Published January 1, 2020 | Version v1
Publication Open

An End-to-End Deep Learning Framework for Recognizing Human-to-Human Interactions Using Wi-Fi Signals

  • 1. German Jordanian University
  • 2. Jordan University of Science and Technology

Description

Channel state information (CSI)-based human activity recognition plays an essential role in various application domains, such as security, healthcare, and Internet of Things. Most existing CSI-based activity recognition approaches rely on manually designed features that are classified using traditional classification methods. Furthermore, the use of deep learning methods for CSI-based activity recognition is still at its infancy with most of the existing approaches focus on recognizing single-human activities. The current study explores the feasibility of utilizing deep learning methods to recognize human-to-human interactions (HHIs) using CSI signals. Particularly, we introduce an end-to-end deep learning framework that comprises three phases, which are the input, feature extraction, and recognition phases. The input phase converts the raw CSI signals into CSI images that comprise time, frequency, and spatial information. In the feature extraction phase, a novel convolutional neural network (CNN) is designed to automatically extract deep features from the CSI images. Finally, the extracted features are fed to the recognition phase to identify the class of the HHI associated with each CSI image. The performance of our proposed framework is assessed using a publicly available CSI dataset that was acquired from 40 different pairs of subjects while performing 13 HHIs. Our proposed framework achieved an average recognition accuracy of 86.3% across all HHIs. Moreover, the experiments indicate that our proposed framework enabled significant improvements over the results achieved using three state-of-the-art pre-trained CNNs as well as the results obtained using four different conventional classifiers that employs traditional handcrafted features.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يلعب التعرف على النشاط البشري القائم على معلومات حالة القناة (CSI) دورًا أساسيًا في مجالات التطبيق المختلفة، مثل الأمن والرعاية الصحية وإنترنت الأشياء. تعتمد معظم مناهج التعرف على النشاط القائمة على CSI على الميزات المصممة يدويًا والتي يتم تصنيفها باستخدام طرق التصنيف التقليدية. علاوة على ذلك، لا يزال استخدام أساليب التعلم العميق للتعرف على النشاط القائم على CSI في مراحله الأولى حيث تركز معظم الأساليب الحالية على التعرف على الأنشطة الفردية. تستكشف الدراسة الحالية جدوى استخدام أساليب التعلم العميق للتعرف على التفاعلات بين البشر (HHIs) باستخدام إشارات CSI. على وجه الخصوص، نقدم إطارًا للتعلم العميق من البداية إلى النهاية يتكون من ثلاث مراحل، وهي مراحل الإدخال واستخراج الميزات والتعرف. تقوم مرحلة الإدخال بتحويل إشارات CSI الأولية إلى صور CSI التي تشتمل على الوقت والتردد والمعلومات المكانية. في مرحلة استخراج الميزات، تم تصميم شبكة عصبية التفافية جديدة (CNN) لاستخراج الميزات العميقة تلقائيًا من صور CSI. أخيرًا، يتم تغذية الميزات المستخرجة إلى مرحلة التعرف لتحديد فئة مؤشر صحة الأسرة المرتبطة بكل صورة من صور مؤشر سلامة الطفل. يتم تقييم أداء إطار العمل المقترح لدينا باستخدام مجموعة بيانات CSI المتاحة للجمهور والتي تم الحصول عليها من 40 زوجًا مختلفًا من المشاركين أثناء أداء 13 أسرة. حقق إطارنا المقترح متوسط دقة الاعتراف بنسبة 86.3 ٪ في جميع الأسر المعيشية. علاوة على ذلك، تشير التجارب إلى أن إطارنا المقترح مكن من إجراء تحسينات كبيرة على النتائج المحققة باستخدام ثلاثة من أحدث شبكات CNN المدربة مسبقًا بالإضافة إلى النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام أربعة مصنفات تقليدية مختلفة تستخدم ميزات تقليدية مصنوعة يدويًا.

Translated Description (French)

La reconnaissance des activités humaines basée sur les informations sur l'état des canaux (CSI) joue un rôle essentiel dans divers domaines d'application, tels que la sécurité, les soins de santé et l'Internet des objets. La plupart des approches de reconnaissance d'activité basées sur CSI existantes reposent sur des fonctionnalités conçues manuellement qui sont classées à l'aide de méthodes de classification traditionnelles. En outre, l'utilisation de méthodes d'apprentissage en profondeur pour la reconnaissance des activités basées sur l'ISC en est encore à ses balbutiements, la plupart des approches existantes se concentrant sur la reconnaissance des activités humaines individuelles. La présente étude explore la faisabilité de l'utilisation de méthodes d'apprentissage en profondeur pour reconnaître les interactions interhumaines (HHI) à l'aide de signaux CSI. En particulier, nous introduisons un cadre d'apprentissage profond de bout en bout qui comprend trois phases, à savoir les phases d'entrée, d'extraction de fonctionnalités et de reconnaissance. La phase d'entrée convertit les signaux CSI bruts en images CSI qui comprennent des informations temporelles, fréquentielles et spatiales. Dans la phase d'extraction de caractéristiques, un nouveau réseau neuronal convolutionnel (CNN) est conçu pour extraire automatiquement les caractéristiques profondes des images CSI. Enfin, les caractéristiques extraites sont transmises à la phase de reconnaissance pour identifier la classe de l'IHH associée à chaque image CSI. La performance de notre cadre proposé est évaluée à l'aide d'un ensemble de données CSI accessibles au public qui a été acquis auprès de 40 paires différentes de sujets tout en effectuant 13 HHI. Notre cadre proposé a atteint une précision de reconnaissance moyenne de 86,3 % dans tous les HHI. De plus, les expériences indiquent que notre cadre proposé a permis des améliorations significatives par rapport aux résultats obtenus à l'aide de trois CNN pré-entraînés à la pointe de la technologie ainsi qu'aux résultats obtenus à l'aide de quatre classificateurs conventionnels différents qui utilisent des caractéristiques artisanales traditionnelles.

Translated Description (Spanish)

El reconocimiento de la actividad humana basado en la información del estado del canal (CSI) desempeña un papel esencial en varios dominios de aplicaciones, como la seguridad, la atención médica y el Internet de las cosas. La mayoría de los enfoques de reconocimiento de actividades basados en CSI existentes se basan en características diseñadas manualmente que se clasifican utilizando métodos de clasificación tradicionales. Además, el uso de métodos de aprendizaje profundo para el reconocimiento de actividades basadas en CSI todavía está en su infancia, y la mayoría de los enfoques existentes se centran en el reconocimiento de actividades de un solo ser humano. El estudio actual explora la viabilidad de utilizar métodos de aprendizaje profundo para reconocer las interacciones de persona a persona (HHI) utilizando señales CSI. En particular, presentamos un marco de aprendizaje profundo de extremo a extremo que comprende tres fases, que son las fases de entrada, extracción de características y reconocimiento. La fase de entrada convierte las señales CSI sin procesar en imágenes CSI que comprenden información de tiempo, frecuencia y espacio. En la fase de extracción de características, se diseña una novedosa red neuronal convolucional (CNN) para extraer automáticamente características profundas de las imágenes CSI. Finalmente, las características extraídas se alimentan a la fase de reconocimiento para identificar la clase del HHI asociado con cada imagen CSI. El rendimiento de nuestro marco propuesto se evalúa utilizando un conjunto de datos de CSI disponible públicamente que se adquirió de 40 pares diferentes de sujetos mientras se realizaban 13 HHI. Nuestro marco propuesto logró una precisión de reconocimiento promedio del 86,3% en todos los HHI. Además, los experimentos indican que nuestro marco propuesto permitió mejoras significativas con respecto a los resultados logrados utilizando tres CNN preentrenadas de última generación, así como los resultados obtenidos utilizando cuatro clasificadores convencionales diferentes que emplean características tradicionales hechas a mano.

Files

09243938.pdf.pdf

Files (245 Bytes)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:cdd16f178e04a6b191d2e642f8fd0914
245 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
إطار التعلم العميق من البداية إلى النهاية للتعرف على التفاعلات بين البشر باستخدام إشارات Wi - Fi
Translated title (French)
Un cadre d'apprentissage approfondi de bout en bout pour reconnaître les interactions interhumaines à l'aide de signaux Wi-Fi
Translated title (Spanish)
Un marco de aprendizaje profundo de extremo a extremo para reconocer las interacciones de persona a persona mediante señales Wi-Fi

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3097728828
DOI
10.1109/access.2020.3034849

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Jordan

References

  • https://openalex.org/W1977986674
  • https://openalex.org/W1983705368
  • https://openalex.org/W1989259731
  • https://openalex.org/W2040896935
  • https://openalex.org/W2053154970
  • https://openalex.org/W2053400188
  • https://openalex.org/W2054780155
  • https://openalex.org/W2076063813
  • https://openalex.org/W2089695767
  • https://openalex.org/W2095396347
  • https://openalex.org/W2097117768
  • https://openalex.org/W2097704579
  • https://openalex.org/W2141336889
  • https://openalex.org/W2153635508
  • https://openalex.org/W2164777277
  • https://openalex.org/W2170021941
  • https://openalex.org/W2172292165
  • https://openalex.org/W2194775991
  • https://openalex.org/W2249088156
  • https://openalex.org/W2279098554
  • https://openalex.org/W2338892592
  • https://openalex.org/W2469690627
  • https://openalex.org/W2508522990
  • https://openalex.org/W2525771685
  • https://openalex.org/W2534482106
  • https://openalex.org/W2592884824
  • https://openalex.org/W2594230123
  • https://openalex.org/W2598567806
  • https://openalex.org/W2616881109
  • https://openalex.org/W2626807326
  • https://openalex.org/W2743415265
  • https://openalex.org/W2763219399
  • https://openalex.org/W2765890301
  • https://openalex.org/W2781944640
  • https://openalex.org/W2783857023
  • https://openalex.org/W2796567768
  • https://openalex.org/W2820000974
  • https://openalex.org/W2888184955
  • https://openalex.org/W2897132279
  • https://openalex.org/W2899145720
  • https://openalex.org/W2900264681
  • https://openalex.org/W2902024067
  • https://openalex.org/W2919115771
  • https://openalex.org/W2937732254
  • https://openalex.org/W2944605902
  • https://openalex.org/W2944661854
  • https://openalex.org/W2952065976
  • https://openalex.org/W2962951526
  • https://openalex.org/W2967205117
  • https://openalex.org/W2980714463
  • https://openalex.org/W3006408325
  • https://openalex.org/W3025316048
  • https://openalex.org/W3045543146
  • https://openalex.org/W4230946174
  • https://openalex.org/W4253510307