Zastosowania & Limity obrazowania WiFi

Technologia informacyjna, powszechnie znana jako IT, przyczyniła się do rozwoju wielu gałęzi przemysłu, takich jak motoryzacja, budownictwo mieszkaniowe, oprogramowanie i medycyna. Eksperci i naukowcy z branży IT zbadali również możliwości zastosowania potężnej technologii obrazowania znanej jako obrazowanie Wi-Fi.

Technologia obrazowania komputerowego ma ogromny zakres w wykrywaniu i identyfikacji obiektów. Naukowcy opracowali wiele technik wykorzystujących tradycyjne obrazowanie mikrofalowe, jednak nie mogli uzyskać produktywnych wyników.

Dlatego też rozwinęli technologię i wprowadzili obrazowanie Wi-Fi, które omówimy w tym wpisie.

Co to jest obrazowanie bezprzewodowe?

Bezprzewodowe obrazowanie to technologia, która pozwala na przechwytywanie i przesyłanie obrazów przez sieć bezprzewodową. Może to brzmi prosto, ale tak nie jest.

Bezprzewodowe obrazowanie to szerokie pojęcie, które obejmuje wiele branż, w tym:

• Automobile
• Inteligentny dom lub IoT
• Zastosowania przemysłowe

Przejdziemy przez zastosowania i przypadki użycia obrazowania WiFi. Ale najpierw zrozummy, czym jest ta technologia.

Wstęp

Wi-Fi, czyli bezprzewodowa technologia internetowa, została wprowadzona w 1997 roku, kiedy ludzie zaczęli korzystać z nowoczesnych urządzeń sieciowych. Wcześniej źródłem internetu były linie telefoniczne i podobne inne połączenia kablowe.

Ponieważ technologia ta była stara, użytkownicy nigdy nie mieli lepszego dostępu do Internetu kablowego. Był on powolny i pełen zakłóceń sieciowych. Nie był też niezawodny, ponieważ przesyłanie danych ze źródła do miejsca przeznaczenia było ryzykowne.

Z czasem Stowarzyszenie Wi-Fi wymyśliło postępy w technologii bezprzewodowej i unowocześniło urządzenia Wi-Fi, w tym router, modemy, przełączniki i boostery.

Urządzenia te realizują standardy IEEE WLAN, które współpracują ze wszystkimi typami stacji sieciowych. Najpopularniejszym standardem WLAN stosowanym w naszych domowych połączeniach internetowych jest 802.11ax.

Wszyscy wiemy jak ważna w naszym życiu stała się technologia Wi-Fi. Poniżej przedstawiamy najczęstsze zastosowania Wi-Fi:

• Komunikacja
• Udostępnianie danych
• Gry online

W miarę jak Wi-Fi rozszerzyło swój zasięg na niemal każdą przestrzeń mieszkalną, naukowcy odkryli, że Wi-Fi może być również wykorzystywane do innych zastosowań. Jednym z odkryć, które znaleźli, było zaawansowanie procesu obrazowania mikrofalowego przy użyciu sygnałów Wi-Fi.

Zanim przejdziemy dalej, zrozummy kilka technicznych terminów używanych w tym artykule.

Przestrzenna domena częstotliwości

Domena przestrzenna odnosi się do statycznego obrazu dowolnego obiektu, natomiast domena częstotliwości analizuje obraz z jego ruchomymi pikselami. Oznacza to, że odbiorniki w obrazowaniu Wi-Fi przechwytują informacje o obrazie w przestrzennej domenie częstotliwości.

Pasywny bistatyczny radar WiFi

Radar bistatyczny jest urządzeniem służącym do pomiaru zasięgu systemu radarowego posiadającego oddzielne nadajniki i odbiorniki WiFi. W pasywnym bistatycznym systemie radarowym WiFi odbiorniki mierzą różnicę w czasie dotarcia sygnału z nadajników.

Odbiorniki te odpowiadają również za obliczanie czasu nadawanych sygnałów WiFi odbitych od rzeczywistego celu.

Obrazowanie mikrofalowe a system obrazowania WiFi

Obrazowanie mikrofalowe jest starszą technologią niż obrazowanie WiFi. Głównym powodem, dla którego naukowcy poszli na unowocześnienie technologii jest to, że obrazowanie mikrofalowe zużywa więcej czasu na przetwarzanie.

W tej technice obrazowania zastosowano skanowanie wiązką mechaniczną i elektryczną, co dało dobre rezultaty. Jednak czas akwizycji danych w obu technikach był wadą, która opóźniała przetwarzanie obrazów w obrazowaniu o częstotliwości przestrzennej.

Do wykrywania i identyfikacji obiektów preferowano obrazowanie mikrofalowe. Również w tym przypadku zeskanowane próbki były przetwarzane przy użyciu najnowocześniejszej technologii, ale ponownie głównym problemem było ograniczenie czasowe skanowania wiązki nad polem.

Naukowiec wykorzystał tę samą technologię również do wykrywania obiektów, ale nie mogli dokonać postępu, ponieważ urządzenia nie były w stanie wychwycić niskiego termicznie generowanego promieniowania elektromagnetycznego od ludzi.

Wymagały one dużych nakładów na zakup nowoczesnego odbiornika i urządzeń do przetwarzania sygnałów, posiadających wysoką czułość i szersze pasmo przenoszenia.

System obrazowania WiFi

Unowocześnienie technologii rozpoczęło się od zastosowania Wi-Fi. Ale oczywiście wszyscy wiemy, że Wi-Fi jest wszechobecne, co oznacza, że jest dostępne w każdym miejscu.

Niezależnie od tego, czy jesteś w domu, biurze, restauracji, na dworcu kolejowym czy na stadionie, Twoje urządzenia wyposażone w Wi-Fi odbierają sygnały bezprzewodowe. Z tego powodu naukowcy wykorzystali Wi-Fi i unowocześnili obrazowanie mikrofalowe.

Naukowcy wykorzystali również Wi-Fi do wykrywania i klasyfikowania ludzi poprzez obrazowanie ścian. Ponieważ fale radiowe mogą łatwo przenikać przez zasłony, tkaniny i ściany, Wi-Fi jest potężnym narzędziem do obrazowania złożonych obiektów.

Przetwarzanie sygnałów jest także bardziej produktywne w promieniowaniu Wi-Fi ze względu na ich nieprzezroczystość przy długościach fal optycznych i podczerwonych.

Dlatego też nowa technika wykorzystuje tradycyjne obrazowanie mikrofalowe z wykorzystaniem sygnałów Wi-Fi. Niezależne nadajniki WiFi oświetlające te sygnały odpowiadają za inicjację procesu, natomiast odbiornik przechwytuje informacje o obrazie w przestrzennym próbkowaniu częstotliwości i domenie.

Nowy system obrazowania Wi-Fi wykorzystuje techniki pasywnego radaru na promieniowaniu stron trzecich. Pasywny radar wykorzystuje te promieniowanie do:

• Wykrywanie
• Śledzenie

Inna różnica między obrazowaniem mikrofalowym a WiFi polega na tym, że to pierwsze wykorzystuje rzadkie matryce antenowe do przetwarzania obrazów. Niestety, w ten sposób mierzy się tylko bardzo niskie promieniowanie EM generowane termicznie.

Z drugiej strony, unowocześniona technologia wykorzystuje sygnały Wi-Fi, które działają na zwykłych odbiornikach z częstotliwością 25 MHz i czasem integracji 10 mikrosekund. Częstotliwość i czas integracji zostały poprawione przy użyciu sygnałów WiFi do obrazowania obliczeniowego.

Tak więc zaproponowana metoda w zmodernizowanej wersji systemu obrazowania mikrofalowego może pracować na tanim sprzęcie i dawać lepsze rezultaty. Nie trzeba inwestować w odbiorniki o szerokim paśmie przenoszenia, aby zastosować sparse array.

Istniejące odbiorniki mogą wykorzystywać sygnały Wi-Fi, ponieważ są one dostępne prawie wszędzie. Ponadto, tylko skorelowane składniki sygnału pozostają w przydzielonym czasie. Dlatego sygnały te mogą zwiększyć obrazowanie obliczeniowe dla celów wyczuwania i komunikacji.

Dlaczego obrazowanie Wi-Fi jest lepszym podejściem?

Obrazowanie z wykorzystaniem sygnałów Wi-Fi jest lepsze od poprzednich technologii z różnych powodów. Na przykład obrazowanie z wykorzystaniem przetwarzania sygnałów Wi-Fi składa się z czynnika ochrony prywatności.

Nie trzeba też wydawać tysięcy dolarów na zakup wysokiej klasy odbiorników. Pomiary mocy WiFi wystarczą do analizy wykrywania obiektów i klasyfikacji, aby obrazowanie zakończyło się sukcesem.

Choć dostępny jest specjalistyczny sprzęt do obrazowania, wymagają one innych dodatków, które znacznie zwiększają koszt projektu.

Wykorzystując próbkowaną informację o częstotliwości przestrzennej, wyniki pokazały lokalizację człowieka i obiektów metalowych. To udowodniło sukces obrazowania Wi-Fi z następującą medianą dokładności:

• 26 cm dla statycznych ludzi
• 15 cm dla statycznych przedmiotów metalowych

Ograniczenia obrazowania Wi-Fi

Bez wątpienia obrazowanie mikrofalowe z wykorzystaniem sygnałów Wi-Fi jest potężną technologią do lokalizacji ludzi i innych obiektów. Można łatwo zlokalizować położenie określonego zestawu ludzi i obiektów. Istnieją jednak pewne ograniczenia w sposobie implementacji obrazowania Wi-Fi.

Omówmy je.

Rozmiar obiektu

Proponowana technologia obrazowania Wi-Fi opiera się na wielkości obiektu. System obrazowania lokalizuje obiekty o dużych rozmiarach. Na przykład:

• Kanapa
• Tabele
• Duże okna

Bez wątpienia, obiekty o dużych rozmiarach są łatwe do wykrycia i zlokalizowania ze względu na ich wyraźne do przeanalizowania wymiary. Niezależnie od tego, czy używamy technologii 2D czy 3D, algorytmy przetwarzania obrazu z łatwością identyfikują obiekty o dużych rozmiarach, nie poświęcając na to wiele czasu.

Kiedy przygotowujesz system do przetwarzania obrazów, musisz najpierw pozwolić mu uczyć się obiektów jako próbek. Proces ten nazywany jest uczeniem maszynowym, jedną z najbardziej powszechnych dziedzin sztucznej inteligencji (AI).

Uczenie maszynowe jest podstawowym krokiem każdego rodzaju obrazowania. Aby zbudować technologię bez karmienia systemu przed obrazowaniem, musisz kupić potężny sprzęt AI, który analizuje obiekt jak człowiek. Ale wydawanie zbyt wielu pieniędzy tylko dla wygody nie jest mądre, ponieważ uczenie maszynowe jest łatwe do wdrożenia.

Dlatego musisz zasilić swój system próbkami obiektów, aby przechwytywanie transmitowanych sygnałów WiFi dało lepsze rezultaty niż odbiorniki stosowane w tradycyjnej detekcji radarowej i obrazowaniu mikrofalowym.

Materiał

Materiał obiektu ma również znaczenie przy stosowaniu obrazowania Wi-Fi do wykrywania i lokalizacji. Na przykład proponowany system zapewnia obiecujące wyniki, jeśli obiekt ma powierzchnie odbijające światło.

Na przykład powierzchnie metaliczne zawsze okazywały się lepszymi obiektami, nawet dla częstotliwości optycznych czy podczerwieni.

Ta sama zasada obowiązuje również w tym przypadku: obiekt o dużych rozmiarach, posiadający powierzchnię odbijającą światło, jest łatwiejszy do zobrazowania niż małe obiekty metaliczne. Dlaczego?

Chociaż błyszczący obiekt odbija dobre sygnały WiFi, jego mały rozmiar sprawia, że powierzchnia przekroju poprzecznego jest zatłoczona dla przychodzącego promieniowania. W rezultacie, wiele transmitowanych sygnałów WiFi nie może prawidłowo wyobrazić sobie tego obiektu.

Inną kwestią związaną z wymiarem obiektu jest to, że gdy rozmiar staje się proporcjonalny do długości fali sygnałów WiFi, interakcja między tymi dwoma bytami zmniejsza się.

Jak rozwiązać ograniczenie wymiaru do częstotliwości?

System obrazowania Wi-Fi wymaga znacznej różnicy między wielkością obiektu a długością fali obecnych sygnałów WiFi. Jeśli wielkość obiektu jest duża, długość fali sygnałów WiFi musi być mniejsza i odwrotnie.

Musisz nadawać wyższą częstotliwość, tj. 5 GHz, aby zmniejszyć długość fali sygnałów WiFi. Jednak nadal nie ma konkretnych wyników, że sygnały WiFi o niskiej częstotliwości w pasywnych systemach obrazowania interferometrycznego działają z mniejszymi obiektami.

Jest to spowodowane mniejszym przekrojem poprzecznym, który nie pozwala na zachowanie skorelowanych składowych sygnału przez obrazowanie ścienne.

Niektóre z mniejszych obiektów, które były próbkowane podczas wielokrotnych eksperymentów, to:

• Moneta
• Klucze
• Agrafka

Oprócz stosowania innego sprzętu, obserwowana jest zmiana zakresu częstotliwości dla wykrywania obiektów o mniejszej rozdzielczości przestrzennej.

Rozdzielczość obrazu

Istotną cechą proponowanej technologii jest rozdzielczość obrazowania, która ponadto zależy od dwóch następujących czynników:

• Długość fali sygnału Wi-Fi
• Długość układu antenowego

Można zwiększyć rozdzielczość obrazowania utrzymując stałą długość fali sygnału i zwiększając długość matrycy antenowej.

Podczas eksperymentu naukowcy próbowali zwiększyć rozdzielczość obrazu poprzez zwiększenie częstotliwości do 5 GHz, co zmniejsza długość fali. Następnie nie zmienili długości fali przetwarzania sygnału i długości matrycy antenowej.

W rezultacie naukowcy nie zaobserwowali zwiększenia rozdzielczości obrazu. Innym kluczowym odkryciem było to, że liczba anten nie miała znaczenia w procesie obrazowania.

Jeśli umieścisz antenę w odpowiednim miejscu, możesz uzyskać produktywne rezultaty używając tylko pary anten. Dlaczego?

Układy antenowe wychwytują promieniowanie z obserwowanego obiektu. Zastosowanie wielu lokalizacji anten bez wątpienia zwiększa prawdopodobieństwo uzyskania optymalnej rozdzielczości obrazowania, ale jest to kwestia opłacalnej technologii.

Poza tym firmy tworzą również tanie anteny dla technologii obrazowania Wi-Fi, aby zwiększyć jej zakres i efektywność.

Można więc wyobrazić sobie obiekt z pomiarem mocy tylko WiFi, jeśli utrzymamy stałą długość matrycy antenowej. Zmiana zakresu częstotliwości przychodzących może również wpłynąć na rozdzielczość obrazowania.

Orientacja obiektowa

Orientacja obiektu jest kolejnym ograniczeniem w proponowanej technologii. System obrazowania WiFi wymaga, aby obiekt znajdował się we wzorcu emitowanego promieniowania. Wiecie już, że fale EM tworzą pole i poruszają się w rytmie. To pole staje się trendem dla kolejnych fal.

Jeśli umieścimy w tym polu obiekt o orientacji leżącej w pozycji odchylającej, nie uzyskamy prawdziwych wyników. Ważne jest więc utrzymanie orientacji obiektu w obrębie wzorca transmitowanego promieniowania.

Poza tym, można rozwiązać ten problem w następujący sposób:

• Ustawić lokalizację anten w sposób optymalny.
• Wybierz anteny, które mają lepsze wzorce promieniowania.

Ważne jest, aby znać oś poziomą i pionową wzoru, aby uzyskać użyteczny wynik w dwóch wymiarach częstotliwości przestrzennych.

Zastosowania obrazowania Wi-Fi

Kilka zastosowań obrazowania Wi-Fi jest wykorzystywanych w celach komercyjnych i przemysłowych. Na przykład.

Śledzenie zapasów

Centra handlowe i centra handlowe wykorzystywały do zarządzania zapasami wózki wykorzystujące czujniki radarowe. Te sterowane radarowo wózki nie potrzebują żadnych znaczników z czujnikami, ponieważ każdy wózek pracuje ze specjalnym identyfikatorem.

Baza danych grupuje wózki w kilka zespołów, a następnie przełożony przydziela każdemu zespołowi zadanie.

Wózki te z powodzeniem pozwalają na efektywne zarządzanie zapasami w magazynach, ponadto klienci mogą zaopatrzyć się w te wózki również wewnątrz lokalu mart i cieszyć się zakupami w systemie bezgotówkowym.

Inteligentne Domy

IoT to kolejny wielki przełom w branży mieszkaniowej. Technologia obrazowania Wi-Fi wykonuje tradycyjne wykrywanie radarowe w celu identyfikacji dużych obiektów, w tym:

• Drzwi
• Windows
• Lodówka

Możesz rozmieścić anteny i wymagane czujniki, aby kontrolować duże obiekty w Twoim domu. Na przykład, częstotliwości przestrzenne mierzone przez matrycę anteny mogą zweryfikować istniejące sygnały komunikacyjne i powiadomić Cię o stanie obiektu.

Ponadto można zaprogramować cały system wykorzystując średnią przestrzenną koherencję wzajemną oraz kierunki poziome i pionowe do sterowania ruchem obiektu za pomocą przetwarzania sygnału Wi-Fi.

Głównym ograniczeniem tej aplikacji jest posiadanie stabilnej sieci, ponieważ pasywne systemy obrazowania potrzebują sygnałów WiFi do analizy wymiarów obiektu.

FAQs

Co to jest WiFi Doppler?

WiFi Doppler to technologia detekcji, która wykorzystuje tylko jedno urządzenie WiFi do wykrywania pozycji i ruchu obiektu. Nie potrzebujesz wielu urządzeń WiFIi, aby uzyskać wyniki przy użyciu WiFi Doppler.

Czy WiFi może widzieć przez ściany?

Tak. Możesz używać sygnałów Wi-Fi, aby widzieć przez ściany.

Jak sprawić, by WiFi przeniknęło przez ścianę?

1. Wzmocnij wewnętrzne WiFi za pomocą przedłużaczy zasięgu Wi-Fi.
2. Rozmieść sieć typu mesh.

Wiele sygnałów WiFi przesyłanych przez siebie nawzajem - jak?

Sygnały WiFi zazwyczaj przecinają się, jeśli routery pracują na tym samym kanale.

Czy sygnały WiFi mogą przynieść rezultaty dzięki obrazowaniu ścian?

Tak. To dlatego, że WiFi wykorzystuje fale radiowe, które mogą przenikać przez ściany.

Wniosek

Obrazowanie Wi-Fi staje się powszechne w dziedzinie przetwarzania obrazu ze względu na jego dostępność w prawie każdej przestrzeni mieszkalnej, handlowej i przemysłowej. Dlatego też wykorzystanie obrazowania Wi-Fi do wykrywania lokalizacji i ruchu obiektu będzie następną wielką technologią dla dobra człowieka.