傳感器信息轉(zhuǎn)換方法在智能感知中的應(yīng)用研究

衡霞，李宏斌

（1.西安郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，西安710121；2.西安郵電大學(xué)陜西省網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析與智能處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710121；3.陜西中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，咸陽712046）

0 引言

隨著傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，未來的傳感技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展將朝著具有感、知、聯(lián)一體化功能的智能感知系統(tǒng)方向發(fā)展[1]。智能手機(jī)正迅速成為人們?nèi)粘Ｉ钪泻诵牡挠?jì)算和通信設(shè)備，并內(nèi)置了越來越多功能強(qiáng)大的傳感器，如麥克風(fēng)、攝像頭、光線感應(yīng)傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、磁力傳感器、加速度傳感器、陀螺儀傳感器和近場通信傳感器等，這些附帶在移動(dòng)終端上的傳感器為普適學(xué)習(xí)提供了實(shí)現(xiàn)情境感知的基礎(chǔ)[2]。

基于智能手機(jī)的人體行為識(shí)別目前正面臨著許多挑戰(zhàn)。在進(jìn)行行為識(shí)別的過程中，不可避免地將在手機(jī)上執(zhí)行復(fù)雜的分類算法，這對手機(jī)的硬件設(shè)備將是一大挑戰(zhàn)[3-4]；另外，由于手機(jī)用戶使用習(xí)慣的多樣化，如手機(jī)放置位置不同，是常握在手中，還是放在褲兜或手提包里，以及手機(jī)具體的方向不同，這些都將會(huì)直接影響到對用戶行為進(jìn)行識(shí)別分析的結(jié)果。目前智能手機(jī)都有內(nèi)置傳感器，用來測量運(yùn)動(dòng)、屏幕方向和各種環(huán)境條件。這些傳感器能夠提供高度精確的原始數(shù)據(jù)，非常適合用來監(jiān)測設(shè)備的三維移動(dòng)或定位，或監(jiān)測設(shè)備周圍環(huán)境的變化。Android平臺(tái)支持三大類傳感器，其中動(dòng)態(tài)傳感器可以測量三個(gè)軸向上的加速力和旋轉(zhuǎn)力，具體包含加速度計(jì)、重力傳感器、陀螺儀和旋轉(zhuǎn)矢量傳感器。在采集數(shù)據(jù)時(shí)都是依據(jù)手機(jī)坐標(biāo)系，當(dāng)手機(jī)放置的位置或者方向發(fā)生改變時(shí)，這些數(shù)據(jù)會(huì)隨之改變[5]。在同類研究中，大多數(shù)都是使用手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器來檢測用戶的運(yùn)動(dòng)情況。文獻(xiàn)[6]提出一種去除重力矢量的垂直方向加速度分析方法；文獻(xiàn)[7]在此基礎(chǔ)上計(jì)算出水平方向加速度，當(dāng)用戶把手機(jī)放在褲兜中行走時(shí)進(jìn)行識(shí)別；文獻(xiàn)[8]采用濾波的方法把每個(gè)軸的加速度都去除重力矢量以提高識(shí)別正確率；文獻(xiàn)[9]提出一種將手機(jī)坐標(biāo)系映射到參考坐標(biāo)系的方法，但該方法只對16個(gè)特定的方向進(jìn)行了討論；文獻(xiàn)[10]使用一組傾斜不變性運(yùn)算對原始加速度進(jìn)行補(bǔ)償修正。從上述研究中可見，傳感器放置的位置和方向?qū)θ梭w行為識(shí)別的正確率有很大影響。

因此為了提高行為識(shí)別正確率，減少手機(jī)方位對采集數(shù)據(jù)的影響，本文提出一種將原始加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一參考坐標(biāo)系的方法。該參考坐標(biāo)系完全獨(dú)立于手機(jī)坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換后的加速度數(shù)據(jù)有了清晰的物理含義，能夠更準(zhǔn)確地反映出人體在每個(gè)坐標(biāo)軸方向的運(yùn)動(dòng)趨勢。

1 信息轉(zhuǎn)換方法

從手機(jī)傳感器上得到的數(shù)據(jù)都是相對于手機(jī)坐標(biāo)的，在行走過程中手機(jī)在不斷晃動(dòng)，它的坐標(biāo)系也在不斷變換，不便于進(jìn)行實(shí)際運(yùn)算，因此需把測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到一個(gè)相對穩(wěn)定的參考坐標(biāo)系，從而消除手機(jī)姿態(tài)對采集數(shù)據(jù)的影響。

1.1 手機(jī)坐標(biāo)系

手機(jī)坐標(biāo)系的確定與手機(jī)屏幕相關(guān)。x軸為手機(jī)屏幕平面中向右指的方向，反之為-x；y軸為手機(jī)屏幕平面中向上指的方向，垂直于x軸；而z軸為垂直于手機(jī)屏幕平面正上方向外指的方向，如圖1所示。手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器在每一個(gè)采樣點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，除了三軸加速度還有三個(gè)角度變化，分別為azimuth、pitch和roll。

Azimuth表示磁北極和手機(jī)坐標(biāo)系y軸夾腳；Pitch表示x軸和水平面的夾角，當(dāng)z軸向y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，角度為正值；Azimuth和Pitch的取值范圍為[-180°，+180°]；Roll表示y軸和水平面的夾角，當(dāng)x軸向z軸移動(dòng)時(shí)，角度為正值，它的取值范圍為[-90°，+90°][5]。

圖1手機(jī)坐標(biāo)系

1.2 參考坐標(biāo)系

研究中涉及的參考坐標(biāo)系是基于標(biāo)準(zhǔn)正交基，X軸方向正切手機(jī)當(dāng)前所在位置的地面，直指東方；Y軸方向同樣正切于該地面指向磁北極；Z軸方向則垂直于地面指向天空[5]。如圖2所示。在參考坐標(biāo)系中，X、Y軸數(shù)據(jù)記錄用戶在水平方向（前/后，左/右）的移動(dòng)，Z軸數(shù)據(jù)則記錄用戶在垂直方向（上/下）的移動(dòng)。

圖2參考坐標(biāo)系

1.3 轉(zhuǎn)換原理

不同坐標(biāo)系之間的變換，可以通過繞不同坐標(biāo)軸的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)并建立兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)之間一一對應(yīng)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)。歐拉角是用來唯一地確定定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛體位置的三個(gè)一組的獨(dú)立角參量，能夠用來描述任意旋轉(zhuǎn)，它的基本思想是將角位移分解為繞三個(gè)互相垂直軸的三個(gè)旋轉(zhuǎn)組成的序列，對于任何參考系，一個(gè)剛體的取向都可以依照旋轉(zhuǎn)順序來進(jìn)行轉(zhuǎn)換[11]。借鑒這種思想，并參考文獻(xiàn)[11]中剛體坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系之間互相轉(zhuǎn)換方法，可以計(jì)算出參考坐標(biāo)系下的三軸加速度數(shù)據(jù)為：

其中R表示描述剛體取向的旋轉(zhuǎn)矩陣，即從手機(jī)坐標(biāo)系到參考坐標(biāo)系的映射方法，R由三個(gè)基本旋轉(zhuǎn)矩陣復(fù)合而成，變量a、p、r分別表示azimuth、pitch和

圖3（a-b）重點(diǎn)對比用戶在上樓、下樓兩種運(yùn)動(dòng)中，三軸加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前后的效果圖。在轉(zhuǎn)換后的參考坐標(biāo)系中，X軸、Y軸加速度數(shù)據(jù)記錄用戶在水平方向的移動(dòng)，Z軸加速度數(shù)據(jù)則記錄用戶在垂直方向的移動(dòng)。針對上下樓兩種不同的運(yùn)動(dòng)方向，從圖中可以看到未轉(zhuǎn)換前上樓和下樓運(yùn)動(dòng)的Z軸加速度數(shù)據(jù)均在[0，5]區(qū)間內(nèi)變化，無法明顯的區(qū)分兩種運(yùn)動(dòng)；而轉(zhuǎn)換后的Z軸加速度在不同的幅度區(qū)間內(nèi)震蕩，上樓的z軸加速度數(shù)據(jù)介于[5，10]區(qū)間內(nèi)變化，下樓的z軸加速度數(shù)據(jù)介于[-7，-2]區(qū)間內(nèi)變化，轉(zhuǎn)換后的z軸加速度能更準(zhǔn)確地反映出用戶在垂直方向的運(yùn)動(dòng)趨勢。

選取一個(gè)用戶，將他在靜止、走路、跑步、上下樓五種行為中采集的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，每種行為的有效數(shù)據(jù)集為2.5秒。如圖所示，未轉(zhuǎn)換的Z軸加速度數(shù)據(jù)在五種行為中無明顯變化，但坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后Z軸加速度數(shù)據(jù)直接反映出用戶不同行為的特點(diǎn)和變化規(guī)律。相對走路時(shí)采集的數(shù)據(jù)，跑步時(shí)用戶在垂直方向的運(yùn)動(dòng)幅度更大，因此Z軸加速度數(shù)據(jù)震蕩幅度明顯增大；在上樓、下樓時(shí)，人體運(yùn)動(dòng)方向與參考坐標(biāo)系Z軸一致或相反，在圖中可以清晰看到轉(zhuǎn)換后Z軸加速度數(shù)據(jù)取值范圍的變化。

圖3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前后兩種行為的加速度數(shù)據(jù)對比

圖4坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前后五種行為的加速度數(shù)據(jù)對比

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)中我們選取了5位年齡段在22至30歲之間的實(shí)驗(yàn)者，用智能手機(jī)在自然環(huán)境中采集數(shù)據(jù)。每組實(shí)驗(yàn)者都將手機(jī)分別握在手中、放在褲兜或放在手提包里對五種不同的行為（靜止、走路、跑步、上樓、下樓）采集數(shù)據(jù)。對每一個(gè)行為的采集數(shù)據(jù)周期默認(rèn)設(shè)置為5秒，用戶在采集數(shù)據(jù)剛一開始因放置手機(jī)等操作，前2秒采集的數(shù)據(jù)將舍棄不予考慮。因支持向量機(jī)在解決小樣本、非線性及高維模式識(shí)別中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢，選取支持向量機(jī)作為分類器[12-13]。研究中設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法對不同個(gè)人、不同行為的識(shí)別正確率的影響。

在第一組實(shí)驗(yàn)中用不同實(shí)驗(yàn)者的數(shù)據(jù)對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行了驗(yàn)證。首先匯總每位實(shí)驗(yàn)者在三個(gè)不同位置對五種行為采集的數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)按照歐拉矩陣映射到參考坐標(biāo)系，對每位實(shí)驗(yàn)者的數(shù)據(jù)集隨機(jī)選取70%作為訓(xùn)練集，剩余30%作為測試集；用分類器訓(xùn)練識(shí)別兩次來對比轉(zhuǎn)換前后的效果。表1羅列出每位實(shí)驗(yàn)者的五種不同行為的識(shí)別正確率。

表1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前后不同實(shí)驗(yàn)者的識(shí)別正確率

如表1的數(shù)據(jù)顯示，在對加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，每位實(shí)驗(yàn)者總體的行為識(shí)別率都有所提高，五個(gè)實(shí)驗(yàn)者平均的提高率為19.64%。

在第二組實(shí)驗(yàn)中，為了驗(yàn)證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法對不同行為的有效性，先將五位實(shí)驗(yàn)者采集的所有數(shù)據(jù)匯總作為一個(gè)數(shù)據(jù)集，按照實(shí)驗(yàn)一中同樣比例分配訓(xùn)練集和測試集；再分類訓(xùn)練識(shí)別兩次來對比轉(zhuǎn)換前后的識(shí)別效果，如表2所示。

表2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前后不同行為的識(shí)別正確率

考慮到不同實(shí)驗(yàn)者之間個(gè)體行為存在差異，該實(shí)驗(yàn)總體的行為識(shí)別正確率相對第一組實(shí)驗(yàn)略有下降。但轉(zhuǎn)換后的Z軸加速度數(shù)據(jù)有了更清晰的物理含義，能夠直接反映出實(shí)驗(yàn)者在垂直方向的運(yùn)動(dòng)趨勢，因此對于走路、上樓、下樓這三種近似行為的識(shí)別正確率有了明顯提高，如圖5所示，平均對五種行為的識(shí)別效率提高了17.09%。

圖5

3 結(jié)語

本文主要針對手機(jī)內(nèi)置傳感器采集信息的設(shè)備方向獨(dú)立性進(jìn)行研究，提出一種將手機(jī)內(nèi)置傳感器采集的加速度數(shù)據(jù)從手機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一參考坐標(biāo)系的方法。并結(jié)合人體基本行為數(shù)據(jù)集的識(shí)別過程，對比傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前后對不同用戶、不同行為的識(shí)別正確率的影響，兩組實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了該方法的有效性。