カメラセンサネットワーク
反応拡散モデルにもとづく
自律分散的なカメラセンサネットワーク
制御機構の提案と評価• カメラ付き無線ノードを配置し，ネットワークを構成• 応用例– リアルタイム遠隔監視，ホームセキュリティ，対象追跡（見守り，不審者監視，生態調査）
無線通信

監視エリアの撮影

兵頭克也，若宮直紀，村田正幸
大阪大学 大学院情報科学研究科
先進ネットワークアーキテクチャ講座

有線インフラ
見守り対象

見守りセンター

街の見守りシステム
2007/10/18

NS研究会

1

問題点と解決法

制御に対する要求

符号化レートの分布
中高－高画質・大容量の映像データ制御に対する要求を満たしつつ，問題を解決するために，－限られた通信容量自律分散的なパターン形成モデルである反応拡散モデル
解決法
をパターン形成に使用• 通信容量と動画像データの重要度に応じて符号化レートを調整し，総データ量を抑制

NS研究会

制御に対する要求

符号化レートの分布

大量のノード，ランダムなノード配置，ネットワークトポロジの変化

高中低高• 拡張性，適応性，ロバスト性→ 自律分散制御
2007/10/18

2• 輻輳によって遅延・データ損失が発生

解決法• 通信容量と動画像データの重要度に応じて符号化レートを調整し，総データ量を抑制

高NS研究会

問題点と解決法問題点• 輻輳によって遅延・データ損失が発生－高画質・大容量の映像データ－限られた通信容量

低2007/10/18

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大量のノード，ランダムなノード配置，ネットワークトポロジの変化• 拡張性，適応性，ロバスト性→ 自律分散制御
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NS研究会

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反応拡散モデル

反応拡散モデルによるパターン形成• 生物の体表におけるパターン形成の数学モデル• 創発的なパターン形成• 二つの仮想的な因子 : 活性因子，抑制因子– 隣接細胞間での局所的な情報交換– 体表全体に広がる大局的なパターン• 因子の振る舞い :– 反応拡散方程式により表現• 反応 :
因子同士が互いに細胞影響を与え合う• 拡散 :
細胞間を因子が移動 活性因子

• 生来的に拡張性，適応性，ロバスト性を有する

抑制因子

シマウマ
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タテジマキンチャクダイ
NS研究会∂u= F (u , v) + Du ∇ 2u + E∂t∂v= G (u , v) + Dv ∇ 2 v
∂t

拡散反応

• 因子の濃度によって，それぞれの細胞の色が決定

ヒョウ
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NS研究会

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1

センサネットワークへの適用
生物システム

符号化レート制御のためのパターン形成
活性因子濃度ノード

センサネットワーク

撮影領域

抑制因子濃度センサノード拡散細胞

拡散活性因子 : 1抑制因子 : 2活性因子
反応

抑制因子

活性因子の濃度を高める働き

反応• 移動方向へ広がるスポットパターンを形成（刺激配置）
細胞

センサノード活性因子，抑制因子

変数– 対象物の移動に備えて，対象物の移動方向にある隣接ノードの符号化レートを高めに設定しておくため

拡散（無線）通信

反応

ノードの演算連続系の反応拡散方程式

離散系の反応拡散方程式

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NS研究会• パターンの衝突を検知して，パターンを縮小（刺激調整）– 動画像データ量の合計がそのエリアの通信容量を超えないようにするため
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NS研究会

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符号化レート制御のためのパターン形成符号化レート制御のためのパターン形成

ノード

ノード

撮影領域

撮影領域

抑制因子のピーク

活性因子の濃度を高める働き• 移動方向へ広がるスポットパターンを形成（刺激配置）– 対象物の移動に備えて，対象物の移動方向にある隣接ノードの符号化レートを高めに設定しておくため– 動画像データ量の合計がそのエリアの通信容量を超えないようにするため
NS研究会• 移動方向へ広がるスポットパターンを形成（刺激配置）– 対象物の移動に備えて，対象物の移動方向にある隣接ノードの符号化レートを高めに設定しておくため• パターンの衝突を検知して，パターンを縮小（刺激調整）

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活性因子の濃度を高める働き• パターンの衝突を検知して，パターンを縮小（刺激調整）– 動画像データ量の合計がそのエリアの通信容量を超えないようにするため

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基本動作

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NS研究会

刺激配置

• 一定間隔ごとに，制御を行う– 各ノードは非同期に動作• 刺激を対象物の前方に減衰させながら配置– 刺激 には，刺激量E，減衰係数A，拡散方向が含まれる

刺激

対象物の速度刺激NS研究会

刺激刺激

対象物の移動方向
刺激E’=E×A （0≦A＜1）を計算

制御タイミングでのノードの動き
1. 対象物の速度に合わせて刺激を設定（刺激配置）
2. 周囲に存在する対象物に応じて刺激を調節（刺激調整）
3. 反応拡散方程式を計算
4. 因子濃度，刺激情報をまとめてブロードキャスト
5. 符号化レートを変更 ex） 活性因子濃度=符号化レート
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10（E ： 刺激量，A ： 減衰係数）

効果
対象物の移動方向に広がる符号化レートの分布が形成できる
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刺激調整

シミュレーション• パターンの衝突を検出し，刺激量を調整• シミュレーション設定– 1 km×1 km のエリア
– 10×10ノードu– 符号化レート =v Kbps

活性因子濃度刺激

刺激抑制因子濃度

NIP

NIP

制御タイミングにおいて，
NIP受信 ： E’ = E ×α
NIP未受信 ： E’ = E ＋Δeu ： 活性因子濃度， v ： 抑制因子濃度– 制御間隔 ： 2 秒– 局所的な無線通信容量：2000 Kbps

他のノードよりも抑制因子濃度が高い• 評価のポイント（NIP=パターン衝突を表すフラグ）

α，Δe：定数

E：刺激量，NIP– 刺激配置 ： 対象物の速度や位置に応じたパターンが得られるか？
– 刺激調整 ： 局所エリア内の総符号化レートが通信容量以下に抑えられているか？

効果
近接する対象物が存在する場合に，そのエリアの局所的な通信容量を超えるような動画像トラヒックの発生を防ぐ
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NS研究会

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シミュレーション結果（刺激配置）

シミュレーション結果（刺激調整）• 刺激配置機構の評価• 刺激調整機構の評価

1200

A=0.0
A=0.2
A=0.4
A=0.6
A=0.8

400

1000

2000
1500

20003000
局所符号化

600

800

– 複数のランダムに動く対象物が存在する場合のシミュレーション

2500

総符号化

符号化

1000

1234567809x2000
1500

500
0

局所的な無線通信容量

2500

00.20.4
減衰係数 A0.6

10000.8500005101520

対象物数

減衰係数A=0.0
速度（km/h）V=0A=0.20<V≦2

A=0.42<V≦4

A=0.64<V≦6

総符号化レートを一定に保ちながら，対象物の速度（減衰係数A）に応じて，前方に広がるパターンを形成している
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NS研究会

対象物数と局所符号化レートの関係

A=0.86<V15

隣接した5つのノードの符号化レートの合計値

局所的な通信容量を超えない符号化レート制御が可能
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まとめ・今後の課題• カメラセンサネットワーク制御機構を提案– 自律分散的なパターン形成に基づく符号化レート制御– 対象物を捉えるカメラとその周辺の符号化レートのみが上昇– 通信容量を超えないような符号化レートの割り当てを実現

ご清聴ありがとうございました• 今後の課題– 拡張性，適応性，ロバスト性，オーバーヘッドの評価– 移動速度が速い対象物への対応– 不規則なノード配置への対応– 実機での実装実験

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NS研究会

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