一种基于无源射频标签的相位式手势识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于无源射频标签的相位式手势识别方法，首先将标签佩戴到手指指定位置，通过天线阵列采集相位值，然后处理采集到的数据并输出与距离相关的数据序列。通过用户训练得手势数据对应数据序列，最后将当前数据序列与训练集进行相似度匹配实现手势识别。实现上述识别方法的系统包括：无源RFID标签、超高频RFID读写器、三个8dBi定向天线、数据采集与处理模块、手势训练模块、手势识别模块、上位机。本发明专利技术将RFID技术应用于手势识别，能够较好地克服可穿戴设备功耗大、便携性差以及系统易受环境干扰的问题。本发明专利技术注重对标签返回信号中相位信息的处理，并采用训练模块以适用不同用户，避免了多样数据集以及用户个体差异影响手势识别系统的性能。

A phase gesture recognition method based on passive RF tag

The invention discloses a phase gesture recognition method based on a passive radio frequency tag. First, the tag is worn to the designated position of the finger, and the phase value is collected through the antenna array, and then the collected data is processed, and the data sequence related to the distance is output. The gesture data is trained by the user to correspond to the data sequence. Finally, the similarity of the current data sequence and the training set is matched to realize the gesture recognition. The system to realize the above identification methods includes passive RFID tag, ultra-high frequency RFID reader, three 8dBi directional antennas, data acquisition and processing module, gesture training module, gesture recognition module and host computer. The invention applies RFID technology to gesture recognition, which can better overcome the problems of high power consumption, poor portability and easy environment interference of the wearable device. The invention pays attention to the processing of the phase information in the label return signal, and adopts the training module to apply to different users, so that the performance of the gesture recognition system can be avoided by various data sets and individual differences among users.

【技术实现步骤摘要】
一种基于无源射频标签的相位式手势识别方法
本专利技术属于三维人机交互
，具体涉及一种基于RFID技术的相位式手势识别系统及方法。
技术介绍
如今人与计算机的关系已经由人逐渐适应计算机转变为计算机不断适应人的互动。人机交互技术已不再局限于键盘和鼠标输入、手柄操作，也不仅限于触摸设备，而是以更加新奇和自然的方式出现：手指某个关节的屈伸、头部的转动、人体在空间中的移动、声波在空气中的振动、表情的变化甚至眼珠和舌头的转动，都可以实现人与计算机系统之间的信息传递，完成人机之间的“对话”。在这些新颖的方式中，手势交互无疑是人们最熟悉的。手势是一种自然、直观、易于学习的人机交互手段。以人手直接作为计算机的输入设备，人机间的通讯将不再需要中间的媒体，用户可以简单地定义适当的手势来对周围的机器进行控制。但是一些传统的手势识别方法一般存在便携性差、可扩展性不足和代价昂贵的局限。其中基于图像的手势识别方法容易受到环境中障碍物和光线强度的影响，基于传感器的手势识别方法在系统功耗和便携性方面仍然有待提升。近年来随着物联网技术的不断创新发展，RFID技术也已在许多领域得到广泛应用。RFID射频识别技术是一种自动识别技术，其采用无线射频方式通过非接触双向数据通信对目标进行唯一识别，无需近距离接触即可完成信息的交互。RFID读写器读取速度快且漏读率低，无源射频标签价格低廉且能方便地部署于手指上。现有技术中还没有将RFID技术应用于手势的识别，以较好地克服可穿戴设备功耗大、便携性差以及系统易受环境干扰等问题的披露。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于无源射频标签技术的相位式手势识别方法，该方法能够有效地动态识别用户预先训练的手势动作。与其它相关的手势识别方法不同，本方法结合预先训练好的手势数据序列利用最小距离分类法将采集到的手势进行归类，即手势识别。另外，本方法着重于对RFID标签反射信号相位值的处理，无须读取标签其它特征信息，因此避免多样数据集影响手势识别系统的性能。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为一种基于无源标签的相位式手势识别方法，具体包含如下步骤：(1)将标签佩戴到手指指定位置所述标签采用UHFRFID无源标签，其从读写器发出的射频能量中提取工作所需的电源，当超高频RFID读写器获取到标签发射出来的信息，即完成了对标签的识别过程，每个标签中存储一个唯一EPC编码；(2)通过天线阵列，采集相位值主机端获取的标签相位集合为在每一时刻，控制模块内核用条件控制语句根据EPC编码信息和天线端口号将其细分为由不同天线获得的各标签的实时相位值；(3)处理采集到的数据并输出与距离相关的数据序列设R为射频标签与读写器的距离，λ为电磁波波长，Backscatterwave为反向散射波，θT、θR、θTAG分别为发射天线、接收天线、标签的相位增益，设读写器解析出的相位值范围为[0,2π]，相位值与距离满足公式：其中k为整数，为阅读器解析后的相位值，则当单个标签径直相对天线移动半波长的距离即λ/2，其返回信号的相位变化值为2π，因此若在阅读两次读取间隔时间内保持标签移动距离小于半个波长的距离，就可以通过单个标签前后返回信号的相位差值计算出标签移动前后到天线距离差ΔR，考虑到每个手指所在区域范围较小，这里将多个标签的位置模拟为单个标签运动轨迹上的点，保持相邻两个标签到天线距离的差值|ΔRtagi,j|小于四分之一个波长，不同标签到天线的距离差绝对值|ΔRtagi,j|可由相位差导出：(4)用户训练得手势数据对应数据序列判断系统不存在训练集后，由上位机提示开启训练模块，用户作出相应手势动作的同时系统实时采集和处理标签返回信号数据，并根据界面提示将手势训练集{D1,D2,D3,…,Dm}分别录入系统，其中n维向量D表示某个手势特征的数据序列；(5)将当前数据序列与训练集进行相似度匹配实现手势识别基于最小距离分类法的思想将当前所测数据进行分类，分别计算向量X到已知类别的距离并比较，从而完成对当前手势对应的数据序列X的归类。进一步，作为优选，上述步骤2中采用3个天线和5个标签采集相位值，分别表示为A＝{a1,a2,a3}，T＝(tag1,tag2,tag3,tag4,tag5)，相位数据集可以用3×5矩阵Θ表示，则Θ满足：进一步，步骤3中又具体包括：i.设备部署：3个天线A＝{a1,a2,a3}以人手为原点分别部署在XYZ轴上，5个RFID标签T＝(tag1,tag2,tag3,tag4,tag5)分别佩戴到5个手指上；ii.手势特征：“剪刀”手势中食指与中指呈“V”型，在正常的“剪刀”手势下，两手指在Z轴方向上存在固定距离差，而在X、Y轴方向距离差可以忽略，同理，拇指与无名指和小指在Z轴方向距离差相较“石头”、“布”手势明显变小，所以通过距离差值来判定不同手势是可行的；iii.数据处理与输出：从矩阵Θ中取出通过Z轴天线a3测出的相位集并由tag2与tag3相位差计算出它们到天线的距离差其理论值应大于一个适当的阈值，相应地，由X、Y轴天线a1,a2测出的相位集求出并转换为距离差其理论值都应略大于0且小于一个适当的阈值，同理，由矩阵Θ计算出拇指与无名指和小指在Z轴方向上的距离差其理论值应小于某个阈值，因此当用户做出“剪刀”手势时，系统处理各标签相位数据并输出与距离相关的序列，用向量D表示，这里D满足：进一步，上述步骤5中所述相似度匹配和手势识别具体包括：假设当前实时数据序列为X＝{x1,x2,x3,…,xn}，且系统存在三个已知类别DA、DB和DC,分别用向量表示为DA＝{dA1,dA2,dA3,…,dAn}、DB＝{dB1,dB2,dB3,…,dBn}和DC＝{dC1,dC2,dC3,…,dCn}，基于最小距离分类法的思想将当前所测数据进行分类，分别计算向量X到DA、DB和DC的距离ρ(X,DA)、ρ(X,DB)和ρ(X,DC)，以欧氏距离为例，距离的计算公式如下：其中i＝A,B,C，则当前手势对应的数据序列X归结于argmin(ρ(X,Di))类，即与当前数据序列X的欧氏距离值最小的那一类。本专利技术还进一步提出一种实现上述基于无源标签的相位式手势识别方法的系统，其包含核心控制模块、无源RFID标签、超高频RFID读写器、定向天线、数据采集与处理模块、手势训练模块、手势识别模块和上位机，定向天线与超高频RFID读写器连接，携带在手指上的无源RFID标签与超高频RFID读写器通过电磁感应实现数据通信，超高频RFID读写器、数据采集与处理模块、手势训练模块、手势识别模块分别通过串口连接至核心控制模块，上位机通过以太网与超高频RFID读写器实现通信。作为优选，上述定向天线为三个8dBi定向天线。与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果：(1)本专利技术将RFID技术应用于手势识别，能够较好的克服可穿戴设备功耗大、便携性差以及系统易受环境干扰的问题。(2)本专利技术只注重对标签返回信号中相位信息的处理，并采用训练模块以适用不同用户，避免了多样数据集以及用户个体差异影响手势识别系统的性能。(3)本专利技术系统架构清晰、简单，易于实现。附图说明图1为基于无源射频标签的相位式手势识别方法的流程图；图2为标签与天线距离和相位之间的关系图。具体实施方式下面结合附图和实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于无源标签的相位式手势识别方法，其特征在于包含如下步骤：(1)将标签佩戴到手指指定位置所述标签采用UHF RFID无源标签，其从读写器发出的射频能量中提取工作所需的电源，当超高频RFID读写器获取到标签发射出来的信息，即完成了对标签的识别过程，每个标签中存储一个唯一EPC编码；(2)通过天线阵列，采集相位值主机端获取的标签相位集合为

【技术特征摘要】
1.一种基于无源标签的相位式手势识别方法，其特征在于包含如下步骤：(1)将标签佩戴到手指指定位置所述标签采用UHFRFID无源标签，其从读写器发出的射频能量中提取工作所需的电源，当超高频RFID读写器获取到标签发射出来的信息，即完成了对标签的识别过程，每个标签中存储一个唯一EPC编码；(2)通过天线阵列，采集相位值主机端获取的标签相位集合为在每一时刻，控制模块内核用条件控制语句根据EPC编码信息和天线端口号将其细分为由不同天线获得的各标签的实时相位值；(3)处理采集到的数据并输出与距离相关的数据序列设R为射频标签与读写器的距离，λ为电磁波波长，Backscatterwave为反向散射波，θT、θR、θTAG分别为发射天线、接收天线、标签的相位增益，设读写器解析出的相位值范围为[0,2π]，相位值与距离满足公式：其中k为整数，为阅读器解析后的相位值，则当单个标签径直相对天线移动半波长的距离即λ/2，其返回信号的相位变化值为2π，因此若在阅读两次读取间隔时间内保持标签移动距离小于半个波长的距离，就可以通过单个标签前后返回信号的相位差值计算出标签移动前后到天线距离差ΔR，考虑到每个手指所在区域范围较小，这里将多个标签的位置模拟为单个标签运动轨迹上的点，保持相邻两个标签到天线距离的差值小于四分之一个波长，不同标签到天线的距离差绝对值可由相位差导出：(4)用户训练得手势数据对应数据序列判断系统不存在训练集后，由上位机提示开启训练模块，用户作出相应手势动作的同时系统实时采集和处理标签返回信号数据，并根据界面提示将手势训练集{D1,D2,D3,…,Dm}分别录入系统，其中n维向量D表示某个手势特征的数据序列；(5)将当前数据序列与训练集进行相似度匹配实现手势识别基于最小距离分类法的思想将当前所测数据进行分类，分别计算向量X到已知类别的距离并比较，从而完成对当前手势对应的数据序列X的归类。2.根据权利要求1所述的基于无源标签的相位式手势识别方法，其特征在于步骤2中采用3个天线和5个标签采集相位值，分别表示为A＝{a1,a2,a3}，T＝(tag1,tag2,tag3,tag4,tag5)，相位数据集可以用3×5矩阵Θ表示，则Θ满足：3.根据权利要求2所述的基于无源标签的相位式手势识别方法，其特征在于步骤3中具体包括：i.设备部署：3个天线A＝{a1,a2,a3}以人手为原点分别部署在XYZ轴上，5个RFID标签T＝(tag1,tag2,tag3,tag4,tag5)分别佩戴到5个手指上；ii.手势特征：“剪刀”手势中食指与中指呈“V”型，在正常的“剪刀”手势下，两手指在Z轴方向上存在固定距离差，而在X...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶宁，程康，王娟，黄海平，王汝传，汪莹，徐叶强，张力行，赵佳文，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32