蒙曉華

(西安郵電大學(xué) 數(shù)字藝術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710121)

?

基于可穿戴傳感器的舞蹈動(dòng)作干擾抑制算法

蒙曉華

(西安郵電大學(xué) 數(shù)字藝術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710121)

針對(duì)可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)中舞蹈動(dòng)作捕捉問題，提出一種抑制可穿戴傳感器之間干擾的算法。根據(jù)舞蹈訓(xùn)練中可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過調(diào)整傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)隙和信道，使得受干擾的傳感器能夠收集周邊其他可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸信息。在不打擾其他網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)那疤嵯?，重新安排傳輸時(shí)間，以最小化傳輸時(shí)延，利用帶寬避免相鄰可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)間的傳輸時(shí)間重疊，從而減少用戶之間的干擾。仿真結(jié)果表明，該算法能在有多人參預(yù)的舞蹈訓(xùn)練中，最小化碰撞概率，使可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)的吞吐量提高23%。

可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)；舞蹈動(dòng)作感知；抑制干擾

在舞蹈藝術(shù)中，需要全方位地展示和完整準(zhǔn)確地記錄舞者的形體。利用可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)(Body Sensor Network，BSN)，對(duì)舞者的行為進(jìn)行全方位的三維數(shù)字化捕捉，可用于分析舞者的技術(shù)技巧和經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，從而總結(jié)其經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律。

使用兩個(gè)Xbox單體游戲傳感器對(duì)舞者的舞蹈瞬間進(jìn)行動(dòng)作捕捉，探索人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。將Xbox傳感器捕捉到運(yùn)動(dòng)參數(shù)呈現(xiàn)在逼真的環(huán)境中，即可順利采集到人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)[1]。運(yùn)動(dòng)追蹤器Notch采用10個(gè)傳感器收集數(shù)據(jù)，每個(gè)傳感器都有一個(gè)小型振動(dòng)雷達(dá)，通過觸覺反饋表演者哪個(gè)動(dòng)作做得不規(guī)范或者偏離要領(lǐng)，從而規(guī)范、校準(zhǔn)舞蹈學(xué)習(xí)者的舞蹈動(dòng)作[2]。芭蕾舞者在跳舞時(shí)，將Electronic Trace傳感器帶在腳部位置，通過記錄腳部觸地的壓力和動(dòng)作，以畫線形式呈現(xiàn)出舞蹈軌跡，將這些數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)進(jìn)行可視化處理后,便可供舞蹈者進(jìn)行查看及改進(jìn)[3]。由于舞蹈是群體行為，如果多個(gè)舞者在舞蹈教室里同時(shí)訓(xùn)練，利用傳感器進(jìn)行動(dòng)作捕捉時(shí)，相互的通訊干擾會(huì)嚴(yán)重影響可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。本文擬根據(jù)可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)架，研究舞蹈訓(xùn)練室中可穿戴傳感器的性能參數(shù)，通過分析可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)中相互干擾對(duì)彼此性能的影響，給出干擾抑制算法。

1　可穿戴性傳感器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

舞蹈訓(xùn)練中的可穿戴傳感器是由動(dòng)作傳感器和感知運(yùn)動(dòng)體征的傳感器組成。舞蹈者的信息通過動(dòng)作傳感器感知，傳送到PDA，再由PDA作為中繼傳到服務(wù)器上進(jìn)行舞蹈資料保存、教學(xué)、人機(jī)互動(dòng)游戲和健康監(jiān)護(hù)等[4-7]。基本架構(gòu)如圖1所示[8]。

圖1　舞蹈訓(xùn)練中可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)

正常情況下，BSN的傳感器和PDA間會(huì)進(jìn)行相互傳輸，即BSN內(nèi)部通信。當(dāng)幾個(gè)不同的BSN進(jìn)入彼此的干擾范圍，且在同一信道同時(shí)傳輸時(shí)，它們會(huì)干擾彼此的BSN內(nèi)部通信，造成交互干擾。

2　可穿戴性傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能參數(shù)

錯(cuò)包率(Packet Error Rate，PER)是指?jìng)魉桶目倲?shù)除以錯(cuò)誤地接收到的數(shù)據(jù)分組的數(shù)目，體現(xiàn)了交互干擾時(shí)可穿戴設(shè)備性能衰落的水平[9]，從誤碼率(Bit Error Rate，BER)中獲得。BER從信號(hào)與干擾噪聲比(Signal Interference Noise Ratio，SINR)中獲得。

假定發(fā)送功率，信號(hào)衰減已知，建立信號(hào)傳播損耗模型，從而得到接收器端的接收功率[10]

PRdB(d)=PSdB-PLdB(d)+X=

PSdB-PLdB(d0)-10γlog10(d/d0)+X。

(1)

其中，PRdB是指在接收器端的接受功率，PSdB指發(fā)送功率，PLdB指在路徑中的功率損耗，d是發(fā)射器和接收器之間的距離，d0是可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器間的距離，PLdB(d0)是距離d0的路徑損耗，γ是路徑損耗指數(shù)。X為陰影衰落以下與標(biāo)準(zhǔn)偏差的正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)是P(X)[10]。

相鄰BSN的數(shù)據(jù)傳輸可作為干擾影響的干擾源，但并非所有在同一個(gè)信道發(fā)射的相鄰BSN都是有效干擾源。引入ptr(t)表示1個(gè)BSN在時(shí)間t上的傳輸概率，則在第i個(gè)BSN上的SINR可表示為[10]

(2)

其中，PRabs(d)是接收端接收功率的絕對(duì)值形式，di是傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間的距離，Di,j是受影響的第i個(gè)BSN和其干擾的第j個(gè)BSN之間的距離。每個(gè)BSN的負(fù)荷與Ptr(t)密切相關(guān)[10]。

假設(shè)偏移正交相移鍵控為信號(hào)的調(diào)制方式，則比特錯(cuò)碼率BER(bit error rate)可以表示為[10]

(3)

其中Eb/N0是每比特的信噪比，erfc(·)是誤差函數(shù)。則錯(cuò)包率可以表示為[10]

(4)其中，m是信息比特的數(shù)目，k是附加的編碼位的數(shù)量。

3　交互干擾的影響

在舞蹈訓(xùn)練應(yīng)用中，通常使用節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速率為2～50 kbps的動(dòng)作傳感器、1 kbps的溫度傳感器、呼吸傳感器和脈搏傳感器。所有BSN的占空比配置為10%～50%[11]。

假設(shè)某大學(xué)音樂學(xué)院舞蹈教室最多可容納20人，大班上課10～15人，小班上課6～8人。舞蹈教室的平面如圖2所示。

圖2　舞蹈教室的平面

在該舞蹈室內(nèi)人員密度不同的情況下，由式(4)得到干擾強(qiáng)度的分布如圖3所示。IR表示干擾距離。

圖3　干擾強(qiáng)度的概率密度分布

由圖3可以看出，當(dāng)干擾范圍變大時(shí)，干擾強(qiáng)度也在增大。當(dāng)IR=1時(shí)，大多數(shù)時(shí)間內(nèi)干擾為0。隨著干擾距離增大和舞蹈室內(nèi)人員數(shù)目的增加，干擾強(qiáng)度不斷增大。這是由于相同情況下，當(dāng)干擾距離增加，落入一個(gè)特定的IR內(nèi)的BSN的數(shù)目增加，干擾電平變得嚴(yán)重。

定義占空比為BSN的1個(gè)傳輸超幀中，BSN的有效傳輸時(shí)間占總超幀持續(xù)時(shí)間的比率。在給定中等時(shí)間的情況下，BSN占空比必須小于0.1，以確?？煽啃运绞?0%以上。相反地，由于占空比是0.1和可靠性水平為90%，可容納于1個(gè)信道最大的BSN數(shù)目應(yīng)小于或相同的非高峰時(shí)間的最大BSN數(shù)目。

由實(shí)例可知，將傳輸概率最小化，可減少用戶間干擾。為了達(dá)到這個(gè)目的，可以重新安排相鄰的BSN的傳輸時(shí)間，以避免當(dāng)在BSN密度低重疊。當(dāng)BSN密度高，超過了可容納的最大BSN時(shí)，一個(gè)信道切換方案可以減少當(dāng)前信道的擁擠度。此外，每個(gè)BSN可以自適應(yīng)根據(jù)其周圍的環(huán)境和性能要求選擇其發(fā)送功率。具有較高優(yōu)先級(jí)在BSN用戶可以使用更高的傳輸功率，以保證其可靠的傳輸。

4　可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)的干擾抑制算法

可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)干的擾抑制算法，通過合理地安排BSN的傳輸時(shí)間和信道，減少干擾。具體步驟如下。

步驟1當(dāng)BSN當(dāng)前傳輸吞吐量顯著下降時(shí)，啟動(dòng)抑制算法，BSN進(jìn)入聆聽模式，并監(jiān)聽1個(gè)時(shí)間段幀的持續(xù)時(shí)間。另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠期，在下一個(gè)活躍期，等待新時(shí)間表。

步驟2在監(jiān)聽模式下，受影響的BSN通過收集其相鄰BSN的信標(biāo)(beacon)得到周邊相鄰BSN的信息。由于信標(biāo)廣播含有調(diào)度信息，受影響的BSN可以解碼這些信標(biāo)并了解其相鄰BSN的計(jì)劃。根據(jù)收到的信息，受影響的BSN可以建立{BSNID，相鄰BSN傳輸開始時(shí)間，相鄰BSN傳輸結(jié)束時(shí)間}的表。每次收到一個(gè)新的信標(biāo)，該鄰居列表都會(huì)被更新。

步驟3在監(jiān)聽期間結(jié)束時(shí)，每個(gè)BSN檢查其鄰居列表。如果鄰居的數(shù)量超過最大數(shù)量表示超出，通知其所有傳感器節(jié)點(diǎn)切換到另一個(gè)頻道，再次執(zhí)行步驟1。否則，基于該鄰近地區(qū)的信息協(xié)調(diào)決定其最早的根據(jù)一個(gè)重新安排可能的傳輸時(shí)間算法，以避免重疊鄰近的BSN傳輸。

5　仿真結(jié)果及分析

將干擾抑制算法與基于傳統(tǒng)的IEEE 802.15.4的沒有抑制機(jī)制的BSN通信方法，在模擬網(wǎng)絡(luò)仿真器5.0.2的QualNet進(jìn)行仿真相比較，結(jié)果如圖4所示。每個(gè)BSN包含2個(gè)節(jié)點(diǎn)，1個(gè)協(xié)調(diào)器和傳感器節(jié)點(diǎn)。無線數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbps，固定的數(shù)據(jù)包大小為128字節(jié)，以及超幀的持續(xù)時(shí)間為0.1 s。所有傳感器節(jié)點(diǎn)的占空比設(shè)定在10%～20%之間。吞吐量指在單位時(shí)間內(nèi)有效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，用來描述可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能參數(shù)。根據(jù)香農(nóng)公式，吞吐量與信噪比PSINRi(t)成正比，即與錯(cuò)包率也成正比[10]。

圖4　所提算法與傳統(tǒng)算法的吞吐量比較

由如圖4可知，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，該干擾抑制算法吞吐量提高23%。這是因?yàn)楫?dāng)交互干擾發(fā)生時(shí)，該算法通過調(diào)整傳輸時(shí)間的方法，充分占用帶寬，可有效避免數(shù)據(jù)包的碰撞。

6　結(jié)語

利用BSN對(duì)舞者的形態(tài)建模，分析了在舞蹈訓(xùn)練室中多個(gè)舞者同時(shí)訓(xùn)練的情況下，可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的相互干擾在舞蹈訓(xùn)練中的影響,給出了可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)的干擾抑制算法。仿真結(jié)果表明，該算法在可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)的吞吐量大約可以得到23%的提高，有效地避免數(shù)據(jù)包的碰撞。

[1]中國公共藝術(shù)網(wǎng).舞蹈和動(dòng)作捕捉技術(shù)的融合[EB/OL].[2016-08-15].https://www.douban.com/url/153637/.

[2]36氪.你要是跳支舞，運(yùn)動(dòng)追蹤儀Notch就能告訴你哪兒做得不標(biāo)準(zhǔn)[EB/OL].[2016-08-15]. http://36kr.com/p/ 208884. html.

[3]Electronic Traces智能傳感器讓芭蕾舞者畫下靈動(dòng)舞姿[EB/OL].[2016-08-15]. http://www.wtoutiao.com/a/708361.html.

[4]RAPPAPORT T. Wireless Communications: principles and practice[M]. NJ: Prentice-Hall Upper Saddle River,2001:62-66.

[5]CURTIS D W, PINO E J, BAILRY J M , et al.SMART-an integrated wireless system for monitoring unattended patients[J/OL].Journal of the American Medical Informatics Association, 2008,15(1):44-53[2016-08-15]. http://dx.doi.org/10.1197/jamia.M2016.

[6]VASILAKOS A, CAO H,LEUNG V C,et al. Body area networks: A survey[J/OL]. Mobile Networks & Applications,2011,16(2):171-193[2016-08-15]. http://dx.doi.org/10.1007/s11036-010-0260-8.

[7]ZHAO Y, HAO Y.A subject-specificity analysis of radio channels in wireless body area networks[J/OL].EngineeringJournal,2011,15(3):40-47[2016-08-15].http://www.engj.org/index.php/ej/article/view/148/94/.DOI:10.4186/ej.2011.15.3.39.

[8]NATARAJAN A, MOTANI M, SILVA B D.Investigating network architectures for body sensor networks[C/OL]//1st ACM SIGMOBILE international Workshop on Systems and Networking Support For Healthcare and Assisted Living Environments.New York :ACM,2007:11-14[2016-08-15]. http://dl.acm.org/citation.cfm?id=1248061.

[9]BRAEM B, LATRE B, BLONDIA C,et al.Analyzing and Improving reliability in multi-hop body sensor networks[J/OL]International Conference on Sensor Technologies & Applications, 2009, 2(1):342 - 347 [2016-08-15]. http://www.researchgate.net/publication/241478140_Analyzing_and_Improving_Reliability_in_Multi-hop_Body_Sensor_Networks.DOI:10.1109/SENSORCOMM.2008.47.

[10] PANTELOPOULOS A, BOURBAKIS N G.A survey on wearable sensor-based systems for health monitoring and prognosis[J/OL].IEEE Transaction on System,2010,40(1):1-12[2016-08-15]. http://dx.doi.org/10.1109/TSMCC.2009.2032660.

[11] SEE T S P, HEE J Y, ONG C T, et al.Inter-body channel model for UWB communications[C/OL]// 3rd European Conference on Antennas and Propagation, Berlin:IEEE, 2009: 3519-3522 [2016-08-15]. http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=5068353.

[責(zé)任編輯:祝劍]

Dance motion interference suppression algorithm based on wearable sensor

MENG Xiaohua

(School of Digital Art, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

In view of the problem of dance motion capture in the wearable sensor network, an algorithm to restrain the interference between wearable sensors is proposed. According to the wearable sensor network architecture in dance training, and by adjusting the transmission time slot and the channel of the sensor network, the interference sensor can be make to collect the surrounding other wearable sensor network transmission information. In the premise of not to disturb other network transmission, the transmission time is rearranged, the transmission delay is minimized, and the bandwidth is employed to avoid the transmission time overlap between adjacent wearable sensor networks. Simulation results show that, This algorithm can minimize the collision probability wheb many people participate in the dance training, and the throughput of wearable sensor networks can be increased by 23%.

wearable sensor network, dance movement perception, suppress interference

10.13682/j.issn.2095-6533.2016.05.004

2016-08-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61601357)

蒙曉華(1988-)，女，碩士研究生，助理工程師，研究方向音樂學(xué)。E-mail:514220713@qq.com

TN915

A

2095-6533(2016)05-0020-04