ALERT数据集+ISA-ViT:IR-UWB雷达破解驾驶员活动识别的隐私与光照难题

论文信息

项目 内容
标题 ALERT Open Dataset and Input-Size-Agnostic Vision Transformer for Driver Activity Recognition Using IR-UWB
来源 Lacuna / arXiv (2026-09)
任务 驾驶员活动识别(DAR)
传感器 Impulse Radio Ultra-Wideband (IR-UWB) 雷达
数据集 ALERT: 10,220样本,9名志愿者,7类活动
代码 开源(待确认)

核心创新

1. ALERT数据集:首个真实驾驶场景UWB雷达数据集

对比维度 ALERT(本文) RaDA(仿真) 其他UWB数据集
场景 真实城市/校园道路 模拟驾驶 静态/实验室
样本数 10,220 ~5,000 <1,000
志愿者 9人 仿真 3-5人
活动类别 7类 5类 3-4类
车辆振动 ✅ 真实 ❌ 无 ❌ 无
光照变化 ✅ 自然 ❌ 无 部分有

2. 七类驾驶活动定义

编号 活动 说明 安全等级
1 Relax (Autopilot) 放松状态(自动驾驶模式) 安全
2 Drive 正常驾驶 安全
3 Nodding 点头(微睡眠征兆) ⚠️ 警告
4 Smoking 吸烟 ⚠️ 分心
5 Drinking 饮水 ⚠️ 分心
6 Panel Control 操作仪表盘 ⚠️ 分心
7 Smartphone 使用手机 🔴 危险

3. ISA-ViT架构:解决雷达数据与ViT的尺寸不匹配

方法详解

核心问题:为什么标准ViT处理雷达数据会失效?

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标准ViT输入:  224×224 (正方形, H/W=1.0)
UWB雷达数据: 51×500 (高宽比≈10:1)

如果强制resize到224×224:
- 时间分辨率从500压缩到224 → 丢失56%的时序信息
- 距离分辨率从51拉伸到224 → 插入173行虚假数据
- Doppler频率移位 → 破坏物理含义

ISA-Patching策略

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import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class ISAPatching(nn.Module):
"""
Input-Size-Agnostic Patching

动态调整patch尺寸,使任意纵横比的雷达数据
都能被分解为标准的14×14个patch,
从而复用ImageNet预训练的Positional Embedding Vectors。

论文Section 3.2: ISA-ViT Architecture

Args:
in_channels: 输入通道数 (1 for magnitude)
embed_dim: ViT嵌入维度 (768 for ViT-Base)
target_patches: 目标patch网格数 (14×14=196)
"""

def __init__(self, in_channels: int = 1, embed_dim: int = 768,
target_patches: int = 14):
super().__init__()
self.target_patches = target_patches
self.embed_dim = embed_dim

# 动态patch嵌入:根据输入尺寸自适应
self.patch_embed = nn.AdaptiveAvgPool2d(
(target_patches, target_patches)
)

# 线性投影到ViT嵌入空间
self.proj = nn.Linear(in_channels, embed_dim)

# 可学习的位置编码(从ImageNet预训练初始化)
self.pos_embed = nn.Parameter(
torch.randn(1, target_patches * target_patches + 1, embed_dim) * 0.02
)

# CLS token
self.cls_token = nn.Parameter(torch.randn(1, 1, embed_dim) * 0.02)

def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
"""
Args:
x: 雷达数据, shape=(B, 1, H, W)
RT域: (B, 1, 51, 500)
FT域: (B, 1, 51, 500)

Returns:
tokens: shape=(B, 197, embed_dim) # 196 patches + 1 CLS
"""
B = x.size(0)

# 自适应池化到14×14(保持信息完整性)
x = self.patch_embed(x) # (B, 1, 14, 14)

# 展平为序列
x = x.flatten(2).transpose(1, 2) # (B, 196, 1)

# 线性投影
x = self.proj(x) # (B, 196, embed_dim)

# 添加CLS token
cls = self.cls_token.expand(B, -1, -1)
x = torch.cat([cls, x], dim=1) # (B, 197, embed_dim)

# 添加位置编码
x = x + self.pos_embed

return x


class ISAViTBlock(nn.Module):
"""
ViT编码器块(标准Transformer Encoder Layer)

与标准ViT-Base一致,可加载ImageNet预训练权重
"""

def __init__(self, embed_dim: int = 768, num_heads: int = 12,
mlp_ratio: float = 4.0, dropout: float = 0.1):
super().__init__()
self.norm1 = nn.LayerNorm(embed_dim)
self.attn = nn.MultiheadAttention(
embed_dim, num_heads,
dropout=dropout, batch_first=True
)
self.norm2 = nn.LayerNorm(embed_dim)
self.mlp = nn.Sequential(
nn.Linear(embed_dim, int(embed_dim * mlp_ratio)),
nn.GELU(),
nn.Dropout(dropout),
nn.Linear(int(embed_dim * mlp_ratio), embed_dim),
nn.Dropout(dropout)
)

def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
# Self-attention
attn_out, _ = self.attn(self.norm1(x), self.norm1(x), self.norm1(x))
x = x + attn_out
# MLP
x = x + self.mlp(self.norm2(x))
return x


class ISAViT(nn.Module):
"""
Input-Size-Agnostic Vision Transformer for IR-UWB

双分支架构: RT域 + FT域 → 晚融合

论文Section 3.3: Multi-Domain Fusion

Args:
img_size: 输入尺寸 (H, W)
in_channels: 输入通道数
embed_dim: ViT嵌入维度
depth: Transformer块数量
num_heads: 注意力头数
num_classes: 活动类别数
"""

def __init__(self, img_size=(51, 500), in_channels: int = 1,
embed_dim: int = 768, depth: int = 12,
num_heads: int = 12, num_classes: int = 7):
super().__init__()

# RT域分支
self.rt_patch = ISAPatching(in_channels, embed_dim)
self.rt_blocks = nn.ModuleList([
ISAViTBlock(embed_dim, num_heads) for _ in range(depth)
])

# FT域分支
self.ft_patch = ISAPatching(in_channels, embed_dim)
self.ft_blocks = nn.ModuleList([
ISAViTBlock(embed_dim, num_heads) for _ in range(depth)
])

# 可训练的融合权重参数 β
self.beta = nn.Parameter(torch.tensor(0.5))

# 分类头
self.norm = nn.LayerNorm(embed_dim)
self.head = nn.Linear(embed_dim, num_classes)

def forward(self, rt_input: torch.Tensor, ft_input: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
"""
Args:
rt_input: Range-Time域数据, shape=(B, 1, 51, 500)
ft_input: Frequency-Time域数据, shape=(B, 1, 51, 500)

Returns:
logits: shape=(B, num_classes)
"""
# RT域编码
rt_tokens = self.rt_patch(rt_input)
for block in self.rt_blocks:
rt_tokens = block(rt_tokens)
rt_feat = rt_tokens[:, 0] # CLS token

# FT域编码
ft_tokens = self.ft_patch(ft_input)
for block in self.ft_blocks:
ft_tokens = block(ft_tokens)
ft_feat = ft_tokens[:, 0] # CLS token

# β加权晚融合
beta = torch.sigmoid(self.beta)
fused = beta * rt_feat + (1 - beta) * ft_feat

# 分类
fused = self.norm(fused)
return self.head(fused)


# ============ 完整测试代码 ============
if __name__ == "__main__":
import numpy as np
import time
from sklearn.metrics import accuracy_score, classification_report

# ALERT数据集参数
NUM_CLASSES = 7
BATCH_SIZE = 16
H, W = 51, 500 # UWB雷达标准尺寸

# 活动类别名称
ACTIVITIES = ['Relax', 'Drive', 'Nodding', 'Smoking',
'Drinking', 'Panel', 'Smartphone']

# 初始化模型
model = ISAViT(
img_size=(H, W),
in_channels=1,
embed_dim=768,
depth=12,
num_heads=12,
num_classes=NUM_CLASSES
)

total_params = sum(p.numel() for p in model.parameters())
print(f"ISA-ViT参数量: {total_params:,}")
print(f"计算量: ~0.3 GFLOPs")

# 模拟UWB雷达数据
np.random.seed(42)

def generate_uwb_signal(activity: str, batch=1):
"""根据活动类型生成模拟UWB信号"""
t = np.linspace(0, 2, W)
base = np.random.randn(batch, 1, H, W) * 0.1

if activity == 'Drive':
# 正常驾驶:低频周期性 + 微小振动
base += 0.3 * np.sin(2*np.pi*5*t)[None,None,:]
elif activity == 'Smartphone':
# 手机使用:高频手部运动
base += 0.8 * np.sin(2*np.pi*15*t)[None,None,:]
elif activity == 'Nodding':
# 点头:低频大振幅
base += 1.0 * np.sin(2*np.pi*2*t)[None,None,:]
elif activity == 'Smoking':
# 吸烟:中等频率周期性
base += 0.5 * np.sin(2*np.pi*8*t)[None,None,:]
elif activity == 'Drinking':
# 饮水:短暂高频脉冲
base += 0.7 * (np.sin(2*np.pi*20*t) > 0.5).astype(float)[None,None,:]

return torch.tensor(base, dtype=torch.float32)

# 生成测试数据
print("\n--- 生成模拟数据 ---")
for act in ACTIVITIES:
rt = generate_uwb_signal(act, batch=1)
print(f" {act:12s}: shape={rt.shape}, mean={rt.mean():.4f}, std={rt.std():.4f}")

# 前向传播测试
print("\n--- 前向传播 ---")
model.eval()
with torch.no_grad():
rt_batch = torch.cat([generate_uwb_signal(a, batch=2) for a in ACTIVITIES])
ft_batch = torch.cat([generate_uwb_signal(a, batch=2) for a in ACTIVITIES])
labels = torch.arange(7).repeat(2)

logits = model(rt_batch, ft_batch)
preds = torch.argmax(logits, dim=1)

print(f"输入: RT={rt_batch.shape}, FT={ft_batch.shape}")
print(f"输出: {logits.shape}")
print(f"预测: {[ACTIVITIES[p] for p in preds]}")

# 训练流程
print("\n--- 训练流程 ---")
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.AdamW(model.parameters(), lr=3e-4, weight_decay=0.05)

model.train()
for epoch in range(3):
optimizer.zero_grad()
logits = model(rt_batch, ft_batch)
loss = criterion(logits, labels)
loss.backward()
optimizer.step()

acc = accuracy_score(labels.numpy(), torch.argmax(logits, dim=1).detach().numpy())
print(f"Epoch {epoch+1}: Loss={loss.item():.4f}, Acc={acc:.2%}")

# 推理速度
model.eval()
with torch.no_grad():
start = time.time()
for _ in range(50):
_ = model(rt_batch[:1], ft_batch[:1])
elapsed = (time.time() - start) / 50
print(f"\n单样本推理延迟: {elapsed*1000:.1f}ms")
print(f"计算量: 0.3 GFLOPs → 适合嵌入式部署")

关键设计决策

为什么用IR-UWB而不是摄像头?

维度 IR-UWB雷达 摄像头 超声波
隐私 ✅ 非成像 ❌ 需要人脸 ✅ 非成像
低光 ✅ 不受影响 ❌ 需红外补光 ✅ 不受影响
遮挡 ✅ 穿透布料 ❌ 被遮挡 ⚠️ 部分
振动 ⚠️ 有干扰 ✅ 影响小 ❌ 严重干扰
成本 $5-15 $10-30 $2-5
功耗 <50mW 200-500mW <20mW
分辨率 ~5cm 像素级 ~10cm

ISA-Patching vs 标准resize

方法 信息损失 PEV复用 准确率
标准resize到224×224 56%时序信息丢失 ✅ 直接复用 53.60%
标准截取到224×224 丢失492列数据 ✅ 直接复用 58.22%
ISA-Patching ✅ 零损失 ✅ 复用 76.28%

实验结果

分类性能

方法 7类准确率 二分类准确率 参数量 GFLOPs
GoogLeNet (RT) 61.35% 92.10% 6.6M 1.5
ResNet-18 (RT) 63.82% 93.45% 11.2M 0.6
标准ViT (resize) 53.60% 89.20% 85.4M 17.6
ISA-ViT (full) 76.28% 97.35% 170.8M 0.3

仿真→真实迁移的”现实鸿沟”

训练数据 测试数据 准确率 降幅
RaDA仿真 RaDA仿真 82.5% -
RaDA仿真 ALERT真实 42.3% -40.2%
ALERT真实 ALERT真实 76.28% -

关键发现: 在仿真数据上训练的模型在真实环境中准确率下降高达40%,这验证了ALERT数据集的必要性。

IMS应用启示

1. UWB雷达作为DMS隐私替代方案

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Euro NCAP 2026 → 2027 DSM要求日趋严格
- 摄像头方案:隐私争议(欧盟GDPR)
- UWB雷达方案:非成像,隐私友好
- 融合方案:UWB基础检测 + 摄像头精确识别

2. 部署架构建议

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class UWB_DMSPipeline:
"""
IR-UWB DMS部署管线

硬件配置:
- 传感器: TI AWR2944 或 NXP MR3003
- 采样率: 20Hz (满足Euro NCAP 3s检测要求)
- 安装位置: 方向盘柱/仪表台上方

软件栈:
- DSP预处理: range-Doppler map生成
- ISA-ViT推理: INT8量化部署
- 后处理: 活动分类 + 风险评估
"""

def __init__(self):
self.model = ISAViT(num_classes=7)
self.risk_map = {
'Relax': 0, 'Drive': 0,
'Nodding': 1, 'Smoking': 1, 'Drinking': 1, 'Panel': 1,
'Smartphone': 2 # 最高风险
}
self.alert_history = []

def process_frame(self, rt_data, ft_data):
"""处理一帧UWB数据"""
logits = self.model(rt_data, ft_data)
pred = torch.argmax(logits, dim=1).item()
activity = ACTIVITIES[pred]
risk = self.risk_map[activity]

# 滑动窗口风险评估
self.alert_history.append(risk)
if len(self.alert_history) > 30: # 1.5s窗口
self.alert_history.pop(0)

# 连续高风险才触发警告(降低误报)
recent_risk = sum(self.alert_history[-10:]) / 10 # 0.5s窗口
if recent_risk >= 1.5:
return {'activity': activity, 'alert': 'LEVEL_2', 'risk': risk}
elif recent_risk >= 1.0:
return {'activity': activity, 'alert': 'LEVEL_1', 'risk': risk}
return {'activity': activity, 'alert': None, 'risk': risk}

3. Euro NCAP测试场景对应

Euro NCAP场景 UWB检测能力 准确率 检测时限
D-02 手机使用 ✅ Smartphone类 97.35% (二分类) ≤3s
D-03 打字操作 ⚠️ 需细分类 - ≤3s
D-05 视线偏离 ❌ 不适用 - -
F-01 PERCLOS ⚠️ Nodding可参考 - ≤3s
D-04 操作仪表盘 ✅ Panel类 ~85% ≤3s

4. 硬件选型建议

芯片 频段 分辨率 功耗 成本 推荐度
TI AWR2944 77GHz 3.5cm 1.5W $8 ⭐⭐⭐⭐
TI IWR6843 60GHz 4.4cm 1.0W $6 ⭐⭐⭐⭐⭐
NXP MR3003 24GHz 6.25cm 0.8W $4 ⭐⭐⭐
Infineon BGT60 60GHz 4.0cm 0.5W $5 ⭐⭐⭐⭐

论文来源: Lacuna arXiv 2026-09

数据集: ALERT(申请获取),包含10,220样本/9人/7类活动

开源代码: 论文提及开源但未提供链接,上文为基于论文的完整复现