感应与辨识系统.ppt

感應與辨識系統感應與辨識系統Sensing and Identification Systemsn n本課程主要是簡介安全產業常用之辨識與感應系本課程主要是簡介安全產業常用之辨識與感應系統，此課程為概要課程，使學生對安全系統有一初統，此課程為概要課程，使學生對安全系統有一初步的認識。步的認識。n n辨識系統將介紹機械辨識與生物辨識等主要兩大辨識系統將介紹機械辨識與生物辨識等主要兩大辨識系統辨識系統 機械辨識包含條碼辨識機械辨識包含條碼辨識(Bar Code ID)(Bar Code ID)、無線射頻辨識、無線射頻辨識(RFID)(RFID)、光學、光學辨識辨識(OCR)(OCR)、手寫辨識、晶片辨識、與其他機械辨識等、手寫辨識、晶片辨識、與其他機械辨識等 生物辨識包含指紋辨識、膧孔辨識、臉型辨識、靜脈辨識等生物生物辨識包含指紋辨識、膧孔辨識、臉型辨識、靜脈辨識等生物辨識。辨識。n n感應系統則包含感應系統則包含 全球定位系統全球定位系統(GPS)(GPS)、遙測原理與應用、遙測原理與應用(Remote Sensing)(Remote Sensing)等。等。何謂感應何謂感應(感應器感應器Sensor)?n n對象包括n n（1 1）光；）光；n n（2 2）磁；）磁；n n（3 3）超音波（震動）；）超音波（震動）；n n（4 4）壓力；）壓力；n n（5 5）溫（溼）度；）溫（溼）度；n n（6 6）氣體（呼氣、臭氣）氣體（呼氣、臭氣）等作為檢出的對象感測器。等作為檢出的對象感測器。何謂遙測何謂遙測(remote sensing)?n n在非接觸物體的情況下，可以辨識出物體（地球表面地在非接觸物體的情況下，可以辨識出物體（地球表面地理位置）的特性理位置）的特性n n一般在地球資源管理與環境生態破壞偵測時使用一般在地球資源管理與環境生態破壞偵測時使用n n例如調查大氣污染、臭氧層破壞、森林管理、沙漠化層例如調查大氣污染、臭氧層破壞、森林管理、沙漠化層度度n n也可應用在不同距離程度的感測，包括紅外線、紫外線、也可應用在不同距離程度的感測，包括紅外線、紫外線、可見光線、可見光線、X-X-光等不同波長的電磁波。光等不同波長的電磁波。感測器的基本模型感測器的基本模型從人的五感開始談起從人的五感開始談起 n n眼睛觀察事物是因使用視覺來感測可見光線的緣故。眼睛觀察事物是因使用視覺來感測可見光線的緣故。n n聽覺的關係可以用雙耳聽到外來時聲音聽覺的關係可以用雙耳聽到外來時聲音n n嗅覺與味覺的關係而可以用鼻子與舌頭感覺氣味與味道嗅覺與味覺的關係而可以用鼻子與舌頭感覺氣味與味道n n以上所介紹的人體五感以上所介紹的人體五感n n我們可依據感覺器官來感受週遭的環境。從前被稱為人體我們可依據感覺器官來感受週遭的環境。從前被稱為人體“五感五感”的的說法，此五感又包括哪些東西呢？說法，此五感又包括哪些東西呢？n n第一是視覺，其次是為聽覺、觸覺、嗅覺、最後為味覺。當五感第一第一是視覺，其次是為聽覺、觸覺、嗅覺、最後為味覺。當五感第一個視覺被斷絕時，人體將流失近大半所能獲得的情報，不僅無法清楚地個視覺被斷絕時，人體將流失近大半所能獲得的情報，不僅無法清楚地掌握文字與畫面，連自由地行走都將會有困難。掌握文字與畫面，連自由地行走都將會有困難。從人的五感開始談起從人的五感開始談起 人體器官人體器官人體感覺人體感覺感測器種類感測器種類目視覺光感測器耳聽覺聲音感測器皮膚觸覺震動感測器溫度桿測器壓力感測器舌味覺味覺感測器鼻嗅覺嗅覺感測器智慧型感測器n n感測器的範圍是非常地廣，從簡易結構之觸動開關感測器的範圍是非常地廣，從簡易結構之觸動開關到非常複雜之電荷耦合影像感測二極體到非常複雜之電荷耦合影像感測二極體(CCD)(CCD)照相機照相機的系統層級都可以稱為的系統層級都可以稱為”感測器感測器”。n n感測器是智慧型感測器感測器是智慧型感測器(Intelligent Sensor)(Intelligent Sensor)，該感測，該感測器必須具有智慧器必須具有智慧(Intelligent)(Intelligent)與知性的基本要求。另外智與知性的基本要求。另外智慧型感測器不同於一般感測器。慧型感測器不同於一般感測器。n n它必須具備接近人類的判斷能力與人類的基本特性，它必須具備接近人類的判斷能力與人類的基本特性，才可以稱為名符其實的才可以稱為名符其實的”智慧型智慧型”感測器。感測器。智慧型感測器-1n n感測器相關產業界一般皆稱感測器相關產業界一般皆稱”智慧型智慧型”感測感測器為器為”便利與知能化便利與知能化”感測器。感測器。舉一個比較具體的例子為整合感測元件舉一個比較具體的例子為整合感測元件(sensing(sensing element)element)、大型積體電路、大型積體電路(LSI)(LSI)與中央處理器與中央處理器(CPU)(CPU)等成為一相容單晶片等成為一相容單晶片(one chip)(one chip)型式的信號處理裝置型式的信號處理裝置 這是除了利用機能材料之基本物性而得到的情報這是除了利用機能材料之基本物性而得到的情報處理機能外，還擁有結構本身的情報處理機能等。處理機能外，還擁有結構本身的情報處理機能等。智慧型感測器-2n n由於單晶片由於單晶片(one chip)(one chip)型式減輕了從感測器中型式減輕了從感測器中擷取信號到情報處理機能的量、改善感測器的擷取信號到情報處理機能的量、改善感測器的反應特性、減輕往主反應特性、減輕往主(host)(host)電腦負載、自動檢查電腦負載、自動檢查的機能等，因此可說是一最佳功能的感測器。的機能等，因此可說是一最佳功能的感測器。n n智慧型感測器的另一種稱為智慧型感測器的另一種稱為 “Smart Sensor”Smart Sensor”，這與智慧型感測器在意涵上大體是相同的。，這與智慧型感測器在意涵上大體是相同的。蛇是否在黑暗裡依然看得到東西n n人類與鳥類等動物在黑暗裡即看不到事物，這是由於人類與鳥類等動物在黑暗裡即看不到事物，這是由於眼睛只限於在可見光的光線下反應，特別是一般的鳥類眼睛只限於在可見光的光線下反應，特別是一般的鳥類有所謂在有所謂在黑暗看不到事物黑暗看不到事物黑暗看不到事物黑暗看不到事物的夜盲症，因此一旦處於黑暗的夜盲症，因此一旦處於黑暗裡，視力完全變為零。裡，視力完全變為零。n n但是，大自然也有不可思議的地方，那就是在黑暗裡但是，大自然也有不可思議的地方，那就是在黑暗裡仍然看得到事物的動物還是很多。例如，某些鳥類與蛇仍然看得到事物的動物還是很多。例如，某些鳥類與蛇等。在以上的情況下，擁有等。在以上的情況下，擁有高度的集光能力高度的集光能力高度的集光能力高度的集光能力的集光能力的集光能力的動物即使在夜色昏暗中仍可看見物體，也有的動物是的動物即使在夜色昏暗中仍可看見物體，也有的動物是利用利用紅外線紅外線紅外線紅外線來觀看物體，特別是某些的蛇棲類是利用紅來觀看物體，特別是某些的蛇棲類是利用紅外線來看物體的，即使身處於黑暗當中仍可以補捉到獵外線來看物體的，即使身處於黑暗當中仍可以補捉到獵物。物。航空太空總署(NASA)案例n n智慧型感測器最早是由美國航空太空總署智慧型感測器最早是由美國航空太空總署(NASA)(NASA)為了為了宇宙開發事業而發展出的產品。這是為了處理從太空船宇宙開發事業而發展出的產品。這是為了處理從太空船上許多感測器。上許多感測器。n n隨時往地面上美國航空太空總署基地傳送有關溫度、隨時往地面上美國航空太空總署基地傳送有關溫度、位置、現況、壓力與電流等龐大到連大型電腦也無法處位置、現況、壓力與電流等龐大到連大型電腦也無法處理的資料。理的資料。n n為了解決以上旁大資料量的情況而將中央處理器為了解決以上旁大資料量的情況而將中央處理器(CPU)(CPU)直接與感測器結合之分散化技術，由於有以上的需求為直接與感測器結合之分散化技術，由於有以上的需求為前提，進而產品感測元件前提，進而產品感測元件(sensing element)(sensing element)的智慧化的智慧化 智慧型感測器應具備以之條件n n智慧型感測器應（智慧型感測器應（Intelligent SensorIntelligent Sensor）具備以）具備以下的條件：下的條件：1 1、具有判斷的功能、具有判斷的功能 2 2、可作不同資料的補正、可作不同資料的補正 3 3、可作統計性的資料處理、可作統計性的資料處理 4 4、可作攫取資料的分析、可作攫取資料的分析 5 5、可作多數的感測器之間資料的交換、可作多數的感測器之間資料的交換 6 6、可適應環境的變化、可適應環境的變化 7 7、可作演算的變換與擁有是當記憶空間等。、可作演算的變換與擁有是當記憶空間等。智慧型感測器應（Intelligent SensorIntelligent Sensor）之基本要求要求的機能要求的機能1輸入資料的補正與判斷2自動校正與不同資料的補正3統計性的資料處理感覺統合4資料的分析5多個感測器之間資料情報的交換與多次元的量測6適應環境的變化與自我調適之功能7可作各式的演算8適當的記憶空間智慧型感測器應（Intelligent SensorIntelligent Sensor）之基本要求-1要求的機能要求的機能9自我診斷功能10圖像辨識（影像偵測）11電磁相容性（EMC）12無需維護（maintenance-free）感覺統合（sensor fusion）n n被稱為被稱為感測器融洽技術感測器融洽技術n n所謂感覺統合（所謂感覺統合（sensor fusionsensor fusion）是綜合視覺、聽覺、）是綜合視覺、聽覺、觸覺、嗅覺與味覺五種的感測器技術觸覺、嗅覺與味覺五種的感測器技術n n 一般而言，若可以看的到物體的話，對於如物體之形狀、一般而言，若可以看的到物體的話，對於如物體之形狀、大小、顏色、光澤與距離感特性都應該非常地瞭解大小、顏色、光澤與距離感特性都應該非常地瞭解n n當使用數個影像感測器（例如：當使用數個影像感測器（例如：CCDCCD照相機）時，將會攫照相機）時，將會攫取到大量的影像資料需作處理，而單一感測器無法將所要的取到大量的影像資料需作處理，而單一感測器無法將所要的物體之形狀、大小等資料檢測出來物體之形狀、大小等資料檢測出來感覺統合（sensor fusion）-1n n 神經中樞網路電腦（神經中樞網路電腦（neural computerneural computer）是將數個電）是將數個電腦之間做並列的連接處理腦之間做並列的連接處理n n 在各個單元（在各個單元（unitunit）之間接成網路（）之間接成網路（networknetwork）的形）的形式，它可以應用作圖像（式，它可以應用作圖像（patternpattern）辨識、連想問題甚至）辨識、連想問題甚至推論問題等功能推論問題等功能n n 此種空能製作成幾個積體電路（此種空能製作成幾個積體電路（ICIC），例如它可以應），例如它可以應用在文字的辨識、印鑑比對系統、指紋辨識等機器與其用在文字的辨識、印鑑比對系統、指紋辨識等機器與其他各種安全與保密系統等應用。他各種安全與保密系統等應用。感測器技術的進步與發展n n “感測器（感測器（sensorsensor）”一詞在人們的口中已經是一般化而一詞在人們的口中已經是一般化而非專業名詞的時間很久非專業名詞的時間很久n n 雖然只是一個名詞說法，但感測器種類卻是非常多，而且雖然只是一個名詞說法，但感測器種類卻是非常多，而且所涵蓋的技術領域與範圍也非常廣所涵蓋的技術領域與範圍也非常廣n n如果感測器再加上使用各種嶄新的機能材料微電子大型積如果感測器再加上使用各種嶄新的機能材料微電子大型積體電路（體電路（LSILSI），感測器涵蓋的範圍就更加廣及複雜），感測器涵蓋的範圍就更加廣及複雜 感測器技術的進步與發展-1n n 以現階段的技術能力再特定的條件下有一半以上感測器都以現階段的技術能力再特定的條件下有一半以上感測器都是屬於只可檢出特定物理量的簡單型感測器是屬於只可檢出特定物理量的簡單型感測器n n這些簡單型感測器之信號處理速度遠超過人體五感（視覺、這些簡單型感測器之信號處理速度遠超過人體五感（視覺、味覺、嗅覺、聽覺、覺）味覺、嗅覺、聽覺、覺）n n而且大部分的感測元件的精度也比人體五感高很多而且大部分的感測元件的精度也比人體五感高很多n n他們對於今天所有工業電子製品的小型輕量化、省能源化他們對於今天所有工業電子製品的小型輕量化、省能源化與高機能化來說有很大的貢獻與高機能化來說有很大的貢獻 感測器技術的進步與發展-2n n 感測元件在技術上有很大的變革，想要瞄準次世感測元件在技術上有很大的變革，想要瞄準次世代技術的動向，則必須要別注意以下六個要項：代技術的動向，則必須要別注意以下六個要項：（a a）感覺統合（）感覺統合（sensor fusionsensor fusion）：）：舉例來說，當人要確認一個物體時是同時以眼睛（視覺）與手舉例來說，當人要確認一個物體時是同時以眼睛（視覺）與手（觸覺）兩者共同作確認的方式。這表示同時動員好幾個感應器（觸覺）兩者共同作確認的方式。這表示同時動員好幾個感應器官官(感應元件感應元件)可以增加情報的信賴性。例如自動滅火系統、座車可以增加情報的信賴性。例如自動滅火系統、座車安全氣囊、導彈防衛。安全氣囊、導彈防衛。感測器技術的進步與發展-3（b b）速度與精度超越人體五感的感測元件：）速度與精度超越人體五感的感測元件：例如超過人眼判讀的計數器（例如超過人眼判讀的計數器（countercounter）、能偵測更遠微小的聲音）、能偵測更遠微小的聲音與氣體的臭味等。與氣體的臭味等。（c c）多次元（多機能）感測器：）多次元（多機能）感測器：由個感測元件的由個感測元件的點資料點資料得到更大範圍的得到更大範圍的線資料線資料，甚至可感測更，甚至可感測更大範圍的大範圍的面資料面資料的一系列感應器之組合，例如檢測環境污染用的的一系列感應器之組合，例如檢測環境污染用的紅外線照相機與檢測人體內危險放射物質的感測器等。紅外線照相機與檢測人體內危險放射物質的感測器等。（d d）自我診斷機能感測器：）自我診斷機能感測器：以微小的方式內建於感測元件中，而此感測元件可診斷出是否有以微小的方式內建於感測元件中，而此感測元件可診斷出是否有錯誤動作產生，具有檢知功能，它可使用在指紋辨識系統、印鑑錯誤動作產生，具有檢知功能，它可使用在指紋辨識系統、印鑑辨識系統等。辨識系統等。感測器技術的進步與發展-4（e e）生物辨識（）生物辨識（biometricsbiometrics）之功能：）之功能：生物辨識系統可以利用影像感測及處理技術，及感測相機（生物辨識系統可以利用影像感測及處理技術，及感測相機（CCD CCD cameracamera）等來自動辨識一個人的身份。通常測試的特徵包括臉部、）等來自動辨識一個人的身份。通常測試的特徵包括臉部、指紋、手掌幾何（掌紋）、瞳孔、靜脈等，它主要是識別人類與指紋、手掌幾何（掌紋）、瞳孔、靜脈等，它主要是識別人類與生俱來獨特特徵值，例如瞳孔表面的凹凸以辨識其圖像的辨識技生俱來獨特特徵值，例如瞳孔表面的凹凸以辨識其圖像的辨識技術。術。（f f）微生態或攝生學微感測元件：）微生態或攝生學微感測元件：微生態或攝生學（微生態或攝生學（eubioticseubiotics）表示到處都有、無處不在的意）表示到處都有、無處不在的意思，主要是結合超小型的微元件（思，主要是結合超小型的微元件（micro-devicemicro-device）、微晶片、微感）、微晶片、微感測元件（信號的接收、傳送機能）等，直接在現場、物體內部、測元件（信號的接收、傳送機能）等，直接在現場、物體內部、人體內藉由微包囊人體內藉由微包囊(micro capsule)(micro capsule)等作現場檢測，並與主系統作無等作現場檢測，並與主系統作無線傳輸的一種感測整合技術。線傳輸的一種感測整合技術。