CN101489292A - 一种无线多媒体传感器网络中的目标跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种无线多媒体传感器网络的目标跟踪方案主要用于解决无线多媒体传感器网络中的目标跟踪问题。该方法包括两种节点：普通传感器节点和图像传感器节点。普通传感器节点由于其成本较低，所消耗的能量较小，可以在网络中大量投放，负责传输图像节点的控制命令及其采集到的数据。而图像传感器节点由于其具有采集图像、采样环境视频信息、数据处理和无线通信的功能，工作时在两种模式之间切换，主要负责目标的检测、识别、跟踪及数据的传输。两种节点协作完成目标跟踪，并由基站完成目标轨迹的计算与保存，从而延长了网络寿命。

Description

一种无线多媒体传感器网络中的目标跟踪方法

技术领域

本发明涉及无线多媒体传感器网络目标跟踪的解决方法，属于计算机网络与无线通信的交叉领域。

背景技术

无线传感器网络(WSN)是目前信息科学和通信技术领域的一个研究热点。目标定位跟踪是无线传感器网络的一项基本功能，在军事和民用领域都具有广泛的应用前景。然而随着人们对信息获取的要求的不断增加，随之出现了无线多媒体传感器网络(wireless multimediasensor network，WMSN)，无线多媒体传感器网络是一种特殊的无线传感器网络，是由一组具有感知、计算和通信能力的多媒体传感器节点组成的分布式传感器网络。它通过节点上多媒体传感器采集周边环境的多种媒体信息(音频、视频、图像等)，通过多跳方式将数据汇集到汇聚节点，实现全面、有效的环境监测。

为了既能有效跟踪目标，又能节省能量，从而延长节点和网络寿命，一般采用三种定位跟踪策略。①完全定位跟踪策略：网络内所有探测到目标的传感器节点均参与跟踪。显然，这种策略消耗能量大，资源浪费大，但也提供了较高的跟踪精度。②随机定位跟踪策略：网络内每个节点以概率参与跟踪，网络以平均概率进行跟踪。显然，这种策略由于参与跟踪的节点数量得到限制，可降低能量消耗，但不能保证跟踪精度。③协作定位跟踪策略：网络通过某种跟踪算法适时启动相关节点参与跟踪，通过节点间相互协作对目标进行跟踪，既能节约能量又能保证跟踪精度。

对于无线传感器网络来说，因为其单个节点能力有限，必须多个节点联合进行目标跟踪，在传感器目标跟踪应用中，传感器节点协同观测事件(可能是穿过网络区域的人或物体，也可能是如冲击波或异常声音等的物理影响)。一旦目标被侦测到，节点就相互协作确定目标的空间位置，得到的估计将通过网络送到监测网络的用户终端。

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、视频等媒体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。由此，多媒体传感器网络应运而生。无线多媒体传感器网络与传统的传感器网络不同，因为多媒体信息的采集需要用到图像传感器，而图像传感器上的摄像头是有视角限制的且图像传感器消耗的能量较大，在实际应用中完全使用图像传感器则能量消耗较快，使得网络的寿命较短。

发明内容

技术问题：本发明目的是提供一种用于无线多媒体传感器网络的目标跟踪方法，该方法中使用普通传感器节点与图像传感器节点相互协作，使用图像传感器节点对网络进行监测、识别和跟踪，使用普通传感器节点对传输控制命令及数据，从而达到节省能量延长网络寿命的目的。

技术方案：本发明是一种无线多媒体传感器网络中的目标跟踪方法，考虑到普通传感器节点和图像传感器节点的处理能力、存储容量、能量消耗等存在较大的区别，在网络中同时布署这两种节点，其中使用图像传感器节点来实现对监控区域的监测、目标识别及跟踪。

采集的图像的清晰度越高消耗的能耗也越大，所以在对区域进行监测和目标识别时使图像传感器在以下两种工作模式下进行转换，以减少能量消耗，从而延长网络寿命。

(1)普通模式节点对监测区域进行较低分辨率的图像采集，得到图像清晰度较差，此模式图像传感器节点消耗能量较小。图像传感器节点处于该模式下对监测区域进行监测。

(2)高级模式节点能对目标进行具有较高分辨率的图像采集，得到较清晰的图像，此模式节点消耗能量较大。图像传感器节点处于该模式下对目标进行识别。

本发明采用的技术方案的具体步骤如下：

步骤1)确定网络中节点的类型及主要功能网络中主要布署普通传感器节点和图像传感器节点这两种节点，普通传感器节点的主要功能为负责传输图像节点的控制命令及其采集到的数据。而视频传感器节点主要负责目标的检测、识别、跟踪及数据的传输。

步骤2)将图像传感器节点的工作模式设置为可以在普通模式与高级模式之间切换。

步骤3)首先在布署到网络中的图像传感器节点上建立目标数据库，目标数据库中存放的是系统感兴趣的目标。

步骤4)网络中的节点布署好后，首先对节点初始化，各个节点获取自己在网络中的位置。

步骤5)网络中所有节点广播hello包，其中包括节点的ID号和它们的位置信息，每个节点的hello包只发一次且邻居节点不再转发。

步骤6)当网络中所有节点广播结束后，各节点建立节点相邻关系表并保存本节点相邻节点的信息，节点按动态休眠调度机制进入休眠状态。

步骤7)图像传感器节点以时间间隔t在休眠状态和监视状态间转换。当发现有目标进入监控区域时，则图像传感器节点的工作模式切换到高级模式并转步骤8)，否则继续监测。

步骤8)图像传感器节点采集目标的图像，并判断目标是否是系统感兴趣的。若不是系统感兴趣的目标则使节点转到普通模式，否则转步骤9)。

步骤9)图像传感器节点将目标进入监测区域的时间及位置报告给基站。

步骤10)图像传感器节点根据所拍摄的多幅图像数据比照预测目标的未来位置及进入下一节点监测范围的时间。

步骤11)图像传感器节点唤醒入侵目标运动方向上的邻居图像传感器节点，使其进入高级模式进行监测。若图像传感器节点被唤醒一定时间后未发现目标则说明预测失败，节点自动进入休眠状态；否则转步骤12)。

步骤12)若目标未离开监测区域则重复步骤10)和步骤11)，否则将获得的数据传送给基站。

步骤13)基站收到数据后对数据进行处理，计算出目标在监测区域中的轨迹并保存。

有益效果：本发明提出了一种应用于无线多媒体传感器网络的目标跟踪方法，该方法中使用普通传感器节点和图像传感器节点共同完成目标区域的监测、识别与跟踪，具有如下几个优点：

(1)普通传感器节点和图像传感器节点相互协作由于普通传感器节点的能量消耗比图像传感器节点的能量消耗小且成本比图像传感器节点的成本要低，故在网络中同时布署普通传感器节点和图像传感器节点。普通传感器节点负责传输图像节点的控制命令及其采集到的数据，而图像传感器节点负责目标的检测，识别，跟踪及数据的传输。

(2)模式切换 监测和识别时对图像清晰度的要求不同，消耗的能量不同，故在节点处于监测状态时节点工作在普通模式，一旦发现目标则转换到高级模式。

(3)唤醒部分节点监控 图像传感器节点根据所拍摄的多幅图像数据比照预测目标的未来位置，然后唤醒入侵目标运动方向上的邻居图像传感器节点而不是唤醒所有的节点。

(4)目标运动路径由基站计算 当目标离开监测区域后，基站将接收到的关于某个目标的信息进行综合计算得出目标的运动轨迹，而不是由网络中的节点来完成目标轨迹的计算，从而延长了网络寿命。

附图说明

图1是无线多媒体传感器网络中目标运动轨迹跟踪示意图；

图2是本发明中的目标跟踪方法流程图。

具体实施方式

本发明采用普通传感器节点与图像传感器节点相互协作来完成目标跟踪。在网络中两种节点发挥各自的优点，从而达到节省能量延长网络寿命，并能实时完成目标的跟踪。

本发明提出的无线多媒体传感器网络中的目标跟踪方法有以下步骤：

步骤1)确定网络中节点的类型及主要功能网络中主要布署普通传感器节点和图像传感器节点这两种节点，普通传感器节点由于其成本较低，所消耗的能量较小，可以在网络中大量投放，其主要功能为负责传输图像节点的控制命令及其采集到的数据。而图像传感器节点由于其具有采集图像、采样环境视频信息、数据处理和无线通信的功能，主要负责目标的检测、识别、跟踪及数据的传输。

步骤2)将图像传感器节点的工作模式设置为可以在普通模式与高级模式之间切换。

步骤3)首先在布署到网络中的图像传感器节点上建立目标数据库，目标数据库中存放的是系统感兴趣的目标。

步骤4)网络中的布署好后，首先对节点初始化，网络中的部分普通节点上有GPS模块，通过GPS模块获取节点的位置，然后其它节点根据已知节点的位置计算出自己在网络中的位置。

步骤5)网络中所有节点广播hello包，其中包括节点的ID号和它们的位置信息，每个节点的hello包只发一次且邻居节点不再转发。普通传感器节点的ID号以字母c打头，而图像传感器节点的ID号以字母m打头，以便于节点在识别过程中能快速的知道哪些是图像传感器节点。

步骤6)当网络中所有节点广播结束后，各节点建立节点相邻关系表并保存本节点相邻节点的信息，节点按动态休眠调度机制进入休眠状态。

步骤7)图像传感器节点以时间间隔t在休眠状态和监视状态间转换。当发现有目标进入监控区域时，则图像传感器节点的工作模式切换到高级模式并转步骤8)，否则继续监测。

步骤8)图像传感器节点采集入侵目标的图像，将获得的清晰度较高的目标图像与数据库中的图像进行比照，看是否是系统感兴趣的目标。若不是系统感兴趣的目标则使节点转到普通模式，否则转步骤9)。

步骤9)图像传感器节点将目标进入监测区域的时间及位置报告给基站，在传输数据的过程中尽量在传输路径上选择唤醒普通传感器节点进行传输以节省能量。

步骤10)图像传感器节点根据所拍摄的多幅图像数据比照确定目标的运动特征，结合目标的当前位置、运动方向、速度等信息预测目标的未来位置及进入下一节点监测范围的时间。

步骤11)图像传感器节点唤醒入侵目标运动方向上的邻居图像传感器节点，使其进入高级模式进行监测。若图像传感器节点被唤醒一定时间后未发现目标则说明预测失败，节点自动进入休眠状态；否则转步骤12)。

步骤12)若目标未离开监测区域则重复步骤10)和步骤11)，否则将获得的数据传送给基站，传输数据的过程中尽量在传输路径上选择唤醒普通传感器节点进行传输以节省能量。

步骤13)基站收到数据后对数据进行处理，计算出目标在监测区域中的轨迹并保存。

Claims (1)

1.一种无线多媒体传感器网络中的目标跟踪方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤1)确定网络中节点的类型及主要功能、网络中主要布署普通传感器节点和图像传感器节点这两种节点，普通传感器节点的主要功能为负责传输图像节点的控制命令及其采集到的数据，而视频传感器节点主要负责目标的检测，识别，跟踪及数据的传输；

步骤2)将图像传感器节点的工作模式设置为可以在普通模式与高级模式之间切换；

步骤3)首先在布署到网络中的图像传感器节点上建立目标数据库，目标数据库中存放的是系统感兴趣的目标；

步骤4)网络中的节点布署好后，首先对节点初始化，各个节点获取自己在网络中的位置；

步骤5)网络中所有节点广播hello包，其中包括节点的ID号和它们的位置信息，每个节点的hello包只发一次且邻居节点不再转发；

步骤6)当网络中所有节点广播结束后，各节点建立节点相邻关系表并保存本节点相邻节点的信息，节点按动态休眠调度机制进入休眠状态；

步骤7)图像传感器节点以时间间隔t在休眠状态和监视状态间转换，当发现有目标进入监控区域时，则图像传感器节点的工作模式切换到高级模式并转步骤8)，否则继续监测；

步骤8)图像传感器节点采集目标的图像，并判断目标是否是系统感兴趣的；若不是系统感兴趣的目标则使节点转到普通模式，否则转步骤9)；

步骤9)图像传感器节点将目标进入监测区域的时间及位置报告给基站；

步骤10)图像传感器节点根据所拍摄的多幅图像数据比照预测目标的未来位置及进入下一节点监测范围的时间；

步骤11)图像传感器节点唤醒入侵目标运动方向上的邻居图像传感器节点，使其进入高级模式进行监测，若图像传感器节点被唤醒一定时间后未发现目标则说明预测失败，节点自动进入休眠状态；否则转步骤12)；

步骤12)若目标未离开监测区域则重复步骤10)和步骤11)，否则将获得的数据传送给基站；

步骤13)基站收到数据后对数据进行处理，计算出目标在监测区域中的轨迹并保存。

Images