Monitoramento direcional

Um parâmetro crucial em nossa investigação é a relevância de monitoramento dos nós fontes em RSVSF. Esse parâmetro é diretamente relacionado com a forma que sen- sores visuais coletam informações (imagens ou vídeos) do ambiente monitorado. De uma

maneira diferente como ocorre com sensores escalares, redes de sensores visuais sem fio coletam informações de acordo com o tipo e posicionamento das câmeras. Nesse con- texto, podemos definir a área de cobertura visual dos nós fontes (visual coverage) como a área efetiva vista pelo nó, e esse conceito de cobertura está diretamente ligado à relevância de monitoramento visual dos sensores.

A cobertura visual é um conceito fundamental que diretamente interfere na qualidade final da aplicação. De fato, para a maior parte das RSVSF, quão bem a área monitorada está visualmente coberta pelos sensores é uma questão fundamental relacionada com a qualidade final obtida. Mas a relação entre cobertura e qualidade varia significantemente entre as aplicações, que definem quais áreas possuem maior relevância para serem cober- tas visualmente. Por exemplo, para uma aplicação de controle por sensoriamento, a falta de cobertura em uma área de 1m x 1m pode prejudicar consideravelmente a qualidade da aplicação, já que um evento pode não ser detectado na área não coberta. Entretanto, tal restrição pode não ser tão estrita para alguns tipos de aplicações que estejam mais pre- ocupadas com o monitoramento de grandes áreas, como em sistema de monitoramento climático.

Quando abordando o conceito de cobertura, queremos determinar quão bem uma área de interesse está sendo monitorada pela rede de sensores. Além disso, queremos saber se sensores redundantes podem ser utilizados para prolongar o tempo de vida da rede, mantendo um nível mínimo aceitável de cobertura para a aplicação, além da conectivi- dade entre os nós. Para atingir esse objetivo, um modelo de monitoramento tem que ser criado de acordo com a maneira que sensores visuais coletam informações de uma área de interesse.

Em redes de sensores escalares sem fio, a área de cobertura dos nós fontes pode ser aproximada para o raio de uma circunferência [Huang & Tseng 2003]. Dados escalares são capturados de acordo com o tipo dos sensores, sua precisão e sua área de cobertura. Para esse modelo de monitoramento, nós vizinhos irão provavelmente capturar dados si- milares, tornando a redundância de dados uma característica comum dessas redes. Além disso, a área de cobertura e o raio de comunicação sem fio possuem um escopo seme- lhante, associado à vizinhança dos nós. De forma diferente, sensores visuais capturam informações seguindo um modelo de monitoramento direcional, onde não há o conceito de vizinhança de monitoramento. Adicionalmente, aspectos ligados às características das câmeras, como a qualidade das lentes e recursos de zooming, podem influenciar na área efetiva de cobertura. Contudo, o custo e a necessidade de eficiência energética poderão limitar os recursos disponíveis nos sensores visuais, criando um requisito adicional para o planejamento e implantação das RSVSF.

O máximo volume visível por uma câmera (área de cobertura) é comumente definido como FoV (Field of View). O FoV é uma área visível emanando do sensor, em formato de setor de uma circunferência ou pirâmide arredondada na base [Soro & Heinzelman 2005], indicando uma direção de monitoramento (de acordo com o posicionamento da câmera acoplada ao sensor). Além disso, a resolução espacial da câmera é a razão entre o nú- mero total de pixels usado para representar uma imagem e seu tamanho, onde imagens mais detalhadas possuem maior resolução espacial [Erdem & Sclaroff 2004]. Continu- ando nas definições, a profundidade de campo, DoF (Depth of Field), é a distância entre o ponto mais perto e mais longe que pode ser eficazmente visto pela câmera [Erdem & Sclaroff 2004]. Devido a limitações na resolução e distorção entre lentes, câmeras em RSVSF possuem uma limitada profundidade de campo [Pescaru et al. 2009], e alvos muito distantes do centro ótico podem não ser vistos pelo sensor. Outro conceito relevante é o ângulo de visão, que é o máximo ângulo que um objeto da cena pode ser observado [Erdem & Sclaroff 2004]. No contexto das redes de sensores visuais sem fio, a definição desses conceitos é importante para a percepção de que cada câmera possui uma direção de monitoramento particular, possivelmente com características peculiares quanto à captura e processamento dos dados visuais, levando-nos à idéia de que cada sensor terá, provavel- mente, uma cobertura única sobre o ambiente monitorado [Soro & Heinzelman 2005].

A Figura 2.3(a) apresenta uma representação gráfica em 2D da área de cobertura de um sensor visual. O ângulo de visão é "2α" e "r" é a profundidade de campo. A Figura 2.3(b) apresenta uma configuração onde sete sensores são utilizados para cobrir oito alvos. A alteração da orientação das câmeras também altera a área de cobertura, como demons- trado na Figura 2.3(c). Naquela figura, os mesmos oito alvos são cobertos por apenas quatro sensores (porém sobre perspectivas diferentes). Note que na Figura 2.3(c), apenas a orientação da câmera acoplada nos sensores foi alterada, sem mudança na posição dos sensores.

Quando sensores visuais são utilizados para a construção de redes de sensores sem fio, outros aspectos importantes devem ser considerados, pois quando a área de cobertura de dois sensores se intersecta (overlapping), o mesmo objeto ou cena pode ser visto por mais de um nó fonte, mesmo que sob diferentes perspectivas. Essa área sobreposta pode ser considerada para compressão de imagens ou mesmo em algoritmos de localização e posicionamento ótimo de sensores. Por outro lado, o efeito de oclusão ocorre quando a área de cobertura é bloqueada por obstáculos, que podem ser posicionados estaticamente ou estarem se movendo através do ambiente monitorado. Além disso, uma área proibida é uma região onde objetos estáticos ou móveis não podem ser posicionados (por exemplo, dentro de uma parede). Quando calculando a área de cobertura, essas regiões não devem

(a) (b) (c)

Figura 2.3: Modelo de monitoramento direcional. (a) Área de cobertura; (b) Sete senso- res cobrindo oito alvos; (c) Mudança da orientação da câmera para uma cobertura mais eficiente.

ser processadas, economizando tempo e recursos de processamento.

A área de cobertura em RSVSF pode também ser influenciada pelo tipo da câmera. Além das câmeras estáticas, câmeras ajustáveis do tipo PTZ (Pan-Tilt-Zoom) podem ser utilizadas. Essas câmeras podem rotacionar em torno do eixo vertical e horizontal e ajus- tar a distância focal (DoF) [Erdem & Sclaroff 2004]. Um efeito direto da utilização de câmeras PTZ é que a área de cobertura pode ser ajustada ao longo do tempo, podendo essa característica ser utilizada para cálculo da configuração ótima das áreas de cobertura. Contudo, câmeras PTZ são mais caras que câmeras fixas, além de poderem demandar mais recursos de energia.

Para redes de sensores visuais, o conceito de vizinhança é válido apenas para a co- municação, uma vez que o monitoramento é baseado no FoV das câmeras acopladas nos sensores visuais. De fato, dois sensores podem coletar informações visuais do mesmo objeto ou cena, mesmo estando muito distantes um do outro. Por outro lado, um objeto muito próximo pode estar fora da área de cobertura do sensor, o que não seria geralmente verdade para sensores escalares.

A Figura 2.4 apresenta um exemplo simples de uma rede de sensores visuais sem fio em três configurações diferentes. O círculo pontilhado em volta dos sensores representa o raio de comunicação, que é ominidirecional. Já a área de cobertura dos sensores visuais é representada como um setor de uma circunferência. Na Figura 2.4(a), todos os sensores estão ativos, resultando numa visualização redundante do alvo (caso a perspectiva não seja importante, como em detecção de intrusão, por exemplo). Energia pode ser poupada desligando nós redundantes, seguindo, por exemplo, a configuração apresentada na Figura 2.4(b). Mais uma vez, a noção de redundância depende da aplicação, respeitando sempre o fato de que cada nó fonte é altamente provável de ter uma visão única do ambiente monitorado. A desativação de nós redundantes pode produzir nós desconectados (offline)

ou subredes, como ocorre na 2.4(c). Tal configuração deve ser evitada se uma opção que preserve a conectividade seja possível.

(a) (b) (c)

Figura 2.4: Cobertura, conectividade e nós redundantes. (a) Configuração da rede após a implantação; (b) Um nó redundante é desligado; (c) Má seleção do nó redundante, gerando desconexão na rede.

A Figura 2.5(a) apresenta o conceito de área de cobertura em redes de sensores es- calares. N1 e N2 são nós vizinhos que estão monitorando o mesmo alvo. N3 não pode monitorar esse mesmo alvo, uma vez que ele está fora da sua área de cobertura. Na Figura 2.5(b) é apresentado o modelo de monitoramento válido para redes de sensores visuais. C1 e C2 são nós visuais que podem ver o mesmo objeto (sob diferentes perspectivas), em- bora eles estejam longe um do outro. Por outro lado, C3 não pode ver o alvo monitorado, apesar do fato desse nó ser o mais próximo fisicamente do alvo considerado. Na Figura 2.5(c) os conceitos de sobre-posicionamento e oclusão são graficamente representados, considerando uma simplificação da área de cobertura como um triângulo. Nessas três fi- guras foram adotados modelos 2D, que podem ser levemente diferentes do monitoramento em ambiente reais.

(a) (b) (c)

Figura 2.5: Área de cobertura em RSSF e RSVSF. (a) Monitoramento tradicional em RSSF; (b) Monitoramento direcional em RSVSF; (c) Sobre-posicionamento e oclusão.