韓劇《來自星星的你》中，帥氣的外星人「都教授」能隔空取物，成大電機系教授王振興團隊研發的3D互動式電子筆，則讓老師們可以凌空書寫，脫離黑板與講台。此外，這套系統還可客製化用於未來教室互動教學、生物簽名辨識系統、行人導航、醫療復健等，可說是妙用無窮。
文 / 黃馨儀 圖片提供 / 許煜亮
想像一個畫面：教室裡沒有黑板，老師講課時可隨興遊走於同學之間，要「寫黑板」只要用手中的筆凌空書寫，字跡便會出現在投影幕上；被點名解題的同學不必上台，只要在座位上書寫即可。除了書寫，老師還可以用這支神奇的筆開啟電腦資料夾，或是開放「投票系統」，讓同學表決、現場統計票數。這不是科幻電影，而是貨真價實地發生在我們的生活中，「3D互動式電子筆」正悄悄改變教室的樣貌。
研發出「3D互動式電子筆」的，是成大電機工程系教授王振興與許煜亮博士等人。之所以會開發出這套系統，可說是產學合作的美麗巧合。
體感遊戲 催生電子筆
2006年任天堂推出家用遊戲主機Wii，一上市即轟動電玩市場，主要關鍵在於其使用了前所未見的控制器使用方法，「體感遊戲」的概念令消費者耳目一新。Wii之所以能讓現實生活中的玩家與虛擬世界產生互動，憑藉的便是內建「慣性感測元件」。Wii的大紅大紫，讓身為老師的王振興不禁思考：「能不能把『體感』的概念用在教學上？」
在大學，用投影片進行教學是極為常見的事。但因投影片製作完成後不易臨時修改，上課時若突然想加上註解、畫重點並不容易；如果另開「小畫家」等塗鴉功能，老師的行動範圍又會被縮限於能使用滑鼠的講台上，難與同學互動。因此打造一支可以「走到哪、寫到哪」的3D電子筆，便成為王振興的目標。
由於當時微機電製程已有技術性的突破，「元件微小化」使攜帶方便，可以變成任何外型的慣性元件成為可能。於是2007年王振興便申請國科會計畫，開始打造夢想中的電子筆。
「其實凌空書寫的時候，人還是會保有一般書寫的習慣，那些字跡都會在一個虛擬的平面上。所以只要能找到那個平面，然後把書寫時電子筆移動的軌跡，重建在虛擬平面上，再配合辨識軟體，就可以把電子筆的軌跡轉換成電腦上的字跡」，王振興笑咪咪地解釋。
為了找出虛擬平面及重建軌跡，王振興團隊所設計的電子筆包含3種慣性元件，分別是加速度計、陀螺儀、磁力計，用以感測加速度、角速度與方位訊號，3種訊號各有X、Y、Z三軸。收集這9軸的動作訊號，再經由無線射頻或藍芽無線傳輸至電腦作業系統，即可進行滑鼠的操作功能，或是獲得文字、符號、註記或圖形的軌跡。
產學合作 造就新技術
2009年國科會計畫結束，可凌空書寫的電子筆開發完成。隔年，國內一家外銷科技廠找上成大，請王振興團隊針對公司既有的2D電子筆進行研究改進。
王振興表示，廠商原有的電子筆不需要觸控板，但需要「桌面」，屬於運用光學滑鼠原理改成的互動筆。但因筆身內建的CCD（Charge-coupled Device，感光耦合元件，能感應光線並將影像轉換為數位訊號）是設計成針對東方人的標準握筆姿態，所以左撇子或是握筆姿勢不良，都會造成後端電腦判讀失準，螢幕上的字跡便會左右相反或是扭曲。
另一方面，由於光學筆的「景深」會受到外型、電路板位置、元件配置等「機構」上的限制，因此光學筆若是離開平面太遠，脫離預設的景深範圍，書寫時便會失真。
「我們寫國字的時候，常有『提筆』、『斷字』這些筆畫不連續的現象，這些都會讓電子筆離開光學元件原本假定的高度。連續寫小字時或許不是問題，但事情總有例外。東西好不好用，就在於對例外狀況的考量完不完整。這些例外工程師往往不會考量到，只有使用者才會發現。」
3D互動式電子筆，已於歐美量產上市。
密切互動 新產品上市
為回應產業界拋出的問題，王振興與研發團隊運用慣性元件可偵測握筆姿態的特性，設計事後修正的機制，讓電腦針對握筆姿勢不正的部分進行補償，避免字跡失真。至於筆畫不連續的部分，則透過慣性元件重建軌跡，彌補光學筆在離開平面時無法偵測的部分。
「其實一開始我們兩邊的開發理念是不一樣的，我們實驗室用的是慣性訊號，廠商用的是光學訊號；兩邊對使用情境的想像也不同，他們是在平面上，我們想要凌空。雖然發想路徑不同，但不衝突，可以一起解決消費者的問題。」
問到研發期間是否有發生什麼困難？王振興認為，一是研究經費，二是產學雙邊的磨合。由於當時雙方已各有基礎，產商透過消費者意見回饋也清楚問題在哪，所以合作算是相當順利。「比較難的是雙方要找出各自的優缺點，密切互動和對話，也要能接受自己的不足和對方的優點。像光學訊號在特定條件下，穩定性很高；慣性訊號如果長時間使用，就會因為IC過熱造成字跡飄移。所以講話不要太堅持，要能接受對方建議」，王振興笑著說。
慣性模組 客製功能多
除了製成3D電子筆，讓未來教室有無限可能，王振興團隊開發出的3D凌空書寫技術，也可以進行客製化作為3D手寫辨識系統、生物簽名辨識系統，甚至可以做成「行人導航」。
所謂生物簽名辨識系統，是應用3D電子筆偵測每個人的寫字習慣，再透過電腦轉換機制進行判讀，用於安全防衛系統上，效果比傳統的筆跡鑑定效果更好。
「一般字跡鑑識不只是看表面上的字體是否相同，還會看力道、折角等特徵，這些看得到的都不好模仿了，何況是看不到的？電子筆寫字就是看不到的，只會顯示在後端的電腦螢幕上。每個人在凌空書寫的軌跡有其習慣性，不但書寫的平面不同，寫字的力道和速度也不同，再加上別人又看不到你在寫什麼，就更不可能模仿了」，王振興解釋。
至於行人導航，則是藉由將慣性模組穿戴於年長者或精神病患腳上，透過電腦整合無線射頻定位與建築物圖資，追蹤使用者的位置，以避免在醫院等易迷路的大型建築物中走失。
除此之外，慣性模組也可以協助醫院做復健功能載具的開發。以五十肩患者為例，以往醫師為評估病情，多用量角器測量患者可舉手的程度。但人工量角器因為測量時間久，病患常因疼痛改變角度，影響醫師處方決策；電子量角器雖然好用，但卻價格高昂。若改用穿戴式的慣性裝置，上述問題便可一次解決。
「產學合作的價值在於，學術研究是天馬行空的，一旦需求點產生就會開始想如何開發技術，但學界的想像不見得完善，所以需要使用者意見回饋」。王振興認為，國內產業界面對消費者，為了求快，很難在理論和創新技術上有所深入；反之，學界認為有深度才有學術價值，但若沒有落實應用，理論永遠只是理論。如果結合兩者，讓消費者回饋意見給學界，學界針對問題再發想，「這樣的良性循環，才是產學合作必須走的路」。
「創新來自想像」，但想像必須滿足使用者的需求，理論才能落實。透過3D互動式電子筆的研發，王振興與研發團隊的學生們不僅身體力行「發表到好的學術期刊只是『中點』，把技術落實到產品上才是『終點』」這句話，也為台灣的產學合作再添一樁佳話。
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