科學人新聞

麻瓜版「劫盜地圖」

2020-08-01 撰文/布希維克(Sophie Bushwick)
新型感測器可遠距偵測個人步態,藉以辨識身分,甚至監測健康狀況。


不是只有指紋這類生物特徵可用來識別個人,每個人走路的步態同樣獨一無二,除了可以用來辨識身分,還能探知心情和健康狀況。美國卡內基美倫大學的研究團隊開發新型遠端感測器,藉由測量細微的地面振動來分析步態。研究團隊運用這項技術,尋找進出大樓的特定人士,同時測試遠端監測健康狀況的新方法。


盧海永(Hae Young Noh)在卡內基美倫大學擔任土木及環境工程師時開始進行這項研究,後來轉任史丹佛大學。她表示「每個人走路的方式都不一樣」,步態可透露「個人身分、所在地、正在進行的活動,甚至是認知狀態。」當感測器偵測到某種步態時,軟體就可進行分析,找出此人身分。雪城大學(Syracuse University)電子工程師及電腦科學家波哈(Vir Phoha)沒有參與這項研究,他指出,早期這類系統辨識身分的準確率為95%。


波哈進一步評論,步態不只會透露身分,「我們可從一個人的步態得知許多資訊,包括健康狀況。」舉例來說,如果一個人的重心逐漸偏向某一邊,像這樣與平衡有關的改變或許代表神經系統出現問題,這項資訊可協助醫師照護希望自主生活的銀髮族和其他高風險族群。觀察步態可隨時得知照護對象的健康狀況,但不侵犯其生活空間。


以往為了測定這項包含大量資料的特徵,研究人員必須讓照護對象穿戴特殊裝置,或者行走在地墊及改裝過的地板上。不過一般牆壁和地板也能反映活動產生的細微振動,盧海永和卡內基美倫大學電子電腦工程師張旆(Pei Zhang)等人借助這點,開發遠端運作的攜帶式步態感測器。盧海永表示:「我們稱這種方法為『建築即感測器』,把大樓和橋樑等大型建築當成感測系統,間接監測人類和周遭環境。」


要偵測腳步產生的振動,需要極為靈敏的感測器。張旆說:「為了測試感測器的靈敏度,我們把感測器放在地面,發現它能感測到心跳。」盧海永表示,這種圓筒狀感測器有數公分高,放在地板上可監測20公尺外走過的行人,研究人員可把這些感測器分散放置,偵測一塊區域內的腳步。


不過,研究團隊首先必須「教會」這套系統分辨腳步訊號和熱鬧大樓中的背景雜訊,盧海永表示:「我們最大的挑戰就是對抗雜訊。」處理雜訊需要硬體和軟體兩方面的解決方案。在硬體方面,每個感測器都具有放大器,可自動依不同比例放大腳步振動訊號:振動來自遠處時,放大器可擴增振動訊號;當訊號越來越強,可能影響感測器時,放大器則會降低靈敏度。


感測器接收到腳步訊號後由軟體接手處理。盧海永表示:「我們採用多種訊號處理和機器學習技術,來得知人類產生的訊號和其他雜訊的比例。新感測器偵測出的步態,與穿戴裝置或壓力感測墊等其他感測方法產生的資料一樣,可用於辨識身分以及某些潛在健康問題。此團隊已經在好幾場研討會和講座上發表研究成果,最近一次是今年2月的實驗力學學會國際模型分析研討會。


這套系統可在電腦螢幕上即時呈現行人的狀態,讓研究人員聯想到「劫盜地圖」,那是小說《哈利波特》中出現的神奇平面圖,能追蹤校園中每個人的位置。英特爾物聯網總工程師及主管史庫勒(Eve Schooler)表示,小說裡的地圖只能用在校園裡,這種新型感測器卻可用在任何建築中。史庫勒並未參與這項計畫,但曾經和這些研究人員合作,她評論:「此團隊開發的演算法讓計算結果可以轉換到其他地點,這點相當有趣。我們不需要執行校準來找出大樓各處所有人的特徵,他們的技術可以幫我們完成這項工作。」這套實驗性系統「學會」辨識一個人的步態特徵後,感測器就能判定這個人在辦公室還是在家裡......


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