2021年1月20日 星期三

技術筆記:口掃機原理與使用

3D重建技術發展已久,大量應用在工業(逆向工程),自駕車(LIDAR),及民生(蘋果人臉解鎖),而健康醫療方面則以口掃機為代表。

口掃機外型類似電動牙刷但體積更大,操作上是由牙醫師將前端探頭伸入患者口腔,依照固定順序對每顆牙齒每個表面進行掃描,資料由一旁主機處理後即成為3D模型,視狀況由人工修正後,就能當做校正、植牙等輔助資料。

檢視市面上常見機型使用技術,分為structure light和confocal兩種。Structure Light相關介紹(連結),它本身並不是尖端技術,困難在於如何小型化應用在口掃機中。所以一般初期都會由市售大型投影機開始。若要小型化可能有數種方案(連結)。

Confocal,開發時間為1983年,初始目的為改良螢光顯微鏡,希望提高光學解析度和視覺對比度,做法是使用PINHOLE過濾不同焦平面的光線,達到完美共軛焦,以及使用單波長光源也就是雷射光避免色散影響,組合這兩項即可取得μm等級焦平面資訊。(也因為pinhole進入光量少,需用更強雷射光補足影像)。

因為一次只能截取特定深度之影像,若要取得不同深度,就要升降顯微鏡平台或鏡片,從不同共軛焦平面(confocal plane)取得二維影像,再重組成三維影像。這也是共軛焦裝置讓人詬病的缺點,必須不斷機械性的移動焦平面,也造成機器容易損壞及維護成本。

confocal雖然普遍應用於顯微鏡(連結 DIY顯微鏡),但其精密特性在十多年前找到更適合它的戰場,口掃機,並且獲得超級的成功。著名廠商是3Shapes TRIOS 4,最近則有後起之秀Align iTero Element 5D。

另外,對於馬達的缺點,近來提出數種不同改進方式。主要是利用光的波長差異在介質中折射率不同,例如加入光輪或是使用連續波長雷射光等等。

其他採樣法

除以上兩種,另有數種方法,如主動波前採樣法active wavefront sampling。此法只需使用單一攝影機加上主動波前採樣法的模組,包含了一個離軸(off-axis)的光圈,以光軸為中心進行圓圈路徑的旋轉,於固定間隔時間截取影像,就會得到受測物亦為旋轉的影像。在此情況,受測物的距離可以旋轉半徑大小解讀,若旋轉半徑為零,表示直接成像於對焦平面;反之,若旋轉半徑越大,則物體離對焦平面越遠。因此,此法不需使用多個攝影機來取得受測物的三維立體影像。其特色在於只需單一光學路徑捕捉受測物之距離,亦可延伸運用於攝影機、三維內視鏡及顯微鏡。

以及雲紋干涉測量法accordion fringe interferometry,掃頻光源式光學同調斷層掃描術optical coherent tomography,只是市場反應不佳。但總之口掃機實在可說是小型物理和光電實驗室大集合。(連結)

Accuracy

上述各種方法目標都是取得該平面的POINT CLOUD,評斷口掃機精確度也就是評估位置的正確性。評估的標準可區分為Trueness (真實度) 及 Precision (精確度),不過這都只是單面的考量,技術文件上,會稱之為local的差異。

探究原因,除了技術水準原因外,口腔狀況也是原因,很大部份因素是口水反光造成,所以作業上,往往會需要噴粉。

ICP Registration

取得平面資料後,後續是透過演算法將前面各平面進行接合,也就是所謂ICP成為立體物件,(連結  關於ICP有個非常好的影片介紹 連結)。目前是採用open3d作法(連結)。雖然有演算法幫忙,但漫無目的接合是很困難的,而這就造成了所謂global的精密度差異。

目前大多是依照特殊順序和步驟,而各廠商也在軟體界面中加入許多巧思,例如透過照明光色通知使用者這一面已完成,或是在螢幕上將還需要追加掃描的區域顯示引導操作人員多次掃描等等。

Marketing

北美統計報告指出,約有1/5診所已有口掃機,而其產品價格也隨著競爭者增加而逐漸降價PK(連結)。產業角度來看,推廣與否也不再只是功能考量,還必須考慮與牙技師合作等資料共享資訊。上述資訊都是紙上談兵,希望日後有機會能操作實機,或和牙醫師或牙技師討論使用經驗。

2021年1月13日 星期三

五峰天際線,前段,上坪至鳥嘴山

五峰天際線是串連新竹縣五峰鄉內幾座高聳入天山頭的縱走路線。初次聽到這名號,是來自某野跑團影片(連結),之後,天際線這神秘如魔法般的字眼,就深深烙印心中,不時就跳出來催促著,去體驗那情景。

行程設計上,因為正在接觸越野跑,覺得或許有可能登山順便練習越野跑,所以不敢邀人同行(後來確定是想太多了)。既然是獨行,行前當然做足了功課,並下載完整GPX路徑才敢出發。

路線設計上,有鑑於越野方式都能當天完成,安全上應該無虞。若不以征服為目的,而是將其切分成數個段落,每次以十公里為限,應能順利完成。最後是規劃為四次完成。以下則是前兩次的隨筆紀錄。

第一日,距離7.5KM,山路5.5小時

0KM(8:08),車停上坪便利商店,依地圖找到起點廣惠宮。公廟旁有著醒目的"五峰天際線"標示板和解說牌,簡單瀏覽後就循著所指方向,循著柏油路面農路,慢慢向山中走去。路段筆直好走,且兩旁遍植人造林十分賞心悅目,就當作是熱身路線,路底是個小山窩,有池塘、土地公廟和農莊(木藝蘭園),為典型客家鄉居景致。

0.5KM(8:20),木藝蘭園附近就是登山口,事實上,整排的登山布條綁在那,想要忽略都很難。入山後坡度逐漸增加,隨路徑在雜林和竹林間交錯上升,接近山脊。

因為是獨行,不時會觀察軌跡變化,也會懷疑,怎麼行走方向不是向東,而是朝南呢?事實上,這困惑持續一整天。回家後仔細研究才發現,這是個地理上的謬誤,一般人聽到觀霧這種往山上走,腦海中自然就浮起是向東行。這是因為根深蒂固覺得中央山脈在東方,由平地往高山必定是往東。但五峰天際線,以及附近加里山系,大多是北南走向,部分段落甚至還是東北向西南走向。若嘗試在地圖上將竹東、上坪、清泉、觀霧劃成直線,也會發現如此。

1KM(8:34),剛上了山脊,猛然就見到五指山脈佇立前方,此時連第一座上坪山都還沒登上就突然在視野內見到這幾座山頭,總覺得很不切實際,實際上兩者高度差距有四百公尺,這角度差異總讓人心中有些忐忑不安。

1.5KM(8:58),抵達標高620m上坪山,無展望。然後是持續向下走,但下一座山頭五指山小指峰高約一千公尺,這路徑越往下,之後上升也就越多啊。

2KM(9:16),至此也開始習慣了這步道,因為沿線都無分支,似乎只要專注眼前道路,就能抵達終點,而且即使明知是走在山脊,但因四周無展望,走得異常專心。今日天氣晴朗,溫度適中,陽光灑下照射在林木間,甚至有幸福的感覺。

2.5KM(9:39)。抵達巨石眺望點,此處是整段行程中景觀視野最好的一處。隔著淺山區遠眺是平原,近看是山下農家,滿滿人造檳榔樹奇景。

10:13 3KM。砌石休息點。

用途不明的砌石

3.5KM(10:37)。這附近應是小指峰下低點,四周較為潮濕也因此有較豐富鳥類和蕨類林相。

4KM(11:13)。上到五指山小指峰,終於看到其他登山客。或許因為交通關係,一般登山健行者都不會走上坪到小指峰這段步道,我也因此享受了三個小時獨處時光。

4.5KM(11:34)。下降、上升,抵達五指山無名指峰,再繼續下降、上升,雖然沿途有秀麗竹林但遊客太多,無法悠閒拍照。

5KM(11:50)。抵達著名的五指山中指峰,海拔高度1062M,視野差,山頂上有數座大型轉播電塔,看地圖應是左側岔路運送上來。山頂附近地勢平緩,許多組登山客選擇在此午餐。


繼續前進,又是上下上下山路,右方的分岔雖然可快速下到登山口但陡峭不建議潮溼天候通行。繼續經過食指峰、午餐,抵達拇指峰。

6KM(12:39),拇指峰過後是道長長的階梯,然後就要開始留意往大隘山分岔,事實上兩山距離並不遠,但只要一離開五指山,就無人跡,空山寂靜,只有腳踩落葉的聲響,先前在上坪山附近只是覺得幸福,此刻則是滿滿的愉悅。

經過兩山之間低點逐漸靠近村落,甚至能聽到大隘村露營區傳來的人聲和汽車聲。

7KM(13:17),很快的到達大隘山頂,休息片刻後,步道又繼續向下直到達與鵝公髻山相交的隘口,此處左為大隘村,往下可通往五峰鄉公所,右側通往永茂山莊、南庄、五指山登山口。古來就是賽夏族大隘和向天湖兩分支的聯絡孔道,現在則是由公路貫穿。

步道在此脫離山徑,沿公路約一公里後才會到達下一座山登山口,今日行程也在此結束,接著是麻煩的回程路段。方案一是原路折返、方案二是經大隘山往西北方下山順遊五指山一線天返回,方案三也就是我預訂的徒步8~9KM至南清公路再左轉回上坪。

由大隘村望向東方壯麗山景

這段路會經過大隘村,也就是北賽夏族的基地,每隔2年的農曆10月15日前後舉行一次小祭,每10年則舉行一次大祭的五峰鄉賽夏族矮靈祭,記憶中來過數次,若能步行走過也是種樂趣。不過巧遇好心人以機車載了一程,約2:30回到山下結束今日行程。

第二日,距離9KM,山路6.5小時

6:44 抵達前次結束點,沿公路抵達鵝公髻山第一登山口(有很大的指示牌)。在此停留許久,想確定部落公車的通行狀況當作下次參考,但或許因為假日公車停駛。山路是往右後上方走去,應該是運材林道。沿途因濃霧無展望,閒來無事只能亂拍些小東西。

好像握著樹枝珊瑚
濃霧時特別適合拍蜘蛛網

9KM(7:22),腳下沿著林道慢慢走著,不時比對導航軌跡,應該要轉向上山了,前方卻只有拉繩不見山徑,這麼廣大一片區域,理應是荒草或灌木或人造林或什麼都好,但荒謬的全是倒下的樹木。是導航路線錯誤了嗎?無法質疑?現在想想也不知道當時是怎麼想的,或許是因為太相信前人導航路線,總之就這麼一步步慢慢踩上了這大片樹屍造成的原野。

踩在整片倒木上真是神奇經驗,而且越發覺得不該走上來,但由樹根往樹頂部走容易,回退卻很難。就這麼前前後後近一個小時才到達鵝公髻山東北峰,結束這段恐怖之旅。心想幾年內再也不會有人踏上這路程吧。

鵝公髻東北峰歷險

整片山頭成了這模樣(連結)

10.5KM(9:14),回到正規路徑好像絕處逢生,腳步都無限輕盈。沿途有來自第二登山口交會點,起點是第一登山口後1.2公里,左測鐵皮屋和藍色護欄處附近產業道路。

11KM(9:28),沿途有片蕨類小天地,是原生林和人工杉林之外,小巧的存在,自己很喜歡這個區域,未來或許會再從第二登山口帶大相機來細細取景。

11.5KM(9:51),抵達鵝公髻山頂(連結),附近觀景點能俯瞰整個南庄地區。

經過東北峰洗禮,再看這飄渺雲霧,特別有感

12KM(10:47),與北側相比,鵝公髻山南測路段拉繩更多且陡峭,但或許因為靠近山上人家,反而有更多登山客。

13KM(11:15),通往西南峰分岔。

13.5KM(11:27),至此左通往山上人家,右接五峰天際線。

路邊悠閒三人組。啊,這才是人生,走什麼天際線呢?

這段500公尺路段,是今天最美的路段。滿山靜謐,遠眺山間筆直杉木林矗立於大自然中,和煦的陽光映照其間,定要找機會帶家人來此一遊。

夢幻森林

11:14 14KM,巧遇兩位原住民獵人,白天採靈芝,晚上打獵,據他們說法,這附近已經有水鹿蹤跡。

不土炮的獵槍,帶著雷射瞄準器
或許就是隻飛鼠的命

14.5KM(12:04),經過寬廣山嶺,地面散佈倒木。

15KM(12:24),此處有營火痕跡,沿途林木越來越巨大可觀,還經過個拉繩的假山頭。

15.5KM(12:54),應是兩山之間相對低矮處,此處取左約四十分鐘可到木材運輸便道。樹幹上有可愛標誌,幾乎每篇遊記都會出現,當然不能免俗歐。

鵝公髻和鳥嘴塗鴉

16KM(13:12),走得有些無奈。

16.5KM(13:27),登鳥嘴山頂,無展望,可由右側下南庄,取左幾分鐘就到岔路口,由此離開步道至鳥嘴山露營區,再經過八角亭和運材道路,大約6公里後離開山地。此區全為竹東林區管轄,大致上都是下面景象。


走進去還出來的嗎?可是好想走進去

運材便道上瀟灑的機車

離開林道後是山上人家,此區也是所謂白蘭部落。泰雅語中叫做了舞燕,意思為鹿群很多的地方,以往是以種植高冷蔬菜及溫帶水果著名。現在則是滿滿滿滿的露營區。

再往前走是涼山部落,想搭便車但都沒機會,之後則是迴盪著蕭瑟氣氛的山谷,也終於能體會,為什麼賽夏族和泰雅族能夠在地圖上看起來這麼靠近之處,彼此卻相安無事的生活著。最後在5:10回到起點結束今天行程。

綜觀這兩日行程,沿途超過一半是知名山頭或小百岳,指標完善,且接近部落和露營區,安全性高,沿途也偶有登山客,安全無虞。是條只要下載地圖就能出發的優質路線。

雖然是抱著練習越野跑的初衷來此,但最終連半步都沒跑起來,不是偷懶歐,而是身處其中,聽著風聲如催眠師般低語,看著光影如波浪晃動,連漫步其中都覺得時光流逝太快,只能越走越慢,慢到有幾次,索性就這麼在步道上停下了腳步,好像不是太餓或想休息,而是單純靜靜聽著自己的呼吸,感受著大地無邊靜謐。啊,這一切好像在夢境,實在神奇。

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