高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于多通道调频连续波毫米波雷达的微动手势识别

夏朝阳 周成龙 介钧誉 周涛 汪相锋 徐丰

夏朝阳, 周成龙, 介钧誉, 周涛, 汪相锋, 徐丰. 基于多通道调频连续波毫米波雷达的微动手势识别[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(1): 164-172. doi: 10.11999/JEIT190797
引用本文: 夏朝阳, 周成龙, 介钧誉, 周涛, 汪相锋, 徐丰. 基于多通道调频连续波毫米波雷达的微动手势识别[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(1): 164-172. doi: 10.11999/JEIT190797
Zhaoyang XIA, Chenglong ZHOU, Junyu JIE, Tao ZHOU, Xiangfeng WANG, Feng XU. Micro-motion Gesture Recognition Based on Multi-channel Frequency Modulated Continuous Wave Millimeter Wave Radar[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(1): 164-172. doi: 10.11999/JEIT190797
Citation: Zhaoyang XIA, Chenglong ZHOU, Junyu JIE, Tao ZHOU, Xiangfeng WANG, Feng XU. Micro-motion Gesture Recognition Based on Multi-channel Frequency Modulated Continuous Wave Millimeter Wave Radar[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(1): 164-172. doi: 10.11999/JEIT190797

基于多通道调频连续波毫米波雷达的微动手势识别

doi: 10.11999/JEIT190797
基金项目: 国家自然科学基金(61822107)
详细信息
    作者简介:

    夏朝阳:男,1993年生,博士生,研究方向为雷达信号处理、目标识别和深度学习

    周成龙:男,1995年生,硕士生,研究方向为雷达目标识别和深度学习应用

    介钧誉:男,1993年生,硕士生,研究方向为雷达目标识别和深度学习应用

    周涛:男,1996年生,硕士生,研究方向为雷达目标识别和深度学习应用

    汪相锋:男,1995年生,硕士生,研究方向为雷达目标识别和深度学习应用

    徐丰:男,1982年生,教授,博士生导师,研究方向为SAR图像解译、电磁散射建模和类脑人工智能

    通讯作者:

    徐丰 fengxu@fudan.edu.cn

  • 中图分类号: TN958.94

Micro-motion Gesture Recognition Based on Multi-channel Frequency Modulated Continuous Wave Millimeter Wave Radar

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61822107)
  • 摘要:

    该文提出一种基于多通道调频连续波(FMCW)毫米波雷达的微动手势识别方法,并给出一种微动手势特征提取的最优雷达参数设计准则。通过对手部反射的雷达回波进行时频分析处理,估计目标的距离多普勒谱、距离谱、多普勒谱和水平方向角度谱。设计固定帧时间长度拼接的距离-多普勒-时间图特征,与距离-时间特征、多普勒-时间特征、水平方向角度-时间图特征和三者联合特征等,分别对7类微动手势进行表征。根据手势运动过程振幅和速度差异,进行手势特征捕获和对齐。利用仅有5层的轻量化卷积神经网络对微动手势特征进行分类。实验结果表明,相较其他特征,设计的距离-多普勒-时间图特征能够更为准确地表征微动手势,且对未经训练的测试对象具有更好的泛化能力。

  • 图  1  实验流程图

    图  2  7类微动手势的动作示意图与5种特征图

    图  3  单通道与8通道平均的手势帧RD图信噪比对比

    表  1  不同时间长度特征的分类准确率对比(%)

    数据集长度 6帧 8帧 10帧 15帧
    平均分类准确率 76.86 91.86 99.14 99.29
    下载: 导出CSV

    表  2  多种手势表征方法的对比

    特征类型 分类方法 5名训练对象平均
    分类准确率(%)
    SC-RDTM 单通道CNN 98.28
    CA-RDTM 单通道CNN 99.14
    CA-DTM 单通道CNN 97.14
    CA-RTM 单通道CNN 88.00
    HATM 单通道CNN 71.71
    CA-RTM, CA-DTM
    与HATM联合
    3通道CNN 93.57
    下载: 导出CSV

    表  3  多种手势表征方法的对比

    特征类型 分类方法 测试对象A平均分类准确率(%) 测试对象B平均分类准确率(%)
    SC-RDTM 单通道CNN 86.00 84.29
    CA-RDTM 单通道CNN 87.71 85.43
    CA-DTM 单通道CNN 84.57 83.43
    CA-RTM 单通道CNN 27.14 25.42
    HATM 单通道CNN 34.28 30.57
    CA-RTM, CA-DTM与HATM联合 3通道CNN 65.14 55.71
    下载: 导出CSV

    表  4  7种微动手势分类的混淆矩阵

    预测类别
    食指双击 食指顺时
    针绕圈
    食指逆时
    针绕圈
    食指拇
    指分开
    食指拇
    指并拢
    拇指在食指
    上前搓动
    拇指在食指
    上后搓动
    准确度(%)
    真实类别 食指双击 100 0 0 0 0 0 0 100
    食指顺时针绕圈 0 100 0 0 0 0 0 100
    食指逆时针绕圈 0 0 100 0 0 0 0 100
    食指拇指分开 0 0 0 100 0 0 0 100
    食指拇指并拢 0 0 0 0 98 0 2 98
    拇指在食指上前搓动 0 0 0 0 0 100 0 100
    拇指在食指上后搓动 0 0 0 0 4 0 96 96
    准确度(%) 100 100 100 100 96.08 100 97.96 99.14
    下载: 导出CSV

    表  5  测试对象A 7类微动手势分类的混淆矩阵

    预测类别
    食指双击 食指顺时
    针绕圈
    食指逆时
    针绕圈
    食指拇
    指分开
    食指拇
    指并拢
    拇指在食指
    上前搓动
    拇指在食指
    上后搓动
    准确度(%)
    真实类别 食指双击 46 3 1 0 0 0 0 92
    食指顺时针绕圈 0 35 15 0 0 0 0 70
    食指逆时针绕圈 3 13 34 0 0 0 0 68
    食指拇指分开 0 0 0 49 0 1 0 98
    食指拇指并拢 0 0 0 0 46 0 4 92
    拇指在食指上前搓动 0 0 0 1 0 49 0 98
    拇指在食指上后搓动 0 0 0 0 2 0 48 96
    准确度(%) 93.88 68.63 68 98 95.83 98 92.31 87.71
    下载: 导出CSV

    表  6  测试对象B 7类微动手势分类的混淆矩阵

    预测类别
    食指双击 食指顺
    时针绕圈
    食指逆时
    针绕圈
    食指拇
    指分开
    食指拇
    指并拢
    拇指在食指
    上前搓动
    拇指在食指
    上后搓动
    准确度(%)
    真实类别 食指双击 45 2 3 0 0 0 0 90
    食指顺时针绕圈 0 32 18 0 0 0 0 64
    食指逆时针绕圈 1 16 33 0 0 0 0 66
    食指拇指分开 0 0 0 46 0 4 0 92
    食指拇指并拢 0 0 0 0 48 0 2 96
    拇指在食指上前搓动 0 0 0 2 0 48 0 96
    拇指在食指上后搓动 0 0 0 0 3 0 47 94
    准确度(%) 97.83 64 61.11 95.83 94.12 92.31 95.92 85.43
    下载: 导出CSV
  • WAN Qian, LI Yiran, LI Changzhi, et al. Gesture recognition for smart home applications using portable radar sensors[C]. The 2014 36th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Chicago, USA, 2014: 6414–6417.
    KHAN F, LEEM S K, and CHO S H. Hand-based gesture recognition for vehicular applications using IR-UWB radar[J]. Sensors, 2017, 17(4): 833. doi: 10.3390/s17040833
    XIA Zia, SANG Xinzhu, CHEN Duo, et al. An interactive VR system based on full-body tracking and gesture recognition[C]. The SPIE 10021, Optical Design and Testing VⅡ, Beijing, China 2016: 1002129.
    LEE B G and LEE S M. Smart wearable hand device for sign language interpretation system with sensors fusion[J]. IEEE Sensors Journal, 2018, 18(3): 1224–1232. doi: 10.1109/JSEN.2017.2779466
    TARANTA Ⅱ E M, SIMONS T K, SUKTHANKAR R, et al. Exploring the benefits of context in 3D gesture recognition for game-based virtual environments[J]. ACM Transactions on Interactive Intelligent Systems, 2015, 5(1): Article No.1.
    BONATO V, FERNANDES M M, and MARQUES E. A smart camera with gesture recognition and SLAM capabilities for mobile robots[J]. International Journal of Electronics, 2006, 93(6): 385–401. doi: 10.1080/00207210600565465
    孟春宁, 吕建平, 陈萱华. 基于普通红外摄像机的手势识别[J]. 计算机工程与应用, 2015, 51(16): 17–22. doi: 10.3778/j.issn.1002-8331.1504-0303

    MENG Chunning, LÜ Jianping, and CHEN Xuanhua. Gesture recognition based on universal infrared camera[J]. Computer Engineering and Applications, 2015, 51(16): 17–22. doi: 10.3778/j.issn.1002-8331.1504-0303
    PLOUFFE G and CRETU A M. Static and dynamic hand gesture recognition in depth data using dynamic time warping[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2016, 65(2): 305–316. doi: 10.1109/TIM.2015.2498560
    YANG Qifan, TANG Hao, ZHAO Xuebing, et al. Dolphin: Ultrasonic-based gesture recognition on smartphone platform[C]. The 2014 IEEE 17th International Conference on Computational Science and Engineering, Chengdu, China, 2014: 1461–1468.
    KELLOGG B, TALLA V, and GOLLAKOTA S. Bringing gesture recognition to all devices[C]. The 11th Usenix Conference on Networked Systems Design and Implementation, Seattle, USA, 2014: 303–316.
    ZOU Yongpan, XIAO Jiang, HAN Jinsong, et al. GRfid: A device-free RFID-based gesture recognition system[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2017, 16(2): 381–393. doi: 10.1109/TMC.2016.2549518
    ABDELNASSER H, YOUSSEF M, and HARRAS K A. WiGest: A ubiquitous WiFi-based gesture recognition system[C]. Proceedings of IEEE Conference on Computer Communications, Hongkong, China, 2015: 1472–1480.
    ZHANG Jiajun, TAO Jinkun, and SHI Zhiguo. Doppler-radar based hand gesture recognition system using convolutional neural networks[C]. The 2017 International Conference on Communications, Signal Processing, and Systems, Singapore, 2019: 1096–1113.
    LIEN J, GILLIAN N, KARAGOZLER M, et al. Soli: Ubiquitous gesture sensing with millimeter wave radar[J]. ACM Transactions on Graphics, 2016, 35(4): Article No.142.
    WANG Saiwen, SONG Jie, LIEN J, et al. Interacting with Soli: Exploring fine-grained dynamic gesture recognition in the radio-frequency spectrum[C]. The 29th Annual Symposium on User Interface Software and Technology, Tokyo, Japan, 2016: 851–860.
    HAZRA S and SANTRA A. Robust gesture recognition using Millimetric-wave radar system[J]. IEEE Sensors Letters, 2018, 2(4): 7001804.
    MALYSA G, WANG Dan, NETSCH L, et al. Hidden Markov model-based gesture recognition with FMCW radar[C]. 2016 IEEE Global Conference on Signal and Information Processing, Washington, USA, 2016: 1017–1021.
    王勇, 吴金君, 田增山, 等. 基于FMCW雷达的多维参数手势识别算法[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(4): 822–829. doi: 10.11999/JEIT180485

    WANG YONG, WU Jinjun, TIAN Zengshan, et al. Gesture recognition with multi-dimensional parameter using FMCW radar[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2019, 41(4): 822–829. doi: 10.11999/JEIT180485
    刘熠辰, 徐丰. 基于雷达技术的手势识别[J]. 中国电子科学研究院学报, 2016, 11(6): 609–613. doi: 10.3969/j.issn.1673-5692.2016.06.009

    LIU Yichen and XU Feng. Gesture recognition based on radar technology[J]. Journal of CAEIT, 2016, 11(6): 609–613. doi: 10.3969/j.issn.1673-5692.2016.06.009
  • 加载中
图(3) / 表(6)
计量
  • 文章访问数:  4874
  • HTML全文浏览量:  1465
  • PDF下载量:  281
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-16
  • 修回日期:  2019-11-27
  • 网络出版日期:  2019-12-09
  • 刊出日期:  2020-01-21

目录

    /

    返回文章
    返回