基於AI人臉網格辨識技術醫療燈具自動追蹤之開發

LWCJacky 2024/10/6 計劃書RMVC人臉追蹤系統

# 一、研究目的：

本計畫旨在開發一款具有自動人臉追蹤功能的智能手術燈。透過影像辨識技術與精密控制演算法，手術燈能夠自動鎖定並追蹤手術室中的醫療人員臉部位置，確保照明始終保持最佳角度。此技術可減少傳統手術燈需要頻繁的反覆操作，造成醫師疲勞問題，提高手術環境的便利以及減少分心的機會。本研究希望提升手術燈系統的自動化水準，為醫療器械的智慧應用樹立標竿。

# 二、文獻探討：

# 影像辨識技術：

針對人臉追蹤需求，檢視現有影像辨識模型的準確度與可用性，探討各種影像辨識技術如何應用於醫療器材中。在確認現有模型的適用性後，選擇適合應用於手術燈控制的辨識技術。

# 控制演算法：

回顧自動控制理論，尤其是PID控制在誤差調整、穩態誤差抑制及追蹤精度上的應用。探討如何應用PID演算法在動態環境下保持人臉追蹤的穩定性。

# 系統人機互動優化：

參考相關醫療設備的使用者界面設計，研究如何在設計中提升操作便捷度，以滿足醫護人員的使用需求。

# 三、研究方法及系統架構：

# 機構電控系統開發:

為了實現即時的響應，我們挑選市面上，可以做到高響應的步進馬達控制系統，以及軸卡插補運動控制器，且在原先的步進馬達的架構上加入磁編碼器，和FOC控制模組，讓原先開迴路的步進系統，實現封閉迴路控制，選擇這樣的架構可以最大化減少驅動器的體積和，達到高響應且不會失步的效果，以避免在與人協作的情況下導致定義遺失。

# 影像辨識及追蹤設計：

為了確認影像辨識技術的可行性，我們首先進行市面現有模型的適用性測試。最終確定使用深度學習模型進行人臉識別，該模型具備高準確度並能在複雜環境中穩定運行。

# 座標轉換與控制策略：

初始階段，我們嘗試透過投影向量的方式計算轉移矩陣以轉換座標。然而，由於此方法對鏡頭校正的精確度要求高，且鏡頭與目標物的距離和角度無法變動，因此最終改採更穩定的控制策略，即使用攝影機居中設置並隨機構移動。

# PID控制架構：

根據影像取得的位移數據（像素矩陣），我們將影像劃分為四象限，計算x與y軸的偏移量作為控制誤差，再使用PID控制演算法將此誤差轉換為手術燈的追蹤運動指令。為應對不同環境和狀況，控制器可根據需求設置不同的kp、ki、kd參數。

# 四、系統實作：

# 影像辨識與追蹤演算法實現：

經過多次測試，我們選擇了一款高效的開源人臉辨識模型，並加以微調以適應手術燈追蹤需求。該模型在追蹤誤差小於3像素時仍能保持穩定，並且對光線變化有較強的抗干擾性。

# PID控制系統設計與調整：

在控制過程中，發現單純的誤差校正會引起過度擺動，因此我們針對不同情況設置了誤差抑制範圍，確保系統能自動修正過大或過小的輸出值。
當初設計的PID控制器輸入數值範圍過小，導致追蹤精度不夠。我們將像素偏移量直接映射為高值輸出，透過控制器的浮點數輸入，使得輸出更加精確。例：將10,000的輸出對應為控制輸出0.1，有效提高了調整靈敏度。
我們設計了特殊情況的重置功能，在追蹤對象消失或PID積分累積過大時自動清除累積誤差，避免誤差累計過多導致追蹤失準。
避免抖動與穩定度改善：由於快速追蹤過程中影像辨識容易受動態模糊影響，導致短暫判別失誤，機構頻繁返回初始位置。我們加入延遲判斷函數，使系統在持續無法辨識的短時間內不會立即觸發回歸，避免高頻抖動。

# 配置文件與操作優化：

為了提高使用便利性，我們設計了一個配置文件，將所有PID參數、控制模式及串口號等設定儲存在配置文件中，使用者可透過文字編輯器快速調整配置。
加入log紀錄系統，當初始化或異常發生時記錄當時的狀況，方便後續問題排查。

# 五、結果與討論：

本系統成功實現了手術燈的人臉自動追蹤功能，並透過多次調整及改良，達到了穩定的追蹤效果。尤其是針對動態模糊問題，通過引入延遲函數及誤差抑制策略，顯著減少了追蹤過程中的抖動現象。配置文件和log系統的設計使得系統易於配置，使用者可根據需求快速調整，並在發生錯誤時具備記錄追溯能力。然而，本系統在某些極端情況下（如特定光線條件或高頻率的快速移動）仍會出現短暫追蹤失準，需進一步優化影像處理模組以增強環境適應性。此外，在後續開發中，可探討採用更高效的控制策略（如增強型PID或模糊控制）進一步提升控制精度。

# 六、參考文獻：

蔣沛芸（2020）。使用人工智慧於醫療影像的分析〔碩士論文，國立暨南國際大學〕。華藝線上圖書館。https://doi.org/10.6837/ncnu202000029
蔡孟庭（2021）。應用影像辨識技術於口罩辨識警示系統〔碩士論文，義守大學〕。華藝線上圖書館。https://www.airitilibrary.com/Article/Detail?DocID=U0074-0709202113281900
洪美玲、顏錦柱、賴寵文、邱銘彰、劉修綜（2005）。直流馬達定位控制－最佳PID控制器之設計。技術學刊，20(2)，195-200。https://doi.org/10.29507/JT.200506.0010
陳信文（2015）。基於最小追蹤誤差與頻域限制條件之伺服馬達PID控制器參數自動調整法則〔碩士論文，國立交通大學〕。華藝線上圖書館。https://doi.org/10.6842/NCTU.2015.00003

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