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《国防科学技术大学》 2009年
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无线多媒体传感器网络多节点协同图像采集与压缩技术研究

鲁琴  
【摘要】: 作为传统无线传感器网络的一种特殊应用与发展,无线多媒体传感器网络(WMSNs)使人类的视野扩展到任意的物理空间,在未来信息化作战、空间作战、无人作战以及民用上都具有非常广阔的应用前景。除了一般无线传感器网络的共性特点外,WMSNs还具有处理任务复杂化,图像采集、处理与传输能耗呈现“均匀”分布的特点,使得能否有效解决因信息处理复杂带来的高能耗、高成本问题,延长网络的生命周期,成为WMSNs走向实用化的关键。为此,本文在国家自然科学基金项目“适用于无线多媒体传感器网络的图像压缩算法及多节点协同图像传输技术研究”(No.60872151)的支持下,以节能和最大化网络生命周期为目标,对WMSNs中的多节点协同图像采集与压缩技术进行了深入研究。 论文主要研究内容与创新点归纳如下: 1.为了在确保监测质量的同时尽可能延长网络的生命周期,提出了一种两层协作式WMSNs体系结构。其主要设计思想是:通过普通节点层与相机节点层间的三级协作,将相机节点层的图像采集和压缩能耗压力有效地分解到部署冗余的普通节点层。该体系结构网络成本较低,适合于大规模WMSNs的部署。 2.为了减少相机节点层对大量不必要背景图像的重复采集,降低相机节点层的能耗,提出并研究了WMSNs事件驱动型相机节点唤醒问题。针对相机节点的有向感知模型,提出了一种基于感知域划分的分布式相机节点协调唤醒机制。该机制通过网络运行前普通节点与邻近相机节点位置关系的预先标识,省略了网络运行中的事件覆盖判定过程;通过基于普通节点分类的感知域划分和感知域级的事件管理,减少了相机节点的处理能耗和节点间的通信能耗;通过协调过程中相机节点对邻居相机节点信息列表的管理,降低了决策过程的复杂度及所需的通信开销。 3.为了减少事件图像的冗余采集,进一步降低相机节点层的能耗,提出并研究了最小能耗图像采集问题。结合相机节点图像采集的特点,提出了一种局部相机节点协调节能策略。唤醒过程完成后,在活跃相机节点集范围内利用冗余节点分布式自查算法使剩余能量较低的冗余活跃相机节点休眠;同时通过定期局部集中式协调策略进一步减少图像采集过程中的活跃相机节点数目,并平衡相机节点能耗。 4.针对传统无线传感器网络簇结构下相机节点压缩图像或簇头节点压缩图像的传输方案均会导致节点能量很快耗尽,进而使网络局部瘫痪的问题,提出了一种基于两跳簇结构的本地图像传输方案,通过增加多个中继节点负责图像的压缩和转发,有效地缓解了相机节点和簇头节点的能耗压力。该方案利用相机节点对过渡簇传输半径的自适应调整和基于普通节点剩余能量的图像压缩任务分配,极大地平衡了网络节点能耗,进而延长了网络生命周期。 5.针对JPEG2000算法用于WMSNs多节点协同实现存在计算复杂度高、能耗高、低比特率情况下重建图像质量较差的问题,提出了一种适合于在WMSNs两跳簇结构中多节点协同实现的图像压缩算法。该算法利用DCT变换前的时域重叠变换消除块效应,具有计算简便、能耗低、存储需求低的特点,且在WMSNs多节点协同实现环境下重建图像质量远远优于JPEG2000。 本文的上述研究工作为下一步建立基于WMSNs的战场环境可视化监测系统提供了基本的理论和技术支持,对加快构建我军陆、海、空、天一体化战场态势立体感知平台具有重大的现实意义和深远的战略意义。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TP274.2

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