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「可以看我,不要看QR Code嗎?」—擴增實境的辨識,科幻成真的最後一哩路?

PanSci_96
・2016/03/08 ・1890字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 520 ・七年級
目前擴增實境運用在日常生活還十分稀少,圖為使用GPS定位系統作為辨識工具來指路。圖/flickr @plantronicsgermany
目前擴增實境運用在日常生活還十分稀少,圖為使用 GPS 定位系統作為辨識工具來指路。圖/flickr @plantronicsgermany

文/曹盛威 | 國立交通大學教育所科學教育組

擴增實境,指得是將虛擬物件投射至現實中的技術,像是「遊戲王」中的立體影像裝置(去年已有神人完成決鬥盤與投影系統),或是去年的 IKEA 型錄,不過這只是一部份。

擴增實境的物件不一定是 3D 立體影像(只是最多人用,也較有互動性),其原始概念是在你眼前加入現實中沒有且可以即時互動的虛擬訊息,比如上面的血量、防禦、時間,或是將準星對到隊友身上跑出隊友的相關資訊。

前些日子一度爆紅的 google glass 已能讓擴增實境在真實世界中顯示虛擬訊息,但還有一個功能並不完善,那就是直接在真實物體上顯示正確的虛擬訊息。以CS的遊戲畫面來說,就是我們還無法讓準星(鏡頭)對準隊友(真實物體)後正確顯示相關資訊(虛擬物件)。

為什麼不行?人與機器在辨識物體上的差異

心理學將人辨識物體的方式分為「由下至上」與「從上到下」這兩種模式(注意,接下來的敘述富有無聊的哲學意味)。

「由下至上」指的是我們先是辨認出各種「特徵」,根據這些特徵進行辨認,這是一種被動的處理方式(也可以說,較為客觀)。例如:看到一個有著四條腿、毛茸茸還搖著尾巴又汪汪叫的東西,我們便能說這是一條狗。

「從上到下」則反過來,透過「情境」採取主動詮釋的方式(較為主觀),依據內心的期望來對接受的訊息進行解釋。比如在吧台上,擺著兩大罐開過的高粱以及一整排裝滿透明液體的 shot glass,你馬上認定這透明液體就是高粱,但實際上你並沒有足夠多的資訊來辨認;如果把 shot glass 換成平常的玻璃杯,旁邊也沒有任何高粱酒瓶,你或許就會認為這只是一杯白開水。

辨認就是識別出「特徵」與「情境」這兩件事。對人來說,辨識是兩種過程交互進行的結果,但對機器就不是這麼一回事了,機器只有識別「特徵」的能力。因此同一物體只要看起來不一樣(換個角度或是光源不一樣),機器就會有判別上的困難。

解決方法-識別碼與機器學習

IKEA 的型錄影片中,我們可以看到使用者將 IKEA 型錄放在地上,device 偵測型錄並顯示相對應的虛擬物件,這就是「識別碼」的概念(QR Code、二維條碼、RFID 等技術)。既然機器只能辨識「特徵」,就為現實物體安上一個機器能夠明確辨識的識別碼,這樣問題就迎刃而解了!

不過這樣的方法治標不治本,主因是「想要在哪裡顯示虛擬物件,就要在那裡找到 QR Code」,想一下賽亞人偵測戰鬥力時,還要跟對方說「抱歉我找不到你的 QR Code」,實在是很不直覺又不帥氣阿!

但識別碼仍當前是解決辨識問題最常使用的方法,不只是電腦容易判讀,對人來說也容易製作。識別碼的相關技術也還在持續發展中,比如用紅外線感應的隱形識別碼,可以讓真實物體不會再有醜醜的條碼。

而另一個方法是讓機器也能搞懂複雜情境的能力,這涉及到已經被科幻小說寫到爛的人工智慧。而在工程領域,「機器學習」正是嘗試讓機器也能玩閱讀空氣的跨領域學科,但不要忘了機器基本上還是只有辨識「特徵」的能力,機器學習只是將複雜的真實情境簡化成機器能辨識的特徵。

所以該如何讓機器進行學習?其實跟人的學習一樣,不外乎是從經驗中(數據)找出共通點,並作為之後判斷的標準。比如說你跟朋友約見面,朋友經常晚十分鐘才到,那下次約見面時你就會去衡量自己要不要準時赴約,如果把他寫成機器邏輯,那會是「跟別人約見面要準時,但如果是你朋友的話,可能要晚十分鐘才對。」(如果對這部分有興趣,可以參考深度學習──人工智能的現在與未來)。

是最後一哩路?還是走不完的一哩路?

Microsoft HoloLens。圖/flickr @Microsoft SwedenMicrosoft HoloLens。圖/flickr @Microsoft Sweden

擴增實境從提出至今也過了二十年,許多成像與體感操作技術都在突飛猛進,但在辨識技術上卻沒飛的那麼快,這也使得擴增實境的運用大多還是在娛樂媒介上面,像今年 E3 展上,Microsoft 開發的 hololens,把 Minecraft 的世界直接投影在會場上並用體感進行操作;但在日常生活中,辨識技術的不足將使得擴增實境的便利性不佳,如果帶 google glass 還要找商品條碼才能看到價格,我為什麼不直接看櫃子上的價格告示牌呢?

人類技術能不能突破機器辨識上的落差,成為這最後一哩路最重要的關鍵,究竟這真的是最後一哩路,還是走不完的一哩路,還有待那些資料科學家們來為我們解答。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威
審校:陳妤寧

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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》