實驗室首頁 指導教授 實驗室簡介 實驗室成員 生活剪影 

簡介

本實驗室草創立於民國94年,主要研究各類系統之模式建立、訊號分析、控制與參數最佳化。目前特定研究對象包括光電成像系統、空間領域強健控制以及數位影像系統,主要特色為在研究過程中應用各類資訊計算與最佳化演算法。

目前研究主題

1      光電成像系統 (Electrophotographic/Xerographic System)

資訊數位化的時代已經來臨,許多文字、聲音與影像資訊必須先轉換為01之訊號後以電子檔案之過渡形式儲存,隨後再透過各類呈現媒介 (印表機、螢幕、音樂播放機、放影機等) 將資訊以適當形式 (書、音樂、電影等) 傳達給消費者。印表機便是因應資訊儲存與攜帶需求而誕生之消費電子產品。以目前資訊化之工作型態及生活來看,印表機已經像一般家電普及於每個人的生活周遭,也成為一個競爭激烈的全球市場。雖然近年來電子書與電子紙裝置之興起擠壓到印表機市場,然而製造這些裝置卻必須仰賴早已應用於印表機之數位列印 (digital printing) 技術。因此國際知名的影像科學與技術 (IS&T) 學會近期已經將數位列印改名為數位製造 (digital fabrication),以鼓勵工業界與學術界繼續相關研究與開發新技術。

單色雷射印表機之模型建立、控制架構分析與控制系統設計

針對一類光電成像系統,研究降低或消除運動引致列印瑕疵之解決方法。研究對象為單色雷射列印系統。吾人針對其馬達/齒輪/OPC運動子系統發展結合重複控制之強健控制法則 (robust repetitive control) 以改善常見之列印周期性瑕疵與穩定列印品質。由於列印系統之運動品質是透過空間關係 (例如印點位置) 來影響列印品質,而且大部分之外來干擾為空間週期性 (spatially periodic),所以一個理想的控制法則應直接參考對應於空間座標之系統參數來作設計。故吾人進一步探討空間領域重複控制法則之設計。另外由於周期性瑕疵之可見度與人類視覺系統內之濾波過程有關,我們也引入一近似此濾波過程之函數 (即對比敏感函數) 來設計控制法則。

彩色雷射印表機之模型建立、控制架構分析與控制系統設計

延續前一主題,但我們轉移研究對象至更具挑戰性之彩色雷射列印系統 (另一類光電成像系統),主要仍在研究降低或消除運動引致列印瑕疵之解決方法。在控制架構分析方面,探討組合不同致動器與感測器對系統可觀測與可控制特性之影響並分析其對系統效能之助益。在控制法則發展上,有別於單色雷色印表機之單輸入與單輸出控制器設計,本研究面對的是具多個致動器與感測器之多輸入多輸出彩色雷射列印系統。我們針對一類致動器不足之彩色雷射列印系統提出新的伺服控制架構以解決列印影像常見之週期性瑕疵。此為國內外最早提供完整彩色雷射列印系統控制系統設計與分析之研究。

 

二維空間領域模式之建立與其在半色調法則之應用

針對一類光電成像列印系統進行空間影像詮釋相關問題之研究與實作。過去針對光電成像列印系統之模式建立多偏向於利用基本定律與函數對應。這些模式多使用在影像品質之預測,而缺乏控制或系統相關之理論分析。不同於傳統控制領域之模式 (通常獨立變數為時間且是一維模式),我們所需為二維空間領域 (獨立變數為位置) 模式。本研究主要探討如何建立此類二維空間領域模式,並將其引入半色調演算法則之設計。由於先前所建立之虛擬印表機有系統模式導致運算時間過長之缺點,在本研究中我們另外考慮將其簡化為不同操作點之諸多線性模式,即調變轉移函數 (MTF; modulation transfer function)

發展新型基於模式之半色調演算法則

我們持續從最佳化方法與系統控制的觀點來重新檢視、定義與分析一些之前均被視為偏影像與訊號處理問題,發展與設計相關半色調處理法則,並使用雷射列印系統進行驗證。不同於先前之研究採用過於複雜之虛擬印表機模式或過於簡化之線性模式來逼近系統,本研究將尋求適當之二維空間領域非線性模式,其輸入與輸出之關係相當於先前建立之虛擬印表機 (不侷限於操作點附近之逼近),但所需計算複雜度則遠低於虛擬印表機。我們將特別探討使用模糊系統與類神經網路建構模式之可行性。其次將利用此模式發展新型基於模式之半色調演算法則,我們預期其列印影像之品質可以與使用虛擬印表機時之品質相當。研究成果預期將顯著改善雷射列印系統之列印品質,所建議控制導向之系統方法也可以升級工業界設計生產相關產品之技術。透過本計畫也希望能提升國內學術界相關研究之水平。本研究計畫所發展之系統模式建立、系統鑑別與半色調法則經過適當修改後亦適用於噴墨印表機與其他影像系統。

 

2      空間領域強健控制 (Spatial-based Robust Control)

研究如何直接在空間領域 (spatial domain) 發展相關強健控制法則。假設設計者對系統之模式架構不完全了解,換言之實際系統之參數與階數存在某種程度之不確定性。一般可考慮系統之參數未知但為有界常數或隨角位置周期變化,另外考慮系統受到隨角位置周期變化與非週期性但有界之外來干擾影響。欲控制之系統可運作於不同轉速或速度,即其轉速/速度可以做步階式切換或更複雜之情況為可任意變化。系統之輸出 (位置、轉速/速度等) 則必須追蹤一預先設計好之參考命令。我們希望發展適用於一般系統之控制法則設計架構,控制法則將在空間領域進行設計、分析與穩定性證明。所發展之設計架構將兼具重複或遞迴學習控制、線性強健控制與一般非線性控制之優點,即能對抗模式不準、參數未知與外來干擾,並可在系統穩定/效能與不確定性間作彈性調整。透過將不確定性隨()位置週期變化之資訊引入控制法則設計,我們預期所發展之控制系統相較使用傳統設計方法之系統將具備更多之功能與較佳之效能。

空間領域強健性重複控制

本研究延續之前所發展之位置領域控制方法再做深度與廣度之擴充。鑑於旋轉運動系統所具備之非線性與不確定性通常會隨角位置呈週期性變化,本計畫之目的即在研究如何充分利用此特性直接在角位置領域發展相關控制法則。

3      數位影像系統 (Digital Imaging System)

有三大因素會影響影像擷取設備捕捉之影像:景物內容 (景物之形狀、位置與表面反射特性),景物週遭光源 (位置、強度與顏色) 以及擷取設備動態頻率響應。許多現有影像相關應用非常依賴景物內容顏色不隨時間與空間改變 (或變動太大) 之特性,但卻都忽略光源可以對景物顏色造成劇烈變動之事實。例如根據顏色辨識物體之系統可能運作失常,原因在於其仰賴建立大量物體在正常光源下反射之顏色資料庫,卻運作於偏離正常光源之環境。對於這類應用,色彩平衡可以成為極有用之影像前置處理,其相關研究仍是一個蓬勃發展之領域,從熟知之影像擷取裝置、工業界檢視生產元件之機器視覺、學術界研究多年之電腦視覺、日漸興盛之機器人甚至醫學界之遠端看診,都可找到其應用場合,新的應用預期也會日漸增加。隨著相關產品與應用變得熱門,相關硬體也跟著蓬勃發展,預估產品之效能也將愈受重視。而提升產品之影像品質除了透過發展與使用更好之硬體外,另一個可以降低成本之方向便是從演算法著手,但目前現有之演算法其智慧強健性均有待加強,即其適應不同光源與景物之能力均十分有限。另外許多方法牽涉到須對影像內容進行推理與判斷,但卻少有方法使用模糊推理系統來輔助定義與解決問題。

智慧型色彩恆常演算法

本研究主要在發展智慧型白平衡演算法,並探討其在工業界機器視覺之應用以降低其對光源之要求。有鑒於工業界對於影像擷取與顯示裝置色彩平衡之需求與日俱增,但礙於產品開發流程之時間壓力,人員也欠缺時間提升相關學識,因而對較複雜但能提供較高效能也較穩定之演算法望而止步。為了拉近彼此距離,本計畫特別規劃利用目前工業界廣泛使用之FPGA硬體電路與VHDL硬體描述語言來規劃與實現先前所開發之色彩平衡演算法,最終將實際使用一基於FPGA之原型數位相機開發平台進行驗證。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Since 2005