CN106604219A - 一种物联网视频传感目标跟踪系统及其方法 - Google Patents

一种物联网视频传感目标跟踪系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种物联网视频传感目标跟踪系统及其方法。该系统包括基站，在基站内的基站节点，以及在感知区域内的视频传感节点；所述视频传感节点包括视频传感目标所在位置的参节点以及视频传感目标非所在位置的他节点。所述跟踪方法包括基站生成视频传感目标的第一条信息并向全网广播；视频传感节点监测感知区域内的视频传感目标，并进行目标定位；所述视频传感节点处理完基站发来的路由请求信息后，所有视频传感节点将有条件地重新广播这些这些请求信息；选择下一跳视频传感节点。本发明既能准确跟踪移动目标，又能有效减少不必要能耗。

Description

一种物联网视频传感目标跟踪系统及其方法
技术领域
本发明属于物联网感知层目标定位跟踪领域，具体是涉及一种物联网视频传感目标跟踪系统及其方法。
背景技术
物联网感知层由大量具有通信能力的传感节点构成，视频传感节点是其中特殊的一种，其由具有一定通信能力的可以观测感知环境的视频节点组成，其对目标定位跟踪更加直接，可以实现细粒度、精准信息的图像信息采集和目标跟踪，在环境、交通、军事、建筑及其他商业领域中具有广阔的应用前景。
在物联网视频传感目标跟踪方法中，当前已有的研究成果基本上都是基于固定基站完成的，系统的性能和应用有一定局限性。本发明是一种基于移动基站的物联网视频传感目标跟踪方法，扩展视频传感网络应用，提高目标跟踪精度和效率。本发明支持移动基站设置，通信延时低，是一种能够快速适应拓扑变化的鲁棒、高效的方法，在大规模节点和移动基站的网络应用中具有高能效和低开销的特点。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种物联网视频传感目标跟踪系统及其方法。本方法适用的网络环境是视频传感节点在正方形平面感知区域内随机稠密分布，基站和目标均为唯一，并在感知区域内随机运动。
本发明通过以下技术方案实现。一种物联网视频传感目标跟踪系统，主要包括基站，在基站内的基站节点，以及在感知区域内的视频传感节点；所述视频传感节点包括视频传感目标所在位置的参节点以及视频传感目标非所在位置的他节点；所述他节点包括
相对于参节点离基站的跳数更少的上级节点，以及
相对于参节点离基站的跳数相等的同级节点，以及
相对于参节点离基站的跳数更多的下级节点；
所述每个视频传感节点维护一张节点类型列表，该节点类型列表中的数据根据监听其他视频传感节点发送的广播信息中的跳数来更新；
所述基站节点通过发送路由请求信息来更新视频传感节点的路由信息，视频传感节点中存储的数据的结构为：<基站的请求序号，跳数，下一跳，上级节点，同级节点，下级节点>；
所述基站节点的路由请求包的结构为：<基站的请求序号，跳数，生存时间，源节点>，其中生存时间表示该信息的有效传播时间。
一种物联网视频传感目标跟踪方法，主要包括以下步骤：
第一步，基站生成视频传感目标的第一条信息并向全网广播；
第二步，视频传感节点监测感知区域内的视频传感目标，并进行目标定位；各视频传感节点接收到广播信息后分别生成指向基站的路径的向量组；
第三步，所述视频传感节点处理完基站发来的路由请求信息后，所有视频传感节点将有条件地重新广播这些这些请求信息，以更新跳数和基站的请求序号；即如果请求信息序号大于或等于当前视频传感节点中的序号，则比较请求信息和视频传感节点信息中的跳数，如果前者较小，视频传感节点根据基站的请求信息更新自身的跳数和下一跳，然后为避免产生冲突在一个随机延时后重新发送路由请求信息；除满足上述条件外，其他情况均丢弃路由请求信息，即当前视频传感节点不改变自身数据。
第四步，选择下一跳视频传感节点，当视频传感目标到达他节点的连接连续失败一次以上，则移除该视频传感节点的路由记录，然后从下级节点和同级节 点中选择所有可能的下一跳节视频传感节点，从而从中挑选出一个到基站的跳数最少的视频传感节点，而后该视频传感节点生成一个广播消息，把新的跳数和下一跳视频传感节点广播给其他视频传感节点。
优选地，所述第一步中，所述基站周期性的生成视频传感目标的信息并向全网广播。之后每次收到基站的路由请求信息后，所有视频传感节点都生成并存储自己的跳数值、收到的最新的基站的请求序号、以及邻居视频传感节点的级别信息。
优选地，所述第二步视频传感节点监测感知区域内的视频传感目标，并进行目标定位，主要包括以下步骤：
首先，初始化并创建第一个目标位置的评估数据组；视频传感节点监测到感知区域内的视频传感目标后立刻广播全网，而后开始执行初始化程序，并创建一个目标位置评估数据组；其是通过视频传感节点的观测投射模型来评估目标状态。
其次，对评估数据组进行划分分组；从第二组评估数据组开始，所有位置评估数据组都通过计算分成至少两个分组，每个分组由两个可监控到视频传感目标的视频传感节点组成；
再次，选取参节点离基站节点跳数最小的一个分组，计算视频传感目标的位置、速度和方向；视频传感目标的位置依然由上述视频传感节点的观测投射模型来确定，速度通过当前位置与前一个分组评估位置之间的距离以及两个分组采样时间之差来确定，方向由当前位置与前一个分组评估位置的坐标关系确定。
最后，确定视频传感目标的下一个目标位置。
作为上述方案的进一步改进，所述第四步确定视频传感目标的下一个目标 位置主要通过以下方式进行：先通过视频传感目标的位置、速度和方向来评估下一个视频传感目标可能出现的位置，进而预测下一轮的评估分组，之后再根据预测评估分组的实际观测情况，调整实际评估分组，从而确定视频传感目标的目标位置，由此生成视频传感目标的跟踪轨迹。
优选地，所述第四步中，当视频传感目标到达他节点的连接连续失败屋次以上，则移除该视频传感节点的路由记录。
优选地，所述第四步中，当没有有效的下一跳视频传感节点存在，则该视频传感节点停止发送信息请求，直到基站再次刷新路由信息。
本发明既能准确跟踪移动目标，又能有效减少不必要能耗；其支持移动基站设置，通信延时低，是一种能够快速适应拓扑变化的鲁棒、高效的方法，在大规模节点和移动基站的网络应用中具有高能效和低开销的特点。
附图说明
图1为视频传感目标的目标位置评估步骤示意图；
图2为本发明系统的网络分布示意图；
图3为视频传感节点的观测投射模型示意图；
图4为频传感目标的直线轨迹示意图；
图5为频传感目标的曲线轨迹示意图。
其中，1为视频传感目标，2为视频传感节点，3为基站。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不做为对本发明的限定。
参照图1、图2和图3，本发明一种物联网视频传感目标跟踪系统，主要包括基站3，在基站3内的基站节点，以及在感知区域内的视频传感节点2；所述 视频传感节点2包括视频传感目标1所在位置的参节点以及视频传感目标1非所在位置的他节点；所述他节点包括
相对于参节点离基站3的跳数更少的上级节点，以及
相对于参节点离基站3的跳数相等的同级节点，以及
相对于参节点离基站3的跳数更多的下级节点；
所述每个视频传感节点2维护一张节点类型列表，该节点类型列表中的数据根据监听其他视频传感节点发送的广播信息中的跳数来更新；
所述基站节点通过发送路由请求信息来更新视频传感节点2的路由信息，视频传感节点2中存储的数据的结构为：<基站的请求序号，跳数，下一跳，上级节点，同级节点，下级节点>；
所述基站节点的路由请求包的结构为：<基站的请求序号，跳数，生存时间，源节点>，其中生存时间表示该信息的有效传播时间。
参照图1、图2和图3，一种物联网视频传感目标跟踪方法，主要包括以下步骤：
第一步，基站生成视频传感目标的第一条信息并向全网广播；
第二步，视频传感节点监测感知区域内的视频传感目标，并进行目标定位；各视频传感节点接收到广播信息后分别生成指向基站的路径的向量组；
第三步，所述视频传感节点处理完基站发来的路由请求信息后，所有视频传感节点将有条件地重新广播这些这些请求信息，以更新跳数和基站的请求序号；即如果请求信息序号大于或等于当前视频传感节点中的序号，则比较请求信息和视频传感节点信息中的跳数，如果前者较小，视频传感节点根据基站的请求信息更新自身的跳数和下一跳，然后为避免产生冲突在一个随机延时后重新发送路由请求信息；除满足上述条件外，其他情况均丢弃路由请求信息，即 当前视频传感节点不改变自身数据。
第四步，选择下一跳视频传感节点，当视频传感目标到达他节点的连接连续失败一次以上，则移除该视频传感节点的路由记录，然后从下级节点和同级节点中选择所有可能的下一跳节视频传感节点，从而从中挑选出一个到基站的跳数最少的视频传感节点，而后该视频传感节点生成一个广播消息，把新的跳数和下一跳视频传感节点广播给其他视频传感节点。
优选地，所述第一步中，所述基站周期性的生成视频传感目标的信息并向全网广播。之后每次收到基站的路由请求信息后，所有视频传感节点都生成并存储自己的跳数值、收到的最新的基站的请求序号、以及邻居视频传感节点的级别信息。
参照图1、图2和图3，优选地，所述第二步视频传感节点监测感知区域内的视频传感目标，并进行目标定位，主要包括以下步骤：
首先，初始化并创建第一个目标位置的评估数据组；视频传感节点监测到感知区域内的视频传感目标后立刻广播全网，而后开始执行初始化程序，并创建一个目标位置评估数据组；其是通过视频传感节点的观测投射模型来评估目标状态。观测投射模型如图3所示，图中Li(t)与视频传感节点对视频传感目标的观测坐标的关系为：
其中F为视频传感节点的焦距，θi为节点镜头相对于坐标X轴的角度，(xi，yi)为视频传感节点的坐标，两个视频传感节点同时观测到目标即可确定视频传感目标的目标坐标(xt，yt)。
其次，对评估数据组进行划分分组；从第二组评估数据组开始，所有位置评估数据组都通过计算分成至少两个分组，每个分组由两个可监控到视频传感 目标的视频传感节点组成；
再次，选取参节点离基站节点跳数最小的一个分组，计算视频传感目标的位置、速度和方向；视频传感目标的位置依然由上述视频传感节点的观测投射模型来确定，速度通过当前位置与前一个分组评估位置之间的距离以及两个分组采样时间之差来确定，方向由当前位置与前一个分组评估位置的坐标关系确定。
最后，确定视频传感目标的下一个目标位置。
作为上述方案的进一步改进，所述第四步确定视频传感目标的下一个目标位置主要通过以下方式进行：先通过视频传感目标的位置、速度和方向来评估下一个视频传感目标可能出现的位置，进而预测下一轮的评估分组，之后再根据预测评估分组的实际观测情况，调整实际评估分组，从而确定视频传感目标的目标位置，由此生成视频传感目标的跟踪轨迹。
优选地，所述第四步中，当视频传感目标到达他节点的连接连续失败屋次以上，则移除该视频传感节点的路由记录。
优选地，所述第四步中，当没有有效的下一跳视频传感节点存在，则该视频传感节点停止发送信息请求，直到基站再次刷新路由信息。
本发明既能准确跟踪移动目标，又能有效减少不必要能耗；其支持移动基站设置，通信延时低，是一种能够快速适应拓扑变化的鲁棒、高效的方法，在大规模节点和移动基站的网络应用中具有高能效和低开销的特点。
按照图1所示的方法流程，采样本发明的物联网视频传感目标跟踪方法，选取边长为30m的正方形平面空间作为物联网的工作区域，50个视频传感节点完全随机分布在此区域中，节点摄像头焦距为8mm、视角范围为120°，对视频传感目标的视频传感节点进行定位跟踪。其中设计了两种不同类型的视频传感 目标移动线路，分别是直线和曲线；图4为频传感目标的直线轨迹示意图，图5为频传感目标的曲线轨迹示意图。
分析图4和图5，可以看出，本发明的目标定位跟踪精度较高，最大误差在1m以内。因此本发明是一种节能型、高精度的物联网目标跟踪方法，可用于安全防盗、环境监测、交通运输、军事跟踪、货物仓储等各行各业，具有广阔的应用前景。
以上已将本发明做一详细说明，但显而易见，本领域的技术人员可以进行各种改变和改进，而不背离所附权利要求书所限定的本发明的范围。

Claims (7)

1.一种物联网视频传感目标跟踪系统，其特征在于：主要包括基站，在基站内的基站节点，以及在感知区域内的视频传感节点；所述视频传感节点包括视频传感目标所在位置的参节点以及视频传感目标非所在位置的他节点；所述他节点包括
相对于参节点离基站的跳数更少的上级节点，以及
相对于参节点离基站的跳数相等的同级节点，以及
相对于参节点离基站的跳数更多的下级节点；
所述每个视频传感节点维护一张节点类型列表，该节点类型列表中的数据根据监听其他视频传感节点发送的广播信息中的跳数来更新；
所述基站节点通过发送路由请求信息来更新视频传感节点的路由信息，视频传感节点中存储的数据的结构为：<基站的请求序号，跳数，下一跳，上级节点，同级节点，下级节点>；
所述基站节点的路由请求包的结构为：<基站的请求序号，跳数，生存时间，源节点>，其中生存时间表示该信息的有效传播时间。
2.如权利要求1所述的一种物联网视频传感目标跟踪方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
第一步，基站生成视频传感目标的第一条信息并向全网广播；
第二步，视频传感节点监测感知区域内的视频传感目标，并进行目标定位；各视频传感节点接收到广播信息后分别生成指向基站的路径的向量组；
第三步，所述视频传感节点处理完基站发来的路由请求信息后，所有视频传感节点将有条件地重新广播这些这些请求信息，以更新跳数和基站的请求序号；
第四步，选择下一跳视频传感节点，当视频传感目标到达他节点的连接连续失败一次以上，则移除该视频传感节点的路由记录，然后从下级节点和同级节点中选择所有可能的下一跳节视频传感节点，从而从中挑选出一个到基站的跳数最少的视频传感节点，而后该视频传感节点生成一个广播消息，把新的跳数和下一跳视频传感节点广播给其他视频传感节点。
3.根据权利要求2所述的一种物联网视频传感目标跟踪方法，其特征在于，所述第一步中，所述基站周期性的生成视频传感目标的信息并向全网广播。
4.根据权利要求2所述的一种物联网视频传感目标跟踪方法，其特征在于，所述第二步视频传感节点监测感知区域内的视频传感目标，并进行目标定位，主要包括以下步骤：
首先，初始化并创建第一个目标位置的评估数据组；视频传感节点监测到感知区域内的视频传感目标后立刻广播全网，而后开始执行初始化程序，并创建一个目标位置评估数据组；
其次，对评估数据组进行划分分组；从第二组评估数据组开始，所有位置评估数据组都通过计算分成至少两个分组，每个分组由两个可监控到视频传感目标的视频传感节点组成；
再次，选取参节点离基站节点跳数最小的一个分组，计算视频传感目标的位置、速度和方向；
最后，确定视频传感目标的下一个目标位置。
5.根据权利要求4所述的一种物联网视频传感目标跟踪方法，其特征在于，所述第四步确定视频传感目标的下一个目标位置主要通过以下方式进行：先通过视频传感目标的位置、速度和方向来评估下一个视频传感目标可能出现的位置，进而预测下一轮的评估分组，之后再根据预测评估分组的实际观测情况，调整实际评估分组，从而确定视频传感目标的目标位置，由此生成视频传感目标的跟踪轨迹。
6.根据权利要求2所述的一种物联网视频传感目标跟踪方法，其特征在于，所述第四步中，当视频传感目标到达他节点的连接连续失败屋次以上，则移除该视频传感节点的路由记录。
7.根据权利要求2所述的一种物联网视频传感目标跟踪方法，其特征在于，所述第四步中，当没有有效的下一跳视频传感节点存在，则该视频传感节点停止发送信息请求，直到基站再次刷新路由信息。
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