雷射掃描影像

由於在本系統中，基本上人體姿勢辨識所需的資料來源為雷射掃描影 像，因此本節將針對雷射測距儀的應用範圍、原理特性、以及雷射掃描影 像的產生方式進行探討。

2.2.1 雷射測距儀的應用

自從雷射測距儀被發明之後，由於其距離量測的準確度比聲納要來的 好[14]，許多原本應用聲納完成的工作，都漸漸使用雷射測距儀來完成。

以下將針對當前應用雷射測距儀來完成的作業，分別進行介紹：

1. 逆向工程

在逆向工程領域內，常需要得知物體的 3D 模型，替未來的物體建 構使用，而雷射測距儀準確度高的特性，使之在逆向工程領域內 有著不小的地位。使用雷射測距儀進行逆向工程的研究在 1992 年 就已經提出，主要是掃描出物體表面的圖形，並用在工具或物體 的完整度檢查[15]，而隨著時代的遷移，研究者也已經可以使用雷 射測距儀重建出物體表面更細部的圖形，並應用在 IC 電路的重建 方面[16]，甚至是用來偵測海床的地形[17]。然而除了重建出物體 表面的模型外，也有研究者利用雷射測距儀來重建出物體的 3D 模 型，使該物體可以在電腦中進行模擬。如[18]文章所示，研究者使 用了雷射測距儀，重建出汞的 3D 模型，並對此模型進行液體壓力 與液體流速的模擬。

2. 地圖建構

在地圖建構的領域內，研究者利用雷射測距儀取得環境的深度資 訊並進行處理後，成為可供機器人行動參考用的簡略地圖。如[19]

是利用雷射測距儀取得環境深度資訊後，使用 2D 霍夫轉換與 3D 霍夫轉換，將場景的簡略地圖重建出來，另外在[20]中，則是更進 一步的把雷射測距儀取得的資訊，用在自動車輛的導航方面。

3. 物體辨識與追蹤

在物體辨識的領域內，研究者主要使用雷射測距儀取得的雷射掃 描影像，辨識出該影像所代表的物體。由於用雷射掃描機構掃描 物體後取得的影像為包含該物體的距離資訊，因此只要再搭配利 用物體的距離資訊作辨識的演算法[21]，即可辨識出被掃描的未知 物體。另外在物體追蹤的方面，也有研究者利用雷射測距儀取得 的資訊，追蹤掃描環境內移動的人體或是物體，以在擁擠的環境 下可以追蹤到特定的目標物[22]。

本文提出的人體跌倒偵測系統，較偏向於物體辨識的領域，然而考慮 到物體辨識使用到的演算法很多都相當繁雜，因此本文提出一套只適用於 跌倒偵測的演算法，以降低系統的運作時間。

2.2.2 雷射測距儀特性簡介

雷射測距儀的測距原理與雷達相同，是藉由計算雷射脈衝從測距儀發 射出去，到接觸物體後反射回測距儀所經過的時間，推算出該物體與測距 儀之間的距離[23]。而由於雷射脈衝本身是一種經震盪增幅過的可見光，

因此在接觸到黑色物體時其能量將幾乎被吸收殆盡，所以雷射測距儀無法 對黑色物體進行量測，另外若雷射打到會反光的物體，如鏡子與拋光的金 屬物體等，將會被該物體反射到別的地方，導致量測距離不正確或是無法 量測的狀況，因此在利用雷射測距儀進行量測時，應避免黑色與會反光的

物體。本文使用圖 2-7 的 Hokuyo URG-04LX 雷射測距儀進行實驗。

圖 2-7 Hokuyo URG-04LX 雷射測距儀

2.2.3 雷射掃描影像

在上一節中介紹的雷射測距儀，其取得的資料為一條直線上的距離資 訊，並非一整個平面的距離資訊，然而若微調雷射測距儀的高度或是掃描 俯角，並將不同高度或是俯角下取得的距離資訊組合在一起的話，即可以 取得一整個平面的距離資訊。當使用雷射測距儀掃描一整個平面時，將會 產生一筆矩陣資料，矩陣的大小代表掃描的平面範圍，而矩陣內各元素的 數值則表示該點與雷射測距儀的距離值，數值越大，代表該點離雷射測距 儀越遠，反之若數值越小，則代表該點離雷射測距儀越近。而把該矩陣各 元素的數值大小改用顏色深淺來表示後，即產生出雷射掃描影像。

由上述的文章描述可知，雷射掃描影像表示的是一整個平面的距離資 訊，加上各點之間的角度或距離可由掃描機構得知，因此比一般可見光影 像與熱紅外線影像容易重建掃描環境的 3D 模型。圖 2-8 為典型的雷射掃 描影像。

(a)

(b)

圖 2-8 雷射掃描影像(a)及其深度的資訊(b)