CC BY
134
УДК 621.395
ОСОБЕННОСТИ РАСПОЗНАВАНИЯ СИГНАЛОВ ТРЕВОГИ В ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМАХ ВИДЕОКОНТРОЛЯ
В.И. Воловач
Рассмотрены особенности распознавания сигналов тревоги в телевизионных системах видеоконтроля при их совместной работе с системами охранной сигнализации; показано, что определяющим в системе принятия решения о достоверности сигнала тревоги в видеоконтроллере является анализ функции правдоподобия.
In this paper we consider alarm signal detection particularities in television systems of video monitoring combined with burglar alarm systems. We show that a likelihood function analysis is lead in decision making system about reliability of alarm signal in video controller.
Рассмотрены особенности распознавания сигналов тревоги в телевизионных системах видеоконтроля при их совместной работе с системами охранной сигнализации. Показано, что определяющим в системе принятия решения о достоверности сигнала тревоги в видеконтроллере является анализ функции правдоподобия. Определен показатель оптимальности обнаружения для детерминированного сигнала на фоне внутриприемного гауссовского шума. В качестве критерия оптимального решения для работы систем видеоконтроля с использованием видеодетекторов движения предложен критерий последовательного наблюдателя.
Для создания эффективных систем обеспечения безопасности важное значение играет достоверное распознавание сигнала тревоги в этих системах. Будем подразумевать в дальнейшем как разновидность систем охраны объектов (СОО) интегрированные системы охраны (ИСО) [1], представляющие собой совокупность систем охранной сигнализации (СОС) и телевизионных систем видеоконтроля (ТСВ). ИСО совместно с персоналом службы безопасности (ПСБ) объекта, а в ряде случаев и иных силовых структур, образуют систему обеспечения безопасности (СОБ) объекта. ИСО может по своему назначению либо только регистрировать произошедшие события, либо воспрепятствовать потерям тем или иным образом. Целесообразно разделять реакцию ИСО на активную, когда, например, блокируются двери объекта, и пассивную, когда воздействие на объект-нарушитель, после оценки достоверности события, предпринимается ПСБ объекта.
Исходя из требований уровня обеспечения безопасности объекта, может быть реализовано достаточно большое количество вариантов ИСО.
Рассмотрим два возможных варианта построения систем охраны объектов, представляющих некоторые крайние случаи.
Стандартная ИСО (СИСО) включает: СОС объекта, построенную с использованием достаточного для уверенного обнаружения объекта-нарушителя числа различных датчиков охранной сигнализации (ДОС), и ТСВ, оснащенную достаточным для распознавания сигнала тревоги числом видеокамер контроля (ВКК), а также других необходимых для функционирования системы компонентов. В [2] определен состав основных компонентов ТСВ: ВКК; система освещения объекта; система передачи телевизионного сигнала; аппаратура коммутации видеосигналов (коммутаторы видеосигналов (КВС)); видеоконтроллер; устройства видеозаписи; телевизионные мониторы (видеоконтрольные устройства (ВКУ)).
Для экономии средств в некоторых системах охраны (назовем их неполными ИСО (НИСО)) часто в процессе проектирования или реализации СОО отказываются от применения значительной части СОС, в первую очередь, уменьшая число ДОС. Предельным случаем упрощения ИСО является использование в СОО только ТВС, в которой совмещаются функции визуального обнаружения объекта-нарушителя и распознавания сигналов тревоги. Очевидно, что при этом ТСВ может быть предложена для использования на объектах, допускающих достаточно низкий уровень обеспечения безопасности, например, в супермаркетах при наблюдении за торговыми залами.
Алгоритм действия СОБ, использующей стандартную ИСО или одиночную ТСВ, очевиден и состоит в следующем:
1) обнаружение объекта-нарушителя СОС либо оператором ТСВ в процессе визуального наблюдения;
2) принятие решения о происшедшем событии, т.е. непосредственно распознавание сигнала тревоги;
3) реагирование на сигнал тревоги ПСБ при действительно достоверном событии - вторжении объекта-нарушителя в пределы контролируемой зоны.
Изменение этого алгоритма может нанести ущерб работе СОО и, соответственно, уменьшить защищенность охраняемого объекта.
Выбор ДОС, их расположение и число рассматриваются в соответствующей литературе, например, в [3, 4]. В современных СОС широко используются радиоволновые и радиолучевые ДОС [1], позволяющие организовать эффективную охрану и контроль как периметров объектов, так и замкнутых пространств помещений. С различной степенью на достоверность распознавания сигналов тревоги в СОО будут оказывать влияние характеристики ТСВ, организация взаимодействия СОО и ТСВ, работоспособность оператора. Каждый из вышеупомянутых факторов оказывает влияние на другие, например: использование равномерного освещения контролируемого пространства снижает утомляемость оператора; наличие в КВС или видеоконтроллере входов, сопрягающих ТСВ и ДОС, позволяет коммутировать на основном мониторе изображение с ВКК некоторой «тревожной» зоны охраняемого объекта, что, в свою очередь, также уменьшает утомляемость оператора.
Очевидно, что степень достоверности распознавания сигналов тревоги в СОО связана с количеством ВКК и их характеристиками. Вместе с тем, нельзя однозначно утверждать, что простое увеличение количества ВКК приведет к увеличению искомой степени достоверности распознавания. В частности, в [4] отмечено, что чрезмерное увеличение количества ВКК приводит к увеличению времени реакции оператора и снижению эффективности обнаружения объекта-нарушителя. Для решения задачи следует некоторым образом соотнести число зон обнаружения, связанное с применением ДОС, и число зон распознавания, определяемое ВКК. Необходимо учесть, что вероятность обнаружения СОС объекта-нарушителя максимальна на некоторой средней дальности [7], а вероятность идентификации максимальна в районе ближней границы ВКК.
Соотношение между числом ДОС и ВКК выбирается, исходя из требований к ИСО, и вообще говоря, может быть различным. Зона распознавания ВКК может не совпадать с зоной обнаружения ДОС; их совпадения желательно добиваться, но делать это следует в оптимальных пределах. Перечислим некоторые общепринятые случаи сочетания ДОС и ВКК: число ВКК соответствует числу ДОС; число ВКК соответствует числу охраняемых объектов (помещений); число ВКК должно обеспечивать визуальный контроль (полный или частичный) определенной территории либо определенного пространства. Каждый из приведенных вариантов имеет свои достоинства и недостатки; оптимальным является подход, обеспечивающий максимально возможную достоверность распознавания сигнала тревоги ТСВ в течение минимально возможного времени наблюдения оператора.
Реализация в ТСВ использования одного постоянно активного основного монитора и коммутируемых при необходимости дополнительных мониторов является одной из основных схем реализации современных ТСВ . Задача эффективного распознавания сигналов тревоги в ТСВ в этом случае связана с оптимизацией коммутационных функций видеоконтроллера и нахождением вероятностных характеристик его работы.
Использование видеоконтроллера в ТСВ позволяет осуществить рациональное использование времени оператора, снизить его загрузку и утомляемость, соответственно повысив степень распознавания сигналов тревоги. К важнейшим функциям видеоконтроллера относятся управление коммутацией ВКК и, соответственно, зон наблюдения ДОС, а также управление видеозаписью охраняемых зон объекта. Для эффективной реализации коммутационных функций видеоконтроллера следует выбрать подходящий математический аппарат, позволяющий ранжировать последовательность подключения ВКК к основному монитору в зависимости от степени реальности нарушения границ контролируемой территории. Поскольку процесс обнаружения объекта-нарушителя имеет вероятностный характер, то следует предположить, что и алгоритм работы видеоконтроллера будет таким же. Отметим, что и для оператора ТСВ появление объекта-нарушителя носит случайный характер.
Для каждого конкретного случая ожидаемого появления объекта-нарушителя можно поставить в соответствие некоторую априорную вероятность, которая в некоторой мере устраняется при его по-
явлении. Если предположить полное отсутствие ложных срабатываний ПОС, в том числе обусловленных различными помехами, то появление объ-екта-нарушителя и его обнаружение полностью устраняло бы данную неопределенность.
Вместе с тем, вероятное ложное срабатывание ДОС приводит к тому, что априорная неопределенность уменьшается только в некоторой степени. Степень уменьшения априорной неопределенности характеризует количество информации, принятой оператором. Произошедшее обнаружение объекта-нарушителя или, наоборот, ложная фиксация превращают, таким образом, априорную вероятность в апостериорную.
Алгоритм работы видеоконтроллера может быть реализован на использовании функции правдоподобия. Зная эту функцию, можно установить, какому из сигналов, сформированными ДОС, соответствует ее максимум; этот сигнал и окажется наиболее вероятным сигналом тревоги.
Определим значение функции правдоподобия. Пусть Р(ис , иСОМ) представляет собой вероятность совместного появления двух событий -передачи сигнала тревоги ис от датчика ДОС на видеоконтроллер, который, в свою очередь, принимает решение о передаче сигнала видеоизображения иСОМ "тревожной" зоны соответствующей ВКК на основной монитор. Будем считать, что априорные вероятности передачи сигналов для N различных ВКК известны и равны соответственно Р(uC1), Р(uC2), •••, Р(исн).
Функция правдоподобия определяется выражением
Р(иС / иСОМ
) = кР (ис) Дис), (1)
ч-1
где к =
( N
I
V 1=1
Р(иа)Р(исом / иС1)
- постоянная
величина, представляющая полную вероятность появления на основном мониторе сигнала иСОМ; Ь(ис) - функция правдоподобия; Р(иС / иСОМ) -вероятность посылки сигнала от объекта-нарушителя; Р(иСОм / ис)- вероятность обнаружения объекта-нарушителя; Р(ис) - вероятность появления объекта-нарушителя в зоне обнаружения ДОС.
Коэффициент к представляет постоянную величину, поскольку полная вероятность появления на основном мониторе сигнала исОМ является некоторой средней величиной передачи сигнала тревоги для всех возможных значений иС1 от всех ДОС и от ис в результате не зависит.
Функция правдоподобия представляет собой, в случае использования этой функции для описания СОО, вероятность обнаружения объекта-нарушителя:
Р(ис) = Р(иСОМ /ис). (2)
Если предположить, что априорные вероятности Р(ис) одинаковы для всех сигналов ДОС, то можно утверждать, что функция правдоподобия Ь(ис) однозначно определяет величину (1).
Таким образом, через функцию правдоподобия по (1) можно определить апостериорную вероятность посылки сигнала от конкретного ДОС, а также возможно вычислить апостериорную вероятность возникновения ложного сигнала.
Микропроцессор видеоконтроллера обрабатывает сигналы ис1, поступающие от ДОС, и коммутирует изображение соответствующей ВКК через КВС на основной монитор. Алгоритм обработки сигналов в видеоконтроллере сводится к нахождению функций правдоподобия Ь(иС1) для каждого из сигналов ис1, пришедших от ДОС. В результате на основной монитор ТСВ поступают изображения в порядке, определенном величиной функции правдоподобия каждого ДОС и соответствующей ему ВКК. При этом видеоконтроллер анализирует значение функции правдоподобия только по ее величине для каждого ДОС в каждый заданный интервал времени; смена изображений контролируемых ВКК зон распознавания на основном мониторе происходит в соответствии с "весомостью" сигнала тревоги. Оператор может задать и другой алгоритм работы видеоконтроллера, проигрывая в этом случае в достоверности распознавания сигнала тревоги.
Вычисление апостериорных вероятностей обнаружения объекта-нарушителя Р(иС / иСОМ) и возникновения ложного сигнала Р(щ / и^}} ) позволяет сделать вывод о регистрации проникновения в охраняемую зону.
Остановимся на показателях оптимальности обнаружения в СОО. Решение об обнаружении сигнала при появлении объекта-нарушителя в контролируемой зоне выносится на основании проверки правильности двух гипотез: первой гипотезы Н1, предполагающей наличие в сигнале на основном мониторе исОМ полезного сигнала и помехи ис1; второй гипотезы Н0, предполагающей отсутствие сигнала и наличие одной только помехи иС0 :
\H 1: иСОМ = UC + иП = UC1, (3)
lH 0 : иСОМ = иП = UC0.
Рассматривая ИСО в целом, можно говорить о некотором показателе оптимальности обнаружения объекта-нарушителя [S], представляющего собой вероятность неправильного принятия решения или вероятность ошибки:
РОО = 1 - ^рав = P(uC1)Рпроп + P(uC0)РЛО , (4)
где PпраБ - вероятность правильного решения; P(uci) - априорная вероятность наличия сигнала; P(.C0) - априорная вероятность отсутствия сигнала; Рпроп = P(uC0 / uC1) - вероятность пропуска сигнала; РЛО = P(uC1 / uC0) - вероятность ложного
обнаружения.
Вероятность правильного решения можно определить из выражения
^прав = P(uC1)1 - Рпроп J+ P(uC0)[l - РЛО J . (5)
Показатель оптимальности обнаружения PQQ следует минимизировать; очевидно, что этот показатель зависит от априорных вероятностей наличия и отсутствия сигнала, вероятностей пропуска сигнала и ложного обнаружения. При этом вероятности пропуска сигнала и ложного обнаружения, а также правильного обнаружения и необна-ружения сигнала находят, как будет показано ниже, для различных начальных условий.
Для обнаружения объекта-нарушителя следует вынести однозначное решение, которое может сопровождаться двумя видами ошибок. В одном случае принимается решение «нет», когда наряду с помехой присутствует сигнал, т.е. осуществляется пропуск объекта-нарушителя. В другом случае, при принятии решения «да» происходит ложное обнаружение, когда регистрируется только помеха. Осуществить обнаружение с учетом вышеназванных ошибок позволяют некоторые правила, использующие функцию выигрыша, которая максимальна при правильном решении задачи обнаружения объекта-нарушителя.
Поскольку в процессе работы ошибки могут возникать как в СОС, так и ТСВ, то следует рассматривать отдельно для каждой из систем свой алгоритм принятия решений на основании известных критериев оптимального решения.
Для СОС наиболее приемлем критерий Неймана - Пирсона, позволяющий получить максимальную вероятность обнаружения сигнала от объекта. Правильные решения в данном критерии
неравноценны, что следует из самого определения критерия.
В критерии рассматривают значение функции выигрыша m(uCi, uCj), которая является функцией
двух аргументов: действующего сигнала uCi и сигнала uCj, в пользу которого принимается решение. При наличии объекта-нарушителя значение функции выигрыша m(uCi,uCj) = 1, при его отсутствии
m(u,
.p
Ci, “Cj
) = б . Величину б определяют как цену
правильного решения при отсутствии сигнала, которая зависит от отношения функций правдоподобия сигналов для совместного действия сигнала и помехи L(uci ) и действия только помехи L(uC0), причем 1сп = L(uc1 )/L(uC2)>б .
Особенностью критерия Неймана - Пирсона является также то, что априорные вероятности будут равны между собой и в расчетах, следовательно, их можно не учитывать.
Применение в СОС критерия идеального наблюдателя в практических случаях не имеет смысла, поскольку при обеспечении получения минимума вероятности ошибки не максимизируется интересующая вероятность обнаружения. Критерий последовательного наблюдателя в данном случае также оказывается неприемлемым вследствие случайности времени наблюдения.
Наиболее часто задачу обнаружения протяженных объектов ДОС рассматривают в предположении, что параметры их движения точно не известны. В случае, когда сигнал, отраженный от обнаруживаемого объекта-нарушителя, является детерминированным, задача обнаружения сигнала на фоне внутриприемного гауссовского шума формируется в виде двух гипотез (3). Если эта статистическая задача для СОС решается по критерию Неймана - Пирсона, то вероятность правильного обнаружения будет оцениваться выражением [10]
РПО _1 Рпроп_1 Ф
Uпор (2E/Nо )0,5 -
-(2 E/N0)1
0,5
(б)
где и - величина порогового уровня, определяемая при критерии Неймана - Пирсона заданной вероятностью ложного обнаружения ідо; N0 -спектральная плотность мощности внутриприем-ного белого гауссовского шума; Е - энергия сигнала £(ґ).
Вероятность ложного обнаружения можно найти из выражения
РлО = 1 - Ф^пор (2E/N0 )-0,5 J. (7)
Показатель оптимальности обнаружения объ-екта-нарушителя, таким образом, для вышеназванных условий обнаружения определится с учетом (4):
роо = Р(иа)Ф
+Р(иСО){
U пор (2Е/ N0 Г0,5 -(2^N0)'
0,5
1-Ф
^р (2Е/N0 )
0,5
.
(S)
Как показывают исследования в различных условиях видеоконтроля применение различных упрощенных схем построения СОО приводит к значительному снижению эффективности обнаружения объекта-нарушителя оператором ТСВ уже через час работы и менее [2]. Повысить эффективность обнаружения возможно, применяя в СОО видеодетекторы движения (ВДД). При этом использование ВДД в системах охраны носит нарастающий характер [1], позволяя даже при построении СОО с использованием только ТСВ получить достаточную достоверность распознавания сигналов тревоги.
В качестве критерия оптимального решения для ТСВ, использующих в своем составе ВДД, целесообразно предложить критерий последовательного наблюдателя. Его преимущество состоит в том, что в процессе многократного наблюдения становится возможным минимизировать среднее время наблюдения, а, следовательно, увеличить достоверность распознавания сигналов тревоги, в том числе, благодаря меньшей утомляемости оператора ТСВ. Недостатком критерия, как было отмечено выше, является случайность времени наблюдения. Вместе с тем, известно [4], что в некоторых системах охраны специально реализуют различную продолжительность переключения ВКК с целью снижения утомляемости оператора. И тогда недостаток критерия при выполнении некоторых условий может быть использован даже для увеличения эффективности обнаружения.
Число наблюдений заранее не определяется и является достаточным в том случае, когда оператор убеждается в наличии или отсутствии объекта-нарушителя. При использовании этого критерия выбирают некоторые приемлемые значения ошибок первого а и второго Р рода , которые характеризуют определенные значения вероятностей ложного обнаружения P(ua / UC0) и пропуска объекта-нарушителя P(uC0/uC1). В процессе распознавания устанавливают пороги a и b, причем b >> a. Путем последовательного сравнения отношения правдоподобия ісП и порогов a и b продолжают обнаружение до тех пор, пока не будет принято решение об отсутствии или наличии объ-екта-нарушителя. Численные значения порогов a и b также определяются вероятностями P(uC1 / uC0) и P(uC0 / uC1); задаваясь определенными значениями этих вероятностей , возможно добиться оптимальности обнаружения.
Анализ функции правдоподобия позволяет выносить корректное решение о достоверности сигнала тревоги в ТСВ, а с целью уменьшения среднего времени наблюдения в ТСВ с использованием ВДД предложено применять критерий последовательного наблюдателя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Магауенов Р.Г. Системы охранной сигнализации: основы теории и принципы построения: Учеб. пособ. -М.: Горячая линия - Телеком, 2004.
2. М. Гарсиа. Проектирование и оценка систем физической защиты. Пер. с англ. - М.: Мир: ООО «Изд. АСТ», 2002.
3. Петраков А.В. Защита и охрана личности, собственности, информации. Справочное пособие. - М.: Радио и связь, 1997.
4. Петраков В.А., Лагутин В.С. Телеохрана: Учеб. пособ. изд. 3-е, доп. - М.: СОлОН-Пресс, 2004.
Дата поступления: 01.11.2005
