基于WGAN-GP的微多普勒雷達人體動作識別

屈樂樂， 王禹桐

(沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 遼寧沈陽 110136)

0 引言

人體動作識別技術(shù)已廣泛應(yīng)用于智能安防、智慧養(yǎng)老和人機交互等多個領(lǐng)域。與其他傳感器相比，雷達在人體動作識別上的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：可對人體進行全天候的監(jiān)測，可以有效地防止外界因素的干擾和避免目標的隱私泄露問題。微多普勒效應(yīng)指的是雷達探測物除平動多普勒頻率之外因振動、旋轉(zhuǎn)等微運動而產(chǎn)生的額外頻率調(diào)制的物理現(xiàn)象，由目標運動產(chǎn)生的微多普勒效應(yīng)可有效地應(yīng)用于人體動作識別。

目前，隨著深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，各種深度學(xué)習(xí)方法被廣泛應(yīng)用于基于雷達圖像的人類動作識別，其中深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Deep Convolutional Neural Network, DCNN)已成為人類動作識別的首選方法。但DCNN大都需要充足的雷達數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練實現(xiàn)人體動作識別，但是在實際工作中，由于雷達數(shù)據(jù)采集成本過高，數(shù)據(jù)量往往有限，因此無法有效訓(xùn)練 DCNN。針對雷達數(shù)據(jù)過少而導(dǎo)致深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練受限制的問題，目前主要的方法有三種：采用遷移學(xué)習(xí)技術(shù)對基于微多普勒特征的人體動作識別、采用動作捕捉(Motion Capture, MOCAP)合成微多普勒雷達數(shù)據(jù)和采用生成對抗網(wǎng)絡(luò)(Generative Adversarial Network，GAN)進行雷達數(shù)據(jù)增強。但微多普勒雷達圖像與光學(xué)圖像有根本的不同，基于光學(xué)圖像的遷移學(xué)習(xí)技術(shù)能否有效地應(yīng)用于雷達圖像上還有待于進一步的研究。采用MOCAP合成微多普勒雷達數(shù)據(jù)仍然受到人力、時間和數(shù)據(jù)收集成本的限制，并且合成的數(shù)據(jù)未考慮到周圍復(fù)雜環(huán)境的影響。利用GAN進行雷達數(shù)據(jù)增強同樣可以解決雷達圖像數(shù)據(jù)過少的問題，但是需要注意生成圖像的質(zhì)量和多樣性。文獻[8-9]采用深度卷積生成對抗網(wǎng)絡(luò)(Deep Convolutional GAN，DCGAN)進行雷達圖像數(shù)據(jù)增強，提高動作識別準確率。文獻[10-11]提出采用輔助分類器生成對抗網(wǎng)絡(luò)(Auxiliary Classifier GAN，ACGAN)和DCNN對不同環(huán)境下的人體動作進行識別，識別準確率得到提升。 雖然 DCGAN 和 ACGAN 可以解決雷達數(shù)據(jù)不足的問題，但是其訓(xùn)練過程并不穩(wěn)定，常常需要訓(xùn)練多次才能達到平衡，并且需要平衡網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和調(diào)整超參數(shù)。本文提出利用基于梯度懲罰的沃瑟斯坦生成對抗網(wǎng)絡(luò)(Wasserstein Generative Adversarial Network-Gradient Penalty，WGAN-GP)進行微多普勒時頻譜圖像增強。相較于 DCGAN和ACGAN，WGAN-GP提供了一個更穩(wěn)定的訓(xùn)練過程，對于模型架構(gòu)和超參數(shù)的選擇不敏感，生成的圖像質(zhì)量更高，多樣性更強。

本文首先對5種不同的人體動作線性調(diào)頻連續(xù)波雷達回波數(shù)據(jù)進行預(yù)處理獲得相應(yīng)的微多普勒時頻譜圖像，然后介紹了基于GAN的時頻譜圖像增強方法，并對比了DCGAN、ACGAN 和WGAN-GP 對微多普勒時頻譜圖像的數(shù)據(jù)增強效果。最后實驗結(jié)果表明，使用WGAN-GP對微多普勒時頻譜圖像進行數(shù)據(jù)增強，可有效地解決DCNN 由于數(shù)據(jù)量有限導(dǎo)致的過擬合問題，提高動作識別準確率。

1 雷達信號采集與預(yù)處理

實驗數(shù)據(jù)使用格拉斯哥大學(xué)提供的公開雷達數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集通過中心頻率為5.8 GHz，帶寬為400 MHz的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達采集不同人體動作的回波數(shù)據(jù)得到。本文使用的數(shù)據(jù)包含40名男性志愿者，分別進行喝水、拾取物體、行走、站立、坐下五種人體動作，每個動作重復(fù)測量3次，其中行走的動作測量時間為10 s，其余動作為5 s。每個動作共得到120個雷達回波數(shù)據(jù)，共計120×5=600個數(shù)據(jù)。對5種人體動作的原始回波數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，得到相應(yīng)的微多普勒時頻譜圖像，回波數(shù)據(jù)預(yù)處理流程如圖1所示。

圖1 回波數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

將每個動作對應(yīng)的回波樣本數(shù)據(jù)表示為×維矩陣，其中為快時間采樣個數(shù)，即為每個調(diào)頻周期對應(yīng)的數(shù)據(jù)采樣點數(shù)，為慢時間采樣個數(shù)，即為每個動作樣本數(shù)據(jù)對應(yīng)的 chirps數(shù)量。首先對數(shù)據(jù)矩陣的每一列在快時間維進行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)得到距離像信息。然后使用4階截止頻率為0.007 5 Hz的Butterworth高通濾波器作為MTI濾波器對背景雜波進行抑制。根據(jù)人體目標與雷達之間的距離選擇的距離單元范圍為10～30，對每一個距離單元沿慢時間維進行短時傅里葉變換(Short Time Fourier Transform，STFT)，然后對每個距離單元的STFT結(jié)果進行相干疊加得到微多普勒時頻譜圖像，其中STFT采用長度為 0.2 s，重疊系數(shù)為95%的Hamming窗。

得到的微多普勒時頻譜圖像大小為464×400像素，為了降低網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的計算復(fù)雜度，將時頻譜圖像統(tǒng)一縮放為64×64像素，如圖2所示。

圖2 人體各動作微多普勒時頻譜圖像

2 基于GAN的微多普勒時頻譜圖像增強2.1 DCGAN

GAN最早由Ian Goodfellow在2014年首次提出。GAN是一種有效的數(shù)據(jù)生成網(wǎng)絡(luò)，其中包括生成器(Generator, G)和判別器(Discriminator, D)，通過生成器和判別器的對抗訓(xùn)練可以生成效果相當(dāng)逼真的圖像數(shù)據(jù)，解決數(shù)據(jù)量不足的問題。GAN的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其優(yōu)化過程則是一個極大極小博弈過程，最終使判別器和生成器達到納什均衡。

生成器和判別器的對抗訓(xùn)練優(yōu)化過程可用式(1)表示：

(1)

圖3 GAN結(jié)構(gòu)

DCGAN是將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GAN的一種結(jié)合。相較于原始的GAN，DCGAN主要對生成器和判別器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行改進，一方面通過采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)替代GAN中的多層感知機從而提高判別器判別圖像的能力，另一方面通過采用轉(zhuǎn)置卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提升生成器生成圖像的效果。

2.2 ACGAN

ACGAN將噪聲和相關(guān)的類別標簽混合作為生成器的輸入，并使判別器既判斷真假又判斷類別。 通過對生成圖像類別的判斷，可以使得生成器更加準確地找到類別標簽對應(yīng)的噪聲分布。其生成器和判別器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使用深度卷積網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。ACGAN的目標函數(shù)包括兩部分：

=[log(=|)]+

(2)

=[log(=|)]+

(3)

式中,為數(shù)據(jù)樣本來源判別正確的最大似然估計，為數(shù)據(jù)樣本類別判別正確的最大似然估計。判別器最大化+，生成器最大化-。 ACGAN通過添加標簽約束來提高生成數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

2.3 WGAN-GP

如果 GAN 中的生成器生成數(shù)據(jù)的概率分布與真實數(shù)據(jù)的概率分布幾乎是沒有重疊部分或者兩分布重疊部分可以被忽略，則JS散度無法衡量生成數(shù)據(jù)分布和真實數(shù)據(jù)分布的距離，這時通過優(yōu)化JS散度訓(xùn)練GAN將導(dǎo)致找不到正確的優(yōu)化目標，容易產(chǎn)生訓(xùn)練梯度不穩(wěn)定和模式坍塌的問題。

為解決上述問題，沃瑟斯坦生成對抗(Wasserstein GAN ， WGAN)網(wǎng)絡(luò)提出使用Wasserstein距離作為訓(xùn)練GAN的優(yōu)化方法。 為了滿足Lipschitz連續(xù)性，WGAN使用了將權(quán)重限制在一定范圍內(nèi)以強制滿足Lipschitz連續(xù)性的方法，但這會導(dǎo)致生成結(jié)果不佳。WGAN-GP是基于梯度懲罰的 WGAN。WGAN-GP改善了Lipschitz連續(xù)性約束條件，使用梯度懲罰代替WGAN中的權(quán)重裁剪。

WGAN-GP的目標函數(shù)為

(4)

(5)

2.4 微多普勒時頻譜圖像數(shù)據(jù)增強

本文采用的WGAN-GP網(wǎng)絡(luò)中判別器和生成器使用DCNN結(jié)構(gòu)，具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 WGAN-GP結(jié)構(gòu)

本文使用的深度學(xué)習(xí)框架為TensorFlow，CPU為AMD R9 3900X，同時使用NVIDA GTX 2060和CUDA加速訓(xùn)練。WGAN-GP模型中所有的參數(shù)初始化服從均值為0，標準差為0.2的正態(tài)分布，判別器和生成器的學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.000 2，采用Adam優(yōu)化算法，帶泄露修正線性單元斜率設(shè)置為0.2，批大小設(shè)置為32，梯度懲罰項系數(shù)為10。

將原始數(shù)據(jù)劃分成訓(xùn)練集和測試集，訓(xùn)練集每個動作包含96幅時頻譜圖像，共計96×5=480幅圖像。測試集每個動作包含24幅時頻譜圖像，共計24×5=120幅圖像。使用WGAN-GP對訓(xùn)練集中的每個動作分別進行時頻譜圖像增強，WGAN-GP的判別器和生成器損失值曲線如圖4所示，雖然損失值曲線在一定程度上反映了判別器和生成器的訓(xùn)練進程，但是其并不能衡量生成圖像的質(zhì)量，需通過視覺分析生成圖像的質(zhì)量。為了進一步對比WGAN-GP生成圖像的質(zhì)量，在同等條件下，使用DCGAN和ACGAN對雷達圖像數(shù)據(jù)進行生成，其判別器和生成器結(jié)構(gòu)與表1類似。

(a) 判別器損失值曲線

圖5展示了3種不同GAN的生成圖像。對比圖5和圖2可以看出，WGAN-GP生成的圖像與真實的微多普勒時頻譜圖像在宏觀上非常相似，并且訓(xùn)練過程較為穩(wěn)定，未發(fā)生模式坍塌。DCGAN和ACGAN生成的圖像質(zhì)量低于WGAN-GP，特別是軀干對應(yīng)的低頻部分很模糊。DCGAN和ACGAN在訓(xùn)練過程中均發(fā)生了模式坍塌，生成了大量相同的圖像，并且ACGAN生成了很多錯誤類別的圖像，例如行走類別的生成圖像里含有許多其他動作的生成圖像。

圖5 WGAN-GP，DCGAN和ACGAN生成圖像((a)～(e) 為WGAN-GP生成圖像，(f)～(j)為DCGAN生成圖像，(k)～(o)為ACGAN生成圖像)

DCGAN和ACGAN需要平衡生成模型和判別模型的訓(xùn)練進程，避免模式坍塌，達到納什平衡，并且需要經(jīng)過大量的可視化分析篩選出符合運動特征的生成圖像，這將導(dǎo)致工作量的激增。而WGAN-GP擁有更穩(wěn)定的訓(xùn)練過程，并能生成更高質(zhì)量的樣本圖像。

3 基于DCNN的人體動作識別

目前，DCNN在圖像分類上顯示了巨大潛力。DCNN具有獨立學(xué)習(xí)圖像特征并建立分類邊界的能力。本文采用DCNN-10來驗證WGAN-GP在人體動作識別中的性能。DCNN-10包括7個卷積層和3個全連接層，每一個卷積層后都包含有批標準化和修正線性單元，具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。訓(xùn)練時采用Adam優(yōu)化算法，批大小設(shè)置為32，學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.000 5。

圖6 DCNN-10網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

首先使用原始訓(xùn)練集(96×5=480)訓(xùn)練DCNN-10，使用測試集測試DCNN-10的準確率。測試集準確率曲線如圖7所示，當(dāng)?shù)喆纬^120后，測試集準確率趨于穩(wěn)定，達到93.3%。

圖7 僅使用原始訓(xùn)練集時測試集準確率

為了測試添加的生成圖像數(shù)量對于DCNN-10準確率的影響，接下來將原始訓(xùn)練集分別與不同數(shù)量的WGAN-GP生成圖像混合在一起，組成新訓(xùn)練集，使用混合后的新訓(xùn)練集分別重新訓(xùn)練DCNN-10，并用相同的測試集測試DCNN-10的分類準確率，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 各比例生成圖像的測試集準確率

向原始訓(xùn)練集中添加4倍數(shù)量的生成圖像時測試集準確率最高，達到95.8%。但當(dāng)加入6倍的生成圖像時準確率驟降為86.7%。這是因為生成圖像與真實的微多普勒雷達圖像雖然看起來十分相似，但圖像質(zhì)量仍不如真實的微多普勒雷達圖像，如果訓(xùn)練集中的生成圖像超過一定數(shù)量時會影響DCNN-10對微多普勒雷達圖像特征的學(xué)習(xí)，導(dǎo)致測試集準確率降低。當(dāng)原始訓(xùn)練集中加入的生成圖像在一定數(shù)量內(nèi)時，隨著加入的生成圖像越多，DCNN-10的分類準確率越高，生成圖像可有效地增強DCNN-10的泛化能力，提高識別準確率。

為了對比不同生成對抗網(wǎng)絡(luò)的生成圖像對于DCNN-10準確率的影響，向原始訓(xùn)練集中分別加入4倍數(shù)量的DCGAN和ACGAN的生成圖像，組成新訓(xùn)練集，分別重新訓(xùn)練DCNN-10,使用相同的測試集測試其準確率。測試集準確率曲線如圖9所示，當(dāng)?shù)喆纬^120后，加入DCGAN生成圖像后的測試集準確率穩(wěn)定在91.7%左右，加入ACGAN生成圖像后的測試集準確率穩(wěn)定在90.8%左右，加入WGAN-GP生成圖像后的測試集準確率穩(wěn)定在95.8%左右。測試集中每種動作的準確率如表2所示。

圖9 不同生成對抗網(wǎng)絡(luò)的測試集準確率

表2 DCNN-10測試結(jié)果 %

利用DCGAN和ACGAN進行數(shù)據(jù)增強后，測試集的準確率相比于僅使用原始訓(xùn)練集均有所下降，其中加入ACGAN的生成圖像后準確率最低。這是由于加入的DCGAN和ACGAN的生成圖像質(zhì)量和多樣性過低所導(dǎo)致的，并且ACGAN的生成圖像里混有錯誤標簽影響了分類準確率。而利用WGAN-GP進行數(shù)據(jù)增強后，訓(xùn)練出的DCNN-10在測試集上的準確率相比于僅使用原始訓(xùn)練集明顯提高。

4 結(jié)束語

本文基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)提出采用WGAN-GP對微多普勒時頻譜圖像進行數(shù)據(jù)增強。實驗結(jié)果表明，相比于DCGAN和ACGAN，使用WGAN-GP對微多普勒時頻譜圖像數(shù)據(jù)增強，可有效地增強DCNN的泛化能力，提升測試集識別準確率。在下一步工作中，將結(jié)合自動篩選方法繼續(xù)完善基于GAN的雷達圖像增強技術(shù)，提升生成圖像的質(zhì)量，提高人體動作的識別準確率。