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WMSN: Wireless Multimedia Sensor Networks, la nuova frontiera

La recente disponibilità di fotocamere cmos e microfoni a prezzi contenuti, in grado di catturare contenuti multimediali dall’ambiente circostante, ha favorito lo sviluppo di Wireless Multimedia Sensor Networks.
Queste reti consistono in dispositivi interconnessi che consentono l’acquisizione di stream audio e video, immagini statiche, e dati. Grazie alla costante miniaturizzazione dell’hardware, è possibile montare a bordo di un singolo nodo sia moduli di cattura audio che video.
Oltre a raccogliere tali dati, le WMSN sono in grado di memorizzare, elaborare in realtime, correlare e fondere dati multimediali provenienti da fonti differenti.
Questo nuovo tipo di reti, oltre a migliorare le reti già esistenti su campi di tracciamento, automazione negli edifici e gestione dell’ambiente, rendono possibile alcune nuove applicazioni, quali:


  • Multimedia Sensor Networks per la sorveglianza: Queste reti sono composte da videocamere in miniatura alimentate a batteria, ognuna interconnessa con le altre.
    Infatti, ogni nodo è dotato di trasmettitore wireless a basso consumo capace di elaborare, trasmettere e ricevere dati. I sensori audio/video vengono utilizzati per migliorare e fare da spalla a sistemi esistenti di sorveglianza contro il crimine e gli attacchi terroristici. Reti a larga scala di questo tipo possono incrementare la capacità delle forze di polizia di monitorare aree, eventi pubblici, proprietà private e confini.


    In particolare, le WMSN portano tre vantaggi nei sistemi per la sorveglianza:

  1. Aumento del campo visivo: In generale, il campo visivo di una telecamera risulta limitato, come il campo messo a fuoco durante uno zoom. Invece, un sistema distribuito di numerose videocamere e sensori consente una percezione dell’ambiente da punti di vista multipli e sparsi, evitando   l’occlusione di alcune zone visive e garantendo una visione uniforme della totalità dell’ambiente.
  2. Miglioramento della qualità visiva: La ridondanza introdotta da sensori multipli, eterogenei e sovrapposti forniscono una comprensione migliore di quanto sta accadendo all’interno dell’ambiente. Infatti è possibile vedere lo stesso soggetto da punti di vista differenti e unendo i dati riportati dai sensori audio, video ed infrarossi riuscire a discernere cosa sta accadendo anche in situazioni abbastanza caotiche.
  3. Multi-Risoluzione: La possibilità di acquisire differenti stream di dati (a diversa risoluzione) dallo stesso punto di vista fornisce una descrizione a risoluzioni multiple della scena, e numerosi livelli di astrazione. Per esempio, i dati forniti da un sensore statico a media risoluzione possono essere migliorati da una camera mobile con zoom che fornisce una vista ad alta risoluzione di eventuali regioni di interesse (ROI). Un possibile utilizzo di questa tecnica è il riconoscimento di persone in base ai loro lineamenti.
  • Rilevazione e memorizzazione di eventi: Le reti di sensori multimediali possono individuare e tenere traccia, tramite registrazioni, di attività rilevanti quali furti, incidenti, violazioni al codice della strada.
  • Controllo del traffico: Diventa possibile con le WMSN monitorare il numero e la posizione degli autoveicoli e garantire servizi di consiglio agli automobilisti per evitare la congestione del traffico. Inoltre, è possibile sviluppare dei sistemi di parcheggio intelligenti, che monitora i parcheggi disponibili e fornisce consigli su dove trovarli e quali siano i migliori rispetto alla nostra destinazione, migliorando così la mobilità urbana in modo considerevole. Ovviamente queste reti di sensori possono anche rilevare la velocità e il numero di veicoli, in modo da identificare  eventuali violazioni e trasmetterne video alle forze di polizia.
  • Servizi avanzati per la salute: Network wireless di telemedicina possono essere integrate a reti multimediali 3G per fornire servizi di assistenza alla salute. I pazienti indosseranno sensori per la rivelazione di temperatura corporea, pressione sanguigna, pulsazioni, attività respiratoria. Inoltre diventa possibile il monitoraggio remoto di pazienti attraverso sensori audio/video, di movimento e attività, incorporati all’interno di bracciali.
  • Assistenza agli anziani: Le reti di sensori possono svolgere la funzione di monitoraggio e studio del comportamento degli anziani al fine di identificare le cause di malattie quali la demenza. Tali sensori, in casi d’emergenza, si connettono  immediatamente con   centri ‘assistenza remota e avvisano i parenti dell’interessato.
  • Monitoraggio d’ambienti: Molti progetti di controllo di habitat naturali usano dati audio/video per problematiche in cui il tempo rappresenta un elemento critico del  sistema. Ad esempio, in oceanografia, insiemi di sensori video vengono utilizzati per determinare lo stato dei litorali con il passare del tempo.
  • Riconoscimento di persone: I contenuti multimediali forniti da questo tipo di reti,  insieme a tecniche avanzate di processamento del segnale, risultano utili per l’identificazione di persone scomparse o criminali e terroristi.
  • Controllo di processo: I dati forniti dalle reti multimediali, quali immagini, temperatura, pressione possono essere utilizzati in processi di controllo industriale  in cui il tempo è critico. La Machine Vision, applicazione delle tecniche di Computer Vision all’industria manifatturiera, utilizza le informazioni estratte dalle reti di sensori per supportare processi di produzione quali fabbricazione di microchip, automobili, cibo, prodotti farmaceutici. Un esempio di possibile applicazione è l’individuazione nei semilavorati e prodotti finiti di eventuali difetti. Inoltre, dotare i bracci robotici di un sistema di visione porta a una migliore identificazione di errori nel posizionamento di parti e alla loro correzione in tempo reale.

    Le WMSN nascono dalla convergenza di discipline dedicate a comunicazione, elaborazione dei segnali, teoria dei controlli e dei dispositivi embedded. Ciò porta queste strutture ad essere influenzate da un certo numero di fattori, quali:

  • Requisiti di qualità specifici dell’applicazione: La grande varietà di applicazioni basate su WMSN porta con se anche un grande numero di requisiti specifici. In  aggiunta alle modalità tipiche di trasmissione dati, le WMSN devono consentire sia lo streaming dei contenuti multimediali sia l’invio di snapshot. Questi ultimi portano i dispositivi a dover essere sensibili ad eventi e ad avere una reazione in tempi limitati, mentre lo streaming si articola su tempi più lunghi ma abbisogna di una trasmissione dati continua ed affidabile. Tutto ciò porta alla necessità di hardware di supporto adeguati, che supportino algoritmi ad alto livello per garantire la qualità del servizio e soddisfare i requisiti dell’applicazione specifica.
    Questi vincoli sulla qualità vanno ad avere un impatto notevole sulla rete, e possono essere espressi come vincoli sulle caratteristiche di energia consumata, ritardi minimi, affidabilità, distorsione e tempo di vita della rete.
  • Larghezza di banda: I contenuti multimediali, quali i video, richiedono delle  larghezze di banda che sono molto più ampie di quelle supportate dai sensori disponibili al momento. Di conseguenza esiste la necessità dello sviluppo di tecniche di trasmissione ad alto bit-rate che comportino un consumo energetico ridotto. Una tecnica che sembra avere possibili applicazioni in ambito WMSN è la UWB (Ultra Wide Band).
  • Tecniche di compressione: Gli stream video non compressi richiedono decisamente una larghezza di banda eccessiva per architetture wireless a multihop. Ad esempio, un singolo frame monocromatico a risoluzione 176×120, occupa circa 21 Kbyte, ed un video a 30 frame al secondo richiederebbe una larghezza di banda di oltre 5 Mbit al secondo. È evidente la necessità di tecniche di elaborazione del segnale efficienti, che riducano il numero di dati da trasmettere. Gli algoritmi tradizionali utilizzati nelle codifiche video si basano sull’idea di ridurre il bit-rate generato dall’encoder stimando la statistica della sorgente dati. Per conseguire ciò utilizzano tecniche di compressione intraframe, che riducono la ridondanza informativa all’interno dello stesso frame, mentre analizzano la compressione tra un frame ed un altro sfruttando la ridondanza tra frame in sequenza per ridurre i dati da memorizzare/trasmettere mantenendo comunque una buona performance. Il lato negativo di questo tipo di codifica è chiaramente la necessità di algoritmi complessi ad alto consumo energetico, chiaramente poco adatti ad un contesto di sensori wireless. Recentemente è stato elaborata una variante di questi algoritmi, dove il peso computazionale viene spostato sul decoder, consentendo di avere encoder semplici e quindi più leggeri sia dal punto della dimensione dell’hardware sia da quello dell’energia consumata.
  • Elaborazione diretta dei dati: Le WMSN consentono l’esecuzione di algoritmi sui dati ottenuti dall’ambiente. Ciò richiede che l’architettura di rete si adatti includendo strutture progettate per l’elaborazione collaborativa, distribuita considerando i vincoli sulle risorse. Grazie a tale organizzazione è possibile estrarre solo le informazioni rilevanti, incrementando la scalabilità del sistema data la riduzione della trasmissione di informazioni ridondanti. Un esempio può essere l’unione di dati derivati da differenti punti di vista con differenti risoluzioni, insieme con la riduzione della trasmissione delle informazioni non rilevanti oppure a filtraggi che dilatino la durata dell’immagine nel tempo. Si rende quindi necessario sviluppare architetture che siano indipendenti dalle applicazioni, in modo da rendere flessibile l’elaborazione dei contenuti.
  • Consumo Energetico: La problematica energetica nelle WMSN si rende ancora più critica rispetto alle reti di sensori classiche. Infatti, pur essendo sempre su piattaforme con fonti di energia limitate, le applicazioni multimediali producono una quantità di dati molto elevata che richiede elaborazioni e larghe bande di trasmissione. Si sa che il consumo delle reti di sensori è generalmente dominato alla trasmissione. Nel caso delle WMSN questo non si rivela sempre corretto, quindi bisogna studiare protocolli, algoritmi ed architetture in modo da bilanciare il consumo energetico con il livello di qualità richiesto dall’applicazione.
  • Flessibilità delle architetture: Necessaria per poter supportare applicazioni differenti nello stesso tempo.
  • Piazzamento dei nodi: Alcuni sensori dispongono di una sensibilità elevata in corrispondenza di alcune direzioni (sensori direttivi) mentre altri possono raccogliere dati solo se l’evento registrato è direttamente nella linea di vista del sensore. Quindi i modelli di distribuzione dei sensori utilizzati per le WSN non risultano sufficienti per pianificare la disposizione dei dispositivi in una WMSN.
  • Integrazione con l’architettura Internet: Per scopi commerciali risulta fondamentale garantire un servizio d’interrogazione remota che consenta di ottenere informazioni dalla rete di sensori senza dover essere dove è localizzata l’architettura. L’integrazione di IP nelle WMSN diventa quindi un passo forzato nell’evoluzione di tali reti.
  • Integrazione con altre tecnologie wireless: Reti di sensori a larga scala possono essere costituite collegando nuclei indipendenti di sensori tramite altre tecnologie wireless. Ovviamente non bisogna sacrificare l’efficienza delle operazioni eseguite all’interno di ogni singola tecnologia.

Considerando il problema dell’architettura di rete delle WMSN, ci si imbatte spesso in strutture piatte ed omogenee nelle quali ogni sensore possiede le stesse caratteristiche e può comunicare solo con i nodi vicini. Questo atteggiamento è dovuto soprattutto alle esigenze di scalabilità della rete e del conseguente studio di un’architettura insensibile alla dimensione della rete. Questa topologia non sempre è adatta alla gestione del traffico generato da applicazioni multimediali. Si ha quindi l’esigenza di stabilire un’architettura di riferimento per le WMSN. WMSN - Wireless Multimedia Sensor Networks cosa sonoCome si vede, sono presenti tre reti di sensori con caratteristiche variabili, e dislocate in luoghi differenti.
Il primo tipo
: viene chiamato Single Tier Flat, al suo interno sono contenuti sensori video.
Un sottoinsieme dei sensori, denominati hub, dispone di capacità di elaborazione superiori rispetto agli altri sensori. L’unione degli hub costituisce un’architettura di elaborazione distribuita. Tutti i contenuti multimediali vengono poi trasmessi con politica multihop ad un gateway wireless, direttamente connesso ad un elemento dedicato alla memorizzazione dei dati per utilizzi futuri. È possibile costruire architetture più complesse, che utilizzino una memorizzazione locale, che porta ad un notevole risparmio energetico, dato che non sussiste più la necessità di trasmettere tutti i dati continuamente al gateway remoto.
Quest’ultimo è connesso ad un nodo centrale che rappresenta l’interfaccia verso l’applicativo software che esegue le query sulla rete.
Il secondo tipo
: rappresenta una struttura di tipo Single Tier Clustered, ed è costituita da sensori di tipo differente che inviano i dati a un nodo che funge da capo-cluster, il quale ha il compito di effettuare le elaborazioni sui dati multimediali in maniera intensiva. Questo nodo è anche collegato al wireless gateway e al nucleo di memorizzazione, verso i quali deve inviare i dati elaborati.
Il terzo tipo
: rappresenta una rete di tipo Multi Tier, costituita da sensori di tipo diverso raggruppati in più livelli di rete, ognuno dei quali rappresenta un sottoinsieme delle funzionalità della rete. Sensori a basso consumo e risorse limitate svolgono compiti semplici, quali la misura di grandezze scalari, mentre sensori ad alto consumo sono responsabili di compiti più complessi. L’elaborazione dei dati e la memorizzazione possono essere distribuite attraverso i vari livelli di rete.
Un approccio possibile per progettare un’applicazione per sensori multimediali consiste nel distribuire sensori in maniera omogenea e programmarli in modo da far eseguire tutte le operazioni possibili per ognuno. Questo porta alla creazione di una rete flat di tipo Single Tier composta da sensori omogenei.
Un approccio alternativo, orientato alla tipologia Multi-Tier, consiste nell’utilizzo di sensori eterogenei. In questo caso, i sensori a basso consumo vengono deputati alla realizzazione di compiti semplici, quali la rilevazione di grandezze scalari, mentre sensori con disponibilità elevata di risorse energetiche e computazionali vengono dedicati a compiti più complessi.
Ad esempio, un’applicazione di videosorveglianza può appoggiarsi a video camere a bassa risoluzione e sensori audio scalari per effettuare rilevazioni di movimento ed intrusione, per poi attivare delle camere ad alta risoluzione al fine di effettuare il tracciamento e riconoscimento dell’evento rilevato a basso livello. L’architettura si basa quindi su un sistema Multi Tier separato dal livello di funzionalità dei dispositivi. Un tier è infatti costituito da sensori video a bassa risoluzione, mentre l’altro da videocamere con funzioni di zoom e movimento. Un architettura del genere offre molteplici vantaggi rispetto ad una di tipo Single Tier, soprattutto per scalabilità, costi inferiori, copertura superiore, funzionalità migliorate e una maggiore affidabilità.
Considerando il problema di copertura dell’ambiente da controllare, le reti di sensori tradizionali raccolgono informazioni all’interno di un’area ben definita, generalmente una circonferenza intorno al sensore, e definita dallo specifico modello.
Nelle WMSN i sensori generalmente dispongono di una sensibilità maggiore e possono essere anche direzionali. In particolare, le videocamere possono raccogliere dati da regioni che non devono necessariamente essere vicine al sensore, ma non possono raccogliere dati se non sono direttamente in vista dell’evento che andrebbe registrato. Inoltre, ogni sensore percepisce l’ambiente e l’eventuale oggetto da inquadrare da un punto di vista particolare, rendendo l’orientamento e la posizione della videocamera relativi rispetto al soggetto. Per questo bisogna rimpiazzare il concetto di ”zona di sensibilità” con il FOV (Massimo volume visibile dalla camera), e rivedere gli algoritmi di piazzamento dei sensori per mantenere la copertura totale dell’area da sorvegliare.

Coautore Giovanni Greco


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Anonimo
   
con le dita sempre in costante, frenetico movimento sulla tastiera… vengo spesso trascinato e catturato “in rete” per colpa delle mille idee che mi girano per la testa (prima o poi troverò quella giusta)… dal futuro incerto (nonostante una laurea, e chi non lo è?..siamo in tanti!) .. credo fortemente nella condivisione della conoscenza!
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