CN105653022B - 基于rfid运动流形分析的人机交互投影装置及其算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于RFID运动流形分析的人机交互投影装置，包括RFID定向天线、UHF高频阅读器、无线收发器和工业控制计算机，在原有的球幕投影系统侧面5米范围内部署一个RFID定向天线，UHF高频阅读器与RFID定向天线相连，获取RFID标签信号；UHF高频阅读器与工业控制计算机相连，将采集到的位置数据传送到工业控制计算机进行处理，工业控制计算机使用带参数的刚体运动方程拟合RFID标签运动留下的位置点云，分析出其运动模式和轨迹在三维空间中的几何特征，进而为人机交互系统的交互动作提供重要的几何参数。处理好的数据通过无线网络传给球幕投影系统。通过上述方式，本发明通过提取标签的运动特征来帮助理解标签佩戴者的手势运动意图从而实现人机交互。

Description

基于RFID运动流形分析的人机交互投影装置及其算法
技术领域
本发明涉及RFID定位领域，特别是涉及一种基于RFID运动流形分析的人机交互算法及其应用。
背景技术
球幕或者弧幕设备在展示特定内容时具有天然的优势，如使用球幕投影动态地球仪、在波浪形幕布上投影海浪水流等，比在平面上模拟三维效果更佳直观，并易于人们理解和接受。为了在已有球幕、弧幕投影设备上实现人机交互，需要寻找一种无需对现有球幕投影设备硬件特别是球幕部分进行改造，即可实现将球幕转化成触控屏幕的方法，并实现对球幕投影内容的方向和角度的交互控制。
现有的技术方案，依赖于带有触控功能的屏幕或者定位传感器获取屏幕表面压力点的位置来实现人与屏幕之间的交互操作。整个系统依赖于带有触控功能的屏幕设备，在曲面屏幕上实现成本更高，在球面等大曲率表面更无法同时实现显示与触控操作。同时，在人机交互过程中，需要人手触摸到屏幕或者施加一定压力，并且对实施触摸控制的物体材质有较为严格的限制。现有技术的缺点是需要依赖于具有触控功能的屏幕设备，无法实现在大曲率曲面或者不规则曲面上的触控交互；需要接触屏幕，才能实现人机交互；无法实时提取交互轨迹在三维空间的几何特征，比如倾斜角度。
三维空间中按照特定轨迹运动的物体，都符合一种统一的运动模式。RFID标签在弧幕表面或者空间中沿特定轨迹的连续运动符合物理学中刚体运动的特征。使用带参数的刚体运动方程拟合RFID标签运动留下的位置点云，能够分析 出其运动模式和轨迹在三维空间中的几何特征，进而为人机交互系统的交互动作提供重要的几何参数。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于RFID运动流形分析的人机交互投影装置及其算法，通过提取标签的运动特征来帮助理解标签佩戴者的手势运动意图从而实现人机交互；在不改变已有球幕投影屏幕系统显示机构的基础上，使用贴有RFID标签的任意物品控制投影内容的显示方式，如：倾斜角度、旋转方向、旋转速度等；通过识别贴有RFID标签的物体运动来控制投影内容的运动并保证实时性；通过识别贴有RFID标签的物体运动来控制投影内容的运动并保证误差在毫米范围内；无须特定物体接触屏幕即可控制曲面投影内容的方向。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于RFID运动流形分析的人机交互算法，包括：通过定向天线采集从RFID标签反射回来的反射波的相位差，实时估算标签在三维空间中的位置和速度矢量，从而得到由各个采样时间点速度矢量组成的速度矢量集v＝{v1,v2...vn}和位置矢量集p＝{pt1,pt2...ptn}；通过式(1)将笛卡尔坐标系中的速度和位置矢量映射到线元空间,称之为线元；
通过(1)可以将速度矢量集映射到线元空间，得到如式(2)所示的速度矢量集合；
在欧式几何空间中，刚体运动可以表示成式(3)所示：
p(t)＝α(t)A(t)·p+α(t) (3)
这里，A(t)是旋转矩阵，α(t)是缩放因子；我们将其表示为线元形式，可以得到式(4)；
速度矢量集合中的数据，拟合刚体运动方程(4)，使用PCA即主成分分析方法来提取运动特征，即求满足方程(5)达到最小值的特征根
其中，c＝0,γ＝0表示直线，c＝0,γ≠0表示螺旋，c≠0,γ＝0，表示旋转；直线方向或者旋转、螺旋运动的旋转轴可以用式(6)表示；
将特征代回方程(5)，能够在原始采样数据对应的线元集中剔除误差点，得到精确点集圆半径可以由点ci到直线向量的平均距离 表示
采用以上算法的一种基于RFID运动流形分析的人机交互投影装置，包括RFID定向天线、UHF高频阅读器、无线收发器和工业控制计算机，在原有的球幕投影系统侧面5米范围内部署一个RFID定向天线，UHF高频阅读器与RFID定向天线相连，获取RFID标签信号；UHF高频阅读器与工业控制计算机相连，将采集到的位置数据传送到工业控制计算机进行处理，工业控制计算机使用带参数的刚体运动方程拟合RFID标签运动留下的位置点云，分析出其运动模式和轨迹在三维空间中的几何特征，处理好的数据通过无线收发器的无线网络传给球幕投影系统。
本发明的有益效果是：本发明无须对已有系统进行硬件改造，在数据处理端增加本算法，即可实现球幕、弧幕投影设备的人机交互控制；无须接触投影屏幕，也能对设备进行控制，从而使其能够运用于更加广泛的应用场合。
具体实施方式
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明实施例包括：
一种基于RFID运动流形分析的人机交互投影装置，包括RFID定向天线、UHF高频阅读器、贴有RFID标签的笔或教鞭、无线收发器和工业控制计算机，在原有的鱼眼镜头投影仪侧面5米范围内部署一个RFID定向天线，UHF高频阅读器与RFID定向天线相连，获取贴有RFID标签的笔或教鞭上的RFID标签信号；UHF高频阅读器与工业控制计算机相连，将采集到的位置数据传送到工业控制计算机进行处理，工业控制计算机使用带参数的刚体运动方程拟合RFID标签运动留下的位置点云，分析出其运动模式和轨迹在三维空间中的几何特征，处理好的数据通过无线收发器的无线网络传给鱼眼镜头投影仪系统。
一种基于RFID运动流形分析的人机交互算法，包括：通过定向天线采集从RFID标签反射回来的反射波的相位差，实时估算标签在三维空间中的位置和速度矢量，从而得到由各个采样时间点速度矢量组成的速度矢量集v＝{v1,v2...vn}和位置矢量集p＝{pt1,pt2...ptn}；通过式(1)将笛卡尔坐标系中的速度和位置矢量映射到线元空间,称之为线元；
通过(1)可以将速度矢量集映射到线元空间，得到如式(2)所示的速度矢量集合；
在欧式几何空间中，刚体运动可以表示成式(3)所示：
p(t)＝α(t)A(t)·p+α(t) (3)
这里，A(t)是旋转矩阵，α(t)是缩放因子；我们将其表示为线元形式，可以得到式(4)；
速度矢量集合中的数据，拟合刚体运动方程(4)，使用PCA即主成分分析方法来提取运动特征，即求满足方程(5)达到最小值的特征根
其中，c＝0,γ＝0表示直线，c＝0,γ≠0表示螺旋，c≠0,γ＝0，表示旋转；直线方向或者旋转、螺旋运动的旋转轴可以用式(6)表示；计算出旋转轴；
将特征代回方程(5)，能够在原始采样数据对应的线元集中剔除误差点，得到精确点集圆半径可以由点ci到直线向量的平均距离 表示计算出的旋转轨迹，A1是一个旋转轴，对应水平方向的一个圆是一个手势的轨迹；A2是第二个手势的旋转轴，对应一个倾斜的圆，是第二个手势的轨迹。
本发明通过提取标签的运动特征来帮助理解标签佩戴者的手势运动意图从而实现人机交互。无须对已有系统进行硬件改造，在数据处理端增加本算法，即可实现球幕、弧幕投影设备的人机交互控制；无须接触投影屏幕，也能对设备进行控制，从而使其能够运用于更加广泛的应用场合。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于RFID运动流形分析的人机交互算法，其特征在于，包括：通过定向天线采集从RFID标签反射回来的反射波的相位差，实时估算标签在三维空间中的位置和速度矢量，从而得到由各个采样时间点速度矢量组成的速度矢量集v＝{v1,v2...vn}和位置矢量集p＝{pt1,pt2...ptn}；通过式(1)将笛卡尔坐标系中的速度和位置矢量映射到线元空间,称之为线元；
通过(1)可以将速度矢量集映射到线元空间，得到如式(2)所示的速度矢量集合l；
在欧式几何空间中，刚体运动可以表示成式(3)所示：
p(t)＝α(t)A(t)·p+α(t) (3)
这里，A(t)是旋转矩阵，α(t)是缩放因子；我们将其表示为线元形式，可以得到式(4)；
速度矢量集合l中的数据，拟合刚体运动方程(4)，使用PCA即主成分分析方法来提取运动特征，即求满足方程(5)达到最小值的特征根
其中，c＝0,γ＝0表示直线，c＝0,γ≠0表示螺旋，c≠0,γ＝0，表示旋转；直线方向或者旋转、螺旋运动的旋转轴可以用式(6)表示；
将特征根代回方程(5)，能够在原始采样数据对应的线元集l中剔除误差点，得到精确点集l'＝{c1,c2...cn}；圆半径可以由点ci到直线向量的平均距离表示
2.一种基于RFID运动流形分析的人机交互投影装置，其特征在于，包括RFID定向天线、UHF高频阅读器、无线收发器和工业控制计算机，在原有的球幕投影系统侧面5米范围内部署一个RFID定向天线，UHF高频阅读器与RFID定向天线相连，获取RFID标签信号；UHF高频阅读器与工业控制计算机相连，将采集到的位置数据传送到工业控制计算机进行处理，工业控制计算机使用带参数的刚体运动方程拟合RFID标签运动留下的位置点云，分析出其运动模式和轨迹在三维空间中的几何特征，处理好的数据通过无线收发器的无线网络传给球幕投影系统。
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