Aplikace & Limity zobrazování pomocí WiFi

Informační technologie, obecně známé jako IT, pokročily v mnoha odvětvích, jako je automobilový průmysl, bydlení, software a medicína. Odborníci a vědci z oblasti IT také zkoumali možnosti výkonné zobrazovací technologie známé jako Wi-Fi zobrazování.

Výpočetní zobrazovací technologie má v oblasti detekce a identifikace objektů široký záběr. Vědci navrhli mnoho technik využívajících tradiční mikrovlnné zobrazování. Nemohli však dosáhnout produktivních výsledků.

Proto vyvinuli pokročilou technologii a zavedli zobrazování pomocí Wi-Fi, kterému se budeme věnovat v tomto příspěvku.

Co je bezdrátové zobrazování?

Bezdrátové snímání je technologie, která snímá a přenáší obraz prostřednictvím bezdrátové sítě. To může znít jednoduše, ale není.

Bezdrátové zobrazování je široký pojem, který zahrnuje různá odvětví, včetně:

• Automobil
• Chytrá domácnost nebo IoT
• Průmyslové aplikace

Projdeme si aplikace a případy použití zobrazování pomocí WiFi. Nejprve si však ujasněme, co je to za technologii.

Úvod

Technologie Wi-Fi neboli bezdrátového internetu byla zavedena v roce 1997, kdy lidé začali používat moderní síťová zařízení. Předtím byly zdrojem internetu telefonní linky a podobná jiná kabelová připojení.

Vzhledem k tomu, že tato technologie byla stará, uživatelé si s kabelovým internetem nikdy nepolepšili. Byl pomalý a plný výpadků sítě. Nebyl také spolehlivý, protože data odesílaná ze zdroje do cíle byla riskantní záležitostí.

Postupem času přišla asociace Wi-Fi s pokroky v bezdrátových technologiích a modernizovala zařízení Wi-Fi. To se týkalo směrovačů, modemů, přepínačů a zesilovačů.

Tato zařízení se řídí standardy IEEE WLAN, které fungují se všemi typy síťových stanic. Nejběžnějším standardem WLAN používaným v našich domácích internetových připojeních je 802.11ax.

Všichni víme, jak důležitou se technologie Wi-Fi stala v našem životě. Následují běžné způsoby využití Wi-Fi:

• Komunikace
• Sdílení dat
• Online hraní

S tím, jak se Wi-Fi rozšířila téměř do všech obytných prostor, vědci zjistili, že Wi-Fi lze využít i pro další aplikace. Jedním z objevů, na který přišli, byl pokrok v procesu mikrovlnného zobrazování pomocí signálů Wi-Fi.

Než budeme pokračovat, vysvětleme si několik technických pojmů používaných v tomto článku.

Prostorová frekvenční oblast

Prostorová doména se vztahuje ke statickému obrazu jakéhokoli objektu, zatímco frekvenční doména analyzuje obraz s jeho pohyblivými pixely. To znamená, že přijímače při zobrazování pomocí Wi-Fi zachycují informace o obraze v prostorové frekvenční doméně.

Pasivní bistatický radar WiFi

Bistatický radar je zařízení používané k měření dosahu radarového systému, který má oddělené vysílače a přijímače WiFi. V pasivním bistatickém radarovém systému WiFi měří přijímače rozdíl v čase, kdy signál dorazí z vysílačů.

Tyto přijímače jsou také zodpovědné za výpočet času vysílaných signálů WiFi odražených od skutečného cíle.

Mikrovlnné zobrazování vs. zobrazovací systém WiFi

Mikrovlnné zobrazování je starší technologie než zobrazování pomocí WiFi. Hlavním důvodem, proč vědci přistoupili k modernizaci technologie, je to, že mikrovlnné zobrazování spotřebuje více času na zpracování.

Tato zobrazovací technika představovala mechanické a elektrické snímání paprsku, které vykazovalo dobré výsledky. Nevýhodou však byla doba sběru dat u obou technik, která zpožďovala zpracování snímků při zobrazování prostorové frekvence.

Pro detekci a identifikaci objektů bylo vhodnější mikrovlnné snímání. Naskenované vzorky byly opět zpracovány pomocí špičkové technologie. Hlavním problémem však opět bylo časové omezení pro skenování paprsku nad polem.

Vědci použili stejnou technologii také pro detekci objektů, ale nemohli pokročit, protože zařízení nedokázala zachytit nízké tepelné elektromagnetické záření generované lidmi.

Vyžadovaly velké investice do nákupu moderního přijímače a zařízení pro zpracování signálu s vysokou citlivostí a širším pásmem.

Zobrazovací systém WiFi

Technologická modernizace začala používáním Wi-Fi. Všichni ale samozřejmě víme, že Wi-Fi je všudypřítomná, což znamená, že je dostupná na každém místě.

Ať už jste doma, v kanceláři, v restauraci, na nádraží nebo na stadionu, vaše zařízení s Wi-Fi přijímají bezdrátový signál. To je důvod, proč vědci využili Wi-Fi a vylepšili mikrovlnné snímání.

Vědci také použili Wi-Fi k detekci a klasifikaci lidí při zobrazování skrz zdi. Protože rádiové vlny snadno pronikají skrz záclony, látky a stěny, je Wi-Fi výkonným nástrojem pro zobrazování složitých objektů.

Zpracování signálu je také produktivnější u záření Wi-Fi, protože je neprůhledné na optických a infračervených vlnových délkách.

Nová technika proto využívá tradiční mikrovlnné zobrazování pomocí signálů Wi-Fi. Nezávislé vysílače WiFi osvětlující tyto signály jsou zodpovědné za zahájení procesu, zatímco přijímač zachycuje informace o obrazu v prostorovém frekvenčním vzorkování a doméně.

Nový zobrazovací systém Wi-Fi využívá pasivní radarové techniky na záření třetích stran. Pasivní radar využívá toto záření pro:

• Detekce
• Sledování

Dalším rozdílem mezi mikrovlnným a WiFi zobrazováním je, že první z nich využívá ke zpracování snímků řídká anténní pole. Ta bohužel měří pouze velmi nízké tepelně generované EM záření.

Na druhou stranu modernizovaná technologie využívá signály Wi-Fi, které pracují na běžných přijímačích s frekvencí 25 MHz a integrační dobou 10 mikrosekund. Frekvence a integrační doba se pomocí signálů Wi-Fi pro výpočetní zobrazování zlepšují.

Navrhovaná metoda v modernizované verzi mikrovlnného zobrazovacího systému tedy může fungovat na levném zařízení a přinášet lepší výsledky. Pro použití řídkého pole není třeba investovat do širokopásmových přijímačů.

Stávající přijímače mohou využívat signály Wi-Fi, protože jsou dostupné téměř všude. V přiděleném čase také zůstávají pouze korelované složky signálu. Proto tyto signály mohou zvýšit výpočetní zobrazování pro účely snímání a komunikace.

Proč je Wi-Fi zobrazování lepší přístup?

Zobrazování pomocí signálů Wi-Fi je z různých důvodů lepší než předchozí technologie. Například zobrazování pomocí zpracování signálů Wi-Fi spočívá v zachování soukromí.

Také nemusíte utrácet tisíce dolarů za nákup špičkových přijímačů. Měření výkonu WiFi stačí k analýze detekce a klasifikace objektů, aby bylo snímání úspěšné.

Přestože je k dispozici specializovaný hardware pro zobrazování, vyžaduje další doplňky, které výrazně zvyšují náklady na projekt.

Pomocí vzorkované prostorové frekvenční informace výsledky ukázaly lokalizaci lidských a kovových objektů. To prokázalo úspěšnost Wi-Fi zobrazování s následující mediánovou přesností:

• 26 cm pro statické lidské subjekty
• 15 cm pro statické kovové předměty

Omezení zobrazování pomocí Wi-Fi

Mikrovlnné zobrazování pomocí signálů Wi-Fi je bezpochyby výkonnou technologií pro lokalizaci lidí a dalších objektů. Lze snadno lokalizovat polohu určitého souboru lidí a objektů. Při implementaci zobrazování pomocí Wi-Fi však existují určitá omezení.

Pojďme si o nich promluvit.

Velikost objektu

Navržená technologie zobrazování Wi-Fi se opírá o velikost objektu. Zobrazovací systém lokalizuje objekty velkých rozměrů. Např:

• Gauč
• Tabulky
• Velká okna

Není pochyb o tom, že objekty velkých rozměrů se snadno detekují a lokalizují díky jejich přehledným rozměrům. Ať už se používá 2D nebo 3D technologie, algoritmy zpracování obrazu snadno identifikují objekty velkých rozměrů, aniž by na to musely vynaložit mnoho času.

Když připravujete systém pro zpracování obrazu, musíte ho nejprve nechat naučit se objekty jako vzorky. Tento proces se nazývá strojové učení, jedna z nejběžnějších oblastí umělé inteligence (AI).

Strojové učení je základním krokem jakéhokoli typu zobrazování. Chcete-li vytvořit technologii, aniž byste systém před zobrazováním krmili, musíte si koupit výkonné zařízení s umělou inteligencí, které analyzuje objekt jako člověk. Utrácet příliš mnoho peněz jen kvůli pohodlí však není moudré, protože strojové učení lze snadno implementovat.

Proto je třeba systém zásobovat vzorky objektů, aby zachycení vysílaných signálů WiFi mohlo přinést lepší výsledky než přijímače používané při tradiční radarové detekci a mikrovlnném zobrazování.

Materiál

Při použití Wi-Fi zobrazování pro detekci a lokalizaci záleží také na materiálu objektu. Navrhovaný systém například poskytuje slibné výsledky, pokud má objekt reflexní povrchy.

Například kovové povrchy se vždy osvědčily jako lepší objekty, a to i pro optické nebo infračervené frekvence.

Stejný princip platí i zde: objekt velkých rozměrů s reflexním povrchem se zobrazuje snadněji než malé kovové předměty. Proč?

Lesklý předmět sice dobře odráží signály WiFi, ale jeho malá velikost způsobuje, že je jeho průřez pro přicházející záření přeplněný. V důsledku toho si vysílané signály WiFi nemohou tento předmět správně představit.

Dalším problémem rozměru objektu je, že když se jeho velikost stane úměrnou vlnové délce WiFi signálu, interakce mezi oběma entitami se sníží.

Jak vyřešit omezení poměru rozměru a frekvence?

Zobrazovací systém Wi-Fi vyžaduje značný rozdíl mezi velikostí objektu a vlnovou délkou přítomných signálů WiFi. Pokud je velikost objektu velká, musí být vlnová délka signálů WiFi menší a naopak.

Pro snížení vlnové délky signálů WiFi je třeba vysílat na vyšší frekvenci, tj. 5 GHz. Stále však neexistuje konkrétní výsledek, že by signály WiFi o nízké frekvenci v pasivních interferometrických zobrazovacích systémech fungovaly s menšími objekty.

Důvodem je menší plocha průřezu, která neumožňuje, aby korelované složky signálu zůstaly nedotčeny při zobrazování skrz stěnu.

Některé z menších objektů, které byly odebrány během několika experimentů, byly:

• Mince
• Klíče
• Bezpečnostní kolík

Kromě použití různých zařízení se sleduje změna frekvenčního rozsahu pro detekci objektů s menším prostorovým rozlišením.

Rozlišení obrazu

Rozlišení obrazu je zásadní vlastností navrhované technologie. Navíc závisí na následujících dvou faktorech:

• Vlnová délka signálu Wi-Fi
• Délka anténního pole

Rozlišení zobrazení můžete zvýšit zachováním konstantní vlnové délky signálu a zvětšením délky anténní soustavy.

Během experimentu se vědci snažili zvýšit rozlišení obrazu zvýšením frekvence na 5 GHz, čímž se zkrátila vlnová délka. Poté nezměnili vlnovou délku zpracování signálu a délku anténního pole.

V důsledku toho vědci nezaznamenali žádné zvýšení rozlišení při zobrazování. Dalším klíčovým zjištěním bylo, že počet antén při zobrazování nehraje roli.

Pokud umístíte anténu do správné polohy, můžete dosáhnout produktivních výsledků pouze s dvojicí antén. Proč?

Anténní pole zachycují záření ze sledovaného objektu. Použití více anténních míst nepochybně zvyšuje pravděpodobnost optimálního rozlišení snímků, ale je to otázka nákladově efektivní technologie.

Kromě toho společnosti vyrábějí také levné antény pro zobrazovací technologii Wi-Fi, aby zvýšily její rozsah a účinnost.

Objekt si tedy můžete představit pouze s měřením výkonu WiFi, pokud zachováte konstantní délku anténní soustavy. Změna příchozího frekvenčního rozsahu může také ovlivnit rozlišení snímání.

Objektová orientace

Dalším omezením v navrhované technologii je orientace objektu. Zobrazovací systém WiFi vyžaduje, aby se objekt nacházel v obrazci vysílaného záření. Již víte, že EM vlny vytvářejí pole a pohybují se v určitém rytmu. Toto pole se stává trendem pro následující vlny.

Pokud do tohoto pole umístíte objekt, jehož orientace leží ve vychylovací poloze, nedosáhnete pravdivých výsledků. Proto je důležité udržet orientaci objektu v rámci obrazce vysílaného záření.

Kromě toho můžete tento problém řešit následujícími způsoby:

• Optimálně nastavte umístění antén.
• Vyberte si antény, které mají lepší vyzařovací diagram.

Pro získání užitečného výsledku ve dvou prostorových frekvenčních dimenzích je důležité znát horizontální a vertikální osu vzoru.

Aplikace zobrazování pomocí Wi-Fi

Pro komerční a průmyslové účely se používá několik aplikací zobrazování pomocí Wi-Fi. Například.

Sledování zásob

Nákupní centra a nákupní střediska používají k řízení zásob vozíky využívající radarové senzory. Tyto radarem řízené vozíky nepotřebují žádné senzorové značky, protože každý vozík pracuje se speciálním ID.

Databáze rozdělí vozíky do několika týmů a nadřízený pak každému týmu přidělí úkol.

Tyto vozíky jsou úspěšné při efektivním řízení zásob ve skladech. Zákazníci si navíc mohou tyto vozíky pořídit i v prostorách marketu a užívat si nakupování pomocí bezhotovostního systému.

Chytré domy

IoT je dalším velkým průlomem v oblasti bydlení. Zobrazovací technologie Wi-Fi provádí tradiční radarovou detekci pro identifikaci velkých objektů, včetně:

• Dveře
• Windows
• Lednice

Pro kontrolu velkých objektů v domě můžete rozmístit antény a potřebné senzory. Například prostorové frekvence měřené soustavou antén mohou ověřit existující komunikační signály a informovat vás o stavu objektu.

Kromě toho můžete celý systém naprogramovat pomocí průměrné vzájemné prostorové koherence a horizontálního a vertikálního směru k řízení pohybu objektu pomocí zpracování signálu Wi-Fi.

Hlavním omezením této aplikace je stabilní síť, protože pasivní zobrazovací systémy potřebují k analýze rozměrů objektu signály WiFi.

Nejčastější dotazy

Co je WiFi Doppler?

WiFi Doppler je technologie snímání, která ke zjištění polohy a pohybu objektu využívá pouze jedno zařízení WiFi. K získání výsledků pomocí WiFi Doppler nepotřebujete více zařízení WiFIi.

Vidí WiFi skrz zdi?

Ano. Pomocí signálů Wi-Fi můžete vidět skrz zdi.

Jak dosáhnout průniku WiFi do zdi?

1. Zvyšte výkon Wi-Fi v budově pomocí prodlužovačů dosahu Wi-Fi.
2. Nasazení sítě mesh.

Více signálů WiFi přenášených přes sebe navzájem. Jak?

Pokud routery pracují na stejném kanálu, signály WiFi se obvykle protínají.

Mohou signály WiFi přinést výsledky prostřednictvím zobrazování stěn?

Ano, protože WiFi využívá rádiové vlny, které mohou pronikat zdmi.

Závěr

Zobrazování pomocí Wi-Fi se v oblasti zpracování obrazu stává běžnou záležitostí, protože je k dispozici téměř v každém obytném, obchodním a průmyslovém prostoru. Proto bude využití zobrazování pomocí Wi-Fi k detekci polohy a pohybu objektu další velkou technologií, která bude přínosem pro člověka.