WIFI可以当作家用雷达，能看穿墙壁。现在也能监测你的情绪了

每位同学都幻想过拥有透视或者阅读别人思想的超能力。

图1 X射线穿透人体

现在，这项技术已经逐渐成熟，甚至可以安装在家中。

现代无线技术不只是用于通信。它还能感觉到一个人的呼吸和心率，甚至可以测量情绪。

导读

本文引述的技术不是魔法或科幻小说，而是一种新的算法：使用无线技术，感知来自附近的电波反射。

这项技术最早(2012年)由麻省理工学院的科学家提出，仅需价格低廉、易于安装的设备，就像安装wifi路由器那么简单。

图2 该项技术，wifi雷达跟踪人体

众所周知，无线通信系统容易受到电磁噪声和干扰的影响，包括人。

图3 隔墙有眼

当有人在附近的走廊上行走时，这个人的出现会破坏了房间里的无线信号。

反过来思考，这种由路人引起的'噪音'是否可以被探测显示？

我们拿一个wifi设备，把它指向墙上，然后在电脑屏幕上看到墙后面的人是如何移动的吗？

那是可能的。毕竟，墙壁不会阻挡无线信号。如果在墙的另一边有一个人，你在这一边发送的无线信号会反射出他或她的身体。

自然地，当信号穿过墙壁，反射回来，再穿过墙壁，强度被衰减。但是，如果我们能以某种方式记录这些微小的反射，从某种意义上说，我们就能从墙上看到。

现在，你可能开始对这种基于无线电的传感技术感兴趣，那么继续阅读吧。

利用椭圆推理出反射物体的位置

无线电信号从发射天线(Transmitter)传输到物体(这里是人)并返回到接收天线(Receiver)所需的时间可以用来计算该物体的位置。

图4 发射的电磁波经人体反射后被接收

当我们只有一对这样的天线时，如图4最上方所示。我们可以确定反射的物体位于一个椭圆上。椭圆的两个焦点就是我们的天线(椭圆上的任意一点，到两个焦点的距离之和为一个恒定值)。

有了两对这样的天线，我们可以更精确的确定反射物体的位置，因为它必然位于两个椭圆的交点处。如图4下方所示

当有了更多的天线对，就有可能找到两个或更多反射物体所在的位置。下面图5中的热颜色，表示房间中两个人的位置。

图5 无线感性的热成像

wifi无线感应的工作原理

但是，这项研究在实际的试验中，面临两大挑战：

• 第一个来自墙壁本身，发射的无线电波碰到墙壁后，会直接反射回来一部分。它的反射强度是从墙外反射回来的10000到100000倍。
• 另一个挑战是无线信号不仅会反射墙壁和人体，还会反射其他物体，包括桌子、椅子、天花板和地板。

得想出一个办法来抵消这些'无效的'反射，只让那些来自墙后的人的信号反射回来。

图6 发射与接收信号

使用两个发射机和一个接收器。

首先，我们从一个发射机发送了一个信号，并测量了反射回接收器的信号。

我们对第二个发射器也做了同样的事情。

然后，我们调整由第一发射机发出的信号，使它的反射抵消第二发射机产生的反射。

此时只有那些没有被抵消的反射，比如墙后移动的人的反射，才会出现。

图7 探测试验过程中

接下来，当一个人在房间里走动时，免去了其他信号的干扰，我们就容易地去发现他/她。

成像：下一步是在墙上捕捉人类的轮廓。

通过信号的发射，现在可以发现'人类'了。

下一步就是在WiFi频率下，如何对身体部位进行成像。

我们知道，不同类型目标的形状、结构和质地不同，对入射的雷达波产生不同的作用效果，因此后向散射值不同，体现出不同的特征。

MIT设计了一种算法，使用人体模型将一系列反射波拼接在一起。然后，设备能够重建一个粗糙的人体轮廓，显示一个人的头部、胸部、手臂和脚的位置。

在试验中，会形成如图7所示的系列图像。

一个反射无线电波人的幽灵轮廓(见图8最上面的一组图像)，简单地形成热图。

由于这些图像是在人离天线不同距离时获得的，因此必须对无线电波的几何传播(图8中间行)进行调整。

然后，调整后的图像与人头、躯干和四肢的模型相结合，形成最终图像(图8下排)。

图8 无线电感应成像

总结

2016年10月，这篇研究结果发表在'seeing with radio'上。情景喜剧'生活大爆炸'在这一集中，剧组借用了研究的设备，试图提高谢尔顿的情商。

这几年，这套系统不断改进，并探索新领域。

如系统能够在典型的室内环境中，用低功率的无线信号来捕捉人类的呼吸。原因是胸部扩张和收缩引起的轻微运动会影响无线信号。

图9 心跳监测

这为监测情绪提供了基础。

当一个人兴奋的时候，他或她的心率会增加；当幸福的时候，心率会下降。

利用这些心跳信号和呼吸模式的特征，训练了一个机器学习系统，将它们分类为四种基本情绪：悲伤、愤怒、快乐和快乐。在不同的人身上测试，它能够以超过73%的准确率识别人的情绪。

如果让系统跟踪某人的手臂手势，使用户可以通过远程控制灯光或电器。

图10 手势控制

通过这个系统也可以监视老年人，以确保他们没有摔倒，而不需要这些老年人佩戴任何设备。

除此之外，其他的研究团队，在无线电感应方面，也有不同的发现。

图11 无源雷达探测系统，探测人体的移动

相比于MIT的这套有源雷达探测，伦敦大学研究团队利用多普勒效应的无源雷达判断人们的移动。目前，这款设备能够探测到25厘米的墙之后的情况，可用于人质营救及交通管理等领域。这一研究在National Instrument's NI Week 2015大会上获得了射频通信的最具影响力大奖。

图12 我国研制的电磁波成像探测仪

2014年06月16日，国防科技大学研制成功新型电磁波穿透成像探测仪。该探测仪能穿透非金属介质，探测内部微小隐蔽物体并对物体成像，分辨率达到2mm，可广泛应用于建筑、生物医学、反恐、安检等领域。

原文作者 | Fadel Adib 班长翻译、编辑、整理。

Fadel Adib is an assistant professor at MIT and founding director of the Signal Kinetics research group at the MIT Media Lab.

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