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i逢甲大學自動控制工程學系碩士班碩士論文可眼控及頭控之多功能PCCamera之研發與應用DevelopmentandApplicationofAMulti-functionalPCCamerawithEye-trackingandHeadControlledSystem指導教授：林宸生研究生：郭靜男中華民國九十二年五月二十八日ii感謝回首逢甲自控所兩年，說是我人生最精彩的兩年一點也不為過，在自控系培育之下，不僅是在專業領域上的學習，點點滴滴的生活經驗更是讓我成長許多。感謝所有自控所的老師與助教。特別要感謝的是我的恩師林宸生博士，感謝您在課業上的悉心指導，感謝您在研究上的殷勤教誨，鼓勵學生參與各項競賽，讓學生在人生的經歷上更加豐富，感謝您在各方面的經驗傳承，使得學生能夠順利完成本論文，師恩浩蕩，永銘於心。本研究承蒙中科院購案計畫BV91U14P的經費支持，特別感謝口試委員中山科學研究院葉茂勳博士與榮睿生物科技苗羅華博士於百忙當中抽空前來給予論文的指導，使得本論文能更佳的完善與充實，在此表達最深敬意。於論文研究期間，感謝學長詹兆寧、詹世祥的不吝指導，同學吳昭穎、吳明貴、黃柏強的相互砥礪，交換彼此的研究心得，感謝學弟許宏駿、陳弦澤、學妹鄭薇芬的大力協助，使我的論文能順利進展。另外每天在實驗室共同奮鬥、一起生活、一同成長的伙伴昭穎、明貴、柏強、政宏、宏駿、弦澤、薇芬、宗棋、家銘、俊宏以及好友怡貞，謝謝你們陪伴著我渡過這精采的兩年時光，這是個非常美好的回憶。最後，僅以本論文獻給我最敬愛的父母親及哥哥，感謝你們的養育之恩及二十多年來的鼓勵與關懷，謝謝你們的支持。同時也向我身旁所有關心我的朋友們，獻上最深的祝福與感謝。iii中文摘要眼控與頭控系統的研究，在國內外已陸續有相關的成品出現，也經過許多的身心障礙者的測試，但由於種種因素，此類的電腦輔具至今仍然無法普遍化，其中最主要原因即是操控性能未能達到使用者的理想及價格未能合理地受使用者之認同。本論文針對眼控與頭控系統之架構，建立於USB2.0介面之PCcamera上，利用PCcamera直接取像並經由影像處理而達到控制滑鼠的目標。硬體方面，使眼控及頭控系統能改善先前使用影像擷取卡而成本過高的缺點，並且能跳脫硬體上之限制，使此二系統適用於任一型式之USB2.0介面PCcamera。軟體部份，針對PCcamera之影像輸入提出更適合於PCcamera之眼控及頭控系統演算法則，可以有效地提升眼控及頭控系統之效能。ivAbstractEye-trackingandheadcontrolledsystemhasbeendevelopedasacomputerinterfacetechnologyforseveralyears,manyproductsaretestedbythedisableperson,buttheyarestillnotverypopularnow.Themostreasonsaretheoperationsofthesesystemsaredifficult,andthecostisstillveryhigh.Inthispaper,wedevelopeye-trackingandheadcontrolledsystembyeusingPCcamerawithUSB2.0interface.Itcanreducethecostofthesetwosystemsgreatlywithoutaframegrabberforimageprocessing.TheImageinputatthechanneloftheUSB2.0PCcameradirectly,wecancontrolthecursorofthemousethroughthesequentialimageprocessing.ThesesystemscanbeusedonallkindsofUSB2.0PCcamerasandgetridofthelimitationsoftheexpensivehardware.Withthecombinationoftheneweye-trackingandheadcontrolledalgorithms,thesensitivitiesandoperationsofthesesystemswouldbeimprovedoutstandingly.v目錄感謝.................................................................................................................................i中文摘要......................................................................................................................iiiAbstract.........................................................................................................................iv目錄................................................................................................................................v圖目錄......................................................................................................................vii表目錄........................................................................................................................x第一章緒論.................................................................................................................11.1研究背景與動機.............................................................................................11.2研究目的及其重要性.....................................................................................31.3國內外有關本研究相關情況.........................................................................41.3.1眼控系統之相關研究..........................................................................41.3.2頭控系統之相關研究..........................................................................81.4本期研究重點...............................................................................................10第二章理論基礎.......................................................................................................122.1眼球軌跡追蹤原理.......................................................................................122.1.1眼球中心位置搜尋............................................................................122.1.2眼球移動方向辨別與追蹤................................................................132.1.3眼控座標系統轉換............................................................................172.1.4眼球軌跡記錄—使用多執行緒........................................................212.2頭部移動追蹤原理.......................................................................................222.2.1頭控系統光源追蹤原理....................................................................222.2.2背景光源雜訊之消除........................................................................232.2.3頭控座標系統轉換............................................................................27vi第三章USB2.0眼球軌跡追蹤系統........................................................................283.1系統架構.......................................................................................................283.2系統軟硬體設計...........................................................................................303.3系統操作流程...............................................................................................36第四章USB2.0頭控系統........................................................................................414.1系統架構.......................................................................................................414.2系統軟硬體設計...........................................................................................424.3系統操作流程...................................................