Wi-Vi – это технология, которая позволяет отслеживать движущиеся предметы и людей через стены и за закрытыми дверями. Технология разработана в 2013 году лабораторией Компьютерных наук и Искусственного интеллекта Массачусетского технологического института.

Wi-Vi является беспроводным устройством, которое регистрирует движущиеся объекты за стеной. Wi-Vi – это сокращение от Wi-Fi Vision, что означает беспроводное видение. Технология использует доступные Wi-Fi чипсеты, что обуславливает низкую стоимость, относительно низкое энергопотребление, работу в низкочастотном диапазоне и доступность для обычных пользователей. Wi-Vi использует Wi-Fi сигналы OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) в открытом диапазоне частот ISM (на частоте 2,4 ГГц) и типичное Wi-Fi оборудование.

Wi-Vi по существу является MIMO-устройством (multiple-input and multiple-output) с тремя направленными антеннами: две антенны используются для передачи сигнала в противофазе и одна используется для приема. Устройство включает два основных компонента:
1) первый компонент устраняет засвечивание (flash) отражающегося от неподвижных предметов сигнала, выполняя гашение волн (MIMO nulling), что позволяет после программной фильтрации учитывать только те радиоволны, которые отразились от движущихся объектов;
2) второй компонент отслеживает движущийся объект, рассматривая сам объект как массив антенн, используя технику обратного радиолокационного синтезирования апертуры. Wi-Vi может быть использован в одном из двух режимов, в зависимости от выбора пользователя.
В режиме 1 он может быть использован для отображения и отслеживания движущихся объектов за стеной.
В режиме 2, Wi-Vi действует как интерфейс передачи жестов из-за стены.

Технология может быть использована для контроля доступа в здания. Сотрудники правоохранительных органов могут использовать технологию для отслеживания нарушителя. Аварийно-спасательные службы могут использовать технологию для обнаружения людей в завалах. Обычные пользователи могут использовать устройство для игр, наблюдения за детьми и пожилыми родственниками.

Мы вспомнили о разработке MIT, встретив недавно в новостях сообщение о разработке аналогичной технологии симферопольской компанией ЭМИИА, которая планировала получить финансирование в 2016 году, а в 2017-м запустила производство своего оборудования.

Подробнее о технологии Wi-Vi

Как возможно наблюдение сквозь стены?

Решение аналогично принципу действия радара или гидролокатора. Сигнал проходит свозь неметаллические элементы стены, отражается от объектов и людей и возвращается к приемнику, неся информацию о том, что находится за стеной.

В стандарте IEEE 802.11 выделяется четырнадцать каналов с длиной волны от 121 до 124 мм. Дециметровый диапазон и типичная мощность до ста милливатт приводят к тому, что качество связи в значительной степени зависит от наличия любых преград на пути распространения сигнала. Заметное влияние оказывает перемещение людей, что и используется в данном случае.

В реальных условиях практически не встречаются сплошные стены. В них есть пустоты, стыки, технологические отверстия и штробы, поэтому слабый сигнал Wi-Fi проходит даже через преграды, которые внешне кажутся монолитными.

Каковы сложности в решении задачи наблюдения сквозь стены?

Создание устройства, которое сможет отследить движущиеся объекты, сложно потому, что мощность сигнала после двойного прохождения стены сокращается в три-пять раз. Еще более сложной задачей является обработка отражений сигналов от самой стены, которые намного сильнее, чем отражения от объектов за стеной. Обработка отраженных от стены сигналов может занять АЦП (Аналого-цифровой преобразователь), не позволяя ему обрабатывать сигналы, отраженные от объектов за стеной. Это явление называется эффект засвечивания (flash effect), так как оно аналогично тому, когда зеркало перед камерой отражает вспышку и мешает заснять объект.

Увеличение количества антенн для устранения эффекта засвечивания

Существующие решения устраняют эффект засвечивания, посредством разделения отражений от стены и отражений от движущихся за стеной объектов, основываясь на времени прихода отраженных сигналов. Для достижения этого разделения техника должна выявлять задержки субнаносекундной длительности для фильтрации эффекта засвечивания, требуя применения энергоемкого гигагерцового оборудования, доступного только для военных.

Для исключения эффекта засвечивания без использования гигагерцового оборудования технология Wi-Vi посылает сигнал через несколько антенн, чтобы отражения от неподвижных объектов не поступали на приемник.
В устройстве Wi-Vi (аббревиатура от Wireless Vision) маломощный сигнал излучается в противофазе одновременно двумя антеннами, а принимается одной, и работает в два этапа.

На первом этапе устройство измеряет сигналы от двух передающих антенн, поступающих на приемник.

На втором этапе измерения сигналов от передающих антенн с первого этапа используются для обнуления принимаемого сигнала.
Так как беспроводные сигналы (включая отраженные) складываются линейно, то только отраженные от движущихся объектов сигналы регистрируются на втором этапе.
Далее разработчики технологии развили механизм обнуления путем введения итерационного обнуления, которое позволяет устранить остаточное засвечивание и слабые отражения от неподвижных объектов за стеной.

К похожей концепции пришли и в университетском колледже Лондона. Созданный там прототип Wi-Fi-сканера примечателен тем, что никак не выдаёт самого факта проведения разведки. Это пассивное устройство, анализирующее изменение характеристик сигнала на частоте 2,4 ГГц от изначально работающих точек доступа Wi-Fi.

Отслеживание движения

Wi-Vi отслеживает движения объектов с помощью техники обратного радиолокационного синтезирования апертуры (ISAR - inverse synthetic aperture radar), который используется для сьемки поверхности Земли и других планет. Техника работает следующим образом: когда объект перемещается, он отражает сигнал с различных точек пространства, что позволяет думать о нем, как о движущейся антенне. Устройство захватывает временную последовательность значений отраженного сигнала и рассматривает их последовательность пространственных меток. Используя стандартную антенну, Wi-Vi способен определить относительный угол движения человека по отношению к устройству. Описанная техника была расширена разработчиками для отслеживания перемещения нескольких объектов с помощью сглаживающего алгоритма классификации множественных сигналов (smoothed MUSIC algorithm).

Некоторые сферы применения:
- контроль доступа в здания;
- отслеживание нарушителя сотрудниками правоохранительных органов;
- обнаружение людей в завалах аварийно-спасательными службами;
- использование обычными пользователями для игр, наблюдения за детьми и пожилыми родственниками.