KR20140093133A - Energy-efficient selective compression scheme for wireless multimedia sensor networks - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 센서 네트워크에서의 멀티미디어 데이터의 압축에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 센서 네트워크에서의 이미지 및 동영상과 같은 멀티미디어 데이터의 특성을 고려한 선택적 압축을 통해 한정적인 에너지를 기반으로 동작하는 센서 네트워크에서의 대용량 멀티미디어 데이터 압축을 수행함에 따라 소스 노드에서 에너지가 급격하게 소진되는 문제점을 경감시킴으로써 네트워크 수명을 증가시키는 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 선택적 압축 장치 및 기법에 관한 것이다.
The present invention relates to the compression of multimedia data in a sensor network, and more particularly, to a method and apparatus for compression of multimedia data in a sensor network operating on a limited energy through selective compression taking into consideration the characteristics of multimedia data such as images and moving pictures in a sensor network. And more particularly, to an energy efficient selective compression apparatus and method for a wireless multimedia sensor network that mitigates the problem of energy abruptly exhausting at the source node as a result of performing large capacity multimedia data compression, thereby increasing network lifetime.
최근 컴퓨팅 기술의 비약적인 발전과 신호 처리 기술, 소형 전자 장치 개발 기술, 무선 통신 기술이 발전함에 따라 센서 네트워크에서 사용되는 센서 노드는 소형화, 저비용, 저전력이 가능하게 되었다. 무선 센서 네트워크의 주요 목적은 주변 환경이나 관찰하고자 하는 대상의 상태와 관련된 정보를 사용자에게 전달하는 것이다. 이러한 목적에 따라 수집 데이터를 기반으로 효과적인 상황 감지를 수행하는 분야를 무선 센서 네트워크(WSN: Wireless Sensor Networks)라는 용어를 사용한다.As the recent advances in computing technology and the development of signal processing technology, small electronic device development technology, and wireless communication technology, sensor nodes used in sensor networks become smaller, lower cost, and lower power. The main purpose of the wireless sensor network is to transmit information related to the environment or the state of the object to be observed to the user. For this purpose, we use the term Wireless Sensor Networks (WSN) to perform effective situation detection based on collected data.
다수의 센서 노드들과 센서 노드 간의 통신으로 이루어지는 무선 센서 네트워크는 센서 노드에 탑재된 센서들을 이용하여 주변 환경의 데이터를 획득하고 전달한다. 사람이 직접 수집하기 어려운 데이터들을 수집하고자 다양한 환경에 설치되어 현장에 대한 감시, 정보의 전달, 그리고 이웃 노드와의 협동 작업 등을 수행한다. 이러한 특징을 이용하여 사람이 직접 수집하기 어려운 환경에 배치되어 정보를 획득한다. 이러한 무선 센서 네트워크는 실시간 모니터링 특성을 활용하여 연구 목적의 환경 감시뿐만 아니라 의료, 건축, 토목, 홈 네트워크, u-City 등 다양한 분야에서 핵심 기술로 활용되고 있다.A wireless sensor network composed of communication between a plurality of sensor nodes and a sensor node acquires and transmits data of a surrounding environment using sensors mounted on the sensor node. It is installed in various environments in order to gather data that is difficult to collect directly by the person, and monitors the site, transmits information, and cooperates with neighboring nodes. Using these features, information is acquired by being placed in an environment that is difficult for human to collect directly. These wireless sensor networks utilize real-time monitoring characteristics and are utilized as core technology in various fields such as medical, architecture, civil engineering, home network, u-city as well as environment monitoring for research purpose.
일반적으로 무선 센서 네트워크는 다수의 센서 노드를 배포하여 네트워크를 형성하고, 배포되는 센서의 크기가 작고 소형의 배터리를 이용하여 구동되므로 에너지 사용의 제약과 데이터 처리 능력에 제한이 있다. 센서 네트워크에서 사용되는 센서 노드는 무인으로 동작되거나 사람이 접근하기 힘든 환경에서 설치되어 구동되는 경우가 대부분이므로, 각 센서 노드의 배터리를 일일이 교체한다는 것은 불가능하다. 그러므로 네트워크에서 효율적인 에너지 활용 및 원활한 통신을 위한 설계 요구조건을 구성하는 것이 중요하다.
Generally, a wireless sensor network distributes a plurality of sensor nodes to form a network. Since the distributed sensor is small and is driven by a small-sized battery, there are restrictions on energy use and data processing capability. Sensor nodes used in sensor networks are mostly installed and operated in unattended environments or in environments where human access is difficult, so it is impossible to replace batteries of each sensor node one by one. It is therefore important to establish design requirements for efficient energy utilization and smooth communication in the network.
한편, 무선 센서 네트워크의 한 종류인 무선 멀티미디어 센서 네트워크(WMSN: Wireless Multimedia Sensor Networks)는 멀티미디어 센서를 이용해서 동영상, 오디오, 이미지 등의 멀티미디어 데이터를 획득하고 전달한다. 최근 하드웨어 기술과 모니터링 기법이 발달함에 따라서 멀티미디어 센서의 활용을 통한 음성 데이터나 영상 데이터와 같은 멀티미디어 데이터 수집을 바탕으로 하는 응용이 증가 추세에 있다.
Meanwhile, a wireless multimedia sensor network (WMSN), which is a kind of wireless sensor network, acquires and delivers multimedia data such as video, audio, and images using a multimedia sensor. Recently, with the development of hardware technology and monitoring techniques, applications based on multimedia data collection such as voice data and image data through the use of multimedia sensors are increasing.
그런데, 무선 멀티미디어 센서 네트워크에서 수집되는 멀티미디어 데이터는 전통적인 무선 센서 네트워크에서 수집되었던 단순 수치 데이터와 달리 크기가 매우 크기 때문에 메시지 전송 수행 시 특정 노드에 과도한 에너지 소모가 발생하므로, 그로 인해 무선 센서 네트워크의 수명이 단축되는 문제점이 있다.However, because multimedia data collected in a wireless multimedia sensor network is very large in size compared to simple numerical data collected in a conventional wireless sensor network, energy consumption is excessively consumed at a specific node during message transmission, There is a problem that this is shortened.
또한, 전체 멀티미디어 데이터를 단일 경로로 전송함에 따라 경로 상에 존재하는 노드들로의 데이터 집중 현상으로 인해 에너지 한정적으로 동작하는 센서 노드에 결함이 쉽게 발생하고 결과적으로 전체적인 네트워크 수명이 감소되는 문제점이 있다.In addition, as the entire multimedia data is transmitted through a single path, defects easily occur in sensor nodes operating with energy limitation due to data concentration to nodes existing in the path, resulting in a decrease in overall network lifetime .
뿐만 아니라, 특정 노드에서 질의에 해당하는 멀티미디어 데이터를 수집하고, 이러한 대용량 데이터를 기지국으로 전송하기 위해 경로 상의 노드 간에 통신 채널의 장시간 점유가 요구된다. 그러므로 통신 채널의 장시간 점유에 따른 채널 충돌과 패킷 손실이 빈번하게 발생하고 질의 처리 및 상황 감지 속도의 지연과 수집 데이터의 품질이 감소하는 문제점이 있다.
In addition, it is required to acquire multimedia data corresponding to a query from a specific node and occupy a communication channel for a long time between nodes on the path in order to transmit such large capacity data to the base station. Therefore, channel collision and packet loss due to occupation of the communication channel for a long time frequently occur, and there is a problem that the quality of the collected data is reduced and the delay of the query processing and the situation detection rate is reduced.
이러한 문제점들을 고려하여 이와 같은 응용에서 데이터의 크기를 축소하기 위한 데이터 압축 기법을 적용하는 것은 불가능하지는 않다. 하지만 일반 컴퓨터를 기반으로 하는 설계된 기존의 데이터 압축 기법을 자원 한정적인 무선 센서 네트워크에 적용할 경우, 압축 연산에 따른 에너지 소모가 매우 크게 발생하는 문제점이 있다. 더불어, 기존의 데이터 압축 기법은 높은 연산 능력 및 연산의 결과로서 발생하는 데이터를 임시 저장하기 위한 큰 메모리 공간을 필요로 하므로 한정적인 자원을 기반으로 하는 무선 센서 네트워크에서 활용하는 것은 적합하지 않다.
Considering these problems, it is not impossible to apply a data compression technique to reduce the size of data in such applications. However, when the conventional data compression scheme based on a general computer is applied to a resource-limited wireless sensor network, there is a problem that energy consumption due to the compression operation is very large. In addition, the existing data compression technique requires a large memory space for temporarily storing data generated as a result of high computational power and computation, so it is not suitable to use in a limited resource based wireless sensor network.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 무선 멀티미디어 센서 네트워크의 특성을 고려하여 대용량 스트리밍 멀티미디어 데이터의 효율적인 동적 데이터의 선택적 압축 기법을 핵심으로, 동영상 프레임 간의 동적인 움직임을 감지 및 해당 부분의 추출 및 압축을 수행함으로써 전송 대상 데이터의 크기를 효과적으로 감소시키고, 추출된 데이터에 한정하여 전송하는 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 선택적 압축 장치 및 기법을 제공하는데 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide an efficient compression method for dynamic data of large-capacity streaming multimedia data in consideration of characteristics of a wireless multimedia sensor network, The present invention provides an energy efficient selective compression apparatus and method for a wireless multimedia sensor network that effectively reduces the size of data to be transmitted and transmits the data only to the extracted data by performing dynamic segmentation have.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 선택적 압축 장치는, 멀티미디어 전송 프레임의 이전 프레임과 현재 프레임에서 변화된 동적 매크로 블록을 등록하는 동적 매크로 블록 등록부; 상기 멀티미디어 전송 프레임의 이전 프레임과 현재 프레임에서 상기 변화된 동적 매크로 블록을 포함하는 클러스터 영역을 비교하는 비교부; 및 상기 비교에 따른 상기 현재 프레임의 클러스터 영역이 설정 범위 내에 존재하는지의 여부에 따라 해당 클러스터에 추가하거나 새로운 클러스터를 생성하여 클러스터들에 대하여 압축을 수행하는 압축부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기에, 상기 현재 프레임의 클러스터 영역이 설정 범위 내에 존재하지 않을 경우에 상기 새로운 클러스터를 생성하는 클러스터 생성부를 더 포함한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided an energy efficient selective compression apparatus for a wireless multimedia sensor network, comprising: a dynamic macroblock registration unit for registering dynamic macroblocks changed in a previous frame and a current frame of a multimedia transmission frame; A comparing unit comparing a cluster area including the changed dynamic macroblock in a previous frame of the multimedia transmission frame with a current frame; And a compression unit for adding to the corresponding cluster or generating a new cluster according to whether the cluster region of the current frame according to the comparison exists within the set range and performing compression on the clusters. And a cluster generating unit for generating the new cluster when the cluster area of the current frame does not exist within the set range.
한편, 본 발명의 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 선택적 압축 기법은, 멀티미디어 전송 프레임의 이전 프레임과 현재 프레임에서 변화된 동적 영역을 등록하는 단계; 상기 멀티미디어 전송 프레임의 이전 프레임과 현재 프레임에서 상기 변화된 동적 영역을 포함하는 클러스터 영역을 비교하는 단계; 상기 비교를 통해 해당 클러스터에 추가하거나 새로운 클러스터를 생성하는 단계; 상기 클러스터 및 상기 새로운 클러스터에 대하여 압축을 수행하는 단계; 및 상기 압축된 정보를 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 통해 목적지로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, an energy efficient selective compression scheme for a wireless multimedia sensor network of the present invention includes: registering a dynamic region changed in a previous frame and a current frame of a multimedia transmission frame; Comparing a previous frame of the multimedia transmission frame with a cluster region including the changed dynamic region in a current frame; Adding to the corresponding cluster or creating a new cluster through the comparison; Performing compression on the cluster and the new cluster; And transmitting the compressed information to a destination via a wireless multimedia sensor network.
상기 동적 영역은 일정 개수의 픽셀들을 포함하는 동적 매크로 블록 영역이고, 상기 동적 매크로 블록 영역은, 휘도 신호(Y), 상기 휘도 신호(Y)와 청색 성분의 차(U), 상기 휘도 신호(Y)와 적색 성분의 차(V)의 3가지 정보로 색을 표현하는 방식에서, 이전 프레임의 휘도 신호(Y)와 현재 프레임의 휘도 신호(Y)의 차이의 절대값이 설정값보다 클 경우에 동적 매크로 블록 리스트에 등록되며, 상기 동적 매크로 블록 영역의 집합(Set)은 JPEG(Joint Photographic coding Experts Group) 표준을 기반으로 압축을 수행한다.Wherein the dynamic area is a dynamic macroblock area including a predetermined number of pixels and the dynamic macroblock area includes a luminance signal Y, a difference (U) between the luminance signal Y and a blue color component, a luminance signal Y In the case where the absolute value of the difference between the luminance signal Y of the previous frame and the luminance signal Y of the current frame is larger than the set value, The dynamic macro block region set is registered in a dynamic macro block list, and compression is performed based on a JPEG (Joint Photographic Coding Experts Group) standard.
상기 비교를 통해 해당 클러스터에 추가하는 경우는, 상기 현재 프레임의 클러스터 영역의 위치 및 크기가 확장할 수 있는 설정된 최대 범위 내에 속하는 경우이고, 상기 클러스터 영역의 위치 및 크기가 이전 프레임의 클러스터 영역을 벗어날 경우, 클러스터 영역을 재정의한다.
In the case of adding to the cluster through the comparison, the position and size of the cluster region of the current frame fall within a set maximum range that can be extended, and the position and size of the cluster region may be out of the cluster region of the previous frame If so, redefine the cluster area.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 선택적 압축 장치 및 기법에 따르면, 멀티미디어 데이터를 선택적으로 압축함으로써 데이터 전송 시에 소모되는 에너지를 감소시킬 수 있다.As described above, according to the energy-efficient selective compression apparatus and technique for a wireless multimedia sensor network according to the present invention, energy consumed in data transmission can be reduced by selectively compressing multimedia data.
또한, 본 발명은 멀티미디어 데이터의 압축을 수행하여 데이터의 크기가 축소함에 따라 노드 간에 데이터 전송 시에 소요되는 전송 시간(채널 점유 시간)을 감소시킴으로써 채널 충돌 및 데이터 손실을 감소시킬 수 있다.In addition, the present invention can reduce channel collision and data loss by reducing transmission time (channel occupancy time) required for data transmission between nodes as data size is reduced by performing compression of multimedia data.
또한, 본 발명은 채널 충돌과 데이터 손실을 감소시킴으로써 질의 처리 속도를 증가시킬 수 있고, 멀티미디어 데이터의 품질을 향상시킬 수 있다.Further, the present invention can increase the query processing speed by reducing channel collision and data loss, and improve the quality of multimedia data.
또한, 본 발명은 전통적인 센서 네트워크상에서 연산을 최소화하는 선택적 멀티미디어 데이터 압축 기법을 제시함으로써 데이터 압축에서 소모되는 연산 비용을 감소시킬 수 있다.In addition, the present invention can reduce the computation cost consumed in data compression by suggesting an optional multimedia data compression scheme that minimizes computation on a conventional sensor network.
그리고, 본 발명은 데이터 전송과 데이터 압축 시에 소모되는 에너지를 감소시킴에 따라 전체 센서 네트워크 수명을 증가시킬 수 있다.
In addition, the present invention can reduce the energy consumed in data transmission and data compression, thereby increasing the overall sensor network lifetime.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 멀티미디어 센서 네트워크 및 무선 멀티미디어 센서 네트워크에서 데이터 수집 및 전송 환경에 대한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선 멀티미디어 센서 네트워크에서 단일 경로 데이터 전송 및 다중 경로 데이터 전송에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 멀티미디어 센서 네트워크에서 동영상 외부 프레임 추출 기법을 설명한 의사코드이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 멀티미디어 센서 네트워크에서 동적 매크로 블록 클러스터링 과정을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 무선 멀티미디어 센서 네트워크에서 추출된 동적 매크로 블록의 영역 군집화 과정을 설명한 의사코드이다.FIG. 1 is an exemplary view of a data collection and transmission environment in a wireless multimedia sensor network and a wireless multimedia sensor network according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
2 is a diagram for explaining single-path data transmission and multi-path data transmission in a wireless multimedia sensor network according to an embodiment of the present invention.
3 is a pseudo code for explaining a moving picture outer frame extraction technique in a wireless multimedia sensor network according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a dynamic macro block clustering process in a wireless multimedia sensor network according to an embodiment of the present invention.
5A and 5B are pseudo codes for explaining an area clustering process of a dynamic macroblock extracted from a wireless multimedia sensor network according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 선택적 압축 장치 및 기법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an energy efficient selective compression apparatus and method for a wireless multimedia sensor network of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
여기서, 본 발명에서 설명하는 실시예는 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하에서 설명하는 실시예는 하나의 예시로서 이해되어져야 한다.Here, the embodiments described in the present invention can be implemented in various forms, and the embodiments described below should be understood as an example.
한편, 도면의 도시에 있어 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략할 수 있으며, 명세서 전체를 통하여 동일한 부분에 대해서는 동일 도면 부호를 부여할 수 있다. 그리고, 명세서 전체에서, 동일하게 반복되는 구성에 대해서는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "구비" 또는 "구성"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "~부", "~기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 기억장치를 구비한 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
In the drawings, parts not relating to the description may be omitted for the purpose of clearly illustrating the present invention, and the same reference numerals can be assigned to the same parts throughout the specification. In the entire specification, redundant description can be omitted for the same repeated configuration. Also, throughout the specification, it is to be understood that when an element is referred to as being "comprising" or "comprising" an element, it should be understood that it does not exclude other elements, it means. The terms "to part "," to ", and the like in the specification mean a unit for processing at least one function or operation, and may be implemented by hardware or software having a storage device or a combination of hardware and software .
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 멀티미디어 센서 네트워크 및 무선 멀티미디어 센서 네트워크에서 데이터 수집 및 전송 환경에 대한 예시도이다.FIG. 1 is an exemplary view of a data collection and transmission environment in a wireless multimedia sensor network and a wireless multimedia sensor network according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
본 발명의 무선 멀티미디어 센서 네트워크는, 최근의 하드웨어 기술과 모니터링 기법이 발달함에 따라 기존의 무선 센서 네트워크에 멀티미디어 센서 모듈을 탑재하여 음성데이터나 영상데이터와 같은 멀티미디어 데이터 수집을 바탕으로 더욱 상세한 상황 감지를 수행하는 응용 분야를 말한다.As the recent hardware technology and monitoring techniques are developed, the wireless multimedia sensor network of the present invention is equipped with a multimedia sensor module in an existing wireless sensor network to detect more detailed situation based on multimedia data collection such as voice data and image data It refers to the application field to be performed.
도 1을 참조하면, 무선 멀티미디어 센서 네트워크(1)는, 멀티미디어 센서 노드(11)와 일반적인 스칼라 센서 노드(12)가 함께 배포되어 있는 이종의 센서 네트워크를 기반으로 한다. 무선 멀티미디어 센서 네트워크(1)도 기존의 무선 센서 네트워크와 동일하게 수집 데이터의 분석 및 상황 감지를 위해 각 노드에서 수집 데이터를 기지국(2)으로 전송한다. 멀티미디어 센서 노드(11)는 위험 지역이나 재난 지역과 같은 주요 지점을 주시하고 있으며, 일반적인 스칼라 센서 노드(12)보다 적은 수로 배치된다. 스칼라 센서 노드(12)는 객체의 움직임이나 온도, 습도 등 주변의 상태를 감지할 뿐만 아니라 멀티미디어 데이터의 전송 및 암호화를 담당한다. 멀티미디어 센서 노드(11)는 평소에는 에너지 보존을 위해 수면 모드(Sleep Mode)로 동작한다. 만약 스칼라 센서 노드(12)가 객체의 움직임과 같은 특정 이벤트를 탐지하고 멀티미디어 센서 노드(11)에 이벤트 발생 메시지를 전송할 경우, 멀티미디어 센서 노드(11)는 수면 모드에서 활성 모드(Active Mode)로 동작하고 영상 및 음성과 같은 멀티미디어 데이터 수집하여 기지국(2)으로 전송한다.Referring to FIG. 1, the wireless
도 1에 도시된 바와 같이, 스칼라 센서 노드(12)는 이벤트를 감지하면 인근의 멀티미디어 센서 노드(11)에 감지 정보를 알리며, 이를 수신한 멀티미디어 센서 노드(11)는 기지국(2)에 데이터 스트리밍을 전송한다. 이 때, 무선 멀티미디어 센서 네트워크(1)에서 수집하는 데이터는 기존의 전통적인 무선 센서 네트워크에서 수집하는 단순 수치 데이터와 달리 크기가 매우 크다. 센서 노드에서 데이터 송수신 시에 데이터 크기에 비례하여 전송 에너지를 소모하게 되는 특성을 고려할 때, 데이터 전송 수행 시 경로 상에 존재하는 노드에 과도한 에너지 소모를 발생시키며, 그로 인해 결과적으로 네트워크의 수명이 빠르게 단축되는 문제가 발생한다. 뿐만 아니라, 단일 경로를 통한 대용량 데이터 전송에 따른 통신 채널 점유로 인해, 인접 노드가 데이터 송신을 시도할 시에 충돌 및 패킷 손실이 빈번하게 발생한다.
1, when the
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선 멀티미디어 센서 네트워크에서 단일 경로 데이터 전송 및 다중 경로 데이터 전송에 대하여 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram for explaining single-path data transmission and multi-path data transmission in a wireless multimedia sensor network according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 기존의 무선 멀티미디어 센서 네트워크(1)에서의 데이터 전송 문제점을 고려하여 멀티미디어 데이터를 적절한 수로 분할하여 다중 경로로 전송하는 기법이 활용된다. 데이터를 전송하는 과정에서 전송 경로가 최대한 중첩되지 않도록 설정하고, 전송 가능한 가용 경로의 수에 따라 데이터를 분할하여 전송하므로 전체 네트워크로 부하 분산이 가능하다. 뿐만 아니라, 무선 멀티미디어 센서 네트워크(1)에서 단일 경로 데이터 전송 기법에서 발생하는 채널 충돌 및 패킷 손실의 문제를 다소 완화시킨다.Referring to FIG. 2, in consideration of a data transmission problem in the existing wireless
그러나, 대용량 멀티미디어 데이터의 특성을 고려할 때 n개의 데이터로 분할을 하더라도 여전히 전통적인 무선 센서 네트워크에 비해 데이터의 크기가 크다는 문제가 존재한다. 그러므로 데이터의 크기를 축소하여 센서 네트워크의 에너지 활용도를 높일 필요가 있다.However, considering the characteristics of large-capacity multimedia data, there is still a problem that the size of data is larger than that of a conventional wireless sensor network even if the data is divided into n pieces of data. Therefore, it is necessary to increase the energy utilization of the sensor network by reducing the size of the data.
그러나 기존의 센서 데이터 압축 기법들은 시·공간적 연관성을 바탕으로 압축을 수행하므로 온도, 습도, 조도와 같은 수치데이터를 수집하는 응용에서는 매우 효율적으로 적용될 수 있으나, 음성, 이미지, 영상 정보를 수집하는 환경에서는 생성된 데이터의 시·공간적 연관성을 판별할 수 없으므로 무선 멀티미디어 센서 네트워크(1)에 적용하는 것은 불가능하다.However, existing sensor data compression schemes perform compression based on temporal and spatial correlation, so they can be applied very efficiently in applications that collect numerical data such as temperature, humidity, and illumination. However, in the environment where voice, image, It is impossible to apply the present invention to the wireless
뿐만 아니라, 기존의 멀티미디어 데이터 압축 기법을 센서 네트워크에 적용할 경우, 과도한 연산 부하로 인해 에너지 한정적으로 동작하는 센서 네트워크에 있어서 네트워크 수명이 감소하는 문제가 발생한다. 그러므로 센서 네트워크 환경에서 멀티미디어 데이터를 압축하기 위한 새로운 압축 기법이 요구되고 있다.In addition, when a conventional multimedia data compression technique is applied to a sensor network, there is a problem that the network life is reduced in a sensor network operating with energy limitation due to an excessive calculation load. Therefore, a new compression technique for compressing multimedia data in a sensor network environment is required.
본 발병의 실시예에서는 센서 네트워크와 수집 데이터의 특성을 고려하여 무선 멀티미디어 센서 네트워크(1)에서 에너지 효율적인 선택적 데이터 압축을 수행하고 기지국(2)으로 전송하여 노드에 발생하는 과도한 에너지 소모 및 채널 충돌과 패킷 손실을 해결한다. 이 때, 데이터 압축 수행 시에 압축에서 발생하는 에너지 소모 및 연산 부하를 최소화하기 위해 동영상 프레임 외부 압축 기법을 통해 프레임 간의 동적인 움직임을 감지하고, 동적 추출 부분 내부 압축 기법을 통해 추출된 멀티미디어 데이터를 압축한다. 이러한 방법을 활용하여 압축과 전송에서 소모되는 에너지를 최소화하는 것이 가능하다.
In the embodiment of the present invention, the energy efficient selective data compression is performed in the wireless
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 멀티미디어 센서 네트워크에서 동영상 외부 프레임 추출 기법을 설명한 의사코드이다.3 is a pseudo code for explaining a moving picture outer frame extraction technique in a wireless multimedia sensor network according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 동영상 외부 프레임 추출은 이전 프레임과 현재 프레임의 변경된 부분을 추출하기 위한 기법이다. 동영상 프레임 중 이전 프레임과 현재 프레임의 변경 부분을 추출하기 위해 픽셀 단위로 전체 프레임을 비교하는 것은 과도한 연산 비용을 요구한다. 이를 보완하기 위해, 이전 프레임과 현재 프레임 매크로 블록(Macro Block) 비교를 통해 움직이는 영역을 추출한다. 하나의 동영상 프레임은 여러 개의 매크로 블록으로 구성되어 있으며, 하나의 매크로 블록은 일정 개수의 픽셀들의 집합으로 구성되어 있다. 매크로 블록은 프레임 상에서 해당 매크로 블록의 집합이 시작되는 시작 픽셀의 위치와 픽셀들의 YUV 색 표현 방식의 Y의 평균값 정보를 가지고 있다. 여기서, YUV 색 표현 방식은, 휘도 신호(Y), 휘도 신호와 청색 성분의 차(U), 휘도 신호와 적색 성분의 차(V)의 3가지 정보로 색을 나타내는 형식을 나타낸다. 이러한 정보를 바탕으로 비교 연산을 활용하여 이전 프레임과 현재 프레임의 매크로 블록 비교를 통해 임계치 α보다 큰 경우 동적 영역으로 지정된다. 그 후 동적 영역은 동적 매크로 블록 리스트에 등록된다.Referring to FIG. 3, the extraction of a moving image outer frame is a technique for extracting a changed portion of a previous frame and a current frame. Comparing the entire frame on a pixel-by-frame basis to extract the changing portion of the previous frame and the current frame of the moving image frame requires an excessive operation cost. In order to compensate for this, the moving area is extracted by comparing the previous frame with the current frame macroblock. One video frame is composed of several macroblocks, and one macroblock is composed of a set of a certain number of pixels. The macroblock has information on the position of the start pixel at which the set of the corresponding macroblock starts on the frame and the average value of Y in the YUV color representation of the pixels. Here, the YUV color rendering system represents a color representation by three kinds of information: a luminance signal (Y), a difference (U) between a luminance signal and a blue component, and a difference (V) between a luminance signal and a red component. Based on this information, comparison operation is used to compare the macroblocks of the previous frame and the current frame to designate the dynamic area when the threshold value is larger than the threshold value a. The dynamic region is then registered in the dynamic macroblock list.
도 3에 명시한 바와 같이, 이전 프레임과 현재 프레임의 매크로 블록의 Y 평균값 비교를 통해서 특정 임계치를 초과하는 블록은 동적 영역으로 판단하여 동적 매크로 블록으로 지정된다. 지정된 동적 매크로 블록 집합(Set)은 이후 프레임 내부 압축을 수행한다.As shown in FIG. 3, a block exceeding a certain threshold value is determined as a dynamic region and designated as a dynamic macroblock by comparing Y average values of the macroblocks of the previous frame and the current frame. The designated dynamic macroblock set (Set) then performs intra frame compression.
여기서, 이러한 과정을 수행하기 위한 본 발명의 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 선택적 압축 장치는, 멀티미디어 전송 프레임의 이전 프레임과 현재 프레임에서 변화된 동적 영역을 등록하는 동적 영역 등록부와, 멀티미디어 전송 프레임의 이전 프레임과 현재 프레임에서 변화된 동적 영역을 포함하는 클러스터 영역을 비교하는 비교부와, 비교에 따른 현재 프레임의 클러스터 영역이 설정 범위 내에 존재하는지의 여부에 따라 해당 클러스터에 추가하거나 새로운 클러스터를 생성하여 클러스터들에 대하여 압축을 수행하는 압축부를 포함할 수 있다. 또한 여기에, 현재 프레임의 클러스터 영역이 설정 범위 내에 존재하지 않을 경우에 새로운 클러스터를 생성하는 클러스터 생성부를 더 포함할 수 있다.
Herein, an energy efficient selective compression apparatus for a wireless multimedia sensor network of the present invention for performing this process includes a dynamic region registration unit for registering a dynamic region changed in a previous frame and a current frame of a multimedia transmission frame, A comparison unit for comparing the frame and the cluster area including the changed dynamic area in the current frame; and a control unit for adding the frame to the corresponding cluster or generating a new cluster according to whether the cluster area of the current frame according to the comparison exists within the setting range, And a compression unit for performing compression on the input signal. Here, it may further include a cluster generating unit that generates a new cluster when the cluster area of the current frame is not present within the set range.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 멀티미디어 센서 네트워크에서 동적 매크로 블록 클러스터링 과정을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a dynamic macro block clustering process in a wireless multimedia sensor network according to an embodiment of the present invention.
본 발병의 실시예에서는 프레임 외부 압축을 통해 추출 동적 영역에 대한 내부 압축을 수행하여 소스 노드가 전송하는 데이터의 크기를 감소시킨다. 동적 추출 부분 내부 압축 기법은 JPEG(Joint Photographic coding Experts Group) 표준을 활용하여 압축을 수행한다. 압축을 수행하기 전에 먼저 압축을 수행할 매크로 블록들의 영역 비교를 통해서 군집화(Clustering)를 수행한다. 군집화 영역(Cluster) 정보는 시작 픽셀의 위치와 영역의 가로, 세로 크기로 구성된다. 이미 이전의 군집 영역에 동적 매크로 블록의 영역이 중첩되는지 확인한 후 중첩 된다면 최대 확장 임계치 β이내로 영역을 확장한다. 만약 중첩되는 영역이 존재하지 않는다면 새로운 군집 영역을 생성한다. 모든 군집 영역을 추출한 후 해당 영역을 JPEG 표준을 기반으로 압축을 수행한다.In an embodiment of the present invention, internal compression of the extracted dynamic region is performed through external compression of frames to reduce the size of data transmitted by the source node. Dynamic Extraction The internal compression scheme performs compression using JPEG (Joint Photographic Coding Experts Group) standard. Before performing compression, clustering is performed by comparing areas of macroblocks to be compressed. Clustering information consists of the position of the starting pixel and the horizontal and vertical size of the area. If the region of the dynamic macro block is overlapped with the previous cluster region, the region is expanded within the maximum extended threshold value. If there is no overlapping region, a new cluster region is created. After extracting all the clustering regions, the region is compressed based on the JPEG standard.
도 4를 참조하면, 동적 영역이 추출되어 동적 매크로 블록 리스트에 추가되면, 매크로 블록 리스트의 클러스터링을 수행한다. 구체적으로, 프레임의 매크로 블록의 Y 평균값 비교를 통해서 발생된 프레임의 모든 동적 매크로 블록 영역이 동적 매크로 블록 리스트에 등록 된 후(S1), 먼저 동적 매크로 블록 리스트에 저장된 동적 매크로 블록 리스트에 포함된 매크로 블록들을 적재한다(S2). 클러스터는 클러스터에 포함되는 매크로 블록 영역을 포함하는 영역 크기를 포함하고 있고, 새로운 매크로 블록이 클러스터로 추가 될 때 영역이 재조정된다. 만약 이전에 생성된 클러스터가 존재한다면(S3), 이전에 생성된 클러스터 영역과 비교를 수행한다(S4). 만약 영역에 포함된다면 해당 클러스터에 추가되고(S5), 포함되지 않는다면 새로운 클러스터를 생성한다(S6). 초기 생성되는 클러스터 영역은 초기에 추가되는 매크로 블록의 영역과 동일하다. 모든 동적 매크로 블록 리스트의 적재가 끝나고 클러스터링 과정이 종료되면 생성된 클러스터에 JPEG 압축을 적용한다(S7). 클러스터링 과정은 프레임이 지속적으로 적재되고, 동적 매크로 블록 영역 리스트가 생성될 때마다 수행한다.
Referring to FIG. 4, when the dynamic region is extracted and added to the dynamic macro block list, clustering of the macro block list is performed. Specifically, after all the dynamic macroblock areas of the frame generated through comparison of the Y average values of the macroblocks of the frame are registered in the dynamic macroblock list (S1), the macros included in the dynamic macroblock list stored in the dynamic macroblock list The blocks are loaded (S2). The cluster includes the area size including the macroblock area included in the cluster, and the area is readjusted when a new macroblock is added to the cluster. If there is a previously created cluster (S3), a comparison with the previously generated cluster region is performed (S4). If it is included in the area, it is added to the cluster (S5), and if not included, a new cluster is created (S6). The initially generated cluster region is the same as that of the initially added macroblock. When the loading of all the dynamic macro block lists is finished and the clustering process is completed, JPEG compression is applied to the generated clusters (S7). The clustering process is performed every time a frame is continuously loaded and a dynamic macroblock area list is generated.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 무선 멀티미디어 센서 네트워크에서 추출된 동적 매크로 블록의 영역 군집화 과정을 설명한 의사코드이다.5A and 5B are pseudo codes for explaining an area clustering process of a dynamic macroblock extracted from a wireless multimedia sensor network according to an embodiment of the present invention.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 매크로 블록 리스트에 존재하는 모든 매크로 블록 영역을 군집화(Clustering)한다. 각 매크로 블록을 적재하여 이전에 만들어진 클러스터들과의 영역 비교 과정을 거친다. 클러스터의 영역을 확장할 수 있는 최대 범위 안에 적재된 매크로 블록이 속하게 된다면 적재된 매크로 블록은 해당 클러스터에 속한다. 이후 클러스터는 자신의 영역을 다시 재정의 한다. 먼저 매크로 블록의 x 축 영역이 클러스터 영역의 범위를 벗어날 경우 벗어난 범위만큼 클러스터의 영역을 재정의 한다. 만약 속하는 클러스터가 없을 경우 새로운 클러스터를 생성하고 매크로 블록의 영역을 등록한다. 이 후 클러스터 영역 셋에 등록시킨다. 동적 영역 리스트의 모든 매크로 블록이 적재된 후, 해당 클러스터 영역 부분에 JPEG 표준을 기반으로 압축을 수행한다.
Referring to FIGS. 5A and 5B, all macro block areas existing in the macro block list are clustered. Each macroblock is loaded and the region comparison process is performed with clusters previously created. If the loaded macroblock belongs to the maximum range that can extend the region of the cluster, the loaded macroblock belongs to the corresponding cluster. The cluster then redefines its realm. First, if the x-axis region of the macro-block is out of the range of the cluster region, the region of the cluster is redefined as the range outside the range of the cluster region. If there is no cluster to belong to, a new cluster is created and the area of the macro block is registered. And then registers it in the cluster area set. After all macroblocks in the dynamic region list are loaded, compression is performed based on the JPEG standard in the corresponding cluster region.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
The embodiments of the present invention described above are not implemented only by the apparatus and / or method, but may be implemented through a program for realizing functions corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention, a recording medium on which the program is recorded And such an embodiment can be easily implemented by those skilled in the art from the description of the embodiments described above.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It belongs to the scope of right.
1 : 무선 멀티미디어 센서 네트워크
11 : 멀티미디어 센서 노드
12 : 스칼라 센서 노드
2 : 기지국1: Wireless multimedia sensor network
11: Multimedia sensor node
12: Scalar sensor node
2: Base station
Claims (9)
상기 멀티미디어 전송 프레임의 이전 프레임과 현재 프레임에서 상기 변화된 동적 매크로 블록을 포함하는 클러스터 영역을 비교하는 비교부; 및
상기 비교에 따른 상기 현재 프레임의 클러스터 영역이 설정 범위 내에 존재하는지의 여부에 따라 해당 클러스터에 추가하거나 새로운 클러스터를 생성하여 클러스터들에 대하여 압축을 수행하는 압축부를 포함하는 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 선택적 압축 장치.
A dynamic macroblock registration unit for registering a dynamic macroblock changed in a previous frame and a current frame of the multimedia transmission frame;
A comparing unit comparing a cluster area including the changed dynamic macroblock in a previous frame of the multimedia transmission frame with a current frame; And
And a compression unit for adding to the corresponding cluster or generating a new cluster according to whether the cluster region of the current frame exists according to the comparison, within the set range, and performing compression on the clusters. Optional compression device.
상기 현재 프레임의 클러스터 영역이 설정 범위 내에 존재하지 않을 경우에 상기 새로운 클러스터를 생성하는 클러스터 생성부를 더 포함하는 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 선택적 압축 장치.
The method according to claim 1,
And a cluster generator for generating the new cluster when the cluster area of the current frame does not exist within the set range.
상기 멀티미디어 전송 프레임의 이전 프레임과 현재 프레임에서 상기 변화된 동적 영역을 포함하는 클러스터 영역을 비교하는 단계;
상기 비교를 통해 해당 클러스터에 추가하거나 새로운 클러스터를 생성하는 단계;
상기 클러스터 및 상기 새로운 클러스터에 대하여 압축을 수행하는 단계; 및
상기 압축된 정보를 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 통해 목적지로 전송하는 단계를 포함하는 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 선택적 압축 기법.
Registering a dynamic region changed in a previous frame and a current frame of the multimedia transmission frame;
Comparing a previous frame of the multimedia transmission frame with a cluster region including the changed dynamic region in a current frame;
Adding to the corresponding cluster or creating a new cluster through the comparison;
Performing compression on the cluster and the new cluster; And
And transmitting the compressed information to a destination via a wireless multimedia sensor network.
상기 동적 영역은 일정 개수의 픽셀들을 포함하는 동적 매크로 블록 영역인 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 선택적 압축 기법.
The method of claim 3,
Wherein the dynamic region is a dynamic macroblock region containing a predetermined number of pixels, the energy efficient selective compression scheme for a wireless multimedia sensor network.
상기 동적 매크로 블록 영역은, 휘도 신호(Y), 상기 휘도 신호(Y)와 청색 성분의 차(U), 상기 휘도 신호(Y)와 적색 성분의 차(V)의 3가지 정보로 색을 표현하는 방식에서, 이전 프레임의 휘도 신호(Y)와 현재 프레임의 휘도 신호(Y)의 차이의 절대값이 설정값보다 클 경우에 동적 매크로 블록 리스트에 등록되는 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 선택적 압축 기법.
5. The method of claim 4,
The dynamic macroblock region is expressed by three kinds of information, that is, a luminance signal (Y), a difference (U) between the luminance signal (Y) and a blue component, and a difference (V) , An energy efficient selective compression for the wireless multimedia sensor network registered in the dynamic macroblock list when the absolute value of the difference between the luminance signal Y of the previous frame and the luminance signal Y of the current frame is larger than the set value, technique.
상기 동적 매크로 블록 영역의 집합(Set)은 JPEG(Joint Photographic coding Experts Group) 표준을 기반으로 압축을 수행하는 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 선택적 압축 기법.
6. The method of claim 5,
The set of dynamic macroblock areas is an energy efficient selective compression scheme for a wireless multimedia sensor network that performs compression based on the Joint Photographic Coding Experts Group (JPEG) standard.
상기 비교를 통해 해당 클러스터에 추가하는 경우는, 상기 현재 프레임의 클러스터 영역의 위치 및 크기가 확장할 수 있는 설정된 최대 범위 내에 속하는 경우인 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 선택적 압축 기법.
The method of claim 3,
Wherein the adding and adding to the cluster through the comparison includes a case where the location and size of the cluster region of the current frame fall within a set maximum range that can be expanded.
상기 클러스터 영역의 위치 및 크기가 이전 프레임의 클러스터 영역을 벗어날 경우, 클러스터 영역을 재정의하는 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 선택적 압축 기법.
8. The method of claim 7,
An energy efficient selective compression scheme for a wireless multimedia sensor network redefining a cluster region when the location and size of the cluster region deviate from the cluster region of the previous frame.
상기 압축은, JPEG(Joint Photographic coding Experts Group) 표준을 기반으로 한 압축인 무선 멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 선택적 압축 기법.The method of claim 3,
The compression is an energy efficient selective compression scheme for a wireless multimedia sensor network that is compression based on the Joint Photographic Coding Experts Group (JPEG) standard.
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|---|---|---|---|---|
| KR20190069789A (en) * | 2017-12-12 | 2019-06-20 | 인천대학교 산학협력단 | Method and apparatus for efficient sensor data compression and decompression for low rate wireless communication |
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