人體活動識別研究現(xiàn)狀綜述

徐越

摘要：人體活動識別（HAR）可以為許多不同的應(yīng)用程序（例如醫(yī)療、安全和娛樂）提供基礎(chǔ)服務(wù)，因此它越來越成為研究的熱點。由于其重要性，已經(jīng)開發(fā)了大量的HAR系統(tǒng)。通常，這些系統(tǒng)利用各種感知方式來獲取與活動有關(guān)的信息，然后使用這些信息來推斷人類正在進行的活動。在本文工作中，審查了不同類型的HAR技術(shù)并對每種類型的系統(tǒng)的其主要技術(shù)，特征，優(yōu)勢和局限性進行了討論和總結(jié)。最后指出了HAR的主要研究挑戰(zhàn)和研究方向。

關(guān)鍵詞：人機交互;普時計算;活動識別

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）14-0221-02

1引言

根據(jù)感知活動的實現(xiàn)方法，現(xiàn)有的相關(guān)工作可以大致分為兩類：一種是傳統(tǒng)的活動識別方法，其利用各種傳感器，如物理傳感器、攝像頭等;另一種方法是利用WiFi、RFID等無線信號的人體活動識別技術(shù)。接下來，對這兩種類別分別進行詳細介紹。

2傳統(tǒng)活動識別方法

日常生活中，用戶通過佩戴諸如運動手表，運動手環(huán)等傳感器的方式來記錄人體運動，大多數(shù)廣泛使用的基于運動感測的方法需要將傳感器放置在移動的身體部位上（例如，用于分析基于腿部的健身房鍛煉，傳感器需要放置在腿上）。這些基于數(shù)字設(shè)備的活動識別方法有其局限性：其一，用戶需要無時無刻攜帶傳感設(shè)備，這造成了用戶穿戴的不便，還會影響運動的體驗;其二，人體運動的識別受限于一系列狹窄的活動，例如，腿部的加速度計將無法感知手臂運動。雖然SizhenBianvl等人提出的基于人體電容的運動識別系統(tǒng)，描述了人體與環(huán)境之間無處不在的電耦合背后的物理原理：當設(shè)備連接到不直接參與活動運動的身體部位時，也可識別人體運動。但其仍無法克服用戶佩戴麻煩的問題。

另一種傳統(tǒng)方法是利用基于視頻圖像的計算機視覺技術(shù)來進行活動感知嘲。視覺是人類獲取信息的一個重要手段：基于計算機視覺的人體行為識別技術(shù)，通過對視頻圖片的分析，提取人體運動信息。而在活動過程中，由于受到視角變化、光照變化、背景變化等多種因素的干擾，對真實場景下的人體運動分析仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。與此同時，攝像頭對于用戶隱私的侵犯也是不可忽略的問題。

3使用無線信號進行活動識別

近年來，隨著無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，射頻信號的作用已經(jīng)從單一的通信介質(zhì)擴展到非侵入式的環(huán)境傳感工具，主要包括基于超聲波;基于Wi-Fi;基于特殊射頻信號的實現(xiàn)方式。利用無線信號進行人體行為識別，解放了用戶的穿戴限制，擁有廣闊的發(fā)展前景。其基本原理是射頻信號通過多路徑在無線介質(zhì)中傳播，反射不同物體并達接收器，因此攜帶有關(guān)環(huán)境的信息。人體是良好的反射體，通過分析接收到的射頻信號模式和特征，我們可以檢測人類活動和行為狀態(tài)，如呼吸率，手勢和跌倒等，這被稱為非接觸式或無設(shè)備人體感知過程。

3.1使用專用設(shè)備的無線信號

許多系統(tǒng)使用的是FMCW無線電設(shè)備，它配備了兩個天線陣列：水平陣列和垂直陣列。Marko是一種自動收集與行為相關(guān)的數(shù)據(jù)而無需要求人們編寫日記或佩戴傳感器的系統(tǒng)。Marko發(fā)送低功率無線信號并分析其從環(huán)境中反射的信號。它將這些反射映射到用戶如何與環(huán)境（例如，訪問藥品柜）以及彼此（例如，一起看電視）進行交互。

3.2使用Win進行活動識別

現(xiàn)如今，已經(jīng)提出了一些基于WiFi的人類活動識別系統(tǒng)，大都是基于CSI工具來使得研究人員可以從無線數(shù)據(jù)包中提取物理層級別的CSI，這無須部署特殊硬件，但需要設(shè)置WiFi設(shè)備以高速率發(fā)送數(shù)據(jù)包即使在沒有數(shù)據(jù)通訊的情況下。CARM是一種基于CSI的人類活動識別和監(jiān)測系統(tǒng)，它有兩個理論基礎(chǔ)：CSI速度模型，量化CSI值動態(tài)和人體運動速度之間的相關(guān)陛;CSI活動模型，量化不同人體部位的運動速度與特定人類活動之間的相關(guān)性。速度模型方法背后的原理是當多路徑的長度改變時，CFR功率根據(jù)路徑長度變化而變化。

基于WiFi而現(xiàn)有的利用無線射頻信號的人體行為識別技術(shù)中，利用改造商用Wi-Fi路由獲取信道狀態(tài)信息進行人體運動識別是最具前景的實現(xiàn)方式，但需要改變路由器發(fā)包速率導致影響信號通信，并且在室外環(huán)境下，這種可用性前提將大大降低。另外，在多個用戶同時運動時，由于對信號的反射相關(guān)干擾，還會降低用戶動作的識別準確度。

3.3使用RFID進行活動識別

使用RFID的系統(tǒng)可以將RFID標簽連接到非生命物體中，其背后原理是捕捉無源標簽的后向散射產(chǎn)生的頻移。通過這種設(shè)計，系統(tǒng)可以知道用戶訪問了哪個對象以及它發(fā)生了什么。盡管這種系統(tǒng)不會直接監(jiān)視人類活動，但它仍然可以工作，因為可以通過了解人類正在利用的對象來隱式推斷許多活動。例如，如果我們知道熱水器已經(jīng)打開，則可以推斷出人類正在洗澡。而且它們很便宜，可以按需部署。

3結(jié)束語

本文是對活動識別方法的全面綜述。根據(jù)傳感技術(shù)，現(xiàn)有的活動識別系統(tǒng)主要可以分為兩類：基于傳統(tǒng)傳感器和基于無線信號傳感器的活動識別技術(shù)。其中，基于傳統(tǒng)傳感器的可以分為兩個子類別：基于穿戴傳感器和基于攝像頭的技術(shù)。而基于無線信號的也可分為多種無線技術(shù)。本文討論各個類型的HAR方法，對于每種單獨的方法，介紹了其主要應(yīng)用程序和技術(shù)。此外，還涵蓋了它們的優(yōu)缺點。利用無線信號對于用戶的侵犯較低且不受光照，角度等條件的限制，具有廣闊的發(fā)展前景，尤其是在5G到來的新曙光中。