Xây dựng hệ thống camera cảnh báo giám sát

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN DANH TÙNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG CAMERA CẢNH BÁO GIÁM SÁT Chuyên ngành : Công nghệ thông tin LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT … CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Nguyễn Thị Oanh Hà Nội – Năm 2016 LỜI CAM ĐOAN Những kiến thức trình bày luận văn tìm hiểu, nghiên cứu trình bày theo kiến thức tổng hợp cá nhân Kết nghiên cứu luận văn chƣa đƣợc công bố công trình khác Trong trình làm luận văn, có tham khảo tài liệu có liên quan ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu không chép Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm, sai, xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Hà Nội, ngày 06 tháng 09 năm 2016 Học viên Trần Danh Tùng LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ long cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Thị Oanh thầy cô công tác Viện CNTT-TT, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội nhiệt tình hƣớng dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu khoa học, giúp hoàn thành tốt đề tài luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè ngƣời thân bên cạnh, động viên khuyến khích trình thực đề tài nghiên cứu Học viên Trần Danh Tùng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH SÁCH BẢNG DANH SÁCH HÌNH MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu 11 Bố cục luận văn 12 CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 Một số loại camera 13 Nền tảng ONVIF 17 Một số giải pháp đối sánh hình ảnh 19 Lựa chọn giải pháp 24 Tổng kết chƣơng 26 CHƢƠNG II: GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT 27 Giải pháp kiến trúc hệ thống 27 Giải pháp phát kiện bất thƣờng 33 Tổng kết chƣơng 38 CHƢƠNG III: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 39 Mô tả ca sử dụng 39 Thiết kế sở liệu hệ thống 48 Thiết kế giao diện ngƣời sử dụng 51 Tổng kết chƣơng: 55 CHƢƠNG IV: CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM 56 Môi trƣờng cài đặt 56 Đánh giá hệ thống cài đặt 56 Đánh giá hiệu cảnh báo 60 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined DANH SÁCH BẢNG Bảng 1: Phƣơng thức cấu hình điều khiển camera chuẩn ONVIF .19 Bảng 2: Cấu trúc bảng liệu vt_camera 49 Bảng 3: Cấu trúc bảng liệu vt_camera_config 49 Bảng 4: Cấu trúc bảng liệu vt_group_camera .50 Bảng 5: Cấu trúc bảng liệu vt_schedule_camera 50 Bảng 6: Cấu trúc bảng liệu vt_streaming_server 51 Bảng 7: Tổng hợp kết thử nghiệm thực tế 61 DANH SÁCH HÌNH Hình 1: Mô hình hệ thống camera analog (theo cticomvn.com) 13 Hình 2: Mô hình hệ thống camera IP (theo cticomvn.com) .14 Hình 3: Quá trình lựa chọn điểm keypoints 23 Hình 4: Mô hình kiến trúc hệ thống camera cảnh báo giám sát .28 Hình 5: Mô hình hệ thống live transcoder 30 Hình 6: Mở rộng Live Transcoder 32 Hình 7: Ảnh vùng mẫu giám sát .33 Hình 8: Ảnh sau resize (kích thƣớc 256x256) 34 Hình 9: Ảnh sau chuyển đổi sang ảnh đa mức xám 34 Hình 10: Các tác nhân hệ thống 39 Hình 11: Biểu đồ usecase tổng quát 40 Hình 12: Biểu đồ use case quản trị hệ thống 41 Hình 13: Biểu đồ use case module cảnh báo giám sát 41 Hình 14: Biểu đồ trình tự chức điều khiển camera 46 Hình 15: Biểu đồ trình tự chức cập nhật vùng mẫu giám sát 46 Hình 16: Biểu đồ trình tự chức tự động cảnh báo 47 Hình 17: Biểu đồ thực thể liên kết 48 Hình 18: Giao diện quản lý camera 52 Hình 19: Giao diện cập nhật thông tin camera 53 Hình 20: Giao diện chi tiết hình chi tiết camera giám sát 54 Hình 21: Giao diện quản lý nhóm camera .55 Hình 22: Màn hình giám sát trực tiếp camera 57 Hình 23: Màn hình chi tiết camera 57 Hình 24: Màn hình cảnh báo giám sát 58 Hình 25: Chi tiết email cảnh báo 59 Hình 26: Danh sách chức 59 Hình 27: Quản lý hình ảnh/video camera 60 Hình 28: Kết thực nghiệm 62 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Cùng với phát triển không ngừng Viettel, tổng kho tập đoàn ngày đƣợc mở rộng quy mô lẫn chất lƣợng, với khó khăn công tác quản lý, sản phẩm kho ngày đa dạng phong phú Quy mô tổng kho ngày lớn việc giám sát, bảo vệ an toàn cho tổng kho đứng trƣớc thách thức không nhỏ không giải tốt vấn đề này, ảnh hƣởng lớn đến hoạt động sản xuất kinh doanh tập đoàn Hơn nữa, nhu cầu ngày cao đời sống xã hội, ngày nay, có nhiều doanh nghiệp, tổ chức, chí hộ gia đình có nhu cầu lớn việc đầu tƣ hệ thống camera giám sát thông minh để đảm bảo an toàn cho việc sản xuất, kinh doanh sống thƣờng nhật Bên cạnh đó, việc xây dựng hệ thống camera cảnh báo giám sát, cho phép tích hợp nhiều kiện cảnh báo với hình thức cảnh báo đa dạng giúp ngƣời dùng xử lý kịp thời tình xấu xảy đồng thời đáp ứng đƣợc nhu cầu tối ƣu chi phí đầu tƣ cho ngƣời sử dụng yêu cầu cấp thiết Cùng với việc trọng vào xu hƣớng nghiên cứu xây dựng thuật toán xử lý hình ảnh với độ xác ngày cao, đồng thời cải tiến thông minh/linh hoạt tăng khả thích nghi hệ thống dựa giải thuật học máy nhằm mục đích cải thiện mẫu tăng tính xác cảnh báo cho hệ thống, đƣợc xem tiền đề quan trọng cho việc làm chủ công nghệ tích hợp giải pháp cảnh báo hữu ích nhƣ cảnh báo nguy cháy nổ dựa cảm biến… nhằm ứng dụng sâu rộng vào lĩnh vực khác đời sống xã hội Do vậy, việc đầu tƣ xây dựng hệ thống camera giám sát thông minh, đảm bảo yêu cầu giám sát cảnh báo cần thiết Hệ thống giúp nâng cao chất lƣợng quản lý giám sát tổng kho mà có ý nghĩa lớn đời sống xã hội Nếu làm tốt điều này, tạo hội lớn cho Viettel việc triển khai hệ thống camera giám sát an ninh thực hữu ích Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng hệ thống camera cảnh báo giám sát phục vụ cho việc đảm bảo an toàn cho mục tiêu cần đƣợc giám sát/bảo vệ, nhằm mục đích hỗ trợ nghiệp vụ quản lý, giám sát, bảo vệ tổng kho tập đoàn, giúp phát sớm xử lý nhanh cố tổng kho, đảm bảo an toàn bảo vệ lợi ích tập đoàn, đồng thời tiết kiệm nhân lực nâng cao chất lƣợng giám sát, bảo vệ tổng kho Viettel Luận văn đề cập đến vấn đề giải toán cảnh báo giám sát nhằm khắc phục tồn hoạt động giám sát đảm bảo an ninh tổng kho Viettel, hệ thống cần tự động đƣa đƣợc cảnh báo kịp thời xác cho ngƣời phụ trách nhằm giảm thiểu đƣợc nhân lực rủi ro thiệt hại cho hoạt động sản xuất kinh doanh doanh nghiệp Hệ thống cần xây dựng giải vấn đề lớn quản lý giám sát cảnh báo cho ngƣời dùng có kiện bất thƣờng Chi tiết nhƣ sau:  Quản lý giám sát camera: Xem hình ảnh quan sát qua giao diện web, điều khiển lên xuống, trái, phải, thu nhỏ, phóng to tín hiệu camera, ghi xem lại hình ảnh/video từ camera quan sát  Quản lý camera bản: thêm, sửa, xóa, kích hoạt trạng thái hoạt động camera  Quản lý ngƣời dùng hệ thống: Quản lý ngƣời dùng hệ thống: thêm, sửa, xóa, phân quyền quản lý cho ngƣời dùng hệ thống  Quản lý lƣu trữ dự phòng: Quản lý tài nguyên lƣu trữ hệ thống: thêm, sửa, xóa vùng nhớ lƣu trữ, cấu hình dung lƣợng lƣu trữ tối đa cho camera… hỗ trợ lập lịch ghi hình ghi hình camera: đặt chế độ ghi hình định kỳ/không định kỳ, đặt lịch ghi lại video…  Cảnh báo phát kiện bất thƣờng: Quản lý cảnh báo giám sát phát kiện bất thƣờng vùng giám sát nhƣ: thêm/mất đối tƣợng, phát đối tƣợng lạ vùng giám sát…với tùy biến phƣơng thức cảnh báo qua email, sms, cảnh báo hình giám sát trực tiếp  Ngoài hệ thống cần đảm bảo yêu cầu phi chức an toàn bảo mật nhƣ sau: o Camera phải cung cấp hình ảnh quan sát tốt cảnh báo đƣợc điều kiện môi trƣờng, thời tiết không thuận lợi o Chất lƣợng tín hiệu camera thu đƣợc từ hệ thống tốt, đảm bảo dễ dàng theo dõi giám sát o Hiệu tốt: hỗ trợ nhiều ngƣời dùng truy cập đồng thời sử dụng tính hệ thống (bảo đảm truy cập nhanh, liên tục) o Dễ cài đặt, thay đổi o Có khả bảo mật cao o Hệ thống dễ dàng sử dụng, thân thiện ngƣời dùng o Hỗ trợ đa tảng: Cho phép xem, điều khiển camera giám sát thiết bị di động nhƣ smartphone, tablet (Đảm bảo hiển thị cảnh báo hình giám sát hình thiết bị di động) o Phƣơng thức cảnh báo đa dạng: qua SMS, Email, thông báo hình camera giám sát hệ thống o Đảm bảo an toàn liệu, ổn định trình vận hành hệ thống o Sao lƣu thƣờng xuyên: Thực việc lƣu liệu định kỳ, hạn chế mát hệ thống gặp cố o Thiết bị dự phòng: bao gồm công nghệ RAID, clustering cho hệ thống máy tính Ngoài cần dự phòng cho thiết bị mạng, UPS hay chí đƣờng truyền o Bảo mật mức ứng dụng: Ứng dụng đƣợc xây dựng dựa vai trò đối tƣợng tham gia vận hành có hệ quản trị ngƣời sử dụng đáp ứng việc cung cấp account mật khẩu, phân quyền ngƣời dùng Mỗi cán tham gia hệ thống sau đƣợc cấp account mật thực đổi mật theo chức có sẵn hệ thống tự quản lý mật Quy tắc đặt mật khẩu: đặt mật phức tạp, 10 Hình 18: Giao diện quản lý camera 3.2 Màn hình cập nhật thông tin camera: Giao diện cho phép ngƣời dùng cập nhập thông tin thay đổi liên quan đến camera nhƣ Camera ID, địa IP, serial, model chi tiết giao diện hình cập nhật thông tin camera nhƣ hình dƣới 52 Hình 19: Giao diện cập nhật thông tin camera 3.3 Màn hình chi tiết hình camera giám sát Giao diện chi tiết hình camera giám sát cho phép ngƣời dùng xem chi tiết hình giám sát camera, thực điều khiển vùng giám sát để theo dõi mục tiêu cần đƣợc bảo vệ, cập nhật thông tin cấp độ cảnh báo hệ thống, ghi chụp hình ảnh từ camera giám sát Giao diện bố cục gồm thành phần chính: Màn hình chi tiết giám sát, vùng mẫu + cấp độ giám sát, bảng điều khiển camera nút chức Giao diện đƣợc truy cập từ hình giám sát trực tiếp, chi tiết hình giám sát camera nhƣ hình dƣới 53 Hình 20: Giao diện chi tiết hình chi tiết camera giám sát 3.4 Thiết kế chi tiết hình quản lý hình ảnh/video ghi lại Giao diện quản lý hình ảnh/video camera cho phép ngƣời dùng xem lại danh sách video, hình ảnh đƣợc camera ghi lại xem chi tiết video, hình ảnh, đồng thời tải máy tính cá nhân có nhu cầu, chi tiết hình quản lý hình ảnh/video camera ghi lại nhƣ hình dƣới 54 Hình 21: Giao diện quản lý nhóm camera Nhận xét: Giao diện hệ thống thiết kế phù hợp chức giải đƣợc yêu cầu đặt toán, nhiên chƣa thật bắt mắt tiện dụng với ngƣời dùng Tổng kết chƣơng: Chƣơng phân tích chi tiết nghiệp vụ hệ thống, trình bày chi tiết danh sách chức hệ thống, ca sử dụng hệ thống, trình tự thực chức năng, đồng thời cung cấp thiết kế chi tiết sở liệu hệ thống, thiết kế giao diện ngƣời sử dụng làm sở cho việc cài đặt thử nghiệm hệ thống chƣơng 55 CHƢƠNG IV: CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM Môi trƣờng cài đặt Hệ thống đƣợc xây dựng triển khai dựa tảng dƣới đây: Ngôn ngữ lập trình:  Ứng dụng web: + Ngôn ngữ lập trình: PHP (5.5.40) + Framework: Symfony (Symfony 1.4.20) + Cơ sở liệu: MySQL + Web server: nginx (1.7.10)  Tiến trình gửi email/sms cảnh báo: sử dụng ngôn ngữ Java (JDK7) Môi trƣờng triển khai:  Hệ điều hành Centos (6.5 Final 64 bit)  Hệ thống phần cứng: sử dụng đƣờng truyền nội bộ, bao gồm máy chủ ứng dụng, máy chủ sở liệu, 10 máy chủ streaming server Cấu hình tối thiểu (RAM: 8GB, CPU: Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2620@2.00GHz (Quad core), Disk: 240GB) Đánh giá hệ thống cài đặt Dƣới chi tiết số chức cài đặt hệ thống camera cảnh báo giám sát  Chức xem hình ảnh camera giám sát Khi ngƣời dùng chọn chức xem hình camera giám sát, hệ thống hiển thị danh sách hình camera giám sát mà ngƣời dùng đƣợc phân quyền Ngƣời dùng xem chi tiết hình camera giám sát thay đổi giao diện xem hình giám sát dƣới dạng lƣới (3x3, 4x4, 2x2) 56 Hình 22: Màn hình giám sát trực tiếp camera  Chức xem chi tiết camera giám sát Chức cho phép ngƣời dùng xem chi tiết hình camera giám sát, ngƣời dùng chụp hình, ghi lại video giám sát điều chỉnh vùng giám sát (điều khiển xoay camera để tiện theo dõi – chức tùy thuộc vào loại camera có hỗ trợ điều khiển hay không (PTZ camera), hỗ trợ zoom (in/out), xoay trái/phải, lên/xuống, chéo) Hình 23: Màn hình chi tiết camera 57  Chức cảnh báo giám sát Tại hình chức cảnh báo giám sát, phát kiện bất thƣờng vùng giám sát, hệ thống tự động gửi thông báo cho ngƣời phụ trách (qua email/sms, có gửi kèm video hình ảnh đƣợc chụp lại thời điểm phát kiện bất thƣờng), cảnh báo tín hiệu (popup cảnh báo/âm cảnh báo) đồng thời ghi lại video thời điểm phát kiện bất thƣờng dùng làm chứng lƣu trữ để xem lại cần thiết Hình 24: Màn hình cảnh báo giám sát 58  Chi tiết email cảnh báo đƣợc gửi đến cho ngƣời phụ trách Hình 25: Chi tiết email cảnh báo  Xem danh sách chức Màn hình xem danh sách chức năng, hiển thị danh sách menu chức mà ngƣời dùng đƣợc phân quyền hệ thống phục vụ cho yêu cầu truy cập nhanh, đồng thời hiển thị kết thống kê số lƣợng/tỷ lệ cảnh báo xác theo khoảng thời gian Hình 26: Danh sách chức 59  Chức quản lý hình ảnh/video camera giám sát Chức cho phép ngƣời dùng xem lại hình ảnh/ video giám sát đƣợc camera ghi lại, phục vụ cho nghiệp vụ giám sát, cung cấp chứng cần thiết Chức đƣợc phân quyền chặt chẽ theo cấp quản lý danh sách camera mà ngƣời quản lý phụ trách Ngƣời dùng xem chi tiết hình ảnh/video camera tải máy tính cần Hình 27: Quản lý hình ảnh/video camera Đánh giá: Hệ thống đƣợc cài đặt đáp ứng đƣợc yêu cầu toán, chức cài đặt đảm bảo thân thiện, dễ sử dụng đáp ứng đầy đủ nhu cầu cảnh báo, giám sát đƣợc đề Các yêu cầu bảo mật, phân quyền ngƣời dùng đƣợc cài đặt nhằm đảm bảo an toàn cho hệ thống, nhiên, số giao diện hệ thống chƣa thực thuận tiện ngƣời dùng sử dụng thiết bị di động Đánh giá hiệu cảnh báo  Môi trƣờng thử nghiệm: Thử nghiệm đƣợc áp dụng tổng kho Viettel, với quy mô >80 camera đƣợc lắp đặt để giám sát, vùng giám sát bao gồm nhà trời Hoạt động xuất/nhập kho khu vực giám sát thƣờng diễn theo chu kỳ định (ngày/tuần), điều kiện giám sát 60 (trong nhà) có chất lƣợng ánh sáng tốt, ổn định, đảm bảo thu đƣợc tín hiệu rõ nét từ camera  Điều kiện giám sát: Điều kiện giám sát đƣợc thử nghiệm thời tiết mùa hè, có mƣa, nắng (điều kiện quan sát tốt/có nhiễu) Thời gian giám sát 24/24 giờ, bao gồm buổi đêm  Loại camera sử dụng: Sử dụng camera IP, có độ phân giải Full HD, bao gồm loại camera nhà (indoor), camera trời (outdoor), kết hợp với số camera hồng ngoại (IR Camera) để hỗ trợ việc giám sát vào ban đêm Các camera tƣơng thích với tảng công nghệ ONVIF phù hợp với chế xử lý liệu, phát cảnh báo đƣợc đề xuất chƣơng  Phƣơng pháp thống kê: Phƣơng pháp thống kê đƣợc áp dụng phƣơng pháp thủ công, dựa việc xác nhận hiệu cảnh báo (chính xác/không xác) nhân viên phụ trách nhận đƣợc tín hiệu cảnh báo từ hệ thống Các kết thử nghiệm thực tế: Thời gian STT Số lƣợng cảnh báo (chính Tỷ lệ xác/tổng số) 10/6/2016 – 30/6/2016 120/150 80% 1/7/2016 – 31/8/2016 450/495 90.91% 1/9/2016 – 25/9/2016 376/420 89.52% 946/1065 88.83% Tổng số Bảng 7: Tổng hợp kết th nghiệm thực tế Thực nghiệm cho thấy, cảnh báo camera nhà cho kết xác cao so với camera trời bị ảnh hƣởng yếu tố ngoại cảnh gây nhiễu nhƣ thời tiết, điều kiện ánh sáng tác động ngoại cảnh khác Các kiện cảnh báo đƣợc ghi nhận vào ban đêm nhiều so với ban ngày ban đêm điều kiện giám sát (ánh sáng) không đƣợc tốt so với ban ngày 61 Giải pháp khắc phục: Để khắc phục nhƣợc điểm trên, việc cải thiện thuật toán lọc nhiễu (lọc nhiễu muối tiêu tránh điều kiện sƣơng mù, thời gian giám sát vào buổi tối…), hệ thống cần xem xét việc xây dựng chiến lƣợc giám sát dựa đối tƣợng đƣợc lựa chọn vùng giám sát, thực tế, đối tƣợng đƣợc quan tâm vùng giám sát đối tƣợng thay toàn vùng giám sát Để giải vấn đề này, cần tập trung vào việc theo dõi đối tƣợng, phát biên… để lựa chọn đƣợc đối tƣợng cần quan tâm Hình 28: Kết thực nghiệm Đánh giá chung: Hệ thống đáp ứng đƣợc yêu cầu giám sát vùng có thay đổi nhƣ toán thực tế tổng kho Tỷ lệ cảnh báo xác cao, thời gian cảnh báo nhanh (đáp ứng đƣợc yêu cầu cảnh báo thời gian thực, thống kê cho thấy thời gian hệ thống đƣa cảnh báo thƣờng