（物理电子学专业论文）目标跟踪wmsn的定位方法与动态分簇研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 无线多媒体传感器网络( w i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o rn e t w o r k s ，w m s n ) 是随 着半导体技术的发展，在无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，w s n ) 中引入 低功耗视频和音频传感器而形成的。无线多媒体传感器网络由于丰富的传感信息 已经成为一个研究热点，被广泛应用于图像注册、分布式视频监控、环境监控以 及目标跟踪等项目中 由于传感器类型的变化，在基于无线多媒体传感器网络的目标跟踪过程中， 需要采用不同于传统无线传感器网络的新方法和策略。本文提出了目标定位方法 和基于动态分簇的目标跟踪架构，以提高目标跟踪的性能。 在提出的目标定位方法中，首先分析了无线音频传感器的信号衰减特性和传 感器分布位置对目标定位精度的影响，形成目标跟踪的传感器节点选择原则。然 后，分析了现有计算机视觉领域的摄像头标定技术和无线视频传感器节点的特 点，利用监控区域有限点的位置坐标，通过c a m s h i f i 单目标跟踪和双节点的平 移特性，求解出摄像头标定的旋转矩阵r 与内部参数矩阵k ，从而通过视频传 感器节点以低复杂度的方法完成了目标定位。 在动态分簇研究中，提出了基于动态分簇的目标跟踪架构，通过设计架构中 的动态分簇算法以及路由协议，提高了目标跟踪的鲁棒性和精度，降低了目标跟 踪的能量消耗。动态分簇算法基于运动目标的历史轨迹数据，对目标的将来轨迹 和当前速度进行预测。通过预测结果优化选择簇头和簇半径，并以簇内节点完成 目标跟踪。簇内普通节点完成目标的感知后，将数据发送给簇头簇头完成目标 定位，再将位置坐标发送给汇聚节点以完成目标跟踪为了保证目标跟踪数据传 输的可靠性，降低链路的丢包率，基于蚁群算法设计了最小能量消耗率路由协议， 对链路的最大负载进行限制 在具有安全机制的动态分簇协作处理研究中，首先利用节点的自定位功能， 提出了基于位置坐标的任务分配算法t a a c 。t a a c 以最小的能量消耗为目的， 以任务处理的实时性为限制条件，将计算与通信任务分配给目标附近的传感器节 点，通过传感器节点的并行计算提高网络的处理能力，降低网络能量消耗。为了 保证协作处理的安全，针对两跳分簇协作处理架构，提出一种新的密钥管理协议 i i i 摘要 通过建立簇密钥对，降低了密钥存储开销，解决了密钥对建立和更新过程中通信 开销大的问题具有安全机制的协作处理的研究，既提高了目标跟踪的实时性， 又为网络提供了安全保证 最后，本文设计并实现了小规模的目标跟踪无线多媒体传感器网络。主要包 括低功耗无线图像传感器节点、无线温度传感器节点和服务器的软硬件设计与实 现。相比现有的同类型传感器节点，本文的节点提高了处理速度和传输带宽，降 低了能量消耗。网络能支持温度和图像数据的多跳传输，错包率低。无线图像传 感器节点感知目标的出现后将图像数据发送给汇聚节点，并通过s h a p em a t c h i n g 算法对目标进行匹配，减少同一个目标数据的重复发送，降低网络的能耗 关键词：无线多媒体传感器网络，目标定位方法，目标跟踪，动态分簇，任务分 配，路由算法，密钥管理，平台设计 i v 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , t h el o wp o w e rv i d e oa n d a c o u s t i cs e n s o r sa r ew i d e l yu s e di nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) t of o s t e rt h e w i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o rn e t w o r k s ( w m s n ) t h ew m s nb e c o m e sah o tr e s e a r c h s p o tf o ri t sa b u n d a n ts e n s e di n f o r m a t i o na n dh a sb e e na p p l i e dt oa p p l i c a t i o n ss u c ha s i m a g er e g i s t r a t i o n ，s m a r tv i d e os u r v e i l l a n c e ，e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n ga n dt a r g e t t r a c k i n g d u et ot h ed i f f e r e n c eo fs e n s o r s ，t h en e wm e t h o da n ds t r a t e g ya r en e e d e di nt h e t a r g e tt r a c k i n gb a s e do nt h ew m s n t h i sp a p e rh a sp r o p o s e dt h el o c a l i z a t i o nm e t h o d a n dt h et a r g e tt r a c k i n ga r c h i t e c t u r eb a s e do nd y n a m i cc l u s t e r i n gt op r o m o t et h e p e r f o r m a n c eo ft a r g e tt r a c k i n g i nt h ep r o p o s e dt a r g e tl o c a l i z a t i o nm e t h o d ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea t t e n u a t i o n o fa u d i os i g n a la n dt h ei m p a c to ft a r g e tl o c a l i z a t i o np r e c i s i o na f f e c t e db ys e n s o r p o s i t i o n sh a v eb e e na n a l y z e dt og e tt h en o d e ss e l e c t i o np r i n c i p l e t h e n ，t h ec a m e r a c a l i b r a t i o nt e c h n o l o g i e si nc o m p u t e rv i s i o na r e aa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s s v i d e os e n s o r sh a v eb e e na n a l y z e d t h r o u g ht h ec o o r d i n a t e so fs e v e r a lp o i n t si nt h e f i e l do fv i e w , b a s e do nt h ec a m s h i f ia n dt h et w on o d e si nap a r a l l e lm o d e l ，t h en e w c a l i b r a t i o na l g o r i t h ms o l v e st h er o t a t i o nm a t r i xra n di n t e r i o rp a r a m e t e rm a t r i x 尼 t h e n ，t h et a r g e tl o c a l i z a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u tb yt h el o w - c o m p l e x i t ym e t h o db a s e o nw i r e l e s sv i d e os e n s o r s ， i nt h er e s e a r c ho fd y n a m i cc l u s t e r i n g ，t h ea r c h i t e c t u r ef o rt a r g e tt r a c k i n gb a s e d o nd y n a m i cc l u s t e r i n gi sp r o p o s e d t h ed y n a m i cc l u s t e r i n ga l g o r i t h ma n dr o u t i n g p r o t o c o lh a v e b e e nd e s i g n e dt oi m p r o v et h er o b u s t n e s sa n dp r e c i s i o no ft a r g e t t r a c k i n gp e r f o r m a n c e t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nh a sb e e nr e d u c e da sw e l l i nt h e d y n a m i cc l u s t e r i n ga l g o r i t h m ，w i t ht h eh i s t o r yt a r g e tc o o r d i n a t e s ，t h ed i r e c t i o na n d t h es p e e do ft h et a r g e ti sf o r e c a s t e d b a s e do nt h ef o r e c a s t e dr e s u l t s ，t h ec l u s t e rh e a d a n dr a d i u sa r eo p t i m i z e d t h ec l u s t e rm e m b e r sd e t e c tt h et a r g e ta n ds e n dt h er e s u l t st o t h ec l u s t e rh e a da tw h i c ht h et a r g e tl o c a l i z a t i o na r ec a r r i e do u ta n ds e n dt ot h es i n k i no r d e rt oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o na n dr e d u c et h ep a c k e tl o s tr a t i o ， am i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o nr a t i or o u t i n gp r o t o c o lb a s e do na n tc o l o n yi s p r o p o s e da n dt h em a x i m u ml o a do f t h ep a t hi sc o n s t r a i n e da sw e l l ： i nt h er e s e a r c ho fc o o p e r a t i v ep r o c e s s i n gw i t hs e c u r em e c h a n i s mi nt h ed y n a m i c v 一一 a b s t r a c t 一一 c i u s t e r i n 氲t h et a s ka l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e do nc o o r d i n a t e s ( t a a c ) i sp r o p o s e d t h e1 a a c 、 ，h i c ht a k e st h em i n i m u mp o w e rc o n s u m p t i o n a so p t i m i z a t i o nt a r g e ta n d t h er e a l t i m ea sc o n s t r a i n t s ，a l l o c a t e st h ec o m p u t a t i o na n d c o m m u n i c a t i o nt a s k st ot h e n o d e sn e a rt h et a r g e t t h es e n s o rn o d e sp r o m o t et h ep r o c e s s i n gp o w e r b yc o r e p u t i n g i np a r a l l e l i no r d e rt og u a r a n t e et h es e c u r i t y o fc o o p e r a t i v ep r o c e s s m g ，ak e y m a n a g e m e n tp r o t o c o if o rt w oh o pc l u s t e r i n gs t r u c t u r ei s p r o p o s e d t h r o u g hc r e a t i n g t h ec i u s t e rk e y ，t h ep r o t o c o lr e d u c e st h ek e ys t o r a g ec o s ta n dr e s o l v e st h ep r o b l e mo f h i g hc o m m u n i c a t i o nc o s t f o r k e yd i s t r i b u t i o n a n dr e n e w i n g t h er e s e a r c ho f c o o p e r a t i v ep r o c e s s i n gw i t h s e c u r em e c h a ni s mn o to nl yp r o m o t e st h e r e a i - t l m e p e r f o n l l a n c e ，b u ta l s og u a r a n t e e st h en e t w o r ks e c u r i t y i nt h el a s tc h a p t e r , as m a l l - s c a l et a r g e tt r a c k i n g w i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o r n e t w o r k sh a sb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fi o w p o w e rw i r e l e s si m a g ea n dt e m p e r a t u r es e n s o rn o d e s ，a sw e l l a st h es o f t w a r eo ft h e s e r v e r h a v e b e e nc a r r i e do u t c o m p a r e dw i t h t h ee x i s t i n gs e n s o rn o d e s ，t h e p r o c e s s i n gp o w e ra n db a n d w i d t hh a v eb e e np r o m o t e da n dt h ee n e r g yc o n s u m p t l o n h a sb c e nr e d u c e d t h ew i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o rn e t w o r k s c a nt r a n s m i tt e m p e r a t u r e a n di m a g ed a t ai nm u l t i h o pm o d e lw i t hl o wp a c k e te r r o rr a t i o t h ew i r e l e s si m a g e s e n s o rc a nd e t e c tt h et a r g e ta n ds e n dt h ei m a g ed a t at ot h es e r v e r i no r d e r t oa v o i d t r a n s m i t t i n gt h ei m a g eo ft h es a m et a r g e ta n dr e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，t n e w i r e i e s si m a g es e n s o rm a t c h e d t h et a r g e t sb ys h a p em a t c hi n gm e t h o d k e y w 。r d s ：w i r e i e s sm u l t i m e d i as e n s 。rn e t w 。r k s ，t a r g e t l o c a l i z a t i 。nm e t h o d ， t a r g e tt r a c k i n g ，d y n a m i cc l u s t e r i n g ，t a s ka l l o c a t i o n ，r o u t i n ga l g o r i t h m ，k e y m a n a g e m e n t ，p l a t f o r md e s i g n v 1 图目录 x 图目录 图1 1w m s n 的网络架构2 图1 2 本文的研究内容框架2 0 图2 1 障碍物探测模型2 4 图2 2 多传感器节点的目标定位原理2 7 图2 3 两种模式的传感器分布坐标2 8 图2 - 4 传感器分布与定位精度的关系2 9 图2 5 线性摄像机成像原理3 l 图2 - 6 相素与图像尺寸坐标关系一3 2 图2 7 世界坐标系与摄像机坐标系3 3 图2 - 8 摄像机的监控区间3 6 图2 - 9 任意点p 的成像3 9 图2 1 0 双节点定位方法一4 0 图2 1 lh t = 0 测试场景4 2 图2 1 2h i = 0 的二维平面误差数据4 3 图2 1 3h t = 2 9 c m 的测试场景4 3 图2 1 4h t = 2 9 c m 的二维平面误差数据4 3 图2 1 5h t = 2 9 c m 的高度误差数据4 4 图3 i 基于动态分簇的目标跟踪架构框图4 8 图3 2 网络节点部署结构图5 0 图3 3 目标位置预测原理图5 5 图3 4 预备簇头节点个数5 6 图3 5 不同分簇半径下有效传感节点个数5 8 图3 - 6 节点部署及目标运动轨迹图5 9 图3 7 动态分簇协议的分簇半径与目标速度的关系6 0 图3 - 8r f e e 蜂窝半径与运动目标速度的关系6 0 图3 - 9 跟踪精度与噪声、蜂窝半径的关系6 1 浙江大学博：t ：学位论文 图3 1 0 动态分簇平均能量消耗与目标速度的关系6 l 图3 1l 基于地理位置的最大向前路由6 4 图3 1 2 网络节点处理数据包的流程6 5 图3 1 3 前向路由数据包结构6 6 图3 1 4 后向路由数据包结构6 7 图3 15h e l l o 数据包结构6 8 图3 1 6 节点o 在蜂窝网中的路由空洞6 8 图3 1 7 树形无线多媒体传感器网络的模型7 0 图3 1 8 数据包发送成功率7 l 图3 1 9 路径平均能量剩余率7 l 图4 1 基于视频传感器节点的目标跟踪任务划分7 4 图4 2 子任务的d a g 7 5 图4 3 子任务的h y p e r - d a g 7 5 图4 - 4c n p t 算法伪代码。7 7 图4 5c n p t 算法示例7 7 图4 - 6 协作处理分簇内传感器分层算法伪代码7 9 图4 7 任务调度的伪代码8 0 图4 8 任务执行长度与d e a d l i n e 的关系8 l 图4 - 9 能量消耗与d e a d l i n e 的关系8 2 图4 1 0 任务执行超时比率与d e a d l i n e 的关系8 2 图4 1 1 基于k d c 密钥管理的通信流程8 3 图4 1 2 层次化两跳分簇多媒体传感器网络结构8 5 图4 1 3 节点密钥存储开销与簇内平均节点个数关系8 8 图4 1 4 密钥分发通信开销与簇内平均节点个数关系8 9 图4 1 5 密钥更新的通信开销与簇内平均节点个数关系8 9 图4 1 6 不同跳数下的数据传输能耗9 0 图4 1 7 不同跳数下的数据传输延时9 0 图5 1 目标跟踪无线多媒体传感器网络的组成9 3 图5 2 无线多媒体传感器节点硬件模块图9 5 图目录 v 图5 3 无线图像传感器节点的处理器原理图9 6 图5 4 无线图像传感器节点外围存储原理图9 7 图5 5 无线图像传感器节点实物照片，9 8 图5 - 6 图像采集流程图10 0 图5 7 心跳包结构。10 1 图5 8 数据包结构1 0 2 图5 9 单节点目标跟踪策略1 0 3 图5 1 0 星型与树形网络下的不同分辨率图像传输延时测试1 0 6 图5 1 l 图像传输错包率测试结果1 0 7 图5 1 2 服务器对于网络中无线传感器的路由管理1 0 8 图5 1 3 服务器的运动目标显示1 0 8 图5 1 4 唤醒模式与周期模式的能量消耗比较1 0 9 浙江大学博士学位论文 表目录 表1 1 无线多媒体传感器网络的应用8 表2 1 双节点目标定位的误差4 4 表5 1t w s n 的性能比较。1 0 3 表5 2w i s n 的性能比较10 4 表5 3 w i s n 的不同状态功耗测试结果。1 0 5 表5 - 4 w i s n 图像采集与压缩性能比较。1 0 5 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 南彳签字日期：勿口7 年石月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 声绎 签字眺加。纠月厂日 f 导师签名： 日 浙江大学博士学位论文 致谢 时间飞快流逝，随着博士论文的完成，攻读博士学位的时间即将过去。回首 往事，生活的喜悦和艰辛同在，成长的每一步都离不开老师、朋友、亲人们的帮 助和支持! 衷心感谢我的两位导师金心宇教授和章献民教授在论文的研究工作中，从 选题到理论研究，再到设计实现，都凝聚着他们辛勤的汗水在整个博士研究生 阶段，金心宇教授不仅在学术上给予直接的指导与支持，在生活上也给了无微不 至的关怀。每次和金老师的深入讨论，都能给我很大启发。两位教授渊博的学识、 深厚的专业功底、活跃的思维和严谨的治学态度使我受益匪浅，并深深地影响我 以后的学习和工作。 王锐老师平易近人，在学习和生活上给了我很多关心和照顾，再此也深表感 谢。张昱老师在我的学习和生活中，给了很多指导和帮助。张老师孜孜不倦的科 研精神和诚恳正直的为人，在日常生活学习中点点滴滴地影响着我。论文中的思 想提升都凝聚着张老师的心血，再此深表感谢。 感谢实验室里的蔡文郁博士、刘俊飙博士、欧阳博博士、孙伟硕士、周春喜 硕士、李鉴庭硕士、吴砥柱硕士等多年来的帮助和支持感谢室友张挺博士、李 宇航博士和韩亚洪博士在生活中对我的帮助和照顾。在浙江大学的日子里，是他 们陪伴着我一起度过，我满怀感激。 感谢女朋友唐柳一直对我的支持，默默地承担着生活中的一切艰辛，她无私 的爱让我感到温暖和幸福。 最后，感谢我的父母和姐姐等亲人。他们给予的鼓励和支持是我永远的动力。 感谢所有对我提供了帮助的人! 唐军 2 0 0 9 年6 月于求是园杭州 浙江大学博：l 学位论文 第1 章绪论 本章介绍了无线多媒体传感器网络的概念、研究热点与应用领域。分析了目 标跟踪无线多媒体传感器网络的主要问题，引出本文研究定位方法与动态分簇 的目的。首先讲述了选题背景，阐述了研究意义；其次，对目标跟踪无线多媒 体传感器网络的研究现状和相关技术进行了总结和介绍；最后描述了本文的主 要研究工作及章节组织结构。 1 1 无线多媒体传感器网络 1 1 1 基本概念 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，w s n ) 是由大量无处不在的、具有 无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，是能根据 环境自主完成指定任务的“智能”协同系统。无线传感器网络没有固定的基础设施 和网络结构，所有的传感器节点既是终端节点又是路由器，而且能动态地保持与 网络其它节点的连通性节点主要依靠电池提供工作能量，覆盖范围非常有限， 两个无法直接通信的节点只有通过其它节点进行数据转发。无线传感器网络的出 现引起了人们的极大关注，它将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一 起，深刻地改变了人与自然的交互方式【l 2 ，“, 5 , 6 , 7 1 。 目前，无线传感器网络研究的一个重要方面是在能量严重受限的微型节点上 如何实现简单的环境数据( 如温度、湿度，光强等) 采集、传输与处理然而，随 着监测环境的日趋复杂多变，由这些传统传感器网络所获取的简单数据愈加不能 满足人们对环境监测的全面需求，迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等 多媒体信息引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准 信息的环境监测。随着低成本c m o s 图像和声音传感器的发展和广泛使用，无 线多媒体传感器网络( w i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o rn e t w o r k s ，w m s n ) 已经在无线 传感器网络的基础上，发展成为一个新的研究领域【8 ，9 i o ，l l 】 无线多媒体传感器网络是由一组具有计算、存储与通信功能的微小节点组 成的分布式感知网络，借助于网络中的不同类型传感器节点，采集环境中包括视 频流、音频流、图像、温度、湿度，压力等包括多媒体信息在内的环境数据节 镕 点通过多跳中继的方式将数据发送给汇集节点眦完成全面有效的环境监控 叁s 一一 ， t 霉 雷 _ i lil i i 9 矗一 口d 一 徽翥麟挚燕l 灞髫 镕 图1 - i w m s n 的删塔架鞫 无线多媒体传感器网络的常见几种结构如圈l l 所示m 】。从网络的组成元素 来看，无线多媒体传感网络包括高端视频传感器节点、视频传感器节点音频传 感器节点多媒体存储器、多媒体处理器、非多媒体传惑器节点( 温度湿度、 压力等) 和服务器。这些不同粪型的传惑器节点分布在指定的监控区域，完成环 境数据的采集，并将数据通过其它传感器节点以多跳的方式传送给数据汇聚节点 f s i n k ) ，最后通过i n t e m e t 或者其它的通信方式到遮服务嚣。用户通过客户端等 方式连接到服务器，对无线多媒体传感器网络进行管理与配置，包括设置相关的 监控任务与性能参数，备份采集的有效数据等无线多媒体传感器网络主要组成 元素的介绍如下： 高端视频传感嚣节点：集成有视频传感器、较高运行速度的嵌入武处理器， 数据存储器、低功耗无线通信模块的嵌入武系统。节点采用电池供电，能够完成 对环境中的图像、视频信息的采集，并能对图像进行压缩编码。目标特征提取、 识别与匹配、数据融台等智能处理；节点支持图像、视频信息的本地存储，适过 低功耗无线通信网络将数据发送给汇聚节点；能作为路由器节点转发其他传感器 节点发送过来的数据 视频传感器节点与高端视频传感器节点类似，处理器的处理速度比高端视 频传感器节点低：能完成视糖流和静止图像的采集，井能通过无线网络发送数据 到汇聚节点；能转发其他传感器节点发送过来的数据。 咛 日 蠕 。嘣 _ f ，哼_ _ 浙江大学博士学位论文 音频传感器节点：集成音频传感器，带有数据存储器、低功耗无线通信模块 的嵌入式系统节点采用电池供电，能够完成对环境中音频信号的采集和通过无 线网络发送数据等基本功能；支持基于音频的目标检测、定位、识别和数据融合 等智能处理；能转发其他传感器发送过来的数据 汇聚节点：汇聚节点既可以是一个传感器节点，也可以是一个不具有传感功 能的特殊节点；用来完成收集网络中其它传感器节点的数据；汇聚节点往往与服 务器能够直接通信，能将数据发送给服务器进行存储；服务器对于传感器网络节 点的参数配置与管理也是通过汇聚节点进行转发；汇聚节点与传感器网络内的节 点通信是通过低功耗无线通信进行的，具有相同工作频率的无线通信模块；与服 务器的通信可以通过i n t e r n e t 、无线移动通信网络或者无线局域网等，也可以通 过近距离的u s b 总线等；汇聚节点具有持续的能量供给。 服务器：负责整个无线多媒体网络传感数据的收集、存储与查询工作；无线 多媒体传感器网络的节点管理与配置工作也是在服务器端的相关界面输入参数 后，通过汇聚节点转发给传感器节点服务器软件需要提供相关的界面，供用户 对传感器网络的数据进行查询、分析和统计等工作。 相比传统的无线传感器网络，无线多媒体传感器网络不仅增加了视频传感器 节点等多媒体传感器节点，还增加了多媒体处理器，多媒体存储器但是，这些 设备不是必须的，而是根据用户的需要进行配置多媒体处理器和存储器也可以 由视频传感器节点来充当。譬如，通过多个传感器节点来实现多媒体信息的协作 编码、缓冲时，每个传感器节点都是一个多媒体处理器 1 2 , 1 3 网关也是具有特殊 软件配置的传感器节点来完成。无线多媒体传感器网络中的节点既可以是硬件异 构的，也可以是硬件同构，被网络中其它节点选举出来的软件异构节点无线多 媒体传感器网络也包含了普通无线传感器网络的节点，如温度传感器节点、湿度 传感器节点等等。普通传感器节点用来完成对应的环境变量的测量，也可以协助 视频传感器节点和音频传感器节点完成自定位、数据传输和协作信号处理等 从节点的管理来看，无线多媒体传感器网络包括如图1 1 所示的三种划分， 分别是( a ) 的同构单层次网络结构，( b ) 的异构单层次分簇网络结构和( c ) 的异构多 层次网络结构。同构单层次的无线多媒体传感器网络由性能单一的传感器节点构 成，节点具有相同的处理速度，存储性能、通信带宽与初始能量网络节点通过 绪论 自组网协议构成树形、星型等结构的网络拓扑单层次分簇无线多媒体传感器网 络是异构的网络结构，传感器节点具有不同的传感器类型、计算能力与通信能力 等。网络节点通过剩余能量等参数，基于分簇算法选择一个节点作为簇头。分簇 内的视频、图像、音频和普通传感器节点将数据发送给簇头，由簇头完成簇内节 点的管理和数据处理，包括多媒体信息的编码、压缩等。单层次分簇无线多媒体 传感器网络通过簇头进行数据的局部集中处理，并将处理后的结果发送给汇聚节 点，或者通过媒体存储器进行存储。多层次无线多媒体传感器网络是最复杂的网 络结构。传感器节点是异构的，不同功能的传感器节点划分到不同的层次，网络 中数据处理与存储可以用分布式的方式在各个层中单独完成，能量与计算能力受 限的传感器节点用以完成简单的任务，譬如完成简单的物理参数数据检测，较强 计算能力的传感器节点负责复杂的任务。 无线多媒体传感器网络将多媒体信息融合到了传统的无线传感器网络中，具 有一系列的扩展功能，主要体现在【i 川： ( 1 ) 无线多媒体传感器网络增大了监控范围。在传统的监控系统中，节点通 过有线网络进行通信。受成本、施工难度等限制，传感器节点数目很有限，只能 布置在关键的区域进行监控无线多媒体传感器网络采用低成本的节点，并通过 低功耗无线通信进行组网，工程实施难度低，方便在监控区域内实现无缝的覆盖， 大大扩大监控的范围。 ( 2 ) 无线多媒体传感器网络增强了观察的内容利用无线多媒体传感器网络 的多个节点，从不同的角度和方位对同一个监控区域实行多重覆盖采集多维度 数据，获得目标更丰富的信息。例如：在音视频的监控网络中，异构的视频传感 器节点可以从多个视角提供同一个目标的不同视频信息，加上音频传感器的采集 信息，将得到目标的三维信息和音频信息，然后通过多个传感器信息的融合，实 现三维重建等特殊的应用 ( 3 ) 无线多媒体传感器网络使能不同分辨率的传感器节点，实现信息不同精 度的采集。无线多媒体传感器网络的节点往往是异构的，具有不同分辨率的传感 器节点，从不同角度实现不同精度的传感对象描述。例如，不同清晰度的图像具 有不同的通信数据大小，对于只需要检测目标是否出现时，可以采用低清晰度的 图像。而对于用户感兴趣的区域，静止的图像传感器通过放大功能可以获得高清 4 浙江大学博二e 学位论文 晰图像，这些信息可以用来进行人脸识别等而对于音频传感器，可以通过提高 采样频率等实现目标信息的准确采集。 ( 4 ) 无线多媒体传感器网络的施工难度低无线多媒体传感器网络与其他的 无线通信网络类似，通过无线链路进行信息的传输目前的视频监控等都是基于 有线网络的通信。因此，可以省去布线的麻烦，减低工程维护的费用等。特别是 对于没有电源的野外环境监控应用，譬如森林防火和海洋环境监控等，无线多媒 体传感器网络采用电池供电，这样能够解决环境中没有电源的问题。在太阳能技 术越来越成熟的背景下，无线多媒体传感器网络在类似野外环境中的应用将越来 越方便 无线多媒体传感器网络由于传感信息类型的增加，特别是视频、音频等多媒 体信息的增加，网络具有鲜明的特点首先，无线多媒体传感器网络与应用相关， 具有不同的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) - 需求无线多媒体传感器网络是面 向应用的网络技术，在广阔的应用范围内有不同的系统需求。在视频监控应用的 无线多媒体传感器网络中，数据一般包括图片、视频流等。在发送图片数据的应 用中，信息采集通过事件触发机制，也就是在目标出现时进行一小段时间的数据 采集。而发送视频流时，需要维持较长时间的数据采集和传输。由于无线多媒体 传感器网络的带宽十分有限，因此在数据传输的相关算法设计上，需要考虑q o s 策略其次，无线多媒体传感器网络的通信带宽大于传统的无线传感器网络。多 媒体信息的传输，特别是视频信息的传输，对于带宽的需求是目前无线传感器网 络带宽的数倍。因此，无线多媒体传感器网络的研究中，如何融合传感的多媒体 数据，减少网络数据传输是一个重要的研究方向另一方面，低能耗高速率通信 物理层技术也是解决带宽问题的技术路线。目前的研究主要包括多载波和脉冲超 宽带物理层技术。再者就是无线多媒体传感器网络的能量消耗，这是与传统无线 传感器网络都必须解决的首要问题。由于节点都是通过电池进行供电，无线多媒 体传感器网络产生大量的数据，需要较高的传输速率与处理速度，因此低能耗对 协议的要求比无线传感器网络更高 1 1 2 研究的内容 无线传感器网络技术是从2 0 世纪9 0 年代末开始研究的，目前已经积累了较 丰富的研究经验无线多媒体传感器网络是从最近几年才开始研究的新技术由 绪论 于传感器类型的不同，无线多媒体传感器网络的通信协议、信息处理理论都与传 统的无线传感器网络存在较大的区别其主要的研究内容包括以下几个方面【1 0 1 ： ( 1 ) 无线多媒体传感器网络结构的研究。 无线多媒体传感器网络是面向应用的网络技术，对于不同的应用，其网络结 构也不一样根据应用环境设计对应的网络结构，是网络设计的首要任务。绝大 多数的无线传感器网络采用平面的网络结构，传感器节点具有相同的硬件结构， 邻居节点之间才进行信息交互大部分现有的协议与算法也是针对同构无线传感 器网络架构在无线多媒体传感器网络中，由于同时存在视频传感器节点，音频 传感器节点和普通温湿度传感器节点，更多地组成了异构网络。平面化的网络结 构不能很好地对无线多媒体传感器网络的节点进行管理，无法满足包括视频与音 频信息在内的大数据量传输。由此可见，设计出合理的网络架构来组织传感器节 点进行信息采集和处理，是网络协议设计的基础。目前，对于多层次网络结构的 研究是多媒体传感器网络的一个热点，包括基于r a d i oo v e rf i b e r 的网络架构、 多汇聚节点的网络架构等【1 4 , 1 5 】 ( 2 ) 无线多媒体传感器网络节点研究 现有的p a n - t i l t z o o m 摄像头与高分辨率的数字摄像头，已经可以在普通的电 子市场上购买但是，当这类传感器节点只能用于能量不受限制的高端多媒体传 感器网络哪】。对备受关注的低成本、低功耗多媒体信息采集与处理设备的研究 还不多，正是这些低成本、低功耗的传感器节点，才可以大量开发，高密度地布 置在监控区域，采集监控环境中不同观察点的信息。目前的无线多媒体传感器网 络硬件主要集中在不同分辨率的传感器节点的设计上 1 6 , 1 7 , 1 8 】。 ( 3 ) 在网络协作处理 无线多媒体传感器网络节点相比于无线传感器网络节点，处理器的工作频率 要高很多但是，由于多媒体信息的处理也很复杂，特别是视频编码、通过视频 信息的目标提取等，计算量都非常大因此，单个的无线多媒体传感器网络节点， 有时不能完成信息的采集和处理任务。在这种情况下，有的学者研究通过多个节 点的在网络处理技术( i n - n e t w o r kc o l l a b o r a t i v ep r o c e s s i n g ，i c p ) 来提高网络的信 息处理能力在网络协作处理技术是为了避免传感器节点将大量的原始数据传输 到汇聚节点，因此通过网络传输路径中的节点进行信息处理的数据融合方法，其 6 浙江大学博士学位论文 技术核心是任务分配算法算法往往以最小的能量消耗为优化目标，对任务完成 的时间进行限制，将信息处理的复杂任务分配给多个传感器节点来完成 ( 4 ) 通信协议栈的研究 与其他网络通信技术一样，无线多媒体传感器网络的通信也是基于多层协议 栈。其中，应用层研究的内容主要包括通信的接入管理与控制、多媒体信息编码 技术、系统软件与中间件技术等传输