X射線(xiàn)視覺(jué)搭配RFID會(huì)擦除怎樣的火花？

對(duì)于安全檢查，想必大家都不陌生。在日常坐飛機(jī)、坐高鐵、坐地鐵，都會(huì)要求行李過(guò)X光機(jī)，而如果是瓶子、杯子里的水，則會(huì)麻煩一點(diǎn)：有時(shí)候會(huì)讓你當(dāng)場(chǎng)喝一口，有時(shí)候則會(huì)拿一個(gè)形似夜壺的裝置照一下。X射線(xiàn)視覺(jué)聽(tīng)起來(lái)或許感覺(jué)有點(diǎn)像白日夢(mèng)，但是這些照片清楚地展示了隱藏在包裹、口袋甚至是衣物之下的任何物品。

近日，麻省理工學(xué)院新聞辦公室對(duì)外宣傳，該校研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一款名為X-AR的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭顯。據(jù)悉，該頭顯的研發(fā)成本由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金基金會(huì)等部門(mén)支持，在HoloLens 2架構(gòu)的基礎(chǔ)上結(jié)合了計(jì)算機(jī)視覺(jué)和無(wú)線(xiàn)感知能力，可以自動(dòng)定位隱藏在視線(xiàn)之外的特定物品并引導(dǎo)用戶(hù)取出（例如包裝盒內(nèi)部、柜子里面、貨堆中間等）。

此外，該頭顯還配備具有射頻（RF）傳感功能的 AR-conformal 寬帶天線(xiàn)，通過(guò)將天線(xiàn)與頭顯攝像頭配合使用，運(yùn)行基于 AR 的 SAR 定位算法，即使通過(guò)紙板箱和塑料容器等特定材料也能識(shí)別帶有射頻標(biāo)簽的物體。

根據(jù)相關(guān)研究人員表示，目前全球的供應(yīng)鏈行業(yè)中，UHF RFID技術(shù)被各個(gè)國(guó)家廣泛使用，有研究表明，在美國(guó)有超過(guò)93%的零售商都采用了UHF RFID技術(shù)。例如商超walmart、食品公司Kraft以及冷鏈供應(yīng)公司Eskimo Cold Storage等。于是，該團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)有的射頻傳感技術(shù)中，選擇了UHF RFID（射頻識(shí)別）標(biāo)簽來(lái)開(kāi)始研發(fā)。

想要制造具有X射線(xiàn)視覺(jué)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭顯，研究人員首先必須為現(xiàn)有的設(shè)備配備可以與RFID標(biāo)簽物品進(jìn)行通信。目前大多數(shù)RFID定位系統(tǒng)使用的多為相距數(shù)米的天線(xiàn)，而頭顯則只需要高寬帶且可與標(biāo)簽通信的天線(xiàn)即可。

于是，該團(tuán)隊(duì)選取了一種簡(jiǎn)單、輕便的環(huán)形天線(xiàn)，并通過(guò)盡可能縮小天線(xiàn)和增加間隙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這兩種技術(shù)都可以提高帶寬。由于天線(xiàn)通常在露天工作，研究人員對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，以便在連接到耳機(jī)的遮陽(yáng)板上時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)。

一旦團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了有效的天線(xiàn)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始了專(zhuān)注于使用它來(lái)定位帶有RFID標(biāo)簽的物品。他們利用了一種稱(chēng)為合成孔徑雷達(dá)（SAR）的技術(shù)，該技術(shù)類(lèi)似于飛機(jī)對(duì)地面物體進(jìn)行成像。當(dāng)用戶(hù)在房間內(nèi)移動(dòng)時(shí)，X-AR頭顯則從不同的有利位置使用天線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量，然后將這些測(cè)量結(jié)果組合在一起。這種方式就像一個(gè)天線(xiàn)陣列，其中來(lái)自多個(gè)天線(xiàn)的測(cè)量值被組合在一起以定位設(shè)備。另外，X-AR引入了一系列技術(shù)來(lái)處理由自然人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的定位偽影和約束，如自然頭部?jī)A斜和RFID反向散射輻射屬性。

X-AR設(shè)計(jì)的最終組成是一種用于驗(yàn)證用戶(hù)何時(shí)拿起了目標(biāo)RFID標(biāo)簽物品的機(jī)制。這種驗(yàn)證對(duì)于避免成本高昂的錯(cuò)誤非常重要，例如在電子商務(wù)倉(cāng)庫(kù)中揀貨并將錯(cuò)誤的訂單運(yùn)送給客戶(hù)。人們可能會(huì)假設(shè)，一旦用戶(hù)拿起RFID標(biāo)記的目標(biāo)項(xiàng)目，就可以通過(guò)將其定位到用戶(hù)手中來(lái)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)這種功能。在實(shí)踐中，這樣做十分具有挑戰(zhàn)性。因?yàn)榕c上面的場(chǎng)景不同，用戶(hù)的行走模擬了合成孔徑，用戶(hù)挑選物品停留在相對(duì)固定的位置。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，X-AR利用了RFID標(biāo)簽的移動(dòng)性。具體而言，它執(zhí)行反向SAR，以相對(duì)于所選項(xiàng)目的軌跡定位頭顯。

最終，團(tuán)隊(duì)以微軟Hololens 2為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了X-AR的端到端原型。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過(guò)Unity對(duì)Hololens進(jìn)行編程，以顯示項(xiàng)目位置和標(biāo)簽，引導(dǎo)用戶(hù)找到目標(biāo)項(xiàng)目，并顯示驗(yàn)證結(jié)果。他們?cè)u(píng)估了X-AR在230次實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)中的表現(xiàn)，而結(jié)果表明：X-AR在視距和非視距場(chǎng)景中準(zhǔn)確定位RFID標(biāo)記的物體，中值精度為9.8cm。即使是第90百分位精度都保持在45cm以?xún)?nèi)。相比之下，基于標(biāo)準(zhǔn)SAR的基線(xiàn)具有兩倍以上的誤差，24.8 cm的中值精度和99.1 cm的第90百分位精度。X-AR追蹤RFID標(biāo)簽和用戶(hù)的手的移動(dòng)，以自動(dòng)驗(yàn)證所拾取物體的準(zhǔn)確度超過(guò)95%。

展望未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)后續(xù)計(jì)劃嘗試各種其他增強(qiáng)功能，包括 WiFi、毫米波技術(shù)、太赫茲波以及范圍大于 3 米的改進(jìn)天線(xiàn)。

審核編輯 ：李倩