4. Cyber Physical System (CPS) and 擴增實境(AR)

信息物理融合系統(Cyber-Physical System, CPS)

 一個結合電腦運算領域以及感測器和致動器裝置的整合控制系統。 CPS實現計算、通信與物理系統的一體化設計,可使系統更加可靠、高效、實時協同,具有重要而廣泛的應用前景。

CPS 具有自適應性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性等特點和要求。物理構建和軟件構建必須能夠在不關機或停機的狀態下動態加入系統,同時保證滿足系統需求和服務質量。CPS不僅能夠從環境中獲取數據,進行數據融合,提取有效信息,並且根據系統規則通過效應器作用於環境。

目前已有某些領域出現似於CPS的電子控制整合系統,例如航空、汽車、化學製程、基礎建設、能源、健康、製造、交通控制、娛樂和消費性電子產品,但目前這些系統通常都是嵌入式系統, 嵌入式系統比較強調機器的計算能力,CPS則更為強調各個實體裝置和電腦運算網路的連結。

CPS是借用技術手段實現人的控制在時間、空間等方面的延伸,CPS系統的本質就是人、機、物的融合計算。

所以,國內又將CPS稱為人機物融合系統。 和傳統的嵌入式系統不同,一個完整的CPS被設計成一個實體裝置的互動網路,而不只是一個單獨運作的裝置。這個概念類似於機器人網路和無線感測網路。


實例

CPS的主要應用在感測器系統和自動系統上,例如:有許多無線感測網路監控環境並且將資訊回傳到主控節點。其他類型的CPS包括了自動車系統、醫療監控、流程控制系統、分散式機器人和航空自動駕駛系統。

  •   MIT的The Distributed Robotic Garden:
    麻省理工學院(MIT)大學部的一班學生,已製造出一批能夠為小番茄(cherry tomato,又稱櫻桃番茄)澆水、傳授花粉和收成的機器人。這些植物能夠透過土壤裡的感應器,通知網路它們需要水或肥料。機器人利用攝影機清點果實,而且它們附有小番茄基本成長模式的程式,使它們大致知道何時可以收成。這些造價3000元的小機器人會在果園裡移動,根據植物的需要為它們澆水,並用機械臂把成熟的果實摘下來。
  • MIT 「分散式機器人實驗室」主任丹妮拉 拉斯(Daniela Rus)去年春天開課,第一學期教授創造和利用機器人的基本知識,第二學期要求學生針對現實世界的問題製造機器人,並挑戰學生在學期結束前設立「分散式機 器人菜園」(distributed robotic garden)。
  • 另外一個MIT正在發展的CPS系統是cartel計畫,這個計畫裡,有一隊的計程車會蒐集波士頓的即時交通資訊,路徑規劃就可以使用即時的交通資訊和歷史資訊規劃出最快的交通路徑。

挑戰

  • 計算速度,由於很多CPS需要海量運算,當前嵌入式系統的計算速度還無法滿足這一要求,可以想像在智能交通系統中高速運動的汽車長時間等待一條指令的情況下時將會發生什麼危險
    事情。
  • 網絡通信效率,就目前的互聯網來說,在網絡擁堵的情況下點擊一個頁面出現幾秒鐘延遲是常見的事情,然而在CPS中,如果一輛汽車需要立刻採取剎車措施時遲遲得不到指令是很危險的。
  • 研究條件,從CPS的特點我們已經知道它是一個橫跨多個學科的領域,儘管人們已經意識到學科交叉的重要性,但在目前的教育和評價體制下,學科之間的融合顯得缺乏動力。由於工業界和學術界對科研成果的評價指標不一致,使得高校和科研機構不願投入時間和資源來研究和弄懂工業界所遇到的實際問題。



AR〈Augmented Reality擴增實境〉

 指的是會把虛擬資訊加到使用者感官知覺上的電腦顯示器。

大多數AR研究都集中在「透視」裝置,通常戴在使用者的頭部,把圖像和文字加到使用者觀察周遭 環境所產生的畫面上(虛擬資訊也可以是其他的感官形式,例如聽覺或觸覺)。

AR系統會追蹤使用者頭部的位置與方向,好讓疊上去的東西能對準使用者看到的世界。透過這種稱為「登錄」的程序,繪圖軟體可以加上一些東西,例如把一個三維的茶杯影像放在一個真實的碟子上,而且隨著使 用者在房間裡走動,還要讓這個虛擬茶杯固定在那個位置。

廣義上來講,所謂的AR 是將電腦的資訊疊合到現實世界,讓我們在正確的時間正確的地點取得〈感官的〉正確資訊,而VR〈Virtual reality虛擬實境〉企圖取代真實世界,以往通常就是在電腦裡面製作產生一個虛擬的環境,將資訊放置在裡面,而操作者可以藉由控制器或鍵盤在這個虛擬的環境下穿梭或互動,相對之下AR則是在現實中擴增資訊。

 

應用

醫療

醫生可以利用擴增實境技術,輕易地進行手術部位的精確定位。目前所運用於醫學方面的技術有:虛擬實境的超音波顯像系統、放射線治療以及手術模擬等等的技術。

工業

目前主要用於大型器械的維修和製造上。通過為維修人員裝備頭戴式顯示器,維修人員可以在維修時輕鬆獲取對他們有用的很多幫助信息。

軍事

最早軍事運用虛擬實境是用於「模擬飛行」,因軍用飛機造價昂貴,若於訓練過程因為駕駛員技術不夠純熟而發生意外,其損失將十分慘重。 

娛樂

目前已有部分的APP具備擴增實境的遊戲效果,藉由位於裝置上的鏡頭,結合螢幕上的遊戲內容來達到一種互動式的遊戲體驗。

生活

生活中最有可能接觸到擴增實境的機會應該是「虛擬試衣間」,目前已有用XBOX的Kinect做出的虛擬試衣間,使用者僅需選擇中意的衣服,而電腦則是把人體模型及虛擬物件做結合,並把結果顯示在顯示器上。


Google debuts Project Glass Augmented reality glasses

http://www.youtube.com/watch?v=XS_PPeHlRtc 

最近消息

https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=9c6W4CCU9M4

Google擴增實境之AR眼鏡計畫「Project Glass」
這支 Google 大神所設計出來的眼鏡,等於把所有手機型、電腦型的智慧型行動裝置給做上眼鏡框裡了,透過VR虛擬擴增實境的互動技術發揮威力。如此一來,我們將不用再當低頭族,想要什麼訊息就用說的,隨心所欲。只要透過一副內建攝影機的銀框眼鏡,我們就可以透過聲控,來做一些拍照、認路、聯絡朋友或隨時收發電子郵件、瀏覽天氣及交通資訊...等事情,實現融合日常生活和網路世界的夢幻願景。

下面則是一段 Google Project Glass 中的說詞,我們把它翻譯成中文讓大家更容易瞭解。

我們認為科技應該在您有需要的時候出現協助,並在不需要時隱形起來。

 在 Google X 的團隊開啟了「Project Glass」計畫,來打造特別的科技,幫助您探索與分享世界,並讓您可以回憶每個重點時刻。現在我們將這些訊息分享給您,我們想要開始與大眾交換意見,藉此吸收更多有價值的內容建議。因此,我們製作了一些概念式的影像來秀出這個全新的科技有多酷,並且製作了一段影片來演示這科技到底在做些什麼。



Lynx Excite Angel Ambush London Victoria

http://www.youtube.com/watch?v=rFuUFeQIdpk


實例影片:

http://www.youtube.com/watch?v=M4Dv4KHkSOc&feature=related

 

資料來源:

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B6%B2%E5%AE%87%E5%AF%A6%E9%AB%94%E7%B3%BB%E7%B5%B1

http://www.wretch.cc/blog/richlotw/11441391

http://www.pcexpert.com.tw/AR/AR.htm

http://sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=featurearticles&id=67

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%93%B4%E5%A2%9E%E5%AF%A6%E5%A2%83

http://www.skyhunter.com.tw/blog/?p=454

http://www.mcu.edu.tw/Internet/VR/vr-def.htm

http://photoonline.com.tw/article-661-1.html