中央大學電機工程學系學位論文
國立中央大學,正常發行
選擇卷期
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本論文主要目的在使用影像技術以及模糊控制器去實現自走車之即時物體辨識與追蹤。整體架構分為四個系統，分別為影像處理系統、微控制器處理系統、結構及動力驅動系統、無線傳輸系統，整合四個系統與電腦端，透過無線傳輸，做物體位置判別及控制命令的判斷。在追蹤的過程之中，自走車上的無線針孔攝影機將獲得的影像資訊，經由無線傳輸回電腦端，為了減少影像資料量，將每一張影像圖片先經過影像處理，計算之後便能得知追蹤物體與自走車之間的相對關係，再使用Matlab模擬車體的軌跡，然後比較兩種控制方法，經由影像追蹤模擬結果比較之後，本論文使用模糊控制，運用模糊控制器將得到的相對關係解出所需要的轉角及速度，再經由無線通訊模組將控制指令傳回自走車上的微控制處理晶片，進而追蹤目標物體。經由Matlab所完成之影像追蹤模擬及真實實驗的結果，證明我們所提出的概念有助於相關工程上的應用。
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本論文在提供實現單速率及多速率之低複雜度與高速有限脈衝響應數位濾波器(FIR)時的一些架構性設計的技術與方法，特別是應用在多速率多階內插有限脈衝響應數位濾波器(Interpolated FIR)時之設計上。首先，就一些已知對高速及低功率應用的單速率有限脈衝響應數位濾波器的技術提出概要介紹，接下來提出一些研究的成果，包括可變的濾波器階數的選擇、最佳化的濾波器階數分解和省記憶體及對稱濾波器對等等的技術，可以進一步對多速率多階有限脈衝響應數位濾波器架構獲得性能上的提升與降低其硬體複雜度。然後，基於典型有號數字(CSD)碼及內插有限脈衝響應數位濾波器設計所形成的通用型多速率多階有限脈衝響應數位濾波器將被提出。本論文也介紹一些對高速操作要求的設計，提出既可以增加硬體平行度又可以同時滿足低硬體複雜度的技巧與架構。 一個以TSMC 0.25um CMOS standard cell為製程的64-QAM基頻解調器之濾波器設計實例，證明使用所提出的方法可以將整體使用到的晶片面積減少約39%，適合低複雜度的應用。另外，對於高速的應用，此設計晶片執行速度可高達714MHz。最後，針對CDMA cellular應用的一個降頻8倍之多速率多階無乘法器的降頻器為實例，證明使用所提出的架構與方法可以比傳統方法降低整體晶片面積約70%，同時功率消耗也比使用單階多相位結構傳統方法降低約49%。
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在本論文中將介紹涵蓋無線區域網路頻帶(ISM 2.4-2.5GHz和UNII 5.15-5.85GHz)的雙頻濾波器與天線。在文獻上，兩頻帶頻寬差異很大的濾波器設計存在三個主要的問題：兩個頻帶插入損耗(insertion loss, )通常過大(超過3dB)、阻抗匹配普遍不佳(僅-10dB左右)、與選擇(selectivity)的不佳。本文中將針對以上問題提出兩種新的改善方法。利用不對稱饋入3條耦合線的寬頻特性，結合雙重行為共振器(Dual-Behavior Resonator, DBR)來控制兩個頻帶的中心頻率與不同的頻寬，再加入缺陷接地結構(Defected Ground Structure, DGS)而使匹配改善。文中一共提出二階的不對稱分枝與指叉分枝濾波器兩種結構，使用的板材為厚度1.6mm的FR4基板。不對稱分枝的結構兩個頻帶的插入損耗值和反射損耗值在2.45GHz為-1.42dB及-13.8B，在5.5GHz則分別為-1.7dB及-10dB，指叉分枝的結構則改善了不對稱分枝結構中的選擇度和匹配，在兩個頻帶也達到了-1.6dB與-1.99dB的插入損耗，-15.13dB與-15.7dB的反射損耗。簡而言之，在不對稱分枝的結構中達成了好的插入損耗，指叉分枝的結構則在總面積與不對稱分枝幾乎相同下達成兩個頻帶良好的選擇度與匹配。 天線設計的特點在於體積微型化，實際大小僅6x6x3.2 mm³，但仍能提供最高超過0 dBi的輻射增益。利用平面式倒F天線(Planar Inverted-F Antenna, PIFA) 為基本架構，包含一個特別設計的饋入網路以及兩個三維曲折電流路徑，由此達成雙頻操作的目的並縮小天線體積，獨特的饋入網路配合不同的接地電感元件，可以只調整5GHz頻段的操作點而不會影響到2.4 GHz，提高了天線實際應用的便利性，若把接地電感元件捨去而直接接地，則天線只操作在2.4GHz頻段，可作為藍芽天線使用。
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本論文研究以傳輸線及電路模型為架構之模擬器，來獲得待測系統之 S 參數(S parameters)。 測試區段之連接埠以傳輸線等效模型連接， 在時域模擬環境下， 主測試埠以正弦波進行輸入， 並於其它連接埠傳輸線之末端匹配以等值之阻抗。 藉由模擬器之運算可以取得主測試埠之反射波型與其它各連接埠之穿透波型模擬值。 藉由此方法可以得到該測試區段之S 參數， 包含反射係數與穿透係數。在頻域模擬環境下， 我們以同樣的方法取得S參數； 且主測試埠輸入不同頻率的電壓來得到不同的結果。 在此論文的後續章節中， 會對時域模擬與頻域模擬作比較並且在最後介紹S參數的應用。
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本研究之目的在設計全新的順從式足型機器人硬體，以期提供的更好的性能輸出，並且對此機器人做進階的步態控制探討。機器人的架構主要基於順從型之六足機器人所發展，目的是可以在崎嶇的地形下行走。順從型機器人系統設計包含直流馬達，順從足型機構的設計、致動器驅動電路與控制器系統等。使用單晶片採分散控制分工方式成功實現該機器人，分工控制降低了機器人控制的複雜度，提升了系統的穩定性。此外，實驗結果上也驗證了步行、轉彎等控制，以及草地行進、跨越障礙物等移動步態。本研究發展了一個順從式機器人發展平台，為日後設計新步態與動作的設計提供很大的彈性及空間。
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隨著無線通訊與網路技術的進步，多媒體資料在網路上的傳輸機會與日俱增。由於多媒體資料的豐富性和多樣性，以及無線網路普及率節節升高，多媒體資料在不同使用者之間的分享與交換行為日益普遍。然而，多媒體資料在傳輸的過程中，若沒有加以保護，也就是所謂的多媒體安全技術若沒有適當發展，多媒體資料的內容將被任意存取與分享，而侵犯多媒體擁有者的著作權。在本論文中，多媒體安全的各種技術與應用，將被廣泛的討論，尤其是多媒體加密，多媒體浮水印，以及多媒體播送技術與應用。論文中我們將提及多媒體安全中目前極具挑戰性的問題，並且針對這些問題提出我們的看法與解決方案。 在本論文中，我們將從多媒體安全的第一道防線-多媒體加密，開始討論起。因為加密過後的多媒體資料在傳輸的過程當中可能遇到具有錯誤特性的網路環境，我們提出了一套以媒體赫序(Media Hash)為基礎的視訊錯誤回復機制。接著，我們會著墨於多媒體安全的第二道防線，多媒體浮水印。我們提出了一套強健性的多媒體浮水印技術，能夠抵抗幾何攻擊以及浮水印預估攻擊。此外，我們還提出了一套抵抗時間軸非同步攻擊的視訊浮水印同步技術，用來增加多媒體浮水印技術的強韌性。當多媒體安全的兩道防線都建立了，一個合適的多媒體散佈架構是相當需要的。在本論文中，我們提出了與AACS(advanced access control system)相容的結合式加密與多媒體指紋嵌入架構技術。與該架構相關的安全議題，挑戰，與相對應的解決方案也在此一並討論。 多媒體加密技術在安全的存取多媒體資料技術中扮演了第一道防線。傳統的加密技術能夠提供安全性的保障，但是連任何一個位元錯誤都無法容忍，這在多媒體傳輸應用中並不實用。為了達到強健性的多媒體加密技術，在多媒體傳輸中必須能夠具備錯誤回復能力。本論文中提出了一套利用嵌入於殘餘資料之以多媒體赫序為基礎的結合式視訊加密及傳輸機制，期望達到對於遺失視訊封包的移動向量預測及補償，同時能夠保持格式相容和密碼學上的安全性。有趣的是，既然視訊區塊赫序能夠保存精華的視訊內容，利用搜尋類似的區塊，移動向量預測隱含了強健性媒體赫序比對精神，這就是本方法的獨特性。 多媒體保護的第二道防線是浮水印技術。現存浮水印技術最主要的缺點是對於廣泛的幾何攻擊抵抗能力。此外，我們發現現存文獻若能夠抵抗預估浮水印攻擊，便降低了抵抗幾何攻擊的能力。基於以上的看法，在本論文中，我們提出了同時能夠抵抗幾何攻擊及浮水印預估攻擊的技術。本技術主要包含三個部份：(1)強健的碎塊產生和以碎塊為基礎的浮水印技術以抵抗幾何攻擊，(2)建立以媒體赫序和內容為基礎的浮水印以抵抗浮水印預估性攻擊，(3)提出一套以錯誤機率為導向的浮水印偵測技術，用來決策浮水印是否存在，以達到錯誤正向及錯誤負向判斷的取捨。 此外，同步問題在視訊浮水印技術中是一個具有挑戰性的問題。我們提出了一套基以訊框輪廓統計特性為基礎的時軸同步技術。訊框輪廓在x和y方向上以平均值和變異數代表一個訊框的特性，如此得到的統計值可以當作一個訊框的特徵。一連串的視訊訊框可以在解碼端進行訊框特徵比對，以達到再同步效應。在接收端，諸如：訊框置換，遺失，和插入等時軸非同步攻擊，藉由本技術提出的訊框統計特比對，可以達到再同步效應，以利於最後的浮水印偵測。 一旦多媒體安全的第一和第二道防線都經過適當的設計，一個安全的多媒體播送架構是必要的。本論文中提出了一套結合式加密和多媒體指紋嵌入的方法，並且可以和AACS(advanced access control system)相容。由於目前AACS是對多媒體存取控制的領導技術，並且是多家多媒體播送公司所共同制定的標準，因此我們發展的技術期望與這樣的標準在概念上相容。在本技術中，我們探討了許多可能的攻擊點以及抵抗措施，此外，我們提出了多重攻擊點所產生的串謀攻擊以及合適的抵抗對策。在本論文中，(1)我們提出了在不同點之間的多媒體加密技術，(2)我們提出了可複寫式的多媒體指紋嵌入技術，用以抵抗多重攻擊點所產生的串謀攻擊，(3)我們設計了SPSM(Spectral Perceptual Security Metric)來評估多重加密所能夠達到的安全程度。
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本論文以程式及多媒體應用技術設計製作完成一個電腦與人互動的猜拳遊戲機。我們利用一台網路攝影機及電腦，搭配由程式所撰寫出的介面，製作成猜拳遊戲。由電腦隨機亂數所產生的拳數，與真人所出拳數來判斷輸贏之結果，再採用音樂及動畫來使遊戲更為生動。真人拳數的判定，是利用影像處理之技術，先以網路攝影機拍攝真人手勢，再作背景相減，來去除背景中類似膚色的物品；膚色偵測，偵測出手的位置及區域；雜訊去除，消除不必要的影像資訊，最後，再利用手的特性，來分析所得的影像資料，判定手勢為何種拳數。為了達到人與電腦猜拳的真實性與刺激性，真人出拳與電腦出拳必須同步，辨識真人手勢與判決輸贏必須即時，又為了增加趣味性，因此，我們設定一機制：在遊戲過程中，播放音樂作為出拳節奏，在音樂尚未結束，不執行任何手勢辨識；音樂結束後，同時做辨識真人出拳手勢，並與電腦隨機產生之出拳手勢，來判定輸贏，再以輸贏結果，選擇相對應之音效，顯示於介面上。本作品雖屬娛樂性質，但其包含多種實用技術如手勢辨識、多媒體電腦介面製作等，應可應用於其他實用方面的用途，譬如：手語手勢辨識、電腦視覺等等，更增加了本研究的實用價值。
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本論文主要在改良學長設計的兩輪車，並且加入重心裝置於兩輪車上，使兩輪車可以自我平衡並以重心移動來帶動兩輪車前後行進。整個系統以Nios CPU作為主控核心，整合馬達控制、電路訊號擷取、無線訊號傳輸與訊號處理的技術，並將模糊控制器建構在系統晶片本身，實現模糊控制的機器人系統。在控制流程上，使用傾斜器（Tilt）與陀螺儀（Gyro）分別量測車身的傾斜角度與角速度，另外使用馬達編碼器（Encoder）量測車子馬達轉動的角度及角速度。根據傾斜器、陀螺儀、馬達編碼器所回授的即時車身資訊當作輸入，建立車體各種行動模式的模糊控制器，計算輸出之後，以FPGA實現的PWM訊號來控制兩輪馬達的轉動和重心裝置的滑車位置，使得兩輪車具備平衡、定位、同步、左右轉向、前進與後退、煞車停止、定速上下坡等功能。與學長成果最大不同處有以下幾點：1. 本成品用重心移動帶動車子前進或後退，不同於學長的遙控方式；2. 我重新設計了馬達驅動電路，給與馬達更大的功率，本成品可以上下殘障斜坡，學長的做不到。
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本作品主要是設計製作一台具視覺之人型機器人，此機器人由十七個AI馬達組合而成，有雙手、雙足、頭部，完全類似人型外觀。此機器人不但可以很流暢得自行完成走路前進、後退、左右轉向、側向行走、蹲下、站起、和敬禮等等動作，此外還具有模仿人類動作的能力。機器人以頭上的攝影機當作為它的眼睛，在複雜環境的背景中，能正確辨識人體身上的特殊標記，並以標記之相對位置，辨識人類動作流程，進而即時模仿人類的動作。模仿的動作包含了多變化之雙手動作和下半身動作像站起、蹲下、單腳站立、和單腳抬高懸空，等動作。當人類往左(右)側向行走，機器人也會往左(右)側向行走，當人類前進(後退)時，機器人也會前進(後退)。在模仿人類動作的同時，人身上的所有標記可能有時會跑出機器人的視野之外，它的眼睛也會主動搜尋再找回人身上的所有標記。機器人的動力上採用AI-1001馬達，透過RS-232來進行馬達角度的控制，並搭配自行設計關節連接機構來加強機構的穩定性。控制策略上採用扭力控制、線性內插平滑化、路徑規劃、有限狀態機及重心補償等技術，實現模仿人類的動作。在執行各種動作的同時，永遠保持機器人的平衡穩定是本作品克服的最大的困難。此外只靠2D影像資訊的情況下，能模仿人類一些特殊的動作(包含二維和三維的動作)，則是本作品的最大成就。本作品的技術將帶領機器人研究在與人類互動上能更上ㄧ層樓。
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本論文主要是設計一個有視覺的機器人，他會盪鞦韆，也能同時進行影像辨識。其中鞦韆運動包含了可以控制擺動到任意指定的擺角，假若有外在的干擾也能克服並達到指定的擺角；機器人不但在靜止時能夠辨識目標（綠球），在盪鞦韆時也能搜尋目標並判斷目標的距離，以能在正確時機及正確位置成功打擊目標。在機器人的機構上我們以壓克力與AI馬達組合而成身體與手腳，使用一台USB網路攝影機做為頭部，個人電腦透過RS-232協定封包來控制AI馬達的角度，並偵測其角度的回傳值以調整控制參數。在控制策略上，我們控制機器人的頭去做搜尋與辨識目標，控制機器人的身體和腳讓鞦韆擺盪到指定的擺角，控制機器人的手在適當時機來擊打目標；在影像上則是使用DirectShow 技術使影像的處理流程達到最快。因為鞦韆運動是屬於快速的運動，為了達到精準控制的要求，因而本論文使用了不少的非同步執行程序。要如何有效率的整合這些程序並降低系統的複雜性及出錯率，此外並能夠達成所有的控制目的是此研究的最大成就。