对旧无线技术的新升级可以实现实时3D动作捕捉

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2022 May. 20

加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)的电气工程师进行了升级，帮助人们找到钥匙和钱包的无线技术有一天可能被用于精确和实时的3D动作捕捉。

该团队的新工作改进了一种被称为超宽带(UWB)的无线通信技术。这项技术已经存在多年，但直到最近才开始流行起来，因为它承诺在确定其他设备的位置和移动方面比Wi-Fi和蓝牙更准确。

它也有潜力开辟更大的可能性，如室内导航;智能仓库，提供准确和实时的库存和人员位置;以及3D动作捕捉，可以为虚拟现实和体育分析等应用程序无线实时完成。

但加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院(UC San Diego Jacobs School of engineering)无线通信中心(Center for Wireless Communications)教授、电子与计算机工程教授迪尼希·巴拉迪亚(Dinesh Bharadia)表示，要实现这一目标，必须克服目前超宽带技术的几个局限性。他解释说，超宽带系统需要比现在工作速度快得多，运行时功耗极低，并提供3D本地化的高精度。

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Bharadia的无线通信传感和网络小组最近开发了一个符合这些标准的超宽带系统原型。它传输数据的延迟只有一毫秒;它耗电非常少，用一个小型硬币电池就可以连续运行两年多;对于静止的物体，它可以精确到3厘米以内，对于移动的物体，它可以精确到8厘米以内。

研究人员将在9月21日至26日举行的UbiComp 2021年会议上展示他们的UWB系统，称为ULoc。

新系统从根本上改变了超宽带系统用于定位对象的过程。超宽带系统通常由两个主要组成部分组成:一个叫做标签的小型跟踪设备，它可以附着在物体上;一组叫做锚的设备，安装在环境中的不同地点，以检测来自标签的无线电信号。

目前超宽带跟踪的工作方式是，标签向所有锚发送信号，锚再将这些信号返回给标签。该系统测量这些信号返回到标签所需的时间。然后它使用这些信息来计算标签和每个锚点之间的距离，然后标签的位置就可以被三角化了。

Bharadia解释说，这个过程的问题是涉及到大量的信号交换。一个标签需要向每个锚发送一个单独的信号，而每个锚又向标签发送一个信号。“这使得系统运行缓慢。它不能扩展，也不提供3D本地化。”

为了简化这个过程，研究人员更新了标签的软件，这样它只需要向所有的锚发送一个信号。这也大大降低了标签的功耗;它可以连续运行两年以上的小型硬币电池，而目前的UWB标签只能在这种类型的电池上持续几个月。他们还建立了新的锚，可以只工作一个信号，并获得良好的读取标签的3D位置。该团队开发了特殊的天线阵列和新的算法，使锚点能够准确估计标签信号到达的3D角度和方向。锚可以从多个有利位置测量这个3D角度，因此他们可以精确定位标签。

在测试中，当一名研究人员拿着标签并在开放的办公空间中移动它时，新的超宽带系统在一毫秒的延迟内精确跟踪标签的3D位置。研究人员指出，尽管该系统处于“嘈杂”环境中，但它的性能仍很好——电脑屏幕、玻璃窗和金属片会干扰超宽带信号并产生噪音。

该团队目前正致力于构建端到端动作捕捉系统，应用范围从虚拟现实游戏到体育分析，以及用于医疗保健的自主机器人。研究人员表示，他们正在寻求与工业伙伴合作，进一步开发和商业化这项技术。

新的超宽频系统包括一个小的电子标签(插图显示标签的大小与一美元一便士的大小相比较)，它可以同时向四个锚发送一个信号。