文化大學數位影像處理技術的應用之例 2005年時，文化大學電機系學生陳柏皓等人曾經將數位影像處理作為棒球投手球路軌跡的分析與重建之用，他們使用兩台高速攝影機與電腦，成功地將投手投球進入本壘區時的三度空間（3D）球路軌跡重建出來，並申請到我國之發明專利

以兩台高速攝影機與電腦組成的3D球路軌跡重建原理示意圖

吾人研究球路軌跡的動機 自1999至2006年間，中華成棒隊從未在國際比賽中擊敗過日本投手松坂大輔，因為其滑球、變速球、魔球等球路軌跡均與他人不同 日本投手野茂英雄在1995至1997年全盛時期，美國職棒大聯盟以「目測」法估計其指叉球下墜幅度可達50cm以上，威力十足

棒球球路特性描述 投手丘至本壘板的距離為18.44公尺，時速150公里的快速直球之飛行時間約為0.44秒；時速140公里的快速球之飛行時間約為0.47秒；時速130公里的直球之飛行時間約為0.51秒 好的變化球，大約在投手出手後飛行2/3距離(約距離本壘前6公尺)開始變化，如此較能吸引打擊者出棒 失控而偏高的球路易被擊出成為全壘打 (示範：陳金鋒 vs 中村隼人、上原浩治 )

直球之特性、握法與旋轉方式(以右投手為例) 直球可分為四縫線握法與二縫線握法 四縫線直球的握法與打擊者自本壘區觀察之旋轉方式 (示範：林岳平) 球速通常較變化球快。而有「尾勁」的直球，進入揮棒區時，打擊者會「感覺」上飄(示範：郭泓志) 四縫線(左)握法與二縫線(右)握法之球路軌跡略有不同

曲球之特性、握法與旋轉方式 曲球出手時球略往上拋，軌跡很接近拋物線，變化十分顯著 「小便球」為曲球之特例，軌跡為非常典型的拋物線，進入揮棒區時幾乎是垂直落下

只有水平位移的滑球(左)、會小幅度下墜的滑球(中)與伸卡球(右)之旋轉方式 滑球是成棒投手最常使用的變化球路，其軌跡主要呈水平變化，有些則會下墜 伸卡球之軌跡與滑球相反(示範：王建民)

變速球 變速球的幾種握法(球不太旋轉) 變速球除了會變速外，還會下墜(示範：松坂大輔)

指叉球 指叉球(球不太旋轉) 進入揮棒區時，下墜幅度很大，常衍生出許多變種球路(示範：橫田久則) 螃蟹球(類似指叉球) (示範：李居冠)

下勾投法所投出的上飄球 下勾投法又稱為潛水艇式投法，由於投手出手角度較低，所以球會逐漸上飄至本壘區域(示範：廖于誠) 不少人懷疑非下勾投法的投手是否能真的投出上飄球，因此值得研究

根據上述系統所重建的3D球路軌跡圖形，可以看出文化大學棒球隊曾姓投手的指叉球之球路明顯下墜，符合基本的要求；但是許姓投手所投之指叉球的球路軌跡則缺乏變化而近似直球

文大棒球隊廖姓投手所投之滑球的3D球路軌跡，吾人可以發現其投出第一個滑球會往右打者的外角略為轉彎，但是投出第二個滑球時，其球路軌跡則近似直球，因此表示廖姓投手對滑球的控球之準確度並無法達到100%，所以必須多加練習

雷射與其應用 1950年代，由H. Townes、N. G. Basov與A. M. Prokhorov 等人利用「受激輻射 (Stimulated Emission)」的理論，製作出微波(波長0.1-10cm)放大器的裝置 ，稱之為梅射( Maser)，此即為雷射( Laser) 光的前身。而1964年此三人共同獲得諾貝爾獎 1960年，梅曼(T. H. Maiman) 製作出全世界第一台可見光範圍(波長400-800nm)的雷射─紅寶石雷射，它的波長為694.3nm。而梅曼後來被尊稱為「雷射之父」

雷射光的基本特性 光束筆直性：雷射光束幾乎呈一直線，散射角很小 單一波長性：雷射光的波長範圍很窄，幾乎為單一波長 高同調性(High Coherence) ：雷射光波之間的相位(Phase)幾乎固定，因此適合做光學干涉(Optical Interference)方面的實驗與應用 其他

雷射光束筆直特性之應用─雷射瞄準器與雷射指示筆(Laser Pointer) 放置在槍枝上，雷射光束可協助瞄準目標物 雷射筆可用於上課、演講之中，指出投影幕上的重點位置

雷射讀寫頭(Laser Pickup Head) 雷射唱盤之讀寫頭所發出的光束(左圖中紅色光點) ，可取代傳統唱機之唱針(右圖)，用來讀取儲存於光碟上的訊號

雷射光碟的優點 儲存容量大 傳統唱片、錄音帶易被唱針、磁頭等刮傷、磨損導致變形，保存不易；而雷射光碟由於讀寫頭不直接與光碟片接觸，且製作技術較進步，因此一般可保存30年以上 標準CD的直徑為12公分，它約可儲存80分鐘的聲音，而8公分的CD則常被用作單曲雷射唱片，約可儲存20分鐘的聲音資料 CD的同類產品包括影音光碟（Video CD, VCD）與數位多功能光碟（Digital Versatile Disc, DVD）。CD技術其後被用作儲存電腦資料，稱為CD-ROM 一張等級最差的單面單層DVD，其容量約為4.7GB，即可儲存2小時的電影

VCD/DVD光碟(機)與新一代光碟(機)之比較 傳統的VCD/DVD光碟，儲存的資訊量較少，而其光碟機之讀寫頭使用較長波長(650nm)之紅色雷射光；而新一代藍光DVD，儲存的資訊量較大(27GB)，而其光碟機之讀寫頭使用較短波長(405nm)之藍色雷射光。因為波長較短的雷射光才可聚焦在較小之區域範圍，讀取較密集的資料 台大物理系的蔡定平教授與其指導的學生團隊，就曾在2002年利用奈米科技（Nano Technology）與近場光學（Near-Field Optics）理論，研發出當時全世界容量最高的100GB近場光碟片

雷射切割機或雷射手術刀 將雷射光束能量集中在一塊微小區域，可產生高熱，能切割金屬或割除身體上的痣、息肉、腫瘤等 一般手術需將手術刀消毒，如果手術刀消毒不完全易造成傷口感染，而雷射手術並無手術刀，因此可降低感染風險，且雷射產生的熱具有殺菌效果 一般手術刀之刀刃較厚，手術切割時出血量較大；而雷射光束可聚焦在一小點，相當於用較薄之刀刃切割，因此手術時出血較少，且傷口癒合較快

雷射針灸 以雷射光束取代傳統金屬刺針，插入穴位可治療疾病、疼痛等 雷射光照射人體皮膚後，經由電磁效應或光化學作用，會刺激淺層皮膚內種種生理及代謝反應，例如血管擴張、去氧核醣核酸（DNA）合成增加、膠原組織增生、免疫功能增進等 雷射針灸因為沒有實際的針刺入身體，可避免感染或其他侵入性的傷害 雷射光還可加上弦波、方波、三角波等電氣調變訊號輔助，治療更多各式各樣的疾病

眼罩式低功率雷射針灸儀─採用自動化內建療程，配戴眼罩透過電腦點選就可進行 (中原機械系章明教授研發)

雷射測距儀與雷射掃瞄儀 雷射測距儀在1970年代問世，只要將雷射光束對準目標發射，待接收反射訊號後即可計算其距離 將雷射測距儀的雷射光束對目標物表面各處作快速掃瞄，配合影像處理系統，即可成為雷射掃瞄儀

雷射掃瞄儀的應用 雷射掃瞄儀掃瞄高雄中油煉油廠中複雜的輸油管線與鷹架 左圖為雷射掃瞄儀所掃瞄出的維也納歌劇院，將歌劇院外圍與觀察者之間不同距離的景物以不同的顏色顯示。右圖則為實際影像 雷射掃瞄儀掃瞄高雄中油煉油廠中複雜的輸油管線與鷹架

雷射投手控球訓練機 利用雷射/感測器陣列，偵測棒球所在之位置，可訓練投手投出邊邊角角的好球，增強其控球能力

投手控球訓練機之原理 以下圖為例：當球通過雷射/感測器取樣平面時，球會擋住水平方向第5道及垂直方向第8道雷射光束，因此對應位置之光感測器便無法接收到信號，如此便可知道此時球的位置 多設幾個取樣平面，便可描繪出球的軌跡；如果還能記錄球通過各個取樣平面的時間，便能推算球的速度

雷射光之高同調性的應用 全像術(Holography) 各式各樣的光學干涉實驗

全像術(Holography)與3D影像技術 全像術是利用光學干涉原理做出來的，而雷射光之同調性高，因此特別適合做全像片(Hologram) ，觀看全像片時，必須要用製作此全像片時相同的光源來照射，才能產生影像 全像片為一種3D立體影像，觀察者站在不同角度，即可看到不同位置之景像 一般照片為2D影像，觀察者即使站在不同角度，也只能看到相同的景像。例如一個人的正面照片，絕不可能從照片中看到其側面或背影 一般照片之底片如果損毀，即無法重建影像。但是全像片底片如果被撕毀只剩一小片，仍然能重建全部影像 產生3D立體影像的方式除了全像術之外，還有許多方法

3D影像原理

各式各樣的3D影像原理與技術

雷射光其他性質的應用 雷射印表機 雷射藝術或裝飾、煙火秀等

雷射印表機簡介 雷射印表機的的原理和影印機類似。影印機使用可見光掃瞄列印滾筒，雷射印表機則改用雷射，解析度較佳。列印時印表機接收電腦傳送的資料，而雷射光則照射到滾筒，被照到的地方會帶靜電，靜電會吸引碳粉，再由滾筒壓印碳粉至紙張，經熱處理固定，即完成列印的動作

顯示器、數位相機/攝影機

顯示器的演進 傳統的電視及電腦等均使用陰極射線管顯示器(CRT Display) ，其螢幕解析度差、厚且笨重、耗電量大、散熱不易 近年來液晶顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)及電漿顯示器(Plasma Display Panel, PDP)越來越普及，其解析度佳、耗電量小、形體薄、質量輕，於是CRT Display便逐漸遭到淘汰 我國政府在2002年提出的「兩兆雙星產業發展計畫」中，極力推動台灣成為全球第一大LCD面板供應國，但是電漿顯示器產業並不在當時政府的規劃之中

觸控式面板設計(清雲科技大學電子系廖裕評主任演講實況)

電漿顯示器之原理與優點 利用惰性氣體(Ne, He, Xe等)放電時所產生之紫外線激發彩色螢光粉，再轉換至人眼可接受之可見光 視角寬廣，可達到160度，在任何角度都可輕鬆的觀賞 螢幕邊緣的影像不會扭曲 做成大尺寸螢幕非常容易 省電

電子紙張顯示器 電子紙張是一種很薄的顯示器，能像紙張一樣可以折疊，或是捲起來，因此攜帶十分方便 未來報紙、雜誌、書籍如果都採用電子紙張並結合網路功能，便可隨時更新內容 電子紙張屬於「軟性電子材料」產業，我國工研院目前正結合台科大、交大、中央、台大等校光電相關系所大力發展中

日本Hitachi公司於2006年所開發成功的彩色電子紙張

軟性電子材料顯示器

軟性電子材料顯示器應用實例

透明顯示器

數位和傳統相機的差別 傳統相機是利用光線讓底片感光，而將影像記錄在底片上，無法直接連接電腦作處理 數位相機是利用電荷耦合元件(Charge Coupled Device , CCD)或是互補式氧化物金屬半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)的影像感應功能，將光線轉換為數位訊號，這些訊號可儲存於內建的記憶體晶片上，並且可直接連上電腦作影像處理

影響數位相機畫面品質的因素 CCD或CMOS的面積─面積越大，解析度越佳。由於手機數位相機體積較小，因此所用的CCD或CMOS的面積也較小，所以其解析度較一般的數位相機差 內建記憶體的大小─記憶體越大，能儲存的畫素訊號越多，解析度越好 鏡頭的好壞─如果鏡頭設計不佳，影像品質也會不好 鏡頭設計不佳所造成畫面失真的實例─文化大學電機系學生張廷宇等人將某廠牌的數位攝影機放置在距離方格紙(5cm×5cm)前50cm處拍攝，發現畫面失真十分嚴重

採購數位相機/攝影機須知 如果用數位相機拍攝4吋×6吋大小的照片，必須要315萬畫素以上；如果要拍攝A4大小的照片，則必須要600萬畫素以上；如果要拍攝全開大小的照片，必須要3000萬畫素以上，這樣拍出來的照片才會與傳統照片有相同的解析度

由於數位相機與攝影機不需要沖洗底片，且信號可與電腦相容，所以適合用電腦編輯與剪接，因此逐漸取代傳統相機與攝影機 近年來，數位相框也日益普及，它可以直接連接數位相機與電腦，並且隨時可以更換展示的照片，有些甚至於有很大記憶容量，因此能夠儲存許多張的數位照片，目前已經逐步取代傳統相框，許多家庭或產品展示場，都可以看到數位相框，例如以數位相框展示展場中的廣告，便可每隔一段固定時間，更換廣告內容

光電感測器與其應用 光感測器種類很多，除了偵測可見光(波長400-800nm)之外，也有一些可以偵測人眼所看不見的紫外線(波長小於400nm)與紅外線(波長大於800nm)，而以偵測紅外線的光感測器用途最多 日常生活中的紫外線，主要來自於太陽或日光燈。紫外線可用來殺菌，或用於半導體廠之光罩製程設備等 日常生活中的紅外線，主要來自於高溫物體。而紅外線常用於家用電器之遙控器等

會追蹤紅外線的響尾蛇飛彈 響尾蛇飛彈於1953年由美國試射成功，它使用紅外線感測器追蹤敵機，可鎖定敵機引擎的位置，因為飛機引擎的溫度最高，會輻射大量紅外線 1958年(民國47年)台海「八二三砲戰」期間，我國空軍F-86「軍刀式」戰鬥機發射AIM-9B型響尾蛇飛彈，擊落中共空軍 30 架以上米格15戰鬥機

紅外線防盜器 人的體溫與周圍環境不同，會發射特定波長範圍的紅外線，因此可用紅外線感測器來製作防盜器，只要感測器偵測到有人靠近，即可發出警訊 紅外線防盜器只能偵測是否有人靠近，但無法分辨是「好人」還是「壞人」，必須要配合其他方法

紅外線攝影機 紅外線攝影機的原理與防盜器相似，都是利用人的體溫與周圍環境不同，便可發射出不一樣波長的紅外線。它可拍攝躲在暗巷中的不法份子，或在山林中搜尋失蹤的登山客，戰爭時則可用來搜尋躲在濃密草叢中的敵軍

深夜犯罪現場─左圖為普通攝影機所拍到的模糊影像，右圖則為紅外線攝影機所拍到的歹徒綁架被害人之影像

紅外線感測器測量氣功 前台大校長李嗣涔(IEEE Fellow)，從1987年起研究氣功，他以銻化銦紅外線感測器測量氣功師父發出「養氣(Helpful Qi)」之反應：發功(start)時手掌溫度會升高，使得感測器的輸出電壓增加 以上述感測器測量發出「殺氣(Strong Qi)」之反應：發功時手掌溫度會下降(類似寒冰掌)，使得紅外線感測器的輸出電壓略微降低。但氣功師父收功(stop)後，手掌溫度會急速升高，使得感測器的輸出電壓突然增加(類似七傷拳)

太陽能電池 太陽能電池的基本構造是將P型與N型半導體接合而成，因為P型半導體有電洞（正電荷），而N型半導體有自由電子（負電荷），所以當太陽光照射時，會使得它產生電子和電洞的對流；其中，電子會被N型半導體所吸引，而電洞則會被P型半導體所吸引，因此正負電荷便會分別地聚集在太陽能電池的上下兩端。此時如果太陽能電池的表面與底部都鍍上電極，再用電線連接起來，就形成一個迴路，而會有電流通過 實用上，一般是將許多太陽能電池做成太陽能板 太陽能電池讓燈泡發光的實驗 (台大電機系吳忠幟教授研究團隊)

太陽能板與台灣發展太陽能的展望

X光及電腦斷層掃描 1895年，德國物理學家倫琴(Roentgen)發現將高速的電子撞擊某些特殊材料，即可產生X光。而X光是波長為0.01Å至10Å之電磁波，其主要應用為傳統X光片與電腦斷層掃描(computerized tomography, CT) 傳統的X光片，只能從底片中判定病變處之上下左右之位置，而無法知道其深度及立體形狀 X光電腦斷層掃描機則是將病人固定，然後旋轉X光源及影像偵測器，將所得之影像用電腦進行信號處理，而由不同斷層之資料，可以得知病變處之深度及病灶之3D立體影像

大多數人所不知的電機界逃兵 ─演員范鴻軒與Rowan Atkinson(豆豆先生) 演員范鴻軒為聯華電子前董座曹興誠就讀台大電機系時的同學，比廣達電腦董座林百里大一屆。他在1969年大學畢業後，即從事演員工作，擅長主演國父與歷代皇帝等角色。1992年後以演出「包青天」中的「公孫策」而聞名 英國演員Rowan Atkinson在1975年畢業於Newcastle University電機系，後來又獲得牛津大學電機碩士。他以演出「豆豆先生」聞名

問題與討論 [1] 「輕、薄、短、小」是否一定是現代通訊與資訊產品必備的特色，是否可以舉出反例？ [2] 舉例說明電腦網路對日常生活的影響。 [1] 「輕、薄、短、小」是否一定是現代通訊與資訊產品必備的特色，是否可以舉出反例？ [2] 舉例說明電腦網路對日常生活的影響。 [3] 為什麼我國的蔡定平教授與其團隊在2002年即研發出當時全世界容量最高的光碟片，但直到2007年底仍未正式量產，試推測其可能的原因。

[4] 根據「小叮噹（哆啦A夢）版」的歷史課本記載：「唐玄宗天寶十四年（755）爆發了『安史之亂』，安祿山與史思明發動叛亂，率領叛軍攻下唐朝首都長安，唐玄宗（李隆基）雖然幸運地逃離長安城，但是叛軍將領陳胖虎（技安）與林小夫（阿福）卻俘虜了唐玄宗的貼身侍衛葉大雄，而將大雄關在長安城西大街13號『黑牢監獄』，每日對大雄嚴刑拷打。幸好小叮噹乘坐時光機來到唐朝時代的長安城，將大雄找到並且救出，並且拿出『全自動太陽能卡拉OK伴唱機』送給叛軍將領陳胖虎，此卡拉OK伴唱機不需插電，使用方法簡單，於是胖虎便天天練唱，結果安祿山兒子安慶緒聽了胖虎難聽的歌聲之後便精神分裂，於是殺死了安祿山，因此唐朝大將軍郭子儀、李光弼等人便藉此機會率領大軍，並且聯合回紇族（又名回鶻，新疆維吾爾族之祖先）等外籍兵團一起平定了安史之亂。」如果以上歷史故事是真的，請問小叮噹要用到那些本課程所提到的相關科技（時光機、自動門、竹蜻蜓等卡通影片中的法寶道具除外）？試說明之。

[5] 某明星或名模要拍寫真集，如果拍成傳統相片或是全像片，會有何不同？試說明之。 [5] 某明星或名模要拍寫真集，如果拍成傳統相片或是全像片，會有何不同？試說明之。 [6] 如果《蘋果日報》等暢銷報紙都發行電子紙張版，那麼你認為其發行方式與銷路會有何影響？試說明之。 [7] 根據本課程所學的知識，為什麼瓜子臉的人上電視會比大餅臉的人吃香？ [8] 你(妳) 認為「天龍八部」中游坦之所練的「寒冰掌」與 「倚天屠龍記」中金毛獅王謝遜所練的「七傷拳」，是否真的有這種武功？台大校長李嗣涔過去所作的研究是否可以百分之百證明其存在？