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i 技術報告編號:98A1-01E 經濟部98年度科技專案技術報告 自行車暨衍生系統關鍵技術開發計畫(3/3總計畫主持人:吳宏生 分項計畫主持人:陳維隆 子計畫主持人:張家昌 執行工程師:林辰生、韋子祈、陳維隆、張家昌 財團法人自行車暨健康科技工業研究發展中心 中 華 民 國 98 12 經濟部 經濟部 科技專案成果 以電腦視覺技術 整合動作控制訓練之系統開發

經濟部 科技專案成果 - tbnet術及肌力的增強等,在防止肢體的變形與姿勢的校正。復健能促進腦的重組,進 而提升動作控制的能力,其中雙側上肢動作訓練藉由激活潛在的神經傳導路徑,

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    技術報告編號:98A1-01E

    經濟部98年度科技專案技術報告

    自行車暨衍生系統關鍵技術開發計畫(3/3)

    總計畫主持人:吳宏生

    分項計畫主持人:陳維隆

    子計畫主持人:張家昌

    執行工程師:林辰生、韋子祈、陳維隆、張家昌

    財團法人自行車暨健康科技工業研究發展中心

    中 華 民 國 98 年 12 月

    經濟部

    經濟部 科技專案成果

    以電腦視覺技術

    整合動作控制訓練之系統開發

  • i

    目錄 目錄.................................................................................................................................i

    圖目錄............................................................................................................................ii

    表目錄............................................................................................................................v

    一、摘要........................................................................................................................1

    二、前言........................................................................................................................2

    2.1 研究背景與動機.............................................................................................2

    2.2 研究目的及其重要性.....................................................................................3

    2.3 文獻回顧.........................................................................................................3

    三、研究方法..............................................................................................................18

    3.1 研究相關理論基礎.......................................................................................18

    3.1.1 顏色分割(color segmentation) ...........................................................18

    3.1.2 動態影像分割.....................................................................................20

    3.1.3 空間位置偵測裝置.............................................................................22

    四、成果與討論..........................................................................................................25

    4.1 應用於大尺寸螢幕之雙 CCD 之預期成果 ................................................25

    4.1.1 系統架構............................................................................................25

    4.2 應用於大尺寸螢幕之雙 CCD .....................................................................29

    程式操作流程:..................................................................................41

    遊戲畫面介紹:..................................................................................44

    四、研究成果..............................................................................................................46

    五、結論......................................................................................................................48

    參考文獻......................................................................................................................49

  • ii

    圖目錄 圖 2.1 取像之影像樣本..............................................................................................4

    圖 2.2 雙取像臉部追蹤系統......................................................................................4

    圖 2.3 雙 CCD 座標轉換系統 ...................................................................................5

    圖 2.4 臉部追蹤系統實例圖......................................................................................5

    圖 2.5 各式動態影像之背景濾除效果圖..................................................................6

    圖 2.6 光流影像追蹤實例圖......................................................................................7

    圖 2.7 手指模型辨識法..............................................................................................8

    圖 2.8 手指追蹤之影像處理流程圖..........................................................................8

    圖 2.9 手指追蹤實例圖 1...........................................................................................8

    圖 2.10 手指追蹤實例圖 2...........................................................................................9

    圖 2.11 投影書桌系統之架構圖................................................................................10

    圖 2.12 投影書桌系統之手指辨識法........................................................................10

    圖 2.13 投影書桌系統之手掌定位法........................................................................10

    圖 2.14 投影書桌系統之應用實例圖........................................................................11

    圖 2.15 手勢操空電視系統之手勢辨識圖................................................................11

    圖 2.17 手勢操空電視系統之應用實例....................................................................12

    圖 2.18 人手方向控制系統之應用實例....................................................................13

    圖 2.19 (a)手部復健系統(b)運動健身系統 ...............................................................14

    圖 2.20 虛擬遊戲畫面................................................................................................15

    圖 2.21 (a)原始影像(b)進行顏色分割影像(c)將雜訊濾除 .......................................16

    圖 2.22 各種色彩影像的顏色分割(a)(b)(c) ..............................................................17

    圖 3.1 (a)原始影像(b)運用顏色分割並分類 .............................................................18

    圖 3.2 灰階分布圖......................................................................................................21

    圖 3.3 經過二值化的灰階分布圖..............................................................................21

  • iii

    圖 3.4 磁力式感應裝置..............................................................................................22

    圖 3.5 超音波式感應裝置..........................................................................................23

    圖 3.6 機械式感應裝置..............................................................................................23

    圖 3.7 影像式感應裝置..............................................................................................24

    圖 4.1 雙 CCD 復健器材硬體架構 ............................................................................25

    圖 4.2 裝有不同色球的透明杯子...............................................................................26

    圖 4.3 (a)左手抓取訓練(b)右手抓取訓練 .................................................................26

    圖 4.4 (a)環狀訓練(b)走迷宮訓練 .............................................................................27

    圖 4.5 動作反應時間(MT)量測 ..................................................................................27

    圖 4.6 動作控制基本訓練成效紀錄...........................................................................28

    圖 4.7 雙 CCD 復健系統流程圖 ................................................................................28

    圖 4.8 雙攝影機擺放示意圖......................................................................................29

    圖 4.9 攝影機拍攝視角(a)左側攝影機(b)右側攝影機 ............................................30

    圖 4.10 右側攝影機拍攝視角....................................................................................30

    圖 4.11 兩側攝影機各自負責的偵測區塊................................................................31

    圖 4.12 攝影機拍攝畫面示意(a)左側攝影機(b)右側攝影機 ..................................31

    圖 4.14 建立空間位置 LUT 表..................................................................................32

    圖 4.15 劃分矩陣方格示意圖.....................................................................................33

    圖 4.16 校正程序示意圖............................................................................................33

    圖 4.17 校正取像步驟圖............................................................................................34

    圖 4.18 校正較近區域圖............................................................................................35

    圖 4.19 校正遠方區塊示意圖....................................................................................36

    圖 4.20 利用 A1、A2 矩陣得到對應實際座標(x′,y′)..........................................37

    圖 4.21 利用 A3、A4 矩陣得到對應實際座標(x′,y′)..........................................37

    圖 4.22 程式主畫面..................................................................................................40

    圖 4.23 程式操作流程圖..........................................................................................41

  • iv

    圖 4.24 調整攝影機..................................................................................................42

    圖 4.25 選擇攝影機之特徵顏色..............................................................................42

    圖 4.26 定義攝影機拍攝到之螢幕範圍..................................................................43

    圖 4.27 調整攝影機之 X 軸 Shift ............................................................................44

    圖 4.28 互動遊戲主畫面..........................................................................................44

    圖 4.29 遊戲畫面......................................................................................................45

  • v

    表目錄 表 1 LUT 表可能出現的數值類型(a)A1 矩陣(b)A2 矩陣(c)A3 矩陣(d)A4 矩陣 .......38

  • 1

    一、摘要

    本論文係開發以機器視覺整合復健運動系統之電腦遊戲之研究,主要功能有

    兩項,一是可讓使用者透過機器視覺整合的技術手部抓取物體擺放的動作,經過

    雙 CCD 攝影機擷取的畫面,藉由擷取到的畫面使程式可以在一個大尺寸螢幕上

    進行定位。並設計相關復健課程或遊戲,讓一使用者在電腦遊戲進行中可以練習

    抓取物體擺放的動作,進而達到復健的目的。透過伸手及物的訓練模式,包括以

    健側手單手伸及患側的目標物、以健側手單手伸及健側的目標物、以雙手同時伸

    及患側目標物、以雙手同時伸及健側目標物等等訓練情境,以提升患者上肢動作

    控制能力與誘發軀幹控制能力及平衡訓練。

    關鍵字:機器視覺、雙 CCD、復健運動、伸手及物

  • 2

    二、前言

    2.1 研究背景與動機

    近年來復健(Rehabilitation)醫學發展隨著高科技的進步、人類的壽命變長、

    慢性病、文明病的增加、殘障照顧漸漸受到人們的重視、政府社會福利的推展等,

    逐漸受到重視與推展,在復健醫療需求的逐漸增加之下,在全世界大多數的先進

    國家都會成立復健醫療機構,且大多數國家對於復健專業人員的教育程度十分重

    視,進而成立培練機構。國家的先進與否,從社會福利的重視程度得知,而社會

    福利的進步又與復健醫療的水準有相當緊密的關聯。本年度工作之整體成效如

    下:

    1. 物體擺位偵測系統開發,系統可以偵測使用者物體擺放位置並與遊戲互動 2. 建立個人基本資料庫 3. 建立訓練成效資料庫(記錄個人訓練成效),例如︰動作反應時間(MT)量

    測、基本訓練成效紀錄、綜合訓練成效紀錄 4. 動作反應時間(MT)量測 5. 動作控制基本訓練課程

    復健治療與全方位的復健是極為重要的,病人對於環境的適應、心智的狀

    況、體能狀況、復健動作的正確性等都需要全方位的分析評估,在醫師的指導與

    病人及家屬的參與,加上復健治療師和其他專業人員的合作,才能達成復健的目

    標與完整的復健醫療。復健運動[1]的內容,如關節運動、牽張運動、關節鬆動

    術及肌力的增強等,在防止肢體的變形與姿勢的校正。復健能促進腦的重組,進

    而提升動作控制的能力,其中雙側上肢動作訓練藉由激活潛在的神經傳導路徑,

    以誘發肢體協同作用(interlimb coupling),促進上肢動作功能的恢復。

    然而在復健的過程中是非常單調無趣的,往往會使復健病人產生不耐煩的情

    緒,如此一來復健運動就達不到功效。如果我們將具有聲光效果的互動娛樂遊戲

    加入復健運動裡,使得復健運動不再枯燥乏味,不僅僅增加了復健運動的趣味

    性,最重要的是讓使用者能夠接受完整的復健療程,獲得最佳的復健效果,使病

  • 3

    人的復健醫療達到最好的程度與最終的目標。

    在未來的醫療復健裡,為了讓復健師的復健運動更加完善,及減輕復健病人

    的痛苦,及達到有效的復健療程,本研究開發了一套以電腦視覺技術整合動作控

    制訓練之系統開發,此系統運用手部的特徵識別,結合了影像處理技術,形成輸

    入介面[2]來控制電腦之巧妙結合,讓使用者可以利用復健運動時的手部動作來

    控制電腦遊戲,達到一邊復健順便能夠享受電腦遊戲所帶來的聲光娛樂效果。

    2.2 研究目的及其重要性

    本研究最主要的目的為結合機器視覺系統、復健器材與互動式遊戲上之連

    結,發展一個適用於互動遊戲操作下的環境與機器視覺系統[3],並結合影像處

    理技術使此系統與使用者或學習者可確實達到互動的效果,包括以手勢控制、頭

    控、眼控之機器視覺系統[4],讓使用者以盡量不用配戴繁重裝置的條件下,即

    可用本身所擁有之特徵操作遊戲,達到更好的真實感與趣味感,此外設計不同之

    機器視覺系統,來符合互動式復健遊戲之需求,以達到良好的復健與趣味效果,

    其中包括擺位系統、手勢偵測系統、腿部推蹬訓練機、腳踏車、平衡板等運動器

    材模型設計,讓使用者可由遊戲的方式同時達到復健的效果。透過伸手及物的訓

    練模式[5][6],包括以健側手單手伸及患側的目標物、以健側手單手伸及健側的

    目標物、以雙手同時伸及患側目標物、以雙手同時伸及健側目標物等等訓練情

    境,以提升患者上肢動作控制能力與誘發軀幹控制能力及平衡訓練[7]。

    此外透過周邊道具應用,如增加健側上肢的力矩,會誘發肢體間協同現象的

    發生;此外於中風病患雙側訓練時將健側手承重、並提供手臂的支撐,也許有助

    於患側動作的復原。

    2.3 文獻回顧

    本章節將對國內外將機器視覺系統應用於電腦控制之研究作一介紹,其中包

    括不同視覺系統之相關研究,與不同人臉或手勢等…動態影像追蹤方法之相關文

    獻。

  • 4

    將人臉追蹤系統應用於大型投影螢幕[8]

    此研究中以追蹤人臉上眼球本身之特徵,如圖 2.1 所示,影像大小設定為

    256*220,根據眼角與嘴角之特徵樣本比對,取出人臉之移動位置,同時使用兩

    個 CCD 與燈源作為視覺取像裝置,如圖 2.2 所示,藉由雙立體視覺之三角座標

    關係可計算出與真實空間中之實際座標,如圖 2.3 所示,此方法可將影像座標轉

    換為實際之相對位置。

    人臉追蹤方法為先找出兩個眼角與嘴角間的距離,可定出一個三角形,再計

    算出此三角形之中心點,由於人臉在移動時,眼睛與嘴巴間之相對距離並不會隨

    之移動,但其中心點剛好會隨著人臉而移動,根據此原理則可追蹤人臉之移動位

    置。圖 2.4 為此追蹤系統應用於大型投影螢幕上之實例圖。

    圖 2.1 取像之影像樣本

    圖 2.2 雙取像臉部追蹤系統

  • 5

    圖 2.3 雙 CCD 座標轉換系統

    圖 2.4 臉部追蹤系統實例圖

    將光流影像追蹤技術運用於遊戲

    動態影像追縱方法可分為,影像相減法[9]、背景影像相減法[10],其效果如

    圖 2.5 所示,此研究即使用改良後之光流法之來追蹤移動之物體,並將其運用於

    遊戲介面上,其數學關係式如公式 2.1 所示,其中 I(x)=(R(x)+G(x)+B(x))/3 為影

    像之灰度值,表示最新取得的影像,表示前一張取得的影像,x、y 為座標值,

    W 為欲計算的影像範圍,d 為計算出的光流值,可由泰勒展開式求得,如公式

    2.2~2.5 所示,其中 xg 、 yg 為影像的梯度值,此研究用 Sobel 運算法求出。

  • 6

    圖 2.6 為此研究之實驗結果,圖中藍色方塊為欲點選的小物體 ,當移動的

    物體與藍色方塊位置疊合後,及產生碰撞,方塊會變為綠色。

    Wwithinxall

    xIdxIdJ 201 (2.1)

    eZd (2.2)

    Wwithinxall yyx

    yxx

    gggggg

    Z 22

    (2.3)

    Wwithinxall

    Tyx ggIIe 01 (2.4)

    keZkdkd 11 (2.5)

    圖 2.5 各式動態影像之背景濾除效果圖

  • 7

    圖 2.6 光流影像追蹤實例圖

    追蹤手指應用於互動介面[10]

    此研究為運用手指本身大小直徑之形狀,辨識出手指之位置,如圖 2.7 所示,

    系統中會設定手指之直徑大小,找出符合大小之圓,利用不同手指間之差異度,

    可分別偵測出不同手指間的位置,影像處理流程如圖 2.8 所示,利用影像相減法

    與背景模型更新找出變動之區域,如公式 2.6、2.7 所示,I(x,y)為影像之像素亮

    度值, yxRt ,1 為上一張背景模型,N 為更新背景變動率,此研究中實驗結果

    N=500,最後再針對變動區域找出符合大小之圓,並找出其相對位置,最後再辨

    識出手勢型態,圖 2.9、2.10 為其應用於網頁瀏覽、繪圖、教學及多使用者追蹤

    之結果。

    yxIN

    yxRN

    NyxRyx tt ,1,1,, 1

    (2.6)

    0,,0,,

    5001

    ,,1

    1

    yxIyxIforyxIyxIfor

    yxNyxtt

    tt (2.7)

  • 8

    圖 2.7 手指模型辨識法

    圖 2.8 手指追蹤之影像處理流程圖

    圖 2.9 手指追蹤實例圖 1

  • 9

    圖 2.10 手指追蹤實例圖 2

    具擴增性之投影書桌系統[11]

    此系統主要模仿書桌環境,將 LCD 投影機架設於書桌環境之正上方,可投

    射出各種不同的桌面介面,如瀏覽器、書本、筆記本等…,並利用手勢辨識,作

    滑鼠移動、點選、翻閱書本的動作,此系統架構如圖 2.11 所示,其中為了避免

    以往運用膚色偵測人手方式之不穩定,改以 IR 攝影機來來偵測人手位置,方便

    與背景作分割。

    再針對分離出的手部影像,作二值化、正規化、模版比對與型態侵蝕膨漲等…

    影像處理技術,如圖 2.12、圖 2.13 所示,並利用手指與手掌中心的距離,辨識

    出手識型態,最後針對其型態對使用者作出回應,圖 2.14 為此系統之實際應用

    結果。

  • 10

    圖 2.11 投影書桌系統之架構圖

    圖 2.12 投影書桌系統之手指辨識法

    圖 2.13 投影書桌系統之手掌定位法

  • 11

    圖 2.14 投影書桌系統之應用實例圖

    手勢操控電視系統[12]

    此研究中作者提出一個手部追蹤與辨識的演算法,將其應用於電視操控系統

    中,將彩色影像中之 RGB 值轉換成灰階、R-G、R-B 三張影像,再對此三張影

    像做褶積計算,再針對手部本身團狀及長脊狀之特徵,如圖 2.15 所示,找出手

    指與手掌的位置,影像辨識流程如圖 2.16 所示,其應用結果如圖 2.17 所示。

    圖 2.15 手勢操空電視系統之手勢辨識圖

  • 12

    圖 2.16 手勢操空電視系統之影像處理流程

    圖 2.17 手勢操空電視系統之應用實例

    以人手方向作控制之互動式系統[13]

    此研究提出以影像力矩作為辨識人體動作或手勢的方向,作為控制之手段,

    可從手勢影像中擷取位置、方向及寬度等特徵資訊來操控機器人,如圖 2.18 所

    示,其演算方式如下:令 I(x,y)為影像中位置(x,y)之亮度值,則二次影像力矩表

    示方式如式 2.8 所示,由其求出之影像力矩可計算出手勢所對應之矩形中心位置

  • 13

    cc yx , 、旋轉方向、以及長寬 1L 、 2L 等資訊,其數學關係式如公式 2.9~2.12 所示。

    x y x y

    x y x y

    x y x y

    yxIyMyxIxM

    yxyIMyxxIM

    yxxyIMyxIM

    ),(),(

    ),(),(

    ),(),(

    202

    220

    0110

    1100

    (2.8)

    00

    01

    00

    10 ,),(MM

    MMyx cc (2.9)

    2))(,arctan( cab

    (2.10)

    221 6 cabcaL (2.11)

    222 6 cabcaL (2.12)

    其中2

    00

    20cxM

    Ma ,

    cc yxM

    Mb00

    112 , 200

    02cyM

    Mc

    圖 2.18 人手方向控制系統之應用實例

  • 14

    虛擬實境運用於復健運動[14]

    中央大學利用虛擬實境的技術,去建構電腦互動式復健系統與健身運動系

    統。其中包括空間定位器(Tracker)、頭盔顯示器(Head-Mounted Display)、感

    應手套(Glove)、觸覺回饋裝置(Tactile Feedback)等。手部復健系統(圖 2.19(a))

    使用了上述的硬體,來當作操作介面。感應手套可以動態擷取手部的位置和彎曲

    度並加以儲存。也設計了一個虛擬療程,讓使用者與電腦裡的虛擬畫面(圖 2.20)

    產生互動效果,進行較有效的復健。最後這套系統在醫院對復健患者進行測試,

    其操作之數據分析,與正常人比較。復健患者剛開始會有較大的偏差量,若經過

    一段時間的練習之後,操作偏差量減少,則可得知此復健患者的手部穩定度有得

    到改善。如果最後的操作偏差量與正常人的誤差標準一樣時,則可判斷此復健患

    者的手部穩定度恢復正常。運動健身系統(圖 2.19(b))使用超扭轉向列型液晶顯示

    器、健身腳踏車及心跳模組組合,藉著週邊設備搭配,可隨時在 LCD 上顯示使

    用者踩動的速度、消耗卡路里及心臟跳動量,再配合電腦裡的虛擬腳踏車,隨著

    踩動速度及操作方向達到即時互動的娛樂效果,充分將健身與娛樂效果整合。

    (a) (b)

    圖 2.19 (a)手部復健系統(b)運動健身系統

  • 15

    圖 2.20 虛擬遊戲畫面

    顏色分割應用[15]

    將顏色分割應用於自動導航車,使得自動導航車能夠有效的閃避障礙物並估

    測出物體的距離,論文中提到運用一套雙眼立體視覺系統,找出實際環境中障礙

    物的實際深度(攝影機與障礙物之間的距離),來當成自動導航車的行進方向距離

    依據。首先先建立一個環境顏色 database,再利用環境與障礙物的顏色差異,運

    用顏色分割將障礙物切割出來(圖 2.21 (a)(b)(c)),求出切割出來後的障礙物對應

    點,進而得到對應點的位移差,在換算成距離。

    (a)

  • 16

    (b)

    (c)

    圖 2.21 (a)原始影像(b)進行顏色分割影像(c)將雜訊濾除

    顏色分割應用於人眼對於顏色對比的感受。在包含較少紋理的彩色影像中,

    低彩色對比的相鄰像素往往被視為相同的影像區塊,而相鄰高色彩對比的像素位

    置則為影像區塊的邊界(圖 2.22(a)(b)(c))。針對顏色分割,人眼對於過度分割

    (over-segmentation)的程度以及不足分割(under-segmentation)的程度感受,應用在

    客觀的顏色分割結果評量以及發展顏色分割演算法的應用上,以估測人眼在不同

    影像分析應用中的主觀視覺因子,得到近似人類分析影像方法及結果的影像分析

    技術。

    (a)

  • 17

    (b)

    (c)

    圖 2.22 各種色彩影像的顏色分割(a)(b)(c)

  • 18

    三、研究方法

    3.1 研究相關理論基礎

    3.1.1 顏色分割(color segmentation)

    顏色分割簡單來說就是判斷出影像中的所有顏色(圖 3.1(a)),並做出分類(圖

    3.1(b)),最基本的方式就是將影像的顏色長條圖(Color histogram)裡作多重閥值設

    定,根據顏色的分佈做出選擇,將所要偵測的特定顏色區域從影像中擷取出來。

    對於設定想要偵測之特定顏色分析來說,要找出特定顏色的區域就必須定義其顏

    色閥值範圍為何。

    (a) (b)

    圖 3.1 (a)原始影像(b)運用顏色分割並分類

    但在 RGB space 裡定義的影像顏色會因為環境光源強弱影響的關係而有深

    淺的變化,所以直接在 RGB space 上作顏色的分割會有非常大的誤差,因此許多

    研究就採用對環境光線強弱影響較不敏感的色彩空間(Color space)來對顏色做分

    割,如:正規化 RGB、HSL、YCrCb、YIQ…等,以下是顏色偵測常用的色彩空

    間:

    1. 正規化 RGB (Normalized RGB)

  • 19

    由於在 RGB space 表示的影像,會因環境光源亮度分布不均勻的關係,使得

    物體本身相同顏色的地方,在影像中所呈現的顏色卻有所差異,所以我們針對 R

    與 G 予以正規化,就能使 R 與 G 對光線的靈敏度減少,其公式為:(公式 3.1、

    3.2)

    BGRRrN

    (3.1)

    BGRGg N

    (3.2)

    只要將正規化所得到的 rN 與 gN 與原本的 B,代替原先的 RGB space,就能

    使顏色對環境光源的影響度減少,針對特定顏色做適當的閥值選取,就能把特定

    顏色的範圍從影像中分離出來,由於 B 對環境光源的影響度較小,在此可以忽

    略。

    3. HSL

    在 HSL 色彩空間中,H 代表色度(Hue),S 代表飽和度(Saturation),L 則代

    表亮度(Luminance)。HSL 最大的優點為分離了影像中色彩和亮度的部分,對於

    顏色分割有很好的效果,因此有些人臉偵測的系統都會運用此 HSL 色彩空間,

    但 HSL 系統最大的缺點為電腦運算複雜度較高,所以不適合需要即時運算的系

    統。由於亮度已經被獨立出來,彼此之間的關聯性很小,故適合拿來做影像前處

    理,但由於電腦絕大部分都是以 RGB 色彩空間來表示,所以必須經由 RGB 色

    彩空間轉換到 HSL。轉換過程較為複雜,其公式如下:

    ))(()(

    )()(21

    cos2

    1

    BGBRGR

    BRGRH (3.3)

    ),,min(31 BGRBGR

    S

    (3.4)

    3BGRL (3.5)

    3. YCbCr

    YCbCr 為修改 YUV 色彩空間所得到的,JPEG 圖檔壓縮用的即為 YCbCr 模

  • 20

    型。Y、Cb、Cr 分別為一個亮度元素(Luminance)Y 以及兩個彩色素 Cb(Blueness)

    與 Cr (Redness),YCbCr 與 R、G、B 之間的關係如下:

    12812816

    BGR

    0.0710.3680.4390.4390.2910.1480.0980.5040.257

    C

    Y

    r

    bC (3.6)

    4. YIQ

    YIQ 跟 YCbCr 差異不大,為 NTSC(National Television Standards

    Committee)傳送影像時所使用的標準規格。跟 YCbCr 一樣,YIQ 與 RGB 也是屬

    於線性關係,公式如下:

    BGR

    0.3130.523212.00.3270.275594.0

    0.1140.5870.299

    QIY

    (3.7)

    顏色偵測中顏色分割的主要目的就是要把選擇的特定顏色與背景分離開

    來,但在畫面中若含有類似特定顏色的物體,則單純使用顏色偵測會產生些許誤

    差,所以在顏色分割處理完後還需搭配其他的方式才能增加系統的可靠度。

    3.1.2 動態影像分割

    動態影像分割是利用動態物體在不相關的靜止背景移動過程中取出移動物

    體的技術。在動態影像處理中,運動是由偵測系統與被偵測的影像之間的相對位

    移產生的。

    簡單來說偵測前後的兩幅畫面分別發生於時間 st和 1s

    t的影像

    ),,( styxf

    和),,( 1styxf 之間的差異變化,最簡單的方式就是針對前後兩幅影像的各 Pixel

    點逐一做比較。這樣一個程序就形成一幅差值影像,就是前一張影像與後一張影

    像做相淢的結果。假設我們有一個僅包含靜態成分的參考影像,將具有相同背景

    但包括一移動物體的影像做比較,兩影像抵消掉靜態成分的差值後,只留下對應

    於非靜態影像成分的非零 Pixel 點。在時間 st和 1s

    t時所取得的兩幅影像的差值

  • 21

    影像定義成:

    otherwise

    TtyxftyxfyxD ss

    ,0),,(),,(,1

    ),( 1

    (3.8)

    公式 3.8 中T 為臨界值,當前後兩幅影像的灰階值在座標 ),( yx 點差異量大於

    臨界值T 時, ),( yxD 在座標 ),( yx 為 1,其他情況皆為 0。其實就類似於二值化一

    樣,於灰階分布圖上決定閥值後(圖 3.2),就轉換成只有黑(0)跟白(255)兩種顏色

    (圖 3.3)。

    圖 3.2 灰階分布圖

    圖 3.3 經過二值化的灰階分布圖

  • 22

    3.1.3 空間位置偵測裝置

    在互動式機制裝置中,有許多的應用都需要及時的空間位置偵測。如機器手

    臂、模擬飛行、虛擬開刀手術訓練,都需要空間座標的即時偵測,以便判斷出虛

    擬與真實之間的空間座標關係。目前為止,已經有許多空間位置偵測裝置發展得

    相當成熟,並有相關的產品在市面上販售,依照原理來區分的話,大致可分為以

    下四種空間位置偵測裝置︰

    1. 磁力式感應器[16] (Magnetic Sensors)

    如圖 3.4 所示,磁力式感應器是利用一個磁場發射器(Transmitter),與 16 組

    接收器(Receivers)所組成,磁力式感應器能夠利用低頻的磁場來偵測裝上 16 組

    接收器的移動物體在三度空間裡的位置。低頻的磁場由磁場發射器所產生的,偵

    測移動物體的位置則由 16 組接收器感應發射器所發射出來的磁場,再計算磁力

    的大小,來判斷移動物體在三度空間的位置。計算後的數據可以透過 USB 傳送

    到電腦上。

    圖 3.4 磁力式感應裝置

  • 23

    2. 超音波式感應器(Ultrasound Sensors)

    超音波感測裝置[17]其原理為感測裝置所發射的是超音波(圖 3.5)。在音波傳

    遞的過程中,若是受障礙物遮蔽時,容易影響其準確性,這也是超音波式的感應

    器與磁力式感應器類似的缺點。

    圖 3.5 超音波式感應裝置

    3. 機械式感應器(3-D Probes)

    機械式的感應裝置其原理是利用連桿、齒輪、彎曲感應器(Bending Sensor)、

    及其他一些機械結構所構成的(如圖 3.6),其特色就是位置準確度高,能夠正確

    的得到待測物的位置,每秒可以偵測 100 個位置以上。

    圖 3.6 機械式感應裝置

  • 24

    4. 影像式感應器(Image Sensors)

    影像式感應器的工作原理,是利用 CCD(Charge Coupled Device)或是 PD

    (Photo Diode)等光電元件(如圖 3.7)來抓取影像訊號,再將影像訊號進行影像處

    理,以判斷所要偵測物件在空間中的位置。不過判斷的方式需要處理速度比較好

    的電腦配備,是其缺點。若是要判斷三度空間中的座標,則需要兩台以上的攝影

    機,或是配合其他的裝置,移動物體的位置資訊才能準確的被偵測到。但是利用

    影像來定位的方式仍有其存在的缺點,即其背景需要單一化,若是太過於複雜的

    背景,容易會造成誤判的情形。

    圖 3.7 影像式感應裝置

    所以本研究主要是利用影像式感應器,偵測移動物體來測量移動物體的位

    置,以應用於復健運動系統。

  • 25

    四、成果與討論

    4.1 應用於大尺寸螢幕之雙 CCD 之預期成果

    4.1.1 系統架構

    脊髓損傷患者在受傷過後,需要做長期的復健運動,讓患者能保持正常的行

    動,如果不接受復健運動的話,則長期下來患者的行為將會漸漸的退化。而在給

    予此類患者的復健運動中,其中有一項是需要訓練患者的抓取、握取、移動等行

    為而設計的,患者在這項訓練中需要將圓柱狀的物體,例如杯子或者棍子抓取起

    來,之後將這個物體放到指定的地方,來回訓練數次。

    我們將這些復健訓練運動整合,設計出運用電腦視覺整合的雙 CCD 復健系

    統。如圖 4.1 為雙 CCD 復健系統硬體架構,在硬體架構方面將強化玻璃或壓克

    力包覆在液晶螢幕上,包裝成可移動式的復健器材,依照復健需求決定應放置於

    何種高度之平台。並使用雙 CCD 來偵測患者的手所擺放之位置,利用所偵測到

    的座標,來決定患者是否依照復健課程進行正確的復健動作,以達到患者與復健

    遊戲間之互動關係。

    圖 4.1 雙 CCD 復健器材硬體架構

  • 26

    將透明杯子裡面放置色球(圖 4.2),讓患者來抓取、移動透明杯子。患者依

    照螢幕上面顯示的目標點,抓取裝有色球的透明杯子移動到指定目標點。同時系

    統利用雙 CCD 去偵測取得色球的座標位置,最後對照偵測到的位置是否與螢幕

    顯示的目標點座標一樣。

    圖 4.2 裝有不同色球的透明杯子

    透明杯子裡的色球也可以依照患者復健需求更改色球的質量,例如使用塑膠

    球、木球、鐵球…等等之不同重量的色球。

    在此我們設計訓練的課程如下,患者需要拿著裝著色球的透明杯子,拿到下

    方的螢幕所顯示的目標點,拿到定點之後會要再拿到原點,來回數次不同方向的

    運動。圖 4.3(a)所看到的是左手的訓練,圖 4.3(b)則是右手的訓練。

    (a) (b)

    圖 4.3 (a)左手抓取訓練(b)右手抓取訓練

  • 27

    除了以上的基本訓練課程以外,將設計不同變化的進階訓練課程,如圖

    4.4(a)(b)所示。

    (a) (b)

    圖 4.4 (a)環狀訓練(b)走迷宮訓練

    圖 4.4(a)的環狀訓練將設計逆時鐘或者順時鐘的方式,以四角每個點的以繞

    圈的方式讓患者練習。圖 4.4(b)的走迷宮訓練將有障礙物顯示在面板上,而面板

    上將會以導引的方式指引患者以不要碰到障礙物慢慢前進,藉而訓練患者的穩定

    度。

    在訓練同時,系統也會將個人訓練的成效記錄下來,建構出訓練成效資料

    庫,而資料庫記錄的內容包括動作反應時間(MT)(圖 4.5)、基本訓練成效紀錄(圖

    4.6)、綜合訓練成效紀錄。

    圖 4.5 動作反應時間(MT)量測

    date

    MT

    0

    LEFT HAND

    RIGHT HAND

    date

    MV

    0

    LEFT HAND

    RIGHT HAND

  • 28

    圖 4.6 動作控制基本訓練成效紀錄

    將控制器放於螢幕正中間並開啟程式

    開啟雙攝影機

    調整雙攝影機使其拍攝畫面端正

    擷取A攝影機

    選擇B攝影機控制器之特徵顏色並儲存

    選擇A攝影機之控制器特徵顏色並儲存

    擷取B攝影機

    設定A攝影機拍攝到之螢幕範圍

    設定B攝影機拍攝到

    之螢幕範圍

    按下Position鈕開始定位

    調整A攝影機之X軸Shift

    調整B攝影機之X軸Shift

    設定完成開始遊戲

    圖 4.7 雙 CCD 復健系統流程圖

    整個系統流程如圖 4.7 所示,當進入復健系統後,首先將量測出患者對於抓

    取裝有色球的透明杯子後,移動至目標點的反應速度時間,記錄下來後,系統調

    整復健訓練的進行速度。開始進行復健訓練時,系統會開始在螢幕上顯示隨機位

    置的目標點,此時,患者必須依照目標點的位置,迅速判斷並將裝有色球的透明

    操作

    時間

    0

    Level: 3

  • 29

    杯子移動至目標點。患者在移動杯子過程中,系統會同時進行偵測色球的座標位

    置,並判斷座標點是否與目標點相等。如果兩座標點不同,系統繼續偵測色球並

    判斷改變後的座標點;如果相等,系統就判斷出患者已經將杯子移動至目標點,

    並接著進入下一個復健訓練。

    本計畫預期將完成物體擺位復健系統,其中包括研究使用雙 CCD 定位,擺

    位系統開發及對應之互動基礎訓練課程的開發撰寫,利用手部的擺放動作與電腦

    程式做互動,讓使用者可由遊戲的方式同時達到復健的效果,並可記錄使用者的

    基本資料及動作的反應時間等資料。

    4.2 應用於大尺寸螢幕之雙 CCD

    利用雙攝影機偵測物體在固定範圍上的座標位置,如圖 4.8 所示,圖中黃色

    紙張大小為 82×46 公分,代表固定範圍的大小,左右兩邊各放置一台攝影機,利

    用兩台攝影機拍攝視角的不同,透過交互式四矩陣查表法,取得物體在空間中的

    座標位置。

    圖 4.8 雙攝影機擺放示意圖

    分析了兩台攝影機拍攝視角如圖 4.9 所示,圖 4.9 (a)以綠色區塊表示左側攝

    影機能夠拍攝到的視角;圖 4.9 (b)以橘色區塊表示右側攝影機能夠拍攝的視角,

    黃色區塊同樣為左右兩側攝影機的拍攝死角。

  • 30

    (a) (b)

    圖 4.9 攝影機拍攝視角(a)左側攝影機(b)右側攝影機

    圖 4.10 為右側攝影機實際拍攝視角,而距離攝影機越近的區塊圖像資訊(方

    格)也比較清楚,而距離攝影機越遠,方格相對地變的非常難以分析,所以我們

    根據攝影機能夠拍攝到的視角及圖像資訊的分析難易度,設定出左右兩台攝影機

    各自要負責的偵測區塊。

    圖 4.10 右側攝影機拍攝視角

    圖 4.11 中右側攝影機所負責偵測的區塊為第一及第二矩陣查表法之應用範

    圍,靠近右側中間區塊及左側攝影機的拍攝死角,而左側攝影機負責偵測的區塊

    為第三及第四矩陣查表法之應用範圍,靠近左邊中間區塊及右側攝影機的拍攝死

    角,這樣就將雙攝影機各自負責的偵測區塊分工,透過交互式四矩陣查表法,這

    樣也就能達到較佳的空間位置定位。圖 4.12 為攝影機左右兩側之攝影機拍攝畫

    面示意圖。

  • 31

    圖 4.11 兩側攝影機各自負責的偵測區塊

    (a) (b)

    圖 4.12 攝影機拍攝畫面示意(a)左側攝影機(b)右側攝影機

    雙攝影機空間位置定位法是利用查找表(Lookup table, LUT)的方法,在影像

    處理中,查找表又稱為 LUT,主要是將索引值與輸出值建立連結關係,利用 LUT

    法,依據攝影機拍攝的圖像座標,右側攝影機所負責偵測的區塊為第一及第二矩

    陣查表法之應用範圍,靠近右側中間區塊及左側攝影機的拍攝死角,而左側攝影

    機負責偵測的區塊為第三及第四矩陣查表法之應用範圍,靠近左邊中間區塊及右

    側攝影機的拍攝死角,這樣就將雙攝影機各自負責的偵測區塊分工,透過交互式

    四矩陣查表法,這樣也就能達到較佳的空間位置定位,以獲得相對於程式中內存

    的對應輸出值,這種方式的處理速度通常比複雜的數學運算式快上許多。

  • 32

    圖 4.13 各自的攝影機拍攝畫面

    產生 4-LUT 表資料庫方法一:

    我們將固定範圍分成數百個方格,並測量出這些方格的實際座標位置,在用

    攝影機擷取出拍攝畫面(圖 4.13),利用固定範圍上的實際座標與攝影機擷取畫面

    的座標來建立連結關係,定義出空間位置 LUT 表(圖 4.14)。

    圖 4.14 建立空間位置 LUT 表

    產生 4-LUT 表資料庫方法二:

    要運用交互式四矩陣查表法前,首先必須先建立出四矩陣內的對應數值資料

    庫,將影像座標與實際座標建立其對應連結關係。首先一開始預先使用程式設定

    將螢幕劃分為 NM 個等間格的矩陣方格(如圖 4.15),換言之,其矩陣方格的

    每個交點座標的實際位置都是已知的。

  • 33

    � �

    M colum

    N row

    圖 4.15 劃分矩陣方格示意圖

    接下來使用程式將螢幕上顯示為純色,再由其中一側開始依序自動顯示 a 攝

    影機所負責區域之方格交點十字,如圖 4.16 所示。

    圖 4.16 校正程序示意圖

  • 34

    圖 4.17 校正取像步驟圖

    如圖 4.17 所示,每顯示一個交點時 a 攝影機就取像一次,記錄取像到的交

    點座標 ),( yx ,與程式設定點,也就是實際座標 )','( yx 互相對應,其中表 A1 專門

    對應實際位置的 x 座標,而 A2 專門對應實際位置的 y 座標,其 LUT 表 A1 及 A2

    對應關係如下公式 4.1 所示:

    '),('),(

    2

    1

    yyxAxyxA

    (4.1)

  • 35

    圖 4.18 校正較近區域圖

    如圖 4.18 所示,當校正距離攝影機較近的區塊時,攝影機將拍到點(x’,y’)

    與點(x’,y’+1)之間的距離相當大,所以當校正點在 LUT 表上互相距離較遠時,會

    造成 LUT 表上這兩點之間的 LUT 表內沒有對應到值的情形,當出現此情形時,

    程式將設定把兩校正點在 LUT 表中間的數值使用內差法來填補。其方法如公式

    4.2 所示:

    niyyixAthenyynxAyyxA

    niixixxxxyixAthenxynxAxyxA

    if...3,2,1,'),('),(,'),(

    ...3,2,1,)()()'()1'('),(1'),(,'),(

    222

    111

    (4.2)

  • 36

    圖 4.19 校正遠方區塊示意圖

    如圖 4.19 所示,當校正遠方的區塊時,因受限於攝影機解析度的關係,所

    以當校正點互相距離過近時,有可能造成誤判此校正點的 x 位置或 y 位置的與上

    一校正點的移動方向不合理或者座標相同,當出現此情形時,程式將設定把兩校

    正點所對應的 LUT 表數值設定為與上一校正點相等。即公式 3 所示:

    ')1,('),()1,('),1('),(),1(

    yyxAthenyyxAyxAxyxAthenxyxAyxA

    if (4.3)

    完成 a 攝影機所負責區域之 LUT 表後,剩下未填的區域如果是由另外一台

    b 攝影機所負責的區塊則在 LUT 表內填上一索引值 b,而如果都不在兩台的偵測

    範圍則填入索引值 o,以用來判斷攝影機是否要切換或者偵測物體是否超界。

    而後 b 攝影機也作相同的步驟將螢幕上所有的點產生 LUT 表,利用此校正

    程序自動將四矩陣內的對應數值資料庫完成。自動產生出 A1、A2、A3、A4 之 4-LUT

    內的對應數值資料庫。

    利用 4-LUT 表找出其對應的座標

    如圖 4.20、圖 4.21 所示,利用 LUT 表將一假定為攝影機拍攝畫面的座標

    (x,y),利用 LUT 表找出其對應的 x′、y′,其對應座標(x′,y′)也就是固定範圍上的

    實際座標,利用這種轉換座標方式來達到空間位置定位。

  • 37

    圖 4.20 利用 A1、A2 矩陣得到對應實際座標(x′,y′)

    A3[0,0] A3[1,0] A3[m-1,0] A3[m,0]

    A3[0,1]

    A3[0,n-1]

    A3[0,n]

    A3[m,1]

    A3[m,n]

    A3[m,n-1]

    A3[m-1,n]A3[1,n]

    A3[x2,y2]

    ……

    …… ……

    ……

    ……

    ……

    A4[0,0] A4[1,0] A4[m-1,0] A4[m,0]

    A4[0,1]

    A4[0,n-1]

    A4[0,n]

    A4[m,1]

    A4[m,n]

    A4[m,n-1]

    A4[m-1,n]A4[1,n]

    A4[x2,y2]

    ……

    …… ……

    ……

    ……

    ……

    A3[x2,y2]=x´ A4[x2,y2]=y´(x´, y´) 圖 4.21 利用 A3、A4 矩陣得到對應實際座標(x′,y′)

    假設(x , y)為攝影機拍攝影像上的某個座標點,Aa為攝影機 a 負責偵測的區

    塊,Ab 為攝影機 b 負責偵測的區塊。而 Cf 主導判斷切換攝影機 a 或 b,以取得

    偵測影像資訊,是取決於(x , y)落於 Aa或者 Ab,所以可得到公式 4.5,

    b

    af Ayx

    AyxC

    ),(,2),(,1

    (4.5)

    當(x , y)座標點落於區塊 Aa時,Cf=1,偵測影像資訊就由攝影機 a 提供;而

  • 38

    當(x , y)座標點落於區塊 Ab 時,Cf=2,偵測影像資訊就由攝影機 b 提供。

    由交互式四矩陣查表法,能取得物體在空間中的對應的實際座標位置,其中

    A1、A2、A3、A4 分別代表四個矩陣,表 1 分別為四個矩陣可能出現的數值類型

    意義說明。

    表 1 LUT 表可能出現的數值類型(a)A1 矩陣(b)A2 矩陣(c)A3 矩陣(d)A4 矩陣

    類型 意義說明

    x′ (x , y)對應的實際 x′座標

    b 切換至攝影機 b,Cf=2

    o 超出固定範圍外

    (a)

    類型 意義說明

    y′ (x , y)對應的實際 y′座標

    b 切換至攝影機 b,Cf=2

    o 超出固定範圍外

    (b)

    類型 意義說明

    x′ (x , y)對應的實際 x′座標

    a 切換至攝影機 a,Cf=1

    o 超出固定範圍外

    (c)

    類型 意義說明

    y′ (x , y)對應的實際 y′座標

    a 切換至攝影機 a,Cf=1

    o 超出固定範圍外

    (d)

  • 39

    所以根據表 1 及交互式四矩陣查表法的運作,可得到:

    )1),(),(( 11 fCoyxAbyxAif

    ),(),(

    2

    1

    yxAyyxAx

    (4.6)

    )2),(),(( 33 fCoyxAayxAif

    ),(),(

    4

    3

    yxAyyxAx

    (4.7)

    如公式 4.6 所示,當(x , y)對應的 A1(x , y)矩陣數值不等於 b 且(x , y)沒有超

    出固定範圍外及影像資訊是由攝影機 a 提供時,就能分別由 A1、A2 矩陣得到 x′、

    y′值,由公式 4.7 所示,當(x , y)對應的 A3(x , y)矩陣數值不等於 b 且(x , y)沒有超

    出固定範圍外及影像資訊是由攝影機 b 提供時,就能分別由 A3、A4 矩陣得到 x′、

    y′值。

  • 40

    程式基本功能介紹

    圖 4.22 程式主畫面

    功能解說:

    1. 畫面切換選單:此選單將可以切換不同的頁面,作為畫面的切換使用,各切換畫面的功能解說如下: CCD A:觀看 A 攝影機之拍攝到的畫面 CCD B:觀看 B 攝影機之拍攝到的畫面 CCD A Range:設定 A 攝影機所拍到大型螢幕之範圍 CCD B Range:設定 B 攝影機所拍到大型螢幕之範圍 Position Window:顯示對控制器之二值化結果畫面

    2. Open 2 CCDs:開啟雙攝影機按鈕。此按鈕按下後即可一次開啟兩個攝影機(需稍待幾秒)。

    3. Capture CCDs:擷取攝影機拍攝到之畫面。按鈕按下後會跳出設定顏色視窗,及設定 AB 攝影機所拍到大型螢幕之範圍的圖片也會隨之更新

    4. Position:開始定位按鈕。當 AB 攝影機之設定顏色、設定螢幕範圍都已完成時,按下此按鈕即可對控制器在大型螢幕上開始定位。

    1.

    2. 3.

    4. 5.

    6.

  • 41

    5. Adj CCD:調整攝影機參數。此按鈕按下後將會出現攝影機之調整參數視窗,以供不同環境微調使用。

    6. 攝影機 Shift:攝影機 Shift 調整條。當定位完成後,如果在控制器游標的 X軸在螢幕上的畫面與實際上的畫面有差距時,此調整條將可以調整游標的位

    置,將其調整到與控制器同位置即可。

    程式操作流程:

    圖 4.23 程式操作流程圖

    重要步驟說明:

    1. 調整雙攝影機使其拍攝畫面端正: 轉動或移動左右兩側攝影機,使其能夠端正的拍攝到整個螢幕的範圍,如下

    圖 4.24 所示。

  • 42

    圖 4.24 調整攝影機

    2. 選擇攝影機之控制器特徵顏色並儲存: 按下 Capture CCD 後將出現相對應之攝影機的拍攝圖片,請直接在畫面上點選控制器的特徵色位置,點選完成後按下相對應攝影機之 Save 按鈕,如下圖所示。攝影機 A 及攝影機 B 皆要作相同的設定。

    圖 4.25 選擇攝影機之特徵顏色

    3. 設定攝影機拍攝到之螢幕範圍: 切換上方的畫面切換選單至 CCD Range 內,依照下圖的方式,依序點出第

  • 43

    1 至第 6 個點,定義出攝影機所拍攝到的位置。攝影機 A 及攝影機 B 皆要作相同的設定。

    圖 4.26 定義攝影機拍攝到之螢幕範圍

    4. 調整攝影機之 X 軸 Shift 開始定位按鈕按下後,定位的游標可能不會剛好準確的在控制器之下,通常

    是 X 軸的偏移量會過大(如圖 11),此步驟在於平移校正游標的位置,將調整條拉動,將其設定準確即可。攝影機 A 及攝影機 B 皆要作相同的設定,切換攝影機的方法為將。

    1.

    2.

    3. 4.

    5.

    6.

  • 44

    圖 4.27 調整攝影機之 X 軸 Shift

    遊戲畫面介紹:

    圖 4.28 互動遊戲主畫面

    功能說明:

    1. 遊戲提示顯示位置

    2. 控制器之游標

    1.

    2.

    3. 4. 5.

  • 45

    3. 運動範圍測試按鈕:第一次開始遊戲須先進行運動範圍測試,量測左右手之活動範圍

    4. 反應時間(MT)量測按鈕:MT 量測須在進行運動範圍測試完後進行,測試中需盡全速跟隨黃色圓圈。

    5. 基本訓練課程按鈕:運動範圍測試及反應時間量測皆完成後,即可開始進行課程訓練。如果未進行量測就進入,將以程式預設值進行遊戲。

    圖 4.29 遊戲畫面

    功能說明:

    1. 控制器之游標

    2. 被追蹤之黃色目標圓圈,如果未在時間內追蹤到目標,該目標將變為桃紅色代表失敗。

    3. 遊戲達成度分數顯示區

    1. 2.

    3.

  • 46

    四、研究成果 本計畫係開發以機器視覺整合復健運動系統之電腦遊戲之研究,主要功能之

    一,可讓使用者透過機器視覺整合手部的動作,形成輸入介面,與電腦之巧妙結

    合,讓一使用者在電腦遊戲進行中可以運用手部動作,搭配電腦遊戲之控制指

    令,進而達到更身歷其境之境界。本年度工作之整體成效如下:

    1. 物體擺位偵測系統開發,系統可以偵測使用者物體擺放位置並與遊戲互動 2. 建立個人基本資料庫 3. 建立訓練成效資料庫(記錄個人訓練成效),例如︰動作反應時間(MT)量

    測、基本訓練成效紀錄、綜合訓練成效紀錄 4. 動作反應時間(MT)量測 5. 動作控制基本訓練課程

    透過交互式四矩陣查表法,這樣也就能達到較佳的空間位置定位,使位置檢

    測更為精確,在該領域可於光學效果及功能性上都做一提升。本系統具有使定位

    檢測更為精確設定與機制,可控制提升光學定位效果。

    傳統之位置量測,如果不在乎成本,可選用的方式及器材極多。但是,若所

    要量測之範圍為一大型螢幕,則傳統即時位置量測的方式如觸控式螢幕、紅外線

    掃瞄等等。以觸控式螢幕而言,量測之精密度佳,反應時間快,但缺點為隨著螢

    幕的尺寸增加造價也相對昂貴。因此,有必要研發出既可量測大範圍之區域的位

    移物體,又可有效降低製作成本來量測之新產品。

    未來如果在大型液晶顯示器上,以傳統的觸控式面版製造技術將耗費大量成

    本於製造費用,然而使用此方法定位的效果,可以應用於捷運站或者電子廣告看

    板,投影機所顯示出來的畫面作定位。如果要在將誤差值縮小的話,那就要再強

    化 4-LUT 表的資料庫,已達到更準確的空間位置座標。

    本期完成兩篇期刊論文,兩篇會議論文,提出審查。本年度被接受或刊登的期刊

    論文如下:

  • 47

    1. Chern Sheng Lin, Kun-Cheng Li, Chia-Tse Chen, Chia-Chang Chang, Der-Song Chung, Hand Gesture Recognition in a Leg Sport System, Journal of Biomedical Engineering-Applications, Basis & Communicatitons, vol. 21(2) 97-105, 2009 (SCI)(EI)

    2. Chern Sheng Lin, Kun-Cheng Li, Chia-Chang Chang, Yih-Chih Chiou, Hung-Jung Shei, Wei-Lung Chen, Study of a Novel Knee Training System with Computer Vision Technology, Journal of Medical and Biological Engineering, vol. 29(3), 158-163, 2009 (SCI)(EI)

    3. 陳佳澤、林宸生、韋子祈、張家昌、陳維隆,復健運動系統之商品化,2009創業教育學術研討會,台中,逢甲大學,2009 年 5 月

    4. 韋子祈、陳佳澤、林宸生、葉茂勳、張家昌、陳維隆,科技輔具團隊之非營利組織經營個案研究,2009 創業教育學術研討會,台中,逢甲大學,2009年 5 月

  • 48

    五、結論 隨著現今科技的成長,更多人將注意到醫療工程這塊領域。然而遊戲與醫療

    做結合,可讓此產品潛力無窮,更可互惠操作者,若將此產品帶入市場,即可達

    到另一潮流,一項運動與遊戲互動結合的表現。讓老年人在家就能即由此系統達

    到復健運動健康效果,方便進行復健療程,不會造成關節退化,間接也能讓子女

    出外工作能放心,而本系統搭配上互動遊戲增加其在復健運動之趣味性,而不只

    是單純反覆做一樣的動作,未來如能和開發遊戲廠商合作,開發出其他更具娛樂

    性、更適合復健運動的相關遊戲,相信會帶領出這一股復健運動風潮。

  • 49

    參考文獻 [1] 高雄基督教信義醫院復建中心, “基本復健運動", 財團法人高雄基督教信

    義醫院,2005 年。

    [2] 柳家瑋、黏存賢、陳慶瀚 , “ 大尺寸螢幕雙攝影機多點觸控設計" , 2008

    數位科技與創新管理研討會

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    overground walking program improves walking in persons residing in the

    community after stroke: a placebo-controlled, ” randomized trial. Arch Phys Med

    Rehabil 84, 1486-1491, 2003.

  • 50

    [11] X. Xie., R. Sudhakar., and H. Zhuang., “A Cascaded Scheme for Tracking and

    Head Movement Compensation,” IEEE Trans. Systems, Man, and Cybernetics -

    Part A: Systems and Humans, 28(4), 487-490, 1998.

    [12] http://cmm.ensmp.fr/~demarty/CTI/segmentation_couleur_ang.html

    [13] 黃泰祥, “具備人臉追蹤與辨識功能的一個智慧型數位監控系統", 中原大

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    Volume ”, Proc. of IEEE Virtual Reality Annual International Symposium,

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