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基于多通道調(diào)頻連續(xù)波毫米波雷達(dá)的微動(dòng)手勢識(shí)別

夏朝陽 周成龍 介鈞譽(yù) 周濤 汪相鋒 徐豐

夏朝陽, 周成龍, 介鈞譽(yù), 周濤, 汪相鋒, 徐豐. 基于多通道調(diào)頻連續(xù)波毫米波雷達(dá)的微動(dòng)手勢識(shí)別[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2020, 42(1): 164-172. doi: 10.11999/JEIT190797
引用本文: 夏朝陽, 周成龍, 介鈞譽(yù), 周濤, 汪相鋒, 徐豐. 基于多通道調(diào)頻連續(xù)波毫米波雷達(dá)的微動(dòng)手勢識(shí)別[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 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

基于多通道調(diào)頻連續(xù)波毫米波雷達(dá)的微動(dòng)手勢識(shí)別

doi: 10.11999/JEIT190797 cstr: 32379.14.JEIT190797
基金項(xiàng)目: 國家自然科學(xué)基金(61822107)
詳細(xì)信息
    作者簡介:

    夏朝陽:男,1993年生,博士生,研究方向?yàn)槔走_(dá)信號處理、目標(biāo)識(shí)別和深度學(xué)習(xí)

    周成龍:男,1995年生,碩士生,研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)識(shí)別和深度學(xué)習(xí)應(yīng)用

    介鈞譽(yù):男,1993年生,碩士生,研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)識(shí)別和深度學(xué)習(xí)應(yīng)用

    周濤:男,1996年生,碩士生,研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)識(shí)別和深度學(xué)習(xí)應(yīng)用

    汪相鋒:男,1995年生,碩士生,研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)識(shí)別和深度學(xué)習(xí)應(yīng)用

    徐豐:男,1982年生,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)镾AR圖像解譯、電磁散射建模和類腦人工智能

    通訊作者:

    徐豐 fengxu@fudan.edu.cn

  • 中圖分類號: 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:

    該文提出一種基于多通道調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)毫米波雷達(dá)的微動(dòng)手勢識(shí)別方法,并給出一種微動(dòng)手勢特征提取的最優(yōu)雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。通過對手部反射的雷達(dá)回波進(jìn)行時(shí)頻分析處理,估計(jì)目標(biāo)的距離多普勒譜、距離譜、多普勒譜和水平方向角度譜。設(shè)計(jì)固定幀時(shí)間長度拼接的距離-多普勒-時(shí)間圖特征,與距離-時(shí)間特征、多普勒-時(shí)間特征、水平方向角度-時(shí)間圖特征和三者聯(lián)合特征等,分別對7類微動(dòng)手勢進(jìn)行表征。根據(jù)手勢運(yùn)動(dòng)過程振幅和速度差異,進(jìn)行手勢特征捕獲和對齊。利用僅有5層的輕量化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對微動(dòng)手勢特征進(jìn)行分類。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相較其他特征,設(shè)計(jì)的距離-多普勒-時(shí)間圖特征能夠更為準(zhǔn)確地表征微動(dòng)手勢,且對未經(jīng)訓(xùn)練的測試對象具有更好的泛化能力。

  • 圖  1  實(shí)驗(yàn)流程圖

    圖  2  7類微動(dòng)手勢的動(dòng)作示意圖與5種特征圖

    圖  3  單通道與8通道平均的手勢幀RD圖信噪比對比

    表  1  不同時(shí)間長度特征的分類準(zhǔn)確率對比(%)

    數(shù)據(jù)集長度 6幀 8幀 10幀 15幀
    平均分類準(zhǔn)確率 76.86 91.86 99.14 99.29
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  2  多種手勢表征方法的對比

    特征類型 分類方法 5名訓(xùn)練對象平均
    分類準(zhǔn)確率(%)
    SC-RDTM 單通道CNN 98.28
    CA-RDTM 單通道CNN 99.14
    CA-DTM 單通道CNN 97.14
    CA-RTM 單通道CNN 88.00
    HATM 單通道CNN 71.71
    CA-RTM, CA-DTM
    與HATM聯(lián)合
    3通道CNN 93.57
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  3  多種手勢表征方法的對比

    特征類型 分類方法 測試對象A平均分類準(zhǔn)確率(%) 測試對象B平均分類準(zhǔn)確率(%)
    SC-RDTM 單通道CNN 86.00 84.29
    CA-RDTM 單通道CNN 87.71 85.43
    CA-DTM 單通道CNN 84.57 83.43
    CA-RTM 單通道CNN 27.14 25.42
    HATM 單通道CNN 34.28 30.57
    CA-RTM, CA-DTM與HATM聯(lián)合 3通道CNN 65.14 55.71
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  4  7種微動(dòng)手勢分類的混淆矩陣

    預(yù)測類別
    食指雙擊 食指順時(shí)
    針繞圈
    食指逆時(shí)
    針繞圈
    食指拇
    指分開
    食指拇
    指并攏
    拇指在食指
    上前搓動(dòng)
    拇指在食指
    上后搓動(dòng)
    準(zhǔn)確度(%)
    真實(shí)類別 食指雙擊 100 0 0 0 0 0 0 100
    食指順時(shí)針繞圈 0 100 0 0 0 0 0 100
    食指逆時(shí)針繞圈 0 0 100 0 0 0 0 100
    食指拇指分開 0 0 0 100 0 0 0 100
    食指拇指并攏 0 0 0 0 98 0 2 98
    拇指在食指上前搓動(dòng) 0 0 0 0 0 100 0 100
    拇指在食指上后搓動(dòng) 0 0 0 0 4 0 96 96
    準(zhǔn)確度(%) 100 100 100 100 96.08 100 97.96 99.14
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  5  測試對象A 7類微動(dòng)手勢分類的混淆矩陣

    預(yù)測類別
    食指雙擊 食指順時(shí)
    針繞圈
    食指逆時(shí)
    針繞圈
    食指拇
    指分開
    食指拇
    指并攏
    拇指在食指
    上前搓動(dòng)
    拇指在食指
    上后搓動(dòng)
    準(zhǔn)確度(%)
    真實(shí)類別 食指雙擊 46 3 1 0 0 0 0 92
    食指順時(shí)針繞圈 0 35 15 0 0 0 0 70
    食指逆時(shí)針繞圈 3 13 34 0 0 0 0 68
    食指拇指分開 0 0 0 49 0 1 0 98
    食指拇指并攏 0 0 0 0 46 0 4 92
    拇指在食指上前搓動(dòng) 0 0 0 1 0 49 0 98
    拇指在食指上后搓動(dòng) 0 0 0 0 2 0 48 96
    準(zhǔn)確度(%) 93.88 68.63 68 98 95.83 98 92.31 87.71
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  6  測試對象B 7類微動(dòng)手勢分類的混淆矩陣

    預(yù)測類別
    食指雙擊 食指順
    時(shí)針繞圈
    食指逆時(shí)
    針繞圈
    食指拇
    指分開
    食指拇
    指并攏
    拇指在食指
    上前搓動(dòng)
    拇指在食指
    上后搓動(dòng)
    準(zhǔn)確度(%)
    真實(shí)類別 食指雙擊 45 2 3 0 0 0 0 90
    食指順時(shí)針繞圈 0 32 18 0 0 0 0 64
    食指逆時(shí)針繞圈 1 16 33 0 0 0 0 66
    食指拇指分開 0 0 0 46 0 4 0 92
    食指拇指并攏 0 0 0 0 48 0 2 96
    拇指在食指上前搓動(dòng) 0 0 0 2 0 48 0 96
    拇指在食指上后搓動(dòng) 0 0 0 0 3 0 47 94
    準(zhǔn)確度(%) 97.83 64 61.11 95.83 94.12 92.31 95.92 85.43
    下載: 導(dǎo)出CSV
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  • 加載中
圖(3) / 表(6)
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出版歷程
  • 收稿日期:  2019-10-16
  • 修回日期:  2019-11-27
  • 網(wǎng)絡(luò)出版日期:  2019-12-09
  • 刊出日期:  2020-01-21

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