下面章節則會介紹本系統的硬體與軟體是如何設計。在硬體方面，本系統是採用一
般市售的Webcam 改制而成的，將鏡頭反轉過來，讓輸入鏡頭影像由所小轉變為放大，
並在使用特製的平頭光源，讓其光源可以均勻的散射。而軟體則是使用MathWorks 公司 生產的MATLAB 下的 Simulink 做為發展平台[9]，並設計出可以追蹤草履蟲的演算法。
3-1 硬體架構
本系統是採用Logitech 公司所生產的 QuickCam Communicate STX 130 萬畫素網路
視訊攝影機為影像擷取來源。本系統的硬體架構可以從圖3-1 的自製顯微影像平台架構
圖看出來，先把我們所要觀察的草履蟲，放置在生物樣本觀察區，影像則會由 Webcam
顯微鏡透過USB2.0 傳送至電腦上做處理。圖 3-2 為光源電路圖，主要為供給光源電源，
輸入電壓為 6V~9V，並有建立一電阻值為 500 的可調式電阻，可讓觀察人員自行調整 最適當的光源強度。圖3-3 的左邊為一般的 LED 燈泡的燈罩(1383-2SYGT-S530-E2_509)，
而右圖為本實驗所用的LED 燈泡平頭式的燈罩(484-10SURT-S530-A3_608)，兩者差異在
於，一般的LED 燈泡是聚焦的，容易造成光源分布的不平均，而造成偵測物體的錯誤，
而本實驗所用的 LED 燈泡，在頂端經過特殊處理，可讓光源變成均勻的散佈，圖 3-4
為燈泡的照射角度，左圖為一般普通的燈泡，光照角度小，光照角度小。右圖為本系統 所用的燈泡，光照角度較大，光源散射的距離較長[18]。
圖3- 1 自製顯微影像平台架構圖
圖3- 3 LED 燈罩 1383-2SYGT-S530-E2_509 與 484-10SURT-S530-A3_608
圖3- 4 LED 光照角度 1383-2SYGT-S530-E2_509 與 484-10SURT-S530-A3_608
3-2 軟體架構
草履蟲追蹤演算法在本系統所使用的軟體為美國 MathWorks 公司生產的 MATLAB 下的Simulink(圖形化動態系統開發/模擬工具)軟體[9]，如圖 3-5 MATLAB 功能方塊圖所
鬆、有效率地完成資料分析及視覺化、應用程式開發、系統設計、模擬、產生程式碼及
再來將針對上述的各個階段進一步說明，圖3-6 為系統的設計流程。程式部份，是 使用軟體–Matlab Simulink 來做為程式編寫以及人機介面的開發軟體，圖 3-7 為草履蟲 追蹤演算法的程式整體圖，而圖 3-7 中(1)~(5)則是對應圖 3-6 系統設計流程(1)~(5)的步 驟。
圖3- 6 系統設計流程
圖3- 7 草履蟲追蹤演算法
3-2-1 Webcam 影像輸入
我們是用Matlab 這套軟體，可在 Command Window 鍵入 imaqhwinfo，則可查詢與 Matlab 擁有溝通協定的攝影機資訊，當搜尋得到時，才代表可用 Matlab 與攝影機之間 的溝通是沒有問題的(圖 3-8)。
圖3- 8 攝影機資訊
而下圖3-9(為 From Video Device 的設定圖，當我們設定好之後可以按下 Preview，
來測試是否是我們所需要的圖像資料輸出。此模塊的輸出訊號可以挑選單一輸出訊號線，
或是RGB 三條輸出訊號線，而在本系統的資料輸出型態則為單一訊號線。
圖3- 9 From Video Device 模塊設定
3-2-2 影像處理
影像處理這部分主要是把草履蟲的影像給萃取出來。首先是將由Webcam 所傳遞過
來的 RGB 影像格式的資料轉換成灰階資料型態，再將灰階轉換為二值化影像，而在此
模塊雖然標示著可以自動調整閾值，但在實驗過程中學生發現，在同一環境下所培養出 來的草履蟲，會因為時間上的改變，造成水質能見度的不同，以及草履蟲大小上的改變，
為了能夠更精確的追蹤出草履蟲，所以本研究放棄了自動調整二值化閾值，改由手動調 整，圖3-10 為二值化模塊內部的設定，圈選的部分則為手動調整閾值的部分。
圖3- 10 二值化模塊設定
之後再經過 NOT 邏輯閘的反轉以及型態學閉合運算。而一般在過濾雜點時通常是
用斷開運算，也可是物體變平滑。但在這之前我們有做過一次反轉，又加上形態學擁有 交換律的規則，所以在此處我們則是需要用到閉合運算。本研究所使用的遮罩 (Mask，
即一個 M-by-N 的矩陣)為 disk，大小為 5*5 的矩陣大小，圖 3-11 為遮罩的示意圖。圖 3-12 為 Closing 模塊的設定。
圖3- 11 Disk 遮罩示意圖
圖3- 12 Closing 模塊設定
Bounding box(目標物上下左右四點的位置)，Bounding box 即為我們所輸出的 BBox，
BBox 為一個 4-by-N 的輸出，即為我們所過濾出來的目標物，上下左右四個頂點。而在 Label(標記)，我們選用八連通標記法(8-connected)。而在 Maximum number of blobs 的 設定內，是讓我們選擇可以追蹤的最大數量，在測試方面我們是設定最大數量為兩個。
Specify minimum/maximum blob area in pixels 則是讓我們設定兩個面積的閾值，以用來 過濾較大與較小的雜點。Fill values 是當我們所偵測出來的目標物，中間若是有少許的 空缺時，則會依照我們所設定的值將其填補滿。
圖3- 13 Blob Analysis 模塊設定
圖 3-14 為整個影像處理模塊的程式圖，此程式段，則是把上述的模塊加以連結在 一起。而下面會介紹我們所用到的所有模塊功能。
圖3- 14 影像處理區塊
程式區塊說明：
：Color Space Conversion，色彩空間轉換，將 RGB 格式轉換成灰階型態。
：Autothreshold，二值化轉換，將灰階轉換成二值化格式。
：Logical Operator，Not 邏輯閘，將白色背景轉為黑色背景，而目標物則相反，可 幫助研究人員更清楚的觀察。
：Closing，型態學閉合運算，可將一些較明顯的雜點過濾掉。
：Blob Analysis，可計算出面積、重心座標、數量以及目標物的四個頂點，
並可在內部設置兩閾值，以消除較大與較小的雜點。
3-2-3 面積計算
圖3-15 為整個面積計算模塊的程式。X-pixel 與 Y-pixel 為目前所輸入的每個 Frame 大小，本研究是在320pixel*240pixel 的環境下所進行，但考慮到每位人員在研究上會有
所不同的需求，因此把它獨立出來，讓研究人員當有需要到不同Frame 大小時，則只需
更改這部分，即可自動算出每個 Pixel 所對應的公分大小。18.5 與 13.65 是使用擁有公 制刻度的鐵尺所量測出來的(圖 3-16)，將目前 Frame 的大小與公制鐵尺所量測出來的範 圍相除，則可計算出1 個 Pixel 所對應出來的 X-Y 長度，再將 X-Y 長度相乘，就可對應 出每個Pixel 所對應出的平方公分，最後會將轉換好的單位面積大小顯示在 Area cm 模 塊上。
圖3- 15 面積計算區塊
圖3- 16 Webcam 所拍攝的範圍
下圖 3-17 為一般市售的微量尺在本實驗所製作的 Webcam 顯微鏡下觀測的結果，
其長度為 0.1cm，但由於本實驗所用的 Webcam 顯微鏡的可視範圍比微量尺的長度還要 寬，因此再搭配一般市面上所能購買到的一般精確度有到公厘的尺規，兩者搭配使用圖 3-18，左圖為 X 軸右圖為 Y 軸，量測出的範圍為 0.202cm 與 0.15cm，而放大倍率大約 為放大了五倍。
圖3- 18 Webcam 顯微鏡下的鐵尺
3-2-4 對原始影像加入註解
此區塊是為方便研究人員的觀察，所特別設計的，首先是將之前所計算出來目標物 的四個頂點加入框框與以圈選出來，圖3-19 為 Draw Shapes 模塊內部設定，Value(S)為 設定框框的顏色，所對應的參數[1 2 3]分別對應的為[R G B]。而 Insert Text 則是把前一
個模塊所算出來目標物的數量標示在畫面的左上角，圖3-20 為模塊內部設定，學生在
此設定的變數為%d，可接收的資料為 8 、16、32-bit signed/unsigned integer，而 Color value 是字型的顏色，所對應的參數[X Y Z]分別對應的為[R G B]。
圖3- 19 Draw Shapes 模塊設定
圖3-21 為原始影像與標示註記過後的影像示意圖。整體的程式為圖 3-22。此區塊 的功能是將計算出來的目標物，標示在圖片的左上方，並把目標物圈選出來。
圖3- 21 影像註解示意圖
圖3- 22 對原始影像加入註解區塊
程式區塊說明：
：Draw Shapes，將之前的模塊所計算出目標物上下左右四個頂點，加 入框框圈選出來。
：Insert Text，將所算出的數量標示在畫面的左上方。
3-2-5 速度計算及軌跡紀錄
此區塊主要是在計算出目標物的速度，並將軌跡及時的繪製出來。首先由 Blob
Analysis 所傳遞過來的訊號為 2-by-N 的矩陣，N 為目標物的數量，由於在 Simulink 繪圖 的模塊(XY Graph)只能接受兩個數值(scalar)的輸入，這兩個數值分別為 X 與 Y，極為只 接受2-by-1 的矩陣，因此必須先把 2-by-N 矩陣轉為 2-by-1 的矩陣才能進行繪製的動作，
所以當訊號進入時，本研究使用區塊Multiport Selector 將 2-by-N 矩陣轉為 2-by-1 矩陣，
圖3-23 為 Multiport Selector 模塊內部的設定，在 Select 設定為 Columns(行)，而在 Output 則設為第一行輸出、第二行輸出至第N 行輸出，圖 3-24 為 Multiport Selector 輸出示意 圖，而在測試階段只對兩個目標物做追蹤，因此Multiport Selector 只有兩個輸出，若是 要做多個目標則在鍵入{[1],[2]……[N]}。
圖3- 23 Multiport Selector 模塊設定
圖3- 24 Multiport Selector 輸出示意圖
To File(及速度計算與軌跡紀錄區塊的Centroid1/2)模塊並不接受矩陣形式的輸入，因 此需將Multiport Selector所傳遞過來的矩陣型態轉換成向量的型態，才可做儲存的動作，
圖3-25為Data Type Conversion模塊的內部設定。
圖3- 25 Data Type Conversion 模塊設定
為計算草履蟲速度學生使用公式(3.1)，先計算出目前重心座標與前一個重心座標的 距離，在與兩種心座標訊號的時間差相除，則可計算出目標物的速度，計算出的速度單 位為Cm2/S。時間差的讀取，是使用Probe模塊來讀取，圖3-26為模塊內部的設定，輸出 的時間資料格式為，雙精確度浮點數(double)。
X X Y Y
∆T ……… ……….公式(3.1)
X1,Y1：目標物之前的重心座標。
X2,Y2：目標物現在的中心座標。
∆T：目前的重心座標與之前的重心座標時間差。
圖3- 26 Probe 模塊設定
速度計算及軌跡紀錄區塊，主要是在計算出目標物的速度，並將軌跡及時的繪製出 來，如圖3-27 所示，下面會介紹我們所用到的所有模塊功能。
程式區塊說明：
：Multiport Selector，對輸入訊號，以行或列的方式選擇輸出。
：Data Type Conversion，轉變輸入訊號的資料格式。
：To File，將資料寫入檔案。
：Math Function，對輸入訊號做開根號。
：Probe，讀取兩訊號間的時間差。
：Product，對輸入訊號做相除。