多媒体传感器网络中音频采集与图像搜索系统研究与实现

摘要

作为一种全新的信息获取与处理技术,多媒体传感器网络较之传统传感器网络更多地关注音频、图像、视频等大信息量、大数据量媒体的采集和处理,在军事、民用以及商业领域具有广阔的应用前景。资源受限的传感器节点对多媒体数据的感应能力与传输能力不匹配,且易丢包。本文对以上问题寻求解决方案,主要工作如下：
　　 (1)音频数据采集方案的研究。不同于温度,光强等环境数据采集,音频数据采集具有采样频率快,数据量大的特点,对在资源受限的无线传感器网络中实现音频数据的采集、存储与传输提出了挑战。针对音频数据采集的特点,结合传感器网络应用环境,提出了一种具有存储、压缩与可靠传输功能的音频数据采集方案。分析与实验结果表明,该方案可以保证音频数据的可靠存储与传输,设计的音频数据压缩算法能够有效减少节点的发包量,节约网络能量。
　　 (2)分布式图像搜索系统的研究。SIFT特征匹配算法是图像处理中一种常用的物体识别算法。但是,在处理能力有限的传感器节点上运行SIFT算法耗时太长。本文设计了一种传感器网络中SIFT分布式实现的算法,并提出一种计算简单的RCT图像压缩算法,分析和实验结果表明,分布式SIFT算法可以加快图像处理速度,RCT算法计算简单,能有效节约节点能量。
　　 (3)原型系统设计与实现。基于TinyOS操作系统,本文结合以上研究工作,在CrossBow公司生产的Micaz和Imote2节点硬件平台上,实现了一个音频采集原型系统和一个图像搜索原型系统,并验证了所提协议的性能。音频采集原型系统利用ADC组件高速采集音频数据,在数据处理层加入重传机制和压缩算法,在监控管理层还原数据并分析协议性能。图像搜索原型系统在Imote2节点上加载TOS MAC模块进行无线通信,使用SIFT算法进行图像特征匹配。实验结果表明,音频采集原型系统运行稳定,图像搜索原型系统匹配速度快,在图像发生平移、旋转、仿射变换情况下,仍能搜索出图像。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究内容

1.3 论文结构

第2章 相关研究综述

2.1 前言

2.2 多媒体传感器网络概述

2.2.1 节点硬件系统

2.2.2 网络体系结构

2.2.3 多媒体传感器网络特点

2.2.4 多媒体信息处理

2.3 声音传感器网络研究现状

2.3.1 蟾蜍监控系统

2.3.2 EnviroMic系统

2.4 图像传感器网络研究现状

2.4.1 远程护理系统ReMoteCare

2.4.2 基于小波的分布式图像压缩算法

2.4.3 分布式图像搜索传感器网络

第3章 多媒体传感器网络中音频采集系统设计与分析

3.1 前言

3.2 音频采集系统的设计

3.2.1 系统总体框架

3.2.2 簇内节点数据存储

3.2.3 重传机制

3.2.4 数据压缩

3.2.5 簇头存储

3.3 实验及性能分析

3.3.1 数据完整性分析

3.3.2 压缩率

3.4 小结

第4章 多媒体传感器网络中分布式图像搜索系统设计与分析

4.1 前言

4.2 系统拓扑结构

4.2.1 簇的形成

4.2.2 树状拓扑的形成

4.3 分布式SIFT变换

4.3.1 SIFT算法介绍

4.3.2 分布式SIFT算法

4.4 搜索结果融合

4.5 图像压缩算法

4.5.1 PGM图像格式

4.5.2 RCT图像压缩算法

4.6 性能分析

4.6.1 分布式SIFT性能分析

4.6.2 RCT图像压缩性能分析

4.6.3 能耗分析

4.7 小结

第5章 原型系统实现

5.1 前言

5.2 TinyOS介绍

5.3 音频采集原型系统

5.3.1 系统总体框架

5.3.2 数据采集存储

5.3.3 压缩模块

5.3.4 通信模块

5.3.5 实验过程

5.4 图像搜索原型系统

5.4.1 运行环境

5.4.2 通信模块

5.4.3 图像特征提取与匹配

5.4.4 实验过程

5.5 小结

结论

参考文献

致谢

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