NEST (Network Enabled Surveillance and Tracking)

Produktbeschreibung:

Intelligente videogestützte Sicherheits- und Monitoringsysteme finden in Forschung und Entwicklung große Aufmerksamkeit.

Neue technologische Möglichkeiten, verbunden mit einer in der öffentlichen Wahrnehmung zugespitzten Gefahrenlage und der stetigen Forderung nach höherer Effizienz, lassen eine steigende Nachfrage nach innovativen Lösungen erwarten. Sowohl zur Kriminalitätsprävention in öffentlichen Räumen, zur Aufdeckung von Industriespionage in Unternehmen als auch für die Unterstützung polizeilicher Ermittlungen nach Delikten werden intelligente Videoüberwachungssysteme vermehrt zum Einsatz kommen.

Die meisten derzeit im Einsatz befindlichen Videoüberwachungssysteme haben eines gemeinsam:
Die Überwachungsaufgabe wird von einem menschlichen „Operator“ (z.B. Mitarbeitern eines Sicherheitsdiensts) übernommen.

Dieser muss eine gewisse Anzahl von Monitoren im Auge behalten und über Stunden hinweg Auffälligkeiten detektieren. Dies führt in der Regel zu einer reduzierten Effektivität.
Zum einen ist die Aufmerksamkeit des Menschen über die Zeit nicht konstant und zum anderen ist durch die geringe Anzahl der Sicherheits-Mitarbeiter die Anzahl der Sensoren ebenfalls begrenzt, da ein einzelner Operator nur wenige Monitore verwalten kann.

Eine Möglichkeit diese Problematik zu umgehen ist der Einsatz von automatischen Sensorauswertungsverfahren. Automatische Überwachungssysteme sind in der Lage, rund um die Uhr mit konstanter Leistung eine hohe Anzahl an Sensoren zu verwalten und auszuwerten. Der menschliche Operator erhält dadurch die Möglichkeit, auf verarbeitete Daten zuzugreifen und sich somit auf höherwertige Aufgaben wie die Lageeinschätzung (Situation Awareness) zu kon-zentrieren

Eine der meistgefragten, jedoch bisher weitgehend ungelösten, Aufgaben ist die Detektion von „verdächtigem Verhalten“ oder das sensorübergreifende Verfolgen von verdächtigen Personen oder Fahrzeugen in großen Sensornetzwerken.

Durch die komplexen und vielfältigen Umgebungsbedingungen sind hierbei extrem hohe Anforderungen an die Videoanalyse- und Sensor-auswerteverfahren gegeben. Während die derzeit kommerziell zur Verfügung stehen-den Videoüberwachungssysteme erste Schritte in Richtung automatischer Video-analyse gehen, wobei primär einfache Videoauswerteverfahren auf einzelne Kameras angewendet werden, beschäftigt sich die Wissenschaft heute mit der Erforschung neuer Verfahren und Methoden zur Auswertung von Videodaten in Sensorverbünden und der auf Sensorinformationen aufbauenden Situati-onsanalyse. Das Fraunhofer IOSB gehört auf diesem Feld zu den führenden Instituten.

Im Forschungsprojekt NEST (Network Enabled Surveillance and Tracking) wurde am Fraunhofer IOSB eine generische und offene Architektur entwickelt, die sensor- und herstellerunabhängig eine Infrastruktur zur Informationsgewinnung, –aufbereitung und –analyse bereitstellt. Die Architektur ist so konzipiert, dass man durch modulare Verknüpfung von Schlüsselkomponenten das System für unterschiedlichste Systemanforderungen und Anwendungsmöglichkeiten konfigurieren kann.

NEST konzentriert sich hierbei auf die Untersuchung und exemplarische Umset-zung von drei innovativen Konzepten im Bereich von Sicherheitssystemen: Der sogenannte „NEST Plug & Protect“-Ansatz, die „auftrags- und aufgabenorientierte Datenauswertung“ und der „NEST Modellwelt“-Ansatz.

Durch das „NEST Plug & Protect“-Prinzip soll erreicht werden, dass Sensoren (insbe-sondere Sensoren mit integrierter Signal-auswertung, sogenannte Smart Sensors) sich nach Ankopplung im Sensornetzwerk automatisch im NEST-System authentifi-zieren und registrieren. Wird ein neuer Sen-sor als „NEST Compatible“ erkannt, kann dieser ab sofort von bereits in Betrieb genommenen Analysekomponenten ausgewertet werden.
Die „Plug & Protect“-Fähigkeit soll dazu führen, dass die Erweiterung des Sensornetzwerkes effektiv, schnell und ohne Expertenwissen vonstatten gehen kann. Seitens der Sensorkonzeption und der Sensordatenverarbeitung fokussieren die Forschungsaktivitäten am IOSB auf die Entwicklung neuer Methoden zur Selbstkalibrierung, konfiguration und para-metrisierung von Sensorsysteme.

Die NEST Architektur stellt hierfür die nötige Infrastruktur für die Detektion, Registrierung, Verwaltung und Steuerung von „Plug & Protect“-fähigen Sensoren zur Ver-fügung.

Die „Auftrags- und Aufgabenorientierte Datenauswertung“ ist einer der wichtigsten „Leitgedanken“ im NEST Konzept, insbesondere bei der Sensordatenauswertung und -speicherung. Hierbei ist die Idee, nur auftrags- und/oder aufgabenrelevante Informationen von den „intelligenten Sensoren“ anzufragen, auszuwerten, zu visualisieren oder zu archivieren. Am IOSB werden hierfür gezielt Algorithmen zur auftragsorientierten Sensorselektion entwickelt, mit Hilfe derer lediglich Daten von relevanten Sensoren angefordert, fusioniert und dem Bediener bereitgestellt werden. Dadurch soll das Datenaufkommen in großen Sensornetzen, aber auch die erforderliche Speicherka-pazität von Archiv-Servern bezüglich der aktiven Überwachungsaufgaben optimiert werden. Weiter werden durch die auftrags- und aufgabenorientierte Auswertung keine Daten und Informationen visualisiert und archiviert, die als sicherheitsirrelevant ange-sehen werden, was dem „Privacy“-Aspekt zugute kommt.

Der „Modellwelt“-Ansatz stellt ebenfalls eine Innovation im Bereich von Sicherheits-systemen dar. Eine zentrale Komponente der modularen NEST Architektur fungiert als virtuelle Informationsdrehscheibe zwi-schen einzelnen Auswerte– und Analyse-diensten. Die Informationsdrehscheibe kann sowohl als Knotenpunkt für Informationssammlung, -verdichtung und -fusion als auch als gemeinsames Gedächtnis und Wissensrepräsentation im Überwachungssystem angesehen werden (Abb. 3). Gewonnene Daten über relevante Objekte, Zustände oder Ereignisse sollen von den „intelligenten“ Sensoren lediglich in geeigneter Form vorverarbeitet und in der „Modellwelt“ abgebildet bzw. aktualisiert werden. Unabhängig von der Daten- und Informationsgewinnung (Sensoren) greifen nun beliebige Situationsanalysedienste auf die Modellwelt zu, um eine Aussage über den aktuellen Auftragszustand zu treffen.
Dadurch ergeben sich eine Reihe von Vorteilen: Zum ei-nen sind die auftragsorientierten Instanzen von Situationsanalysediensten (z. B. Verfolgung von Personen, Diebstahlsicherung, etc.) unabhängig von den eigentlichen In-formationsquellen (Videobasiertes Tracking, RFID, etc.). Zum anderen wird durch diese Entkopplung vermieden, dass ein mehrfa-cher Bedarf an einer Information zu einer mehrfachen Rohdatenauswertung führt. Beobachtungen aus einem einzigen Sensor stehen in der Modellwelt einer Vielzahl an Analysediensten zur Verfügung.

Die NEST Architektur

Um die Flexibilität, Generik und Erweiter-barkeit für unterschiedlichste Anwendungen zu gewährleisten, wurde als Basis eine serviceorientierte Architektur gewählt (SOA). Die SOA stellt ein ausreichendes Abstraktionsniveau zur Verfügung, welches für ein offenes und beliebig erweiterbares System notwendig ist.

Die Kommunikation erfolgt über zwei logisch getrennte Busse, den „Service Control & Communication Bus“ und den „Result-Bus“. Auf dem „Service Control & Commu-nication Bus“ findet primär der Austausch von Steuerbefehlen und auftragsbezogenen Initialisierungsparametern statt. Um dies zu realisieren wurden alle Dienste in einer ein-heitlichen Beschreibungssprache spezifiziert (WSDL) und über ein passendes Interface eingebunden. Die WSDL-Schnittstelle über-nimmt hierbei die komplette Übersetzung vom spezifizierten Service-Befehl in proprietäre service-interne Kommandos. Dies ermöglicht somit auch die Einbindung beliebiger Verfahren von Drittanbietern in das NEST-System.

Der zweite Bus, der sogenannte „Result-Bus“, ist auf die Übermittlung hoch fre-quenter Daten wie Alarm-Meldungen, Posi-tionsdaten (Tracks) und Beobachtungsin-formationen ausgelegt. Spezifizierte Nach-richten (basierend auf dem OGC Standard) werden hierbei von Auswerte- und Analysediensten mittels JMS (Java Message Service) bandbreiteneffektiv transferiert und an anfragende Dienste (z.B. weitere Analysedienste, HMI, Archivierungsdienst, etc.) automatisch verteilt. Zusätzlich ist ein dritter Datenkanal, der „Streaming-Bus“, vorgesehen, der speziell für hochfrequente Daten mit hoher Bandbreite ausgelegt sein soll. Dies betrifft vor allem Videoströme, die in Echtzeit dem Bediener (zur Visualisierung) oder einem Archivierungsdienst (zur Videospeicherung) zur Verfügung gestellt werden müssen.

Zur Infrastruktur der NEST-Architektur gehören jedoch nicht nur die Diensteschnittstellen und die logischen Datenkanäle, sondern speziell auch die auftragsorientierte Steuerungseinheit des Systems. Der „Task-Execution-Service“ ist hierbei ein spezieller Dienst, der im System die Orchestrierung auftragsrelevanter Dienste übernimmt. Der „Task-Execution-Service“ erzeugt für jede Überwachungsaufgabe eine neue Instanz, die einen zum Auftragstyp definierten Ab-laufprozess ausführt. Die Überwachungs-aufgabe wurde hierbei mit BPEL (Business Process Execution Language) als „Geschäftsprozess“ modelliert.
Beim Durchlaufen des Prozesses werden zugehörige Dienste über den Service-Bus entsprechend gestartet, initialisiert, angefragt und freigegeben. Eine Besonderheit bei der Abarbeitung des Auftrags ist die Einbindung eines gemeinsamen Gedächtnisses (oder der Wissensrepräsentation) des Systems – die NEST Modellwelt. Alle aktivierten Überwachungsaufträge und zugehörigen Ablaufprozesse beinhalten den „Model Access Service“ als festen Bestandteil. Somit werden neue statische oder dynamische Informationen (z.B. neue Beobachtungen) über deren Abbildung in die Modellwelt auftragsübergreifend allen Diensten zur Verfügung gestellt.

Das NEST Demonstrations-system am IOSB

Am Fraunhofer IOSB wurde die hier vorgestellte Architektur für ein exemplarisches videobasiertes Überwachungssystem reali-siert. Das verteilte Sensornetzwerk besteht aus 25 statischen und beweglichen Kame-ras, verteilt auf drei Etagen des IOSB. Als Demonstrationsszenarien wurden drei si-cherheitsrelevante Applikationen gewählt: „Sensorübergreifende Personenüberwa-chung (Indoor)“, „Sensorübergreifende Fahrzeugüberwachung“ und „Interaktive Diebstahlsicherung“. Das erste Szenario wurde bereits komplett realisiert und steht am Fraunhofer IOSB als Demonstrationssys-tem zur Verfügung. Alle benötigten Komponenten, von der Bedienoberfläche über die Datenverwaltung, service-orientierter Prozesssteuerung, bis hin zu Situationsana-lyse- und Videoauswertungsalgorithmen gehören zu den Kernkompetenzen des IOSB und sind im Haus entwickelt worden.

Das hier vorgestellte Konzept und die ent-worfene Architektur stellen einen bedeu-tenden Schritt in Richtung „Sicherheitssysteme der nächsten Generation“ dar.

Die heutige „Sensor-Monitor“-Sichtweise wird hierbei durch eine auftragsorientierte semi-automatische Unterstützung des Si-cherheitspersonals abgelöst. Der Benutzer interagiert nicht länger mit den Sensoren direkt, sondern überträgt dem System definierte Überwachungsaufgaben und lässt die Informationsgewinnung, von NEST-Diensten durchführen.

Das hohe Automatisierungsniveau spiegelt sich in hohen Anforderungen an die Sys-temkomponenten: Von der Datengewinnung und -auswertung (Videoanalyse, Merkmalsextraktion) über die Situationsanalyse (Erkennung von sicherheitsrelevanten Ereignissen), den performanten Datenaustausch zwischen Diensten und die Archivierung hochfrequenter Daten, bis hin zu geeigneter Mensch-Maschine-Interaktion für optimale Aufmerksamkeitssteuerung des Sicherheitspersonals leistet NEST wichtige Beiträge an der Schwelle von aktueller Forschung zum praktischen Einsatz.

 

Produkt-Video:

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Hersteller

Fraunhofer IOSB
Fraunhoferstraße 1
76131 Karlsruhe, Germany

Produktfotos

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