佛羅里達(dá)州立大學(xué)和羅格斯大學(xué)的科研人員開發(fā)了一種基于Wi-Fi傳感的3D網(wǎng)格技術(shù)：Wi-Mesh，該方案宣稱可識(shí)別并創(chuàng)建可靠的3D人體網(wǎng)格，可輔助計(jì)算機(jī)視覺、AR/VR定位等應(yīng)用。

(資料圖片)

簡(jiǎn)單來講，Wi-Mesh通過分析多個(gè)Wi-Fi天線接收的反射信號(hào)，來獲取房間中人的3D信息，并生成立體網(wǎng)格。而Wi-Fi信號(hào)源是一種低成本室內(nèi)定位方法，缺點(diǎn)是精度不高，難以通過算法來提升性能。Wi-Fi信號(hào)還可以補(bǔ)充GPS定位，解決GPS在室內(nèi)沒有信號(hào)的問題。

據(jù)了解，該科研小組專注于尖端的Wi-Fi傳感研究，此前的研究（E-eyes、WiFinger系統(tǒng)）已經(jīng)可以通過Wi-Fi感知一系列人類活動(dòng)和物體，比如人體大幅度動(dòng)作，或是小幅度手勢(shì)變化，此外還能檢測(cè)睡眠活動(dòng)、識(shí)別日常物體。

在Wi-Mesh研究中，科研人員的重點(diǎn)是，測(cè)試常見的Wi-Fi通信方案，以評(píng)估其3D網(wǎng)格生成能力（比如能否準(zhǔn)確捕捉不同人的身高、體重、體型、身體比例、身體變形等等）。此外，訓(xùn)練一種Wi-Fi傳感模型，將日?；顒?dòng)、手勢(shì)進(jìn)行分類，并與預(yù)設(shè)動(dòng)作匹配。

實(shí)際上早期的研究表明，商用Wi-Fi能夠?qū)Ψ诸愐恍╊A(yù)定義的人體動(dòng)作，并檢測(cè)細(xì)微的活動(dòng)，比如生命體征（用Wi-Fi檢測(cè)睡眠、跌倒等）。不過，這些系統(tǒng)無法生成復(fù)雜、精細(xì)的3D網(wǎng)格，因?yàn)?D人體網(wǎng)格通常具有數(shù)千個(gè)頂點(diǎn)，遠(yuǎn)多于比3D姿態(tài)捕捉時(shí)識(shí)別的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。此外，還需要高質(zhì)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)、更深入的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且對(duì)使用環(huán)境等多種因素很敏感，難以在不同的場(chǎng)景中通用。

Wi-Mesh誕生

然而在最新的研究中，科研人員驗(yàn)證了Wi-Fi信號(hào)在構(gòu)建3D人體網(wǎng)格上的能力，而這在之前是難以實(shí)現(xiàn)的。和上面描述的方案相比，Wi-Mesh最大的區(qū)別是利用了多天線Wi-Fi設(shè)備，從Wi-Fi信號(hào)到達(dá)人體反射回的數(shù)據(jù)，來分析、推導(dǎo)出人體形狀，更準(zhǔn)確的定位3D目標(biāo)。商用Wi-Fi技術(shù)的進(jìn)步讓W(xué)i-Mesh成為可能，通常新一代Wi-Fi 6/7接收器配備了8到16根天線，可以很好的捕捉到達(dá)人體3D表面后反射回的信號(hào)，并通過信號(hào)入射角、AoA信息將人體形狀和動(dòng)作可視化。

科研人員指出，Wi-Mesh通過反射回的Wi-Fi信號(hào)計(jì)算二維到達(dá)角（2D AoA），并推算出物理環(huán)境的3D結(jié)構(gòu)、人體、靜態(tài)物體的3D可視化模型，然后從中提取人體2D AoA圖像（類似于相機(jī)捕捉的灰階圖像），再利用深度模型，將2D圖像轉(zhuǎn)化成3D網(wǎng)格 ，用來實(shí)現(xiàn)各種人機(jī)交互。簡(jiǎn)單來講，這種方式可以讓W(xué)i-Fi很好的感知周圍環(huán)境，就像是為其賦予“視覺”。

這里的AoA定位，指的是通過硬件設(shè)備感知其他設(shè)備發(fā)送的信號(hào)的到達(dá)角度，通過計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)、發(fā)送節(jié)點(diǎn)的相對(duì)方向，來推算位置。通常來講，該定位方式主要依賴多天線陣列。藍(lán)牙5.1標(biāo)準(zhǔn)就引入了AoA特性，可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度的定位。

優(yōu)勢(shì)和局限

經(jīng)過驗(yàn)證，商用Wi-Fi具有3D傳感和建模的能力，因此未來Wi-Fi不僅可以通信，還可以將周圍的人、物體可視化，帶來全新的傳感方式。

經(jīng)過一系列室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，科研人員發(fā)現(xiàn)，Wi-Mesh的平均頂點(diǎn)位置誤差為2.81厘米，關(guān)節(jié)位置的識(shí)別誤差為2.4厘米，效果與專用的3D傳感硬件相當(dāng)（比如常見的兩種RF定位系統(tǒng)，F(xiàn)MCW雷達(dá)、毫米波雷達(dá)方案）。值得注意的是，Wi-Mesh無需額外的硬件，使用已有的Wi-Fi設(shè)備即可，因此成本上具有優(yōu)勢(shì)。另外，Wi-Mesh在各種不同場(chǎng)景的適應(yīng)性足夠好，對(duì)于未接觸過的人也可以識(shí)別和3D建模，運(yùn)行結(jié)果穩(wěn)定且有效。

與基于相機(jī)和視覺算法的3D捕捉方案相比，Wi-Mesh的優(yōu)勢(shì)是：基于RF射頻，可穿透墻壁和障礙物，即使有視覺遮擋，或是在光線不足的環(huán)境中，也能定位。此外，即使是深色、寬松的衣服，Wi-Mesh也可以識(shí)別。

而與傳統(tǒng)的動(dòng)捕方案相比，Wi-Mesh無需額外的穿戴式傳感器，或是標(biāo)記，因此用起來更自然、更容易。它也可以用于現(xiàn)有的Wi-Fi通信系統(tǒng)，成本足夠低，適合廣泛應(yīng)用。

不過它仍有一些局限性，比如只能為空間中的一個(gè)人3D建模，不適合火車站、購(gòu)物中心等擁擠的空間。傳感距離大約幾米，并沒能充分利用Wi-Fi的全部通信范圍，這是因?yàn)閃i-Mesh依賴于信號(hào)反射，效率比視覺方案要低。所以，可能需要更強(qiáng)大的定向天線，或是覆蓋多個(gè)Wi-Fi設(shè)備來解決。此外，計(jì)算成本也需要進(jìn)一步降低。

未來應(yīng)用

Wi-Mesh具有在房間中捕捉3D人體數(shù)據(jù)，并生成網(wǎng)格的能力，而這種能力可用于多種潛在場(chǎng)景，比如：AR/VR內(nèi)容開發(fā)、虛擬試穿、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、動(dòng)畫/動(dòng)捕、服裝人體重建和渲染等等。實(shí)際上，如果將它用在線下大空間場(chǎng)景，也許可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的多人AR游戲體驗(yàn)。

科研人員表示：我們正在研究一種家用的智能監(jiān)控/安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Wi-Fi信號(hào)進(jìn)行3D定位，可用于人體重識(shí)別（Re-ID）等場(chǎng)景，比如通過檢測(cè)身高、體重、身體比例、步態(tài)等信息，進(jìn)行身份識(shí)別。與攝像頭監(jiān)控相比，Wi-Fi定位監(jiān)控更通用，即使目標(biāo)改變外觀和姿態(tài)，也可以識(shí)別身份，此外也可以彌補(bǔ)視覺方案受遮擋的限制。參考：acm

關(guān)鍵詞：