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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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體感科技發燒,體驗3D再進化!

文/陳帝鴻

只要在空中動一動手指,不需要接觸電腦螢幕,就可以將螢幕上的照片局部放大;不需要透過遙控器,只要將右手在空中一揮,就可以讓家中的電視轉台;只要將微型雷射投影模組插到手機上,就可以用雷射投影出剛剛用手機拍攝的照片;家中的玻璃,可以隨著日出日落,任意改變顏色,並且阻擋眼睛看不到的熱源波長區。

以上種種情境,並不是癡人說夢,在工研院2010年底的南分院創新技術聯合發表會上,這些聽起來不可思議的想法,都是已經可以付諸實現的尖端科技。尤其當前正夯的體感科技,開始從目前應用於數位電子遊戲,延伸到更多新的領域,不用實體控制器,只要透過手勢、身形或是聲音,就可以用感應的方式來進行操控。而工研院發展的數項新技術,正是這些熱門應用面背後的推手。

事實上,工研院不但是帶動創新研發與經濟發展的研發中心,也針對南部產業屬性,透過研發、技術整合與人力支援等能量,帶動社區與其他產業整體發展,透過這股「南風」,帶來持續不斷的創新研發,為國內產業開創出下一波經濟發展的優勢與契機。

工研院院長徐爵民表示:「由於全球化競爭以及新興市場的低價威脅,國內產業普遍面臨轉型和升級的挑戰。五年前工研院成立南分院,配合國家發展政策訂定研發方向,希望能做到南部產業的開路先鋒,促進產業升級。」他期許五歲的南分院成為南部產業科技的後盾,面對全球化的競爭與國際情勢的挑戰,能持續發揮就近輔導的功效,為產業開拓新機會與新未來。

經濟部2011年的施政主軸是「創新經濟,樂活台灣」,希望用創新開放的思維開展經濟動能,將2011年定調為「創新經濟啟動年」,蒞臨創新技術聯合發表會的經濟部技術處簡任技正王永妙指出,「工研院南分院五年有成,透過工研院和經濟部的科技專案,強化產業服務,持續在中部、南部和東部進行技術擴散,協助廠商或產業,有效運用工研院的研發能量,帶動地方的產業發展。」

工研院南分院執行長蔡新源也表示:「度過經濟不景氣,南台灣產業展現的韌性,恰與同仁在這塊土地耕耘的精神相同。經過五年的努力,工研院南分院與南部產業已有緊密的互動。從研發技術創新,到深耕區域產業服務、經營產業聯盟、促進技術精密群聚、協助產業籌組研發聯盟,我們看到地方產業的無限可能。」他冀望未來能夠持續朝「連結、創新、帶動新風潮」的策略努力,這也是工研院南分院的特色;相信在不斷的累積之下,能夠將其塑造為台灣獨特的研究中心,帶動創新研發與經濟發展。

在這次的盛會中,光是報名參與的人數就多達近千人,包括產業界人士與學校師生都積極參與,在現場形成熱烈的「市集」氣氛,也見證了工研院正以所獨具的熱情基因與活力,在台灣南部熱烈綻放出令人驚豔的未來智慧生活新科技。

空間手勢辨識與追蹤系統

只要在空中動一動手指,不需要接觸電腦螢幕,就可以將螢幕上的照片給局部放大?沒錯!工研院南分院微系統科技中心所開發的空間手勢辨識與追蹤系統,正是利用獨創的多點空間追跡演算法與手勢辨識技術,突破傳統接觸式的觸控螢幕操作,使用者只要在左右手分別戴上手勢辨識模組,透過RF無線傳輸模組的傳送和接收,就可以在空中進行多點操作與多樣化動作輸入辨識,並應用至各種不同的操作介面環境。

過去的「3D飛鼠」,只能辨識身體動作;但微系統科技中心這套空間手勢辨識與追蹤系統,目前在追跡和整合技術上都有了突破,已經可以辨識10根手指的細微動作,並可辨識超過12種以上的手勢動作,支援單人或多人同時操作,也不會受到光線明暗的影響而產生誤差,相當不容易。

由於辨識能力可以細節到手指,所以更方便使用者進行圖片翻轉,或將圖片上的某一特定區域放大和縮小,可以應用至Windows Media Center、Set Top Box、多人會議簡報系統、家庭休閒娛樂系統、體感遊戲、多點操作介面等各種領域。

Smart TV手勢互動操作介面

丟掉遙控器的時代來了!在Microsoft Kinect與Smart TV的趨勢帶動下,深度攝影機(Depth Camera)將成為下一波人機介面的主流。工研院南分院人機互動科技中心所研發的手勢互動操作介面,使用者不需要配戴任何感測元件,就能夠透過揮手、轉動手臂等幾個非接觸式的簡單動作,就可以遙控家中的Smart TV,瀏覽多種數位內容。

目前系統所設定的是單人使用情境,因此系統會以最靠近深度攝影機的使用者之動作為準,結合雙眼深度運算技術、肢體動作辨識技術、即時手部偵測機制,提供類似電影《關鍵報告》(Minority Report)中的非接觸控制。目前活動距離為距離螢幕1.5至2.5公尺,可辨識13個肢體關節點,深度估算速度達30fps。

由於目前系統僅能辨識擺動雙手、左右傾斜等肢體動作,辨識範圍只有到「手掌」,只能應付簡單的基本操作;人機互動科技中心的下一步,是要將辨識範圍進一步提升到層次更豐富的「手指」,才能應付Smart TV所提供的複雜功能操作。包括3D體感遊戲產業、3D多媒體產業導覽裝置、3D互動教學與互動復健、NB互動控制等領域,都能夠因此受惠。

3D動作感知技術

3D互動技術突破了現有3D技術僅運用在視覺呈現上的藩籬,再進一步邁向「與3D互動」的新境界。該技術是由工研院南分院人機互動科技中心,結合能夠辨識立體深度的深度攝影機IS eYe,以及三維影像深度辨識技術,所研發出來的3D動作感知系統,使體感科技再進化。使用者不需要配戴任何感測元件,只要揮揮手就可以與螢幕中的3D立體影像互動。

由人機互動科技中心所研發的IS eYe,利用一組網路攝影機,搭配自行研發的後端運算系統,除了擷取平面的X、Y軸動作,還進一步擷取深度立體感的Z軸動作,成功克服光線不足、背景近似,或背景干擾等狀況下所產生的誤判狀況,因此在單人操控模式下,可以有效分隔玩家與流動背景之間的距離關係,以確保遊戲控制的正確無誤。在多人多點操控下,則可以有效探測距離攝影機較近的多個凸點,也能有效過濾凸點以外的流動背景。

不同於一般3D電視或3D投影,只能單向播放3D立體內容,南分院的3D體感應用系統,可即時分析出影像畫面中的Z軸深度,透過3D內容的3D顯示,讓使用者可以淩空碰觸3D空間中不同位置的物件,體驗與3D虛擬內容進行雙向互動的樂趣。

好比以3D螢幕呈現的虛擬狗狗,參觀者只要戴上3D眼鏡,伸出右手,虛擬狗狗就會吐舌頭,讓參觀者感覺自己的手,好似是真的碰觸到了虛擬狗狗,虛擬狗狗也以吐舌頭動作回饋給參觀者,達到最身歷其境的互動感受。

擴增實境引擎技術

所謂的擴增實境(AR,Augmented Reality),是以虛擬實境(VR,Virtual Reality)為出發的新互動技術,指的是將數位資訊或圖像,重疊在真實世界的實像或實物上,創造出真實與虛擬融合的互動方式。

工研院南分院人機互動科技中心所研發的擴增實境引擎技術,結合了圖像辨識系統與3D繪圖引擎,以簡單的攝影機,捕捉特定的二維影像;當所設定好的圖形,出現在鏡頭前面時,系統就會在螢幕上出現與其對應的特定虛擬影像。

好比說,只要把特定的圖卡放在鏡頭前面,螢幕裡就會有特定的3D數位元影像,重疊在卡片上。假使圖卡是樂高玩具包裝盒上的一個特定圖樣,系統就會在螢幕上以3D數位元影像,呈現盒子裡面的玩具組合好的樣子。在零售服務方面的應用,可以說商機無限。

目前南分院的擴增實境引擎技術,可以支援10種以上的任意圖樣識別,每個圖樣追蹤誤差在5公分以內,旋轉圖樣在40度以內就可以正確定位辨別,遮蔽圖樣30%以內也可正確定位辨識。

目前擴增實境的應用已愈來愈廣,從電玩遊戲、電影廣告、棒球卡、探險類玩具,到博物館導覽、展場加值服務、虛擬操作、數位教學、行動化資訊導覽等,都是可發展的領域。這種不需要鍵盤與滑鼠,就能操控虛擬實境物件的直覺性操縱方式,使以往我們只能在科幻電影中看到的情節,不再只是個不能實現的夢。

Android車載娛樂服務平台

工研院南分院家庭網路科技中心率先推出於車載平台上,實現Android 2.2系統的「Android車載娛樂服務平台」,讓車輛成為網際網路的一個行動終端系統,可以在行車過程中提供駕駛人與乘客各式各樣的資訊服務。

Android車載娛樂服務平台,具備穩定度高、省電、可移動、易擴充等優點,支援包括ARM/X86/SuperH在內的所有車用系統,並具備智慧化異質網路管理功能。因其支援ADSL/WiFi/3.5G多工換手,以及媒體導向系統傳輸(MOST,Media Oriented Systems Transport)與Ethernet/MOST/WiFi網路分享,因此在對外通訊方面,可以做到多工備援設計,在對內通訊方面,可以做到通訊頻寬資源分享。

若應用於遊覽車情境,乘客將擁有個人專屬獨立隨選影音娛樂與上網頻道,可以進行無線上網與線上交易等活動;駕駛人則可以透過系統得到即時路況分析規劃、衛星導航服務、行車記錄、車隊管理等功能。

更重要的是,Android系統車載服務平台可以使用Google所提供的強大應用服務,包括知名的Google Map、Google Talk及Google Market,還有Google Maps Navigation等。

可以想見的是,未來家中轎車的車載機上,不再是只能聽收音機或看數位電視,而是可以連上網路,看到線上的即時交通路況,或者是看Youtube影片,達到「無所不在」的寬頻最佳化應用。

過去由於車用系統市場較為封閉,台灣廠商要切入汽車產業供應鏈的難度,也相對較高;但Android系統卻承襲Linux開放原始碼的觀念,成為開放式架構的車載平台,對台灣廠商來說,正是千載難逢的好機會。過去台灣的資通訊技術能力一向居領先地位,若台灣廠商專注於Android開放平台的研發,未來要切入汽車產業供應鏈,將指日可待。

智慧導遊服務系統

工研院南分院家庭網路科技中心所研發的智慧導遊服務系統,是應用新世代資通訊(ICT)科技,以「城市博物館」概念,串連在地觀光產業及深度旅遊資訊,提供遊客個人化的即時旅遊服務為目的。目前已應用於南投埔里智慧小鎮、台東知本溫泉與台南安平古堡旅遊區等特色景點,高雄旗津商圈也正在規劃中。

智慧導遊服務系統結合Web Portal、Kiosk與手持導覽機,提供旅遊食、衣、住、行、育樂資訊與服務,不但提供多語言導覽資訊、客製化地圖、公車路線導引,還能主動進行上下車提醒,並即時提供在地商家促銷與優惠資訊,並兼具多景點行程規劃與導引、衛星導航等功能。

以台南安平古堡旅遊區為例,有了智慧導遊服務系統,遊客不再需要隨身攜帶紙本旅遊書或由網路上列印下來的資訊,只要至安平旅遊資訊中心免費租借手持智慧導覽機,包括公車路線、在地美食小吃、多景點行程規劃、導航資訊、即時活動通知等服務,通通可以「一機到位」,得到全方位滿足。

智慧導覽機還提供QR Code二維條碼語音服務,只要將導覽機對準安平悠遊解說牌上的QR Code二維條碼,系統會即時自動進行語音導覽介紹。

目前智慧導遊服務系統處於試營運階段,未來將根據使用者反應,針對導覽資訊豐富性、導覽機字體大小、高齡人士上手度等面向,進行進一步修正,希望進一步帶動在地商圈的經濟活動,協助南台灣順利發展資通訊智能之新興服務產業。

近床活動智慧照護輔助系統

人口老化是全球趨勢,根據衛生署統計,台灣65歲以上口已達240萬人,較10年前高出31.6%,可見台灣已漸漸進入高齡化社會,種種照護問題也應運而生。由工研院南分院科技化照護專案所發展的機構式照護服務系統,是針對身、心、靈的全方位機構式照護而發展的系統;其中的「近床活動智慧照護輔助系統」,是針對照護機構的標準作業流程需求,結合現有通報系統,整合多模感知事件與模組化功能架構,提供照護機構主動式照護事件偵測與通報。

俗話說「五老有一跌,十跌有三傷」,根據統計,台灣的跌倒盛行率約為10.7%至32%,跌倒也是65歲以上老人的第二大死亡原因。根據恩主公醫院的統計,床邊移位跌倒占老人跌倒的63.1%。近床活動智慧照護輔助系統整合了智慧感知床墊、碰觸感應欄杆、近床異音感知器等三項感測模組,透過網路化資訊傳輸,提供照護機構躺臥過久提醒、不良姿勢擺位提醒、危險行為警示、夜間離床提醒、異常生理訊號提醒、紙尿褲更換提醒等訊息。這些異常訊息會透過近床控制盒,以低於五秒的服務網路自動組態時間,傳輸到護理人員的呼叫器、手機或PDA上,以及護理站的電腦上。

其中智慧感知床墊透過智慧感知軟體,辨識病人的臥床體態,感測到病人是上半身挺起、坐起、坐床緣,或是已經離床。碰觸感應欄杆則運用人體電介質特性與訊號處理技術,將厚度只有3.2mm的軟性碰觸感測器,設置於病床欄杆上,碰觸反應時間低於一秒鐘,可以即時進行病人動態監控。

由於臥床老人家在發生危險時,不一定有辦法去按警急求救鈴,近床異音感知器搭配非目標音濾除技術,讓醫護人員可以隨時主動掌握近床端的異常聲音事件,偵測範圍為0.5至2公尺,可偵測碰撞、求救、哀嚎與呻吟等四類異常聲音,讓醫護人員即時提供警急救護。

此套輔助系統可針對照護機構的特殊需求,進行模組化組合,量身訂製,達到提升照護品質,並降低照護者負擔的目的。

隨身動態生理監控系統

工研院南分院微系統科技中心所研發的隨身動態無線生理監控系統,將多種生理感測元件與藍芽無線傳輸,整合在一片薄薄的軟性貼片模組上;使用時只要將它貼合在人體的胸腔與腹腔之間,便能夠透過藍芽無線傳輸,將所量測到的多項資訊,傳送到PDA或電腦中。

目前該系統有兩種尺寸,測量單導程心電圖的單導程貼片尺寸較小,約135*35*4.5mm,主要針對居家照護市場;測量三導程心電圖的三導程貼片尺寸略大,約120*199*6mm,能夠測量到比較多的資訊,可以滿足醫院臥床病患照護需求。目前醫院所使用的專業心電圖設備,最多至十二導程;但單導程或三導程設備,已經能夠在居家照護或慢性病換照護方面,提供初步的心跳異常判讀。除了心電圖以外,系統還能同時測量體溫、動作等,並且快速而正確地建立心電特徵值(PQRST),然後進行初步心跳異常判讀。

透過工研院獨創的多工取樣技術,以及嵌入式動態雜訊消除技術,即使病人在進行上下樓梯或跑步等動態活動時,也不會產生太多雜訊,使系統能量測到相對穩定的心電圖。該技術也使貼片的尺寸與功率消耗都大幅縮小,並採用無線傳輸的方式,提供病人在一定範圍內任意走動的自由,不必再受傳統傳輸線的限制。

使用者可以在日常生活中走路、上下樓梯、起立站臥與擴胸時,同時進行心電特徵值與心跳異常的判讀與警示功能,若有異常,系統會自動發出警示,對於居家健康照護、嬰幼兒睡眠監控、慢性病患照顧、銀髮族健康照護等方面,都有很大的幫助。

微型雷射投影模組

由工研院南分院微系統科技中心所研發的微型雷射投影模組,體積縮小至8cc,僅有口袋般大小;相較於現行的LED微投影技術,不但在體積上縮小了三分之一,具有體積小的競爭優勢,在耗電量上也再創新低,只需要其他系統的60%電量,效能高、光學效率佳,在節能方面有高水準演出。

微型雷射投影模組應用微機電二維微型掃瞄面鏡,以及紅藍綠雷射,實現人們夢想中的微型雷射投影機。獨特的「亮度失真補償技術」、「光機失真補償技術」、「同步失真補償技術」、「光機錯位補償技術」等四項光學掃瞄補償技術,可以在投影亮度、銳利度、均勻度、色域上做提升,投影出來的畫面,不但平整不扭曲,還兼具色域廣、流明數較其他系統高、亮度比其他系統亮的優勢。在系統相容性方面也大幅提升,讓廠商在選擇光機元件時有更大的彈性,非常適合國內廠商積極投入。

微型雷射投影模組的投影畫面可達無窮遠,並且不需要對焦,在畫面清晰度與色彩亮度方面,皆凌駕其他投影系統,同時還兼具光損失少以及低耗電兩項技術特色。將它插到手機、筆記型電腦等配備TV-Out或VGA功能的可攜式行動媒體設備上,就可以和朋友、家人或同事,共同觀賞過癮的大螢幕畫面。

目前個人隨身投影正夯,包括智慧型投影手機、數位相機、PDA、NB等3C消費電子產品,以及車用多重螢幕抬頭顯示器、生醫感測、工業偵測等,都是高準度微型雷射投影模組的應用範圍,也是國內廠商切入個人隨身投影市場的大好機會。

軟性電致變色節能膜技術

工研院南分院雷射應用科技中心以軟性電致變色製程技術研發出的節能膜,平均厚度小於0.4mm,鑲嵌於一般門窗玻璃表面後,便可以透過電壓控制玻璃的透明度。只需要3V電壓,就可以將節能膜由著色態轉變為透明色態,並且透過電壓會有透明度變化,目前已至少可以做到八段透明度變化。

由於節能膜於著色態時可以反射熱源,能有效阻擋80%至95%的熱輻射,不同於成本較高的液晶智慧窗,只能遮蔽可見光,無法遮住熱源波長區,所以節能膜有更好的隔熱效果。若以完全使用節能膜的住家,與使用一般玻璃的住家相較,前者白天室內溫度至少可以降低攝氏三度。

目前軟性電致變色節能膜有兩種形式,一種是直接做在玻璃上,另一種是做在軟版上,然後再貼合到玻璃上,類似坊間慣用的隔熱紙,方便應用在既有建築物上,但卻能做出隔熱紙做不到的八段透明度變化。

由於軟性電致變色節能膜只需要3V電壓就能作動,不像液晶智慧窗需要60V至70V才能作動,因此可以直接以太陽能板供電,更加節能減碳。

軟性電致變色節能膜可以讓住家「冬暖夏涼」。好比冬天出門上班前,可以將節能膜切換為透明,讓太陽光的熱進來;下班後就切換為藍色不透明,將熱給保留在屋子裡。夏天則相反,出門上班前將節能膜切換為藍色不透明,將熱阻絕在外面;下班時天黑了,家裡就不會那麼熱,冷氣也不必開那麼強。

目前軟性電致變色節能膜已完成五萬圈測試,正朝商品化所需要的15至20萬圈測試邁進,預計在不久的將來,就能進入量產。

R2R貼合設備技術

工研院南分院雷射應用科技中心所開發的R2R貼合設備技術,鎖定的是捲對捲(Roll to Roll)軟性基板的貼合,並且將研發重點設定在軟性顯示器、彩色電子紙(E-Paper)等對精度需求較高的產品生產設備。

R2R貼合設備有兩個關鍵技術,其一是精密複合循邊模組,其二是均力夾持控制技術;並以這兩個技術為核心,搭配捲對捲製程的精密張力控制技術、高貼合精度控制技術、精密定長裁切技術,以達到循邊貼合精度±60μm目標,預計未來將進一步將精度提升至±10μm。

除了做到循邊貼合之外,雷射應用科技中心於2011年度的目標,是要做到難度更高的「對位」,讓上下兩個板材的圖樣(pattern),也要能夠重疊,並將誤差控制在允許範圍內。

目前工研院已提供技術支援與專利授權,協助包括台灣恒基、億尚精密、旭東機械、頂端機械等在內的5家國內廠商,進行設備製程開發與驗證。只要運用廠商既有的基本單捲式平台,搭配他們的製程,就可以運用工研院的循邊貼合技術,去建立捲對捲的生產設備。

有了R2R貼合設備技術,可以讓生產速度和產量都顯著提高,也使想要切入軟性顯示器、彩色電子紙等產品生產的國內廠商,只要根據工研院所提供的基礎平台,再搭配各自的製程,就能快速建立起高精度的捲對捲製程生產線。對國內廠商來說,不需要再去從零開始開發捲對捲生產基本平台,等於是幫助他們向前邁進了一大步。包括軟性顯示器、彩色電子紙、軟性太陽能電池、OLED照明、軟性鋰電池等需要捲對捲製程的產業,都能夠同時受惠。

全光纖式高能皮秒雷射源

工研院南分院雷射應用科技中心所研發的全光纖式高能皮秒(picosecond,10的負12次方秒,為目前科學家所使用的時間最小單位)雷射源,是全台灣第一台使用全光纖式的雷射源,並且脈衝寬度是皮秒等級,比奈秒(nanosecond,10的負9次方秒)雷射還要短許多,也具備熱效應低、脈衝功率高等優點。

由於是全光纖式,因此對環境的要求,不像傳統固態雷射那樣高;對廠商來說,廠房的建設成本,可以大幅降低。與傳統固態雷射採水冷式架構不同,南分院所研發的全光纖式高能皮秒雷射源,是採用氣冷式架構,可以直接利用空氣散熱。

全光纖式高能皮秒雷射源在使用上十分方便,只要插上電源,就可以使用;還可以透過USB連結,直接以筆記型電腦進行相關控制。包括雷射平均功率與雷射重複率,都可以直接透過電腦進行調整。

 全光纖式高能皮秒雷射源的雷射波長為1064nm,雷射平均功率為10瓦,雷射脈衝寬度小於120皮秒,雷射重複率可在100kHz至1000kHz之間調整,雷射光束品質M square小於1.5,雷射穩定度在3%以下。在應用面方面,包括銅銦鎵硒(CIGS)薄膜的介面層移除、不銹鋼的精密無痕鎔接、陶瓷的無黑化切割等,都可以進行全方位的彈性加工。

全光纖式高能皮秒雷射源從機構、電路到光學,都是由國人自主研發,因此自主程度相當高。與國外相同等級的雷射源相較,國內廠商若採用全光纖式高能皮秒雷射源,大約可以省下一半的硬體購置成本;在售後服務與維修方面,也可以得到更快速、更即時的處理,不致耽誤生產線產能。

目前國內廠商大多使用脈衝寬度較長的奈秒雷射,皮秒雷射則仰賴國外廠商供應,並且經常發生「有錢也訂不到」的窘境。自2009年10月開始,已陸續有廠商提供樣品給雷射應用科技中心進行測試,強化量身訂做的在地化服務。



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