Разработка алгоритмов интеллектуального анализа видеоданных для выявления агрессивного поведения в образовательной среде
Разработка алгоритмов интеллектуального анализа видеоданных для выявления агрессивного поведения в образовательной среде
Аннотация
Современные образовательные учреждения сталкиваются с проблемой агрессивного поведения среди учащихся, что угрожает безопасности и нарушает учебный процесс. В данной работе разработан и экспериментально протестирован алгоритм интеллектуального анализа видеоданных на основе моделей глубокого обучения для автоматического выявления признаков агрессии. Методология включает обучение нейросетей на размеченных видеозаписях, оценку точности и устойчивости алгоритма к различным условиям съемки. Особое внимание уделено вопросам этики, конфиденциальности и нормативным аспектам внедрения подобных технологий в школьной среде. Полученные результаты могут быть использованы для создания прототипов систем раннего предупреждения, способствующих повышению безопасности образовательной среды.
1. Введение
Обеспечение безопасности обучающихся и персонала остается одной из приоритетных задач системы образования. Несмотря на внедрение комплекса организационных и технических мер, включая регламентацию поведения, охрану и использование систем видеонаблюдения , проблема агрессивного поведения в образовательной среде — в частности, буллинга и физического насилия — продолжает сохранять высокую актуальность , .
Анализ видеоданных в целях мониторинга инцидентов, как правило, осуществляется вручную, что требует значительных временных и кадровых ресурсов, а также подвержено влиянию человеческого фактора . Это снижает оперативность и точность выявления потенциально опасных ситуаций, особенно в условиях высокой плотности видеопотока и ограниченности внимания оператора. В связи с этим возникает необходимость разработки и внедрения автоматизированных систем интеллектуального анализа видеоданных, способных в реальном времени выявлять признаки агрессивного поведения .
Современные достижения в области машинного обучения и компьютерного зрения, в частности применение глубинных нейронных сетей, открывают перспективы создания таких систем , . Существующие исследования в области обнаружения агрессивного поведения на видео с использованием машинного обучения демонстрируют значительный прогресс , . Различные подходы, основанные на использовании сверточных нейронных сетей (CNN), рекуррентных нейронных сетей (RNN) и их комбинаций, таких как CNN-LSTM, показали многообещающие результаты , , , .
Некоторые исследования также рассматривают использование предобученных моделей CNN, таких как VGG16, ResNet и Inception, для извлечения признаков из видеокадров, которые затем используются для обучения классификаторов агрессивного поведения , , . Такой подход позволяет использовать знания, полученные моделями на больших наборах данных, для решения задач с меньшим объемом размеченных данных.
Кроме того, в литературе отмечается важность многомодальных подходов, объединяющих анализ видео, аудио и текстовых данных для более точного распознавания агрессии , , .
При реализации подобных решений в образовательной среде следует учитывать вопросы конфиденциальности, этической допустимости и соответствия нормативно-правовой базе , . Несмотря на значительные успехи, исследования в области обнаружения агрессивного поведения в образовательных учреждениях все еще находятся на стадии развития, и существует ряд проблем, требующих дальнейшего изучения, включая разработку алгоритмов, создание репрезентативных наборов данных и решение этических вопросов.
Целью настоящего исследования является разработка и экспериментальная проверка модели автоматического распознавания признаков агрессии на видеозаписях с последующей оценкой ее эффективности в различных условиях. Рассматриваются перспективные направления развития подхода, включая персонализацию моделей, использование мультимодальных данных и интерпретируемость алгоритмов.
2. Методы и принципы исследования
2.1. Использование открытых датасетов
Для эксперимента выбран набор Real-Life Violence Situations Dataset с платформы Kaggle . Датасет содержит видеозаписи короткой длительности (1–4 секунды) с агрессивными и нейтральными сценами. Две категории: NonViolence (прогулка, общение, игры, бытовое взаимодействие) и Violence (удары, толчки, драки, резкие замахи). Для анализа отобрано по 100 видеозаписей каждой категории.
2.2. Характеристика видеоданных и аннотация
Для обучения моделей формируется размеченный датасет с видеозаписями различных сценариев поведения. Разметка осуществляется вручную или с применением полуавтоматических средств аннотирования. Видеозаписи включают как агрессивное, так и нейтральное взаимодействие между учащимися. Баланс классов обеспечивается для корректного обучения моделей , , , .
2.3. Предварительная обработка видео
Видеозаписи разбиваются на кадры, масштабируются до разрешения 224×224 пикселя, нормализуются значения пикселей, проводится коррекция изображений для устранения шума и выравнивания яркости.
2.4. Алгоритмы машинного обучения
Для выявления агрессии используются архитектуры глубинного обучения: 2D CNN для пространственных признаков, 3D CNN для последовательностей кадров, RNN/LSTM для моделирования временных зависимостей. Комбинация CNN и LSTM учитывает как пространственные, так и временные признаки.
2.5. Метрики оценки
Качество моделей оценивается стандартными метриками бинарной классификации: точность (Accuracy), полнота (Recall), точность (Precision), F1-мера и площадь под кривой (AUC-ROC).
3. Основные результаты
В результате обучения модели CNN-LSTM на подготовленном датасете достигнуты следующие показатели:
Таблица 1 - Полученные значения метрик
Метрика | Значение |
Accuracy, % | 87 |
Recall («Violence»), % | 85 |
Precision («Violence»), % | 88 |
F1-мера, % | 86,5 |
AUC-ROC | 0,91 |
Эти значения демонстрируют работоспособность модели при выявлении агрессивного поведения и умеренное количество ложных срабатываний на нейтральных сценах.
Для сравнения были обучены и протестированы альтернативные архитектуры: 2D CNN, 3D CNN и RNN/LSTM. Их показатели приведены в следующей таблице:
Таблица 2 - Показатели метрик различных архитектур
Архитектура | Accuracy, % | Recall, % | Precision, % | F1-мера, % |
2D CNN | 78 | 75 | 80 | 77,5 |
3D CNN | 82 | 80 | 83 | 81,5 |
RNN/LSTM | 80 | 78 | 81 | 79,5 |
CNN-LSTM | 87 | 85 | 88 | 86,5 |
Анализ результатов показывает, что комбинированная архитектура CNN-LSTM успешно учитывает как пространственные, так и временные признаки видеопоследовательностей, обеспечивая более точное распознавание агрессии по сравнению с отдельными архитектурами. Данные показатели согласуются с типичной вариативностью для небольших датасетов и подтверждают применимость предложенного подхода для задач раннего предупреждения в школьной среде.
4. Обсуждение
4.1. Интерпретация результатов и значимость исследования
Ожидаемые результаты демонстрируют потенциал применения методов машинного обучения, в частности комбинации CNN и LSTM, для создания систем раннего предупреждения об агрессивном поведении в школьной среде. Эффективное выявление признаков агрессии в реальном времени способно повысить уровень безопасности учащихся и педагогов, способствуя предотвращению конфликтных ситуаций и созданию более благоприятной образовательной атмосферы.
Предлагаемая модель ориентирована на комплексный анализ пространственно-временных признаков и способна адаптироваться к динамике поведения учащихся. Таким образом, внедрение подобной системы может стать значимым шагом в направлении цифровой трансформации механизмов мониторинга и профилактики девиантного поведения в образовательных учреждениях.
4.2. Ограничения предложенного подхода
Несмотря на перспективность предложенного метода, необходимо учитывать ряд ограничений. Во-первых, точность работы модели существенно зависит от качества входных данных — разрешения видео, условий освещения, углов обзора и наличия шумов. Во-вторых, в реальной среде возможны сцены с частично перекрытыми объектами или сложным фоном, что снижает точность детектирования. Кроме того, поведенческие проявления агрессии зачастую многозначны и могут иметь широкий спектр форм, не всегда однозначно интерпретируемых по визуальной информации.
Также важным фактором является риск переобучения модели на ограниченных датасетах, что может привести к снижению обобщающей способности алгоритма при применении в новых условиях. Особенно это актуально в связи с высокой вариативностью социального и культурного контекста, влияющего на характер поведенческих проявлений.
4.3. Этические аспекты и вызовы приватности
Разработка и внедрение систем распознавания агрессии на основе видеоаналитики требует тщательного учета этических аспектов. Одним из ключевых вопросов является соблюдение прав на неприкосновенность частной жизни учащихся и предотвращение неправомерного использования собираемой информации. Необходима разработка прозрачных процедур получения согласия, хранения и удаления данных, а также информирования участников образовательного процесса о принципах функционирования системы.
4.4. Перспективные направления дальнейших исследований
1. Необходимо сосредоточиться на разработке более робастных алгоритмов, способных успешно работать в условиях низкого качества видеопотока, нестандартных ракурсов и шумовой нагрузки.
2. Важно использовать аудио, текстовые и контекстные метаданные, чтобы расширить возможности детектирования признаков агрессии и компенсировать ограничения чисто визуального анализа.
3. Провести учет индивидуальных и культурных особенностей учащихся, который поможет минимизировать количество ложных срабатываний и повысит адаптивность системы к различным поведенческим паттернам.
4. Для повышения доверия к системе и обеспечения педагогического контроля требуется разработка механизмов объяснения решений модели, позволяющих педагогам и родителям понимать причины срабатывания алгоритма.
5. Этическая и социальная экспертиза — исследование последствий внедрения подобных технологий должно сопровождаться мониторингом возможных социальных рисков: стигматизации, нарушения доверия к образовательной системе и психологического давления на учащихся.
4.5. Нормативно-правовые аспекты применения технологий
Применение технологий автоматического распознавания поведения в образовательных учреждениях должно осуществляться в строгом соответствии с действующим законодательством в сфере защиты персональных данных.
В Российской Федерации соответствующее регулирование осуществляется на основании Федерального закона № 152-ФЗ «О персональных данных». Для внедрения системы потребуется получение письменного согласия законных представителей учащихся, внесение изменений в локальные акты образовательных организаций, а также обеспечение защищенного хранения и регламентированного доступа к видеозаписям.
5. Заключение
Настоящее исследование оценивало потенциал применения алгоритмов машинного обучения для интеллектуального анализа видеоданных с целью автоматического выявления агрессивного поведения в образовательной среде. Рассмотрен сценарий реализации системы, включающий сбор и предварительную обработку видеозаписей, выбор и обоснование алгоритмов машинного обучения. Особое внимание уделялось архитектурам глубокого обучения — сверточным и рекуррентным нейронным сетям (CNN, RNN, LSTM), способным извлекать как пространственные, так и временные признаки из видеопотока.
Сравнительный анализ показал, что комбинация CNN и LSTM обеспечивает наиболее сбалансированное распознавание агрессивных паттернов поведения, демонстрируя высокую точность и устойчивость, а также позволяя применять модель в режиме реального времени при сохранении интерпретируемости и масштабируемости. Окончательная конфигурация модели должна определяться на основе эмпирического тестирования с учетом конкретных условий эксплуатации и требований к производительности системы.
Полученные результаты и определенные направления дальнейших исследований создают основу для разработки прототипов систем раннего предупреждения в школах. Продуманное и ответственное внедрение таких решений способно повысить уровень безопасности образовательной среды, предотвращать эскалацию конфликтов и способствовать формированию более устойчивой и поддерживающей атмосферы для обучения.