JP6975898B2 - 推定方法、推定装置およびプログラム - Google Patents
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Description
以下では、図面を参照しながら、SIMO(Single Input Multiple Output)構成の送信機、受信機を用いて受信信号の相関行列を観測し、相関行列の固有値を用いて所定の方法で、検出対象の空間に存在する生体の生体数を推定することについて説明する。
図1は、実施の形態1における推定装置1の構成の一例を示すブロック図である。図1には、図1に示す推定装置1の検出対象である生体が合わせて示されている。
送信機10は、送信アンテナ部101と、送信部102とで構成される。
受信機11は、受信アンテナ部111と、受信部112とで構成される。
生体情報算出部12は、図1に示すように、複素伝達関数算出部121と、抽出部122と、相関行列算出部123とを備え、受信機11から伝達された信号から生体情報を算出する。
複素伝達関数算出部121は、N個の受信アンテナ素子のそれぞれで所定期間受信された受信信号から、送信アンテナ素子とN個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の伝搬特性を表す複素伝達関数を複数算出する。より具体的には、複素伝達関数算出部121は、受信機11から伝達された低周波の信号から、1個の送信アンテナ素子とMR個の受信アンテナ素子との間の伝搬特性を表す複素伝達関数を算出する。以下、図2を用いてより具体的に説明する。
抽出部122は、複素伝達関数算出部121において算出された複数の複素伝達関数から、生体の影響による変動成分であってN個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける変動成分を抽出する。より具体的には、抽出部122は、複素伝達関数算出部121が算出した複素伝達関数を時系列で記録し、複素伝達関数の変化のうち、生体の影響による変動成分を抽出する。ここで、生体の影響による変動成分を抽出する方法としてはフーリエ変換などの周波数領域への変換後に生体の振動に対応する成分のみを抽出する方法、または、2つの異なる時間の複素伝達関数の差分を計算する方法などを用いることができる。これらの方法を実行することにより、生体50以外の固定物を経由する複素伝達関数は除去され、生体50を経由する複素伝達関数成分のみが残る。なお、受信アンテナ素子は複数あるため、受信アンテナ素子に対応する複素伝達関数の生体50経由成分の数も複数となる。これらをまとめて、生体成分チャネルベクトルと定義する。
相関行列算出部123は、抽出部122において抽出された、N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける変動成分から相関行列を算出する。より具体的には、相関行列算出部123は、変動成分である生体50を経由する複数の複素伝達関数成分から構成される生体成分チャネルベクトルの相関行列Riを算出する。
計算部13は、相関行列算出部123において算出された相関行列の固有値を計算する。より具体的には、計算部13は、相関行列算出部123より算出された相関行列Riの固有値を計算する。計算部13は、計算した相関行列Riの固有値を記憶部14に記憶させる。
記憶部14は、HDD(Hard Disk Drive)またはメモリ等で構成され、計算部13の計算結果および推定部15の推定処理に用いるデータ等が記憶される。
推定部15は、計算部13において計算された固有値を用いて所定の方法で生体数を推定する。例えば、推定部15は計算部13において計算された複数の固有値を大きさでソートした固有値分布の特徴から、生体数を推定する。ここで、固有値分布は、計算部13において計算された複数の固有値を大きさでソートしたときの隣接する固有値の比率または差分を示す比率情報であり、特徴は、最大の固有値から数えてx番目の固有値において比率情報に含まれる比率または差分が所定値以上になるかであってもよい。この場合、推定部15は、当該xを、生体数として推定すればよい。
固有値分布算出部151は、計算部13において計算された複数の固有値を大きさでソートした固有値分布を算出する。固有値分布算出部151は、例えば、図4または図5に示すような固有値分布を算出すればよい。ここで、図4および図5は、図3に示す固有値分布算出部151により算出された固有値分布の一例を示す図である。図4において、縦軸は固有値、横軸は最大の固有値を一番目とした場合の固有値の番号を示す。なお、図4には熱雑音などのノイズに対応する値が点線で示されている。また、図5において、縦軸は固有値比率、横軸は複数の固有値を大きさでソートした場合において、最大の固有値と次に大きい固有値との比率を一番目としたときの固有値の比率の番号を示す。つまり、図5に示す固有値分布には、計算部13において計算された複数の固有値を大きさでソートしたときの隣接する固有値の比率を示す比率情報が示されている。ここで、比率は、例えばλi/λi+1(iは自然数)で計算される。
特徴判定部152は、固有値分布算出部151において算出された固有値分布の特徴を判定する。特徴判定部152は、例えば、固有値分布の特徴として比率が大きく変化している番号を判定する。より具体的には、特徴判定部152は、固有値比率が所定値以上になる番号を特徴として判定する。例えば図5に示す例では、実線丸で囲まれた固有値比率に対応する番号を特徴として判定する。このように、特徴判定部152は、固有値分布を用いて、急激に減少している固有値の場所を探索する。
人数推定部153は、特徴判定部152により特徴と判定された番号である当該xを、生体数として推定すればよい。人数推定部153は、図5に示す固有値分布において、特徴判定部152により特徴と判定された「L」を生体数として推定してもよい。ここで、「L」は、最大の固有値から数えてL番目の固有値を意味し、M個の固有値のうちL個の固有値が熱雑音に対応する固有値とは異なる固有値であることがわかる。また、「L」は、生体数に対応する。
出力部16は、推定部15において推定された生体数が0である場合に、検出対象の空間において生体は不在であることを示す不在情報を出力してもよい。また、出力部16は、推定部15において、所定の時間以上、同一の生体数が推定され続けている場合、当該同一の生体数を出力するとしてもよい。
次に、以上のように構成された推定装置1の動作について、図を用いて説明する。
上記の実施の形態1では、生体数を推定するための所定の方法として、計算された複数の固有値を大きさでソートしたときの隣接する固有値の比率または差分を示す比率情報を用いた方法(以下、比率法とも称する)を説明したが、これに限らない。所定の方法として異なる時刻における対応する固有ベクトルの向きの変化(以下、固有ベクトル変動探索法とも称する)を用いてもよい。この場合を、変形例として説明する。
実施の形態1の推定装置1に対して、本変形例の推定装置1は、計算部13Aおよび推定部15Aの構成が異なる。以下、実施の形態1と異なるところを中心に説明する。
図9は、変形例における計算部13Aの詳細構成の一例を示すブロック図である。
固有値計算部131は、相関行列算出部123において算出された、連続する複数の時刻における相関行列の固有値を計算する。より具体的には、固有値計算部131は、相関行列算出部123より算出された、連続する複数の時刻における生体成分チャネルベクトルの相関行列Riの固有値を計算する。ここで、連続する複数の時刻とは、例えば0.1秒ごとなど、生体の揺れまたは生体の移動等に影響されない間隔であればよい。
固有ベクトル計算部132は、固有値計算部131において計算された当該複数の時刻における相関行列の複数の固有値それぞれに対する固有ベクトルを計算する。より具体的には、固有ベクトル計算部132は、固有値計算部131において計算された、複数の時刻における相関行列Riの固有値それぞれに対する固有ベクトルを計算する。例えば、固有ベクトル計算部132は、時刻tにおける生体成分チャネルベクトルの相関行列Riを、下記の(式1)に示されるような固有値分解を行うことで、時刻tにおける固有ベクトルU(t)を計算することができる。
推定部15Aは、計算部13Aにおいて計算された複数の固有ベクトルについての変化情報であって複数の時刻において対応する固有ベクトルを比較したときの変化情報から、生体数を推定する。
変化情報算出部154は、計算部13Aにおいて計算された複数の固有ベクトルについての変化情報であって複数の時刻において対応する複数の固有ベクトルそれぞれの向きの変化が、所定値よりも大きいか小さいかを示す情報である変化情報を算出する。変化情報算出部154は、例えば、図11に示すように複数の時刻において対応する複数の固有ベクトルの向きを比較するために、複数の時刻それぞれにおける複数の固有ベクトルを配置させ、かつ、複数の時刻において対応する固有ベクトルを対応させる位置に配置させるようなマッピングを算出してもよい。
人数推定部155は、変化情報算出部154により算出された変化情報から、複数の時刻のうち最も新しい時刻における複数の固有ベクトルのうち、当該向きの変化が所定値よりも小さい固有ベクトルの数を生体数として推定する。
次に、以上のように構成された本変形例の推定装置1の動作について、図を用いて説明する。推定処理の概要は、図7を用いて説明した通りであるので説明を省略し、詳細処理が異なるステップS5およびステップS6についてのみ説明する。
実施の形態1およびその変形例の推定装置1および推定方法によれば、無線信号を利用して、対象空間に存在する生体数等の推定を行うことができる。より具体的には、一の送信アンテナ素子とN個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の複素伝達関数から、生体の影響による変動成分を抽出し、抽出した変動成分から相関行列とその固有値を算出する。そして、算出した固有値を用いて所定の方法で生体数を推定することで、無線信号を利用して、対象空間に存在する生体数等の推定を行うことができる。その結果、無線信号を利用して、対象空間に生体が存在しているか否かを示す在不在推定も行うことができる。
実施の形態1では、SIMO構成の送信機、受信機を用いた場合を例に挙げて説明したが、これに限らない。MIMO(Multiple Input Multiple Output)構成の送信機、受信機を用いて受信信号の相関行列を観測し、相関行列の固有値を用いて所定の方法で、検出対象の空間に存在する生体の生体数を推定してもよい。この場合を以下、実施の形態2として説明する。
送信機10Aは、送信アンテナ部101Aと、送信部102とで構成される。
実施の形態2の推定装置1Aおよび推定方法によれば、無線信号を利用して、対象空間に存在する生体数等の推定を行うことができる。より具体的には、複数の送信アンテナ素子とN個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の複素伝達関数から、生体の影響による変動成分を抽出し、抽出した変動成分から相関行列とその固有値を算出する。そして、算出した固有値を用いて所定の方法で生体数を推定することにより、無線信号を利用して、対象空間に存在する生体数の推定を行うことができる。その結果、無線信号を利用して、対象空間に生体が存在しているか否かを示す在不在推定も行うことができる。
10、10A 送信機
11 受信機
12 生体情報算出部
13、13A 計算部
14 記憶部
15、15A 推定部
16 出力部
50 生体
101、101A 送信アンテナ部
102 送信部
111 受信アンテナ部
112 受信部
121 複素伝達関数算出部
122 抽出部
123 相関行列算出部
131 固有値計算部
132 固有ベクトル計算部
151 固有値分布算出部
152 特徴判定部
153、155 人数推定部
154 変化情報算出部
Claims (11)
- 少なくとも一の送信アンテナ素子を有する送信機およびN個(Nは2以上の自然数)の受信アンテナ素子を有する受信機を用いた、空間に存在する1以上の生体の生体数の推定方法であって、
前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれで所定期間受信された受信信号から、前記送信アンテナ素子と前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の伝搬特性を表す複素伝達関数を複数算出する伝達関数算出ステップと、
前記伝達関数算出ステップにおいて算出された複数の複素伝達関数から、生体の影響による変動成分であって前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける変動成分を抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップにおいて抽出された、前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける前記変動成分から相関行列を算出する相関行列算出ステップと、
前記相関行列算出ステップにおいて算出された前記相関行列の固有値を計算する計算ステップと、
前記計算ステップにおいて計算された固有値を用いて所定の方法で前記生体数を推定する推定ステップとを含み、
前記推定ステップでは、
前記計算ステップにおいて計算された複数の固有値を大きさでソートした固有値分布の特徴から、生体数を推定し、
前記固有値分布は、前記計算ステップにおいて計算された複数の固有値を大きさでソートしたときの隣接する固有値の比率または差分を示す比率情報であり、
前記特徴は、最大の固有値から数えてx番目の固有値において前記比率情報に含まれる比率または差分が所定値以上になるかであり、
前記推定ステップでは、前記xを、生体数として推定する、
推定方法。 - 少なくとも一の送信アンテナ素子を有する送信機およびN個(Nは2以上の自然数)の受信アンテナ素子を有する受信機を用いた、空間に存在する1以上の生体の生体数の推定方法であって、
前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれで所定期間受信された受信信号から、前記送信アンテナ素子と前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の伝搬特性を表す複素伝達関数を複数算出する伝達関数算出ステップと、
前記伝達関数算出ステップにおいて算出された複数の複素伝達関数から、生体の影響による変動成分であって前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける変動成分を抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップにおいて抽出された、前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける前記変動成分から相関行列を算出する相関行列算出ステップと、
前記相関行列算出ステップにおいて算出された前記相関行列の固有値を計算する計算ステップと、
前記計算ステップにおいて計算された固有値を用いて所定の方法で前記生体数を推定する推定ステップとを含み、
前記計算ステップでは、
前記相関行列算出ステップにおいて算出された、連続する複数の時刻における前記相関行列の固有値を計算して、前記複数の時刻における前記相関行列の複数の固有値それぞれに対する固有ベクトルを計算し、
前記推定ステップでは、
前記計算ステップにおいて計算された複数の固有ベクトルについての変化情報であって前記複数の時刻において対応する固有ベクトルを比較したときの変化情報から、生体数を推定する、
推定方法。 - 前記変化情報は、前記複数の時刻において対応する前記固有ベクトルそれぞれの向きの変化が、所定値よりも大きいか小さいかを示す情報であり、
前記推定ステップでは、前記変化情報から、前記向きの変化が前記所定値よりも小さい固有ベクトルの数を生体数として推定する、
請求項2に記載の推定方法。 - さらに、
前記推定ステップにおいて推定された生体数が0である場合に、前記空間において生体は不在であることを示す不在情報を出力する出力ステップを含む、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の推定方法。 - さらに、前記推定ステップにおいて、所定の時間以上、同一の生体数が推定され続けている場合、当該同一の生体数を出力する出力ステップを含む、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の推定方法。 - 前記送信機が2以上の送信アンテナ素子を有する場合、
さらに、前記相関行列算出ステップにおいて算出された前記相関行列と、前記推定ステップにおいて推定された生体数を用いて、前記1以上の生体の存在する方向を前記受信機の位置を基準として推定する方向推定及び前記1以上の生体の存在する方向を前記送信機の位置を基準として推定する方向推定を含む2以上の方向推定を行うことにより、前記1以上の生体の存在する位置推定を行う位置推定ステップを含む、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の推定方法。 - 前記位置推定ステップでは、前記位置推定を所定時間継続して行うことにより、前記1以上の生体の位置を前記所定時間継続してトラッキングする、
請求項6に記載の推定方法。 - 少なくとも一の送信アンテナ素子を有する送信機およびN個(Nは2以上の自然数)の受信アンテナ素子を有する受信機を用いて、空間に存在する1以上の生体の生体数の推定を行うためのプログラムであって、
前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれで所定期間受信された受信信号から、前記送信アンテナ素子と前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の伝搬特性を表す複素伝達関数を複数算出する伝達関数算出ステップと、
前記伝達関数算出ステップにおいて算出された複数の複素伝達関数から、生体の影響による変動成分であって前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける変動成分を抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップにおいて抽出された、前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける前記変動成分から相関行列を算出する相関行列算出ステップと、
前記相関行列算出ステップにおいて算出された前記相関行列の固有値を計算する計算ステップと、
前記計算ステップにおいて計算された固有値を用いて所定の方法で前記生体数を推定する推定ステップとを、コンピュータに実行させ、
前記推定ステップでは、
前記計算ステップにおいて計算された複数の固有値を大きさでソートした固有値分布の特徴から、生体数を推定し、
前記固有値分布は、前記計算ステップにおいて計算された複数の固有値を大きさでソートしたときの隣接する固有値の比率または差分を示す比率情報であり、
前記特徴は、最大の固有値から数えてx番目の固有値において前記比率情報に含まれる比率または差分が所定値以上になるかであり、
前記推定ステップでは、前記xを、生体数として推定する、
プログラム。 - 少なくとも一の送信アンテナ素子を有する送信機およびN個(Nは2以上の自然数)の受信アンテナ素子を有する受信機を用いた、空間に存在する1以上の生体の生体数の推定装置であって、
前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれで所定期間受信された受信信号から、前記送信アンテナ素子と前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の伝搬特性を表す複素伝達関数を複数算出する伝達関数算出部と、
前記伝達関数算出部において算出された複数の複素伝達関数から、生体の影響による変動成分であって前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける変動成分を抽出する抽出部と、
前記抽出部において抽出された、前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける前記変動成分から相関行列を算出する相関行列算出部と、
前記相関行列算出部において算出された前記相関行列の固有値を計算する計算部と、
前記計算部において計算された固有値を用いて所定の方法で前記生体数を推定する推定部とを備え、
前記推定部は、
前記計算部において計算された複数の固有値を大きさでソートした固有値分布の特徴から、生体数を推定し、
前記固有値分布は、前記計算部において計算された複数の固有値を大きさでソートしたときの隣接する固有値の比率または差分を示す比率情報であり、
前記特徴は、最大の固有値から数えてx番目の固有値において前記比率情報に含まれる比率または差分が所定値以上になるかであり、
前記推定部は、前記xを、生体数として推定する、
推定装置。 - 少なくとも一の送信アンテナ素子を有する送信機およびN個(Nは2以上の自然数)の受信アンテナ素子を有する受信機を用いて、空間に存在する1以上の生体の生体数の推定を行うためのプログラムであって、
前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれで所定期間受信された受信信号から、前記送信アンテナ素子と前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の伝搬特性を表す複素伝達関数を複数算出する伝達関数算出ステップと、
前記伝達関数算出ステップにおいて算出された複数の複素伝達関数から、生体の影響による変動成分であって前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける変動成分を抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップにおいて抽出された、前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける前記変動成分から相関行列を算出する相関行列算出ステップと、
前記相関行列算出ステップにおいて算出された前記相関行列の固有値を計算する計算ステップと、
前記計算ステップにおいて計算された固有値を用いて所定の方法で前記生体数を推定する推定ステップとを、コンピュータに実行させ、
前記計算ステップでは、
前記相関行列算出ステップにおいて算出された、連続する複数の時刻における前記相関行列の固有値を計算して、前記複数の時刻における前記相関行列の複数の固有値それぞれに対する固有ベクトルを計算し、
前記推定ステップでは、
前記計算ステップにおいて計算された複数の固有ベクトルについての変化情報であって前記複数の時刻において対応する固有ベクトルを比較したときの変化情報から、生体数を推定する、
プログラム。 - 少なくとも一の送信アンテナ素子を有する送信機およびN個(Nは2以上の自然数)の受信アンテナ素子を有する受信機を用いた、空間に存在する1以上の生体の生体数の推定装置であって、
前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれで所定期間受信された受信信号から、前記送信アンテナ素子と前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれとの間の伝搬特性を表す複素伝達関数を複数算出する伝達関数算出部と、
前記伝達関数算出部において算出された複数の複素伝達関数から、生体の影響による変動成分であって前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける変動成分を抽出する抽出部と、
前記抽出部において抽出された、前記N個の受信アンテナ素子のそれぞれにおける前記変動成分から相関行列を算出する相関行列算出部と、
前記相関行列算出部において算出された前記相関行列の固有値を計算する計算部と、
前記計算部において計算された固有値を用いて所定の方法で前記生体数を推定する推定部とを備え、
前記計算部は、
前記相関行列算出部において算出された、連続する複数の時刻における前記相関行列の固有値を計算して、前記複数の時刻における前記相関行列の複数の固有値それぞれに対する固有ベクトルを計算し、
前記推定部は、
前記計算部において計算された複数の固有ベクトルについての変化情報であって前記複数の時刻において対応する固有ベクトルを比較したときの変化情報から、生体数を推定する、
推定装置。
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