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看一眼即知心中小鹿亂撞:影像式心率偵測

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/04/22 ・1513字 ・閱讀時間約 3 分鐘

文/劉珈均

我們每天與人互動,從對方表情變化讀取喜怒哀樂的心情,或對方是否藏有心事、身體不適,但若交由電腦呢?使用影像偵測作為嬰幼兒照護的市場需求正在成長,但對電腦而言,光是辨識一張臉是屬於真人還是玩偶、圖片肖像就相當困難。工研院服務系統科技中心的團隊透過一般視訊鏡頭,便能於一般實務環境中偵測影像中人物的心率,在不增加成本的前提下,大幅提高影像偵測技術的效果。

研發契機始於兩年前的腸病毒流行,其中一位團隊成員的小孩也患上了,需要常常親身量測小孩的身體狀況,常因擔憂小孩的照護而無法適當休息,便開始尋求市場上是否具有可幫助他們隨時掌握孩子狀況的產品。然而,既有的監測型產品或技術還存在著種種實際應用上的限制,例如需要長時間穿戴、價格昂貴等等,團隊便投入非接觸式的影像式心率偵測技術研發。

計畫主持人、服科中心醫療資訊部工程師陳蓉蓉博士。
計畫主持人、服科中心醫療資訊部工程師陳蓉蓉博士。

工研院系統偵測心率從分析特定影像光波著手,「為了能夠從影像中得到心率訊號,我們透過光源能夠穿透過生物組織,被血管內的血液所吸收,以及不同的光波長對於生物組織有著不同的穿透深度原理,分析特定光波以獲得心率。」計畫主持人、服科中心醫療資訊部工程師陳蓉蓉博士說。

但這樣的技術若要在真實生活中運用,仍有許多真實應用情境需求需要被滿足,譬如,傳統技術需要使用者在充足光源、近距離(約0.5公尺)且長時間(約1分鐘)配合鏡頭位置。「這些應用上的限制,就是我們決定投入改善的方向,讓技術貼近生活、富有人性,是我們一直努力的目標。」陳蓉蓉博士說。

此外,在傳統技術判讀影像中的人物是否為真人,目前有產品利用高解析度的高級攝影機,偵測眨眼、嘴角牽動,這樣一台高級攝影機價格昂貴且使用不便,使用者臉部須近距離的正向面對鏡頭才能進行真人判讀。工研院團隊研發出影像訊號能量技術,讓使用者無須正向面對鏡頭,即可辨識出真人,濾除掉類似人臉的玩偶、肖像等影像訊號能量較弱的能量物體。

系統運作與使用情境的光源息息相關,研發團隊測試本技術於各種燈泡光源下的運作情形,為了因應不同膚色,團隊研發過程並招募深淺膚色人種進行長時間實驗,提升技術於真時應用情境下的量測準確度。

系統運作模擬,系統可辨別真人、假樣本、不同光線下及不同膚色。
系統運作模擬,系統可辨別真人、假樣本、不同光線下及不同膚色。

陳蓉蓉說,最困難的地方是,為了讓產品應用更普及,必須達到低成本,盡量在既有的普遍條件下加值功能,團隊必須尋思如何去配合低階的影像設備格式,讓心率偵測維持又快又準。在團隊的努力下,此技術只需要一般攝影機或視訊鏡頭便能執行功能,人物可距離鏡頭2公尺以上,只要臉部或膚色範圍畫素達到系統足以截取的程度即可,判讀心率時間只需短短的5至10秒鐘,並可以同時進行多人偵測,低照度的環境下如小夜燈照明的環境也能運作。

「後續推廣對象主要為消費者市場 如產後護理中心。」負責行銷的專案經理吳祥筠說。在歐美地區,嬰幼兒監測設備的市場不斷成長,很多新手爸媽因為零經驗而因過分擔憂小孩的照護而無法適當休息,這產品可幫助他們隨時掌握孩子狀況,也能獲得適當休息。

對小孩子而言,穿戴式設備不是個好主意,因為小孩子總對穿戴配件不耐煩,非接觸式的設備較實用。而小孩子總是好動,有時就算發燒了,仍舊行動如常,因此,團隊計畫日後再加入溫度與動態偵測等生理資訊,讓偵測更完備。

影像式心率與呼吸偵測技術研發團隊。
影像式心率與呼吸偵測技術研發團隊。

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創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
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「新太空 2.0」時代來臨!盤點新創太空產業的衛星部署手段

黃 正中_96
・2021/09/26 ・3448字 ・閱讀時間約 7 分鐘

近年來以美國為首,國際上民營新創太空產業如雨後春筍,以新技術、新概念吸引風險投資,挑戰傳統太空產業,稱為新太空(NewSpace)2.0。

新太空的新創公司通常規模比較小,為了增加競爭力,常以併購或合資的方式,加速產業成長;所涵蓋的範圍包括火箭、小型衛星或衛星元件等領域,以價格破壞性經營,加強與傳統太空產業的競爭。

本文將分析量產的衛星精確部署到太空軌道,提高太空任務的新功能與價值;並盤點在此潮流下創新技術,和新創的太空產業。

論「快速量產衛星」的必要

新創航太公司為了更貼近市場需求,創新衛星量產技術、使用商用(COTS)元件,快速切入市場,提高產品附加價值的新衛星功能。例如使用微衛星以每小時拍攝一次地球上任何地點,並快速提供詳細圖像;使用衛星連接地面上廣大地區,構建太空網路;或者利用衛星開採小行星高價值的稀有礦物等等。

新創衛星公司所使用商用零件,設計小型或立方衛星,儘管它們的尺寸很小,但可以共同提供功能和服務,卻比傳統衛星更大、數據產品媲美大衛星。量產衛星優點是可以一次發射許多衛星,發射費用比傳統的大衛星便宜得多,但是缺點是,設計 / 任務壽命較短。

最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)

新創公司為了發堀利基市場,開發最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)1。一旦建立了 MVP 衛星,新創公司再進行優化調整。MVP 為了減輕重量,加快生產速度,設計時忽略了部分功能,如推進次系統(Propulsion Subsystem)、部分姿態控制(AOCS)或沒有備份設計(backup design)等等,以便快速進入市場。

美國的 Planet Labs 公司 180 顆遙測照相衛星,Spire Global 公司 110 顆氣象服務衛星公司,或挪威的 Iceye 公司 10 顆透過雲層對地球照相的合成孔徑雷達小型衛星等等,證明 MVP 可以在很少的預算下,製造和發射衛星到太空,並傳送數據返回地球。

美國 Planet Labs 公司的 Dove satellites。圖/Planet Labs 臉書

快速量產的代價——衛星損壞率高

但是,利用商用航電元件快速製造,在太空高輻射的環境,可能面臨高衛星損壞率,例如新創 Planet Labs 公司 2設計和製造著名的 Doves Triple- CubeSat 微型衛星,2015 年創立後發射了 339 顆 3U 高解析度的 Dove 遙測立方衛星,但是 2021 年 8 月只剩下約 180 顆衛星運作中。

另外的案例 Spire Global 公司從太空觀測雲數據和分析,提高了天氣模型的預測能力。自創建以來,已發射了 140 多顆衛星,目前有 110 顆 3U 立方氣象衛星星系營運中。

SpaceX 的 Starlink 太空網路公司3,到 2021 年 9 月 14 日為止,已經發射了 1791 顆低軌通訊衛星,統計有 125 顆衛星故障或離開太空返回地球,目前太空網路擁有 1615 顆低軌衛星建構太空網路,所以新太空的高衛星損壞率,令人印象深刻。

搭公車上太空,立方衛星「以量取勝」

大量微小或立方衛星搭乘所謂的「公車火箭」到太空,若是衛星計畫經費較多,可以搭乘單個火箭進入太空。但是大部分的計劃在預算限制下,搭乘「公車火箭」到達軌道後,整“群”離開火箭,微小 / 立方衛星以一種相當不受控制的方式繞地球漂移。

福爾摩沙衛星七號衛星搭乘火箭。圖/科技部臉書

這種「下車」方式,對於遙測照像任務,「打群架」方法是有效的,但不是最佳的方式,每顆衛星都可以拍照並發送下來,但個別衛星可能會聚集在一起,從而照相送回多餘的圖像。

對於通信衛星架構,「打群架」是沒有經濟價值的,因為在不受控制的衛星群體,只能隨機覆蓋地表,對於地面用戶來說,無法定時收到監控資料,也無法忍受隨時斷訊的通訊。

新創公司的決勝關鍵:更精確的太空軌道部署

為了增加小衛星任務所產生的產品價值,未來更精確的軌道部署,將會產生革命性的決勝關鍵,每顆衛星將被更仔細、周到地放置到精確的軌道上,使整個星系的價值,大於各自執行任務的總和。

更精確的軌道部署將成為任務規劃中首要考量,當雜亂無章的群轉變成精心編排的星系,其中均勻分佈的小衛星以優化其覆蓋範圍和數據價值時,小衛星架構的價值將得到充分體現。

優化「衛星系」的兩種辦法

有兩種實現衛星系(Constellation)優化的方法,第一種是單獨發射小衛星,或者一次發射兩到三個在特殊的小型火箭上發射,這些火箭可以「隨時隨地」運送航太器,眾多的小型火箭新創公司 Rocket Lab 和 Vector Space Systems 等,瞄準此新市場,計劃將小型衛星運送到低軌太空。

這種方法存在兩個挑戰,可能無法使其適用於所有星系。首先,大型星系需要大量發射,即使每週發射一枚火箭,完全部署一個星系也可能需要數月甚至數年的時間,其次發射費用按公斤計算,總經費也不便宜。

優化星系的第二種方法是為每個小衛星配備機載推進次系統,許多衛星可以共用火箭發射,例如由 SpaceX 的 Falcon 9 或 Falcon Heavy 等發射器的低每公斤成本發射,離開火箭以後就需要耗費自身燃料,抵達任務軌道。儘管所有飛行器都將成群離開火箭,但它們可以使用各自的推進系統分散到預先選擇的各個軌道中,以優化星系均勻性。

這種方法的好處是可以利用機載推進系統提供額外的任務價值,例如通過補償阻力來延長任務壽命,重新配置星系以彌補發射失誤,或在壽命結束時使衛星脫離軌道,減少太空垃圾,但是燃料使用過多,減少任務壽命卻也無可奈何。

獵鷹 9 號將 60 顆 Starlink 衛星送入軌道。圖/SpaceX

成本太高?新型「微推進系統」問世

新太空 2.0 的新創公司,有許多小衛星沒有包含推進次系統,主要是因為技術還不夠成熟,而且成本太高,無法納入 MVP。精確部署衛星所需的推進系統成本,市場上推進系統大部分是手工建造的,對於新創公司無法負擔。設計、開發和製造過程,還沒有發展到大規模生產。

但市場對於大量製造的機載推進系統需求強大,針對此問題,美國 Orbion Space Technology 以及 ExoTerra Resources 新創公司推出霍爾效應推進器(Aurora Hall-effect thruster),以及 Tethers Unlimited、Deep Space Industries 和 Momentus 公司,亦推出水離子推進器(Water Plasma propulsion),水離子推進裝置,進入太空小型推進器的市場。

水離子推進器。圖/參考資料 5

沒錢裝推進系統?你需要的是「太空運輸」服務

針對為了節省燃料以提高壽命,以及沒有配備星載推進系統的立方 / 微衛星,美國新創太空運輸的 Momentus 公司,推出離開火箭以後,在太空將立方 / 微衛星或其他小型衛星,在太空中運輸到所需任務軌道。

義大利的 D-Orbit 公司今年(2021)5 月部署了 20 顆義大利 ION 衛星,成功示範可以改變高度和傾角的太空運輸。D-Orbit 公司並計劃於今年(2021)10 月為 Planet SuperDove 公司在太空「最後一英里的太空運輸」服務,運輸 12 顆地球遙測衛星。

但是你可知道「最後一里路」要走多久?

以我國的福爾摩沙七號衛星星系為例,衛星設計有星載的推進系統和攜帶燃料,用來調整衛星在太空的飛行軌道;福衛七號的六顆衛星於2019年6月25日發射升空,離開獵鷹九號火箭以後,總共花了 20 個月逐漸調整軌道,才將六枚衛星的軌道面布置,形成在地球上空以 60、120、180、240、300度的夾角,涵蓋全球的氣象觀測衛星星系部署。

新太空 2.0 時代來臨!將顛覆傳統衛星公司

新太空(NewSpace)2.0 顛覆甚至於威脅到傳統衛星公司,例如 Intelsat 同步軌道通信衛星公司因過時或更高的價格使他們無法與低成本寬頻通訊競爭導致破產4,同樣的澳洲衛星通訊公司 Speedcast 和為航空公司和船舶提供 Wi-Fi 服務的 Global Eagle 公司與 Intelsat 公司一樣也都負債累累。

新太空快速的行業變化,也影響了衛星地面部分;例如衛星天線製造商 Phasor 在被新創 Kymeta 用更高效率覆蓋整個 Ku 頻段衛星天線公司淘汰而申請破產。去年 OneWeb 的破產困境源於缺乏靈活性,讓 SpaceX 競爭對手以超越其技術而破產。

因此新太空的來臨,太空產業需著重技術創新,適應快速市場變遷,隨時關注市場的變化與趨勢。對於一個創新技術競爭的衛星新創參與者,摩爾定律將主導創新和開發新市場。

參考資料

  1. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  2. 〈Wikipedia〉Planet_Labs  
  3. 〈Wikipedia〉Starlink
  4. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  5. Water propulsion technologies picking up steam
  6. Satellite bankruptcies circa 2000 vs. 2020: We’ve come a long way!me-a-long-way

黃 正中_96
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國家實驗研究院國家太空中心研究員。勿忘對科學研究的熱情,勇敢築夢,實現夢想…...
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