Разработка системных решений по созданию облачного сервиса интеллектуальной обработки видеопотоков высокой доступности, интегрированного с корпоративными и ведомственными видеоподсистемами, основанных на использовании открытых протоколов и свободно распространяемого программного обеспечения

Проект выполнялся в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы», Соглашение от 24.11.2014 г. № 14.576.21.0080. с 24.11.2014 по 31.12.2016

Данный проект по разработке системных решений по созданию облачного сервиса интеллектуальной обработки видеопотоков высокой доступности, интегрированного с корпоративными и ведомственными видеоподсистемами, основанных на использовании открытых протоколов и свободно распространяемого программного обеспечения, направлен на решение таких важных государственных задач, как:

импортозамещение данного вида облачных технологий;
обеспечение технологической независимости нашего государства.

Решаемые задачи

Наличие развитой технологической облачной основы выдвигает на передний план целый пласт задач, связанных с интеграцией корпоративных и ведомственных информационных систем в облачную среду. На решение именно этих задач направлен данный проект. Одной из наиболее актуальных и сложных задач является обработка мультимедиаданных в облачной среде, что обусловлено, прежде всего, необходимостью наличия существенных вычислительных ресурсов для такой обработки, связанной с выполнением трудоемких операций по компрессии/декомпрессии мультимедийных данных (аудио и видео), а также ресурсоемкости современных алгоритмов видеоанализа. Консолидация таких мощностей в дата-центрах, а не распределение их по отдельным серверам представляется более экономичным и рациональным решением не только для корпоративных, но и для государственных заказчиков.

Научная цель проекта состоит в разработке, исследовании и программной реализации:

алгоритмов обеспечения высокой производительности и доступности облачных сервисов, в т. ч. в условиях сверхвысоких пиковых нагрузок со стороны клиентов;
алгоритмов интеллектуальной обработки потоков видеоданных с учетом специфики их выполнения на базе облачных сервисов.

Техническая цель проекта заключается в разработке облачного сервиса интеллектуальной обработки видеопотоков высокой доступности, интегрированного с корпоративными и ведомственными видеоподсистемами, основанного на использовании открытых протоколов и свободно распространяемого программного обеспечения.

Технико-экономическая цель проекта состоит в создании универсальной открытой облачной платформы для обработки видеопотоков, способной полностью заместить импорт зарубежных аналогов (Cisco VSM, Wowza streaming server и других).

Технологическая цель проекта состоит в распространении и использовании в России свободно распространяемого программного обеспечения и снижении технологической зависимости от проприетарных зарубежных решений.

Основные результаты проекта

На пятом заключительном этапе проведено обобщение полученных результатов ПНИ. Доказано, что все работы выполнены в полном объеме согласно требованиям Технического задания. Проведено сопоставление и анализа научно-информационных источников и результатов теоретических и экспериментальных исследований. Были проанализированы различные российский и зарубежные источники, исходя из которых можно сделать вывод, что разработка средств поддержки облачных программных систем является актуальной, а создание удобного и информативного пользовательского интерфейса для облачного сервиса интеллектуальной обработки видеопотоков – нетривиальная задача, решению которой посвящено множество публикаций в последнее время. Так же проведена технико-экономическая оценка полученных результатов ПНИ с учетом внедрения их в программный продукт Компас, разрабатываемый индустриальный партнером ООО «Нордавинд-Дубна». Приведены общие сведения о программном продукте. Проведен анализ рынка сбыта, определены основные потребители продукта, выявлены основные конкуренты, проведена сравнительная оценка аналогичных продуктов и программного продукта «Компас», с учетом внедрения результатов ПНИ. Разработаны рекомендации и предложения по созданию, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей Индустриального партнера – ООО «Нордавинд-Дубна». Также разработаны проекты технических заданий на ОКР «Разработка программного комплекса, реализующего методы интеграции облачных сервисов с информационными системами автоматизации бизнеса» и «Разработка программного комплекса, реализующего методы интеграции облачных сервисов с информационными системами автоматизации бизнеса» разрабатывался с согласно требованиям ГОСТ 34.602-89 «Техническое задание на создание автоматизируемой системы.

На четвертом этапе была разработана прикладная информационная система, предназначенной для обеспечения проведения экспериментальных исследований ЭО ПО. Проведены экспериментальные исследования экспериментального образца программного обеспечения облачного сервиса интеллектуальной обработки видеопотоков высокой доступности, интегрированного с корпоративными и ведомственными видеоподсистемами, основанного на использовании свободно распространяемого программного обеспечения по разработанной программе и методикам экспериментальных исследований, которые подтвердили:

1) методы и технические решения представления пользователю интегрированных данных;

2) методы аутентификации и авторизации при выполнении интеграции облачных сервисов и информационных систем автоматизации бизнеса;

3) разработанные способы интеграции для корпоративных и ведомственных информационных систем, в том числе систем видеоконференций, видеомониторинга, корпоративных и ведомственных систем видеонаблюдения.

Построена имитационная модель двухслойной архитектуры облачного сервиса, а также аналитическая сетевая модель двухслойной архитектуры облачного сервиса и аналитическая модель подсистемы авторизации пользователей. При близких значениях параметров систем аналитические и имитационные модели показывают сходные результаты, что говорит об адекватности построенных моделей. При разработке алгоритма интеграции облачных сервисов с корпоративными и ведомственными информационными системами были реализованы подсистема авторизации (аутентификации), обеспечивающая надежность и безопасность коммуникаций при интеграции облачных, корпоративных и ведомственных данных и механизмы преобразования интегрируемых данных и оркестровки интегрируемых приложений. При разработке математических моделей интеллектуальной обработки видеопотоков учтены сложности, связанные с большими объемами данных, необходимостью работы в режиме реального времени. Объектом моделирования являются процессы и объекты интеллектуальной обработки видеопотоков. Построены модели различных процессов и объектов, имеющих отношение к интеллектуальной обработке видеопотоков в составе облачных вычислительных систем. Разработанные алгоритмы обеспечивают формирование потока метаинформации на основе анализа потоков видео для последующего использования метаинформации для поиска данных в архиве. Разработанные алгоритмы обработки имеют вероятность детектирования (обнаружения) не менее 80%, при этом вероятность ложного срабатывания не превышает 15%. Построенная имитационная модель отказоустойчивого облачного сервиса в качестве параметров использует числовые значения следующих величин: время выявления того, что узел входного или выходного слоя вышел из строя; время перекоммутации одного потока с вышедшего из строя узла входного или выходного слоя на другой узел входного или выходного слоя, при условии что резервный узел уже включен, время включения узла входного и выходного слоя. При помощи модели отказоустойчивого сервиса можно показать, что при временном отказе оборудования, для которого имеется хотя бы один резервный компонент, способный взять на себя нагрузку вышедшего из строя компонента, время восстановления обслуживания в 86,5 % случаев не превышает 1 мин.

На первом этапе ПНИ проведен анализ современной научно-технической, нормативной и методической литературы, который позволяет сделать следующие выводы:

существуют проблемы, связанные с невозможностью обеспечения безопасности и конфиденциальности данных от компаний, предоставляющих облачные услуги, что затрудняет повсеместное использование облачного сервиса;
разработка средств поддержки облачных программных систем является актуальной задачей, активно обсуждаемой в современных научно-технических изданиях;
создание удобного и информативного пользовательского интерфейса для облачного сервиса интеллектуальной обработки видеопотоков – нетривиальная задача, решению которой посвящено множество публикаций в последнее время;
существует множество способов обеспечения безопасности входа в облачные сервисы, однако все они не обеспечивают абсолютной защиты данных;
выбор оптимального способа интеграции облачных сервисов и корпоративных информационных ресурсов для интеллектуальной обработки видеопотоков зависит от конкретных решаемых задач и состоит в применении соответствующих паттернов, позволяющих проводить интеграцию достаточно эффективно;
повышенное внимание уделяется проблеме создания механизмов обеспечения отказоустойчивости систем облачных вычислений, которые характеризуются высокой надежностью и требуют минимальных вычислительных затрат;
системы связных видеокамер и использование облачных вычислительных серверов является активно развивающимся и важным направлением исследований.

Проведены патентные исследования, которые показали, что в настоящее время в области интеллектуальной обработки видеопотоков хорошо изученной является тема, связанная с обработкой многоканальной видеосвязи и механизмами аутентификации. Перспективными направлениями в области разработки облачного сервиса интеллектуальной обработки видеопотоков высокой доступности могут быть алгоритмы, основанные на цифровой обработке видеопотоков и использовании открытых протоколов и свободно распространяемого программного обеспечения.

Проведено исследование основных направлений объекта ПНИ. По результатам проведенного анализа методов интеграции корпоративных информационных систем и облачных сервисов был сделан вывод, что в существующих подходах есть проблемы, связанные с эффективным управлением видеопотоками.

Проведено имитационное моделирование различных архитектур построения сервиса. По его результатам в качестве оптимального решения была выбрана двухслойная архитектура облачного сервиса. Для обоснования выбора оптимального варианта решения задач интеллектуальной обработки видеопотоков с применением облачных технологий описан круг специфических вопросов и сформулированы критерии оптимальности.

На втором этапе ПНИ рассмотрены методы представления пользователю интегрированных данных. В качестве универсальной основы для этого была выбрана портальная концепция, т. к. она обеспечивает централизованное размещение всех компонентов на серверной стороне (стороне портала), что облегчит последующую доработку, сопровождение и администрирование и обеспечит независимость от клиентского программного обеспечения, в т. ч. возможность использования мобильных платформ в качестве клиентов.

Проанализированы существующие открытые базы данных, и выбрана SQLite в качестве базы данных ЭО ПО. Проанализированы форматы представления пользователю интегрированных данных, существующие технологии Single Sign On (SSO), выбрана технология SAML, которая будет положена в основу разрабатываемого метода аутентификации и авторизации пользователей при выполнении интеграции облачных сервисов и корпоративных и ведомственных информационных систем.

Выполнена адаптация технологии SSO применительно к выбранному способу представления интегрированных данных (портал, реализованный на основе web-технологий) и протоколов передачи видеопотоков.

Для обеспечения интеграции всех возможных типов корпоративных и ведомственных информационных систем в разделе было рассмотрено два способа интеграции: специализированная интеграция корпоративных и ведомственных систем и интеграция на основе универсального протокола.

На третьем этапе ПНИ были разработаны математическая модель и алгоритм интеграции облачных сервисов с корпоративными и ведомственными информационными системами, математическая модель и алгоритмы интеллектуальной обработки видеопотоков, оптимизированных для использования в составе облачных сервисов, математическая модель и алгоритм отказоустойчивой облачной системы массового обслуживания. Разработана программная документация, реализующая технические решения в ЭО ПО облачного сервиса интеллектуальной обработки видеопотоков высокой доступности, интегрированного с корпоративными и ведомственными видеоподсистемами, основанного на использовании свободно распространяемого программного обеспечения.

Разработан экспериментальный образец программного обеспечения облачного сервиса интеллектуальной обработки видеопотоков высокой доступности, интегрированного с корпоративными и ведомственными видеоподсистемами, основанного на использовании свободно распространяемого программного обеспечения. Построена имитационная модель двухслойной архитектуры облачного сервиса, а также аналитическая сетевая модель двухслойной архитектуры облачного сервиса и аналитическая модель подсистемы авторизации пользователей.

При близких значениях параметров систем аналитические и имитационные модели показывают сходные результаты, что говорит об адекватности построенных моделей. При разработке алгоритма интеграции облачных сервисов с корпоративными и ведомственными информационными системами были реализованы подсистема авторизации (аутентификации), обеспечивающая надежность и безопасность коммуникаций при интеграции облачных, корпоративных и ведомственных данных и механизмы преобразования интегрируемых данных и оркестровки интегрируемых приложений. При разработке математических моделей интеллектуальной обработки видеопотоков учтены сложности, связанные с большими объемами данных, необходимостью работы в режиме реального времени. Объектом моделирования являются процессы и объекты интеллектуальной обработки видеопотоков.

Построены модели различных процессов и объектов, имеющих отношение к интеллектуальной обработке видеопотоков в составе облачных вычислительных систем. Разработанные алгоритмы обеспечивают формирование потока метаинформации на основе анализа потоков видео для последующего использования метаинформации для поиска данных в архиве. Разработанные алгоритмы обработки имеют вероятность детектирования (обнаружения) не менее 80%, при этом вероятность ложного срабатывания не превышает 15%. Построенная имитационная модель отказоустойчивого облачного сервиса в качестве параметров использует числовые значения следующих величин: время выявления того, что узел входного или выходного слоя вышел из строя; время перекоммутации одного потока с вышедшего из строя узла входного или выходного слоя на другой узел входного или выходного слоя, при условии что резервный узел уже включен, время включения узла входного и выходного слоя. При помощи модели отказоустойчивого сервиса можно показать, что при временном отказе оборудования, для которого имеется хотя бы один резервный компонент, способный взять на себя нагрузку вышедшего из строя компонента, время восстановления обслуживания в 86,5 % случаев не превышает 1 мин.

Назначение и область применения результатов проекта

Ожидаемые результаты прикладных научных исследований (ПНИ) планируется использовать для создания облачного сервиса интеллектуальной обработки видеопотоков высокой доступности для системы «Умный город», интегрированного с частными и государственными системами видеонаблюдения и видеотрансляции. Также планируется использование результатов ПНИ в рамках развития комплексной автоматизированной информационной системы «Безопасный город».

Эффекты от внедрения результатов проекта

Использование результатов ПНИ позволит создавать облачные сервисы для работы с мультимедийной информацией, интегрированные с различными корпоративными или ведомственными системами, обладающие следующими конкурентными преимуществами:

Надежностью, обеспечиваемой применением инновационной двухслойной архитектуры построения облачного сервиса, при которой программное обеспечение разделяется на два функциональных слоя, где входной слой обеспечивает сбор и обработку мультимедийной информации и находится под фиксированной нагрузкой со стороны выходного слоя, через который доступ к информации и ресурсам получают клиенты облачного сервиса. Таким образом, плохо прогнозируемая и потенциально очень высокая пиковая нагрузка будет приходиться только на выходной слой сервиса, предотвращая нарушение реализации основных функций системы.

Эффективностью, достигаемой за счет оптимизации сетевой и вычислительной нагрузки путем реализации алгоритмов балансировки. Дополнительно эффективность обеспечивается путем оптимизации алгоритмов обработки видеопотоков для работы в составе облачных сервисов.

Открытостью, получаемой за счет использования в качестве прототипа свободно распространяемого программного обеспечения с открытым исходным кодом, а также стандартных открытых протоколов взаимодействия. Данное конкурентное преимущество является определяющим в условиях современной геополитической обстановки и практически исключает наличие конкурирующих продуктов для государственных проектов на российском рынке в ближайшие годы.

Мероприятия по освещению результатов ПНИ

2016 год:

2015 год:

Обзорная выставка в рамках выездного расширенного совещания с участием представителей муниципальных образований и профильных территориальных структур федерального подчинения
XX Международный форум «Технологии безопасности – 2015»
VI Межрегиональный ИТ-форум «Современные информационные технологии: для государства и общества»
Международный симпозиум SPIE Sensing Technology + Applications
Всероссийское совещание-семинар с руководителями подразделений вневедомственной охраны полиции территориальных органов МВД России
Международная научно-практическая конференция «Региональная экономика, инвестиции, инновации, социально-экономическое развитие: теория, методология и концепция модернизации»

2014 год:

Статьи по теме:

Солодова Е.Н., Епишина Е.В., Набильская Н.В. Анализ рынка облачного сервиса интеллектуальной обработки видеопотоков высокой доступности, интегрированного с корпоративными и ведомственными видеоподсистемами, основанных на использовании открытых протоколов.
Воронин В.В., Гапон Н.В., Свирин И.С., Епишина Е.В., Ростовиков С.В. Интеллектуальная обработка двумерных сигналов при анализе панорамных изображений.
Солодова Е.Н. Методологический подход предметно-ориентированной композиции для анализа развития системы «Компания–Наукоград–Регион».
Солодова Е.Н., Набильская Н.В. Анализ эффективности деятельности и взаимодействия группы компаний (на примере Группы компании «Нордавинд») глава 2 коллективной монографии «Новая парадигма социально-экономического развития и модернизации регионов России» Москва 2015
Воронин В.В., Марчук В.И., Петров С.П., Свирин И.С., Аганян С., Егиазарян К. Image restoration using 2D autoregressive texture model and structure curve construction
Маков С.В., Воронин В.В., Галустов Г. Parameters estimation of random sequence in the stochastic calculating devices
Semenishchev E., Marchuk V., Voronin V., Pismenskova M., Tolstova I., Svirin I. The algorithm stitching for medical imaging Proc. SPIE 9870, Computational Imaging 2016
Frantc V.V., Makov S.V., Voronin V.V., Marchuk V.I., Svirin I. Separate texture and structure processing for image compression, SPIE Defense + Commercial Sensing, Remotely Sensed Data Compression, Communications, and Processing 2016
Makov S., Frantc V., Voronin V., Shrayfel I.S., Dubovskov V., Svirin I. Energy efficient algorithm for lookup-tables on mobile devices, IS&T International Symposium on Electronic Imaging, Mobile Devices and Multimedia: Enabling Technologies, Algorithms, and Applications 2016
Makov S., Nikitin A., Minaev A., Voronin V., Svirin I. Method of Additional Information Encapsulation into Digital Audio Channel with Minimal Loss of Original Signal Quality.