穿戴式互動展演創新應用與姿態感測技術研究 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學資訊科學系 Department of Computer Science National Chengchi University 碩士論文 Master’s Thesis. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 穿戴式互動展演創新應用與姿態感測技術研究 Interactive Performance Using Wearable Devices: Body Skeleton Detection Technology and Innovative Applications n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. 研究生：蘇冠榮指導教授：蔡子傑. 中華民國一零五年一月 January 2016. v.

(2) 穿戴式互動展演創新應用與姿態感測技術研究 Interactive Performance Using Wearable Devices: Body Skeleton Detection Technology and Innovative Applications 研究生：蘇冠榮. Student：Guan-Rong Su. 指導教授：蔡子傑. Advisor：Tzu-Chieh Tsai. 國立政治大學資訊科學系. 學. ‧ 國. 立. 政治大. Nat. io. er. A Thesis. sit. y. ‧. 碩士論文. submitted to Department of Computer Science. n. al. iv. National C h Chengchi University Un. en chi. g of the Requirements in partial fulfillment for the degree of Master in Computer Science 中華民國一零五年一月 January 2016.

(3) 穿戴式互動展演創新應用與姿態感測技術研究摘要. 近年來人體姿態感測的技術與應用愈來愈熱門。許多電玩及電影大多. 政治大. 是藉由攝影鏡頭偵測人體姿態，但效果容易受到外在因素的影響，如陽. 立. 光、遮蔽物等，特別是用在舞台展演方面就不適合了。因此本篇論文希望. ‧ 國. 學. 設計穿戴式裝置來感測人體姿態，並結合新一代無線網路藍牙 4.0 做為數. ‧. 據傳輸方式，以進行即時互動展演。本論文研究開發以 Arduino 結合六軸. sit. y. Nat. 姿態感測器，設計此穿戴式裝置雛型。而實際在展場上表演，此裝置必需. er. io. n. al 具有一定的穩定性、可靠性且方便穿戴。本論文設計出的裝置與系統，已 iv Ch. n engchi U. 實際參與數場即時互動展演，並且供觀眾親自體驗，反應熱烈。未來期許能將此系統擴大應用於多人異地互動展演上、能有更大的擴充性、多樣的互動體驗。. 關鍵字：人體姿態感測、六軸感測、藍牙 4.0、Arduino、即時互動展演. i.

(4) Interactive Performance Using Wearable Devices: Body Skeleton Detection Technology and Innovative Applications Abstract Recently, human body skeleton detection technology and its applications are becoming more popular. Many computer games and movies detect human. 政治大 sun light or obstacles. Especially, this is not suitable for the applications on 立. body skeleton by cameras. However, the detection will be affected easily by. ‧ 國. 學. stage performance. The goal of this thesis is to design wearable devices to detect body skeleton and uses BLE 4.0 for data transmission to interactively. ‧. real time art perform. We put 6-axis motion detector on Arduino to develop the. sit. y. Nat. wearable device prototyping. These devices for performing in practice should. er. io. be stable, reliable and convenient for wearing or taking off. The devices and. n. system we developed have a been used in several realvtime interactive. i l C n U performances and for audiencehexperience. e n g c hIni the future, this system can be expanded to people performing in different locations and has better scalability and varieties of interactive experience.. Keywords: human body skeleton detection, 6-axis motion detector, BLE 4.0, Arduino, real time interactive performance. ii.

(5) 致謝辭. 感謝蔡子傑教授兩年多來不斷的提攜指導。從一開始討論研究方向、選定研究主題、到加入研究計畫，論文寫作。在這個過程中多次遇到瓶頸與困難時，教授都不厭其煩不斷的指點我，提出更多的可行性與研究空間，讓我能一步一步的解決問題，最終達成展演的目標，完成這份論文。謝謝蔡子傑教授。. 立. 政治大. 感謝口試委員周承復教授、吳曉光教授、陳伶志教授和江清泉教授能於百忙之中. ‧ 國. 學. 抽空前來，給我寶貴的建議和指導，使得論文能更加完整。感謝實驗室每一位同學，. ‧. 在學業上的分享指導與生活點滴的分享與陪伴。尤其要感謝我的研究夥伴鄭仲祐同學以及蔡育銓同學，在許多關鍵時刻一同努力，一同籌備多場展演及排練，也常常撥出. y. Nat. er. io. sit. 自己的時間外出採買零件。在許多研究瓶頸點，也常點出解決問題的關鍵。還要感謝數位內容學程的廖峻鋒教授、黃心健教授以及陶亞倫教授，提供了許多在展演上的支. n. al. Ch. i Un. v. 援，以及許多前來支援的同學，讓研究、測試及展演都能順利的完成，感謝多位教授及同學。. engchi. 感謝我的家人，在我讀書研究的這段期間，幫我料理家務照顧小孩。讓我能在沒有後顧之憂的狀況下做研究。更要感謝我的太太，常不分日夜和我一同進行測試，讓我多了一個研究夥伴，研究的進展能更加的順利。. 最後要感謝大家對我的提攜與照顧，祝福大家幸福快樂，謝謝大家。. iii.

(6) 目錄第一章. 簡介 ............................................................................................................................ 1. 1.1 背景 ............................................................................................................................. 1 1.2 動機 ............................................................................................................................. 1 1.3 目的 ............................................................................................................................. 3 第二章. 硬體評估 .................................................................................................................... 4. 2.1 Arduino 開發板 ............................................................................................................ 4. 政治大. 2.2 Raspberry Pi 樹莓派開發板 ........................................................................................ 6. 立. 2.3 低功耗藍牙 BLE 4.0 感測器...................................................................................... 7. ‧ 國. 學. 2.4 姿態感測器 ................................................................................................................. 9. 第三章. ‧. 2.5 電池 ........................................................................................................................... 10 系統架構與實作過程 .............................................................................................. 12. y. Nat. er. io. sit. 3.1 評估六軸姿態感測器可行性 ................................................................................... 12 3.2 資料傳輸方式從有線傳輸改為無線傳輸 ............................................................... 15. n. al. Ch. i Un. v. 3.3 連線中斷問題 ........................................................................................................... 20. engchi. 3.4 數據累計偏差問題 ................................................................................................... 21 3.5 製作展演裝置 ........................................................................................................... 26 第四章公開展演活動 ............................................................................................................ 34 4.1 政大八十八週年校慶展演 ........................................................................................ 34 4.2 2015 年台北數位藝術節 ........................................................................................... 35 4.3 2015 年頂尖大學計畫成果報告 ............................................................................... 38 4.4 2015 年台北松山菸廠一號倉庫展演 ....................................................................... 39 第五章. 結論與未來工作 ...................................................................................................... 41. iv.

(7) 5.1 結論 ........................................................................................................................... 41 5.2 未來工作 ................................................................................................................... 41 參考資料 .................................................................................................................................. 43. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. v. i Un. v.

(8) 表目錄表 1：Arduino 款式比較表 ...................................................................................................... 5 表 2：USB 型式藍牙接收器評估結果比較表 ....................................................................... 7 表 3：藍牙感測器模組比較表 ................................................................................................ 8 表 4：姿態感測器比較表 ...................................................................................................... 10. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. vi. i Un. v.

(9) 圖目錄圖 1：概念示意圖 .................................................................................................................... 2 圖 2：Arduino UNO 及 Arduino mega 實拍圖 ...................................................................... 4 圖 3：Arduino Nano 及 Arduino Lilypad 實拍圖 ................................................................... 4 圖 4：Raspberry Pi Model A+及 Model B+實拍圖 ................................................................ 7 圖 5：三款藍牙感測器 BLE mini、BLE Shield 及 MBTV4 實拍圖 .................................... 8 圖 6：9V 電池及 3.7V 鋰電池實拍圖 .................................................................................. 11. 政治大. 圖 7：12V 汽車電池實拍圖 .................................................................................................. 11. 立. 圖 8：六軸感測器姿態收集系統架構圖 .............................................................................. 12. ‧ 國. 學. 圖 9：六軸感測器姿態收集系統實拍圖 .............................................................................. 13. ‧. 圖 10：人體姿態感測收集系統架構圖 ................................................................................ 14 圖 11：人體姿態感測收集系統實拍圖 ................................................................................ 14. y. Nat. er. io. sit. 圖 12：六軸感測器姿態收集系統-無線傳輸版架構圖 ....................................................... 16 圖 13：六軸感測器姿態收集系統-無線傳輸版實拍圖 ...................................................... 16. n. al. Ch. i Un. v. 圖 14：人體姿態感測收集系統-無線傳輸版架構圖 ........................................................... 17. engchi. 圖 15：姿態感測系統無線傳輸版-人體實際穿戴實拍圖 ................................................... 18 圖 16：人體姿態感測收集系統-完整版架構圖 ................................................................... 18 圖 17：人體關節部位名稱圖 ................................................................................................ 19 圖 18：斷線重連機制設計圖 ................................................................................................ 20 圖 19：數值轉換修正機制架構圖 ........................................................................................ 22 圖 20：測試者擺出一鍵修正姿態實拍圖 ............................................................................ 23 圖 21：修正後實測動作實拍圖第一部份 ............................................................................ 24 圖 22：修正後實測動作實拍圖第二部份 ............................................................................ 25. vii.

(10) 圖 23：1 比 1 電路圖與零件試擺放實拍圖 ......................................................................... 26 圖 24：焊接完成的電路板、電池擺放示意圖及六軸感測器實拍圖 ................................ 27 圖 25：開關線路示意圖及裝置尚未裝入盒內的裝置實拍圖 ............................................ 28 圖 26：將電路板置於盒內的照片及將裝置穿戴於人體的實拍圖 .................................... 28 圖 27：表演者身穿感測器實拍圖 ........................................................................................ 29 圖 28：舞者操控大象鼻子及操控大象向右走動實拍圖 .................................................... 30 圖 29：舞者操控大象揮動手腕發射泡泡實拍圖 ................................................................ 30. 政治大. 圖 30：舞者雙手操控鐵鍊實拍圖 ........................................................................................ 31. 立. 圖 31：鋰電池充電板實拍圖 ................................................................................................ 31. ‧ 國. 學. 圖 32：微星電競筆電電源供應器變壓器規格實拍圖 ........................................................ 32 圖 33：150W 電源供應模組及與汽車電池組成的電源供應設備實拍圖 ......................... 32. ‧. 圖 34：兩款汽車電池充電器實拍圖 .................................................................................... 33. Nat. sit. y. 圖 35：政大八十八週年校慶未來馬戲團演出活動宣傳照 ................................................ 34. n. al. er. io. 圖 36：觀眾體驗區活動進行過程實拍圖 ............................................................................ 35. i Un. v. 圖 37：2015 年台北數位藝術節測試實拍圖 ....................................................................... 36. Ch. engchi. 圖 38：2015 台北數位藝術節部份演出內容實拍圖 ........................................................... 37 圖 39：2015 年頂尖大學計畫實際展示實拍圖一 ............................................................... 38 圖 40：2015 年頂尖大學計畫實際展示圖二 ....................................................................... 39 圖 41：2015 年台北松山菸廠『出夢入夢』展演過程實拍圖 ........................................... 40. viii.

(11) 第一章簡介. 1.1 背景. 政治大置，如美國蘋果公司研發出 Apple Watch，美國谷歌公司研發出 Google Glasses 等等。立近年來穿戴式裝置議題非常的熱門，許多知名企業也紛紛研發出各式穿戴式裝. ‧ 國. 學. 穿戴式裝置的特色在於，在裝置上注入新型式的科技元素，使得穿戴者能獲得有別於以往不同的體驗。例如傳統的眼鏡，只是用來矯正視力，而 Google Glasses 則是一個. ‧. 與一般眼鏡非常不同的數位科技裝置，它能用來拍照、取得各式資訊、還能透過眼鏡. sit. y. Nat. 玩起虛擬實境遊戲。在許多大型展演活動或演唱會中，也常能看到有別以往的表演型. io. er. 態，例如在某些表演上，可能看到藉由在舞者身上，穿戴上感測裝置，如姿態感測器、. al. iv n C hengchi U 繪製出 3D 動畫虛擬角色，再將虛擬角色畫面投影到表演布幕上，產生有別於過去以 n. 無線感測器等，將感測出的資訊透過無線感測器傳輸至主控台電腦上整合處理，計算. 舞者為主的表演效果，更進而營造出舞台上實體演員與投影布幕上虛擬角色共同演出的虛實整合效果。例如由同時身為新媒體藝術家與政治大學教授的黃心健[1]教授的許多演出中即常看到這樣的效果。. 1.2 動機虛實整合的表演方式，相較於以往的表演方式，顯得相當的新穎。藉由讓舞者配戴穿戴式裝置來偵測表演者的姿態，即可做出這樣的演出。這類的穿戴式裝置也因此. 1.

(12) 顯的相對重要。舒適方便的裝置，能讓使用者更願意穿戴，裝置的效果愈好，愈能使得演出效果愈符合預期的標準。目前在市面上，Xsens 公司製作的 MVN[2]動態補捉系統有相當好的效果。但其為封閉式系統研究者無法任意於既有系統中，加入其他感測器，以擴充出更多功能，且售價超過百萬非常昂貴難以普及讓更多人擁有。在穿戴方便性上，由於感測器是縫製在一件貼身的連身服上，所以穿戴者僅只能穿著較薄較少的衣物，以穿上 MVN 連身服，穿戴上並不方便。且會因為使用者體型不同而造成無法穿戴的問題，如幼童或身材更為高大成人。再來是 MVN 感測連身服上的感測器之間是. 政治大. 以實體線路連接在一起，感測節點受限於實體線路連接的關係，因而無法脫離穿戴者. 立. 本身。綜合以上種種因素，因而希望自行研發出另一套系統。系統為開發式平台，方. ‧ 國. 學. 便實驗，可由開發者發揮創意，任意加入其他感測器做測試。也希望成本及費用可以非常低廉，可以在有限的經費下進行開發測試。也希望穿戴方式更為方便，讓每一個. ‧. 感測點皆為獨立的感測點，不需以實體線路連接，讓各類體型的使用者皆能穿戴。甚. Nat. sit. y. 至因為感測點沒有與其他感測點有實體線路連接的關係，進而在表演應用上，能有更. n. al. er. io. 豐富的應用面，例如，不同的表演者能互相交換身上的感測點。. Ch. engchi. i Un. 圖 1：概念示意圖. 2. v.

(13) 1.3 目的本篇論文的目的，希望在這次研究開發出的感測裝置，能夠在舞台上參與演出。但演出者對設備品質有相當程度的要求。為了能達成參與演出的目標，就必需讓演出者接受、願意使用這次研發出的穿戴式裝置，因此訂定了下列 5 個目標： 1.方便穿戴：製作出無線式的穿戴式裝置，能夠方便快速穿戴脫下，能夠適合不同身材的人穿戴，不會因身材大小不同而導致無法穿戴。. 政治大. 2.低耗電量：由於此套系統需在身上長時間使用，所以需能長時間連續運作不需中斷. 立. 充電，至少能足夠一次即時展演演出的時間。在本次研究中，設定目標為 4 小時。. ‧ 國. 學. 3.系統穩定：系統能持續長時間運作，不會因為無線訊號干擾而導致系統中斷需重新開機。一場演出從穿戴、測試到正式演出會經歷數小時時間。因此將裝置穿上身上後，. ‧. 至少要能足夠運行數小時不需要重新開機。在本次研究中，設定目標為 4 小時。. y. Nat. sit. 4.修正方便：因長時間運行，而累積的偏差數值，需能在極短時間內，迅速且方便的. n. al. er. io. 歸零修正完成，不能影響到舞台上的舞者。在本次研究中，設定目標為 5 秒。. i Un. v. 5.更新率高：每秒的更新速率需能達到 30 次以上，讓投影出的動畫看起來流暢自然。. Ch. engchi. 3.

(14) 第二章硬體評估由於此次研究的最終目的是要製作出穿戴式裝置實體，因此硬體相關的評估相當重要，在這次研究剛開始時，硬體評估花費了相當多的時間。下面列出了在本次研究中所評估過的重要硬體裝置。. 立. 2.1 Arduino 開發板. 政治大. ‧ 國. 學. Arduino 是非常方便好用的開發板，從硬體線路、程式庫，均為公開的，在設計. ‧. 上，有許多擴充腳位，藉由這些擴充接腳，就能加入其他的感測器擴充系統的功能。. y. sit. Nat. 這樣的開發板，符合我們對於公開、方便擴充的需求。. io. n. al. er. Arduino 開發板有相當多的型號，如 UNO[3]、Mega[4]、Nano[5]、Lilypad[6]等。. Ch. engchi. i Un. v. 圖 2：Arduino UNO 及 Arduino mega 實拍圖. 圖 3：Arduino Nano 及 Arduino Lilypad 實拍圖各型號規格及價格略有差異，主要考量的重點在於：體積尺寸、輸入電壓、CPU 4.

(15) 時脈、記憶體容量。在這次研究中做了評估後，列出了以下的比較表。表 1：Arduino 款式比較表. UNO. 體積尺寸. 輸入. CPU 時. 快閃記. (公分). 電壓. 脈. (V) 7-12. 6.8 x 5.3. 供電方式. 零售價. 評估結. 憶體容. (新台. 果. (MHz). 量(KB). 幣). 16. 32. 9V 電池. 90. 初版使用. Mega. 10.1 x 5.3. 7-12. Nano. 4.5 x 1.8. 7-12. 170. 不採用. 70. 最終縮. 位供電. 小版使. 5.5 x 5.5. 3.8-5. 8. 32. ‧. ‧ 國. 學. Lilypad. 立. 9V 電池 256 政治大由 GPIO 腳 16 16 16. 3.7V 電池. 用 180. 不採用. sit. y. Nat. 評估過後，決定在實驗初期先使用 Arduino UNO，因為供電方式直接使用 9V 電. n. al. er. io. 池盒就可以直接供電，9V 電池為相當普及的電池，在一般商店就能買到了，且尺寸較. v. Mega 小，CPU 規格相同，而記憶體容量也夠用，因為決定初期先使用 Uno 來開發。. Ch. engchi. i Un. 後期則因為縮小化需求，需以體積為優先考量，Nano 的體積相對其他型號小，在供電方面，Nano 供電方式能透過 GPIO 腳位來做供電，也優於 lilypad。而其他規格也足夠使用，所以最後期則採用 Nano。在 Nano 供電方面由於縮小化的需求，若照規格上所標示的做法，要提供 5V 電壓，勢必得經由串聯電池，或經過升壓電路板升壓，才能達到規格的要求，為了縮小化體積的考量，得再多做思考與評估，雖然 Nano 的規格說明了運作電壓為 5V，輸入電壓建議值為 7-12V，但為了縮小化，必需再次確認，是否真的就如同規格所述的，只能依規定值或建議值輸入電壓。於是開始思考，為何 Arduino 官網會訂定這樣的規格？是不是因為 Nano 上的晶片需要這樣的電壓才能運作？有這這些疑問後，決定更深入. 5.

(16) 了解 Nano，詳閱規格後，得知 Nano 上的微處理器為 Atmel 公司的 ATmega328P，而 ATmega328P 規格[7]上有標示了運作電壓為 1.8V 至 5.5V。所以可以得知 ATmega328P 的運作電壓是介於 1.8V 至 5.5V，那麼輸入低於 Nano 所標示的電壓，Nano 也是有可能可以運作。但確切的輸入電壓應輸入多少才可以使 Nano 及其上的感測器運作？1.8V 夠不夠，3V 夠不夠？這時則再考量到 Nano 上所接的感測器用電需求，由於感測器皆是透過 Nano 的 3.3V 電源輸出腳位來供電，因此大膽推測，只要輸入高於 3.3V 的電壓，就可以使 Nano 及接在上面的感測器運作。這時候 3.7V 的鋰電池就是最佳的選擇，. 政治大. 體積很小，又不需經額外升壓，即可直接對 Nano 供電。經由實際測試驗證，發現確. 立. 實可行，於是在縮小化後的裝置供電部份，就會使用 3.7V 的鋰電池。. ‧ 國. 學 ‧. 2.2 Raspberry Pi 樹莓派開發板. Nat. sit. y. Raspberry Pi[8]中文名稱為樹莓派，能夠安裝簡易版本的 linux，且有數個 USB 介. n. al. er. io. 面，尺寸面積和一張信用卡相當。我們計畫由 Raspberry Pi 當做數據轉接中心，負責. i Un. v. 收集使用者身上數個 Arduino 透過藍牙所傳送出來的姿態資料，整合出人體姿態資料. Ch. engchi. 傳送到訊息交換中心供其他系統存取使用。. Raspberry Pi 主要有兩個型號，Model A+與 Model B+，Model B+相較於 Model A+ 而言，Model B+有 4 個 USB 介面，因為我們需要外接多個藍牙 USB Dongle，於是我們決定採用 Model B+。. 6.

(17) 圖 4：Raspberry Pi Model A+及 Model B+實拍圖. 政治大 2.3 低功耗藍牙 BLE 4.0 立感測器. ‧ 國. 學. 低功耗藍牙 BLE 4.0 所耗用的電力相當的低，且裝置裝透過 BLE 4.0 連線，不需. ‧. 像過去的藍牙還需要配對。裝置間的連線更為方便快速，若遇到斷線問題，還能在極短的時間內重新建立連線，於是我們計畫採用 BLE 4.0 感測器來為我們的系統資料收. er. io. sit. y. Nat. 送資料。. 由於各款商品所採用的晶片不同，使用效果、特性也不一樣，此系統需依特性效. n. al. Ch. i Un. v. 果，來決定所要採用的款式。以下為所測試過款式的比較表。. engchi. 表 2：USB 型式藍牙接收器評估結果比較表商品名稱. 晶片商. 動畫流暢度. 評估結果. Esense D704. CSR. 差. 不採用. SEEHOT SBD-40. CSR. 差. 不採用. WED-210V4. Broadcom. 佳. 採用. 在使用數款藍牙 USB DONGLE 後，發現第三款產品傳輸速率較為優異，而使用前兩款產品時，動畫影像會有嚴重延遲的現象，因此決定採用第三款產品做為安裝在 pi 上面的藍牙 USB DONGLE。. 7.

(18) 再來是選擇 Arduino 所使用的藍牙模組，市面上有相當多款 BLE4.0 低功耗藍牙模組，如 RedBearLab[9] BLE mini、RedBearLab BLE Shield、上海移摩通 MBTV4。. 政治大圖 5：三款藍牙感測器立 BLE mini、BLE Shield 及 MBTV4 實拍圖. ‧ 國. 學. 每款的功能及特性皆有不同，我們系統需要的模組需能支援 Central role，又已內建 AT-指令以方便使用。因此評估試用了相當多款，才做出最後選用的款式。下表列. y. 晶片. io. n. al. Ch. AT-. Central. 指. role. 令. engchi. 零售單價. sit. 型號. 評估結果. er. Nat. 廠商名稱. 表 3：藍牙感測器模組比較表. ‧. 出所評估試用過的各個模組。. i Un. (台幣). v. RedBearLab mini. TI-CC2540. 無. 有. 800. 不採用. RedBearLab Shield. nRF8001. 無. 無. 700. 不採用. 有. 有. 150. 採用. 上海移摩通 MBTV4 TI-CC2540 訊技術. 在實驗初期，是使用 RedBearLab 公司的產品 Ble mini，雖然這款有支援 Central role，但並沒有內建 AT-指令，內建韌體指令不足，其他功能如偵測 rssi，就得自行開發。於是遍尋了多款藍牙模組，最終發現一款藍牙模組『MBTV4』，這款模組和 RedBearLab 的 mini 都是使用相同的晶片 TI CC2540[10]，但還內建了豐富的 AT-指令，. 8.

(19) 透過這些指令就能直接操控藍牙模組。再經由測試，發現每秒傳送次數最高可達 110 次，速率相當的快，而售價又低了數倍，約為 RedBearLab 產品的四分之一至五分之一，於是最終決定採用此款模組。. 2.4 姿態感測器透過感測器提供的數據得知人體的姿態，市面上這樣的感測器款式型號相當的. 政治大. 多，要做出選用哪一款的判斷前，分別就依各款規格了解與相互比較。主要評估的重. 立. 點在於功能與費用。. ‧ 國. 學. 在功能上，選用的感測器，一定要能偵測出姿態資料。由於人體的動作，主要是經由人體身上關節的轉動來達成，所以想知道人體的目前姿態為何，可經由收集人體. ‧. 主要關節的姿態數據，而得知目前人體的姿態為何。因此選用的感測器至少需要有內. sit. y. Nat. 建陀螺儀。. n. al. er. io. 在費用上，由於製作一套穿戴於人體身上的感測系統時，需同時於人體身上主要. i Un. v. 關節附近安置感測器，透過多個感測器偵測到的關節姿態資料，如頸部，腰部、膝關. Ch. engchi. 節、踝關節、肩膀、手腕等處，由多個關節的數據建構出完整的人體骨架模型。這套系統一次會需要安置多個姿態感測器，因此會在功能相似的條件下，依市售價格來決定選用的款式。最後由於 MPU6050[11]具有加速計及陀螺儀，並內建 DMP[11]能自動融合出姿態資料，無需再額外撰寫程式來推算人體姿態，功能上符合要求，市售價格又是相當的低廉，大約只需新台幣 50 元左右，因此決定採用 MPU6050 這款姿態感測器。並將評估數款感測器的結果整理如下表。. 9.

(20) 表 4：姿態感測器比較表廠商. 型號. 加. 陀指程式函. 售價. 評估結. 速. 螺南式庫. (台幣). 果. 計. 儀針. Sparkfun. LSM9DS0 有. 有有較少. 1000. 不採用. Adafruit. BNO055. 有. 有有較少. 1450. 不採用. InvenSense. MPU9250. 有. 有有較少. 600. 不採用. InvenSense. MPU6050. 50. 採用. 立. ‧. ‧ 國. 學. 2.5 電池. 有有治無豐富政大. 電池的使用，在開發的各個階段皆不相同，開發初期，由於開發板是採用 UNO，. sit. y. Nat. 所以電池是採用 9V 乾電池，最後期則因為縮小化的考量，希望使用體積較小的電池，. n. al. er. io. 所以評估相當多款電池。從體型最大的 1 號、2 號電池，到體型較小的 3 號、4 號電池，. v. 由於電壓不足，若經由串聯提高電壓，則一次需串聯至少 3 個電池，則可能需要再加. Ch. engchi. i Un. 上電池盒來裝電池，占用的空間會更大。若不使用串聯提升電壓，則需透過升壓電路來提升電壓，可節省空間，但因為從小電壓提升至較高電壓，再扣掉電壓轉換過程中的損失，電量變的更少。而 3.7V 的鋰電池相較之下不僅電壓足夠使用，不需額外的升壓電路或串聯電池導致還需使用額外的電池盒，在容量及款式上更有多種款式可以選擇，從 80mAh 到 1000mAh 以上都有，因此在最終縮小化後裝置使用的電池，決定使用 1 款容量為 300mAh 電壓為 3.7V 的鋰電池。. 10.

(21) 圖 6：9V 電池及 3.7V 鋰電池實拍圖另外在一些演出活動，因劇情設計的關係，讓玩家攜帶筆電一同移動遊玩，但筆電電池電量不足以供應一整天的演出使用，因此需額外準備行動電源供筆電使用，我. 政治大. 們選用的筆電功耗相當高，約 100 瓦以上，遍尋市面上的行動電源，大多無法提供足. 立. 夠的功率，能提供足夠功率的行動電源，費用又過於昂貴，不符合我們的預期低成本. ‧ 國. 學. 的要求，於是我們在筆電電源供應方面，選擇使用汽車電池。. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 7：12V 汽車電池實拍圖. 11.

(22) 第三章系統架構與實作過程. 3.1 評估六軸姿態感測器可行性. 政治大 MPU6050(三軸陀螺儀+三軸加速計)不斷的收集人體姿態資料，並透過 USB 傳輸線，立為了評估六軸感測器的可行性，以 Arduino uno 模組再加上六軸姿態感測器. ‧. ‧ 國. 學. 將 Arduino uno 上的資料傳輸到電腦，如下圖所示。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 8：六軸感測器姿態收集系統架構圖. 12.

(23) 政治大. 圖 9：六軸感測器姿態收集系統實拍圖. 立. 透過這個方式，在筆電上每秒約能收集到 100 至 110 次姿態資料，速率遠高於原. ‧ 國. 學. 先期望的每秒 30 次。每次感應到的數據為感測器偵測到 x 軸、y 軸、z 軸相對於原點的角度。於人體重要肢體關節附近安置感測器，同時間將多點的資料傳至筆電，即可. ‧. 知道這些節點的 3 軸目前的角度資料，進而得知人體的姿態。. Nat. sit. y. 再做進一步測試，一次安裝多個感測器，確定同時運作起來速率也沒問題。先於. n. al. er. io. 人體四肢各安裝一個感測器，每一個節點與腰部的 USB 集線器間以一條 USB 傳輸線. i Un. v. 連接。再於 USB 集線器上，透過一條 USB 傳輸線，與做為資料收集中心的筆電連接。設計架構如下圖所示。. Ch. engchi. 13.

(24) 立. 政治大. 圖 10：人體姿態感測收集系統架構圖. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 11：人體姿態感測收集系統實拍圖同時在身上穿戴了四個感測器，在筆電上收集到的四個感測器的偵測速率依然維持在每秒 100 次至 110 次，正確性也無誤，符合設定標準，因此確定以六軸感測器做為姿態偵測是沒有問題的。. 14.

(25) 3.2 資料傳輸方式從有線傳輸改為無線傳輸前一階段由於還在評估階段，所以資料傳輸方式先採用有線傳輸，確認可行後，就開始進一步的改良。首先將傳輸方式，由有線傳輸改為無線傳輸。無線傳輸方式有許多種，包括 WIFI、藍牙、紅外線等等。在選擇上，我們考量了五個特性：重量體積、功耗、傳輸遮蔽性、. 政治大. 傳輸速率、傳輸距離。因為穿戴在人體身上的裝置為了人體的舒適感需強調輕薄短小，. 立. 但又要功能強大，因此重量體積是相當重要的考量，而功耗又與重量體積成正相關，. ‧ 國. 學. 功耗愈大，則需使用愈大容量的電池，進而造成重量體積變大。因此 WIFI 雖然傳輸速率最快，但由於耗電量也是最大，相較起來並不適合用於人體穿戴式裝置上。而紅. ‧. 外線雖雖然耗電量相當的低，但由於光通訊技術易受障礙物遮蔽導致傳輸中斷，因此. Nat. sit. y. 也不適合我們選用。而藍牙功率遠低於 WIFI、又不易受障礙物遮蔽導致傳輸中斷，相. n. al. er. io. 較之下，就成為我們優先考慮的選擇了。. i Un. v. 我們更進一步考量了藍牙的傳輸距離及傳輸速率，發現，傳輸距離及傳輸速率，. Ch. engchi. 均能滿足我們的對展演需求所要求的水準。. 而藍牙的諸多版本中，以藍牙 4.0[12]來說，傳輸距離可達 50 公尺，傳輸速率能達每秒 1Mbps，在展演場地內，50 公尺已涵蓋了人體感測節點與主控中心的訊號接收器間的距離，傳輸速率每秒 1Mbps 也高於我們的需求，為求畫面上的動作看起來流暢，我們希望每一個節點每秒能傳送出 30 次以上的 x、y、z 三軸姿態資料，每一個軸以 16 個位元表示，三個軸的姿態只需 48 個位元即可表示，每一秒傳送 30 次，合計 1 秒只需 1440 位元，遠低於規格中的 1Mbps。且藍牙 4.0 還強調低功耗、連接不需配對，因為這些諸多優點，我們決定選用藍牙 4.0，作為資料傳輸方式。系統分為主端與從端兩部份，兩端均需各自安裝一個藍牙 4.0 感測器。以 Arduino 15.

(26) 為從端，而數據收集中心樹莓派為主端。由做為主端的樹莓派向做為從端的 Arduino 發出建立連線請求，建立連線後，由做為從端的 Arduino 對樹莓派不斷的傳送 3 軸姿態資料。系統設計如下圖。. 立. 政治大. ‧ 國. 學. 圖 12：六軸感測器姿態收集系統-無線傳輸版架構圖. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 13：六軸感測器姿態收集系統-無線傳輸版實拍圖人體穿戴的 Arduino 每一次收到的資料為表示三個軸的轉動角度資料，數值範圍介於正負 180 之間，Arduino 再將這三個資料加上 360，使得產生的數值皆為正整數，並以 16 個位元來表示一個軸的轉動角度資料，48 個位元為一筆表示三個軸的轉動角. 16.

(27) 度資料。再使用藍牙感測器傳出這一筆姿態資料。在 Arduino 的姿態資料傳出頻率方面，由於 Arduino 每秒可從 MPU6050 收到 110 次，但為了減低頻寬的使用量，又因為要使動畫看起來流暢，每秒的傳輸率還是必需高於 30 次。為了同時符合這兩個條件，所以在 Arduino 程式中做了控制，將程式設計為每收到 3 筆資料，才傳送出 1 筆姿態資料，如此就可將姿態資料傳出頻率控制在每秒 37 次左右，每 1 次傳出 48 個位元，換算為每秒傳輸量則為 1776 個位元，傳輸速率同時符合每秒高於 30 次及降低傳輸量的兩項標準。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 14：人體姿態感測收集系統-無線傳輸版架構圖與前一版雛型差異在於這一版著重在資料傳輸無線化，設計在身上裝置了少 USB 線和 USB 傳輸線。穿戴於人體上的實際照片：. 17.

(28) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 sit. y. Nat. 圖 15：姿態感測系統無線傳輸版-人體實際穿戴實拍圖. io. er. 樹莓派收集身體各節點數據後，透過網路線，將資料傳送到負責顯示資料的 PC. al. v. n. 上，再由 PC 上的 UNITY 動畫程式，依所收到的各節點三軸資料，繪製成人體骨架動. i n C U hengchi 畫並呈現在螢幕上。架構如下圖所示. 圖 16：人體姿態感測收集系統-完整版架構圖. 18.

(29) 樹莓派系統在開始接收 Arduino 資料前，需預先設定要感測的所有節點的資料，包含這個節點所要表示的人體部位名稱以及負責傳送這個節點的藍牙感測器代號。如此才能在每一次收到資料後，依據這筆資料傳送者的藍牙裝置代號，得知這是表示哪一個人體部位的資料。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 er. io. sit. y. Nat. n. al. iv n C 圖 17：人體關節部位名稱圖 hengchi U. 在樹莓派資料傳出方面，由於樹莓派上的藍牙接收器會在不同的時間點，分別收到許多人體節點所傳來的資料，沒有固定的順序與頻率，因此樹莓派必需收集彙整資料，再定時將整理好的資料傳輸出去。由於動畫品質的要求，所以輸出頻率設計為每秒 30 次，也就是每隔 0.033 秒傳送一次，每次會傳出所有節點的三軸資料。在樹莓派上，會以一個列表記錄所有的節點，並記錄每個節點最新的姿態資料，只要收到資料，就更新該節點的姿態資料。在無窮迴圈中，不斷的更新每個節點的姿態資料，並每隔 0.033 秒，將所以節點的姿態資料，傳送出去。資料的格式表示法，是以 JSON(JavaScript Object Notation)[13]格式來表示。例如傳送一個節點的資料. 19.

(30) 字串會是{“RightHand“: {x:50, y:60, z:70}}，傳送兩個節點的資料字串則是 {“RightHand“: {x:50, y:60, z:70}, “LeftHand“:{x:50, y:60, z:70}}，更多的節點則以此類推。. 3.3 連線中斷問題由於無線訊號容易受外在因素的干擾而導致連線中斷，若無法在最短時間內即時. 政治大. 恢復連線，會使得在螢幕上呈現出來的動畫看起來不流暢，甚至是造成無法感測到人. 立. 體節點動作，嚴重影響品質。因此，系統得在最短時間內自動回復連線。過去的藍牙. ‧ 國. 學. 版本的連線是需要配對，但藍牙 4.0 版本不需要配點，在建立連線的過程中，能更節省時間。為了解決斷線問題，我們在數據整合中心『樹莓派』上的資料接收程式上，. ‧. 加入了自動重新連線的機制。. Nat. sit. y. 接收程式在無窮迴圈中不斷的執行，當發現無法接收到新資料時，就累加無資料. n. al. er. io. 秒數，當累加的無資料秒數數字大於設於設定的斷線秒數，就判斷現在連線已中斷，. i Un. v. 於是呼叫重新連線程式，重新建立連線。為系統加上了自動重連機制後，就能不間斷. Ch. engchi. 的運作，就解決了連線中斷導致動畫中斷的問題。設計如下圖所示。. 圖 18：斷線重連機制設計圖. 20.

(31) 3.4 數據累計偏差問題感測器在不斷運作的狀況下，數據會漸漸的偏差掉，會使數據與真實姿態有所偏差，導致顯示在螢幕上的骨架姿態與真實人體姿態產生偏差不一致的狀況，於是得發展一個數值轉換修正方式將累計偏差問題解決掉。當偏差問題過於嚴重時，可以將數據修正回正確的值。於是我們發展出一個修正方式。當系統監控人員發現數據已嚴重. 政治大. 偏差到需要修正的狀況時，可以使用這個方式將偏差值修正回來。. 立 A12. A13   X w   B w  A23    X p    B p  A33   X r   B r . A22 A32. ‧. Yw   A11 公式二： Y p    A21 Yr   A31. 學. ‧ 國. 公式一： Y  A  X  B. sit. y. Nat. 公式一說明：Y 為舞者實際的姿態。X 則為感測器現在偵測出的姿態數值。由兩項已. io. er. 知參數來推算出 A 及 B 兩個修正參數。. al. iv n C hengchi U 位矩陣時，則 B 為 Y 減 X。以此修正方法均能將偏差值修正歸零。 n. 公式二說明：Y 與 X 均為一個含有 yaw、pitch、roll 三項姿態數值的矩陣，當 A 為單. 在修正前，穿戴感測器的舞者必需先擺出修正姿態，並維持姿態固定不動，系統監控人員在於控制介面將偏差姿態修正完畢，舞者才能繼續舞動。在開發初期，監控人員必需自行計算每個感測器的偏差數值，並逐一修正每個點，但實際測試發現，這樣的做法太花費時間，不符合現實需求，展演時舞者若在舞台上維持同一個姿態太久，可能會使觀眾感到異常，也會增加舞者的負擔。得改良為更方便的方式。於是我們進一步發展出更方便的修正方式，我們稱為『一鍵修正』，只需按下一個按鍵，系統即可自行進行修正工作。當監控人員認為系統需要修正時，就通知舞者，舞者即做出事前約定好的『修正姿態』，並維持不動，監控人員再於監控介面上按下『一. 21.

(32) 鍵修正』鈕，將修正指令傳送至樹莓派上，由樹莓派上的程式對每個感測感節點逐一計算出修正參數並修正每個節點，監控人員按完『一鍵修正』鈕後，只需在等待監控畫面上的人體骨架姿態與舞者的人體骨架姿態相符，就能得知修正動作已完畢。即可通知舞者修正程序已完成，可以繼續進行表演。整個修正機制如下圖所示. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 19：數值轉換修正機制架構圖當樹莓派收到修正指令後，會認為舞者的姿態已經為預設約定好的修正姿態，於是會將這個時間點所收到的姿態資料記錄下來，並與預設的修正姿態的預設資料相互比較，得出差異值，則為修正值。以右手節點”RightHand”為例說明如下：當系統剛始運作系統時，右手的節點姿態資料應為{“RightHand”: {x:0, y:0, z:0}}，並將此數據命名為原點數據，當感測器運作一段時間後數值產生偏差，系統監控者開始進行修正、使用者擺出修正姿態後，樹莓派收到了右手節點資料偏差成{“RightHand”: {x:50, y:-30, z:200}}，並將此數據命名為偏差數據。於是將原點數據與減掉偏差數據，即獲得. 22.

(33) {“RightHand”: {x:-50, y:30, z:-200}}，並將此數據命名為修正數據。並依此類推處理所有的節點，即可獲得所有節點的修正數據，完成修正程序。往後在每隔 0.033 秒要傳送人體姿態資料要傳輸人體姿態資料前，先將每個節點的姿態資料減掉修正數據，即可得到修正後數據，再將修正後數據傳送出去。當系統發展出這個方便的修正方式後，不僅在表演過程中可以迅速完成修正。連在系統啟動前，也可以快速的完成修正工作。大幅減少系統啟動時間，進而減少演出的準備時間，原本 1 個節點人工修正時間約需 30 秒，若全身有 14 個感測點，就需要. 政治大. 7 分鐘。若以新方法修正，只需短短約 2 至 4 秒即可完成修正。下面附上以此版本測. 立. 試時的數張照片。. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 20：測試者擺出一鍵修正姿態實拍圖. 23.

(34) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 21：修正後實測動作實拍圖第一部份. 24.

(35) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 22：修正後實測動作實拍圖第二部份. 25.

(36) 3.5 製作展演裝置前一階段雛型測試結果相當不錯，於是接著進行縮小化設計，準備做出一個於展演中使用的硬體。在電力供應方面，我們的裝置消耗功率大約為 0.1 瓦至 0.15 瓦，於是我們選用電壓 3.7V，容量為 0.3A 的鋰電池，評估電量足夠使用 7 至 11 個小時。其他零件方面，Arduino 選用 nano、藍牙選用 Ble4.0、姿態感測器選用 MPU6050。在主板版面設計上，左方放置 Arduino nano、右上方放置藍牙感測器，右下方設計 5. 政治大. 個孔位供拉線外接六軸感測器，正右方設計 2 個孔位接電池。主板設計的電路圖如下. 立. 數張圖所示：. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 23：1 比 1 電路圖與零件試擺放實拍圖. 26.

(37) 政治大. 圖 24：焊接完成的電路板、電池擺放示意圖及六軸感測器實拍圖. 立. 原本的設計並無開關設計，在需要使用感測器時，再將電池插入主板右方的電池. ‧ 國. 學. 插槽，由於縮小化的因素，所以主板上的電池插槽零件選用非常小的款式，由於插槽很小電池的拔插很不容易，得花費很多時間，使用上不方便。於是再擴充加入開關線. ‧. 路設計，使用一個開關控制，往上撥動則使得充電接頭與電池間通電，可以對電池充. Nat. n. sit er. io. al. y. 電。往下撥動，則能使 nano 與電池間通電就能開機。. Ch. engchi. 27. i Un. v.

(38) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 sit. y. Nat. 圖 25：開關線路示意圖及裝置尚未裝入盒內的裝置實拍圖. io. al. er. 再使用 3D 印表機，列印出用來放置感測器的容器，並以熱熔膠將電路板粘貼固. v. n. 定於盒內，並將開關拉出裝置外，以方便開關，充電線也拉出裝置外，以方便沒電的時候可以充電。. Ch. engchi. i Un. 圖 26：將電路板置於盒內的照片及將裝置穿戴於人體的實拍圖. 28.

(39) 接著實際請校外專業舞者穿戴我們所製作好的裝置，並觀察效果如何。下圖為實際穿戴在身上的照片。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 27：表演者身穿感測器實拍圖. 29.

(40) 照片中的的感測節點為黑色盒子，身上有帶 USB 傳輸線是另一套設備，用來讓偵測使用者在室內的位置的感測設備。經實際測試，電力供應足夠裝置可以連續不斷電的連續使用約 10 個小時左右，也因為電力足夠持續運作這麼久，所以我們在測試時，可以從早上一開機，就讓舞者穿上這套裝置，一直穿一整天 8 個小時以上。而不需要讓舞者為了充電而拆下裝置更換電池或裝置。其他方面，在姿態、修正功能及斷線自動重連機制等三方面，效果均與測試時一致。以下附上實際測試的照片。下圖是舞者以肢體操控大象的照片。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 sit. y. Nat. n. al. er. io. 圖 28：舞者操控大象鼻子及操控大象向右走動實拍圖. Ch. engchi. i Un. v. 圖 29：舞者操控大象揮動手腕發射泡泡實拍圖. 30.

(41) 圖 30：舞者雙手操控鐵鍊實拍圖. 政治大. 另外，由於為了替感測器所使用的鋰電池充電，需準備充電器，但市面上並無接. 立. 腳相同且充電電流較適合這款鋰電池可用的充電器，因此得自行製作充電器。材料直. ‧ 國. 學. 接購買現成的充電模組 TP4056[14]，並焊接於萬用電路板上。由於感測器數量相當多，. ‧. 超過 10 個，一次需要充電的鋰電池相當的多，因此以並聯供電的線路，將 7 個 TP4056 充電模組焊接於一塊電路板上，製作成出一塊充電電路板。能同時間一次為 7 個鋰電. y. Nat. n. er. io. al. sit. 池充電，能減低展演前的準備時間。. Ch. engchi. i Un. v. 圖 31：鋰電池充電板實拍圖另外為了因應特別場次表演的劇情安排，需特別為筆電準備行動供電方案。由於表演所選用的筆電款式耗電量較大，筆電原廠提供的電源供應器功率約為 150W，為 31.

(42) 了安全起見以及達到足夠的供電能力，提供的行動電源供電能力不能低於 150W，所以挑選湯淺公司型號為 55B24L 的汽車電池，其電壓為 12V，容量為 45AH/20HR，再透過功率為 150W 的升壓模組，將電流由 12V 轉換為 19.5V 為筆電供電，升壓模組上方需加上風扇為其散熱。. 立. 政治大. ‧ 國. 學. 圖 32：微星電競筆電電源供應器變壓器規格實拍圖. n. al. er. io. sit. Nat. V．I 即可計算得知功率為 19.5V 乘以 7.7A 為 150.15 瓦。. y. ‧. 如上圖所示，電源供應器上標示的輸出為 19.5V，7.7A，根據電功率公式[15]P =. Ch. engchi. i Un. v. 圖 33：150W 電源供應模組及與汽車電池組成的電源供應設備實拍圖以汽車電池搭配 150W 電源供應模組，將電線焊接上電瓶夾上，即可夾在汽車電池上，另一端接至 150W 電源供應模組上，將電壓由 12V 提升至 19.5V，再於模組輸出端接上電線，電線另一端則焊接上 DC 接頭，將 DC 接頭插上筆電，即可為筆記型電腦供電。完成後，進行了模擬測試，於筆電上執行預先撰寫好的 Unity 動畫程式，由動畫程式來提升筆電電源的消耗量，並每隔一段時間以三用電表測量一次汽車電池電壓，以了解汽車電池何時電壓會低於 12V。經過數小時的運作後，在第 11 小時測量 32.

(43) 時，發現電壓仍然高於 12V，在第 12 小時發現電壓低於 12V，於是終止測試。而依據展演團隊的規劃，該場次連續最長展演時間為 6 小時，因此這樣的供電設備的供電能力足以滿足表演團隊的要求。. 圖 34：兩款汽車電池充電器實拍圖. 學. ‧ 國. 立. 政治大. 由於該場次展演規劃一次可由五個人同時登場使用，也就會有五套設備同時運. ‧. 行，在場上設備使用的同時，場下也會準備另外五個電池與五個充電器為電池充電，. sit. y. Nat. 由於充電時間很長，大約需要花費 10 小時，因此從場上換下來的電池需要馬上充電，. io. er. 直到充飽為止。左上圖為第一次購買的充電器，一台要價新台幣 1500 元，右上圖為後. al. iv n C h e n g c h i U 1550 元。這次為該場次展演所準當便宜，折合台幣約 160 元，汽車電池一顆為新台幣 n. 續購買的充電器，一台折合台幣約 300 元。其他設備方面，150 瓦供電模組售價也相. 備的電源供應設備總共準備了 10 顆電池、5 個充電器，10 個電源供應模組(5 個為備用)，一個筆電所需的電源供應設備為 2 顆電池、1 個充電器、2 個電源供應器，一套費用合計為新台幣 3720 元，相對於市售行動電源來說，成本較低，但供電的能力則是相對較高。. 33.

(44) 第四章公開展演活動 4.1 政大八十八週年校慶展演經過多階段的嘗試與努力，發展出的穿戴式系統已能符合預設的五個標準。於是於 2015 年 5 月政治大學八十八週年校慶當天的演出，表演者身穿我們的系統進行演. 政治大. 出。這場演出是這套系統所參與的第一場正式的演出，演出過程非常的順利。. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 35：政大八十八週年校慶未來馬戲團演出活動宣傳照這場在政大校慶中的表演中，與這套姿態感測系統相關的部份，是讓扮演馬戲團團長的演員在身上穿戴 9 個感測器(雙手掌、雙手腕、雙上臂、腰部、雙大腿)，並透過偵測馬戲團團長的姿態動作，來操控揮舞鐵鍊攻擊大象。. 34.

(45) 在場外也設置了民眾體驗區，民眾在表演結束後的時間，可以在場外穿戴這套感測器實際體驗，民眾一共穿 5 個感測器(雙手腕、雙上臂、腰部)，面對大型電視螢幕操控螢幕上虛擬角色的姿態動作。以下附上數張演出圖片及民眾體驗的照片。. 政治大. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 36：觀眾體驗區活動進行過程實拍圖. 4.2 2015 年台北數位藝術節會參與這場演出是由於報名了台北市數位藝術節的活動也很榮幸獲得主辦單位. 35.

(46) 認同，獲選入圍取得最終決賽場次的參賽資格。於是於 2015 年 6 月，於台北市水源劇場參與演出，是一場競賽性質的演出。這次是繼 5 月校慶之後，第一次參加政大校園之外的第一場演出。演出內容主要與政大校慶的演出內容相同，感測器系統所負責的工作也相同。也是用來偵測馬戲團團長的姿態來操控鐵鍊攻擊大象。但不同的是，這場演出最大的挑戰在於系統的準備速度。由於參賽的三個團隊需輪流共同使用同一個後台空間，因此在前一個團隊表演結束後，下一個團隊進入後台準備的時間非常有限，只有 30 分鐘就要完成所有準備並登台演出。所幸這套系統在演出前，已預先就這些條. 政治大. 件做準備，穿戴完身上全部的感測器並完成系統初始測試已經在 15 分鐘內完成。並順. 立. 利完成接下來的演出。並在最短的時間內退場。雖然在表演結束後的評比結果並未在. ‧. ‧ 國. 學. 三組團隊中獲得首獎。但參與這次演出的收獲還是非常豐碩，以下附上數張圖片。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 37：2015 年台北數位藝術節測試實拍圖. 36.

(47) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 38：2015 台北數位藝術節部份演出內容實拍圖. 37.

(48) 4.3 2015 年頂尖大學計畫成果報告這場展演是因應 2015 年頂尖大學計畫成果報告，適逢這屆由政治大學主辦，因此特別在政治大學報告階段的結尾，由蔡子傑教授身穿感測器，親自展示這套系統。在這次的展示中，由蔡教授身穿感測器操控大象的姿態。以腰間的感測器控制大象左右轉動，以雙手的感測器分別控制象鼻與象耳的動作，並以揮動手腕的方式，控制象鼻. 政治大. 發射出泡泡射擊飛靶。以下節錄數張照片。. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 39：2015 年頂尖大學計畫實際展示實拍圖一. 38.

(49) 政治大. 立. ‧ 國. 學 ‧. 圖 40：2015 年頂尖大學計畫實際展示圖二. 在這次的展演中，效果與預期相符，也吸引了在場數家新聞媒體的採訪報導，如. y. Nat. n. er. io. al. sit. 東森於東森新聞雲[16]上報導。. Ch. engchi 4.4 2015 年台北松山菸廠一號倉庫展演. i Un. v. 這場展演是由政治大學數位內容學程陶亞倫教授所主持，應國美館邀請，於 2015 年 10 月在台北松山菸廠一號倉庫所舉辦的一場名為『出夢入夢』的穿戴式裝置展演活動，活動主要內容是由活動參與者，於身上雙手腕、雙上臂、及腰間，穿戴 5 個感測器，並於頭上配戴虛擬眼鏡，再推著配有一台筆記型電腦的鐵架，進入『出夢入夢』體驗場區，感受進出夢境的體驗。感測器在這場展演中所負責的工作是偵測使用者腰部的轉動，讓虛擬眼鏡中的角色也能跟著轉動，雙手腕及雙上臂四個感測器則是用來偵測參與者雙手的動作，讓虛擬眼鏡中的角色的雙手能跟著動作。下面附上數張活動. 39.

(50) 的照片。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 41：2015 年台北松山菸廠『出夢入夢』展演過程實拍圖. 40.

(51) 第五章結論與未來工作. 5.1 結論. 政治大的目標。開發中所選用的主要零組件，如 Arduino、Raspberry Pi、姿態感測器、藍牙立. 經於一年多的努力，系統的品質、穩定度、可靠度、方便性，均達到一開始設定. ‧ 國. 學. 感測器、電池等，以及所開發設計的機制如修正機制、連線自動回復機制等，在運作時均能達到預期的標準。開發完成後使用這套系統實際參與數場即時互動展演，活動. ‧. 獲得數家新聞媒體的採訪及報導。. sit. y. Nat. 在系統建置成本上，身上每一個感測節點上的零組件材料費用約在新台幣 500 元. io. al. n. 場或是一般的研究單位中，更容易推廣普及。. Ch. engchi. er. 以下，相當於 2 張院線片門票的價格。在成本及費用考量點上，在一般零售消費性市. i Un. v. 5.2 未來工作目前裝置在開機前，均需將裝置與地面呈水平擺放才可進行開機動作，這方面若能發展為任意擺放角度都能開機，在穿戴上會更為便利，且裝置外觀的設計上也能不被限制住。在系統功能擴充方面，目前使用的感測器只有姿態感測器，未來可以再加入其他感測器，以擴充出更多的功能。在演出地點及互動體驗設計上，在目前的展演中，觀眾的互動橋段均是在同一個. 41.

(52) 場地內進行，未來可以發展為多人異地互動展演，讓不同地點的觀眾也能一起互動。在觀眾互動內容方面，也可以再加入更多的設計。希望在未來透過上述工作，使系統更加完善、有更豐富的功能，讓觀眾有更多樣的互動體驗。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 42. i Un. v.

(53) 參考資料 [1] 黃心健, http://www.storynest.com/1_news.php?lang=ch [2] Daniel Roetenberg, Henk Luinge, and Per Slycke, “Xsens MVN: Full 6DOF Human Motion Tracking Using Miniature Inertial Sensors. XSENS Technologies,”version Apr 3, 2013. [3] Arduino uno, https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno. 政治大. [4] Arduino mega, https://www.arduino.cc/en/Main/arduinoBoardMega. 立. [5] Arduino nano, https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardNano. ‧ 國. 學. [6] Arduino LilyPad, https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardLilyPad [7] Atmel ATmega328P,. ‧. http://www.atmel.com/images/atmel-8271-8-bit-avr-microcontroller-atmega48a-48pa-88a-. y. Nat. n. al. [9] RedBearLab, http://redbearlab.com/. Ch. engchi. [10] TI CC2540, http://www.ti.com/product/CC2540. er. io. [8] Raspberry Pi, https://www.raspberrypi.org/. sit. 88pa-168a-168pa-328-328p_datasheet_complete.pdf. i Un. v. [11] MPU6050, http://www.invensense.com/products/motion-tracking/6-axis/mpu-6050/ [12] 藍牙, https://zh.wikipedia.org/wiki/藍牙 [13] JSON, https://zh.wikipedia.org/wiki/JSON [14] TP4056, https://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Prototyping/TP4056.pdf [15] 電功率公式, https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E5%8A%9F%E7%8E%87 [16] 東森新聞雲, http://www.ettoday.net/news/20150821/553221.htm. 43.

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