本發(fā)明屬于無線射頻識別(RFID)技術(shù)領(lǐng)域范疇，具體涉及一種基于射頻反向散射信號對單一物體的手勢檢測方法。

背景技術(shù)：

目前手勢檢測在諸多領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用起來，主要包括虛擬現(xiàn)實(shí)、智能控制、城市安全、軍事化等領(lǐng)域。這其中，檢測接近或遠(yuǎn)離某個物體的手勢顯得尤為重要。例如，手勢檢測可以指導(dǎo)視覺受損的人獲取他們想要得到的東西?，F(xiàn)有的手勢檢測主要技術(shù)有三類，分別是：基于圖像識別，基于生物信號，基于無線信號等。

基于圖像識別的技術(shù)，通常是由相機(jī)拍攝一些圖片或視頻，利用圖像處理、模式識別技術(shù)建立運(yùn)動行為指示器來識別動作。此技術(shù)的缺點(diǎn)主要有：對環(huán)境要求苛刻，需要良好的光線條件，更重要的是在涉及隱私的問題中，發(fā)展受限?；谏镄盘柕募夹g(shù)，需要利用一些特殊儀器來檢測識別運(yùn)動，例如：利用肌電圖儀收集信號，并與已知基礎(chǔ)動作信號作比較，借助分類器和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)識別動作。此技術(shù)最明顯的缺點(diǎn)是：需要專業(yè)感知設(shè)備來完成檢測，通常情況下這些設(shè)備都是大型的、不可攜帶或攜帶困難的，這對很多用戶來說很不方便?；跓o線信號的技術(shù)，主要有兩種方案：第一種是利用WIFI信號的接受信號強(qiáng)度值來檢測識別跑、躺、爬、站等微小運(yùn)動。然而此方案并不適合識別手勢等細(xì)粒度動作的檢測。第二種是在人的手指上貼上超高頻RFID被動標(biāo)簽，利用閱讀器和天線來追蹤標(biāo)簽的軌跡。此方案的主要缺點(diǎn)是，對信號的處理過于復(fù)雜，檢測識別動作的過程中需要攜帶設(shè)備或是需要借助特殊設(shè)計(jì)的器材來協(xié)助完成檢測。

綜上，目前通常使用的手勢檢測技術(shù)，如基于圖像識別，基于生物信號，基于無線信號技術(shù)，要么需要借助或攜帶特殊設(shè)備，要么對環(huán)境有嚴(yán)苛要求。因此，一種無需特別專業(yè)設(shè)備、準(zhǔn)確性高、成本低、使用方便的對單一物體接近或遠(yuǎn)離的手勢檢測技術(shù)，是被迫切需求的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出一種基于射頻反向散射信號對單一物體的手勢檢測方法，通過分析評估信號能量譜密度的變化來達(dá)到檢測接近或遠(yuǎn)離RFID標(biāo)簽手勢的目的，解決了在貼有單個標(biāo)簽物體情況下手勢的檢測問題。

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：包括以下步驟：

1)監(jiān)聽器通過監(jiān)聽RFID標(biāo)簽與閱讀器的反向散射通信過程，獲取RFID標(biāo)簽的EPC信號；

2)根據(jù)RFID標(biāo)簽與閱讀器的反向散射通信過程，通過閱讀器的ACK命令推導(dǎo)出RFID標(biāo)簽的粗粒度EPC信號段；

3)根據(jù)RFID標(biāo)簽的粗粒度EPC信號段采用絕對前向差分法，準(zhǔn)確得到單個RFID標(biāo)簽的EPC信號；

4)計(jì)算單個RFID標(biāo)簽的EPC信號的能量譜密度，根據(jù)能量譜密度振蕩變化趨勢判斷對單一物體的手勢運(yùn)動方向，完成手勢檢測。

所述步驟1)中通過在監(jiān)聽器添加EPC濾波組件來獲取RFID標(biāo)簽的EPC信號。

所述步驟1)中采用軟件無線電外設(shè)USRP作為監(jiān)聽器，監(jiān)聽RFID標(biāo)簽與閱讀器的反向散射通信過程。

所述步驟1)中閱讀器選擇通信參數(shù)并控制通信進(jìn)程，在閱讀范圍內(nèi)對RFID標(biāo)簽發(fā)送Query命令進(jìn)行查詢，RFID標(biāo)簽隨機(jī)選擇16位的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行回復(fù)，如果閱讀器收到RFID標(biāo)簽的回復(fù)并能成功解碼，則發(fā)送ACK命令通知RFID標(biāo)簽，RFID標(biāo)簽以EPC信號回復(fù)給閱讀器。

所述步驟2)中閱讀器發(fā)出的ACK命令的描述符為“01”，長度為18位，選擇一個低的門限閾值來定位閱讀器的命令，然后通過比較每一個命令的脈沖寬度，解碼ACK命令，推斷出粗粒度EPC信號段。

所述步驟3)中采用絕對前向差分法來定位EPC信號段的起始點(diǎn)，給定一個EPC信號段E＝(e₁,e₂,…,e_K)，絕對前向差分的計(jì)算過程為：ΔE＝|e_k+1-e_k|,k＝1,2,…,K-1.，其中e_i代表第i個采樣點(diǎn)，針對EPC信號段的絕對前向差分結(jié)果，利用振幅的不同來區(qū)分載波信號和實(shí)際的EPC信號，接著使用簡單閾值的方法找到EPC信號段的的起始點(diǎn)。

所述步驟4)中單個RFID標(biāo)簽的EPC信號的能量譜密度計(jì)算公式為：為密度函數(shù)，反映了EPC信號每單位頻率的能量情況。

所述能量譜密度計(jì)算公式的推到過程如下：EPC信號x(t)的能量計(jì)算式為：帕塞瓦爾理論在基于傅里葉變換的基礎(chǔ)上的EPC信號能量的表達(dá)式為：從而有如下公式：將被積函數(shù)看作是密度函數(shù)，反映了信號每單位頻率的能量情況，從而得到EPC信號的能量譜密度計(jì)算公式為：

所述步驟4)中對單個RFID標(biāo)簽的EPC信號的能量譜密度變化采用動態(tài)時間規(guī)整技術(shù)來分析，從而檢測出接近或遠(yuǎn)離單個物體的手勢。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于對射頻信號研究發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，當(dāng)手接近或遠(yuǎn)離RFID標(biāo)簽時，會導(dǎo)致反向散射的射頻信號產(chǎn)生特別明顯的變化，本發(fā)明被動監(jiān)聽閱讀器和RFID標(biāo)簽的通信過程，對手接近或遠(yuǎn)離貼有單個標(biāo)簽物體的過程進(jìn)行建模，提取RFID標(biāo)簽的EPC信號，并分析標(biāo)簽信號變化情況，通過分析評估EPC信號能量譜密度的變化來達(dá)到檢測接近或遠(yuǎn)離RFID標(biāo)簽手勢的目的，本發(fā)明成功了解決在貼有單個標(biāo)簽物體情況下手勢的檢測，由于本發(fā)明中所用RFID標(biāo)簽屬被動式標(biāo)簽，成本很低，因此能夠在實(shí)際部署系統(tǒng)中，長期提供低成本高效率的檢測。本發(fā)明提出的檢測手勢的方法原理是基于分析貼有RFID標(biāo)簽物體的反向散射信號來完成檢測，相比于現(xiàn)有檢測技術(shù)，本發(fā)明不需要攜帶任何設(shè)備，對用戶也沒有局限性，使用十分方便。

進(jìn)一步，本發(fā)明兼容性強(qiáng)，遵從EPCglobalC1G2協(xié)議。在本發(fā)明中，閱讀器和標(biāo)簽通過發(fā)射射頻信號持續(xù)通信，USRP監(jiān)聽分析通信信號，通過對EPC信號的處理達(dá)到準(zhǔn)確檢測手勢的目的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)論證，首先本發(fā)明手和標(biāo)簽的距離在20cm以內(nèi)時檢測效果最優(yōu)，準(zhǔn)確率達(dá)到90％以上，隨著距離增大檢測準(zhǔn)確度有所下降；在水平和垂直兩個方向上，檢測接近或遠(yuǎn)離標(biāo)簽的手勢，準(zhǔn)確率分別為94.3％，92.2％。

進(jìn)一步，為了更進(jìn)一步精確檢測手勢，本發(fā)明采用動態(tài)時間規(guī)整技術(shù)，其好處是可以自動壓縮或拉伸一個信號序列，并比較未知信號和已知信號的相似性，這可以解決不同用戶的運(yùn)動持續(xù)時間、振幅差異的問題。

附圖說明

圖1是EPCglobal C1G2反向散射協(xié)議示意圖；

圖2是原始的EPC信號部分示意圖；

圖3是原始EPC信號前向差分樣本圖；

圖4a是接近標(biāo)簽時能量譜密度變化圖，圖4b是遠(yuǎn)離標(biāo)簽時能量譜密度變化圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例和說明書附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋說明。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)采用軟件無線電外設(shè)USRP作為監(jiān)聽器，監(jiān)聽器通過監(jiān)聽RFID標(biāo)簽與閱讀器的反向散射通信過程，監(jiān)聽器添加EPC濾波組件獲取RFID標(biāo)簽的EPC信號，閱讀器選擇通信參數(shù)并控制通信進(jìn)程，在閱讀范圍內(nèi)對RFID標(biāo)簽發(fā)送Query命令進(jìn)行查詢，RFID標(biāo)簽隨機(jī)選擇16位的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行回復(fù)，如果閱讀器收到RFID標(biāo)簽的回復(fù)并能成功解碼，則發(fā)送ACK命令通知RFID標(biāo)簽，RFID標(biāo)簽以EPC信號回復(fù)給閱讀器；

2)根據(jù)RFID標(biāo)簽與閱讀器的反向散射通信過程，通過閱讀器的ACK命令推導(dǎo)出RFID標(biāo)簽的粗粒度EPC信號段，閱讀器發(fā)出的ACK命令的描述符為“01”，長度為18位，選擇一個低的門限閾值來定位閱讀器的命令，然后通過比較每一個命令的脈沖寬度，解碼ACK命令，推斷出粗粒度EPC信號段；

3)根據(jù)RFID標(biāo)簽的粗粒度EPC信號段采用絕對前向差分法，準(zhǔn)確得到單個RFID標(biāo)簽的EPC信號，采用絕對前向差分法來定位EPC信號段的起始點(diǎn)，給定一個EPC信號段E＝(e₁,e₂,…,e_K)，絕對前向差分的計(jì)算過程為：ΔE＝|e_k+1-e_k|，k＝1,2,…,K-1.，其中e_i代表第i個采樣點(diǎn)，針對EPC信號段的絕對前向差分結(jié)果，利用振幅的不同來區(qū)分載波信號和實(shí)際的EPC信號，接著使用簡單閾值的方法找到EPC信號段的的起始點(diǎn)；

4)計(jì)算單個RFID標(biāo)簽的EPC信號的能量譜密度，能量譜密度計(jì)算公式為：為密度函數(shù)，反映了EPC信號每單位頻率的能量情況，采用動態(tài)時間規(guī)整技術(shù)來分析能量譜密度變化，根據(jù)能量譜密度振蕩變化趨勢判斷對單一物體的手勢運(yùn)動方向，完成手勢檢測。

能量譜密度計(jì)算公式的推到過程如下：EPC信號x(t)的能量計(jì)算式為：帕塞瓦爾理論在基于傅里葉變換的基礎(chǔ)上的EPC信號能量的表達(dá)式為：從而有如下公式：將被積函數(shù)看作是密度函數(shù)，反映了信號每單位頻率的能量情況，從而得到EPC信號的能量譜密度計(jì)算公式為：

參見圖1，超高頻被動RFID系統(tǒng)反向散射通信協(xié)議過程如下：

在被動RFID通信中，標(biāo)簽是從閱讀器發(fā)出的信號中獲取能量的。EPCglobalC1G2協(xié)議是處理超高頻RFID閱讀器和被動標(biāo)簽交互的主流商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在通信過程中，閱讀器選擇通信參數(shù)并控制通信進(jìn)程，在其閱讀范圍內(nèi)對標(biāo)簽發(fā)送Query命令進(jìn)行查詢，標(biāo)簽隨機(jī)選擇16位的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行回復(fù)，即RN16。如果閱讀器收到標(biāo)簽的回復(fù)并能成功解碼，它將發(fā)送ACK命令通知標(biāo)簽，然后標(biāo)簽以EPC信號回復(fù)給閱讀器。

靠近或遠(yuǎn)離單一物體的手勢檢測詳細(xì)步驟如下：

1)信號預(yù)處理：在RFID標(biāo)簽與閱讀器的常規(guī)反向散射通信中，標(biāo)簽可以發(fā)送兩種信號，即RN16和EPC信號，其中EPC信號是RFID標(biāo)簽的唯一標(biāo)識符，包含標(biāo)簽的身份信息，本發(fā)明選用EPC信號來作為分析源，圖2所示為原始的EPC信號段，為了獲得RFID標(biāo)簽的EPC信號，本發(fā)明在監(jiān)聽器中添加濾波組件，實(shí)施濾波；

2)步驟1)的具體實(shí)施過程中，EPC濾波包括：粗粒度分割和細(xì)粒度定位：

粗粒度分割：因?yàn)楦鶕?jù)閱讀器的信號有較高的信噪比和振幅，這便于定位和解碼，由EPCglobalC1G2協(xié)議可知，標(biāo)簽在接收閱讀器ACK命令后回復(fù)EPC信號，由于閱讀器發(fā)出的ACK命令的描述符為“01”，長度為18位，如圖1，選擇一個低的門限閾值來定位閱讀器的命令，然后通過比較每一個命令的脈沖寬度，解碼命令，基于此通過閱讀器的ACK命令來粗略推斷出粗粒度的EPC信號段；

細(xì)粒度定位：粗粒度分割得到的EPC信號段是不精確的，其中仍舊包含許多載波采樣點(diǎn)，為了解決這個問題，本發(fā)明使用絕對前向差分來準(zhǔn)確定位EPC信號的起點(diǎn)：

給定一個EPC信號段E＝(e₁,e₂,…,e_K)，絕對前向差分的計(jì)算過程如下，其中e_i代表第i個采樣點(diǎn)：

ΔE＝|e_k+1-e_k|,k＝1,2,…,K-1.

EPC信號段的絕對前向差分結(jié)果如圖3所示，首先可以利用振幅的明顯不同來區(qū)分載波信號和實(shí)際的EPC信號，接著本發(fā)明使用簡單閾值的方法來快速找到E的第一個采樣點(diǎn)，如圖3中圓圈所示，值得一提的是絕對前向差分對標(biāo)簽的異質(zhì)性和環(huán)境因素的影響都具有良好的彈性和兼容性；

3)計(jì)算能量譜密度：由于EPC信號編碼是脈沖信號，這就意味著信號中包含能量，我們知道信號x(t)的能量計(jì)算式為：因?yàn)楸景l(fā)明采用能量譜密度來表征信號能量和頻率的關(guān)系，由于帕塞瓦爾理論在基于傅里葉變換的基礎(chǔ)上提供了信號能量的另一表達(dá)式，即：因此，有如下公式：其中被積函數(shù)可以看作是一個密度函數(shù)，它反映了信號每單位頻率的能量情況。在這種情況下，本發(fā)明計(jì)算信號x(t)的能量譜密度為：

如圖4a、4b所示，分別顯示了用戶接近或遠(yuǎn)離貼有標(biāo)簽的單物體時手勢的能量譜密度變化。觀察圖像可以發(fā)現(xiàn)：人的手勢導(dǎo)致標(biāo)簽EPC信號能量譜密度振蕩變化，運(yùn)動方向(接近/遠(yuǎn)離)可以從變化的趨勢中推斷出來。為了更進(jìn)一步精確檢測手勢，本發(fā)明采用動態(tài)時間規(guī)整技術(shù)，其好處是可以自動壓縮或拉伸一個信號序列，并比較未知信號和已知信號的相似性，這可以解決不同用戶的運(yùn)動持續(xù)時間、振幅差異的問題。

綜上所述，本發(fā)明在單個物體的手勢檢測中，以RFID標(biāo)簽回復(fù)給閱讀器的EPC信號為基礎(chǔ)，通過濾波定位獲取細(xì)粒度的EPC信號，再通過計(jì)算EPC信號的能量譜密度，借助動態(tài)時間規(guī)整技術(shù)，達(dá)到檢測用戶接近或遠(yuǎn)離單個物體的手勢，經(jīng)實(shí)驗(yàn)論證檢測準(zhǔn)確率高達(dá)93.3％。