俞 嘯 ，張 立 ，楊 靜 ，趙 強(qiáng)

（1.徐州醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)信息學(xué)院，江蘇 徐州 221000；

2.徐州醫(yī)學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江蘇 徐州 221000；3.徐州醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)WMSNs(Wireless Multimedia Sensor Networks)應(yīng)用前景廣闊，但圖像視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)量大，不管直接傳輸還是進(jìn)行編碼后傳輸，都需要消耗大量的能量[1-2]。而傳統(tǒng)的圖像或視頻編碼復(fù)雜度高，亟需一種滿足較高的壓縮效率同時(shí)又降低計(jì)算復(fù)雜度的算法。近些年，由DONOHO D、CANDES E等人提出壓縮感知CS(Compressed Sensing)理論[3-4]，這一理論為圖像信號(hào)的壓縮編碼提供了新的思路。本文從降低圖像處理算法復(fù)雜度的角度出發(fā)，首先對CS理論和圖像傳感器節(jié)點(diǎn)能耗模型進(jìn)行分析，然后通過仿真比較基于CS理論的圖像壓縮算法與JPEG圖像編碼算法的節(jié)點(diǎn)能耗，最后基于CC2530硬件平臺(tái)完成圖像傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

1 相關(guān)基礎(chǔ)理論

1.1 壓縮感知編碼

基于壓縮感知理論的CS-DCT圖像編碼[5-6]框架如圖1所示，在編碼端，首先對圖像信號(hào)X進(jìn)行宏塊劃分、DCT變換，生成觀測矩陣 Θ，與 DCT變換后矩陣的線性相乘，得到觀測信號(hào)Y，并對其進(jìn)行量化和哈夫曼編碼，得到壓縮傳輸?shù)膱D像D，通過對Θ的設(shè)置，可以調(diào)整對圖像信號(hào)DCT系數(shù)矩陣的采樣率。在解碼端，將壓縮后的圖像D進(jìn)行哈夫曼解碼和反量化，得到測量信號(hào) Y′；生成稀疏基 Ψ，求得恢復(fù)矩陣 S；利用恢復(fù)矩陣S和觀測信號(hào)Y′進(jìn)行非線性共軛梯度算法重構(gòu)，得到重構(gòu)信號(hào)，最后對重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行IDCT變換，可以得到解碼后的圖像信號(hào)X^。

圖1 基于壓縮感知理論的CS-DCT圖像編碼框架

1.2 圖像傳感器節(jié)點(diǎn)能耗模型

多媒體節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理和傳輸會(huì)消耗很大一部分的能量，圖像傳感器節(jié)點(diǎn)是一種具有代表意義的多媒體節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)主要研究CPU處理能耗和數(shù)據(jù)傳輸能耗，所以在這里將傳感器節(jié)點(diǎn)的消耗模型簡化為：

無線通信系統(tǒng)中，發(fā)射功率隨信號(hào)傳輸距離的增加呈指數(shù)衰減。根據(jù)信道自由空間（Free Space）模型和信道多徑衰減（Multi-path Fading）模型對圖像傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模[7]。當(dāng)信號(hào)傳送距離為d時(shí)，k位數(shù)據(jù)的發(fā)送消耗的能量可用式（2）表示。發(fā)送能耗：

其中，Eelec是收發(fā)器線路的能量消耗；在可接受的容錯(cuò)率下，放大器部分的能耗 εfs·d2和 εmp·d4取決于信號(hào)的傳輸距離；一般Eelec=50 nJ/bit，εfs=10 pJ/bit/m2，εmp=0.001 3 pJ/bit/m4，d0=87 m。

CPU的處理能耗可以近似地表示為：

其中，α為電路開關(guān)活動(dòng)因子，CL為負(fù)載電容，Vdd為處理器的工作電壓，f為處理器的時(shí)鐘頻率，N為完成任務(wù)需要的CPU時(shí)鐘周期數(shù)。

2 圖像節(jié)點(diǎn)編碼性能仿真分析

選擇JPEG圖像編碼算法與基于CS的圖像編碼算法進(jìn)行對比，圖像源選用大小為256×256的標(biāo)準(zhǔn)灰度圖像Cameraman進(jìn)行仿真分析。在 Intel雙核2.0 GHz、2 GB內(nèi)存的Windows XP系統(tǒng)平臺(tái)上，利用MATLAB運(yùn)行兩種編碼算法，分別對上述圖像進(jìn)行JPEG編碼方案和DCT-CS方案的壓縮編碼，統(tǒng)計(jì)JPEG方案和DCT-CS方案的PSNR、輸出碼率和編碼時(shí)間。圖像傳感器節(jié)點(diǎn)能耗分布的特殊，數(shù)據(jù)的處理和傳輸都需要消耗大部分的能量，需要對“信號(hào)處理”和“無線傳輸”問題進(jìn)行折中，這里取處理器能耗和通信傳輸能耗的總和作為編碼方案性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(3)，這里Vdd=1.8 V，CL=0.67 nF，α=0.6，可得到不同PSNR下節(jié)點(diǎn)編碼和傳輸總能耗，處理器和傳輸總能耗對比如圖2所示。從圖中可以看出同JPEG方案相比，采用DCT-CS方案可以降低圖像傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偰芎摹?/p>

圖2 處理器能耗與通信傳輸能耗總和（d=80 m）

3 圖像傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

圖像傳感器節(jié)點(diǎn)需要能夠?qū)D像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、編碼和傳輸，這就對節(jié)點(diǎn)硬件的計(jì)算能力提出了一定的要求。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)本身能量有限，又需要盡可能地降低節(jié)點(diǎn)的能耗。這里選用ARM Cortex-M3核心的STM32F103作為節(jié)點(diǎn)的主處理器，STM32F103是具備低成本、低功耗、高性能等特點(diǎn)的微處理器解決方案，具有豐富的資源配置和多種標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，其工作頻率高達(dá)72 MHz，支持多種省電模式[8]。CMOS圖像傳感器模塊具有低功耗、高集成度的優(yōu)點(diǎn)，選擇CMOS攝像頭模塊可以滿足一般圖像采集應(yīng)用的需求，這里選用OmmiVision公司的OV7650 CMOS圖像傳感器。選擇支持ZigBee的CC2530[9]作為無線傳輸模塊解決方案。CC2530與STM32F103之間通過SPI總線通信，節(jié)點(diǎn)硬件框架如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)框圖

3.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

選擇μC/OS-II操作系統(tǒng)作為節(jié)點(diǎn)的軟件系統(tǒng)平臺(tái)，首先進(jìn)行系統(tǒng)軟件平臺(tái)的搭建，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的硬件選型和需要的通信總線，完成μC/OS-II操作系統(tǒng)和硬件驅(qū)動(dòng)程序的移植工作。在系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)之上進(jìn)行應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，完成圖像數(shù)據(jù)的采集，基于DCT-CS編碼的軟件設(shè)計(jì)，通過SPI總線接口將編碼夠后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺C2530。圖像采集和編碼程序基本流程如圖4所示，首先系統(tǒng)完成CPU硬件資源的初始化，配置相應(yīng)的控制器和端口，初始化攝像頭驅(qū)動(dòng)程序，通過I2C總線接口完成攝像頭的基本配置工作，設(shè)置圖像采集窗口大小、圖像輸出格式等。然后初始化系統(tǒng)緩存，用于圖像的采集和編碼數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，初始化μC/OS-II系統(tǒng)任務(wù)并啟動(dòng)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)中主要任務(wù)有圖像采集任務(wù)、圖像編碼任務(wù)和圖像轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。

4 結(jié)論

文章首先提出多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗問題，然后對節(jié)點(diǎn)能耗模型和基于CS的圖像編碼方案方案進(jìn)行基礎(chǔ)理論分析。用實(shí)驗(yàn)仿真的方法對比JPEG方案和CS方案的編碼性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CS方案確實(shí)可以節(jié)省節(jié)點(diǎn)能耗。根據(jù)以上理論研究和實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景的分析，分析圖像傳感器節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)的計(jì)算能力、節(jié)點(diǎn)能耗及傳輸帶寬需求，圍繞這幾點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軟、硬件設(shè)計(jì)。下一步將對多節(jié)點(diǎn)協(xié)作的圖像編碼算法進(jìn)行研究，綜合考慮圖像采集節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的能耗問題，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

圖4 節(jié)點(diǎn)軟件工作流程

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