本發(fā)明涉及無線感知領(lǐng)域，更具體地，涉及在體感游戲中識別運(yùn)動方向的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

體感游戲不僅給人們帶來歡樂，還讓人們能夠積極參加運(yùn)動。研究表明，體感游戲能夠改善玩家的健康和社會關(guān)系。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)開發(fā)了多種多樣的體感游戲交互技術(shù)。其中，大部分體感游戲是基于計算機(jī)視覺、專有傳感器或超聲波技術(shù)。盡管這些技術(shù)具有追蹤玩家運(yùn)動的高準(zhǔn)確性，他們收到了諸多限制，例如對光照條件敏感、需要視距路徑、需要佩戴設(shè)備、部署和設(shè)備價格高昂等。因此，需要更普適的受到環(huán)境約束更少的體感游戲交互技術(shù)，用于現(xiàn)代生活中日益碎片化的時間和空間中。例如，一個白領(lǐng)可能在辦公室中玩5分鐘的游戲以放松身心；一個家庭主婦可能在準(zhǔn)備晚餐的間歇玩一會游戲；一個小孩希望在家中的任何地方都能玩游戲。

對低成本、非接觸、全家庭的用戶交互技術(shù)的需求激發(fā)了對被動人體感知的研究，特別是基于普遍存在的wifi架構(gòu)。這類研究的主要思路是量化和提取人體活動對無線信號的干擾。理論上，獲取無線信號中和人體活動相關(guān)的信號幅度、纖維、頻率偏移等全部參數(shù)是可能的。已有工作通過獲取精確信號參數(shù)估計運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒頻偏、飛行時間，并進(jìn)而估計目標(biāo)運(yùn)動的速度和距離。然而，這些工作需要專業(yè)設(shè)備，因為商業(yè)無線設(shè)備由于缺少同步，受限頻帶和多徑效應(yīng)而產(chǎn)生隨機(jī)相位偏差，嚴(yán)重影響檢測結(jié)果。其他工作通過機(jī)器學(xué)習(xí)來利用商業(yè)無線設(shè)備獲得粗粒度的信號特征以識別目標(biāo)活動。然而，這些工作需要額外的訓(xùn)練，并且得到的特征難以解釋。這使得這些工作無法成為魯棒的全家庭用戶交互接口。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的在體感游戲中識別運(yùn)動方向的系統(tǒng)和方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種在體感游戲中識別運(yùn)動方向的系統(tǒng)，包括：

兩個wifi信號傳輸裝置，兩個所述wifi信號傳輸裝置共用一個wifi發(fā)送端且各包括一個wifi接收端，兩個所述wifi信號傳輸裝置構(gòu)成兩條相互垂直的通信鏈路，玩家位于兩條通信鏈路的垂直平分線的交點(diǎn)；以及

識別裝置，與兩條所述通信鏈路連接，基于兩條所述通信鏈路的多普勒頻偏的比值識別運(yùn)動方向。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種在體感游戲中識別運(yùn)動方向的方法，包括：

S1、構(gòu)建兩條相互垂直的通信鏈路，兩條所述通信鏈路共用一個wifi發(fā)送端且各包括一個wifi接收端，玩家位于兩條通信鏈路的垂直平分線的交點(diǎn)；以及

本申請?zhí)岢鲆环N基于wifi的在體感游戲中識別運(yùn)動方向的系統(tǒng)和方法，通過從wifi接收端提供的信道狀態(tài)信息中獲取因運(yùn)動引起的多普勒頻偏，識別目標(biāo)運(yùn)動方向，本發(fā)明在不基于學(xué)習(xí)的情況下獲得高識別精度，具有極高的應(yīng)用價值和推廣價值。

附圖說明

圖1為單通信鏈路的方向識別系統(tǒng)示意圖；

圖2為雙通信鏈路的方向識別系統(tǒng)示意圖；

圖3為采用多天線檢測多普勒頻偏的原理圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明中一個實(shí)施例的天線選擇方案示意圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明中一個實(shí)施例的濾波前的信道狀態(tài)信息的幅度和相位數(shù)據(jù)；

圖6為根據(jù)本發(fā)明中一個實(shí)施例的濾波前的信道狀態(tài)信息的幅度和相位數(shù)據(jù)；

圖7為根據(jù)本發(fā)明中一個實(shí)施例中包含多普勒頻偏的能量譜；

圖8為根據(jù)本發(fā)明中一個實(shí)施例中雙通信鏈路的能量譜示意圖；

圖9為根據(jù)本發(fā)明中一個實(shí)施例中運(yùn)動檢測的示意圖；

圖10為根據(jù)本發(fā)明中一個實(shí)施例中多普勒頻偏的示意圖；

圖11為根據(jù)本發(fā)明中一個實(shí)施例中方向識別的示意圖；

圖12為根據(jù)本發(fā)明中一個實(shí)施例中方向類別的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

圖1示出了單鏈路方向識別示意圖，圖中Tx表示wifi發(fā)送端，Rx表示wifi接收端，Target表示目標(biāo)用戶。在給定固定長度的反射路徑條件下，反射體位于以發(fā)射端和接收端為交點(diǎn)的定橢圓上，反射體的速度可以分解為切向速度和徑向速度，徑向速度(Radial Velocity)如圖1中投影所示。其中切向速度使得反射體沿橢圓運(yùn)動，徑向速度使得反射體離開橢圓。因此，只有徑向速度改變了反射路徑長度，進(jìn)而產(chǎn)生多普勒頻偏。

如果反射體沿多個方向以相同速度運(yùn)動，反射路徑將具有不同變化速率。因此，通過多普勒頻偏可以確定反射體的徑向運(yùn)動速率，進(jìn)而確定反射體的運(yùn)動方向。

然而，僅用一條鏈路是不能估計所有運(yùn)動方向的。因為，首先，反射體的運(yùn)動速度是關(guān)于法線對稱分布的。所以任意兩個關(guān)于法線對稱的方向無法被區(qū)分；第二，使用單一鏈路需要假設(shè)用戶每次以相同速度做動作，以保證多普勒頻偏一致，而這在實(shí)際場景下無法得到保證。

為了解決上述問題，本發(fā)明額外添加一條通信鏈路。圖2示出了具有兩條通信鏈路的方向識別系統(tǒng)，兩條所述通信鏈路互相垂直擺放。用戶站在兩條鏈路的垂直平分線的交點(diǎn)上，用戶的速度則可唯一投影在二維平面上。

在一個實(shí)施例中，為了移除位置相位偏差并獲取完整的多普勒頻偏信息。本發(fā)明利用了無線設(shè)備的多天線特性。因為同一塊無線網(wǎng)卡上(在本發(fā)明中為wifi接收端)的所有天線具有相同的隨機(jī)相位偏差，通過計算兩根天線CSI的共軛乘積可以消除此相位偏差。

在一個實(shí)施例中，記第i根天線的CSI為H⁽ⁱ⁾(f，t)，則有如下共軛乘積：

其中是第i根天線的靜止路徑信號總和，是第i根天線第k條路徑的衰減系數(shù)，是第i根天線第k條路徑的多普勒頻偏。

圖3示出了多天線檢測多普勒頻偏的原理圖。圖中static表示共軛乘積中的靜止項，target表示共軛乘積中的目標(biāo)項，cross-term表示共軛乘積中的交叉項，A₁表示第一根天線，A₂表示第二根天線，Rx表示具有第一根天線和第二根天線的wifi接收端，a表示兩個天線的距離，通過將兩根天線A₁和A₂近距離擺放(如2f≤λ)，兩根天線的CSI將包含相同的主要多徑(即)，而對應(yīng)的多徑具有不同的能量衰減和相似的多普勒頻偏。

上述共軛乘積的公式中的項可以分為三類：

(1)靜止項。靜止項是兩根天線靜止響應(yīng)(如視距路徑信號)的乘積。該項不包含多普勒頻偏，可以通過高通濾波移除。

(2)目標(biāo)項。目標(biāo)項是一根天線的靜止信號和另一根天線的包含目標(biāo)多普勒頻偏的信號的乘積。該項包含目標(biāo)多普勒頻偏和他們的相反數(shù)。一個能夠提取出目標(biāo)多普勒頻偏的充分條件是包含目標(biāo)多普勒頻偏的項具有更大的幅度。具體而言，對于第k條鏈路，應(yīng)有：

盡管無法從CSI中分離靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)以驗證上述條件，CSI中依然隱含信息用于選定共軛乘積的兩根天線。

(3)交叉項。交叉項是兩根天線動態(tài)響應(yīng)的乘積。該項包含多普勒頻偏的差，將與多普勒頻偏混淆。然而，由于視距路徑以及大量靜態(tài)反射物的存在，靜態(tài)響應(yīng)的能量遠(yuǎn)大于動態(tài)響應(yīng)的能量。因此，交叉項遠(yuǎn)小于目標(biāo)項。進(jìn)一步，本發(fā)明僅追蹤一名用戶的動作，由用戶不同身體部位產(chǎn)生的多普勒頻偏差別較小，因此這些交叉項也可通過高通濾波器濾除。

在一個實(shí)施例中，為了選取合適的天線對計算共軛乘積，本發(fā)明利用了如下觀察：

(1)具有較高幅度的信道狀態(tài)信息具有較大的靜態(tài)響應(yīng)。這是因為靜態(tài)響應(yīng)的幅度遠(yuǎn)大于動態(tài)響應(yīng)，因此，信道狀態(tài)信息的平均幅度在受到動態(tài)響應(yīng)干擾的情況下依然能作為靜態(tài)響應(yīng)的近似。

(2)具有較大方差的信道狀態(tài)信息具有較大的動態(tài)響應(yīng)。這是因為只有動態(tài)響應(yīng)會對信道狀態(tài)信息的方差有顯著影響。因此，信道狀態(tài)信息的標(biāo)準(zhǔn)差可用于指示動態(tài)響應(yīng)。

圖4展示了一個實(shí)施例中的天線選擇方案。圖中amplitude表示幅度，variance表示方差，從圖中可知，第2根天線具有最大的方差和較小的幅度，而第3根天線具有較大的幅度和較小的方差。通過分別計算三根天線的平均幅度和方差比值，選擇第3根和第2根天線的信道狀態(tài)信息計算共軛乘積。

由于原始CSI包含大量靜態(tài)項、低頻干擾和高頻噪聲，本發(fā)明采用了Butterworth帶通濾波器對共軛乘積進(jìn)行濾波。圖5和圖6分別顯示了在同一個實(shí)施例中，濾波前后的信道狀態(tài)信息的幅度和相位數(shù)據(jù)。特別的，噪聲和低頻干擾被濾除，在1和1.5秒處的多普勒頻偏被放大。

為了進(jìn)一步去噪和壓縮數(shù)據(jù)，本發(fā)明對信道狀態(tài)信息的共軛乘積進(jìn)行主成分分析并選取包含由目標(biāo)引起的主要能量變化的第一主成分。然后，本發(fā)明對第一主成分應(yīng)用短時傅里葉變化。具體而言，本發(fā)明采用了0.15秒長度的高斯窗口。圖7示出了包含多普勒頻偏的能量譜，圖中顏色越亮表示共軛乘積在相應(yīng)時刻和頻率下的能量越大。具體地，包括以下步驟：

對任意一組共軛乘積進(jìn)行主成分分析，選取第一個主成分，所述第一個主成分包含主要且一致的由目標(biāo)運(yùn)動引起的能量變化；

對所述第一個主成分進(jìn)行短時傅里葉變換，并添加零填充以獲得具有更細(xì)的頻率粒度的能量譜片段；以及

將所有能量譜片段拼接為能量譜。

其中，從能量譜中提取多普勒頻偏屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的技術(shù)方案，在此不再贅述。

在一個實(shí)施例中，用戶站在兩條通信鏈路中線的交點(diǎn)上，面向wifi發(fā)射端。用戶首先暫停1秒，然后向左后方邁腿并收回，持續(xù)2秒，然后保持靜止2秒，然后分別向前方、左前方、左前方邁腿，持續(xù)6秒，最后停止1秒。圖8展示了上述動作對應(yīng)的多普勒能量譜。其中l(wèi)ink1和link2分別表示兩條通信鏈路，當(dāng)用戶平行于某一條鏈路運(yùn)動時，該鏈路的徑向速度較小，對應(yīng)的頻率變化較小。相反的，當(dāng)用戶垂直于某一條鏈路運(yùn)動時，該鏈路的徑向速度較大，對應(yīng)的頻率變化較大。

在游戲中，用戶可能因長時間等待而保持靜止。在這期間，信號中不包含有效動作，需要被舍棄。

為了檢測這些靜止情況，本發(fā)明利用如下觀察：當(dāng)用戶靜止時，能量譜中沒有多普勒頻偏，而只包含噪聲。因此，能量分散在整個頻段中。相反的，當(dāng)用戶運(yùn)動時，能量集中在多普勒頻偏處。因此，本發(fā)明計算能量譜中每時刻信號在不同頻率的能量的方差，以識別用戶是否運(yùn)動，當(dāng)該方差大于一個經(jīng)驗得到的閾值時，則認(rèn)為用戶開始運(yùn)動。

圖9示出了該實(shí)施例的運(yùn)動檢測的示意圖。圖中raw表示原始方差值序列，smooth表示經(jīng)過平滑后的方差值序列，motion表示方差值超過閾值，系統(tǒng)判定用戶運(yùn)動的時間段。如圖可知，方差值可以有效的指示用戶是否運(yùn)動。

在游戲中，用戶可能頻繁做連續(xù)動作，因而需要正確分割這些動作對應(yīng)的多普勒頻偏。

本發(fā)明利用用戶動作特性對動作進(jìn)行分割。具體而言，對于每一個動作，用戶首先向某個方向邁腿再收腿。因此，用戶動作會在多普勒頻偏序列上產(chǎn)生一對峰和谷。

圖10示出了多普勒頻偏的示意圖，圖中signal表示提取出的多普勒頻偏，separator表示相鄰動作的分界點(diǎn)，對于每個動作，兩條垂直擺放的通信鏈路中至少有一條會具有顯著的多普勒頻偏值，在圖10中，通信鏈路2具有顯著的多普勒頻偏值。因此，本發(fā)明計算兩條鏈路多普勒頻偏的絕對值的和，并進(jìn)行峰值檢測。兩個相鄰的峰值被劃分為同一個動作。這樣就避免了把不同的動作當(dāng)作一個動作進(jìn)行分析，增強(qiáng)了動作方向識別的準(zhǔn)確性。

最后，本發(fā)明利用多普勒頻偏值對用戶動作進(jìn)行識別。在一個動作內(nèi)，多普勒頻偏也因用戶加速和減速運(yùn)動有顯著變化。受到噪聲影響，簡單估計每個時刻的運(yùn)動方向精度較低。因此，本發(fā)明利用了動作內(nèi)的所有多普勒頻偏數(shù)據(jù)，采用了兩步基于規(guī)則的分類方法。

第一步，本發(fā)明根據(jù)兩條通信鏈路上多普勒頻偏的累積值將目標(biāo)的運(yùn)動方向粗略的分為三大類：左后/右前、前/后/左/右、左前/右后。理想情況下，三類方向的取值為0°、45°和90°。

然而，受到噪聲和用戶位置變化的影響，即使用戶沿著平行于鏈路的方向運(yùn)動，該鏈路的信號依然具有非零多普勒頻偏，因而使得左后/右前的取值略大于0°，左前/右后的取值略小于45°。因此本發(fā)明采用30°和60°作為區(qū)分三類的閾值。

圖11示出了方向識別的示意圖，圖中展示了前述用戶所做的四個動作：左后、前、左前、左前。虛線表示不同類別方向的分界線，即30°和60°。柱狀圖落在由兩條分界線構(gòu)成的三個區(qū)域中的某一區(qū)域內(nèi)，則對應(yīng)于用戶的運(yùn)動方向為某一類別。

第二步，本發(fā)明進(jìn)一步根據(jù)正負(fù)多普勒頻偏的出現(xiàn)順序區(qū)分同一大類中的不同方向。具體而言，對于任意鏈路，若正多普勒頻偏比負(fù)多普勒頻偏早出現(xiàn)，則用戶向該鏈路邁腿。因此，利用用戶朝著或背離兩條正交鏈路邁腿的信息可以區(qū)分同一大類中的方向。基于上述兩步處理方法，本發(fā)明能夠確定用戶的全部八種動作。

圖12示出了本發(fā)明可識別的8個動作方向，分別為左前、左后、右前、右后、前、后、左以及右。

在一個實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種體感游戲中識別運(yùn)動方向的系統(tǒng)，包括：

兩個wifi信號傳輸裝置，兩個所述wifi信號傳輸裝置共用一個wifi發(fā)送端且各包括一個wifi接收端，兩個所述wifi信號傳輸裝置構(gòu)成兩條相互垂直的通信鏈路，玩家位于兩條通信鏈路的垂直平分線的交點(diǎn)；以及

識別裝置，與兩條所述通信鏈路連接，基于兩條所述通信鏈路的多普勒頻偏的比值識別運(yùn)動方向。

本申請?zhí)岢鲆环N基于wifi的在體感游戲中識別運(yùn)動方向的系統(tǒng)和方法，通過從wifi接收端提供的信道狀態(tài)信息中獲取因運(yùn)動引起的多普勒頻偏，識別目標(biāo)運(yùn)動方向，本發(fā)明在不基于學(xué)習(xí)的情況下獲得高識別精度，具有極高的應(yīng)用價值和推廣價值。

在一個實(shí)施例中，任意一個所述wifi接收端至少具有兩根接收所述發(fā)送端發(fā)送的信號的天線。

在一個實(shí)施例中，，所述識別裝置包括：

共軛乘積模塊，與兩個目標(biāo)天線連接，分別計算所述目標(biāo)天線的信道狀態(tài)信息的共軛乘積；

濾波模塊，與所述共軛乘積模塊連接，對所述目標(biāo)天線的信道狀態(tài)信息進(jìn)行帶通濾波，得到濾波后的信道狀態(tài)信息；

能量譜模塊，與所述濾波模塊連接，對所述共軛乘積進(jìn)行主成分分析并選取包含由玩家引起的主要能量變化的第一主成分，對所述第一主成分進(jìn)行短時傅里葉變化得到能量譜，從所述能量譜中提取多普勒頻偏；以及

方向識別模塊，與所述能量譜模塊連接，所述方向識別模塊用于識別運(yùn)動方向，基于所述多普勒頻偏的累積值將運(yùn)動方向分為三個類別方向，再根據(jù)兩條鏈路的正、負(fù)多普勒頻偏的出現(xiàn)順序區(qū)分目標(biāo)在某類別中的不同子方向。

在一個實(shí)施例中，所述識別裝置還包括：

篩選模塊，與所述天線連接，基于任意一根天線的信道狀態(tài)信息的平均幅度與方差的比值，選取每個所述wifi接收端中具有最大所述比值的兩根天線作為所述目標(biāo)天線。

在一個實(shí)施例中，所述識別裝置還包括：

動作識別模塊，設(shè)置在所述能量譜模塊和方向識別模塊之間，所述動作識別模塊計算兩條鏈路多普勒頻偏的絕對值的和，并進(jìn)行峰值檢測，兩個相鄰的峰值劃分為同一個動作，所述方向識別模塊對所述同一個動作進(jìn)行所述方向識別。

在一個實(shí)施例中，所述能量譜模塊包括：

主成分單元，與所述濾波模塊連接，對所述共軛乘積進(jìn)行主成分分析，選取第一個主成分，所述第一個主成分包含主要且一致的由目標(biāo)運(yùn)動引起的能量變化；

能量譜片段單元，與所述主成分單元連接，對所述第一個主成分進(jìn)行短時傅里葉變換，并添加零填充以獲得具有更細(xì)的頻率粒度的能量譜片段；以及

拼接單元，與所述能量譜片段單元連接，將所有能量譜片段拼接為能量譜。

在一個實(shí)施例中，所述方向識別模塊包括：

方向劃分單元，與所述能量譜模塊連接，基于所述多普勒頻偏的累積值將運(yùn)動方向分為三個類別，并以0°-30°、30°-60°以及60°-90°作為區(qū)分三個類別的閾值，其中第一類方向包括左后、右前子方向，第二類方向包括前、后、左以及右子方向，第三個類別方向包括左前、右后子方向；

角度計算單元，與所述方向劃分單元連接，基于兩條所述通信鏈路的多普勒頻偏的比值獲得正切角度，基于所述正切角度與所述閾值的關(guān)系判斷運(yùn)動方向的類別；以及

方向識別單元，與所述角度計算單元連接，對于任意鏈路，若正多普勒頻偏比負(fù)多普勒頻偏更早出現(xiàn)，則識別玩家向該鏈路運(yùn)動，以識別目標(biāo)的子方向。

本發(fā)明還提供一種在體感游戲中識別運(yùn)動方向的方法，包括：

S1、構(gòu)建兩條相互垂直的通信鏈路，兩條所述通信鏈路共用一個wifi發(fā)送端且各包括一個wifi接收端，玩家位于兩條通信鏈路的垂直平分線的交點(diǎn)；以及

S2、基于兩條所述通信鏈路的多普勒頻偏的比值識別運(yùn)動方向。

在一個實(shí)施例中，任意一個所述wifi接收端至少具有兩根接收所述發(fā)送端發(fā)送的信號的天線。

在一個實(shí)施例中，，所述步驟S2包括：

分別計算目標(biāo)天線的信道狀態(tài)信息的共軛乘積；

對所述目標(biāo)天線的信道狀態(tài)信息進(jìn)行帶通濾波，得到濾波后的信道狀態(tài)信息；

對所述共軛乘積進(jìn)行主成分分析并選取包含由玩家引起的主要能量變化的第一主成分，對所述第一主成分進(jìn)行短時傅里葉變化得到能量譜，從所述能量譜中提取多普勒頻偏；以及

基于所述多普勒頻偏的累積值將運(yùn)動方向分為三個類別方向，再根據(jù)兩條鏈路的正、負(fù)多普勒頻偏的出現(xiàn)順序區(qū)分目標(biāo)在同一類方向中的不同子方向。

最后，本申請的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。