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Bat Eyes-無限可能的框框

Project Paper - view as Preliminary(2010/07/21), Final(2010/11/01), Draft, Latest

1. 設計介紹 (Preliminary Paper)

 1.設計介紹    

 

圖1:作品照片

 

　　人機界面Human–Machine Interface的發展，可區分為輸入／輸出兩種，分別為人對機器的溝通，包含傳統的把手、開關等；和機器對人的溝通，包含由設備發出的提示、銀幕的顯示等；科技進步至今，從Wii開始，最先進的遊戲機將再也不只是透過按鈕和鍵盤來操控，而是和人類實際的動作結合，可說是人機界面的新里程；微軟最新的遊戲機Natal更擺脫了手上的搖桿，讓人們的動作好像真的可以複製到電腦裡；和MIT學生Pranav Mistry在過去曾經發表過的Sixth Sense相比，它們都有一個共同的目標-縮短人類和數位世界的距離。從這個目標出發，我們希望能在真實的世界中建構一個溝通的框框，它是個通往數位世界的窗口，透過它，我們可以不使用滑鼠和鍵盤，我們將它取名為Bat Eyes-無限可能的框框(作品照片如圖1所示)。

 

1.1設計目的：

 

　　透過影像處理所設計的人機介面不勝枚舉，影像辨識的演算法也愈來愈成熟，它最基本的條件為目標物必須有特定的顏色或形狀，且攝影機也須在Field of View內才行，難免會有死角，這無非是一個限制；換一個方向我們構想出一個跳脫此限制的方法–利用看似無關、體積小且價格低廉的超音波感測器結合定位技術，將一個矩形框架變成一個可大可小的虛擬窗口，任何動作透過此窗口即可直接複製到數位世界，未來凡舉鍵盤、滑鼠、電子畫板、遊戲搖桿、觸控銀幕，或是除了這些娛樂和生活上的功能之外，它還可以用於實現一個non-switch’s  switch(看不到開關而隱密性高的開關)家庭安全系統。更重要的是，由於它的開發成本相對於有效面積的開平方僅為線性成長而非一般touch-panel之指數成長(如圖2所示) ，又超音波感測器之感測範圍大約為三至六公尺，因此可應用於大型觸控面板之開發，與其說我們想要追求的是目前最流行的觸控技術，不如說是升級為更進一步的non-touch技術，任何顯示器、任何平面，只要是任何透過這個窗口所做的動作，有如無限可能的手語翻譯機，將可以被傳輸/儲存至數位的世界，做資訊的處理和記錄。

 

圖2:單位面積感測成本比較圖

 

1.2 環境選擇:

 

　　藉由Altera提供相當友善的QuartusII和NiosII IDE開發環境，讓我們能夠同時透過HW(Hardware)和SW(Software)的方式更靈活且快速的設計作品，因此我們選擇了它，做為開發Bat Eyes作品的平台;我們進一步選擇了具有NiosII軟核CPU 和強大週邊的Altera DE2作為我們的硬體開發平台，它提供了足夠的外接記憶體和多種現今常用的介面電路；透過SOPC環境我們可以利用Avolon Bridge連接自定義的硬體電路，並直接運用Altera提供的IP Core縮短開發時程，甚至可規劃出多CPU進行平行運算處理，以實現Real-Time之系統。因此，它是我們進行系統設計的不二選擇。

 

1.3應用領域：

 

(1)超音波測距應用。

(2)雜訊濾波處理。 

(3)GPS定位技術演算法。

(4)VGA應用。

(5)SD卡傳輸介面。

(6)影像遊戲設計。

(7)隱形家庭保安系統。

(8)手語翻譯機。

 

1.4目標使用者：

 

(1)不便透過滑鼠與鍵盤卻需要使用電腦之從業或研究人員。

(2)新型遊戲機之操作介面。

(3)生活、工業、教育、研究用途。

(4)超大型觸控面板之應用。

(5)手勢行為科學研究之應用。

(Revision: 20 / 2010-09-16 17:30:25)

2. 功能描述 (Final Project Paper)

 

2.功能描述

 

2.1功能：

(1) 多媒體功能:

  

圖3: 多媒體功能

　　利用虛擬按鍵建立主選單，設計最平易近人的操作模式，包含遊戲、繪圖、寫字三種功能(如圖3所示)，並定義多功能按鍵，包含清除、返回、存檔等。

(2)應用於保全系統之non-switch’s  switch

圖4: Non-switch’s switch application

　　可廣泛應用於家庭、公司或研究單位之保全系統，實現一虛擬開關或虛擬按鍵，提供極高的保密性與安全性(如圖4所示)。

(3)大型觸控面板之應用

圖5：觸控面板之應用

　　目前市售的音波式觸控面板原理，是偵測音波的衰減，並由衰減量計算出位置，但由於其製程技術繁複，製造成本較高，因此多用於高價位產品；有別於此，我們雖同樣以音波定位，但以低成本的超音波測距感測器，結合GPS定位技術提供大型觸控面板更多可能性(如圖5所示)。

(4)更勝於觸控之Non-touch 功能(3D定位)

　　A touch screen without a screen，擺脫觸控面板所需要”面＂的限制，可於任何空間中使用，未來甚至可推廣至3D應用。

2.2實現方法：

 

(1)由Verilog設計超音波驅動電路和掃描控制電路，透過硬體的快速切換使8組超音波感測器交替掃描。

 

(2)將超音波感測器架設於ㄧ長寬為30*30*cm之框架，並使框架中每一區域至少為兩顆以上超音波感測器之感測範圍(使二維平面有足夠之數據以解出座標位置變數)。

 

(3)透過雙CPU系統，同時進行定位公式計算和資料截取、分析和處理，以有效提高工作效能。

 

(4)由NiosII IDE設計操作介面。

 

※註：詳見章節5.設計方法。

 

(Revision: 24 / 2010-09-17 12:27:56)

3. 效能參數 (Final Project Paper)

3.效能參數

(Draft / 2010-09-15 11:46:33)

4. 設計架構 (Preliminary Paper)

4.設計架構

 

4.1系統架構：

　　本作品架構了兩個NiosII 處理器，以進行平行運算，並建立兩CPU間的共用記憶體，以進行資料傳輸；由於VGA Controller所需的記憶體由On-chip RAM提供，因此外接記憶體部分僅引入一8M之SDRAM和SD Card，其中8M的SDRAM提供除了VGA Controller之外所需的記憶體，而SD Card僅做為圖檔之存取功能，系統架構圖如圖8所示。

　圖8:系統架構

4.2 核心定位運算時程:

　

　　本作品利用Altera 所提供之IP Core Mutex設計Shared memory，利用程式控制Mutex Value，使其在CPU1進行座標定位時為上鎖狀態(Mutex Value = 1)，使CPU2持續抓取與分析由超音波感測器測得之距離資料，直到CPU1定位計算結束才將Mutex Value解鎖(Mutex Value = 0)，使CPU2得以將另一組分析過後之距離資料傳至CPU1進行定位計算，其時序圖如圖9所示。

　

　

圖9:Time sequence of Bat Eyes system

　

4.3系統工作流程:

 

　　系統工作流程實為NiosII之軟體工作流程，其流程圖如圖10所示。由NiosII IDE 設計之，並建立於定位程序的基礎上，其中含有畫板模式、遊戲模式、寫作模式、觸控銀幕模式、滑鼠模式、non-switch’s  switch模式。

　

圖10:系統工作流程圖

(Revision: 12 / 2010-09-16 12:21:35)

5. 設計方法 (Final Project Paper)

5.設計方法

 

　　由於一個點在同一時間至少需要得到兩組距離才能定位，但若同時觸發兩超音波感測器將彼此干擾，因此透過超音波感測器可於ㄧ秒內測得300組以上距離之快速特性（視感測距離而定，本作品目前之最大距離為30cm），由Verilog設計兩組感測器交替感測之驅動電路，並將前一組感測器之輸出指令當作下一組感測器之觸發旗標，以達到最短時間內測得最多筆數據之最佳效能。

　

(1)由Verilog設計自動掃描控制電路，分別控制八組感測器驅動電路，並將掃描區域分成16個Cell，40個BC (Boundary condition)，在感測框內無目標物時使8組感測器自動持續掃描，若目標物進入掃描區域，則判斷通過不同邊界切換不同感測器，以避免多組感測器同時動作時造成音波於感測範圍內彼此互相干擾(如圖11所示)。

圖11:無目標物自動掃描模式(左)目標物進入掃描區域模式(右)

　

(2)由於超音波感測器所測得之距離為溫度之函數，因此利用DE2上的Switch做為邊界參數校正，將感測器切換邊界調整於最佳位置，如圖12所示，紅線為可調式邊界，綠色區域為感測器實際邊界重疊部分。

 

 

圖12:實際邊界與可調邊界之最佳化分布圖

 

(3)由Verilog設計VGA控制電路。

 

(4)利用SOPC Builder規劃兩個NiosII CPU，並將自定義的控制電路利用Avolon  Bridge與NiosII CPU連接，同時引進外部記憶體和Altera所提供的IP Core，包含Mutex、SDRAM、Flash和當作shared memory的On-Chip Ram等。

 

(5)由NiosII IDE引入SOPC所產生之硬體檔，引入兩專案分別控制CPU1、CPU2，其中CPU1為主要運算核心，CPU2則為數值分析和資料截取之用途，由於資料擷取的週期遠小於定位計算之週期，使用雙CPU平行處理可在定位計算的同時有效的分析、加總、平均多筆資料，最後再引入Mutex API建構兩CPU之溝通橋梁。

 

　　

(7)以NiosII IDE設計操作介面，包含虛擬按鍵、由SD Card讀入背景圖片、小遊戲、虛擬畫板、手寫板等應用功能。

(Revision: 19 / 2010-09-17 13:45:40)

6. 設計特點 (Preliminary Paper)

6.設計特點

 

(1)使用超音波感測器與DE2實現低成本高效能之人機介面。

 

(2)由硬體直接設計快速的掃描測距控制電路，藉由自定的邊界條件切換不同感測器動作，並加入溫度參數直接解決超音波互相干擾和實際上非理想邊界之問題。

 

(3)利用資料擷取週期遠小於計算座標週期之特性，使用雙CPU系統平行處理，同時進行數值分析和定位計算，以達到Real-time的功效。

 

(4)分別在硬體端和軟體端加入多道濾除雜訊機制，除了在硬體端直接濾除有效值以外的雜訊，更利用雙CPU進行平行運算平均雜訊，最後在輸出座標前再一次進行濾除雜訊，以在最短時間內達到最高精確度。

 

(5)結合超音波感測器與定位技術，並將定位技術實現於FPGA平台。

 

(Revision: 5 / 2010-09-15 11:48:02)

7. 總結 (Final Project Paper)

7.總結

 

　　在畢業專題過程遭遇困難的機緣下，我們構想了這個題目，然而，是福不是禍，我們完成了Bat Eyes，也幸運的有Innovate Asia大賽讓我們有發表的機會；或許可以為未來的科技提供一個新的構想，更進一步的應用至3D技術。從DE2開發板的應用，到最後超音波物理特性的分析；過程中經過了硬體設計、軟體開發、數值分析、定位演算、雜訊處理，到了最後要做出實體時，必須親手設計所需要的壓克力架，才發現自己好像不會繪圖；壓克力架完成後，才發現自己不夠瞭解超音波的物理特性。這一步一步雖然辛苦，但在大學課程內看似無關的許多科目之間繞了一大圈之後，終於我們體會到何謂學以致用。

 

　　然而本作品除了目前所完成的功能，還存在著更多的可能性，包含將本作品移植至一般電腦的作業平台，即可取代真正的滑鼠和鍵盤；增加少量的感測器，即可得到更大面積的感測範圍;使用更高速的CPU或更精準的測距感測器即可達到更精準的定位。藉由此作品的成果，我們可以開發相關產品的應用，例如：(1)超音波測距定位應用。 (2)影像遊戲設計。 (3)隱形家庭保安系統。(4)手語翻譯機。或許將來，可以成為人們生活中隨處可見的新物件。

 

化冥想為真實，從一個構想到一個作品，回憶起這段時間，我們總是天天為實驗室開燈，又天天為實驗室熄燈，走到學校停車場的時候，總是車子最少的時候；感謝這段日子指導我們的老師，還有幫助我們的學長、同學，一路陪著我們發現問題，再一一解決問題，或許我們失去了要考研究所的讀書時間，也失去了陪伴家人和朋友的時間，但是我們相信，這將會是我們大學畢業以後最珍貴的回憶。

 

(Revision: 3 / 2010-09-16 12:53:25)