黃成云，張志超，李軍鋒，李海濤，溫滿華

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司教育培訓(xùn)評價中心，廣東廣州 510650）

0 引言

視頻圖像認(rèn)證技術(shù)的發(fā)展主要得益于包括成像模式創(chuàng)建、圖像存檔和通信系統(tǒng)[1-2]在內(nèi)的諸多領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步，其中關(guān)鍵技術(shù)是指負(fù)責(zé)圖像采集、管理、存儲、可視化和圖像比對的系統(tǒng)[3-4]。圖像數(shù)據(jù)激增使得圖像識別出現(xiàn)大數(shù)據(jù)問題[5]。其主要特點是：在云計算的基礎(chǔ)上，計算資源以彈性的方式進(jìn)行提供，并且云軟件的開發(fā)和維護(hù)變得更容易、更可靠、更安全。基于此現(xiàn)狀，大量計算能力和海量互聯(lián)網(wǎng)資源和服務(wù)被用于日常服務(wù)。然而關(guān)于圖像認(rèn)證的解決方案需要很高的維護(hù)成本，私有化部署的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施的可伸縮性是有限的[6]，尤其是圖像認(rèn)證服務(wù)遷移到云平臺的過程中存在著較高的通信延遲[7]，因為通過公共互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程訪問要比內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接慢得多。

針對此問題，目前最常見的縮短訪問時間的技術(shù)手段是基于本地緩存和預(yù)取的機制，這種機制可以通過嘗試預(yù)測用戶的數(shù)據(jù)請求來分配資源。然而，它們的有效性取決于所需預(yù)測的數(shù)據(jù)類型。也就是說，這種機制仍然存在許多問題和限制。

基于以上問題，提出一種用于圖像認(rèn)證存儲庫的智能云存儲網(wǎng)關(guān)，且重點研究如何降低通信延遲。其中所提出的體系結(jié)構(gòu)是對以前方法的改進(jìn)，同時結(jié)合靜態(tài)規(guī)則和模式識別算法，從而使系統(tǒng)能夠適應(yīng)用戶的日常應(yīng)用。

1 數(shù)字圖像認(rèn)證技術(shù)需求

數(shù)字圖像被用來保存重要的認(rèn)證信息。但是，對這些圖像提供完整性認(rèn)證是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因為它們越來越多地在不安全的網(wǎng)絡(luò)上傳輸，需要對這些圖像進(jìn)行保護(hù)，以防止對它們的各種嘗試。因此，重要的是解決圖像認(rèn)證問題的有效方法，即確保圖像的完整性。數(shù)字圖像認(rèn)證系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：（1）靈敏度：認(rèn)證系統(tǒng)必須能夠檢測任何內(nèi)容修改或操作。對于嚴(yán)格的認(rèn)證算法，需要任何操作的檢測，而不僅僅是內(nèi)容修改。（2）健壯性：也稱為容差。認(rèn)證系統(tǒng)必須容忍內(nèi)容保持操作。此屬性僅適用于提供選擇性驗證服務(wù)的算法。（3）定位：認(rèn)證系統(tǒng)必須能夠定位已經(jīng)改變的圖像區(qū)域。（4）恢復(fù)：認(rèn)證系統(tǒng)必須能夠部分或完全恢復(fù)被篡改的圖像區(qū)域。（5）安全性：認(rèn)證系統(tǒng)必須具有保護(hù)認(rèn)證數(shù)據(jù)免受任何篡改企圖的能力。（6）可移植性：認(rèn)證系統(tǒng)必須能夠在任何傳輸、存儲或處理操作期間攜帶受保護(hù)圖像的簽名。（7）復(fù)雜性：認(rèn)證系統(tǒng)必須使用既不復(fù)雜也不慢的實時實現(xiàn)算法。

2 數(shù)字圖像認(rèn)證體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

提出一個新的云存儲網(wǎng)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)，同時將對該結(jié)構(gòu)中涉及到的各模塊進(jìn)行介紹。該體系結(jié)構(gòu)支持分布式環(huán)境的緩存替換和規(guī)則預(yù)取，目的是通過學(xué)習(xí)用戶的行為來最小化通信延遲。體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 體系結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 傳感器模塊

首先，對體系結(jié)構(gòu)中所涉及的傳感器、消息傳感器、特征傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器作簡要介紹。

傳感器：數(shù)據(jù)系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境條件進(jìn)行行為預(yù)測，因此系統(tǒng)運行過程中必須配備不同類型的傳感器來捕獲這些數(shù)據(jù)條件。

消息傳感器：該傳感器是新模式識別系統(tǒng)最重要的來源，因為它可以接收識別本地區(qū)域網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程云存檔之間交換的消息。由于所提議的體系結(jié)構(gòu)可以直接訪問網(wǎng)關(guān)交換下的網(wǎng)絡(luò)消息，因此在網(wǎng)關(guān)中集成一組偵聽器，每當(dāng)新消息被發(fā)送到存儲庫(或從存儲庫接收)時，此偵聽器就會被喚醒。偵聽器在每次消息交換時自動生成事件報告，并且自動保存在日志文件中，其主要包括的信息元素有：（1）消息交換的時間；（2）數(shù)據(jù)信息請求；（3）請求應(yīng)用程序?qū)嶓w；（4）目標(biāo)應(yīng)用程序?qū)嶓w。

特征傳感器：在某些特定情況下，交換的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并不足以對使用模式進(jìn)行評估。為有效避免此現(xiàn)象的影響，在該體系結(jié)構(gòu)中利用特征傳感器，它可以對存儲庫進(jìn)行查詢，從而使得對特定特征的提取更加方便。

網(wǎng)絡(luò)傳感器：為了優(yōu)化系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)中嵌入一種新的網(wǎng)絡(luò)傳感器，以便在進(jìn)行預(yù)取之前對網(wǎng)絡(luò)條件進(jìn)行評估。該組件可以有效監(jiān)視云網(wǎng)關(guān)通信，從而監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)請求以及響應(yīng)。通過這種方式，可以隨時了解網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)。換言之，此傳感器對于文中所探討新機制的正確部署是非常必要的。

2.2 標(biāo)簽和模式識別模塊

對體系結(jié)構(gòu)中的標(biāo)簽和模式識別模塊進(jìn)行介紹。該模塊所負(fù)責(zé)檢測的用戶行為結(jié)果主要依托于模式識別機制[8]，繼而提出針對于用戶行為結(jié)果的分類與理解。同時為了有效實現(xiàn)用戶行為結(jié)果的分類理解，將使用人員的互動分為如下4種不同的使用行為模式：（1）單人認(rèn)證：這是一種默認(rèn)的使用模式，使用過程中需要快速訪問圖像以便保持服務(wù)質(zhì)量；（2）形態(tài)校正：用戶對特定情態(tài)的研究進(jìn)行修改；（3）錯誤查詢：用戶錯誤查詢模式下，圖像數(shù)據(jù)無法正常下載；（4）其他使用：代表該架構(gòu)下無法識別的場景模式。

綜合以上4種行為模式，可以知道此模塊的功能如下：首先，它將消息傳感器所感知的信息進(jìn)行分割。然后，對這些信息進(jìn)行預(yù)處理并執(zhí)行特征提取，最后將其發(fā)送到一組經(jīng)過訓(xùn)練的多層感知器(Multi Layer Perceptron，MLP)模型中進(jìn)行分析。

2.3 緩存替換與預(yù)取規(guī)則模塊

緩存替換模塊由緩存管理器代理和驅(qū)逐代理構(gòu)成。緩存管理器主要負(fù)責(zé)對成像數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并將其存儲在緩存系統(tǒng)中；驅(qū)逐代理則負(fù)責(zé)對已達(dá)到一定比例且可能會阻礙結(jié)構(gòu)運行的信息數(shù)據(jù)的存儲。該模塊由于實現(xiàn)相對簡單且性能良好，因此通常被用于實際環(huán)境中。

在整個體系結(jié)構(gòu)中，緩存替換模塊是非常重要的，因為它連接了存儲庫和數(shù)據(jù)庫。只有通過緩存替換模塊，才可以評估存儲的數(shù)據(jù)量、存儲的圖像、研究結(jié)果、用戶數(shù)據(jù)以及存儲在緩存中的圖像時間，繼而更好地執(zhí)行驅(qū)逐代理。

預(yù)取代理分為短期預(yù)取和長期預(yù)取，但是在本節(jié)中，主要對短期預(yù)取進(jìn)行介紹。短期預(yù)取是在用戶發(fā)送數(shù)據(jù)請求之前對請求時間進(jìn)行預(yù)測分析以及評估。且在預(yù)取過程中，將主要執(zhí)行2個并行進(jìn)程：（1）對用戶查詢結(jié)果進(jìn)行評估，并選擇與使用模式相匹配的結(jié)果進(jìn)行預(yù)取；（2）預(yù)取代理根據(jù)使用模式識別模塊的新輸出來對存儲庫進(jìn)行查詢。

為了讓預(yù)取代理可以快速選取研究節(jié)點，通過嵌入預(yù)取規(guī)則來為每個認(rèn)證節(jié)點提供MLP多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)每天使用檢索到的研究數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)。如果在搜索之后對某些實例發(fā)送了研究請求，那么這些實例將被標(biāo)記為積極實例。

通過對上述體系模塊的分析介紹，可知該體系架構(gòu)的一些模塊需要與第三方圖像認(rèn)證設(shè)備進(jìn)行通信。因此，系統(tǒng)將自動提供通信接口模塊。從而有效地將系統(tǒng)中其他模塊的請求轉(zhuǎn)換為接口請求并將它們發(fā)送到目標(biāo)地址。

3 體系測試與評價

在第2章中，對網(wǎng)關(guān)所用體系結(jié)構(gòu)的各項模塊進(jìn)行介紹，并且明確其工作定義，但是對于此體系結(jié)構(gòu)在避免通信延遲的效果尚需要驗證。因此在本節(jié)中，對體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試評價，從而驗證該體系結(jié)構(gòu)可以有效避免通信延遲。

在不同的環(huán)境條件(網(wǎng)絡(luò)、用戶時間表、工作站數(shù)量等)下，不同用戶體系結(jié)構(gòu)可能會對常規(guī)體系結(jié)構(gòu)預(yù)取過程造成影響，因為一些測試會使服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)達(dá)到超負(fù)荷的狀態(tài)。為了預(yù)知以及有效避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，在不同的條件下，利用真實的數(shù)據(jù)集中進(jìn)行模擬測試。整個模擬測試過程中，每個不同的場景將被模擬10次，隨后將系統(tǒng)某些參數(shù)（如MLPs）對隨機初始化的影響最小化，最后將使用兩個度量來對系統(tǒng)性能進(jìn)行分析：（1）命中率：通過請求對象存儲在緩存中的次數(shù)除以對象請求的數(shù)量來計算；（2）每個圖像的檢索時間：計算方法是將檢索研究請求所需的總時間除以對象請求的數(shù)量。

在通過體系結(jié)構(gòu)對用戶數(shù)據(jù)請求進(jìn)行受理分析過程中，為使得其數(shù)據(jù)能夠在高效且無缺失的情況下傳達(dá)至各模塊，使用真實數(shù)據(jù)集來對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理分析。

真實數(shù)據(jù)集由兩個部分組成，一部分是XML文件，其中包括網(wǎng)絡(luò)交換過程所需信息；另一部分是一個數(shù)據(jù)索引，主要包含存儲在機構(gòu)中用于研究的匿名認(rèn)證信息，這些信息包括：（1）測試規(guī)模；（2）文件數(shù)量；（3）查詢檢索的結(jié)果；（4）圖像資料；（5）特征庫。基于此，建立一個存儲數(shù)據(jù)庫的副本，在此副本的基礎(chǔ)上通過應(yīng)用單向函數(shù)(例如哈希散列)來刪除敏感數(shù)據(jù)，例如用戶姓名。該策略同樣允許對用戶查詢檢索到的結(jié)果進(jìn)行重新生成，值得一提的是整個過程無需訪問實際的原始數(shù)據(jù)。最后，在系統(tǒng)中導(dǎo)入并應(yīng)用網(wǎng)關(guān)中已經(jīng)使用的靜態(tài)規(guī)則。

測試執(zhí)行時需要模擬包括緩存大小在內(nèi)的不同情況。同時，考慮到數(shù)據(jù)集的大小，將分別使用2.5 GB、10 GB、50 GB和100 GB共計5種緩存類別。且對于每個緩存類別，將利用系統(tǒng)進(jìn)行如下配置測試：（1）配置1：選擇LRU（Leastrecently used，最近最少使用）作為驅(qū)逐策略，并不使用預(yù)取策略；（2）配置2：選擇LRU作為驅(qū)逐策略，同時使用短期和長期的預(yù)取模式。

此外，所有配置都有被動緩存填充模式，這意味著所有通過網(wǎng)關(guān)的研究也都存儲在緩存中。

4 結(jié)論

提出一個減少訪問遠(yuǎn)程圖像認(rèn)證存儲庫時所造成的通信延遲的智能云存儲網(wǎng)關(guān)。而且通過對該網(wǎng)關(guān)所用體系結(jié)構(gòu)介紹可知，此體系結(jié)構(gòu)使用一組預(yù)取策略，在適用范圍方面也能夠適應(yīng)不同系統(tǒng)機構(gòu)以及特定的工作流，同時在系統(tǒng)性能方面也具有顯著的改進(jìn)。最后對該系統(tǒng)在真實數(shù)據(jù)集中方面提出測試方法，對于較大的圖像認(rèn)證數(shù)據(jù)緩存，本文作者所提網(wǎng)關(guān)中的驅(qū)逐策略與預(yù)取策略的組合使用可以顯著降低通信延遲。