[发明专利]一种无线视觉传感网络的传感器布局优化与快速部署方法

说明书

本发明公开一种无线视觉传感网络的传感器布局优化与快速部署方法，具体步骤如下：步骤一、视觉传感网络模型建立，所述模型包括感知模型、空间模型、覆盖模型和重建误差模型；步骤二、覆盖率和重建品质定义；步骤三、多目标优化总体设计；步骤四、视觉传感网络快速部署。本发明方法能够在给定的三维空间中，根据覆盖范围大和重建误差小的目标要求，设计多目标优化算法，提供一种合理的摄像机布局方案(包括摄像机位置和方位角)，指导摄像机实际安装调试，能够大大节省人力物力、加快网络部署，降维搜索的方法可以解决任意形状空间的传感器布局问题，也能减少优化变量个数，提高优化速度。

技术领域

本发明涉及一种无线视觉传感网络的传感器布局优化与快速部署方法，属于视觉传感器布局优化领域。

背景技术

无线视觉传感网络是由多摄像机节点组建的分布式传感网络，网络中各个摄像机节点观察其视野内的局部区域，并在本地处理图像数据，再将计算后的最终信息通过无线传输方式到中心节点，由中心节点计算得到最终跟踪结果。与基于其他传统传感器的无线传感器网络相比，视觉传感网络能够提供更加丰富完整的信息和抗干扰能力；而相比于有线的多摄像机跟踪系统，无线视觉传感网络有着易于部署、跟踪范围大等优势。无线视觉传感网络由于覆盖范围大、部署简单、位姿估计的精确性和鲁棒性强，而受到广泛应用，特别是在三维视觉跟踪领域；但另一方面，无线视觉传感网络还有数据同步性差、节点资源受限、节点管理难等特性。因此，为了实现基于无线视觉传感网络的无人机大范围三维跟踪目的，本发明提出了一种无线视觉传感网络的传感器布局优化与快速部署方法，以给出视觉传感器的合理布局方案：用尽可能少的传感器满足网络覆盖范围和三维重建误差两个指标之间的平衡，以达到节约资源、利于管理的目的。同时，考虑到实际应用，本方法还考虑了传感器网络快速部署方法，主要包括：优化过程中传感器解空间的快速搜索方法和工程实践中视觉传感器的快速部署方法。本方法简易方便，能够在视觉传感网络实际部署前，快速地给出所有摄像机的布局方案，指导实际安装调试过程，能够节省人力物力，加快网络部署。

发明内容

本发明提供了一种无线视觉传感网络的传感器布局优化与快速部署方法，它同时考虑了视觉传感网络覆盖范围大和定位误差小的要求，解决了广域空间中视觉传感器部署困难的问题。该方法是一种多目标优化方法，不需要额外增加复杂的测量工具，方便快捷，对实际工程部署有很强的指导意义。

本发明中的问题可以简单描述为：给定一个规则的三维矩形空间、摄像机感知模型和摄像机总数，优化摄像机布局方案(包括摄像机位置和方位角)使得目标空间覆盖率大的同时满足重建误差小。将上述问题抽象为如下优化问题。令为任意连通的局部三维区域。为给定任务，为包含所需的所有约束的集合。这些约束可能包括三维空间(即覆盖范围)的位置约束，传感器的约束(传感器类型数目等)。传感器布局优化问题可以定义：给定区域找到一组满足约束条件的传感器位置，并最大化给定的目标函数G(或者最小化损失函数)。用数学的形式表示为：

其中，Π＝{π₁,π₂,…,π_N}为所有摄像机的布局方式，N为优化后的总摄像机数目。

注意到上述定义(1)只是一个抽象的表达方式，在具体问题面前，需要具体化每一部分，即具体确定优化的空间区域不同的任务不同的约束条件以及最终的目标函数G，在本方法中，给出了一种具体的模型建立以及多目标优化算法设计方法，将最大化覆盖范围和最小化重建误差作为目标函数，提出一种加权的目标函数综合考虑它们。

本发明提出了一种无线视觉传感网络的传感器布局优化与快速部署方法，是一种离线方法，在视觉传感器实际部署之前，就需要对整个视觉网络的传感器进行合理的布局设计；具体步骤如下：

步骤一、视觉传感网络模型建立，所述模型包括感知模型、空间模型、覆盖模型和重建误差模型；

1)感知模型建立