一种基于反向散射信号对接近目标物体的手势检测方法与流程

本发明属于无线射频识别(RFID)技术领域，具体涉及一种基于反向散射信号对接近目标物体的手势检测方法。

背景技术：

现如今，手势检测为许多自动化计算系统提供了极大便利，目前主要应用于智能控制、城市安全、虚拟现实、军事化等诸多领域。在多个物体共存的环境中，如何通过手势检测识别用户接近的目标物体常常被众多研究者津津乐道。目前手势检测的主要技术有：基于图像识别，基于生物信号，基于无线信号等。

基于图像识别的技术，此技术前期通过相机拍摄采集一些照片或视频，并结合图像处理、模式识别等技术建立运动行为指示器，从而实现手势动作识别的目的。此技术对环境要求严格，对光线要求苛刻，最为主要的是在涉及隐私的问题中，基于图像的技术发展十分有限。基于生物信号的技术，此技术通常利用一些特殊仪器来检测识别运动，例如：利用肌电图、脑电图收集信号并与已知基础动作信号作比较，最终借助一些生物技术及信号处理技术来识别动作。此技术最明显的缺点是：需要专业设备来完成检测，通常情况下这些设备都是大型的、不可携带或携带困难的，这对很多用户来说很不方便。基于无线信号的技术，可以通过在用户手指上贴上被动式RFID标签，利用标签的运动来识别用户手指的动作变化。此技术的主要缺点是，依赖于设备器材，在识别手势动作前期可能还需要训练。

综上，目前通常使用的手势检测技术，如基于图像识别，基于生物信号，基于无线信号技术。要么是在某些环境中操作实施较为困难，要么设备成本较高。因此，一种无特别专业设备、准确性高、成本低、使用方便的在多个物体中对用户接近某一目标物体的手势检测识别方法的提出是非常有价值的。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种基于反向散射信号对接近目标物体的手势检测方法，当手接近多个RFID标签时收集反向散射信号，被动监听阅读器和RFID标签的通信过程，通过分析评估信号的变化创造性地解决在多个贴有标签物体共存的情况下，检测确定手真正靠近的目标物体，成本低检测效率高。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括以下步骤：

1)在有多个RFID标签共存的情况下，通过监听RFID标签与阅读器的反向散射通信过程，获取多个RFID标签的EPC信号；

2)对获取的RFID标签的EPC信号进行重新编码；

3)根据步骤2)的编码特点进行解码；

4)在步骤3)的基础上，使用RFID标签的EPC序文的一部分P₁作为输入信号，并计算P₁的离散系数作为度量检测标准，当手接近某一标签时，若该标签的离散系数变化最大，则该标签为手接近的目标标签。

所述步骤1)中阅读器以ALOHA原理选择通信参数并控制通信进程，阅读器在其阅读范围内对RFID标签进行查询，RFID标签随机选择16位的随机数进行回复，如果阅读器只收到一个RFID标签的回复并能成功解码，将发送ACK通知RFID标签，然后RFID标签以EPC信息回复阅读器。

所述步骤1)中采用通用软件无线电外设USRP作为监听器，被动监听RFID标签和阅读器的反向散射通信过程。

所述步骤2)中对RFID标签的EPC信号采用米勒-4编码方式进行重新编码，一位包含四个子载波周期。

所述步骤2)重新编码包括以下步骤：首先通过检测RFID标签的EPC信号的每个低电平下最后一个点，高低电平长度相同为0，否则为1，重新编码的0和1通过比较相邻点的间隔▽I进行区分，如果▽I＞M(M＝40)，则为1，否则为0。

所述步骤2)中在10M/s的采样率下，子载波周期的采样数总数为30，包含15个高电平点和15个低电平点。

所述步骤3)中根据米勒-4编码方式进行解码，将每四个连续符号转化为1位。

所述步骤3)中解码值根据四个连续符号中“1”的位置来决定，若四个连续符号中“1”的位置为第二位或者第三位，则解码值为1，否则为0。

所述步骤4)中P₁的离散系数CV的计算公式为：CV＝σ/μ，其中，σ是标准差，μ是平均数。

与现有技术相比，本发明在贴有多个标签物体共存的情况下，标签以随机顺序向阅读器回复其EPC，需要将所收集的信号与源标签能够一一联系对应，当手接近RFID标签时，会导致反向散射的射频信号产生特别明显的变化。本发明通过被动监听阅读器和RFID标签的反向散射通信过程，通过解码算法来准确区分不同标签的信号，最后通过分析RFID标签EPC序文的离散系数特征来确定用户真正要接近的目标物体，通过分析评估信号的变化创造性地解决在多个贴有标签物体共存的情况下，检测确定手真正靠近的目标物体。由于本发明中所用RFID标签属被动式标签，成本很低，因此能够在实际部署系统中，长期提供低成本高效率的检测。在本发明的检测手势的方法原理是基于分析贴有RFID标签物体的反向散射信号来完成检测，相比于现有检测技术，本发明不需要携带任何设备，对用户也没有局限性，使用十分方便。

进一步，本发明与现有设备(COTS)兼容，遵从EPCglobalC1G2协议。在本发明中，阅读器和标签通过发射射频信号持续通信，USRP监听分析反向散射通信信号，通过对EPC的重新编码和解码的处理达到准确检测接近目标物体手势的目的。经大量实验论证，在本发明中多个贴有标签的物体最小间距为5cm，当间距为30cm时准确率几乎达到100％，整个发明的平均准确率为92％。

附图说明

图1是EPCglobal C1G2反向散射协议示意图；

图2a是PIE符号图、图2b为米勒-4子载波序列图、图2c为米勒-4序文图；

图3是重新编码的样例图；

图4是EPC解码算法流程图；

图5是EPC解码算法示意图；

图6a是接近标签1时离散系数变化图，图6b是接近标签2时离散系数变化图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和说明附图对本发明作进一步的解释说明。

本发明包括以下步骤：

1)在有多个RFID标签共存的情况下，采用通用软件无线电外设USRP作为监听器，被动监听RFID标签与阅读器的反向散射通信过程，阅读器以ALOHA原理选择通信参数并控制通信进程，阅读器在其阅读范围内对RFID标签进行查询，RFID标签随机选择16位的随机数进行回复，如果阅读器只收到一个RFID标签的回复并能成功解码，将发送ACK通知RFID标签，然后RFID标签以EPC信息回复阅读器，从而获取多个RFID标签的EPC信号；

2)对获取的RFID标签的EPC信号进行重新编码，采用米勒-4编码方式进行重新编码，一位包含四个子载波周期，在10M/s的采样率下，子载波周期的采样数总数为30，包含15个高电平和15个低电平，重新编码包括以下步骤：首先通过检测RFID标签的EPC信号的每个低电平下最后一个点，高低电平长度相同为0，否则为1，重新编码的0和1通过比较相邻点的间隔▽I进行区分，如果▽I＞M(M＝40)，则为1，否则为0；

3)根据步骤2)的米勒-4编码方式的编码特点进行解码，将每四个连续符号转化为1位，解码值根据四个连续符号中“1”的位置来决定，若四个连续符号中“1”的位置为第二位或者第三位，则解码值为1，否则为0；

4)在步骤3)的基础上，使用RFID标签的EPC序文的一部分P₁作为输入信号，并计算P₁的离散系数作为度量检测标准，P₁的离散系数CV的计算公式为：CV＝σ/μ，其中，σ是标准差，μ是平均数，当手接近某一标签时，若该标签的离散系数变化最大，则该标签为手接近的目标标签。

参见图1，超高频被动RFID系统反向散射通信协议过程为：

在被动RFID通信中，标签是从阅读器发出的信号中获取能量的。EPCglobalC1G2协议是处理超高频RFID阅读器和被动标签交互的主流商业标准。阅读器以ALOHA原理选择通信参数并控制通信进程，阅读器在其阅读范围内对标签进行查询，标签随机选择16位的随机数进行回复，也就是RN16。如果阅读器只收到一个标签的回复并能成功解码，它将发送ACK通知标签。然后标签以EPC信息回复阅读器。图1显示了每个进程中信号的端点，清楚地阐明了通信过程。

在多个物体中对用户接近某一目标物体的手势检测方法具体步骤如下：

1)通过监听RFID标签与阅读器的反向散射通信过程，首先获取多个标签的EPC信号，值得注意的是监听器只能获取信号并不能解码识别EPC信号来源于哪个标签，为此采用重新编码再解码的方式来解决这个问题；

2)重新编码：被动式RFID标签的编码方式为米勒-4，也就是一位包含四个子载波周期，如图2a～2c，在10M/s的采样率下，子载波周期的采样数是固定值，即总数为30，其中包含15个高电平，15个低电平，对标签EPC信号重新编码：重新编码通过检测每个低电平下最后一个点，高低电平长度相同为“0”，重新编码的“0”和“1”通过比较相邻点的间隔(▽I)进行区分，如果▽I＞M(M＝40)，则为“1”，否则，则为“0”，重新编码的样例如图3所示；

3)解码：解码算法利用米勒-4编码的特点来设计的，其编码方式如图2a～2c，即每四个子载波周期组成1位，将四个连续符号转化为1位，如果符号“1”在四个符号的中间(第二位或者第三位)，则将这样的四个符号转化为1，否则为0，具体解码算法的流程如图4所示，其中b表示开始索引，e表示结束索引；

例如将图3中序列执行解码算法，输入的符号序列为：

S＝000000100000100100100000100001000100001，需要解码的位数L＝11，如图5所示，在A中四个符号为“0100”，即可得解码值为1，在B中四个符号为“0000”，即可得解码值为0，最终输出序列B＝01011100110，其序文P₂＝010111；

4)计算离散系数：在贴有RFID标签的多个物体中，目的是找出在众多用户手真正接近的物体，在步骤3)基础上，为了保证数据独立性，使用如图2c所示的EPC序文的一部分P₁作为输入信号，并计算P₁的离散系数(用CV表示)作为度量检测标准，其定义为：CV＝σ/μ，其中，σ是标准差，μ是平均数，当手接近某一标签时，若该标签的离散系数变化最大，则该标签为手接近的目标标签。

在本发明中，通过实验可知，将贴有标签的多个物体放在桌上，用手接近某一物体，目标标签的离散系数变化比其他标签大。如图6a和6b显示了离散系数作为度量标准的结果，当手接近标签1，其离散系数变化比标签2大，相反当手接近标签2，其离散系数改变较大，因此当手接近某一标签时，目标标签具有明显的离散系数变化。

综上所述，本发明在多个物体的情况下能通过离散系数的变化检测出用户接近的目标物体手势。本发明通过对EPC的重新编码，再以米勒-4编码原理为依据设计解码算法，最后借助离散系数检测确定用户真正接近的物体，其检测准确率高达92％。