiento tectados por el sistema. Esta técnica está cada vez más presente en los sistemas vío-seguridad última generación. La Inteligencia Artificial está jugando un papel clave en la evolución los sistemas seguridad Los primeros sistemas vío vigilancia fueron los sistemas CCTV (circuito cerrado televisión), los cuales están constituidos por una red cámaras que envían la señal a una se central, don el personal seguridad pue observar lo que ocurre a través un panel formado por varios monitores. Sin embargo, hay estudios experimentales que muestran empíricamente que el rendimiento una persona observando un monitor disminuye notablemente tras 20 minutos vigilancia. Por tanto, la vío vigilancia tradicional tiene ciertas dificultas para cumplir con las, cada vez mayores, mandas l sector. Es cir, los sistemas seguridad berían jar ser simples y reactivos para convertirse en sistemas inteligentes y proactivos. Los sistemas seguridad berían jar ser simples y reactivos para pasar a ser inteligentes y proactivos Surge así la necesidad crear sistemas seguridad inteligentes para mejorar la efectividad los sistemas tradicionales y aliviar la carga los operadores humanos. En las dos últimas décadas la comunidad científica ha propuesto diversos algoritmos, técnicas y molos que han dado lugar a sistemas segunda y tercera generación (aún en fase experimentación). Los sistemas segunda generación combinan las tecnologías los sistemas CCTV y vigilancia IP con algoritmos Visión por Computador e Inteligencia Artificial, mientras que los sistemas tercera generación se caracterizan por ser altamente distribuidos y conservar las propiedas los sistemas pertenecientes a la segunda generación. El fin que se preten conseguir con este tipo sistemas es que se proporcione una buena interpretación la escena a estudiar y que sólo en los momentos necesarios se llame la atención l operador humano en tiempo real. En la actualidad, la vío vigilancia inteligente es una línea investigación en continuo crecimiento. Más una docena contratos investigación han sido otorgados a laboratorios y universidas con el objetivo acelerar los procesos investigación en las técnicas análisis vío, como es el caso los grupos visión, inteligencia artificial y robótica las universidas Leeds y Kingston en Inglaterra y el Grupo Investigación Nacional Inria en Francia. Grupos Investigación Oreto Arco. iversidad Castilla-La Mancha. Paseo la iversidad 4, 1

3 Problemas los sistemas actuales Los sistemas vigilancia comerciales actuales tienen como gran problema una gran penncia la actividad humana para la tección. Los más avanzados en el ámbito comercial tienen la capacidad automatizar algunas las tareas que realizan los agentes seguridad humanos, como por ejemplo, la tección objetos móviles en la escena (proceso segmentación), seguimiento los mismos (proceso tracking), tección intrusiones en áreas vigiladas o intificación personas a partir sus características faciales. Existen otros sistemas, aún en fase experimentación y sarrollo, que permiten un análisis más avanzado mediante la inclusión técnicas Inteligencia Artificial y Visión por Computador. Gran penncia la actividad humana en las tareas vigilancia Sin embargo, este tipo sistemas presenta dos problemas importantes: escasez flexibilidad y escalabilidad en el análisis comportamientos y eventos a partir la información procente los sensores. La mayoría ellos se centran en el estudio un aspecto la vigilancia (velocidad los objetos, trayectorias que siguen, acciones que llevan a cabo, etc) sin preocuparse cómo combinar estos análisis para obtener una percepción general lo que suce en el entorno, y proporcionar mecanismos para facilitar la inclusión nuevos tipos análisis. Por ejemplo, si un sistema vigilancia inteligente tiene la capacidad para analizar las trayectorias y las velocidas los objetos a partir información visual procente las cámaras, el comportamiento un terminado objeto será normal siempre y cuando éste siga una trayectoria acuada y a una velocidad apropiada. En este caso se combinan dos tipos análisis para terminar finalmente si el comportamiento un objeto es normal. Si en un futuro se aña un nuevo análisis para analizar el comportamiento los objetos en los accesos a los edificios, la normalidad l comportamiento los objetos tectados en la escena pasará a penr tres tipos análisis. tercer problema es el hecho que gran parte las personas encargadas diseñar un sistema seguridad optan por representar únicamente muy concretas. El problema esta aproximación es que muchas las que puen sucer en un entorno son imprevisibles, por tanto, cuando suce una situación anómala que no ha sido finida a priori el sistema es incapaz responr ante ésta. Por este motivo, pue resultar interesante diseñar un molo que permita finir o aprenr las normales cualquier entorno junto con las más comunes. De esta forma, la peor situación aparece cuando una situación anómala suce y no ha sido finida previamente, pero al menos el sistema es consciente que dicha situación no es normal. Amás la mayoría estos sistemas otorgan casi toda la importancia a la creación y prueba algoritmos procesamiento imágenes, con el fin realizar tección y seguimiento objetos. Son más escasos los sistemas que intentan incorporar inteligencia dándole mayor énfasis a la etapa análisis l comportamiento objetos. Sin embargo, esta etapa es la más útil en el proceso vigilancia, ya que los resultados la misma puen servir al operador como herramienta ayuda en su trabajo. Los sistemas análisis contenido mediante técnicas inteligencia artificial ofrecen tección automática en tiempo real, intificación y análisis amenazas potenciales, permitiendo que estos tipos sistemas sean mucho más potentes. Incapacidad para tectar previamente no finidas Escasa flexibilidad y escalabilidad Grupos Investigación Oreto Arco. iversidad Castilla-La Mancha. Paseo la iversidad 4, 2

4 El cuarto problema está directamente relacionado con la construcción las bases conocimiento don se mola el entorno observado. Los sistemas vigilancia avanzados necesitan conocimiento experto para por interpretar las señales que procen los sensores y terminar si la situación actual en el entorno es normal o no lo es. Normalmente los expertos en el dominio son los encargados llevar a cabo esta tarea tediosa y nada trivial. El inconveniente es que s que se implanta el sistema hasta que éste ofrece una fiabilidad alta, los expertos ben realizar numerosas modificaciones sobre la base conocimiento original. A este hecho hay que añadir que la mayoría entornos a monitorizar son dinámicos, los cuales puen variar sus condiciones ambientales con relativa facilidad tal forma que el molo que representa internamente a dicho entorno be variar también para que las interpretaciones sigan siendo correctas. Por tanto, para por eliminar esta penncia es necesario dotar al sistema capacidad para ampliar y modificar su base conocimiento por sí mismo, es cir, reemplazar en la medida lo posible al experto humano en esta tarea mediante el uso algoritmos aprendizaje automático. Necesidad técnicas aprendizaje automático para la adquisición conocimiento experto Finalmente, los sistemas seguridad ben ofrecer respuestas en tiempo real con el objetivo reducir al máximo los daños ocasionados por la ocurrencia. Gran parte los algoritmos propuestos en la literatura ofrecen buenos resultados en el proceso interpretación escenas reales, sin embargo, invierten masiado tiempo en la obtención los resultados. Por otro lado, existen algoritmos que ofrecen peores resultados pero, en cambio, ofrecen sus respuestas en menor tiempo. Por tanto, a partir este problema surge la necesidad buscar un equilibrio entre fiabilidad y tiempo respuesta. Necesidad buscar un equilibrio entre fiabilidad y tiempo respuesta Los grupos investigación ORETO-ARCO investigan s hace más 4 años en la inclusión nuevas tecnologías y métodos análisis automáticos en los sistemas vigilancia, con el objetivo ofrecer soluciones a los problemas planteados anteriormente. En este documento se hará especial hincapié en los hitos alcanzados durante este periodo investigación en el análisis automático comportamientos y eventos, sin la necesidad la interacción continua agentes humanos. Grupos Investigación Oreto Arco. iversidad Castilla-La Mancha. Paseo la iversidad 4, 3

5 Qué Ofrecemos? Detección automática sistemas vigilancia avanzados basados en el uso componentes normalidad inpendientes y fácilmente reutilizables. Cada componente Proponemos la creación normalidad especifica como bería comportarse correctamente cada entidad con capacidad acción en el entorno acuerdo a un aspecto vigilancia Nivel Usuario La primera capa que se muestra en el gráfico inferior, correspon con la capa sensorial don encuentran los sensores encargados captar cualquier cambio estado en el entorno vigilado. La información procente los sensores pue ser enviada directamente a la capa intermedia (si no necesita procesamiento previo), o bien, ser procesada por diferentes tipos algoritmos para la generación información espacio-temporal, como por ejemplo, algoritmos segmentación, tracking, análisis audio o clasificación objetos en movimiento. Herramientas Herramientas monitorización monitorización Global Global Soporte Soporte aa la ladecisión Decisión Nivel Razonamiento y Técnicas Técnicas fusión fusión información información l l Entorno EntornoEE11 Gestión Gestión Crisis Crisis l l Entorno EntornoEE22 catálogo productos Herramientas Herramientas Intificación Intificación adquisición organizado manera jerárquica, en el que cada adquisición conocimiento conocimiento producto o servicio será scrito por medio un Componente C conjunto características representativas l mismo. 2 asistente virtual Componente C1 Componente C1 Componente C1 Intificación Intificación Intificación Intificación Intificación Intificación, que a modo pendiente ayudará a los usuarios a scribir el producto Componente C o servicio que están buscando. Este tendrá capacidad para analizar y entenre las scripciones que Sub-Entorno son dadas E Sub-Entorno 1 2 como entradas. Nivel Sensorial 1 Preprocesamiento Preprocesamiento las lasseñales señales Sensor SensorSS11 Sensor SensorSS22 Preprocesamiento Preprocesamiento las lasseñales señales Sensor SensorSS11... l lentorno EntornoEEnn Herramientas Herramientas adquisición adquisición conocimiento conocimiento Componente Cn Sub-Entorno En Preprocesamiento Preprocesamiento las lasseñales señales Sensor SensorSSn-1n-1 Sensor SensorSSnn Por otro lado, existe un flujo continuo comunicación entre la capa inferior y la capa intermedia. Ésta última, recibe en cada momento la información espacio-temporal relativa a cada uno los objetos tectados en la escena, que ha sido procesada en la capa inferior. a división clara estas capas permite que el análisis sucesos sea inpendiente los algoritmos empleados para procesar las elseñales facilita la reutilización los conocimiento experto. Es cir, el cambio Amás, portal ysarrollado contará con mecanismos usuales búsqueda y los algoritmos para el procesamiento señales no tendría por qué influir en la forma analizar o componentes más frecuentes en cualquier portal comercio electrónico, entre los que stacan terminar si una situación es normal o no lo es. los sistemas gestión : Catálogo Productos/Servicios, Productos, Usuarios/Tiendas, Mensajes, Votaciones, Incincias, Procesos Venta Grupos Investigación Oreto Arco. iversidad Castilla-La Mancha. Paseo la iversidad 4, 4

6 Qué Ofrecemos? Detección automática El principal objetivo la capa o nivel intermedio es interpretar lo que suce en el entorno monitorizado y clasificar cada una las como normales o para la activación las alarmas y ofrecer soporte en la toma cisiones. Para ello, se fine la normalidad l entorno y las más comunes. La peor situación que pue ocurrir con este enfoque es que suceda una situación anómala que no ha sido finida previamente, pero al menos, el sistema es consciente que algo ' sospechoso o no normal está sucediendo en el momento actual. Definir la normalidad manera general en todo el entorno global pue ser una tarea masiado complicada e incluso inabordable. Por este motivo, se han sarrollado por la fragmentación l problema en problemas menor complejidad: el entorno se divi en entornos más pequeños (zonas específicas l entorno observadas por ciertos sensores) don el número posibles que puen sucer es acotado, y se realiza la división l análisis normalidad en análisis específicos mediante el uso componentes normalidad. Finalmente, en la última capa se utiliza la información procente la capa intermedia para ofrecer ayuda al personal seguridad en la toma cisiones ante críticas. En esta capa se encuentran las herramientas monitorización don el personal seguridad pue controlar el estado actual l sistema y l entorno vigilado Actualmente no existen soluciones que ofrezcan las suficientes garantías como para sustituir completamente a los agentes humanos pero, sin embargo, este tipo sistemas sí que puen resultar gran ayuda para reducir la carga trabajo en operadores humanos y ofrecer consejos o proponer soluciones en complejas don se han sencanado una sucesión. Elorganizado sarrollo sistemas envigilancia basados en componentes manera jerárquica, el que cada producto o presenta servicio será scrito medio unventajas: normalidad alguna por las siguientes conjunto características representativas l mismo. catálogo productos Reutilización, la construcción componentes inpendientes don se especifica como es la normalidad acuerdo a un aspecto la vigilancia, facilita la reutilización conocimiento experto. Reducción l ciclo sarrollo, como consecuencia directa la ventaja anterior. Mejora la calidad en la vigilancia, la reutilización experiencias previas evita cometer los mismos errores que se han cometido en el pasado. Fiabilidad, si un componente ha sido probado con anterioridad en multitud entornos y ello ha permitido purar los posibles errores existentes, la inclusión dicho componente en un nuevo sistema seguridad garantiza una alta probabilidad éxito. Flexibilidad, la combinación unos componentes u otros permiten construir diferentes tipos sistemas vigilancia. Se podría cir que los componentes son los ingredientes ' la aplicación y que se combinan una forma u otra para conseguir un objetivo concreto, en este caso, el análisis concretas Grupos Investigación Oreto Arco. iversidad Castilla-La Mancha. Paseo la iversidad 4, 5

7 Componentes sarrollados: C1 trayectorias El componente utiliza información visual procente las cámaras seguridad para terminar si la trayectoria que sigue cada objeto en la escena es normal, o en cambio, es anómala con cierto grado riesgo. Información entrada: procesos segmentación y tracking Localización cada uno los objetos en cada uno los frames que forma parte l flujo vío. Propiedas físicas (dimensiones) cada uno los objetos. Información salida: Clasificación los objetos como vehículos o personas. Posibles trayectoria que está siguiendo cada objeto. Grado normalidad l comportamiento cada objeto acuerdo al concepto vigilancia trayectoria. El componente tiene asociado herramientas adquisición conocimiento para la finición zonas l entorno y las trayectorias normales. Frame t=1 Frame t=3 Frame t=6 catálogo productos asistente virtual Trayectoria anómala Trayectorias Razonamiento Humano organizado manera jerárquica, en el que cada producto o servicio será scrito por medio un conjunto características representativas l mismo. Trayectoria Trayectoria normal normal, que a modo pendiente ayudará a los usuarios a scribir el producto o servicio que están buscando. Este tendrá capacidad para analizar y entenr las scripciones que son dadas como entradas. orientador virtual Molo, para ayudar al usuario a purar las búsquedas con el objetivo buscar productos que estén ntro l catálogo. c12 c Amás, el portal sarrollado contará con los c11 mecanismos usuales búsqueda y los c c1 13 c11 12 c componentes 13 más frecuentes en cualquier portal comercio electrónico, entre los que stacan c1 los sistemas gestión : Catálogo Productos/Servicios, Productos, Usuarios/Tiendas, Mensajes, Votaciones, Incincias, Procesos Venta Grupos Investigación Oreto Arco. iversidad Castilla-La Mancha. Paseo la iversidad 4, 6

8 Componentes sarrollados: C2 velocidas para terminar si cada objeto circula a una velocidad apropiada. Para ello, el componente estudia el splazamiento l objeto entre frames consecutivos. El componente utiliza información visual procente las cámaras seguridad Información entrada: procesos segmentación y tracking Localización cada uno los objetos en cada uno los frames que forma parte l flujo vío. Propiedas físicas (dimensiones) cada uno los objetos. Información salida: Clasificación los objetos como vehículos o personas. Estimación la velocidad a la que circula cada objeto Grado normalidad l comportamiento cada objeto acuerdo al concepto vigilancia velocidad. Este componente, a diferencia l componente anterior, tiene asociado algoritmos para el aprendizaje automático las velocidas apropiadas en cada entorno. Componentes sarrollados: C3 la normalidad en pasos peatones no regulados catálogo productos por semáforos organizado manera jerárquica, en el que cada o servicio será scrito por medio un y El producto componente diferencia entre peatones y vehículos, conjunto características representativas l mismo. termina si estos últimos cumplen con las normas tráfico establecidas para los pasos peatones no asistente virtual regulados mediante semáforos., que a modo pendiente ayudará a los usuarios a scribir el producto Información entrada: procesos segmentación y tracking o servicio que están buscando. Este tendrá capacidad para analizar y entenr las scripciones queen son dadas Localización cada uno los objetos cada uno los frames como entradas. que forma parte l flujo vío. Propiedas físicas (dimensiones) cada uno los objetos. Información salida: Clasificación los objetos como vehículos o personas. Grado normalidad l comportamiento cada objeto acuerdo al concepto vigilancia normalidad en pasos peatones. orientador virtual, para ayudar al usuario a purar las búsquedas con el objetivo buscar productos que estén ntro l catálogo. Amás, el portal sarrollado contará con los mecanismos usuales búsqueda y los componentes más frecuentes en cualquier portal comercio electrónico, entre los que stacan los sistemas gestión : Catálogo Productos/Servicios, Productos, Usuarios/Tiendas, Mensajes, Votaciones, Incincias, Procesos Venta Grupos Investigación Oreto Arco. iversidad Castilla-La Mancha. Paseo la iversidad 4, 7

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11 Herramientas monitorización Amás los componentes normalidad, herramientas adquisición conocimiento y algoritmos aprendizaje automático, se han sarrollado herramientas monitorización para observar el análisis realizado por cada uno los componentes normalidad. El principal objetivo este tipo herramientas es comprobar el correcto funcionamiento los componentes normalidad. catálogo productos organizado manera jerárquica, en el que cada producto o servicio será scrito por medio un conjunto características representativas l mismo. asistente virtual, que a modo pendiente ayudará a los usuarios a scribir el producto o servicio que están buscando. Este tendrá capacidad para analizar y entenr las scripciones que son dadas como entradas. orientador virtual, para ayudar al usuario a purar las búsquedas con el objetivo buscar productos que estén ntro l catálogo. Grupos Investigación Oreto Arco. iversidad Castilla-La Mancha. Paseo la iversidad 4, 8

12 Grupo ORETO El grupo investigación Oreto sarrolla su investigación principal en el campo l diseño y sarrollo sistemas inteligentes para la resolución problemas complejos. Para ello, se emplean técnicas Inteligencia Artificial (IA), Sistemas Multiagentes (MAS),... El grupo está formado por profesores e investigadores la Escuela Superior Informática, Escuela iversitaria Politécnica Almadén y la Escuela iversitaria Ingeniería Técnica Industrial Toledo la UCLM. Des la creación l grupo, se ha trabajado en diversas áreas la IA, como los sistemas expertos, sistemas aprendizaje y adquisición conocimiento y aplicaciones la IA a problemas l campo la medicina, comercio electrónico, captura movimiento y análisis portivos, predicción series económicas, síntesis imagen tridimensional, sistemas vigilancia inteligentes... Estos trabajos se han realizado al abrigo proyectos investigación con financiación pública, en muchos ellos con colaboraciones con grupos investigación otras universidas, tanto nacionales como internacionales, y empresas la región. Grupo ARCO La actividad investigadora l grupo ARCO la iversidad Castilla-LaMancha se centra fundamentalmente en dos líneas trabajo: serrvicios avanzados comunicaciones, y diseño sistemas heterogéneos hardwaresoftware. Diseño Sistemas Heterogéneos (Hardware-Software) complejos En este campo se estudian metodologías y herramientas para el diseño sistemas complejos con partes tanto hardware como software (sistemas empotrados). Compren aspectos especificación, verificación, planificación y asignación, síntesis HW, generación código SW, simulación, prototipado, haciendo especial énfasis en el diseño sobre arquitecturas reconfigurables. Contacto Dr.Juan Carlos López López mail:juancarlos.lopez@uclm.es Tel: (Ext. 3739) Dr. Luis Jiménez Linares mail: luis.jimenez@uclm.es Tel: (Ext. 3704) iversidad Castilla-La Mancha Servicios Avanzados Comunicaciones Dentro esta línea se aborda la utilización sistemas distribuidos e infraestructuras comunicaciones para la creación arquitecturas orientadas a servicios que permitan asistir a los usuarios en sus entornos cotidianos (hogar digital, seguridad en espacios públicos, servicios móviles ). El trabajo se centra en la finición arquitecturas software (mediante el uso middlewares) que permitan la integración res y sistemas heterogéneos y la creación y molado nuevos servicios basados en las comunicaciones, orientados principalmente al área la inteligencia ambiental y la computación ubicua. Grupos Investigación Oreto Arco. iversidad Castilla-La Mancha. Paseo la iversidad 4,