基于rfid運(yùn)動(dòng)流形分析的人機(jī)交互投影裝置及其算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及RFID定位領(lǐng)域，特別是涉及一種基于RFID運(yùn)動(dòng)流形分析的人機(jī)交互算 法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 球幕或者弧幕設(shè)備在展示特定內(nèi)容時(shí)具有天然的優(yōu)勢(shì)，如使用球幕投影動(dòng)態(tài)地球 儀、在波浪形幕布上投影海浪水流等，比在平面上模擬三維效果更佳直觀，并易于人們理解 和接受。為了在已有球幕、弧幕投影設(shè)備上實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，需要尋找一種無(wú)需對(duì)現(xiàn)有球幕投 影設(shè)備硬件特別是球幕部分進(jìn)行改造，即可實(shí)現(xiàn)將球幕轉(zhuǎn)化成觸控屏幕的方法，并實(shí)現(xiàn)對(duì) 球幕投影內(nèi)容的方向和角度的交互控制。
[0003] 現(xiàn)有的技術(shù)方案，依賴(lài)于帶有觸控功能的屏幕或者定位傳感器獲取屏幕表面壓力 點(diǎn)的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)人與屏幕之間的交互操作。整個(gè)系統(tǒng)依賴(lài)于帶有觸控功能的屏幕設(shè)備，在 曲面屏幕上實(shí)現(xiàn)成本更高，在球面等大曲率表面更無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)顯示與觸控操作。同時(shí)，在 人機(jī)交互過(guò)程中，需要人手觸摸到屏幕或者施加一定壓力，并且對(duì)實(shí)施觸摸控制的物體材 質(zhì)有較為嚴(yán)格的限制?，F(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)是需要依賴(lài)于具有觸控功能的屏幕設(shè)備，無(wú)法實(shí)現(xiàn) 在大曲率曲面或者不規(guī)則曲面上的觸控交互;需要接觸屏幕，才能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互;無(wú)法實(shí)時(shí) 提取交互軌跡在三維空間的幾何特征，比如傾斜角度。
[0004] 三維空間中按照特定軌跡運(yùn)動(dòng)的物體，都符合一種統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)模式。RFID標(biāo)簽在 弧幕表面或者空間中沿特定軌跡的連續(xù)運(yùn)動(dòng)符合物理學(xué)中剛體運(yùn)動(dòng)的特征。使用帶參數(shù)的 剛體運(yùn)動(dòng)方程擬合RFID標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)留下的位置點(diǎn)云，能夠分析出其運(yùn)動(dòng)模式和軌跡在三維 空間中的幾何特征，進(jìn)而為人機(jī)交互系統(tǒng)的交互動(dòng)作提供重要的幾何參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于RFID運(yùn)動(dòng)流形分析的人機(jī)交互投影 裝置及其算法，通過(guò)提取標(biāo)簽的運(yùn)動(dòng)特征來(lái)幫助理解標(biāo)簽佩戴者的手勢(shì)運(yùn)動(dòng)意圖從而實(shí)現(xiàn) 人機(jī)交互;在不改變已有球幕投影屏幕系統(tǒng)顯示機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使用貼有RFID標(biāo)簽的任意 物品控制投影內(nèi)容的顯示方式，如:傾斜角度、旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)速度等;通過(guò)識(shí)別貼有RFID標(biāo) 簽的物體運(yùn)動(dòng)來(lái)控制投影內(nèi)容的運(yùn)動(dòng)并保證實(shí)時(shí)性;通過(guò)識(shí)別貼有RFID標(biāo)簽的物體運(yùn)動(dòng)來(lái) 控制投影內(nèi)容的運(yùn)動(dòng)并保證誤差在毫米范圍內(nèi)；無(wú)須特定物體接觸屏幕即可控制曲面投影 內(nèi)容的方向。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是:提供一種基于RFID運(yùn)動(dòng)流 形分析的人機(jī)交互算法，包括:通過(guò)定向天線(xiàn)采集從RFID標(biāo)簽反射回來(lái)的反射波的相位差， 實(shí)時(shí)估算標(biāo)簽在三維空間中的位置和速度矢量，從而得到由各個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)速度矢量組成 的速度矢量集V= l>l，V2. . . Vn}和位置矢量集P= {ptl，Pt2. . .Ptn};通過(guò)式（1)將笛卡爾坐標(biāo) 系中的速度和位置矢量映射到線(xiàn)元空間，稱(chēng)之為線(xiàn)元；
[0007]
(1)
[0008] 通過(guò)（1)可以將速度矢量集映射到線(xiàn)元空間，得到如式(2)所示的速度矢量集合? ;
[00091
(2)
[0010] 在歐式幾何空間中，剛體運(yùn)動(dòng)可以表示成式(3)所示：
[0011] p(t) =a(t)A(t) · p+a(t) (3)
[0012] 這里，A(t)是旋轉(zhuǎn)矩陣，a(t)是縮放因子;我們將其表示為線(xiàn)元形式，可以得到式 (4)；
[0013]
(4)
[0014] 速度矢量集合€中的數(shù)據(jù)，擬合剛體運(yùn)動(dòng)方程(4)，使用PCA即主成分分析方法來(lái)提 取運(yùn)動(dòng)特征，即求滿(mǎn)足方程(5)達(dá)到最小值的特征根
[00151
(5)
[0016] 其中，c = 0, γ = 0表示直線(xiàn)，c = 0, γ關(guān)0表示螺旋，c關(guān)0, γ =0，c>e = C^表示旋轉(zhuǎn)； 直線(xiàn)方向或者旋轉(zhuǎn)、螺旋運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸可以用式(6)表示；
[0017]
(6)
[0018] 將特征代回方程（5)，能夠在原始采樣數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的線(xiàn)元集￡中剔除誤差 點(diǎn)，得到精確點(diǎn)集…c+圓半徑可以由點(diǎn)cjj直線(xiàn)向量的平均距離表示
[0019] 采用以上算法的一種基于RFID運(yùn)動(dòng)流形分析的人機(jī)交互投影裝置，包括RFID定向 天線(xiàn)、UHF高頻閱讀器、無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，在原有的球幕投影系統(tǒng)側(cè)面5米范圍 內(nèi)部署一個(gè)RFID定向天線(xiàn)，UHF高頻閱讀器與RFID定向天線(xiàn)相連，獲取RFID標(biāo)簽信號(hào);UHF高 頻閱讀器與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相連，將采集到的位置數(shù)據(jù)傳送到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理， 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)使用帶參數(shù)的剛體運(yùn)動(dòng)方程擬合RFID標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)留下的位置點(diǎn)云，分析出其 運(yùn)動(dòng)模式和軌跡在三維空間中的幾何特征，處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳給 球幕投影系統(tǒng)。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明無(wú)須對(duì)已有系統(tǒng)進(jìn)行硬件改造，在數(shù)據(jù)處理端增加 本算法，即可實(shí)現(xiàn)球幕、弧幕投影設(shè)備的人機(jī)交互控制;無(wú)須接觸投影屏幕，也能對(duì)設(shè)備進(jìn) 行控制，從而使其能夠運(yùn)用于更加廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被 本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。
[0022] 本發(fā)明實(shí)施例包括：
[0023] 一種基于RFID運(yùn)動(dòng)流形分析的人機(jī)交互投影裝置，包括RFID定向天線(xiàn)、UHF高頻閱 讀器、貼有RFID標(biāo)簽的筆或教鞭、無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，在原有的魚(yú)眼鏡頭投影儀 偵_5米范圍內(nèi)部署一個(gè)RFID定向天線(xiàn)，UHF高頻閱讀器與RFID定向天線(xiàn)相連，獲取貼有 RFID標(biāo)簽的筆或教鞭上的RFID標(biāo)簽信號(hào);UHF高頻閱讀器與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相連，將采集到 的位置數(shù)據(jù)傳送到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)使用帶參數(shù)的剛體運(yùn)動(dòng)方程 擬合RFID標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)留下的位置點(diǎn)云，分析出其運(yùn)動(dòng)模式和軌跡在三維空間中的幾何特征， 處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳給魚(yú)眼鏡頭投影儀系統(tǒng)。
[0024] 一種基于RFID運(yùn)動(dòng)流形分析的人機(jī)交互算法，包括:通過(guò)定向天線(xiàn)采集從RFID標(biāo) 簽反射回來(lái)的反射波的相位差，實(shí)時(shí)估算標(biāo)簽在三維空間中的位置和速度矢量，從而得到 由各個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)速度矢量組成的速度矢量集V= l>l，V2. . .Vn}和位置矢量集P= {ptl, Pt2...ptn};通過(guò)式（1)將笛卡爾坐標(biāo)系中的速度和位置矢量映射到線(xiàn)元空間，稱(chēng)之為線(xiàn)元；
[0025]
(1)
[0026] 通過(guò)(1)可以將速度矢量集映射到線(xiàn)元空間，得到如式(2)所示的速度矢量集合t [00271
(2)
[0028] 在歐式幾何空間中，剛體運(yùn)動(dòng)可以表示成式(3)所示：
[0029] p(t) =a(t)A(t) · p+a(t) (3)
[0030] 這里，A(t)是旋轉(zhuǎn)矩陣，a(t)是縮放因子;我們將其表示為線(xiàn)元形式，可以得到式 (4)；
「rwm 1 (4)
[0032]速度矢量集合I中的數(shù)據(jù)，擬合剛體運(yùn)動(dòng)方程(4)，使用PCA即主成分分析方法來(lái)提 取運(yùn)動(dòng)特征，即求滿(mǎn)足方程(5)達(dá)到最小值的特征根
E ? (5)
[0034] 其中，c = 0, γ =0表示直線(xiàn)，c = 0, γ關(guān)0表示螺旋，c關(guān)0, γ =0, e,e. = _〇表示旋轉(zhuǎn)； 直線(xiàn)方向或者旋轉(zhuǎn)、螺旋運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸可以用式(6)表示;計(jì)算出旋轉(zhuǎn)軸；
[0035]
? 6)
[0036] 將特征代回方程（5)，能夠在原始采樣數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的線(xiàn)元集f中剔除誤差 點(diǎn)，得到精確點(diǎn)集圓半徑可以由點(diǎn)(^到直線(xiàn)向量的平均距離表示
計(jì)算出的旋轉(zhuǎn)軌跡，Μ是一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，對(duì)應(yīng)水平方向的一個(gè)圓是一個(gè)手勢(shì)的軌 跡;如是第二個(gè)手勢(shì)的旋轉(zhuǎn)軸，對(duì)應(yīng)一個(gè)傾斜的圓，是第二個(gè)手勢(shì)的軌跡。
[0037] 本發(fā)明通過(guò)提取標(biāo)簽的運(yùn)動(dòng)特征來(lái)幫助理解標(biāo)簽佩戴者的手勢(shì)運(yùn)動(dòng)意圖從而實(shí) 現(xiàn)人機(jī)交互。無(wú)須對(duì)已有系統(tǒng)進(jìn)行硬件改造，在數(shù)據(jù)處理端增加本算法，即可實(shí)現(xiàn)球幕、弧 幕投影設(shè)備的人機(jī)交互控制;無(wú)須接觸投影屏幕，也能對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，從而使其能夠運(yùn)用 于更加廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。
[0038] 以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專(zhuān)利范圍，凡是利用本發(fā) 明說(shuō)明書(shū)內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng) 域，均同理包括在本發(fā)明的專(zhuān)利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于RFID運(yùn)動(dòng)流形分析的人機(jī)交互算法，其特征在于，包括:通過(guò)定向天線(xiàn)采集 從RFID標(biāo)簽反射回來(lái)的反射波的相位差，實(shí)時(shí)估算標(biāo)簽在S維空間中的位置和速度矢量， 從而得到由各個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)速度矢量組成的速度矢量集V ={ Vl，V2 ... Vn}和位置矢量集P = (ptl，pt2...Ptnh通過(guò)式（1)將笛卡爾坐標(biāo)系中的速度和位置矢量映射到線(xiàn)元空間，稱(chēng)之為 線(xiàn)元； l,u) = (v,vxp,vp) ( 1 ) 通過(guò)(1)可W將速度矢量集映射到線(xiàn)元空間，得到如式(2)所示的速度矢量集合 f 二 fu，4(u.4..-M，4} (2) 在歐式幾何空間中，剛體運(yùn)動(dòng)可W表示成式(3)所示： p(t)=a(t)A(t) ? p+a(t) (3) 運(yùn)里，A(t)是旋轉(zhuǎn)矩陣，a(t)是縮放因子;我們將其表示為線(xiàn)元形式，可W得到式(4); 'e'.I + cJ+賊=Q ( C.CG 3, 居膠) （4) 速度矢量集合古中的數(shù)據(jù)，擬合剛體運(yùn)動(dòng)方程(4)，使用PCA即主成分分析方法來(lái)提取運(yùn) 動(dòng)特征，即求滿(mǎn)足方程(5)達(dá)到最小值的特征根/4：.^;^^)^ F(c，C，r)=技Jc ? L' + e.l;: +斜)2 ( 5 ) 其中，C = O, 丫 =O表示直線(xiàn)，C = O, 丫辛O表示螺旋，C辛O，丫 =O，C..C.= O表示旋轉(zhuǎn);直線(xiàn) 方向或者旋轉(zhuǎn)、螺旋運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸可W用式(6)表示；16) 將特征//心、六，代回方程(5)，能夠在原始采樣數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的線(xiàn)元集I中剔除誤差點(diǎn)，得 到精確點(diǎn)集=k，C2...C J;圓半徑可W由點(diǎn)C1到直線(xiàn)向量的平均距離4c，云/)表示O2. -種基于RFID運(yùn)動(dòng)流形分析的人機(jī)交互投影裝置，其特征在于，包括RFID定向天線(xiàn)、 UHF高頻閱讀器、無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，在原有的球幕投影系統(tǒng)側(cè)面5米范圍內(nèi)部 署一個(gè)RFID定向天線(xiàn)，UHF高頻閱讀器與RFID定向天線(xiàn)相連，獲取RFID標(biāo)簽信號(hào);UHF高頻閱 讀器與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相連，將采集到的位置數(shù)據(jù)傳送到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，工業(yè) 控制計(jì)算機(jī)使用帶參數(shù)的剛體運(yùn)動(dòng)方程擬合RFID標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)留下的位置點(diǎn)云，分析出其運(yùn)動(dòng) 模式和軌跡在=維空間中的幾何特征，處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳給球幕 投影系統(tǒng)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于RFID運(yùn)動(dòng)流形分析的人機(jī)交互投影裝置，包括RFID定向天線(xiàn)、UHF高頻閱讀器、無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，在原有的球幕投影系統(tǒng)側(cè)面5米范圍內(nèi)部署一個(gè)RFID定向天線(xiàn)，UHF高頻閱讀器與RFID定向天線(xiàn)相連，獲取RFID標(biāo)簽信號(hào)；UHF高頻閱讀器與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相連，將采集到的位置數(shù)據(jù)傳送到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)使用帶參數(shù)的剛體運(yùn)動(dòng)方程擬合RFID標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)留下的位置點(diǎn)云，分析出其運(yùn)動(dòng)模式和軌跡在三維空間中的幾何特征，進(jìn)而為人機(jī)交互系統(tǒng)的交互動(dòng)作提供重要的幾何參數(shù)。處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳給球幕投影系統(tǒng)。通過(guò)上述方式，本發(fā)明通過(guò)提取標(biāo)簽的運(yùn)動(dòng)特征來(lái)幫助理解標(biāo)簽佩戴者的手勢(shì)運(yùn)動(dòng)意圖從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
【IPC分類(lèi)】G06F3/01
【公開(kāi)號(hào)】CN105653022
【申請(qǐng)?zhí)枴?br>【發(fā)明人】顧才東, 張量, 陸侃
【申請(qǐng)人】蘇州市職業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月8日
【申請(qǐng)日】2015年11月13日