无线图像传感器网络的应用

无线图像传感器网络的应用

1无线图像传感器网络无线通信网络是随着传感器、计算机、无线通信、电路、微电工具系统（ss）、纳米等技术和生产工艺的快速发展和成熟而形成的一个新兴的多学科交叉研究热点。无线传感器网络通过将大量的、不同类型的传感器通过一定规则组织起来,并借由无线网络技术,可以实现对物理世界变化的实时的、立体的、多感官的精确感知和反映,因此,它具有低成本、低功耗、多功能等特点。通过在传感器网络中融入先进的无线通讯技术,并且在网络中采用微型传感器,可以使无线传感器网络像微尘一样散布在每一个角落,因此,人们又称无线传感器网络为“智能微尘(SmartDust)”。目前,无线传感器网络的发展尚处于研究探索阶段。从系统角度出发,研究重点在于无线通讯协议、节点控制、传感器无线组网方案等方面的设计。从器件角度出发,设计重点在于低功耗、低成本、高集成度、多传感器融合等方面的研究。基于图像传感器的无线图像传感器网络是图像传感器技术与无线技术交叉融合的产物。无线图像传感器网络的发展给传统图像传感器设计提出了更高的要求,而图像传感器发展的新技术和新功能也丰富了无线图像传感器网络的应用领域。在固态图像传感器领域诞生开始就一直存在CCD和CMOS两种类型图像传感器之争。CCD图像传感器优点在于像素尺寸小、噪声低、成像质量好,但CCD图像传感器需要高电压控制信号电荷,不能与VLSI电路兼容。CMOS图像传感器最大的优势在于其与传统CMOS工艺完全兼容,因此在CMOS图像传感器中集成大量图像处理、智能控制、无线收发等电路是易于实现的,这就决定了CMOS图像传感器比CCD图像传感器的功耗更低、体积更小、智能性更好、成本更低。传统认为CMOS图像传感器的成像质量要劣于CCD图像传感器,但随着CMOS图像传感器像素结构的改进和工艺的提高,目前CMOS图像传感器的成像质量已经接近甚至在某些方面超过了CCD图像传感器。因此,CMOS图像传感器更加适合应用于无线图像传感器网络应用。2无线图像传感器网络的研究方向无线图像传感器网络包括了图像传感器技术和无线通讯技术,但绝不是两者的机械堆砌。首先,最重要的问题是图像传感器与无线通讯模块之间的接口问题。传统设计中这两个模块是彼此独立的功能模块,而在无线图像传感器网络节点设计中,就需要将二者充分结合在一起,从而实现节点的小型化、轻质化和低功耗。其次,无线图像传感器网络主要传输的是实时的图像信息,信息量非常大,因此高速信号存储、无线传输等都是亟待解决的问题。最后,无线图像传感器网络最终的发展方向是多种传感器功能融合,成为真正的无线传感器网络。目前,包括无线图像传感器网络在内的各种无线传感器网络都处于研究阶段,尚未有成熟的商用产品出现。总体上,国外在这个领域拥有更多的技术储备和更大的投入力度,发展较快。而国内近年也在无线传感器网络方面加大了研究的投入力度,如果能趁此契机加速我国传感器网络的研究,我国就可以在该领域占有一席之地。从研究的角度出发,可以分为无线传感器网络系统架构研究和无线传感器网络节点研究两个大的方向。从系统角度出发,主要对无线传感器网络的组网方式、无线通讯协议、节点控制管理、信息安全等方面进行研究。而从网络节点出发,主要是对无线模块与传感器的集成、低功耗设计、低成本等方面进行研究。在这两个研究方向上,都有一些优秀的研究成果出现。例如IPcamera、线性拓扑无线传感器网络、基于时间部署的无线传感器网络密钥管理方案、无线传感器网络路由协议等。无线图像传感器网络拥有着广阔的应用前景和巨大的市场,在工业监控、安全防范、医疗、军事等领域都有着广泛的应用需求和市场。尽管无线图像传感器网络有了一定的发展,但是它还需要面对许多问题和挑战。首先,需要面对低功耗图像传感器节点设计的挑战;其次,轻质化、小型化的挑战;最后,无线图像传感器网络中传感器节点的智能化挑战。3无线图像传感器网络的设计无线图像传感器网络未来发展所遇到的挑战需要在传感器设计、传感器节点架构设计、网络架构设计等层次进行努力。而在传感器设计方面,CMOS图像传感器由于其低功耗、与CMOS工艺兼容、低成本等特点将更适合无线图像传感器网络的应用。同时,近年来CMOS图像传感器在一些方向上的进展也更好的迎合了无线图像传感器网络的应用需求。1.有机结合线网toshba以及视频技术来制造新的1.分辨率代表着CMOS图像传感器中像素的总数,反应了CMOS图像传感器能够分辨图像细节的能力,直接决定着图像的清晰度和色彩的饱和度。目前,通过应用小尺寸像素、背光照射、多芯片拼接等技术,CMOS图像传感器的分辨率已经可以做到千万像素级别以上。对于静态图像拍摄,目前工业界已经可以采用65nm工艺制造出1200万像素的CMOS图像传感器(TOSHIBA公司)。而在视频应用方面,由于下一代高清视频图像标准的推出,视频应用的有效像素数也不断增加,如2009年ShinichiroMatsuo等人在发表的论文中报道了890万像素CMOS图像传感器的研制成功。通过CMOS图像传感器制造工艺的改进、设计水平的提高,大阵列、超千万像素的CMOS图像传感器已经被攻克。而未来将朝着具有超万万像素阵列的CMOS图像传感器方向不断发展。2.cs-bs-c低噪声微光CMOS图像传感器是对传统CMOS图像传感器的突破。传统认为CMOS图像传感器噪声高于CCD图像传感器,但随着像素制造工艺的进步以及后端噪声处理电路的引入,目前已经出现可以实现星光级(0.01lux光照条件下)成像的CMOS图像传感器商用产品。而在理论上,在合理设计像素尺寸、噪声水平和合理采用低噪声读出电路的条件下,CMOS图像传感器可以在不采用任何光子倍增机制的条件下实现在漆黑夜晚(0.0001lux光照条件下)条件下的夜视成像。低噪声微光CMOS图像传感器的出现大大降低了传统的基于光电倍增管技术的图像传感器的成本,在军事侦查、夜间作战方面有重大意义。3.图像的长曝光与短片显示动态范围是指图像传感器能够显示的最亮和最暗光强的范围。图像传感器动态范围越大,它所显示的图像中包含的信息细节越丰富。CMOS图像传感器通过长短曝光结合,可以实现在同一副图片中既能显示出最亮部分的细节,也能显示出最暗部分的细节。CMOS图像传感器利用独特的读出结构和与CMOS工艺兼容的特性,通过采用长短曝光相结合的方法可以实现长积分时间图像和短积分时间图像的信息融合,从而实现CMOS图像传感器在较大的动态范围内成像。4.图像传感器的智能功能在CMOS图像传感器中加入图像处理电路或在CMOS图像传感器本身加入独特的设计结构,可以使传统用于成像的CMOS图像传感器具备智能图像识别、动态功耗控制、自动监控记录、传输有效信息的智能功能。如通过设定CMOS图像传感器中内置的ADC输出数据的变化范围,可以识别当前拍摄的场景是否出现变动。如果判断出现变动则向外输出数据,并告知控制系统记录图像信息。如果判断没有出现变动,则将CMOS图像传感器置于低功耗模式,从而降低功耗。这种方式可以有效的降低应用在安防监控的图像传感器网络的功耗。同时,通过在图像传感器中集成图像识别的算法,就可以实现对目标物体的检测。5.图像的滥用方式CMOS图像传感器的读出方式类似于存储器的读出方式,通过行、列解码器将选中的像素读出。为了提高速度,CMOS图像传感器采用了列并行的读出机制,如图1所示。这种读出方式下,一行的像素同时通过列读出电路读出,提高了CMOS图像传感器的速度和帧频。同时,如果采用如图2所示的5管像素条件下,CMOS图像传感器可以实现全并行曝光的操作,可以进一步提高CMOS图像传感器的工作速度。CMOS图像传感器的行列解码读取方式决定了CMOS图像传感器可以简单的通过硬件实现图像的窗选功能。在窗选模式下,窗口的大小与CMOS图像传感器的速度成反比。这种模式虽然没有实质的提高CMOS图像传感器的帧频,但是这种方式可以有效的提高CMOS图像传感器对于图像中感兴趣区域的拍摄速度,可以用于高速运动物体的拍摄,如在路口拍摄超速行驶的汽车车牌。4cd图像传感器网络的发展方向采用CMOS图像传感器作为无线图像传感器网络中的传感器节点可以实现无线图像传感器网络低功耗、高集成度、智能化的要求。同时,CMOS图像传感器也可以与其他类型的硅基传感器集成在一起,实现多种传感器的融合,实现真正意义上的无线传感器网络。应用于传感器网络的CMOS图像传感器将是融合了传统CMOS图像传感器、图像处理电路、无线信号模块、存储器、嵌入式处理器的CMOS图像传感器网络节点,如图3所示。图3中的各个模块根据所设计的传感器网络的要求不同,可以进行合理的搭配和取舍。根据CMOS图像传感器的发展趋势,基于CMOS图像传感器的无线图像传感器网络将朝着以下几个方向发展:第一,以高分辨率为特征的CMOS无线图像传感器网络发展。高分辨率CMOS图像传感器主要用于静态图像的拍摄,可以用于高清图像数据采集,如地理图片的航空拍摄或卫星拍摄,科学研究照片拍摄等。由于高分辨率图像所占存储空间较大,而在一些特殊应用场合图像压缩是不可接受的,因此,存储技术的进步将是其发展的关键。同时,目前随着存储、压缩等技术的发展,动态视频传感器网络也将是未来发展的趋势之一,在野生生物观测等领域有重要意义。第二,以微光探测为特征的CMOS无线图像传感器网络发展。微光CMOS图像传感器组成的无线图像传感器网络将可以在没有主动光照的条件下对目标区域进行监测,因此在军事侦查、科学观测、安防监控等领域有着重要的意义。这种微光探测CMOS图像传感器同样可以做到在正常光照下的成像,即实现传感器网络探测的大动态范围,因此,它将是一种全天候的无线图像传感器网络。第三,基于智能化CMOS图像传感器的无线图像传感器网络的发展。智能化的无线图像传感器网络应该能够具有对图像的处理能力,包括对图像的清晰度、色彩、亮度的调整;图像中特定目标的识别功能;图像的记录、压缩、存储、发送功能。智能化的无线图像传感器网络将大大提高人类获取有用视觉信息的能力。在信息泛滥的今天,能够智能的选取人们所需要的有价值的信息将是智能CMOS无线图像传感器网络的最大亮点。智能化的实现得意与CMOS图像传感器与VLSI电路的良好兼容性。因此,在CMOS图像传感器中可以大量集成CPU、DSP、存储器、ISP等大规模数字电路,实现CMOS无线图像传感器网络的智能化。第四,以高帧频为特征的CMOS无线图像传感器网络的发展。高帧频CMOS图像传感器网络可以用于对高速运动物体的图像识别。如导弹系统的在攻击阶段的目标识别和定位、交通系统汽车违章的车牌记录等。以上只是对基于CMOS的无线图像传感器网络发展的主要方向进行了总结。未来随着CMOS图像传感器与其他功能模块的融合越来越强,以及SOC设计能力的增加,未来CMOS图像传感器将扩大为一个集传感器、处理电路、控制电路、存储器为一体的通用传感器网络节点,同时也可以将更多种传感器集成于CMOS图像传感器中,使之成为一个具有多种探测能力的传感器节点,而基于CMOS的无线图像传感器网络也将成为真正的无线传感器网络。5cd的无线图像传感器网络的发展现状基于CMOS图像传感器的无线图像传感器网络在环境适应能力、智能化、集成化方面展现出良好的优势。随着CMOS图像传感器工艺制造水平和设计水平的提高,基于CMOS的无线传感器网络将拥有更多的功能、能够满足更多的应用环境。基于CMOS的无线图像传感器网络拥有巨大的市场前景和应用前景,应该抓住机遇、克服困难,实现我国无线图像传感器网络