基于能量動態(tài)收集的無線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于能量動態(tài)收集的無線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)，其中：能量采集源，用于隨著環(huán)境的差異和時間而進行隨機的動態(tài)能量采集；視頻采集源，用于隨著環(huán)境變化而進行隨機地視頻采集，得到視頻幀摘要序列；所述動態(tài)能量采集以及所述視頻采集匯入信號發(fā)送端，由信號發(fā)送端經(jīng)過無線信道進行動態(tài)能量傳送和視頻幀摘要序列傳送，最后到達信號接收端；無線視頻傳輸模塊，用于對信號接收端接收到的視頻幀摘要序列進行無線傳輸。本發(fā)明用給定的能量與采集到的視頻幀，確定了最優(yōu)的傳輸視頻幀序列，為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展從數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曨l傳輸?shù)倪^渡提供了參考，有力地支持了國家綠色節(jié)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，為建立“低碳”的通信行業(yè)做出了貢獻。
【專利說明】基于能量動態(tài)收集的無線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及動態(tài)能量采集的無線視頻傳輸。

【背景技術(shù)】
[0002] 在全球面臨能源緊缺、氣候變暖等嚴重問題的情況下，人類為了生存和發(fā)展轉(zhuǎn)而 去尋找和利用清潔能源技術(shù)。清潔能源包括太陽能、風(fēng)能、熱能、振動能、海洋能，以及其他 能量如人體動能、生化能等能量。這些能量是動態(tài)的、變化的，不能直接被利用，需要借助動 態(tài)能量采集技術(shù)將這些動態(tài)的能量存儲到超級電容或者化學(xué)電池中，然后才能進行使用。
[0003] 隨著科技的發(fā)展，無線傳感器技術(shù)已經(jīng)滲透到人類生產(chǎn)和生活的方方面面。無線 通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐步發(fā)展到能為任何人和物件之間提供隨時隨地通信的物聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的 規(guī)模極速擴大?；诃h(huán)境中動態(tài)能量采集的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運而生，對物聯(lián)網(wǎng)的拓撲 發(fā)展問題提供了一種可行的解決方案。
[0004] 無線傳感器節(jié)點不單純只是傳遞一些采集到的比特數(shù)據(jù)，隨著傳感器種類日益多 樣化，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了遠程視頻監(jiān)控節(jié)點，而且需求也越來越大。而無線視頻傳輸 對于無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬和發(fā)射功率的要求很高。那么如何在動態(tài)環(huán)境能量采集和無線視頻傳 輸效率之間找到一種平衡分配方案就顯得十分重要。
[0005] 本發(fā)明結(jié)合的另一技術(shù)--溫差電池，相比較于其他的環(huán)境能量采集系統(tǒng)，有著 特殊的優(yōu)勢。溫差電池是利用環(huán)境中的溫度差異，將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，相比較于 太陽能電池等能量采集電池，溫差電池對于環(huán)境的要求相對較弱，基本上能工作在世界上 的任何地區(qū)，受天氣的影響不大，大約只要5攝氏度的溫差就可以穩(wěn)定驅(qū)動一個無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；溫差電池在一些特殊的環(huán)境中更是有著無可比擬的優(yōu)勢，而這些地區(qū)能利用 的其他的環(huán)境能量很小，例如，太陽能電池的采集光能的電池板的表面積很大，無法在一些 微型區(qū)域使用，而只要有足夠大的溫差和一定效率的熱電轉(zhuǎn)換材料。溫差電池可以做得體 積很小而不影響其輸出功率。
[0006] 本發(fā)明再一結(jié)合的是視頻選擇性傳輸技術(shù)，其主要是視頻摘要技術(shù)，該技術(shù)的原 理是：在一個視頻幀序列中，選取部分幀進行傳輸，然后再在接收端通過合適的重建方案 (一般是用最相鄰的幀遞補缺失的視頻幀）得到一個新的視頻幀序列。為了能夠?qū)χ亟ǖ?視頻幀進行評估，可以采用平均失真度和峰值信噪比兩種評價標(biāo)準(zhǔn)對其進行優(yōu)劣性評估。 例如，一個視頻流共有16幀，而現(xiàn)在約束條件為只能夠傳遞其中的4幀，那么如何選擇這4 幀進行傳遞才能使得平均失真度或者峰值信噪比最小就是傳統(tǒng)的視頻摘要技術(shù)的研究方 向。傳統(tǒng)的視頻摘要技術(shù)適用于所有幀都有可能被傳遞的情況下，而在動態(tài)溫差能采集的 遠程視頻監(jiān)控節(jié)點中，視頻幀傳輸還必須滿足各個階段分時隙能量傳遞上的因果性，因此 無法解決本發(fā)明研究的動態(tài)溫差能量采集下的無線視頻選擇性傳輸問題。
[0007] 目前溫差電池供給的功率還比較小，實現(xiàn)實時無線視頻傳輸?shù)目赡苄院苄。ㄅ懦?溫差極大的環(huán)境），因此必須將溫差能量采集存儲方案和無線視頻選擇性傳輸方案相結(jié)合， 才能夠?qū)崿F(xiàn)溫差能量最大化利用以及視頻選擇性的可靠傳輸。
[0008] 可再生能源供電技術(shù)已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計中；與 此同時，作為無線傳感器節(jié)點中很重要的一個部分，視頻監(jiān)控傳感器節(jié)點的應(yīng)用也越來越 廣泛。然而通過可再生能源采集的能量和無線視頻傳輸所需能量之間存在著不平衡，因此 必須設(shè)計一種動態(tài)能量采集與無線視頻傳輸相結(jié)合的能量控制方案。目前國內(nèi)外還沒有針 對動態(tài)能量采集與視頻摘要技術(shù)相結(jié)合的動態(tài)能量供給的無線視頻選擇性傳輸方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出了一種基于空時域局部二值模式的視頻隱寫 分析方法，本發(fā)明結(jié)合視頻幀選擇性傳輸技術(shù)提出了一種在動態(tài)能量（溫差能）采集情況 下的無線視頻傳輸方案。在給定的無線視頻傳輸平均失真度的評價標(biāo)準(zhǔn)下，該方案實現(xiàn)了 在環(huán)境能量分階段顯著受限情況下的無線視頻可靠傳輸，具有很好的理論和實用價值。 [0010] 本發(fā)明提出了一種基于能量動態(tài)收集的無線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括視頻 采集源、能量采集源兩個獨立的采集源、信號發(fā)送端、信號接收端以及無線視頻傳輸模塊； 其中：
[0011] 能量采集源，用于隨著環(huán)境的差異和時間而進行隨機的動態(tài)能量采集；
[0012] 視頻采集源，用于隨著環(huán)境變化而進行隨機地視頻采集，得到視頻幀摘要序列；
[0013] 所述動態(tài)能量采集以及所述視頻采集匯入信號發(fā)送端，由信號發(fā)送端經(jīng)過無線信 道進行動態(tài)能量傳送和視頻幀摘要序列傳送，最后到達信號接收端；
[0014] 無線視頻傳輸模塊，用于對信號接收端接收到的視頻幀摘要序列進行無線傳輸。
[0015] 所述能量傳送的策略滿足：在給定的信道條件下，在一個時隙的時間內(nèi)傳遞一幀 圖片的發(fā)送端的信號功率為P t，計算公式如下：
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于能量動態(tài)收集的無線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括視頻采 集源、能量采集源兩個獨立的采集源、信號發(fā)送端、信號接收端以及無線視頻傳輸模塊；其 中： 能量采集源，用于隨著環(huán)境的差異和時間而進行隨機的動態(tài)能量采集； 視頻采集源，用于隨著環(huán)境變化而進行隨機地視頻采集，得到視頻幀摘要序列； 所述動態(tài)能量采集以及所述視頻采集匯入信號發(fā)送端，由信號發(fā)送端經(jīng)過無線信道進 行動態(tài)能量傳送和視頻幀摘要序列傳送，最后到達信號接收端； 無線視頻傳輸模塊，用于對信號接收端接收到的視頻幀摘要序列進行無線傳輸。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于能量動態(tài)收集的無線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所 述能量傳送的策略滿足：在給定的信道條件下，在一個時隙的時間內(nèi)傳遞一幀圖片的發(fā)送 端的信號功率為Pt，計算公式如下：
其中：gk第k個時隙信號發(fā)送端和信號接收端信噪比增益，B是無線信道的帶寬，隊是 端高斯白噪聲功率譜密度，I是信息量。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于能量動態(tài)收集的無線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所 述視頻幀摘要序列傳送，滿足以下傳送策略： 最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型以平均失真度S(A)進行衡量，計算公式為： S(A) =argminD(A)s. t. Pj ^ Hj 1 ^i^K A是最優(yōu)化的視頻幀摘要傳輸序列； 并有：
其中，D(A)是重建序列R和原序列S之間的平均失真度f/ )代表重建序列R和原序列S第i幀之間的歐拉距離；k是視頻幀摘要傳輸序列的幀數(shù)；
其中，氏是前i個時隙采集到的能量總和，假定原有的能量采集初始值為& ;
其中，Pi為前i個時隙需要的能量總和。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于能量動態(tài)收集的無線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所 述動態(tài)能量采集與無線視頻傳輸模塊，遵循以下算法： 將視頻幀摘要序列中的K幀圖片作為一個圖片組GOP，采用傳遞狀態(tài)編碼為1和不傳遞 狀態(tài)編碼為〇對其進行二進制編碼，得到視頻編碼序列； 將上述所有進行能量因果性驗證，查找出所有可能傳遞的視頻幀序列，并將其存儲在 可行解解空間V中； 根據(jù)視頻幀接收端的重建規(guī)則，將可行解空間V中的視頻編碼序列與接收端重建的視 頻編碼序列對比，剔除其中失真度小的視頻編碼序列，得到優(yōu)化解空間V'; 進一步優(yōu)化：對優(yōu)化解空間V'中幀最多的一組可行解Vl進行0和1編碼的隨機交 換，并只選取交換后依然是優(yōu)化可行解空間V'中的序列，此時得到V'中另一組幀最多的 可行解v2，計算Vl與v2各自的平均失真度，選取平均失真度小的幀序列作為當(dāng)前的最優(yōu)序 列； 預(yù)設(shè)一個迭代比較的次數(shù)Count，重復(fù)上述進一步優(yōu)化的處理，當(dāng)?shù)容^次數(shù)達到Count時，結(jié)束迭代過程；將當(dāng)前的最優(yōu)幀序列，作為最優(yōu)解。
5. -種基于能量動態(tài)收集的無線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸方法，其特征在于，該方法包括以下步 驟： 步驟1、隨著環(huán)境的差異和時間而進行隨機的動態(tài)能量采集；隨著環(huán)境變化而進行隨 機地視頻采集，得到視頻幀摘要序列； 步驟2、將所述動態(tài)能量采集以及所述視頻采集經(jīng)過無線信道進行動態(tài)的能量傳送和 視頻幀摘要序列傳送； 步驟3、對信號接收端接收到的視頻幀摘要序列進行無線傳輸。
6. 如權(quán)利要求5所述的基于能量動態(tài)收集的無線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸方法，其特征在于，所 述能量傳送的策略滿足：在給定的信道條件下，在一個時隙的時間內(nèi)傳遞一幀圖片的發(fā)送 端的信號功率為Pt，計算公式如下：
其中：gk第k個時隙信號發(fā)送端和信號接收端信噪比增益，B是無線信道的帶寬，隊是 端高斯白噪聲功率譜密度，I是信息量。
7. 如權(quán)利要求5所述的基于能量動態(tài)收集的無線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸方法，其特征在于，所 述視頻幀摘要序列傳送的策略滿足：最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型以平均失真度S(A)進行衡量，計算公 式為： S(A) =argminD(A) s.t.Pj^Hj 1 ^i^K A是最優(yōu)化的視頻幀摘要傳輸序列； 并有：
其中，D(A)是重建序列R和原序列S之間的平均失真度f/ )代表重建序列R和原序列S第i幀之間的歐拉距離；k是視頻幀摘要傳輸序列的幀數(shù)；
其中，氏是前i個時隙采集到的能量總和，假定原有的能量采集初始值為& ;
其中，Pi為前i個時隙需要的能量總和。
8.如權(quán)利要求5所述的基于能量動態(tài)收集的無線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所 述對信號接收端接收到的視頻幀摘要序列進行無線傳輸，還包括以下步驟： 將視頻幀摘要序列中的K幀圖片作為一個圖片組GOP，采用傳遞狀態(tài)編碼為1和不傳遞 狀態(tài)編碼為〇對其進行二進制編碼，得到視頻編碼序列； 將上述所有進行能量因果性驗證，查找出所有可能傳遞的視頻幀序列，并將其存儲在 可行解解空間V中； 根據(jù)視頻幀接收端的重建規(guī)則，將可行解空間V中的視頻編碼序列與接收端重建的視 頻編碼序列對比，剔除其中失真度小的視頻編碼序列，得到優(yōu)化解空間V'; 進一步優(yōu)化：對優(yōu)化解空間V'中幀最多的一組可行解Vl進行0和1編碼的隨機交 換，并只選取交換后依然是優(yōu)化可行解空間V'中的序列，此時得到V'中另一組幀最多的 可行解v2，計算Vl與v2各自的平均失真度，選取平均失真度小的幀序列作為當(dāng)前的最優(yōu)序 列； 預(yù)設(shè)一個迭代比較的次數(shù)Count，重復(fù)上述進一步優(yōu)化的處理，當(dāng)?shù)容^次數(shù)達到Count時，結(jié)束迭代過程；將當(dāng)前的最優(yōu)幀序列，作為最優(yōu)解。
【文檔編號】H04N7/18GK104410832SQ201410722598
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】由磊, 楊沫, 李冰, 趙耀, 侯春萍 申請人:天津大學(xué)