TWI468967B - 動物行為監測方法 - Google Patents

Description

動物行為監測方法

本發明係關於一種動物行為監測方法及其系統，尤其是一種藉由多點觸控板分析動物步態行為之動物行為監測方法及其系統。

按，在生理學、心理學或藥物學等醫學研究領域中，研究人員可以透過動物行為監測過程，藉由動物(例如：齧齒動物之大、小鼠等)外顯的生理反應(例如：呼吸或行動等反應)得知其內在生理狀況(例如：藥物對動物的影響)，因此，如何有效地監測動物行為與上述醫學研究結果息息相關。

習知動物行為監測方法中，較具代表性係如：人工記錄法、光感測矩陣定位法、超音波感測法、影像感測法或單點觸控感測法等，分別說明如下所述：習知人工記錄法係由研究人員以目視方式觀察動物行為變化，並以文字敘述方式進行記錄，惟，習知人工記錄法不僅缺乏效率且量測結果亦不客觀。

習知光感測矩陣定位法及超音波感測法係分別密集地設置光感測器及超音波感測器，並由該些感測器的輸出結果得知動物的位置；惟，礙於成本考量，該些感測器的設置密度並不高，導致量測結果的精確性有限，而且，該些感測器的輸出結果僅能猜測動物的部分行為(例如：站立或移動行為)，不僅容易肇生誤判動物行為之情事，而且，無法進行動物步態行為分析。

習知影像感測法係以攝影機攝錄動物行為之影像，並使用軟體進行影像辨識與分析，以判別動物所在之方位、活動範圍與行走軌跡等；然而，影像辨識結果受影像品質的影響甚鉅，而影像品質優劣又會受到影像擷取時的環境、光源、動物毛色、背景對比度及拍攝角度等諸多因素影響，倘若擷取的影像品質差，不僅會增加影像辨識錯誤的機會，而且，需輔以人工目視分析，徒增人力及時間成本；再者，在動物行為監測過程中，經常使用齧齒動物作為實驗動物，由於此類動物多為夜行性動物，觀察動物行為時，需要在暗室(darkroom)中進行，在暗室中，若進行微光攝影，則會增加影像擷取與分析難度，但若進行亮光攝影，則會影響動物行為，因此，習知影像感測法之監測精確度有限。

習知單點觸控感測法係以單點觸控板感測動物爬行時的重心移動情形，並以重心移動情形作為動物移動軌跡記錄的依據。然而，此方法仍有諸多缺點尚待克服：

一、倘若實驗動物為四足動物(例如：大、小鼠等)，則此類動物在探索環境或進食時，常保持雙足站立姿勢，此時，單點觸控板僅能感測動物重心移動的情形，並由重心移動的幅度大小判斷動物是否發生站立行為，容易肇生誤判動物行為之情事。

二、當單點觸控板(例如：電阻式觸控面板)感測動物重心移動時，單點壓力必須超過一定數值(例如：200克)才能偵測到動物的觸控點位置，因此，當四足動物在單點觸控板上行走時，常會因為壓力分散而偵測不到動物移動位置之改變。

三、單點觸控板僅能記錄動物的移動軌跡，並無法取得動物行走時的腳步資訊，例如：各腳步的位置等，因此，並不適用於進行動物的步態分析(gait/locomotion analysis)。

綜上所述，習知動物行為監測方法除了無法進行「步態分析」之外，在進行監測時會有「誤判動物行為」的疑慮，在實際使用時更衍生不同限制與缺點，確有不便之處，亟需進一步改良，提升其實用性。

本發明的目的乃改良上述之缺點，以提供一種動物行為監測方法，藉由取得動物行走時的腳步資訊，而進行動物步態分析。

本發明之次一目的係提供一種動物行為監測方法，藉由動物行走時的腳步資訊變化，而進行動物行為判斷。

一種動物行為監測方法，係包含：一置物步驟，係將一動物置於一多點觸控板，該多點觸控板接觸該動物而感測到數個接觸點，該接觸點之數量會隨該動物之走動行為而改變；一取樣步驟，係由該多點觸控板每隔一間隔時間取樣該接觸點，再依據不同時間順序之取樣結果分別產生一封包，並傳送至一控制模組，其中，各封包具有一時戳、一接觸點數量及至少一接觸參數組，由同一接觸點依據不同時間順序取樣產生的接觸參數組具有同一識別碼；及一步態分析步驟，係由各控制模組分辨該接觸參數組所屬的足跡類型，再依據具有該接觸參數組及足跡類型計算至少一步態參數組。

其中，該接觸參數組包含該識別碼、一接觸狀態、一位置座標及一接觸區域，該步態參數組包含一步長距離、一跨步長距離、一步寬距離、一站立期時間、一雙站立期時間、一擺盪期時間及一單腳站立期時間。

其中，另包含一軌跡分析步驟，係由該控制模組依時間排序該接觸參數組，並依據具有同一時戳之接觸參數組產生一行蹤座標，再將該行蹤座標依時間排序，作為該動物的移動軌跡。

其中，若具有同一時戳之接觸參數組僅有二個，且該二接觸參數組之足跡類型分別為左後腳及右後腳，則該控制模組判定該動物呈現站立狀態。

其中，該多點觸控板設置至少一個三維加速度計，該取樣步驟由該三維加速度計產生該多點觸控板之三個軸向加速度值，該控制模組依據該軸向加速度值計算該動物之各接觸點施於該多點觸控板之作用力。

其中，該足跡類型係分為一左前腳、一右前腳、一左後腳及一右後腳，該左前腳與右前腳係互為對側腳，該左後腳與右後腳係互為對側腳，該步長距離係由該控制模組依據已儲存的接觸參數組，從中取得該足跡類型係互為對側腳之二接觸參數組，並計算該二接觸參數組之位置座標於一行進方向之差值。

其中，該足跡類型係分為一左前腳、一右前腳、一左後腳及一右後腳，該跨步長距離係由該控制模組依據已儲存的接觸參數組，從中取得相同足跡類型先後接續形成之二接觸參數組，並計算該二接觸點之位置座標於一行進方向之差值。

其中，該足跡類型係分為一左前腳、一右前腳、一左後腳及一右後腳，該左前腳與右前腳係互為對側腳，該左後腳與右後腳係互為對側腳，該步寬距離係由該控制模組依據已儲存的接觸參數組，從中取得該足跡類型係互為對側腳之二接觸參數組，並計算該二接觸參數組之位置座標於一側移方向之差值。

其中，該接觸狀態分為開始接觸、移動接觸及結束接觸，該站立期時間係由該控制模組依據已儲存的接觸參數組，從中取得具有同一識別碼之接觸參數組，並計算該具有同一識別碼之接觸參數組的接觸狀態由開始接觸至結束接觸之間的時間差值。

其中，該足跡類型係分為左前腳、右前腳、左後腳及右後腳，該左前腳與右前腳係互為對側腳，該左後腳與右後腳係互為對側腳，該接觸狀態分為開始接觸、移動接觸及結束接觸，該控制模組依據該接觸狀態為開始接觸的發生時間早晚，而將足跡類型係互為對側腳且先後接續形成之二接觸點的踩踏類型分為早踏腳及晚踏腳，該雙站立期時間係由該控制模組依據已儲存的接觸參數組，從中取得該踩踏類型分別為早踏腳及晚踏腳之二接觸參數組，並計算該踩踏類型為早踏腳之接觸參數組的接觸狀態為結束接觸與該踩踏類型為晚踏腳之接觸狀態為開始接觸兩者之間的時間差值。

其中，該足跡類型係分為一左前腳、一右前腳、一左後腳及一右後腳，該接觸狀態分為開始接觸、移動接觸及結束接觸，該擺盪期時間係由該控制模組依據已儲存的接觸參數組，從中取得同一足跡類型先後接續形成之二接觸參數組，並計算較晚形成之接觸參數組的接觸狀態為開始接觸與較早形成之接觸參數組的接觸狀態為結束接觸兩者之間的時間差值。

其中，該足跡類型係分為一左前腳、一右前腳、一左後腳及一右後腳，該左前腳與右前腳係互為對側腳，該左後腳與右後腳係互為對側腳_[HL1] ，該單腳站立期時間係由該控制模組依據已儲存的接觸參數組，從中取得該足跡類型係互為對側腳之二種接觸參數組，定義其一種為單側參數組，另一種為對側參數組，再依據先後接續形成之二對側參數組，計算較晚形成之對側參數組的接觸狀態為開始接觸與較早形成之對側參數組的接觸狀態為結束接觸兩者之間的時間差值，此時間差值亦即依據該對側參數組所計算之擺盪期時間。

其中，該取樣步驟係由該控制模組依據該接觸點數量判斷該封包是否含有接觸參數組，若判斷為是，則該控制模組依序讀取該接觸參數組，若判斷為否，則該控制模組依據一結束命令決定是否關閉該多點觸控板。

其中，該取樣步驟係由該控制模組依據該接觸點數量判斷該封包是否含有接觸參數組，若判斷為是，則該控制模組依序讀取該接觸參數組，若判斷為否，則該控制模組依據一結束命令決定是否關閉該三維加速度計。

其中，該步態分析步驟於分辨該接觸參數組之足跡類型前，由該控制模組判斷該接觸參數組之接觸區域的面積是否為該動物之足跡，若判斷為是，則該控制模組分析該接觸參數組之足跡類型，並記錄該接觸參數組之識別碼為已分析，若判斷為否，則該控制模組記錄該接觸參數組之識別碼為已分析後，讀取下一筆接觸參數組。

其中，該控制模組係於具有同一識別碼之接觸參數組的接觸區域中，搜尋一最大接觸區域值，再判斷該最大接觸區域值是否介於一預定區域範圍內，若判斷為是，則該控制模組分析該足跡類型及記錄該識別碼，若判斷為否，則該控制模組記錄該識別碼及讀取下一筆接觸參數組。

其中，該步態分析步驟於計算該步長距離、該步寬距離或該雙站立期時間前，由該控制模組判斷該接觸參數組形成的時間之前是否有足跡類型係互為對側腳之接觸參數組，若判斷為是，則計算該步長距離、該步寬距離或該雙站立期時間，若判斷為否，則該控制模組讀取下一筆接觸參數組。

一種動物行為監測系統，係包含：一多點觸控板，具有一感測面，用以接觸一動物而感測到數個接觸點，並依據該接觸點於不同時間順序的取樣結果分別產生一封包，該封包具有至少一接觸參數組；及一控制模組，具有一處理單元、一儲存單元及一介面單元，該處理單元電性連接該儲存單元、該介面單元及該多點觸控板，該處理單元用以接收該封包，並依據該接觸參數組計算一步態參數組，該儲存單元用以儲存該封包，該介面單元用以輸出該步態參數組，並輸入資料至該處理單元。

其中，另包含至少一個三維加速度計電性連接該控制模組之處理單元，且該三維加速度計設置於該多點觸控板之感測面。

其中，另包含一殼體，該殼體係設有一開口連通一容室，該開口結合該多點觸控板，且該多點觸控板之感測面朝向該容室。

其中，該容室內設有數個分隔件。

其中，該多點觸控板封閉該殼體之容室。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本發明全文所述之「間隔時間」(Time Interval)，係指多點觸控板週期性地擷取資料時，擷取時間點之間的固定時間差距，例如：0.01秒等，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「取樣」(Sampling)，係指多點觸控板每隔一段間隔時間擷取一次接觸點之狀態(例如：接觸點之數量、位置、接觸區域或接觸狀態等)作為樣本值(sample)之過程，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「時間順序」(Time Sequence)，係指多點觸控板取得的樣本值(例如：多點觸控板於第2、4、6、...、2n秒取得的樣本值)之間，存在時間先後順序的關係，，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「封包」(Packet)，係指多點觸控板取樣同一時間所存在的數個接觸點狀態(例如：動物之數個足部所形成的接觸點)，而產生的資料封包，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「步長距離」(Step Length)，係指四足動物在行進過程中，其相對側之二足部(例如：左後腳與右後腳等)於其行進方向的距離，如第4圖所示，其中，該四足動物之左後腳先後形成二接觸點P3及P6，該四足動物之右後腳先後形成二接觸點P4及P7，該接觸點P4與P6於Y軸方向的距離為左後腳之步長距離L_L ，右後腳、左前腳及右前腳之步長距離可依此類推，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「跨步長距離」(Stride Length)，係指四足動物在行進過程中，其同一足部(例如：左後腳等)於其行進方向先後接續地(即連續兩次)接觸一接觸面的距離，如第4圖所示，其中，該接觸點P3與P6於Y軸方向的距離為左後腳之跨步長距離L_LS ，右後腳、左前腳及右前腳之跨步長距離可依此類推，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「步寬距離」(Step Width)，係指四足動物在行進過程中，其相對側之二足部(例如：左後腳與右後腳等)於其側移方向的距離，如第4圖所示其中，該接觸點P3與P4、P6與P4或P6與P7於X軸方向的距離為左後腳與右後腳之步寬距離W，左前腳與右前腳之步寬距離可依此類推，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「站立期時間」(Stance Phase Time)，係指四足動物在行進過程中，其同一足部(例如：右後腳等)自從接觸一接觸面至離開該接觸面之間的時間差值，如第3圖所示，一動物A自從一足部F4接觸一接觸面11的時間點T1至該足部F4離開該接觸面11的時間點T4之間的差值T_S (即T4-T1)等，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「雙站立期時間」(Double Stance Phase Time)，係指四足動物在行進過程中，其相對側之二足部(例如：左後腳與右後腳等)先後踩踏於一接觸面時，自較晚踩踏的足部(例如：右後腳)接觸該接觸面至較早踩踏的足部(例如：左後腳)離開該接觸面之間的時間差值，如第3圖所示，一動物A自一足部F4接觸該接觸面11的時間點T1至一足部F3離開一接觸面11的時間點T2之間的差值T_TS1 (即T2-T1)等，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「擺盪期時間」(Swing Phase Time)，係指四足動物在行進過程中，其同一足部(例如：右後腳等)自從離開一接觸面至再度接觸該接觸面之間的時間差值，如第3圖所示，一動物A自從一足部F4離開一接觸面11的時間點T4至該足部F4再度接觸該接觸面11的時間點T5之間的差值T_W (即T5-T4)等，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「單腳站立期時間」(Single Stance Phase Time)，係指四足動物在行進過程中，其相對側之二足部(例如：左後腳與右後腳等)分別定義為一單側腳(例如：右後腳)及一對側腳(例如：左後腳)，若要計算該單側腳之單腳站立期時間，則計算該對側腳自從離開一接觸面至再度接觸該接觸面之間的時間差值，亦即對側腳之「擺盪期時間」，如第3圖所示，一動物A之二足部F4及F3分別為該單側腳及該對側腳，該足部F4之單腳站立期時間為自從該足部F3離開一接觸面11的時間點T2至該足部F3再度接觸該接觸面11的時間點T3之間的差值T_SS (即T3-T2)等，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

請參閱第1圖所示，其係本發明之動物行為監測方法較佳實施例之系統架構示意圖，其中，一動物行為監測系統包含一多點觸控板1及一控制模組2，該多點觸控板1可以採用具有多點觸控功能的平板電腦(Tablet PC)，該多點觸控板1具有一感測面11，該感測面11可供一動物A爬行於其上，當該動物A爬行時，該動物A會以其身軀的數個部位(例如：足部)接觸該感測面11，使該感測面11感測到數個接觸點(contact-point)P，當該動物A走動時，該接觸點P之狀態(例如：數量或位置等)將會隨時間變化。其中，該多點觸控板1會每隔一段間隔時間取樣該接觸點P的變化情形，並依時間順序分別產生一封包。其中，各封包包含一時戳(Timestamp)、一接觸點數量及至少一接觸參數組(例如：識別碼、接觸狀態、位置座標及接觸區域等有關單一接觸點P之參數)，用以記錄同一時間所感測到的接觸點P之狀態。在此實施例中，僅以四足動物之小鼠作為監測之動物A，亦可應用於監測雙足動物，在此並不設限；該感測面11係感測該動物A之四足部而形成四個接觸點P；各接觸參數組包含一識別碼、一接觸狀態、一位置座標及一接觸區域，惟不以此為限。

該控制模組2具有一處理單元21、一儲存單元22及一介面單元23，該處理單元21包含資料處理及儲存功能之裝置，例如：微處理器(Micro-Processor)等，該處理單元4可以執行一處理程式，且該處理單元21電性連接該多點觸控板1，用以接收該封包，並可依據該接觸參數組計算至少一步態參數組，例如：該動物A之腳步間的距離及時間差等，或依據該接觸參數組判斷該動物A之行為。在此實施例中，該步態參數組包含該動物A之步長距離、跨步長距離、步寬距離、站立期時間、雙站立期時間、擺盪期時間及單腳站立期時間等步態參數，惟不以此為限。該儲存單元22包含資料記憶功能之裝置，例如：習知記憶體或硬碟等儲存媒體等，該儲存單元22電性連接該處理單元21，用以儲存該封包或其他有關步態分析的資料。該介面單元23包含資料輸入及輸出功能之裝置，例如：觸控螢幕(Touch Panel)、鍵盤(Keyboard)或螢幕(Monitor)等，該介面單元23電性連接該處理單元21，且該介面單元23包含一輸入部231及一輸出部232，分別供使用者輸入資料至該處理單元21，及輸出該步態參數組供使用者參考。其中，該控制模組2之處理單元21、儲存單元22及介面單元23可以分開設置或共同組裝為一體，而形成一桌上型電腦(Desktop Computers)、一筆記型電腦(Notebook Computers)、一平板電腦(Tablet Computers)、一掌上型電腦(Handheld Computers)或一智慧型手機(Smart Phone)等實施態樣。在此實施例中，該控制模組2僅以一筆記型電腦作為實施態樣，該介面單元23之輸入部231及輸出部232舉例為該筆記型電腦之鍵盤及螢幕，惟不以此為限。

此外，本發明之動物行為監測系統還可以設有至少一個三維加速度計(3-D accelerometer，G sensor)3及一殼體4，該三維加速度計3較佳設置於該多點觸控板1之感測面11，用以感測該動物A於該多點觸控板1移動時所造成的三維方向振動量，而且，該三維加速度計3電性連接該控制模組2之處理單元21，可將該三維方向振動量輸出至處理單元21。在此實施例中，僅設置一個三維加速度計3於該感測面11，惟不以此為限。該殼體4可設有一開口41連通一容室42，該開口41用以結合該多點觸控板1，且該多點觸控板1之感測面11朝向該容室42，其中，該多點觸控板1可以封閉結合該開口41，使該殼體4與該多點觸控板1共同構成一個實驗用的暗室，當該動物A接觸該多點觸控板1時，可於該容室42內移動。而且，該容室42內還可以設有數個分隔件43，而將該容室42分隔為迷宮等形式之實驗空間，以符合各種研究所需的實驗空間。

請參閱第2圖所示，其係本發明之動物行為監測方法的運作流程圖，其中，該動物行為監測方法包含一置物步驟S1、一取樣步驟S2及一步態分析步驟S3。

請一併參照第1及3圖所示，該置物步驟S1係將一動物A置於一多點觸控板1，使該多點觸控板1接觸該動物A而感測到數個接觸點P，該接觸點P之數量會隨該動物A之走動行為而改變。詳言之，當本發明之動物行為監測系統設置完成後，即可將該動物A放置於該多點觸控板1之感測面11，該動物A(例如：小鼠)會以身體的數個部位(例如：四足部)接觸該感測面11，此時，該感測面11將會感測到四接觸點P，當該動物A於該感測面11走動的過程中，會有部分足部(例如：時間點T1之足部F1、時間點T2之足部F3、時間點T4之足部F4、時間點T5之足部F1)暫時離開該感測面11，而使該接觸點P數量有所變化；各接觸點P之位置、接觸面積或接觸狀態等均會隨該動物A之走動行為而改變。

該取樣步驟S2，係由該多點觸控板1每隔一間隔時間T取樣該接觸點P，再依據不同時間順序之取樣結果分別產生一封包K，並傳送至一控制模組2。其中，各封包K具有一時戳、一接觸點數量及至少一接觸參數組；而且，由同一接觸點P依據不同時間順序取樣產生的接觸參數組具有同一識別碼。詳言之，當該感測面11進行感測時，該多點觸控板1將會每隔該間隔時間T(例如：介於0.01至0.1秒的範圍內)取樣一次該接觸點P之數量、位置及狀態等資訊，再依據不同時間順序的取樣結果產生不同封包K，並傳送至該控制模組2。當該控制模組2收到該封包K後，可以依據該接觸點數量判斷該封包K是否含有接觸參數組，若判斷為「是」，例如：判斷該接觸點數量是否大於或等於1，則該控制模組2依序讀取該接觸參數組，並儲存該接觸參數組之時戳及接觸參數組；若判斷為「否」，則該控制模組2可以依據一結束命令決定是否關閉該多點觸控板1或該三維加速度計3，該結束命令可由使用者透過該介面單元23輸入至該處理單元21，並儲存於該儲存單元22。其中，該封包K之格式在此並不設限，舉例如下式(1)所示：

K(Tn)={[Tn],[N],S_n [P]_1...m }　(1)

其中，K(Tn)為該多點觸控板1於不同時間Tn進行取樣時，所產生的封包K之代號，n=1、2、...；[Tn]為該時戳，用以表示該多點觸控板1進行取樣的時間點；[N]為該封包接觸點數量，用以表示該接觸參數組之數量；S_n [P]_1...m 為時間點Tn所擷取的封包m(m≧1)個接觸點P所形成的接觸參數組，用以表示該m個接觸點P的參數資料，例如：識別碼、接觸狀態、位置座標及接觸區域等參數，該接觸參數組之格式舉例如下式(2)所示：

S_n [P]_1...m ={[I],[C],[L],[A]}　(2)

其中，[I]為該接觸參數組S_n [P]_1...m 之識別碼，例如：唯一識別碼等；[C]為該接觸參數組S_n [P]_1...m 之接觸狀態，例如：開始接觸、移動接觸或結束接觸等；[L]為該接觸參數組S_n [P]_1...m 之位置座標，例如：二維座標(X,Y)等；[A]為該接觸參數組S_n [P]_1...m 之接觸區域，例如：接觸區域之接觸面積、總像素值或半徑等，當接觸區域為以相似橢圓形的圖形來描述時，該接觸區域包含該接觸面積、一長軸半徑及一短軸半徑。以下係舉例說明該多點觸控板1如何產生該封包K：請再參閱第3圖所示，其中，該動物A以其足部F1、F2、F3或F4接觸該感測面11，當該多點觸控板1分別於時間點T1、T2、T3、T4及T5進行取樣時，將依取樣時間順序產生五封包K，以下分別用代號K(T1)、K(T2)、K(T3)、K(T4)及K(T5)代表此五封包K，其內容分別如下式(3a)~(3e)所示：

K(T1)={[T1],[4],S1[P1],S1[P2],S1[P3],S1[P4]}　(3a)

K(T2)={[T2],[4],S2[P5],S2[P2],S2[P3],S2[P4]}(3b)

K(T3)={[T3],[4],S3[P5],S3[P2],S3[P6],S3[P4]}(3c)

K(T4)={[T4],[4],S4[P5],S4[P2],S4[P6],S4[P4]}(3d)

K(T5)={[T5],[4],S5[P5],S5[P2],S5[P6],S5[P7]}(3e)

其中，該接觸點P4及P7皆由該動物A之足部F4所形成，以下僅舉該接觸點P4、P7及接觸參數組S1[P4]、S2[P4]、S3[P4]、S4[P4]及S5[P7]為例進行說明，其餘接觸參數組之內容可依此類推。其中，該封包K(T1)所包含的接觸參數組係如下式(4a)所示：

由上式(4a)可知，當時間為T1時，由於該足部F4開始接觸該感測面11之座標(X41,Y41)，接觸面積之像素值為A41，因此，該多點觸控板1所產生之接觸參數組S1[P4]的識別碼設為〝I4〞、接觸狀態設為〝開始接觸〞、位置座標設為〝X41,Y41〞、接觸區域設為〝A41〞。

另，該封包K(T2)所包含的接觸參數組係如下式(4b)所示：

由上式(4b)可知，當時間為T2時，由於該足部F4移動至該感測面11之座標(X42,Y42)，接觸面積之像素值為A42，因此，該接觸參數組S2[P4]之識別碼仍為〝I4〞、接觸狀態改為〝移動接觸〞、位置座標設為〝X42,Y42〞、接觸區域設為〝A42〞。

另，該封包K(T3)所包含的接觸參數組係如下式(4c)所示：

由上式(4c)可知，當時間為T3時，由於該足部F4移動至該感測面11之座標(X43,Y43)，接觸面積之像素值為A43，因此，該接觸參數組S3[P4]之識別碼仍為〝I4〞、接觸狀態仍為〝移動接觸〞、位置座標設為〝X43,Y43〞、接觸區域設為〝A43〞。

另，該封包K(T4)所包含的接觸參數組係如下式(4d)所示：

由上式(4d)可知，當時間為T4時，由於該足部F4正在離開該感測面11，因此，該接觸參數組S4[P4]之識別碼仍為〝I4〞，接觸狀態改為〝結束接觸〞。

另，該封包K(T5)所包含的接觸參數組係如下式(4e)所示：

由上式(4e)可知，當時間為T5時，由於該足部F4重新接觸於該感測面11之座標(X75,Y75)，接觸面積之像素值為A75，因此，該多點觸控板1所產生之接觸參數組S5[P7]的識別碼設為〝I7〞、接觸狀態設為〝開始接觸〞、位置座標設為〝X75,Y75〞、接觸區域設為〝A75〞。因此，該識別碼可用以辨認同一個接觸點P所衍生的數個接觸參數組，作為後續進行步態分析之依據。

此外，在該取樣步驟S2中，該控制模組2還可以由該三維加速度計3接收該多點觸控板1之三個軸向加速度值，例如：X、Y及Z軸加速度值，並依據該軸向加速度值計算該動物A施於該多點觸控板1之作用力，例如：採用習知運動方程式等，其計算方式係熟知該項技藝者可以理解，在此容不贅述。

該步態分析步驟S3，係由該控制模組2分辨各接觸參數組所屬的足跡類型，再依據該接觸參數組及足跡類型計算至少一步態參數組，用以表示該動物A之任何足部的數個步態參數，例如：該動物A之其一足部先後接續踩踏的時間、距離或各足部與其他足部之間踩踏的時間、距離等。詳言之，由不同時序之封包K的接觸參數組，可以得知該動物A接觸該感測面11所形成之接觸點P的變化情形。因此，該控制模組2由該接觸參數組之識別碼可以得知同一接觸點P的接觸狀態、位置座標及接觸區域等資訊，並可儲存該接觸參數組之接觸狀態為〝開始接觸〞至〝結束接觸〞之間的軸向加速度值。

其中，該控制模組2於分辨該接觸參數組的足跡類型前，可以先判斷該接觸參數組之接觸區域的接觸面積是否可以表示該動物A之足跡，例如：在具有同一識別碼之接觸參數組的接觸區域中，搜尋一最大接觸區域值，再判斷該最大接觸區域值是否介於一預定區域範圍(例如：20~50像素)內，若判斷為「是」，則該控制模組2分析該接觸參數組之足跡類型，並記錄該接觸參數組之識別碼為已分析，若判斷為「否」，則該控制模組2認定該接觸參數組之接觸區域為雜訊(noise)，並於記錄該接觸參數組之識別碼為已分析後，讀取下一筆接觸參數組。

接著，該控制模組2可以依據該接觸參數組之位置座標的相對空間方位，而區分該接觸參數組的足跡類型，例如：前向(forward)、後向(backward)、左側(left)或右側(right)腳等；另，該控制模組2由具有同一識別碼之接觸參數組的接觸狀態之發生時間早晚順序，可以區分該動物A的踩踏類型，例如：較早(before)或較晚(later)踩踏。

以四足動物為例，可將該接觸點P的足跡類型分為一〝左前腳〞(如第3圖之接觸點P1)、一〝右前腳〞(如第3圖之接觸點P2)、一〝左後腳〞(如第3圖之接觸點P3)及一〝右後腳〞(如第3圖之接觸點P4)，為方便後續說明，在此定義該〝左前腳〞與〝右前腳〞係互為「對側腳」、該〝左後腳〞與〝右後腳〞係互為「對側腳」。

接著，該控制模組2可以依據該接觸參數組、該足跡類型及踩踏類型，而計算該動物A之至少一足部的步態參數組，例如：步長距離、跨步長距離、步寬距離、站立期時間、擺盪期時間、雙站立期時間及單腳站立期時間等，分別舉例說明如後所述：其中，該控制模組2於計算該步長距離、該步寬距離或該雙站立期時間之前，較佳將該接觸參數組依時間排序，並判斷欲採用之接觸參數組所形成的時間(即其時戳)之前是否有足跡類型與其係互為「對側腳」之接觸參數組，若判斷為「是」，則可以開始計算該步長距離、該步寬距離或該雙站立期時間；若判斷為「否」，則該控制模組2繼續讀取下一筆接觸參數組。

該步長距離係由該控制模組2依據已儲存的接觸參數組，從中取得該足跡類型係互為對側腳之二接觸參數組，並計算該二接觸參數組之位置座標於一行進方向(如第4圖所示之Y軸方向)之差值。如第4圖所示，其中，該接觸點P3及P6為先後形成之〝左後腳〞足跡類型，該接觸點P4及P7為先後形成之〝右後腳〞足跡類型，，該控制模組2之處理單元21計算該接觸點P4與P6之接觸參數組的位置座標於Y軸方向之差值，可以取得該足跡類型為〝左後腳〞之步長距離L_L ；另，計算該接觸點P6與P7之接觸參數組的位置座標於Y軸方向之差值，可以取得該足跡類型為〝右後腳〞之步長距離L_R 。因此，其餘步長距離係可依此類推。

該跨步長距離係由該控制模組2依據已儲存的接觸參數組，從中取得相同足跡類型先後接續形成之二接觸參數組，並計算該二接觸參數組之位置座標於該行進方向之差值。如第4圖所示，其中，該處理單元21計算該接觸點P3與P6之接觸參數組的位置座標於Y軸方向之差值，可以取得該足跡類型為〝左後腳〞之跨步長距離L_LS ；另，計算該接觸點P4與P7之接觸參數組的位置座標於Y軸方向之差值，可以取得該足跡類型為〝右後腳〞之跨步長距離L_RS 。因此，其餘跨步長距離係可依此類推。

該步寬距離係由該控制模組2依據已儲存的接觸參數組，從中取得該足跡類型係互為對側腳之二接觸參數組，並計算該二接觸參數組之位置座標於一側移方向(如第4圖所示之X軸方向)之差值。如第4圖所示，其中，該處理單元21計算該接觸點P3與P4、P6與P4或P6與P7之接觸參數組的位置座標於X軸方向之差值，可以取得該足跡類型為〝左後腳〞與〝右後腳〞之步寬距離W。因此，其餘步寬距離係可依此類推。

該站立期時間係由該控制模組2依據已儲存的接觸參數組，從中取得具有同一識別碼之接觸參數組，並計算該具有同一識別碼之接觸參數組的接觸狀態由〝開始接觸〞至〝結束接觸〞之間的時間差值，作為該些接觸參數組所屬接觸點P之站立期時間。如第3圖所示，當時間為T1時，該接觸點P4所形成之接觸參數組的接觸狀態為〝開始接觸〞，而且，當時間為T4時，該接觸點P4所形成之接觸參數組的接觸狀態為〝結束接觸〞，該控制模組2計算該時戳T4與T1之差值，可以取得該接觸點P4之站立期時間T_S 。因此，其餘接觸點P的站立期時間係可依此類推。

此外，在該動物A以其四足連續踩踏該感測面11的過程中，若先後接續形成二接觸點P，例如：先後接續形成足跡類型係互為「對側腳」之二接觸點P，則該控制模組2可依據該二接觸點P之接觸參數組的接觸狀態為〝開始接觸〞的發生時間早晚(即時戳值小與大)，而將足跡類型係互為對側腳且先後接續形成之二接觸參數組的踩踏類型分為〝早踏腳〞及〝晚踏腳〞。

該雙站立期時間係由該控制模組2依據已儲存的接觸參數組，從中取得該踩踏類型分別為〝早踏腳〞及〝晚踏腳〞之二接觸參數組，並計算該踩踏類型為〝晚踏腳〞之接觸狀態為〝開始接觸〞與該踩踏類型為〝早踏腳〞之接觸參數組的接觸狀態為〝結束接觸〞兩者之間的時間差值，用以表示該動物A之其中一足部接觸該接觸面11至其對側之足部離開該接觸面11的時間。如第3圖所示，當時間為T1時，由於該動物A之足部F3比F4較早踩踏於該接觸面11，該接觸點P3之接觸參數組的踩踏類型為〝早踏腳〞，且其接觸狀態為〝移動接觸〞，該接觸點P4之接觸參數組的踩踏類型為〝晚踏腳〞，且其接觸狀態為〝開始接觸〞；當時間為T2時，該踩踏類型為〝早踏腳〞之接觸參數組(屬於該接觸點P3)的接觸狀態改為〝結束接觸〞，該踩踏類型為〝晚踏腳〞之接觸參數組(屬於該接觸點P4)的接觸狀態變為〝移動接觸〞，因此，該踩踏類型為〝早踏腳〞之接觸狀態為〝結束接觸〞的時戳為T2，該踩踏類型為〝晚踏腳〞之接觸狀態為〝開始接觸〞的時戳為T1，該雙站立期時間T_TS1 為該時戳T2與T1之差值。另舉一例，當時間為T3時，由於該動物A之足部F4比F3較早踩踏於該接觸面11，該接觸點P4之接觸參數組的踩踏類型為〝早踏腳〞，且其接觸狀態為〝移動接觸〞；該接觸點P6之接觸參數組的踩踏類型為〝晚踏腳〞，且其接觸狀態為〝開始接觸〞；當時間為T4時，該踩踏類型為〝早踏腳〞之接觸參數組(屬於該接觸點P4)的接觸狀態變為〝結束接觸〞，而該踩踏類型為〝晚踏腳〞之接觸參數組(屬於該接觸點P6)的接觸狀態變為〝移動接觸〞，因此，該踩踏類型為〝早踏腳〞之接觸狀態為〝結束接觸〞的時戳為T4，該踩踏類型為〝晚踏腳〞之接觸狀態為〝開始接觸〞的時戳為T3，該雙站立期時間T_TS2 為該時戳T4與T3之差值。該動物A於該感測面11行走時所產生的其餘雙站立期時間係可依此類推。

該擺盪期時間係由該控制模組2依據已儲存的接觸參數組，從中取得同一足跡類型先後接續形成之二接觸參數組，並計算較晚形成之接觸參數組的接觸狀態為〝開始接觸〞與較早形成之接觸參數組的接觸狀態為〝結束接觸〞兩者之間的時間差值，用以表示該動物A之其中一足部離開該接觸面11至此足部再度接觸該接觸面11之間的時間差值。如第3圖所示，當時間為T4時，該動物A之足部F4離開該接觸面11，該接觸點P4之接觸參數組的接觸狀態為〝結束接觸〞；當時間為T5時，該動物A之足部F4再度接觸該接觸面11，該接觸點P7之接觸參數組的接觸狀態為〝開始接觸〞，計算該時戳T5與T4之差值，可以取得該擺盪期時間T_W 。因此，其餘擺盪期時間係可依此類推。

另，如第3圖所示，由於該站立期時間T_S 與該雙站立期時間T_TS1 、T_TS2 具有一差值，因此，可以將該站立期時間T_S 減去該雙站立期時間T_TS1 及T_TS2 ，並定義為一單腳站立期時間T_SS ，用以表示該動物A之一待測足部(例如：左後腳)的單獨站立的時間，即當該待測足部形成接觸點P時，其對側足部(例如：右後腳)離開該接觸面11至該對側足部再次接觸該接觸面11的時間差值，此時間差值亦即該對側足部之擺盪期時間。換言之，該待測足部所形成之接觸點P的單腳站立期時間T_SS 可由該控制模組2依據已儲存的接觸參數組，從中取得該足跡類型係互為「對側腳」之二種接觸參數組(即同一種各取數個)，定義其一種為單側參數組(即代表該待測足部)，另一種為對側參數組(即代表該對側足部)，再依據先後接續形成之二對側參數組，計算較晚形成之對側參數組的接觸狀態為〝開始接觸〞與較早形成之對側參數組的接觸狀態為〝結束接觸〞兩者之間的時間差值。此外，該控制模組2還可以儲存各接觸參數組之接觸狀態為〝開始接觸〞至〝結束接觸〞之間的軸向加速度值，以供使用者參考。

除此之外，本發明動物行為監測方法還可以包含一軌跡分析步驟S4，係由該控制模組2依時間排序該接觸參數組，並依據具有同一時戳之接觸參數組產生一行蹤座標，再將該行蹤座標依時間排序，作為該動物A的移動軌跡。詳言之，以第3圖所示之四足動物足跡為例，由於該動物A之接觸點P1、P2、P3及P4的足跡類型分別為〝左前腳〞、〝右前腳〞、〝左後腳〞及〝右後腳〞，因此，該控制模組2可由具有同一時戳之接觸點P1、P2、P3及P4之位置座標計算該動物A之行蹤座標C，例如：以該接觸點P1、P2、P3及P4之X座標平均值作為該行蹤座標C之X座標值，並以該接觸點P1、P2、P3及P4之Y座標平均值作為該中心位置C之Y座標值。再將屬於不同時戳之行蹤座標依時間先後順序加以排序，即可得知該動物A之移動軌跡。本發明亦可適用於非四足動物，其係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，在此容不贅述。其中，若具有同一時戳之接觸參數組僅有二個，且該二接觸參數組之足跡類型分別為〝左後腳〞及〝右後腳〞，則該控制模組2之處理單元21判定該動物A呈現站立狀態。

藉由前揭之技術手段，本發明所揭示之動物行為監測方法的主要特點列舉如下：先將該動物A置於該多點觸控板1，使該多點觸控板1接觸該動物A而感測到數個接觸點P。接著，由該多點觸控板1每隔一間隔時間取樣該接觸點P之數量，再依據不同時間順序之取樣結果個別產生該封包，該封包具有該時戳、該接觸點數量及該接觸參數組，而且，由同一接觸點P於不同時間順序取樣產生的接觸參數組具有同一識別碼。之後，由該控制模組2依據該接觸參數組分辨該動物A的足跡類型，再依據具有同一識別碼之接觸參數組及該足跡類型計算該步態參數組，例如：步長距離、跨步長距離、步寬距離、站立期時間、擺盪期時間及雙站立期時間等。因此，本發明動物行為監測方法可以進行動物步態分析，在生理學、心理學或藥物學等醫學領域中，可讓研究人員透過客觀且詳盡的步態分析結果(例如：該步長距離、跨步長距離、步寬距離、站立期時間、擺盪期時間及雙站立期時間等)得知該動物A的內在詳細情況(例如：藥物對動物的影響)，為本發明之功效。

再者，該控制模組2可由具有同一時戳之接觸參數組中，依據足跡類型分別為〝左前腳〞、〝右前腳〞、〝左後腳〞及〝右後腳〞之接觸參數組的位置座標產生該行蹤座標C，再將該行蹤座標C依時間排序，作為該動物A的移動軌跡。而且，當具有同一時戳之二接觸參數組僅有兩個，且代表的足跡類型分別為〝左後腳〞及〝右後腳〞時，則該控制模組2可以判定該動物A呈現站立狀態。因此，本發明動物行為監測方法可以由該動物A行走時的腳步資訊變化，而判斷動物正在進行走動或站立等行為，可以客觀地呈現動物行為，而且不易誤判動物行為，乃本發明之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

〔本發明〕

1‧‧‧多點觸控板

11‧‧‧感測面

2‧‧‧控制模組

21‧‧‧處理單元

22‧‧‧儲存單元

23‧‧‧介面單元

231‧‧‧鍵盤

232‧‧‧輸出部

3‧‧‧三維加速度計

4‧‧‧殼體

41‧‧‧開口

42‧‧‧容室

43‧‧‧分隔件

A‧‧‧動物

C‧‧‧行蹤座標

F1‧‧‧足部

F2‧‧‧足部

F3‧‧‧足部

F4‧‧‧足部

L_L ,L_R ‧‧‧步長距離

L_LS ,L_RS ‧‧‧跨步長距離

K‧‧‧封包

P,P1,P2‧‧‧接觸點

P3,P4,P5‧‧‧接觸點

P6,P7‧‧‧接觸點

S1‧‧‧置物步驟

S2‧‧‧取樣步驟

S3‧‧‧步態分析步驟

S4‧‧‧軌跡分析步驟

T‧‧‧間隔時間

T1~T5‧‧‧時間點

T_S ‧‧‧站立期時間

T_SS ‧‧‧單腳站立期時間

T_TS1 ,T_TS2 ‧‧‧雙站立期時間

T_W ‧‧‧擺盪期時間

W‧‧‧步寬距離

X,Y,Z‧‧‧軸方向

第1圖：本發明之動物行為監測方法較佳實施例之系統架構示意圖。

第2圖：本發明之動物行為監測方法較佳實施例之運作流程圖。

第3圖：本發明之動物走動情形示意圖。

第4圖：本發明之動物足跡分布情形示意圖。

S1．．．置物步驟

S2．．．取樣步驟

S3．．．步態分析步驟

S4．．．軌跡分析步驟

Claims (11)

1. 一種動物行為監測方法，係包含：一置物步驟，係將一動物置於一多點觸控板，該多點觸控板接觸該動物而感測到數個接觸點，該接觸點之數量會隨該動物之走動行為而改變；一取樣步驟，係由該多點觸控板每隔一間隔時間取樣該接觸點，再依據不同時間順序之取樣結果分別產生一封包，並傳送至一控制模組，其中，各封包具有一時戳、一接觸點數量及至少一接觸參數組，由同一接觸點依據不同時間順序取樣產生的接觸參數組具有同一識別碼；及一步態分析步驟，係由該控制模組分辨各接觸參數組所屬的足跡類型，再依據具有該接觸參數組及足跡類型計算至少一步態參數組；該接觸參數組包含該識別碼、一接觸狀態、一位置座標及一接觸區域，該步態參數組包含一步長距離、一跨步長距離、一步寬距離、一站立期時間、一雙站立期時間、一擺盪期時間及一單腳站立期時間，該接觸狀態分為開始接觸、移動接觸及結束接觸，該站立期時間係由該控制模組依據已儲存的接觸參數組，從中取得具有同一識別碼之接觸參數組，並計算該具有同一識別碼之接觸參數組的接觸狀態由開始接觸至結束接觸之間的時間差值，該足跡類型係分為左前腳、右前腳、左後腳及右後腳，該左前腳與右前腳係互為對側腳，該左後腳與右 後腳係互為對側腳，該控制模組依據該接觸狀態為開始接觸的發生時間早晚，而將足跡類型係互為對側腳且先後接續形成之二接觸參數組的踩踏類型分為早踏腳及晚踏腳，該雙站立期時間係由該控制模組依據已儲存的接觸參數組，從中取得該踩踏類型分別為早踏腳及晚踏腳之二接觸參數組，並計算該踩踏類型為晚踏腳之接觸狀態為開始接觸與該踩踏類型為早踏腳之接觸參數組的接觸狀態為結束接觸兩者之間的時間差值，該擺盪期時間係由該控制模組依據已儲存的接觸參數組，從中取得同一足跡類型先後接續形成之二接觸參數組，並計算較晚形成之接觸參數組的接觸狀態為開始接觸與較早形成之接觸參數組的接觸狀態為結束接觸兩者之間的時間差值，該單腳站立期時間係由該控制模組依據已儲存的接觸參數組，從中取得該足跡類型係互為對側腳之二種接觸參數組，定義其一種為單側參數組，另一種為對側參數組，再依據先後接續形成之二對側參數組，計算較晚形成之對側參數組的接觸狀態為開始接觸與較早形成之對側參數組的接觸狀態為結束接觸兩者之間的時間差值，該步態分析步驟於計算該步長距離、該步寬距離或該雙站立期時間之前，由該控制模組判斷欲採用之接觸參數組所形成的時間之前是否有足跡類型與其係互為對側腳之接觸參數組，若判斷為是，則計算該步長距離、該步寬距離或該雙站立期時間，若判斷為否，則該控制模組讀取下一筆接觸參數組。
2. 如申請專利範圍第1項所述之動物行為監測方法，另包 含一軌跡分析步驟，係由該控制模組依時間排序該接觸參數組，並依據具有同一時戳之接觸參數組產生一行蹤座標，再將該行蹤座標依時間排序，作為該動物的移動軌跡。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之動物行為監測方法，其中若具有同一時戳之接觸參數組僅有二個，且該二接觸參數組之足跡類型分別為左後腳及右後腳，則該控制模組判定該動物呈現站立狀態。
4. 如申請專利範圍第1或2項所述之動物行為監測方法，其中該多點觸控板設置至少一個三維加速度計，該取樣步驟由該三維加速度計產生該多點觸控板之三個軸向加速度值，該控制模組依據該軸向加速度值計算該動物之各接觸點施於該多點觸控板之作用力。
5. 如申請專利範圍第1項所述之動物行為監測方法，其中該足跡類型係分為一左前腳、一右前腳、一左後腳及一右後腳，該左前腳與右前腳係互為對側腳，該左後腳與右後腳係互為對側腳，該步長距離係由該控制模組依據已儲存的接觸參數組，從中取得該足跡類型係互為對側腳之二接觸參數組，並計算該二接觸參數組之位置座標於一行進方向之差值。
6. 如申請專利範圍第1項所述之動物行為監測方法，其中該足跡類型係分為一左前腳、一右前腳、一左後腳及一右後腳，該跨步長距離係由該控制模組依據已儲存的接觸參數組，從中取得相同足跡類型先後接續形成之二接觸參數組，並計算該二接觸參數組之位置座標於一行進 方向之差值。
7. 如申請專利範圍第1項所述之動物行為監測方法，其中該足跡類型係分為一左前腳、一右前腳、一左後腳及一右後腳，該左前腳與右前腳係互為對側腳，該左後腳與右後腳係互為對側腳，該步寬距離係由該控制模組依據已儲存的接觸參數組，從中取得該足跡類型係互為對側腳之二接觸參數組，並計算該二接觸參數組之位置座標於一側移方向之差值。
8. 如申請專利範圍第1或2項所述之動物行為監測方法，其中該取樣步驟係由該控制模組依據該接觸點數量判斷該封包是否含有接觸參數組，若判斷為是，則該控制模組依序讀取該接觸參數組，若判斷為否，則該控制模組依據一結束命令決定是否關閉該多點觸控板。
9. 如申請專利範圍第4項所述之動物行為監測方法，其中該取樣步驟係由該控制模組依據該接觸點數量判斷該封包是否含有接觸參數組，若判斷為是，則該控制模組依序讀取該接觸參數組，若判斷為否，則該控制模組依據一結束命令決定是否關閉該三維加速度計。
10. 如申請專利範圍第1項所述之動物行為監測方法，其中該步態分析步驟於分辨該接觸參數組之足跡類型前，由該控制模組判斷該接觸參數組之接觸區域的面積是否為該動物之足跡，若判斷為是，則該控制模組分析該接觸參數組之足跡類型，並記錄該接觸參數組之識別碼為已分析，若判斷為否，則該控制模組記錄該接觸參數組之識別碼為已分析後，讀取下一筆接觸參數組。
11. 如申請專利範圍第10項所述之動物行為監測方法，其中該控制模組係於具有同一識別碼之接觸參數組的接觸區域中，搜尋一最大接觸區域值，再判斷該最大接觸區域值是否介於一預定區域範圍內，若判斷為是，則該控制模組分析該足跡類型及記錄該識別碼，若判斷為否，則該控制模組記錄該識別碼及讀取下一筆接觸參數組。