Федеральная целевая программа

Федеральная целевая программа
«Исследования и разработки по приоритетным
направлениям развития научно-технологического
комплекса России на 2014—2020 годы»
Соглашение
№ 14.607.21.0088 от 24.11.2014
на период 2014 - 2016 гг.
Тема: Разработка методов и средств обработки и
интеллектуального анализа изображений и потоковых данных,
получаемых со множества стационарных и подвижных сенсоров, с
использованием высокопроизводительных распределенных
вычислений для задач мониторинга помещений и прилегающих
территорий
Руководитель проекта: зав. лаб., Тищенко И.П.
Информационно-телекоммуникационные системы
Участники проекта
Получатель субсидии: ФГБУ науки Институт программных систем им. А.К.
Айламазяна РАН. Основные направления деятельности:
искусственный интеллект,
параллельные
вычисления,
технологии
построения
региональных
телекоммуникационных
сетей,
медицинские
информационные
системы,
теория
управления. Опыт аналогичных проектов: госконтракт «Разработка алгоритмов и
методов организации высокопроизводительных конвейерно-параллельных
вычислений в облачных средах» (2013 г.), госконтракт «Разработка
программно-инструментального комплекса высокопроизводительной обработки
изображений медицинского и промышленного назначения» (2013 г.). Среди
участников коллектива: 1 доктор наук, 4 кандидата наук, 6 аспирантов и соискателей.
Индустриальный (или международный) партнёр: ООО "Криотех". Сфера
деятельности: разработка и внедрение систем в области удаленного управления и сбора
данных с помощью мобильных устройств; разработка проектов промышленных процессов
и производств, относящихся к электротехнике, горному делу, машиностроению и др., а
также в области промышленного строительства, системотехники и техники безопасности.
Размер внебюджетного финансирования за 2015 год - 6 млн. руб. Способы поддержки:
оснащение рабочих мест разработчиков необходимым ПО, закупка оборудования (КВУ,
FPGA-вычислители), реализация ГИС для распределенной системы наблюдения,
мероприятия по освещению и коммерциализации результатов ПНИ и др.
Соисполнитель (-и): 1. Союз общественных объединений "Международный союз
приборостроителей и специалистов по информационным и телекоммуникационным
технологиям" ("МСП ИТТ"), задачи: проведение патентных исследований, разработка
средств проверки работоспособности алгоритмов, разработка программы и методики
экспериментальных исследований и др.
2. ООО «НаноАрм», задачи: разработка методов организации параллельных вычислений
на CPU и GPU, разработка алгоритмов обработки изображений и потоковых данных от
различных сенсоров, анализ результатов и сравнение их с мировыми аналогами.
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
2
Цели и задачи проекта
Цель:
повышение эффективности алгоритмов обнаружения, распознавания и
прослеживания объектов на изображениях за счет использования комплекса цифровых
сенсоров, в том числе подвижных сенсоров, устанавливаемых на подвижные технические
средства (летающие, ездящие).
Задачи:
•разработка алгоритмов параллельной обработки изображений и потоковых данных для
обнаружения, сопровождения, классификации и распознавания событий и объектов
интереса на изображениях, в том числе с использованием трехмерных данных,
•разработка алгоритмов структурирования и комплексирования потоковых данных,
•разработка принципов и методов организации и работы систем наблюдения, основанных
на применении подвижных сенсоров.
•Актуальность:
•недостаточное развитие средств автоматической локализации и распознавания объектов
интереса в системах наблюдения,
•ограниченные возможности сенсоров, работающих только в видимом диапазоне,
•ограниченные возможности стационарных сенсоров.
•Научная новизна:
•применение подвижных технических средств, оснащенных различными сенсорами,
облегчает решение задач обнаружения, распознавания и прослеживания объектов
интереса.
•всестороннее использование сенсоров, работающих вне видимого диапазона, и методов
комплексирования разнородной информации, расширяет возможности и рабочий
диапазон систем наблюдения и безопасности.
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
3
Ожидаемые результаты проекта
•Алгоритмы обработки изображений и потоковых данных, включая данные сенсоров,
работающих вне видимого диапазона:
•алгоритм предварительной обработки, в том числе фильтрации и подавления
шумов, потоковых данных с оптических сенсоров разных частотных диапазонов, а
также потоковых локационных данных;
•универсальный алгоритм комплексирования данных сенсоров видимого диапазона
света с данными полученными от двумерных или трехмерных сенсоров иной
природы (локационных, полученных в результате сканирования, а также
инфракрасных)
•алгоритм поиска и распознавания объектов и событий заданных классов в потоках
двумерных и трехмерных данных с применением методов слияния информации;
•алгоритм классификации объектов и событий заданных классов в двумерных и
трехмерных данных с применением методов слияния информации;
•алгоритм структурирования потоковых данных.
•Алгоритмы позиционирования подвижных сенсоров в задачах облета территории, а
также задачах поиска и сопровождения объектов интереса.
•Алгоритмы обработки изображений и потоковых данных с подвижных сенсоров для
задач обнаружения, сопровождения, распознавания объектов интереса.
•Программно-аппаратный комплекс обработки изображений и потоковых данных,
получаемых со множества стационарных и подвижных сенсоров, с использованием
высокопроизводительных
распределенных
вычислений
для
задач
мониторинга
помещений и прилегающих территорий. Комплекс будет обеспечивать проверку
работоспособности
разработанных
методов
и
алгоритмов
предобработки,
комплексирования информации, локализации, распознавания и прослеживания объектов
определенных классов.
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
4
Сопоставление ожидаемых результатов с
аналогичными разработками мирового уровня
•Рынок бесплатных систем видеонаблюдения: развит достаточно слабо, системы не
обеспечивают высокий уровень производительности и ориентированы на ОС Windows.
Примеры таких систем: ZoneMinder, Ispyconnect, Axxon Next.
•Система BLUECHERRY - для серверов на ОС Linux, платная, поддерживает GPUускорение.
•Программа для видеонаблюдения Xeoma: кроссплатформенная, содержит детектор
звука, автоматическое слежение за движущимися объектами с зуммированием, поиск в
архиве обнаруженных движений по дате и в выбранной зоне, детектор движения.
Платная, нет поддержки GPU.
•Интеллектуальное видеонаблюдение Kipod: ОС Linux, автоматического распознавания
объектов и ситуаций в потоковом видео, с поддержкой GPU на стороне сервера и
клиента. Обнаружение, слежение, классификация, распознавание объектов. Графический
ускоритель - Intel HD Graphics (уступает возможностям графических ускорителей NVIDIA
и AMD).
•CCTV Facial Recognition & Video Analytics Software Systems - система анализа
видео, возможности: определение виртуального периметра и организация оповещения о
его нарушении, подсчет людей и автотранспорта в потоке, анализ трафика (остановки,
нарушения, движения задним ходом и др.), автоматическое управление камерами для
обеспечения возможности распознавания лиц и отслеживания объектов наблюдения,
слежение за объектами (сигнализация в случае исчезновения из зоны видимости), поиск
по цифровым архивам, распознавание лиц, идентификация личностей.
•Анализ показывает, что на рынке не существует систем, в которых бы активно
использовались подвижные сенсоры, и которые бы обладали бесплатностью,
высокой производительностью и обширным функционалом.
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
5
Перспективы практического использования
Потенциальные потребители результатов проекта:
1. Министерство чрезвычайных ситуаций РФ, Министерство обороны РФ,
Министерство транспорта РФ
2. Промышленные предприятия, в особенности занимающиеся выпуском
продукции в условиях повышенной опасности
3. Частные
и
государственные
предприятия
и
учреждения:
для
автоматизации охранного процесса
Перспективы использования результатов:
Повышение
надежности
и
эффективности
систем
видеонаблюдения,
промышленного контроля и контроля доступа с применением методов
автоматической
локализации
и
распознавания
объектов
интереса,
использованием
сенсоров,
работающих
в
широком
диапазоне
электромагнитного спектра, а также сенсоров, установленных на подвижных
технических средствах.
Ожидаемые
народно-хозяйственные
и
экономические
эффекты
внедрения
исследовательской работы:
социальнорезультатов
Интеграция сферы беспилотных летательных аппаратов и других подвижных
технических средств в области видеонаблюдения, промышленного контроля и
систем безопасности.
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
6
Результаты исследовательской работы,
полученные в 2015 г.
•Разработан метод векторизации и организации параллельных вычислений,
основанный на автоматической трансляции программ с высокоуровневого
языка
QuickPSA
(язык
алгоритма
параллельных
подстановок)
на
низкоуровневые языки (Verlog, C) для соответствующей аппаратной
платформы (ПЛИС, GPU).
•Разработаны принципы и методы организации и работы систем наблюдения,
на основе концепции сенсорных вычислительных узлов (СВУ), объединяющих
в себе микрокомпьютеры, микроконтроллеры, а также различные сенсоры.
Посредством Wi-Fi или Ethernet отдельные СВУ объединяются в систему.
•Разработана методика использования подвижных сенсоров в задачах
мониторинга зданий территорий и районов, а также в задачах поиска и
слежения за объектами:
•способы определения координат подвижных технических средств и
объектов интереса;
•способы предварительной обработки эталонных снимков местности;
•принципы использования одновременно нескольких ПТС.
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
7
Базовая схема потоков данных
КВУ
ВУ 1
Пользователи
ВУ 2
БД
…
ВУ N
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
8
Структура клиент-серверной программы
моделирования исполнения системы
параллельных подстановок
Сервер
Клиент
Adobe Flash
PSACodGen
shell.py
Apache
full.py
Active Python
Генератор
PSA
APPDemo.swf
psagen.py
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
9
Прикладная задача – поиск световых
маркеров на изображениях
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
10
Результаты исследовательской работы,
полученные в 2015 г.
Разработана общая архитектура, выбрано алгоритмическое обеспечение,
обоснованы принципы функционирования создаваемого программного
комплекса:
1. поддержка многоуровневой структуры вычислительной сети (grid);
2. масштабирование;
3. гетерогенный характер вычислительной сети (кластерные вычислительные
установки,
персональные
компьютеры,
микрокомпьютеры,
микроконтроллеры);
4. использование ссылок на ресурсы как средство уменьшения количества
операций копирования данных;
5. представление вычислительного комплекса общим набором состояний
вычислительных узлов в виде одноранговой сети с наличием маршрутов
между всеми узлами;
6. наличие хранилища данных (ресурсы, данные для обработки и передачи),
стратегии управления и менеджер каналов;
7. параллельно-конвейерная обработка потоковых данных.
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
11
Сравнение разрабатываемого комплекса конвейернопараллельной обработки данных с существующими
аналогами
Наша
разработка
Kepler
ANSYS
EKM
Microsoft
Workflow
Foundation
CODE
BOINC
Конвейеризация исполнения
задачи
+
+
-
-
-
-
Поддержка модулей системы с
внутренним параллелизмом
+
-
-
-
-
-
GUI с поддержкой визуального
программирования
+
+
+
+
+
-
Кроссплатформенность
+
+
+
-
-
+
Открытый исходный код
+
+
-
-
+
+
Qt/C++
Java
Java
.NET
Tcl
C/C++
+
н/д
н/д
н/д
н/д
-
+
н/д
н/д
н/д
н/д
+
+
н/д
н/д
н/д
н/д
+
Параметр
Язык (платформа) реализации
Поддержка многоуровневой
архитектуры
Поддержка гетерогенной
среды
Поддержка
отказоустойчивости
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
12
Состояние выполнения запланированных
индикаторов
Наименование
Единица
измерения
Значения за текущий год
Запланировано
на текущий
2015 год
Достигнуто
за отчетный
период
млн. руб.
18,35
6
4
2,4
%
70
60
90,5
81,8
Число публикаций в научных журналах,
индексируемых в БД Scopus или в БД Web of Science
единиц
2
0
1 (+3)
(+1)
0
Число патентных заявок, поданных по результатам
исследований и разработок
единиц
1
0 (+1)
1
Объем привлеченных внебюджетных средств
Доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей
численности исследователей - участников проекта
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
13
Состояние выполнения запланированных
индикаторов
Наименование
Единица
измерения
Значения за текущий год
Запланировано
на текущий
2015 год
Достигнуто
за отчетный
период
Средний возраст исследователей – участников
проекта, не более
лет
45
33,6
Количество мероприятий по демонстрации и
популяризации результатов и достижений науки
единиц
1
2
Использование при выполнении ПНИ уникальных
научных установок
единиц
1
1
Использование при выполнении ПНИ научного
оборудования центров коллективного пользования
научным оборудованием
единиц
1
0
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
14
Спасибо за внимание!
Докладчик:
инженер-исследователь, Кондратьев Алексей Анатольевич
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
15