專利名稱：視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方 法，屬于自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著嵌入式計(jì)算技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟， 出現(xiàn)一種具有感知、計(jì)算和通信能力的微型視頻傳感器，由這種微型視頻傳感 器所構(gòu)成的視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。以環(huán)境感知、 目標(biāo)監(jiān)測、信息獲取和有效傳輸為主要目標(biāo)的視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)特別需要關(guān)心對(duì) 監(jiān)測區(qū)域及目標(biāo)的覆蓋能力，由此產(chǎn)生了視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋控制問題。覆 蓋作為視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)基本問題，它描述了網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理世界的感知狀 況，反映了視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)所能提供的"感知質(zhì)量"。
近年來，許多國內(nèi)外學(xué)者相繼開展了視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制方面的研究， 但是相關(guān)的研究仍然屬于起步階段。作為一種與監(jiān)測應(yīng)用密切相關(guān)的技術(shù)，視 頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中的覆蓋控制問題已不僅僅涉及單純的覆蓋含義，更與能量節(jié)約、 目標(biāo)探知、路徑規(guī)劃等具體應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)。按照視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用屬性，
通常將視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中覆蓋控制問題的理論研究分為以下三類(1)能量節(jié) 約此類覆蓋控制方法的主要機(jī)理是將冗余節(jié)點(diǎn)分成多個(gè)不交叉的集合，各集 合能夠獨(dú)立提供連續(xù)、有效的監(jiān)測服務(wù)；(2)目標(biāo)探知在合理利用網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有 資源的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)監(jiān)測區(qū)域的覆蓋優(yōu)化，以獲得盡可能高 的目標(biāo)探知概率；(3)路徑規(guī)劃采用網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)覆蓋控制方案，隨時(shí)改變對(duì)某 些感興趣區(qū)域或目標(biāo)路徑的覆蓋程度。
文章《有向視角感知傳感器網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)化最壞情況覆蓋問題的研究》 ("Optimal Worst-Case Coverage of Directional Field-of-View Sensor Networks"發(fā)
表于國際會(huì)議SECON，06)提出利用最佳多項(xiàng)式時(shí)間算法解決視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)
中"最壞情況覆蓋"問題，用于考察所有穿越路徑中不被網(wǎng)絡(luò)中視頻傳感器節(jié) 點(diǎn)監(jiān)測的概率最小的情況。也就是說，其研究是找出視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中覆蓋的 最差情況，并不涉及改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋的性能。
對(duì)監(jiān)測目標(biāo)的跟蹤覆蓋能力高低是衡量視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測性能優(yōu)劣的主 要判定標(biāo)準(zhǔn)之一。當(dāng)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有目標(biāo)(如感興趣對(duì)象、入侵者等)出現(xiàn)時(shí)， 通常希望視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)ζ浔O(jiān)測區(qū)域內(nèi)目標(biāo)實(shí)施盡力監(jiān)測，自動(dòng)調(diào)節(jié)和 實(shí)現(xiàn)與之相匹配的較高程度的覆蓋，保證目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。視 頻傳感器節(jié)點(diǎn)的方向性感知特征豐富了目標(biāo)跟蹤覆蓋控制研究的內(nèi)容。由于視 頻傳感器節(jié)點(diǎn)的感知能力是有方向性的，即使是分布在同一地理位置上的兩個(gè) 視頻傳感器節(jié)點(diǎn)，也會(huì)因其傳感方向的不同而導(dǎo)致對(duì)某 一 目標(biāo)覆蓋能力上存在 很大差異。視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感方向可調(diào)特性，為解決視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)的目 標(biāo)跟蹤提供了新的手段。如何利用視頻傳感器節(jié)點(diǎn)這一特性實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目 標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的充分、高效覆蓋，成為迫切需要解決的一個(gè)課題。
目前，傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)的典型策略是基于虛擬勢場的方法。虛擬勢場
(Virtual Potential Field )的概念最初應(yīng)用于機(jī)器人的路徑規(guī)劃和障礙躲避。其 主要思想是對(duì)障礙物建立排斥勢場，對(duì)目標(biāo)建立引力勢場，在排斥力和吸引 力的共同作用下，機(jī)器人繞開障礙物向目標(biāo)移動(dòng)。
文章《利用勢場方法部署移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò) 一種分布式可擴(kuò)展的區(qū)域覆蓋 問題角罕決方案》("Mobile Sensor Network Deployment using Potential Field: A Distributed Scalable Solution to the Area Coverage Problem"發(fā)表于國際會(huì)i義 DARS，02)和文章《移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)約束覆蓋問題》("Constrained Coverage for Mobile Sensor Networks"發(fā)表于國際會(huì)i義Robotics & Automation'04 )的作者先 后將虛擬勢場方法引入到傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)問題的研究中。其基本思想 是把傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)看作一個(gè)虛擬電荷，各傳感器節(jié)點(diǎn)受到其 他傳感器節(jié)點(diǎn)的虛擬力作用，向目標(biāo)區(qū)域中的其他區(qū)域擴(kuò)散，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo) 區(qū)域充分、高效的覆蓋。也就是說，通過傳感器節(jié)點(diǎn)間的虛擬力作用，利用隨 機(jī)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)的位置移動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的增強(qiáng)。然 而，考慮到網(wǎng)絡(luò)的部署成本，要在實(shí)際應(yīng)用中將所有部署的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)都 具有移動(dòng)能力是不現(xiàn)實(shí)的。另外，傳感器節(jié)點(diǎn)位置的移動(dòng)只能發(fā)生在較近范圍 內(nèi)，何況移動(dòng)極易引起部分傳感器節(jié)點(diǎn)的失效，進(jìn)而造成整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓樸 的變化，這些無疑都會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本。
總之，從申請(qǐng)人目前掌握的專利資料來看，至今尚未發(fā)現(xiàn)有涉及視頻傳感 器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法的相關(guān)報(bào)道和材料。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡 覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法，本發(fā)明是從視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的方向性感知特性出發(fā)，基 于視頻傳感器節(jié)點(diǎn)初始位置固定不變的假設(shè)，通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中所有可能監(jiān)測到 移動(dòng)目標(biāo)的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感方向，使之參與對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)測，從而提 高移動(dòng)目標(biāo)沿著任意軌跡穿越視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)被覆蓋的概率，進(jìn)而改善視頻 傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)目標(biāo)跟蹤能力，最終保證移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和可靠 性。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌
跡覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括下述兩個(gè)操作步驟
(1) 準(zhǔn)備階段將移動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡離散化為若干個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，根據(jù)
個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心點(diǎn)位置、運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)集合和鄰居節(jié)點(diǎn)集合，準(zhǔn)備對(duì)各個(gè)跟蹤 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳感方向的調(diào)整；
(2) 調(diào)整階段在每個(gè)調(diào)整周期內(nèi)，計(jì)算軌跡帶中各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心點(diǎn) 所受的虛擬合力，各個(gè)質(zhì)心點(diǎn)在虛擬合力的作用下繞跟蹤節(jié)點(diǎn)作圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 以此代表跟蹤節(jié)點(diǎn)傳感方向的調(diào)整；再由掌握網(wǎng)絡(luò)全局拓樸信息的匯聚節(jié)點(diǎn)匯 總各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)傳感方向的調(diào)整狀況，計(jì)算和評(píng)估當(dāng)前視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng) 目標(biāo)覆蓋性能，以便通過多個(gè)調(diào)整周期，使得視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有跟蹤節(jié)
點(diǎn)都能充分地參與到移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的監(jiān)測中，顯著地改善視頻傳感器網(wǎng)絡(luò) 對(duì)位于該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤監(jiān)測能力。
本發(fā)明是一種提高視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)跟蹤能力的覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn) 方法，該方法屬于路徑規(guī)劃類，它是從移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤角度出發(fā)，采用網(wǎng)絡(luò)動(dòng) 態(tài)覆蓋控制的增強(qiáng)技術(shù)，改善移動(dòng)目標(biāo)沿著任意軌跡穿越視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)被 監(jiān)測到的概率。
下面分別從改善—見頻傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤能力和具體實(shí)現(xiàn)方法兩方面介紹
本發(fā)明的創(chuàng)新特點(diǎn)和優(yōu)勢
從改善視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤能力的角度上來看，本發(fā)明從視頻傳感器 節(jié)點(diǎn)的方向性感知特性出發(fā)，基于視頻傳感器節(jié)點(diǎn)初雄位置固定不變的假設(shè)， 調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中所有可能監(jiān)測到移動(dòng)目標(biāo)的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感方向，使之參與 移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的監(jiān)測，以獲得較高的移動(dòng)目標(biāo)跟蹤能力，最終保證移動(dòng)目 標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。
從改善視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)目標(biāo)跟蹤能力的具體實(shí)現(xiàn)方法來看，為了有效 描述問題，并簡化計(jì)算復(fù)雜度，本發(fā)明首創(chuàng)性地提出將連續(xù)的移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌 跡離散化為若干個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)的簡化處理方法，再引入"質(zhì)心點(diǎn)"概念，將待 解決的覆蓋增強(qiáng)問題轉(zhuǎn)化為質(zhì)心點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)之間和質(zhì)心點(diǎn)與質(zhì)心點(diǎn)之間的 虛擬合力的計(jì)算問題。在每個(gè)調(diào)整周期內(nèi)，每個(gè)質(zhì)心點(diǎn)首先計(jì)算來自鄰近的運(yùn) 動(dòng)軌跡點(diǎn)的所有引力作用，再計(jì)算來自相鄰質(zhì)心點(diǎn)的所有斥力作用，最后，計(jì) 算質(zhì)心點(diǎn)所受到的虛擬合力。當(dāng)該虛擬合力在沿著跟蹤節(jié)點(diǎn)與其質(zhì)心點(diǎn)之間連 線為半徑的圓周切線方向分量不為零時(shí)，跟蹤節(jié)點(diǎn)的傳感方向就朝著該受力切 線方向分量的方向作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣，經(jīng)過若干個(gè)調(diào)整周期之后，視頻傳感器 網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤能力就得到非常顯著的改善。


圖1是視頻傳感器節(jié)點(diǎn)方向可調(diào)的感知模型示意圖。
圖2是本發(fā)明改善視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)跟蹤能力的覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)
方法操作步驟方框圖。
圖3是視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋率的計(jì)算方法示意圖。
圖4是本發(fā)明中的跟蹤節(jié)點(diǎn)扇形感知區(qū)域及其質(zhì)心點(diǎn)的示意圖。 圖5是本發(fā)明中的軌跡帶、鄰居節(jié)點(diǎn)集合的示意圖。 圖6是本發(fā)明中的質(zhì)心點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)之間的引力作用示意圖。 圖7是本發(fā)明中的質(zhì)心點(diǎn)與質(zhì)心點(diǎn)之間的斥力作用示意圖。 圖8是本發(fā)明實(shí)施例中的質(zhì)心點(diǎn)受力狀況示意圖。
圖9(a)、 (b)、 (c)、 (d)、 (e)、 (f)分別是本發(fā)明實(shí)施例中的網(wǎng)絡(luò)初始覆 蓋、第l個(gè)調(diào)整周期后、第2個(gè)調(diào)整周期后、第3個(gè)調(diào)整周期后、第4個(gè)調(diào)整 周期后和第5個(gè)調(diào)整周期后的移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋率的示意圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作 進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
首先介紹視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)，它是由具有信息采集、轉(zhuǎn)發(fā)和簡單信號(hào)處理能 力的多個(gè)視頻傳感器節(jié)點(diǎn)和采用有線或無線方式與各視頻傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信 交互的匯聚節(jié)點(diǎn)組成；視頻傳感器節(jié)點(diǎn)采集的圖像和視頻數(shù)據(jù)沿著其他視頻感 器節(jié)點(diǎn)逐跳進(jìn)行傳輸，經(jīng)過"多跳"路由傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)連接 視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet或其它外部網(wǎng)絡(luò)，發(fā)布并管理視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān) 測任務(wù)。
本發(fā)明是一種視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的覆蓋增強(qiáng)的技術(shù)方 案。有別于傳統(tǒng)的基于全向感知模型的傳感器節(jié)點(diǎn)，視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的感知能 力受到方向性限制，即其感知范圍是一個(gè)以傳感器節(jié)點(diǎn)為圓心，與感知距離和 感知視角相關(guān)的扇形區(qū)域。^f見頻傳感器節(jié)點(diǎn)的方向可調(diào)感知模型-扇形區(qū)域可
以用一個(gè)四元組^P，凡P(0，a〉來表示(參見圖1 )。其中，尸=0,力表示視頻傳 感器節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)；W表示傳感器節(jié)點(diǎn)的最大傳感范圍，即傳感半徑；單位
向量，(0= ( n(o，K(o )為感知區(qū)域的中軸線，即視頻傳感器節(jié)點(diǎn)在某一時(shí)刻/時(shí)的傳感方向；^(,)和K(,)分別是單位向量P(0在義軸和7軸方向上的投影
分量；a表示邊界距離傳感向量&0的傳感偏移角度，2a代表感知視角。在每 個(gè)設(shè)定時(shí)刻f,視頻傳感器節(jié)點(diǎn)具有方向性感知特性；但是隨著其傳感方向的不 斷調(diào)整(即旋轉(zhuǎn))，視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的感知范圍能夠覆蓋到其傳感距離內(nèi)的整個(gè) 圓形區(qū)i或。
參見圖2，介紹本發(fā)明改善視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)跟蹤能力的覆蓋增 強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法的操作步驟
(1 )準(zhǔn)備階段將移動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡離散化為若干個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，根據(jù) 移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡確定軌跡帶以及位于該軌跡帶內(nèi)的跟蹤節(jié)點(diǎn)，并分別計(jì)算各 個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心點(diǎn)位置、運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)集合和鄰居節(jié)點(diǎn)集合，準(zhǔn)備對(duì)各個(gè)跟蹤 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳感方向的調(diào)整；
(2)調(diào)整階段在每個(gè)調(diào)整周期內(nèi)，計(jì)算軌跡帶中各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心點(diǎn) 所受的虛擬合力，各個(gè)質(zhì)心點(diǎn)在虛擬合力的作用下繞跟蹤節(jié)點(diǎn)作圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 以此代表跟蹤節(jié)點(diǎn)傳感方向的調(diào)整；再由掌握網(wǎng)絡(luò)全局拓樸信息的匯聚節(jié)點(diǎn)匯 總各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)傳感方向的調(diào)整狀況，計(jì)算和評(píng)估當(dāng)前視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng) 目標(biāo)覆蓋性能，以便通過多個(gè)調(diào)整周期，使得視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有跟蹤節(jié) 點(diǎn)都能充分地參與到移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的監(jiān)測中，顯著地改善視頻傳感器網(wǎng)絡(luò) 對(duì)位于該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤監(jiān)測能力。
先對(duì)步驟(1)準(zhǔn)備階段作詳細(xì)說明，它可進(jìn)一步分為四個(gè)具體操作步驟
(11)將連續(xù)的移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡離散化為若干個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，并計(jì)算初
始的移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋率； " = 1^1x100%，式中，lA』為運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)集
11 11
合的元素?cái)?shù)目，lAj為被視頻傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)前覆蓋到的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)集合的元素
數(shù)目；通過離散化移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，將對(duì)連續(xù)的移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的覆蓋增 強(qiáng)問題轉(zhuǎn)化為對(duì)離散的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)的覆蓋增強(qiáng)問題，簡化計(jì)算復(fù)雜度；
眾所周知，現(xiàn)實(shí)物理世界中的物體宏觀運(yùn)動(dòng)符合慣性定律，當(dāng)時(shí)間間隔AT
取值較小時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)形式可近似看作是勻速直線運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明假定目標(biāo)在較
小的時(shí)間間隔AT內(nèi)以速率v作直線運(yùn)動(dòng)，則每隔時(shí)間間隔AT，選取從起點(diǎn)到 終點(diǎn)的目標(biāo)路徑上一個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)A (參見圖3 )。
如果用/U表示運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)集合，/lc表示視頻傳感器節(jié)點(diǎn)被覆蓋到的運(yùn)動(dòng)軌 跡點(diǎn)集合，則視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋率計(jì)算公式為上述公式
p二l^jjx100。/。。由此方法，本發(fā)明創(chuàng)新地提出將對(duì)連續(xù)的移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)路徑的 ll八JI
覆蓋增強(qiáng)問題轉(zhuǎn)化為對(duì)其離散的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)的覆蓋增強(qiáng)問題，這樣既可有效描 述問題，也可簡化解決問題的計(jì)算復(fù)雜度。
在圖3所示的實(shí)例中，將連續(xù)的移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡離散化而劃分為12個(gè)運(yùn) 動(dòng)軌跡點(diǎn)(圖示為深色方格)，7個(gè)視頻傳感器節(jié)點(diǎn)(圖示為淺色小圓圈)所能 覆蓋到的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)數(shù)目為6個(gè)。因此，當(dāng)前視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)所提供的移動(dòng)目
標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋率為p =丄x 100% = 50% 。
12
(12)根據(jù)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡確定軌跡帶，將軌跡帶內(nèi)的視頻傳感器節(jié)點(diǎn) 作為跟蹤節(jié)點(diǎn)，通知這些跟蹤節(jié)點(diǎn)都加入到對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤監(jiān)測過程中，藉 由調(diào)整跟蹤節(jié)點(diǎn)的傳感方向來改善網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤監(jiān)測能力；
因?yàn)橐苿?dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡附近的各個(gè)視頻傳感器節(jié)點(diǎn)不是全部都具有參與檢 測、覆蓋運(yùn)動(dòng)軌跡的資格。所以視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)只需要通知運(yùn)動(dòng)軌跡附近的視 頻傳感器節(jié)點(diǎn)作為跟蹤節(jié)點(diǎn)加入到目標(biāo)跟蹤監(jiān)測過程中，并通過調(diào)整跟蹤節(jié)點(diǎn) 的傳感方向獲得移動(dòng)目標(biāo)跟蹤能力的改善。
軌跡帶是所有與移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的距離不大于視頻傳感器節(jié)點(diǎn)傳感半徑 (W)的點(diǎn)所構(gòu)成的區(qū)域；位于軌跡帶內(nèi)的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)稱為跟蹤節(jié)點(diǎn)(標(biāo) 記作rAO。每個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)集合兒集合/i中的所有元素-運(yùn) 動(dòng)軌跡點(diǎn)與跟蹤節(jié)點(diǎn)的距離都小于跟蹤節(jié)點(diǎn)傳感半徑(W)，即該跟蹤節(jié)點(diǎn)的覆 蓋能力范圍內(nèi)包括其運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)集合/l中的全部運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)。
(13 )分別計(jì)算各跟蹤節(jié)點(diǎn)的扇形感知區(qū)域的質(zhì)心點(diǎn)位置坐標(biāo)
(x + ^^x&(g, y+iil^x^")),式中，(x， >0是跟蹤節(jié)點(diǎn)的初始位 置坐標(biāo)，P(U=(^")， K(O )是跟蹤節(jié)點(diǎn)的初始傳感向量^(0及其在水平
^r軸和垂直F軸方向上的投影分量丐仏)和5仏))；
參見圖4,質(zhì)心點(diǎn)是質(zhì)點(diǎn)系中一個(gè)特定的點(diǎn)，它的位置與物體的平衡、運(yùn) 動(dòng)以及內(nèi)力分布密切相關(guān) 本發(fā)明提出的質(zhì)心點(diǎn)是視頻傳感器節(jié)點(diǎn)扇形感知區(qū)
域?qū)ΨQ軸上的一點(diǎn)，其與節(jié)點(diǎn)之間距離為27 sin"/3a,式中，W為該傳感器節(jié) 點(diǎn)的傳感半徑，oc為感知區(qū)域邊界距離傳感向量的偏移角度。而且，每個(gè)跟蹤 節(jié)點(diǎn)(圖示為淺色小圓圈)都僅有一個(gè)質(zhì)心點(diǎn)(圖示為深色小圓圏)與其對(duì)應(yīng)。 基于本發(fā)明的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)初始位置固定不變的假設(shè)，本發(fā)明對(duì)跟蹤節(jié) 點(diǎn)傳感方向的調(diào)整被視作是視頻傳感器節(jié)點(diǎn)所感知的扇形區(qū)域的質(zhì)心點(diǎn)(簡稱 為質(zhì)心點(diǎn))在虛擬合力的作用下繞跟蹤節(jié)點(diǎn)為圓心、以跟蹤節(jié)點(diǎn)與其質(zhì)心點(diǎn)之 間連線為半徑的圓周切線方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該質(zhì)心點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是朝向相鄰運(yùn) 動(dòng)軌跡點(diǎn)而遠(yuǎn)離相鄰質(zhì)心點(diǎn)，反映在虛擬勢場中質(zhì)心點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)之間存 在引力，質(zhì)心點(diǎn)和質(zhì)心點(diǎn)之間存在斥力。
(14)計(jì)算各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)集合位于軌跡帶內(nèi)、且距離小
于其傳感半徑兩倍的一對(duì)跟蹤節(jié)點(diǎn)，也就是經(jīng)過傳感方向的調(diào)整，有可能形成 覆蓋重疊區(qū)域的一對(duì)跟蹤節(jié)點(diǎn)，被稱為互為鄰居節(jié)點(diǎn)；每個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè) 鄰居節(jié)點(diǎn)集合屮，該鄰居節(jié)點(diǎn)集合屮中包括與該跟蹤節(jié)點(diǎn)互為鄰居節(jié)點(diǎn)的所有 跟蹤節(jié)點(diǎn)。
若跟蹤節(jié)點(diǎn)7TV,和r^互為鄰居節(jié)點(diǎn)，則本發(fā)明定義其相應(yīng)的質(zhì)心點(diǎn)c,和 c,互為鄰居質(zhì)心點(diǎn)。
參見圖5,兩條虛線之間形成一個(gè)軌跡帶。在此實(shí)例中，深色小方格為運(yùn) 動(dòng)軌跡點(diǎn)，淺色小圓圈為—見頻傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)7不在軌跡帶內(nèi)，不 滿足跟蹤節(jié)點(diǎn)的條件，因而不參與移動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)測。以跟蹤節(jié)點(diǎn)77VS 為例，其對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)集合718= M/。， Jw」/2}，其鄰居節(jié)點(diǎn)集合T8= {77、， /TV]。
再對(duì)步驟(2 )調(diào)整階段作詳細(xì)說明，調(diào)整階段是通過多次逐步微調(diào)實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明將整個(gè)調(diào)整階段分為若干個(gè)調(diào)整周期。在每個(gè)調(diào)整周期中，各跟蹤 節(jié)點(diǎn)根據(jù)其質(zhì)心點(diǎn)位置、運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)集合以及鄰居節(jié)點(diǎn)集合等信息，計(jì)算并調(diào)
整其傳感方向；然后將當(dāng)前新的傳感方向信息通過"多跳"方式上傳給視頻傳
感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)上傳信息對(duì)當(dāng)前視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)運(yùn) 動(dòng)軌跡覆蓋性能進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估，如果當(dāng)前視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡覆
蓋性能滿足原來的設(shè)定要求，則停止整個(gè)調(diào)整操作；否則，重復(fù)執(zhí)行上述操作。 具體來說，調(diào)整階段可進(jìn)一步分為下述四個(gè)操作步驟
(21) 互為鄰居節(jié)點(diǎn)的跟蹤節(jié)點(diǎn)之間相互通信，交換各自質(zhì)心點(diǎn)的當(dāng)前位 置信息；
(22) 在當(dāng)前調(diào)整周期內(nèi)，軌跡帶內(nèi)各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)分別計(jì)算各自質(zhì)心點(diǎn)所 受到的來自鄰近的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)和鄰居質(zhì)心點(diǎn)的虛擬合力，使得軌跡帶內(nèi)的所有 跟蹤節(jié)點(diǎn)的傳感方向都指向鄰近的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，并要求相鄰跟蹤節(jié)點(diǎn)的感知重 疊區(qū)域盡可能小，以盡可能保障對(duì)整個(gè)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)路徑實(shí)施全面、均勻的監(jiān) 測覆蓋。可見，質(zhì)心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是朝向相鄰運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)而遠(yuǎn)離相鄰質(zhì)心點(diǎn)。在虛 擬勢場中表現(xiàn)為質(zhì)心點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)之間存在引力，質(zhì)心點(diǎn)和質(zhì)心點(diǎn)之間存 在斥力。
下面介紹質(zhì)心點(diǎn)受力的具體計(jì)算方法，即該步驟(22)的四個(gè)細(xì)化步驟。 步驟A(參見圖6，圖中深色小方格為運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，淺色小圓圈是跟蹤節(jié)點(diǎn)， 深色小圓圈是質(zhì)心點(diǎn))、按照下述公式，計(jì)算各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心點(diǎn)與其鄰近的
運(yùn)動(dòng)4九跡點(diǎn)之間的引力Pm : =<formula>formula see original document page 15</formula>
"隠 ；式中，4為跟
5， 其它
蹤節(jié)點(diǎn)7TV,.與運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)4.之間的距離，只有4小于節(jié)點(diǎn)傳感半徑W時(shí)，跟蹤 節(jié)點(diǎn)rM才具有監(jiān)測運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)4.的功能，運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)4.才對(duì)跟蹤節(jié)點(diǎn)77V,的
質(zhì)心點(diǎn)c,產(chǎn)生引力作用；《為運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)4.與質(zhì)心點(diǎn)c,之間的距離；^似為運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)與質(zhì)心點(diǎn)之間的距離最大值 (1 + 2sin a/3a); ^為引力系數(shù)(常數(shù))； 是單位向量，表示引力方向是由質(zhì)心點(diǎn)c,指向運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)4;該計(jì)算公式表 明，質(zhì)心點(diǎn)所受引力大小與4和c,之間的距離成正比，而質(zhì)心點(diǎn)的引力方向取 決于4和c,之間的相互位置關(guān)系。
步驟B(參見圖7，圖中深色方格為運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，淺色小圓圈是跟蹤節(jié)點(diǎn)， 深色小圓圈是質(zhì)心點(diǎn))、按照下述公式，計(jì)算各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心點(diǎn)與其鄰近的
跟蹤節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心點(diǎn)之間的斥力^>: H+I ;式中，
5, 其它
跟蹤節(jié)點(diǎn)rA^.是rA^鄰居節(jié)點(diǎn)集合義中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，D々表示互為鄰居節(jié)點(diǎn)的兩 個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)rA^.與r^.之間的距離，只有當(dāng)z^.小于節(jié)點(diǎn)傳感半徑兩倍(2i )時(shí)，
它們之間才產(chǎn)生斥力作用，且該斥力作用于跟蹤節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心點(diǎn)；7《為兩個(gè)跟蹤
節(jié)點(diǎn)7TV,與Z7V;的質(zhì)心點(diǎn)c,和c,之間的距離；^為斥力系數(shù)(常數(shù))； 是單 位向量，表示斥力的方向是由質(zhì)心點(diǎn)c,指向質(zhì)心點(diǎn)c,;與上述引力的計(jì)算公式 相類似，該公式標(biāo)明，質(zhì)心點(diǎn)所受斥力的大小與c,和c,之間的距離成反比，而 質(zhì)心點(diǎn)的斥力方向取決于c,和cy之間的相互位置關(guān)系。
步驟C(參見圖8，圖中深色方格為運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，淺色小圓圏是跟蹤節(jié)點(diǎn)， 深色小圓圈是質(zhì)心點(diǎn))、按照下述公式，計(jì)算各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)質(zhì)心點(diǎn)所受的合 力A ,即求解每個(gè)質(zhì)心點(diǎn)所受到的來自運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)的引力和與來自鄰居質(zhì)心點(diǎn)
的斥力的虛擬合力A = Z^" + Z^^ ;虛擬合力P,的方向是其各個(gè)鄰接質(zhì)
心點(diǎn)所受到的作用力的方向。
(224)由于跟蹤節(jié)點(diǎn)傳感方向的旋轉(zhuǎn)調(diào)整是其質(zhì)心點(diǎn)繞節(jié)點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)，
因而計(jì)算合力p,在以該跟蹤節(jié)點(diǎn)為圓心、以跟蹤節(jié)點(diǎn)與其質(zhì)心點(diǎn)之間連線為半 徑的圓周切線方向的投影矢量和Fr ,由Fr的大小決定質(zhì)心點(diǎn)沿圓周的轉(zhuǎn)動(dòng)角 度大??；如果質(zhì)心點(diǎn)所受的Fr越大，表明其距離"合適，，位置越遠(yuǎn)，要轉(zhuǎn)動(dòng)
較大角度來加快移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋增強(qiáng)的進(jìn)程；
下面，以圖8所示為實(shí)例，分析軌跡帶內(nèi)跟蹤節(jié)點(diǎn)相應(yīng)質(zhì)心點(diǎn)的受力情況。
在當(dāng)前調(diào)整周期內(nèi)，跟蹤節(jié)點(diǎn)7W/的質(zhì)心點(diǎn)c/同時(shí)受到來自運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)A，」2
的引力和鄰居質(zhì)心點(diǎn)Q的斥力作用。因此，質(zhì)心點(diǎn)C/所受到的虛擬合力為
^ =(Fm+F2") — F21w。此時(shí)需要將引力，iM、 F^和斥力F潛分別沿圓周 77的切線方向進(jìn)行投影(分別見圖8中兩個(gè)相向的直線箭頭)，其虛擬合力沿圓 周/7的切線方向投影A不為零，因此使得質(zhì)心點(diǎn)cr沿圓周/7逆時(shí)針方向作旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
考慮到對(duì)移動(dòng)目標(biāo)執(zhí)行跟蹤過程的時(shí)效性，本發(fā)明對(duì)虛擬合力設(shè)置的控制 規(guī)則為該虛擬合力沿圓周77切線方向投影A的大小決定質(zhì)心點(diǎn)沿圓周77的 轉(zhuǎn)動(dòng)角度。質(zhì)心點(diǎn)所受Pr越大，表明其距離"合適"位置越遠(yuǎn)，需要以較大角 度轉(zhuǎn)動(dòng)，才能加速覆蓋增強(qiáng)的調(diào)整進(jìn)程。
假設(shè)鄰居節(jié)點(diǎn)之間每個(gè)調(diào)整周期交換一次傳感方向信息，并根據(jù)交換信息 計(jì)算當(dāng)前調(diào)整周期質(zhì)心點(diǎn)所受合力，進(jìn)而確定質(zhì)心點(diǎn)在當(dāng)前調(diào)整周期的運(yùn)動(dòng)情 況。當(dāng)質(zhì)心點(diǎn)所受到的A小于預(yù)定受力門限f時(shí)，即認(rèn)定質(zhì)心點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定 狀態(tài)，不再運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過若干個(gè)調(diào)整周期后，當(dāng)軌跡帶中所有質(zhì)心點(diǎn)全部達(dá)到穩(wěn) 定狀態(tài)時(shí)，整個(gè)軌跡帶中跟蹤節(jié)點(diǎn)即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
(23) 每次完成一個(gè)調(diào)整周期后，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)將其當(dāng)前新的傳感 方向信息通過"多跳"方式上傳給視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)；
(24) 根據(jù)上傳信息，匯聚節(jié)點(diǎn)計(jì)算和評(píng)估當(dāng)前視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目 標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的覆蓋性能若當(dāng)前視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的覆蓋性 能滿足設(shè)定要求，則結(jié)束調(diào)整操作；否則，繼續(xù)執(zhí)行上述步驟(22)、 (23)的 操作。
最后，詳細(xì)介紹申請(qǐng)人通過本發(fā)明覆蓋增強(qiáng)的技術(shù)方案提高視頻傳感器網(wǎng) 絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行覆蓋控制的跟蹤能力的一個(gè)具體實(shí)施例。
在5O0x5OO/^的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)部署105個(gè)視頻傳感器節(jié)點(diǎn)，用于完成
17
場景監(jiān)測。該網(wǎng)絡(luò)中的所有視頻傳感器節(jié)點(diǎn)均同構(gòu)，其性能指標(biāo)為節(jié)點(diǎn)傳感
半徑i -40m，傳感偏移角度《 = 45°。虛擬勢場的受力模型中引力參數(shù)^ = 3， 斥力參數(shù)&= 1。初始視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率達(dá)到33.56%。
參見圖9(a) ~ (f)，這六個(gè)圖分別形象地表明和記錄了本發(fā)明方法的實(shí) 施例中，視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)在不同調(diào)整周期時(shí)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡(圖中用離散 小方格表示的曲線)執(zhí)行覆蓋控制的跟蹤能力改善情況網(wǎng)絡(luò)初始覆蓋時(shí)運(yùn)動(dòng) 軌跡覆蓋率為47.47%、第1個(gè)調(diào)整周期后的運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋率為61.59%、第2 個(gè)調(diào)整周期后的運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋率為74.75%、第3個(gè)調(diào)整周期后的運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋 率為78.96%、第4個(gè)調(diào)整周期后的運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋率為81.79%、第5個(gè)調(diào)整周 期后的運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋率為85.71%。
從這六個(gè)圖可以直觀地看到在引力作用下，移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡沿途的各 個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)朝向運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)實(shí)施全力覆蓋，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的相關(guān)性最大 化覆蓋；而在斥力作用下，相鄰各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)在保證重疊感知區(qū)域盡可能小的 前提下，對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)相關(guān)性最小化的覆蓋。
總之，該實(shí)施例利用本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)方案，使得移動(dòng) 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡沿途的各個(gè)具有跟蹤資格的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)調(diào)整其傳感 方向，改善對(duì)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的覆蓋程度，進(jìn)而保證移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)的完 整性和可靠性。正如圖9(b) ~ (f)所示，軌跡帶內(nèi)各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)僅僅經(jīng)過五 個(gè)調(diào)整周期后，移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋率就由最初的47.47%提高至85.71%, 改善程度達(dá)到38.24個(gè)百分點(diǎn)，效率是非常顯著的。
權(quán)利要求
1、一種視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括下述兩個(gè)操作步驟(1)準(zhǔn)備階段將移動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡離散化為若干個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，根據(jù)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡確定軌跡帶以及位于該軌跡帶內(nèi)的跟蹤節(jié)點(diǎn)，并分別計(jì)算各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心點(diǎn)位置、運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)集合和鄰居節(jié)點(diǎn)集合，準(zhǔn)備對(duì)各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳感方向的調(diào)整；(2)調(diào)整階段在每個(gè)調(diào)整周期內(nèi)，計(jì)算軌跡帶中各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心點(diǎn)所受的虛擬合力，各個(gè)質(zhì)心點(diǎn)在虛擬合力的作用下繞跟蹤節(jié)點(diǎn)作圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以此代表跟蹤節(jié)點(diǎn)傳感方向的調(diào)整；再由掌握網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)湫畔⒌膮R聚節(jié)點(diǎn)匯總各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)傳感方向的調(diào)整狀況，計(jì)算和評(píng)估當(dāng)前視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)目標(biāo)覆蓋性能，以便通過多個(gè)調(diào)整周期，使得視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有跟蹤節(jié)點(diǎn)都能充分地參與到移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的監(jiān)測中，顯著地改善視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)位于該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤監(jiān)測能力。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述視頻傳 感器網(wǎng)絡(luò)是由具有信息采集、轉(zhuǎn)發(fā)和簡單信號(hào)處理能力的多個(gè)視頻傳感器節(jié)點(diǎn) 和采用有線或無線方式與各視頻傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信交互的匯聚節(jié)點(diǎn)組成；視 頻傳感器節(jié)點(diǎn)采集的圖像和視頻數(shù)據(jù)沿著其他視頻感器節(jié)點(diǎn)逐跳進(jìn)行傳輸，經(jīng) 過"多跳"路由傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)連接視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet 或其它外部網(wǎng)絡(luò)，發(fā)布并管理視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述視頻傳 感器節(jié)點(diǎn)具有感知方向性的特性，其感知范圍是一個(gè)以視頻傳感器節(jié)點(diǎn)為圓心， 與感知距離和感知視角相關(guān)的扇形區(qū)域；該扇形區(qū)域采用一個(gè)四元組<尸，A，^W，a〉來表示；其中，尸=0,力為視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)；W為傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感半徑，即最大傳感范圍；單位向量，(0= ( E(O，K(O )為感知區(qū)域的中軸線，即視頻傳感器節(jié)點(diǎn)在某一時(shí)刻f時(shí)的傳感方向；^W和^W分別是單 位向量P(O在Z軸和F軸方向上的投影分量；a表示邊界距離傳感向量^W的 傳感偏移角度，2 代表感知視角；隨著視頻傳感器傳感方向的旋轉(zhuǎn)調(diào)整，該視 頻傳感器節(jié)點(diǎn)有能力覆蓋其傳感距離內(nèi)的整個(gè)圓形區(qū)域。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述軌跡帶 是所有與移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的距離不大于視頻傳感器節(jié)點(diǎn)傳感半徑的點(diǎn)所構(gòu)成的區(qū)域；所述跟蹤節(jié)點(diǎn)是位于軌跡帶內(nèi)的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)，該跟蹤節(jié)點(diǎn)傳感方 向的調(diào)整被視作是視頻傳感器節(jié)點(diǎn)所感知扇形區(qū)域的質(zhì)心點(diǎn)在虛擬合力的作用 下繞跟蹤節(jié)點(diǎn)為圓心、以跟蹤節(jié)點(diǎn)與其質(zhì)心點(diǎn)之間連線為半徑的圓周切線方向 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；所述質(zhì)心點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是朝向相鄰運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)而遠(yuǎn)離相鄰質(zhì)心點(diǎn)， 反映在虛擬勢場中質(zhì)心點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)之間存在引力，質(zhì)心點(diǎn)和質(zhì)心點(diǎn)之間 存在斥力。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述質(zhì) 心點(diǎn)是視頻傳感器節(jié)點(diǎn)扇形感知區(qū)域?qū)ΨQ軸上的 一 點(diǎn)，其與節(jié)點(diǎn)之間距離為 2i sin /3a,式中，為該傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感半徑，ct為感知區(qū)域邊界距離傳 感向量的偏移角度；質(zhì)心點(diǎn)的位置與物體的平衡、運(yùn)動(dòng)和內(nèi)力分布密切相關(guān)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述步驟(1 ) 進(jìn)一步包括下述操作步驟(11 )將連續(xù)的移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡離散化為若干個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，并計(jì)算初始的移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋率p: p = ^jjxl00%，式中，U八』為運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)集合的元素?cái)?shù)目，lAj為被視頻傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)前覆蓋到的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)集合的元素?cái)?shù)目；通過離散化移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，將對(duì)連續(xù)的移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的覆蓋增 強(qiáng)問題轉(zhuǎn)化為對(duì)離散的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)的覆蓋增強(qiáng)問題，簡化計(jì)算復(fù)雜度；(12 )根據(jù)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡確定軌跡帶，將軌跡帶內(nèi)的視頻傳感器節(jié)點(diǎn) 作為跟蹤節(jié)點(diǎn)，通知這些跟蹤節(jié)點(diǎn)都加入到對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤監(jiān)測過程中，藉 由調(diào)整跟蹤節(jié)點(diǎn)的傳感方向來改善網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤監(jiān)測能力； (13 )分別計(jì)算各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)扇形感知區(qū)域的質(zhì)心點(diǎn)位置坐標(biāo)(X + ^^x^⑥，y + M^xf^。))，式中，(JC, y)是跟蹤節(jié)點(diǎn)的初始位置坐標(biāo)，)^。)=(^(o， 6(,。))是跟蹤節(jié)點(diǎn)的初始傳感向量，(o及其在水平義軸和垂直r軸方向上的投影分量^(/。)和i^(/。)；(14)計(jì)算各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)集合位于軌跡帶內(nèi)、且距離小 于其傳感半徑兩倍的一對(duì)跟蹤節(jié)點(diǎn)，也就是經(jīng)過傳感方向的調(diào)整，有可能形成 覆蓋重疊區(qū)域的兩個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)，被稱為互為鄰居節(jié)點(diǎn)；每個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè) 鄰居節(jié)點(diǎn)集合，該鄰居節(jié)點(diǎn)集合中包括與該跟蹤節(jié)點(diǎn)互為鄰居節(jié)點(diǎn)的所有跟蹤 節(jié)點(diǎn)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述步驟(2) 進(jìn)一 步包括下述操作步驟(21) 互為鄰居節(jié)點(diǎn)的跟蹤節(jié)點(diǎn)之間相互通信，交換各自質(zhì)心點(diǎn)的當(dāng)前位 置信息；(22) 在當(dāng)前調(diào)整周期內(nèi)，軌跡帶內(nèi)各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)分別計(jì)算各自質(zhì)心點(diǎn)所 受到的來自鄰近的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)和鄰居質(zhì)心點(diǎn)的虛擬合力，使得軌跡帶內(nèi)的所有 跟蹤節(jié)點(diǎn)的傳感方向指向鄰近的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，并要求相鄰跟蹤節(jié)點(diǎn)的感知重疊 區(qū)域盡可能小，以盡可能保障對(duì)整個(gè)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)施全面、均勻的監(jiān)測(23) 每次完成一個(gè)調(diào)整周期后，各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)將其當(dāng)前新的傳感方向信 息通過"多跳"方式上傳給視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)；(24) 根據(jù)上傳信息，匯聚節(jié)點(diǎn)計(jì)算和評(píng)估當(dāng)前視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目 標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的覆蓋性能若當(dāng)前視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的覆蓋性 能滿足設(shè)定要求，則結(jié)束調(diào)整操作；否則，繼續(xù)執(zhí)行上述步驟(22)、 (23)的 操作。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述步驟(22 ) 進(jìn)一 步包括下述操作步驟(221)按照下述公式，計(jì)算各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)質(zhì)心點(diǎn)與其鄰近的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)之間的引力；^: =(、^_，— )，若《〈;？《ax ;式中，^為跟蹤節(jié)點(diǎn)r;v,、5， 其它與運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)4之間的距離，只有^小于節(jié)點(diǎn)傳感半徑/ 時(shí)，跟蹤節(jié)點(diǎn)7TV, 才具有監(jiān)測覆蓋運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)4.的功能，運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)4.才對(duì)跟蹤節(jié)點(diǎn)7TV,的質(zhì)心 點(diǎn)c,產(chǎn)生引力作用；《為運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)4與質(zhì)心點(diǎn)c,.之間的距離；^似為運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)與質(zhì)心點(diǎn)之間的距離最大值/ .(l + 2sina/3a); ^為引力系數(shù)；t^為單位向量，表示由質(zhì)心點(diǎn)c,指向運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)4.的引力方向；該計(jì)算公式表明，質(zhì)心 點(diǎn)所受引力大小與4和c,之間的距離成正比，而質(zhì)心點(diǎn)所受的引力方向取決于 4和c,.之間的相互位置關(guān)系；(222)按照下述公式，計(jì)算各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)質(zhì)心點(diǎn)與其鄰近質(zhì)心點(diǎn)之間的斥力7^k: ^/ = ;式中，跟蹤節(jié)點(diǎn)77V;是77V,5， 其它鄰居節(jié)點(diǎn)集合平，中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，Z^表示互為鄰居節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)7W,與77V,之間的距離，只有當(dāng)D々小于節(jié)點(diǎn)傳感半徑兩倍時(shí)，它們之間才產(chǎn)生斥力作用，且該斥力作用于跟蹤節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心點(diǎn)；Z);,為兩個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)7TV,與r《的質(zhì)心點(diǎn)c,和。之間的距離；/^為斥力系數(shù)； 是單位向量，表示由質(zhì)心點(diǎn)c,指向質(zhì) 心點(diǎn)cy的斥力方向；該公式表明，質(zhì)心點(diǎn)所受斥力的大小與c,和。之間的距離 成反比，而質(zhì)心點(diǎn)所受的斥力方向取決于c,和。之間的相互位置關(guān)系；(223 )按照下述公式，計(jì)算各個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)質(zhì)心點(diǎn)所受的合力P,,即求 解每個(gè)質(zhì)心點(diǎn)所受到的來自運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)的引力和來自鄰居質(zhì)心點(diǎn)的斥力的虛擬 合力A = S^"+Z^w;虛擬合力A的方向是其各個(gè)鄰接質(zhì)心點(diǎn)的作用力 的方向。；(224 )由于跟蹤節(jié)點(diǎn)傳感方向的旋轉(zhuǎn)調(diào)整是其質(zhì)心點(diǎn)繞節(jié)點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)，因而計(jì)算合力P,在以該跟蹤節(jié)點(diǎn)為圓心、以跟蹤節(jié)點(diǎn)與其質(zhì)心點(diǎn)之間連線為半徑的圓周切線方向的投影矢量和Fr ， Fr的大小決定質(zhì)心點(diǎn)沿圓周的轉(zhuǎn)動(dòng)角度大??；質(zhì)心點(diǎn)所受的Fr越大，表明其距離"合適"位置越遠(yuǎn)，要轉(zhuǎn)動(dòng)較大角 度來加快移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋增強(qiáng)的進(jìn)程。
9、根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于每經(jīng)歷 一個(gè)調(diào)整周期后，鄰居節(jié)點(diǎn)之間交換各自當(dāng)前的傳感方向信息，并根據(jù)交換信 息計(jì)算當(dāng)前調(diào)整周期內(nèi)質(zhì)心點(diǎn)受到的虛擬合力，進(jìn)而依據(jù)虛擬合力確定每個(gè)質(zhì)心點(diǎn)在當(dāng)前調(diào)整周期的運(yùn)動(dòng)情況；當(dāng)質(zhì)心點(diǎn)受到的Fr小于預(yù)定的受力門限時(shí)， 即認(rèn)定質(zhì)心點(diǎn)已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不再運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
一種視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法，包括準(zhǔn)備階段和調(diào)整階段兩個(gè)操作步驟。本發(fā)明從視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的方向性感知特性出發(fā)，基于視頻傳感器節(jié)點(diǎn)初始位置固定不變的假設(shè)，首創(chuàng)性地提出將連續(xù)的移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡離散化為若干個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)的簡化處理方法，再引入“質(zhì)心點(diǎn)”概念，將覆蓋增強(qiáng)問題轉(zhuǎn)化為質(zhì)心點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)之間和質(zhì)心點(diǎn)與質(zhì)心點(diǎn)之間的虛擬合力計(jì)算的問題。然后調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中所有可能監(jiān)測到移動(dòng)目標(biāo)的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感方向，使之參與對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)測，從而提高移動(dòng)目標(biāo)沿著任意軌跡穿越視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)被覆蓋的概率，改善視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)目標(biāo)跟蹤能力，保證移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。
文檔編號(hào)G06T7/00GK101174327SQ20071017687
公開日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2007年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月6日
發(fā)明者亮 劉, 丹 陶, 馬華東 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)