牛气!科学家竟然将哈利·波特的“活点地图”变成了现实

来源:环球科学发布时间:2020-06-29

科学家就是牛!

最近,研究人员已经开发了一种远程传感器,能通过测量微小的地面震动,分析人们的行走信息。

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图片来源:Pixabay

撰文 | Sophie Bushwick

翻译 | 常灏杰

审校 | 曾小欢

很多机器能识别人类的指纹或面部特征。此外,它们依据其他一些特征辨别人类。每个人的走路姿势也是独一无二的,除了可以用于识别身份外,还能显示一个人的情绪和健康状况。最近,研究人员已经开发了一种远程传感器,能通过测量微小的地面震动,分析人们的行走信息。

Hae Young Noh说:“人们的走路方式是独一无二的,像指纹一样。”当Noh还是卡内基梅隆大学的土木与环境工程师时,就开始了这一研究。现在,他任职于斯坦福大学。人们的脚步能透露“他们的身份、所在位置、正在做的事情,甚至是认知状态”。如果传感器能够检测到个体的脚步特征,电脑软件就能通过分析,确认个体的身份。

走路姿势不仅能证明身份。Phoha说:“你能从一个人的走路姿势中,了解很多信息,包括与健康相关的信息。”举个例子,如果一个人走路一只脚轻一只脚重,这种不平衡可能预示他患有某种神经性疾病。这类信息可以帮助医生监测一些想要独立生活的老年人和有其他风险的患者。他们能通过非接触式追踪患者的行走特征,并确定他们的健康状态。

为了测量走路姿势中含有的丰富信息,最初,研究者还需要给志愿者配备可穿戴的装备,或者让他们在特殊的垫子或改造过的地板上行走。但是,Noh、卡内基梅隆大学电子与计算机工程师Pei Zhang等人决定开发远程的脚步传感器。在研究中,他们主要利用了一种现象:墙壁和地板能够捕捉所在空间中的任何活动,引起的微小震动。Noh说道:“我们称之为‘建筑传感器’,即我们能将一些大型的实体建筑如大楼和桥梁作为传感系统,间接地监测人和周围环境。”

但仅仅检测由脚步引起的震动,就需要非常灵敏的传感器。“我们的传感器有多灵敏呢?举个例子,你坐在椅子上,传感器放在距离你一米远的地上,”Zhang说,“它能检测到你的心跳。”Noh表示,每个传感器都是高约几厘米的圆柱形仪器,把它们放在地上,可以收集到远在20米外的行人的步行信息。研究人员能在想要检测脚步的地方,把传感器排成一个阵列。但在人流密集的建筑里,这些灵敏的传感器会收集过多的信息。因此,研究团队需要“教会”这个新系统,如何从背景噪声中辨别脚步信号。

Noh说:“滤除噪声是我们在研究中遇到的最大的挑战”,克服这一困难,需要同时解决硬件和软件的问题。在硬件端,每个传感器都有一个放大器,可以自动改变需要增强的脚步信号的数量。如果一个人像是从远处走来,那么放大器就会将脚步声放大。随着脚步信号的增强,放大器能自动调节,降低传感器的灵敏度,避免传感器失效。Noh将这一过程比作为远程控制音量的扬声器:当收听者离扬声器较远时,会将音量开大以听得更清楚。当他们走近的时候,他们会调小音量。

Noh说:“我们通过各种信号处理和机器学习技术,识别哪些是与人有关的信号,哪些无关的噪声。”此外,这一传感器和其他脚步探测的方法(比如,其他可穿戴设备或压力毯)一样,能用来确定个人身份和可能存在的健康问题。

根据这一通过电脑监视器显示行人走路姿势的方法,一名研究者想到了一种更加奇妙的设备。英特尔公司新兴物联网网络的总工程师与主任Eve Schooler表示,她对开发科技版本的“活点地图”(Marauder’s Map),具有兴趣。在《哈利·波特》电影中,活点地图(上面是带有魔法的建筑平面图)能根据脚印,显示出人们所在的位置。在现实生活中,这种设备或许能够实时追踪建筑中的人或其他目标。受Schooler建议的启发,卡内基梅隆大学的研究团队创新了他们的产品,并设计了一种数字显示器,能够显示在一个楼层平面上出现的脚印。

Schooler指出,在小说中,活点地图只能用于霍格沃茨魔法学校,但是科学家发明的便携式脚步传感器可以用在任何地方。“他们开发的一些算法,让整个系统具有很强的可移植性。这正是让我们感兴趣的地方,”她说,“使用者不需要进行各种调整以分辨整幢大楼里的人——这个设备可以直接完成这些工作。”

一旦设备了解了一个人的脚步特征,无论在家还是办公室,这些传感器阵列都能识别出这个人。此外,这一设备的价格还较为经济(Noh估计每一个传感器的成本,约为10-20美元)。他们能每隔20米放一个传感器,绘制出整层楼的图像。Schooler认为这一设备似乎可以被广泛应用。

但这一系统的监测能力,很明显会引起有关隐私的争议。因此,研究者建议这一技术只作为获得双方同意的医疗保障设备。他们指出,这种监测系统可以帮助看护人员了解老年病患何时可能会摔倒,或者帮助儿童医院尽快发现小孩可能患的一些慢性疾病,如肌肉萎缩症等。在这些场景下,研究者们认为脚步传感器对隐私的保护或比拍摄图像的照相机更好。Zhang说:“实际上,这一系统的研发也正是因为其他类型的监测机制,会可能会侵犯隐私。但我很乐意牺牲一点隐私数据,来发现疾病和避免摔倒。”


原文链接:

https://www.scientificamerican.com/article/footstep-sensors-identify-people-by-gait/

原标题:科学家将哈利·波特的“活点地图”变成了现实

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