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【CQ出版インターフェース】『個人で試せる!生体センシング実験室』


『Kinect Changes the Sensing World』
    【リンクフリー】
 【私設研究所】Neo-Tech-Lab Neo-Tech-Lab.co.uk
【報告者】 【私設研究所Neo-Tech-Lab】 上田智章
作成日 2015/12/24
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【ブラウザはGoogle Chrome】
●最新版ダウンロードはこちら

【お知らせ】

Windows7でChromeがフリーズを起こす場合は、コントロールパネル⇒管理ツール⇒サービス でWindows Media Player Network Sharing Serviceを停止かつ無効にします。Micorosoftのバグです。

【はじめに】

 このページは、CQ出版のインターフェース誌2015年12月号から連載を開始した『個人で試せる!生体センシング実験室』のサンプル・プログラムのダウンロード・サポートを行うための個人サイトページです。
 プログラムはMicrosoft社のExcel VBAまたはVisual C#で記述されており、月毎にzip圧縮されています。また、ボードに実装しているAltera社CPLD MaxIIシリーズEPM570T100C5の設計ファイルも公開いたします。解凍してご利用ください。
 原則として技術サポートは行いませんので、自己責任のもとでご自由にご利用ください。ただし、本ページの記載内容並びにプログラム、プロジェクトファイルの転載は禁止いたします。

  
  

【生体計測学習キット】第1弾:心電計ボード

 CQ出版から、近日発売予定です。製品単価は2万円前後の予定です。
 詳しくはCQ出版インターフェース誌のページをご覧ください。(近日公開予定のURL)
      ●【心電計ボードのドキュメント】
  

【2016年9月号の記事訂正】

 127ページの図2(c)の説明に関して修正します。
記事段階では心電図と静電容量型センサのフィルタ出力(心弾動)の
時相と波形変化を比較する意味合いで図に入れたのですが、編集段階
で、心弾動から心電図が得られるかのごとく誤解されてしまったらし
く、訂正をいたします。
両者は全く別の測定手段で同時測定した波形であり、心弾動から心拍
数を取得できますが、心電図には変換することはできません。



【CPLDの設計情報】

 ①EPM570T100C5の設計情報ファイル
  【概要】Altera社の無料の開発ツールQuartus II Web Editionの設計プロジェクトファイル一式です。言語設計ではなく、スケマティックな設計(論理回路図)を行っています。分解能13bit, サンプリング速度800SPSまたは分解能16bit, サンプリング速度100SPSで6chのΣΔ方式A/Dコンバータを構成しており、115200BPS, データ長8bit, ストップビット1bit, パリティーチェックなしでシリアル通信を行うように設計されています。
  【ダウンロード】VitalMonitor6ch_20150915.zip

【Excel VBAプログラム・ダウンロード】

 ①2016年2月号のExcel VBAサンプル・プログラム
 【概要】
  ・分解能13bit, サンプリング速度800SPSまたは分解能16bit, サンプリング速度100SPSで6chのΣΔ方式A/Dコンバータを使って指定ポート番号から指定秒数のデータを6ch分シートに取り込む。
  ・基底遷移アルゴリズムによるノイズ除去を行う。
  ・移動平均処理によるノイズ除去を行う。
  【ダウンロード】VitalMonitor_20151224.zip

【Microsoft Visual Studio C#プログラム・ダウンロード】

 ①2016年4月号のC#サンプル・プログラム
 【概要】
   ・ペアリング済みのBluetooth Comポートをスキャンして接続。
  ・分解能13bit, サンプリング速度800SPSで読込み、ΣΔ-A/Dコンバータの性質を用いて100000degits, 800SPSに変換する。
  ・逆行列を用いた基底遷移アルゴリズム(最小2乗法)のによるノイズ除去を行う。
  ・矩形波相関フィルタを用いてQRS群のピーク時相を検出し、R-R間隔から瞬時心拍数を求める。
  【ダウンロード】VitalMonitor_ECG_20160228.zip


【生体計測実験ボードの読者プレゼント企画】

 【第1回読者プレゼント企画】
  インターフェース誌2016年1月号の12ページに応募方法の説明があります。2名様に生体計測実験ボードの試作版をプレゼントする企画があります。締切日は2015年12月25日です。
 【第2回読者プレゼント企画】
  インターフェース誌2016年2月号の裏表紙の裏面下に説明があります。2名様に生体計測実験ボードの試作版をプレゼントする企画があります。締切日は2016年1月24日です。

  
 【図1】生体計測実験ボードの試作版Version28の写真

  
 【図2】生体計測実験ボードのコマンド・フォーマット
  115200bps, データ長8ビット, ストップビット1ビット, パリティーチェック無し

【Bluetoothで通信を行うための準備作業】『ペアリング』

 本ボードは、前述したようにBluetoothでペアリングを行って使います。以下にBluetooth通信インターフェースを実装したWindows10デバイスでのペアリング方法を示します。図3に示すように、スクリーン下にあるタスクバーの右側に『新しい通知』アイコンがあります。これを右クリックすると図4に示すようなメニューが表示されます。『アクションセンターを開く(O)』をクリックして、アクションセンターを開くと図5のような表示状態になります。この中にBluetoothと書かれたタイルがあるので右クリックすると、図6のようなメニューが表示されるので『設定を開く』をクリックします。
  
 【図3】タスクバーに表示される『新しい通知』アイコン
  
 【図4】『新しい通知』アイコンを右クリック
  
 【図5】『アクションセンターを開く』
  
 【図6】『Bluetooth』で右クリック

 デバイス設定のうち、Bluetoothを選択すると図7に示すように表示されます。Bluetoothをオンに設定すると図8に示すようにBluetoothデバイスの検出が始まり、検出されたデバイスがペアリングの準備完了と表示されます。このとき、近くに存在するBluetoothデバイスがすべて表示されますので、注意が必要です。該当するデバイスを選択すると図9に示すようにペアリング・ボタンが表示されるので、クリックします。
  
 【図7】『設定を開く』アイコンを右クリック
  
 【図8】Bluetoothをオンにしてデバイスを検出
  
 【図9】検出したデバイスをクリックで選択すると表示される『ペアリング』をクリック。

 しばらく待つと、図10のようにそのデバイスのパスコードが表示されるので、『はい』をクリックしてペアリングの承認を行います。ペアリング処理が完了すると、図11のような表示状態になります。なお、誤って別のBluetoothデバイスとペアリングしてしまった場合には、ペアリング中のデバイスを選択すると『デバイスの削除』ボタンが表示されるので、クリックしてペアリングを解除します。
  
 【図10】パスコードを『はい』で承認
  
 【図11】ペアリング正常完了時

 次に、ペアリングによって、シリアル・ポート・プロファイルで関連付けられたシリアルポート番号を調べます。デバイス設定で、プリンターとスキャナーを選択すると表示される画面の下に、図12に示すような関連設定の項目があるので、その中の『デバイスとプリンター』をクリックします。すると図13のように表示されます。その最下段に『未指定』の項目があり、ペアリングしたデバイスが表示されているはずです。これを選択して、右クリックすると図14のようなメニューが表示されますので、『プロパティー』をクリックします。図15に示すように、プロパティーのハードウェア・タブを選択することで関連付けられたシリアルポート番号を知ることができます。本例ではCOM5に関連付けられていることがわかりました。これをメモに書き留めて覚えておきます。
  
 【図12】デバイス設定の『プリンターとスキャナー』を選択して関連設定の『デバイスとプリンター』をクリック
  
 【図13】未指定項目にペアリングしたデバイスが表示されている
  
 【図14】右クリックしてメニューを表示し、プロパティーをクリックする
  
 【図15】ハードウェア・タブを選択すると、関連付けられたシリアルポート番号を知ることができる

【ΣΔ-A/Dコンバータと逐次比較型A/Dコンバータの違い】

  図16に製作したΣΔ-A/Dコンバータの概略回路図を示します。この回路は2つの入力を加算して積分する積分器と、積分器出力と基準電位1.65Vを比較するコンパレータと、5MHzのクロックが供給されコンパレータ出力を保持するレジスタと、図に記入はされていませんが、そのレジスタの出力がHighレベルの個数を50000クロック分(16bit, 100SPS時)あるいは6250クロック分(13bit, 800SPS)カウントするカウンタで構成されています。カウンタはダブル・バッファで構成されているので、連続してA/D変換を行うことができます。
 このΣΔ-A/Dコンバータには逐次比較型A/Dコンバータにはない特徴があります。逐次比較型A/Dコンバータには量子化誤差が必ず伴います。例えば、入力電圧範囲が0.0V~3.3Vである 12bitのA/Dコンバータは4096階調ですから、1階調の幅は806μVになります。この階調幅以下の情報は失われてしまうので、サンプルをn個加算平均しても量子化ノイズは1/√n にしかなりません。64サンプル使っても1/8にしかならないのです。
 一方、このΣΔ-A/Dコンバータは、アナログ入力を-S(t)、1ビットA/Dコンバータで量子化した変換値O(t)の加算値e(t)=-{S(t)-O(t)}を積分( )をコンパレータに供給して、常に累積加算誤差が1ビット未満になるようにしています。この結果、nクロック分だけカウントしたA/D変換値(分解能nデジット)の量子化誤差は1デジットになります。また、連続するサンプルを加算した場合にも累積加算誤差が1デジット未満になるようになっているので、nクロック分だけカウントした連続するA/D変換値(サンプル)をm個加算平均した場合にはnmデジットのうち量子化誤差は1デジットになります。
 ΣΔ-A/Dコンバータにおいてn=13である場合には13ビット(6250階調)のA/Dコンバータという事になりますが、8個連続したサンプルを加算平均した場合には6250×8階調=50000階調(16ビット)のA/Dコンバータとなり、量子化誤差は1デジットとなります。
これに対して13ビットの逐次比較型A/Dコンバータで取得したサンプルを64個加算しないと数値は16ビット分になりません。すなわち実質的には16ビット分の精度を得る為に8倍も多いサンプル数が必要になってしまうのです。
  
 【図16】ΣΔ型A/Dコンバータの構造


【講演・技術セミナー予定メモ】

【トリケップス セミナー】

【題  名】『3Dセンシング技術の基礎と点群データ処理の活用および非接触生体センシング』
【副  題】~Microsoft Kinect V2, Intel RealSense SR-300など~
【開催日時】2016年07月14日(木) 10:00~17:00
【会  場】オーム ビル(千代田区神田錦町)
【開催履歴】
  (1)2013年05月24日 (2)2013年08月30日 (3)2014年02月07日
  (4)2014年06月20日 (5)2014年08月29日 (6)2014年11月28日
  (7)2015年03月18日 (8)2015年07月10日 (9)2015年11月06日
  (10)2016年03月17日 (11)2016年4月14日
【概略内容】
デプス・センシング・アルゴリズム(Light Coding 技術[V1] / Time of Flight 技術[V2] / Infrared Depth [次世代] )の理解から、それを用いた非接触生体センシングの動作原理、ヒューマン・ ヘルスケア関連アプリケーションへの展開、及び次世代デバイス Hololens までを解説
■その他、SDKのセットアップや基本的な事例の資料は添付、あるいはサンプルプログラムのダウンロードができます。

【情報機構 セミナー】

【題  名】③『3Dセンシング技術の基礎・各方式の特徴からヘルスケア分野等への実応用 』
【開催日時】2016年08月29日(月)10:30~17:30
【会  場】都内(詳細未定)
【開催履歴】
  (1)2014年04月10日 (2)2015年02月12日

【日本テクノセンター セミナー】

【題  名】④『 』
【開催日時】次回未定
【会  場】都内(詳細未定)
【開催履歴】
  (1)2014年09月25日 (2)2015年01月28日 (3)2015年11月26日


Microsoft社のKinect V2


Intel社のRealSense F-200(左)とR-200(右)



浴室見守りシステム(KinectV2で撮影)

岩手大学 小林宏一郎教授、大川井宏明教授、Network21 佐藤恭之氏らと共同研究。平成26年中の交通事故死者数は4,113人でしたが、浴室は家庭内にありながら1年間に16,000人(浴槽内8,000人、洗い場4,000人、脱衣所4,000人)が死亡している非常に危険なゾーンです。同居家族がいる場合でもプライバシーの問題から発見までに時間を要してしまうことが影響していると考えられています。デプスカメラによる測距データによる見守りでプライバシーに配慮しながら通報時に状況を把握しやすいシステムを研究・開発しています。

最大血圧200~220時の頬の血圧脈動(RealSense F-200で撮影)

立命館大学スポーツ健康科学部 / スポーツ健康科学科 佐久間春夫教授、同大学院 笹塲育子氏との共同研究。スポーツ選手が普段の練習通りの成績が出せるように行う加圧式呼吸法によるバイオコントロールに関して、KinectV1による非接触バイタルセンシングを用いて研究を実施。加圧式呼吸法で血圧コントロールができることも判明。

【学会講演】

●第127回微小光学研究会『ランダムドットパターン投影法によるデプスカメラの動作原理』上田智章(Neo-Tech-Lab)
●日本光学会年次学術講演会 Optics & Photonics Japan 2013『ランダムドットパター投影法によるデプスカメラの動作原理』上田智章(私設研究所 Neo-Tech-Lab)
●ジェロンテクノロジーフォーラム2015『デプスカメラによる見守りシステム』上田智章(株式会社フォスメガ NeoTechLab)、小林宏一郎(岩手大学)、大川井宏明(岩手大学)
●SICE SI2015『KinectV2を用いたセンシング技術動向』上田智章(Neo-Tech-Lab)