无线多媒体传感器网络综述

多媒体传感器网络综述摘要：随着监测环境的日趋复杂多变，无线多媒体传感器网络应运而生，作为一种全新的信息获取和处理技术，多媒体传感器网络较之传统传感器网络更多地关注于音频、视频、图像等大数据量、大信息量媒体的采集与处理,在军事、民用及商业领域中具有广阔的应用前景。

关键词：多媒体传感器网络体系结构特点关键技术0.引言随着监测环境的日趋复杂多变，传统无线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，无线多媒体传感器网络(wireless multimedia sensor networks，WMSNs)应运而生[1]。

多媒体传感器网络是由一组具有计算、存储和通信能力的多媒体传感器节点组成的分布式感知网络，它借助于节点上多媒体传感器感知所在周边环境的多种媒体信息(音频、视频、图像、数值等)，通过多跳中继方式将数据传到信息汇聚中心，汇聚中心对监测数据进行分析，实现全面而有效的环境监测[2]。

1.多媒体传感器网络体系结构一个典型的多媒体传感器网络通常由多媒体传感器节点(multimedia sensor)、汇聚节点(sink node)、控制中心(control center)等。

多媒体传感器节点散布在指定的感知区域内。

其采集的数据沿着其他多媒体传感器节点逐跳进行传输，经过“多跳”路由传送节点，最后通过Internet网络或通信卫星到达控制中心。

用户通过控制中心对传感器网络进行配置和管理。

发布监测任务以监测数据，如图l所示[2, 3]。

多媒体传感器节点图1.多媒体传感器网络体系结构多媒体传感器节点：集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型嵌入式节点，借助内置的、形式多样的传感器监测所在周边环境中的热、红外、声纳、图像、音频、视频等众多我们感兴趣的物理现象。

其处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，并通过携带能量有限的电池供电。

多媒体传感器节点强调采集音频、视频、图像等环境信息，并进行简单处理，还要对其他节点转发的数据进行融合、转发等。

汇聚节点：既可以是一个具有较强功能的多媒体传感器节点，有足够的能量供给更多的内存与计算资源，也可以是没有监测能力，仅具有通信能力的特殊网关设备。

汇聚节点的处理能力、存储能力及通信能力比较强，负责连接多媒体传感器网络与Internet等外部网络，发布管理节点的监测任务，并转发数据至外部网络。

控制中心：负责查询或收集多媒体传感器网络的监测信息，也可监测多媒体传感器网络发布的信息，并提供友好的交互界面供用户对监测信息进行观察、分析、挖掘及决策。

2.多媒体传感器网络特点作为传感器网络的一种，多媒体传感器网络除了具有其共性特点以外，还具有显著的个性特点。

具体表现为以下几个方面[3]：（1）网络能力增强。

由于大数据量音频、视频、图像等媒体的引入，多媒体传感器节点及网络能力(采集、处理、存储、收发、能量供应等方面)都有显著增强。

节点处理能力由原来Mica系列的6MHz提高至数十甚至数百兆，存储能力也由KB量级增至MB量级。

为更好地满足网络中多媒体传输需求，网络带宽资源也相应增加。

（2）感知媒体丰富。

音频、视频、图像、数值、文本以及控制信号在内的多种类型数据共存于多媒体传感器网络中。

另外，媒体格式多样，既包含单值信息，又包含流媒体信息。

这些媒体信息共同服务于监测任务，实现更为全面、准确的场景监测。

（3）处理任务复杂。

传统传感器网络采集的数据格式单一、信息量少，因而处理简单，只需经过加、减、乘、除、求和、求平均值等运算，人们通过这些数值结果很难对监测环境形成全面认知。

而多媒体传感器网络采集的音频、视频、图像信息丰富且格式复杂，我们可利用压缩、识别、融合等多种处理以满足多样化应用需求。

另外，由感知多种媒体类型的传感器节点构成的多媒体传感器网络，其监测能力远远大于几种感知单一媒体类型的传感器网络的简单叠加。

多类型传感数据从不同角度描述物理世界，对同一场景多类型数据进行融合，我们可以得到对环境更为全面而有效的感知。

3.无线多媒体传感器网络关键技术[4]（1）节点系统传感器节点系统是构成无线多媒体传感器网络的基础，目前已经设计或生产的无线传感器网络节点可分为两类：一类是以通用微处理器为核心部件，类似嵌入式系统方式设计的节点，目前大多数节点采用这种方式，如Mica，Gainz等；另一类则是采用FPGA，ASIC等专用器件设计的平台，如Pico Radio，Mult-Radio WSN platform等。

（2）MAC协议媒体访问协议(MAC协议)的主要功能是在相互竞争的传感器节点之间分配有限的无线信道资源，它决定着无线信道的使用方式和网络性能，是关系到网络运行成功的重要技术。

（3）路由协议路由协议是WSNs研究的重点之一，其功能是在网络中任意需要通信的两点间建立并维护数据传输路径。

针对无线传感器网络节点资源严重受限，网络拓扑结构变化频繁，通信方式以数据为中心等特性，目前国内外研究人员已经设计了很多路由协议，其中较为常见的有SPIN，DD，CADR，LEACH，PEGASIS，TEEN，SMECN，GEAR等。

（4）多媒体信息处理多媒体信息处理是WMSNs研究的一个重要方面，要解决的关键问题是如何在单个节点存储、处理能力和能量严重受限的情况下高效地实现图像、视频等多媒体信息的压缩编码和传输，处理方法可分为以下两类：分布式信源编码方法和多节点“分布式”图像压缩方法。

（5）跨层设计传统无线传感器网络协议栈各层提出的支持多媒体流传输策略，往往局限于一层而忽略了层间的相互作用。

物理层、MAC层和网络层对网络资源分配相互制约：物理层通过在接收端的干扰影响无线信道的多路接入，MAC层给转发节点分配带宽影响节点对有用信号的监测;传输调度造成低带宽和延迟会迫使选路改径，而路由选择又会改变一系列的链路调度。

应用层也并非与底层完全隔绝，采用过滤、压缩等编码机制增强网络传输性能。

因此，在WMSN中需要跨层协作来改善总的系统性能，如QoS、能耗、信道利用率等[5]。

（6）WMSNs的QoS需求QoS问题是WMSNs的关键问题之一。

首先，由于音频、视频和图像等媒体信息的引入，导致大量数据的产生，使得网络更易发生拥塞，而音视频信息对数据的传输延迟、延迟抖动高度敏感。

其次，WSNs和WMSNs的感知模式不同，相比于标量数据（温度和湿度等）采集的无向性，媒体数据（视频信息等）的感知具有严格的方向性。

例如，同一场景需要多个视频传感器协同采集数据，这就对网络覆盖性的研究提出了更高的要求。

尽量延长网络寿命是传感器网络的基础问题，WMSNs中媒体信息的处理、大量数据的传输要消耗更多的节点能量。

因此，对于资源严重受限的WMSNs而言，建立完善的QoS保体系，做到合理分配资源，提高资源利用率，是值得我们深入研究的问题[6]。

4.多媒体传感器网络应用多媒体传感器网络在军事、民用、商业中都具有非常广阔的应用前景。

为了与传统的传感器网络应用相区分，我们主要对目前研究较为活跃的音视频传感器网络应用进行总结。

具体的应用领域集中在：（1）战场监控。

多媒体传感器网络具有快速部署、自组织和健壮性等特点，因此非常适合在军事领域中应用。

可实现对敌军兵力和装备的监控、战场的实时监视、目标定位、战场评估等功能（2）交通监控。

对于交通枢纽、环线公路以及高速公路的交通情况实施监控，以统计通过的车数、是否有非法目标停靠、是否有故障车辆，还可以提供有关道路堵塞的最新情况，推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等。

（3）安全敏感区域监控。

对矿井、电站、煤窑等安全敏感工作环境实时监控。

（4）智能家居和目标跟踪。

建立智能幼儿园，监测孩童的早期教育环境，跟踪孩童的活动轨迹，可以让家长和老师全面地研究学生的学习生活过程;对人物(尤其是独居老人、残疾人)行为活动实施监测，针对人的站立/坐/跌倒等形体特征进行监测识别，判断可能发生的危险状况，并发出警报。

（5）公共安全监测。

多媒体传感器网络还可广泛应用于机场、火车站、海关、体育场馆、停车场等公共集会场所的安全监测突发情况下(如火灾、地震)环境的实时监控和预报等。

4.多媒体传感器网络的研究内容[3]对多媒体传感器网络的研究可从以下几个方面展开：(1)多媒体传感器网络体系结构研究支持节点间多媒体信息协同处理的传感器网络系统模型，设计出合理的网络结构，将庞大而复杂的多媒体信息获取和处理分布到多个多媒体传感器节点上，通过多节点间的协同工作，及时而有效地完成场景监测。

(2)多媒体传感器节点设备在有限成本的基础上，设计出能实现多媒体信息传感、处理、传输等功能的传感器节点的方法，节点中包含软硬件平台、附加功能。

(3)多媒体传感器节点部署及网络覆盖性能部署或覆盖问题是一个基本问题，它反映了网络对物理世界的感知范围和质量。

根据多媒体传感器节点的不同传感模型，研究多媒体传感器节点部署策略及调度机制，以及保障多媒体传感器网络的覆盖完整性和通信连通性的方法。

(4)媒体信息的传输问题利用传感器网络实时、可靠地传输大数据量流媒体信息，而尽量节省网络能量，延长网络生存期。

(5)多媒体信息融合与重现多媒体传感器节点采集到的各类型数据具有很大的冗余性和时空关联，有必要研究如何基于相关性信息融合多种类型数据[27]。

例如，利用多个相邻视频传感器节点的相关性对多源视频信息的融合处理，最终实现监测场景视觉信息的重现。

(6)多媒体传感器节点的任务重构由于节点计算、存储、通信能力有限，支持监测任务变化而提供有效的任务重构机制是保证实现多媒体传感器网络功能灵活性的重要途径之一。

(7)多媒体传感器网络的应用研究在军事侦察、环境监控、工业控制、智能家居、城市管理、交通监控、目标追踪、反恐等领域的典型应用。

5.总结多媒体传感器网络是一种新型的信息获取和处理技术。

与传统的传感器网络技术相比，它更多地关注于音频、视频、图像等大数据量、大信息量媒体的采集、处理与传输，在军事、民用、商业中具有广阔的应用前景。

在本文中，我们介绍了多媒体传感器网络的概念与特点，面临的挑战与国内外研究进展，归纳和总结近年来其热点应用及关键技术问题，并展望了进一步的研究方向，期望本文的介绍能够推动同行学者对这一新兴技术的关注与研究。

参考文献[1] 马超, 叶湘滨, 胡冰. 无线多媒体传感器网络中相机节点的设计与实现[J]. 传感器与微系统, 2008, 27(012):79-81.[2] 刘芳, 王瑶. 多媒体无线传感器网络体系结构[J]. 电脑知识与技术, 2009, 5(8):[3] 马华东, 陶丹. 多媒体传感器网络及其研究进展[J]. Journal of Software, 2006,17(9):2013-2028.[4] 罗武胜, 翟永平, 鲁琴. 无线多媒体传感器网络研究[J]. 电子与信息学报, 2008,30(006):1511-1516.[5] 李方敏, 李姮, 刘新华. 无线多媒体传感器网络体系结构及QoS 保障机制[J]. 计算机科学, 2009, 36(006):19-25.[6] 常泓, 谭敏生. 无线多媒体传感器网络的QoS 问题研究[J]. 电脑知识与技术: 学术交流,2009, 5(001):210-213.。