利用無人機和WiFi的三維穿牆成像

知識 07-13

加州大學聖巴巴拉分校(UCSB)Yasamin Mostofi教授實驗室的研究者首次演示了利用尋常無線信號實現穿牆三維物體成像。該技術利用了兩台無人機協力合作，有大量應用，包括緊急搜尋營救、考古發現以及結構檢測。

UCSB電子和計算工程教授Mostofi說道：「我們提出的方法使得無人機(UAV)能僅利用WiFi信號建立穿牆三維細節圖像。這一方法只使用了WiFi接收信號強度指示(RSSI)測量，無需任何關注區域的先驗測量，也不需要對象移動來成像。」

該成果已經於今年4月發表在美國計算機協會/IEEE國際感測器網路信息處理會議上。

利用無人機和WiFi的三維穿牆成像
credit: 煎蛋畫師Dealter

在該實驗中，兩個自動八旋翼無人機起飛並飛出一個封閉四邊磚房，無人機完全不知道磚房內部情形。在飛行中，其中一個無人機不斷發射WiFi信號，為進行三維成像，另一個無人機測量其接收功率。在經過一些提出的路徑之後，無人機利用研究者研發的成像方法揭示牆後的區域，產生內部物體的三維高解析度圖像。所產生的三維圖像與真實區域匹配得很好。

該項目的主導博士生Chitra R. Karanam說道：「高解析度三維穿牆成像，比如磚牆或者混凝土牆，非常具有挑戰性，也是所提出方法的主要出發點。」

這一進展是建立在Mostofi實驗室先前的工作基礎之上的，即探索利用類似於WiFi的日常無線電頻率信號進行感知和成像。實驗室在2010年發表了只利用WiFi成像的首個演示，隨後又有其他相關工作。

Mostofi說道：「不過，由於未知量個數增加得太多，真實區域的三維穿牆成像也愈發具有挑戰性。」他們先前的二維方法利用了前後工作的地面機器人，而三維實驗的成功則是由於無人機能從不同角度接近該區域以及新提出的技術。

研究者實現三維穿牆成像的方法包含四個緊密集成的關鍵步驟。首先，他們提出能儘可能多的捕獲三維空間變化的機器人路徑，同時維持操作的效率。

然後，他們將三維未知區域建模為馬爾可夫隨機場(MRF)以捕捉空間依賴性，並利用基於圖的置信傳播方法根據周邊立體像素的決策更新每個立體像素的成像值。

隨後，為了近似傳輸波與關注區域的相互作用，研究者利用了一個線性波模型。

最後，他們利用WiFi測量信息的壓縮性，僅利用4%的測量信息對區域進行成像。值得注意的是他們的實驗設備是由現成的單元單獨構成的，比如無人機，WiFi收發器和Tango平板電腦。

論文原文：DOI: http://dx.doi.org/10.1145/3055031.3055084

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。Sonia Fernandez

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