淺談可穿戴計算技術(shù)及其應用

　　一。 概述

　　可穿戴計算技術(shù)是一種將計算機“穿戴”在人體上進(jìn)行各種應用的國際性前沿計算機技術(shù)，是智能環(huán)境的一個(gè)主要研究課題。

　　普適計算之父馬克·維瑟（Mark Weiser）對智能環(huán)境是這樣描述的：“這是一個(gè)由傳感器、驅動(dòng)器、顯示器和計算機元素組成的物理世界，這些元素無(wú)縫嵌入到我們生活中的物件中，通過(guò)不間斷的網(wǎng)絡(luò )連接在一起”。智能環(huán)境為人們提供了一個(gè)有趣的數字世界，不停運轉的各種智能設備使我們的生活變得更加舒適和便利。

　　可穿戴計算技術(shù)（Wearable Computing），目前國際上尚無(wú)較明確和完備的定義，國際上公認的可穿戴計算技術(shù)的先驅者，加拿大的斯蒂夫·曼恩（Steve Mann）教授認為可穿戴計算機系統具有這樣的特征：“屬于用戶(hù)的個(gè)人空間，由穿戴者控制，同時(shí)具有操作和互動(dòng)的持續性”。正如人類(lèi)將計算機作為外部設備使用一樣，在一個(gè)可穿戴計算機系統中，計算機可以將人類(lèi)的頭腦和身體變成它的一個(gè)外部設備。同時(shí)，可穿戴計算機和人類(lèi)之間的互動(dòng)是持續性的，更重要的是，為了滿(mǎn)足用戶(hù)不中斷正在進(jìn)行的任務(wù)，可穿戴計算機還能夠進(jìn)行多任務(wù)操作。如果一臺計算機是“可穿戴的”，那它將伴隨在我們的日常生活中隨時(shí)提供幫助，它就像穿衣服或其他形式的穿戴一樣，盡可能的不引人注意。

　　二。 可穿戴計算的關(guān)鍵技術(shù)

　　可穿戴計算技術(shù)并非是簡(jiǎn)單地把計算機微小化后直接穿戴在人們身上，它需要解決很多關(guān)鍵性的技術(shù)才能真正發(fā)展起來(lái)，以滿(mǎn)足人們的應用需求。

　　1. 片上系統（SoC）

　　片上系統（SoC）是一個(gè)微小型系統，如果說(shuō)中央處理器（CPU）是大腦，那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統。國內外學(xué)術(shù)界一般傾向將SoC 定義為將微處理器、模擬IP核、數字IP核和存儲器集成在單一芯片上。由于可穿戴計算系統在應用上便利性、舒適性的要求，決定了其處理系統應該是可定制的、

　　具有特定用途的微小化產(chǎn)品，SoC技術(shù)正是這一問(wèn)題的解決方法。

　　2. 嵌入式操作系統技術(shù)

　　嵌入式系統誕生于微型計算機，是嵌入到對象體系中的專(zhuān)用計算機應用系統。由于可穿戴計算機系統的體積和存儲空間十分有限，操作系統應盡量壓縮到“專(zhuān)用”的程度，并提高實(shí)時(shí)性。這使得嵌入式操作系統成為必要，這類(lèi)系統常常是實(shí)時(shí)的和微內核的，并具有極強的處理多外設能力。

　　3. 無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò )技術(shù)

　　可穿戴計算系統要伴隨人的活動(dòng)并作為一個(gè)移動(dòng)節點(diǎn)隨時(shí)聯(lián)網(wǎng)，多個(gè)這樣的節點(diǎn)構成一個(gè)特殊的網(wǎng)絡(luò )，稱(chēng)之為自組網(wǎng)。在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)，不需要現有信息基礎網(wǎng)絡(luò )設施的支持就能快速構建起一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )，它是一組帶有無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置的移動(dòng)終端組成的多跳頻、臨時(shí)性自治系統。

　　4. 移動(dòng)數據庫技術(shù)

　　可穿戴計算系統需要在移動(dòng)中訪(fǎng)問(wèn)數據庫，這類(lèi)移動(dòng)式的數據庫管理技術(shù)將有別于固定的數據庫管理。移動(dòng)數據庫具備以下特性：支持多種連接協(xié)議、完備的嵌入式數據庫的管理功能、支持多種嵌入式操作系統。

　　5. 人機交互技術(shù)

　　可穿戴計算系統是一個(gè)人與計算機密不可分的集合體，因此，人機交互技術(shù)是可穿戴計算機系統中的關(guān)鍵技術(shù)，它解決了人與計算機之間的交互問(wèn)題，人通過(guò)這種交互提高了對環(huán)境感知的能力。

　　6. 無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)

　　可以想像，當多達十幾個(gè)模塊同時(shí)分布于人體之上，它們之間的連接線(xiàn)纜將是十分沉重的負擔，也是一個(gè)不可靠的因素。而采用藍牙等近距離無(wú)線(xiàn)通信方式替代這些連接線(xiàn)纜，將徹底解決以上問(wèn)題。

　　7. 高效能源技術(shù)

　　鑒于可穿戴計算系統的長(cháng)效性要求，需要一種可長(cháng)期、持續、穩定的供電模式保證可穿戴計算機的有效運行，例如將人體的運動(dòng)能量（行走時(shí)足底的能量、慣性能量、人體其他行為產(chǎn)生的能量）、熱能和化學(xué)能轉化為電能方式。

　　三。 可穿戴計算技術(shù)的應用

　　1. 主要研究機構

　　全世界許多著(zhù)名大學(xué)實(shí)驗室已經(jīng)對可穿戴計算技術(shù)做了很長(cháng)時(shí)間的研究，他們多數的研究領(lǐng)域是健康關(guān)懷、監控系統和助理系統。與此同時(shí)，許多大型公司如IBM、谷歌、諾基亞等也對這個(gè)領(lǐng)域抱有極大興趣，在可穿戴計算技術(shù)研究領(lǐng)域做出了杰出貢獻。

　　1） ACT實(shí)驗室：ACTLab（行動(dòng)與環(huán)境識別技術(shù)研究小組）是歐洲領(lǐng)先的研究實(shí)驗室之一，專(zhuān)注于普適計算、可穿戴計算和移動(dòng)技術(shù)，隸屬于荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)電氣工程學(xué)院。ACTLab利用多模式普適傳感器技術(shù)通過(guò)對活動(dòng)和環(huán)境的識別來(lái)解釋人類(lèi)行為，他們的研究重點(diǎn)是信號處理、模式識別和機器學(xué)習技術(shù)。

　　2） 麻省理工學(xué)院（MIT）媒體實(shí)驗室：該實(shí)驗室為可穿戴計算技術(shù)的研究作出了重大貢獻，他們致力于研發(fā)最新的計算機科技，專(zhuān)注于發(fā)明而非將科技產(chǎn)品化。媒體實(shí)驗室第一次涉足這片領(lǐng)域可追溯到1993年，兩名研究人員，薩德斯。特納（Thad Starner）和道格。普拉特（Doug Platt）用Park公司Private Eye顯示器和Handykey公司的和旋鍵盤(pán)的部分部件，制作出了特納的第一版智能工作系統。

　　3） 多倫多大學(xué)ePI實(shí)驗室：ePI實(shí)驗室的前身是成立于1998年的多倫多大學(xué)人文智能實(shí)驗室（HI實(shí)驗室）?，F在它是一個(gè)計算機視覺(jué)和智能圖像處理研究實(shí)驗室，專(zhuān)注于個(gè)人成像、介導現實(shí)（Mediated Reality）和可穿戴計算技術(shù)等領(lǐng)域。ePI實(shí)驗室的創(chuàng )始人和現任董事正是被譽(yù)為可穿戴計算領(lǐng)域創(chuàng )始人的史蒂夫·曼恩（Steve Mann）教授。ePI實(shí)驗室的主要研究?jì)?yōu)勢為可穿戴式計算的硬件和開(kāi)源介導現實(shí)軟件。

　　4） 谷歌X實(shí)驗室：谷歌X實(shí)驗室，又被簡(jiǎn)稱(chēng)為谷歌X，是谷歌秘密創(chuàng )立的創(chuàng )新實(shí)驗室，它位于美國北加州灣區某處。谷歌X實(shí)驗室工作列表上的“百大沖出星際計劃” （100 shoot-for-the-stars）大多數尚在概念階段，項目涉及到未來(lái)的太空電梯，無(wú)人駕駛汽車(chē)，增強現實(shí)眼鏡，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

　　2. 代表性項目

　　對于可穿戴計算技術(shù)的研究屬于目前世界上最前沿的科技發(fā)明，主要以概念性產(chǎn)品為主，下面簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)目前國際上運用該技術(shù)的代表性應用項目。

　　1） 配有可穿戴傳感器的新生兒智能監測外套是一個(gè)研究了10年的項目，由荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)和位于荷蘭費爾德霍芬的麥西瑪醫療中心共同開(kāi)發(fā)。與足月產(chǎn)兒相比早產(chǎn)嬰兒會(huì )有更多由壓力產(chǎn)生的神經(jīng)發(fā)育問(wèn)題，傳統的嬰兒監測系統是靠把傳感器貼在嬰兒脆弱的皮膚上獲得重要參數的，當更換傳感器和大量纏繞電線(xiàn)的時(shí)候，會(huì )讓早產(chǎn)兒感到不適，造成皮膚刺激的同時(shí)也干擾了新生兒的睡眠；此外，將母親和嬰兒分開(kāi)也是另一個(gè)造成壓力的原因。為了減少新生兒重癥監護室（NICU）環(huán)境中的壓力感和增加親子接觸，智能外套作為一個(gè)舒適的可穿戴式監控系統被設計出來(lái)，旨在幫助早產(chǎn)嬰兒長(cháng)期健康的成長(cháng)。智能外套就像袋鼠媽媽的育兒袋和早產(chǎn)兒的保溫箱一樣，但只是穿戴在早產(chǎn)兒的手臂上而已。

　　2） 谷歌X實(shí)驗室和ePI實(shí)驗室是EyeTab數字眼鏡相關(guān)技術(shù)的兩個(gè)主要開(kāi)發(fā)成員。EyeTab可以戴在眼睛前面作為相機錄制現場(chǎng)，并且給眼睛提供一個(gè)計算機生成的圖像添加在原始場(chǎng)景中。這個(gè)結構允許用戶(hù)的眼睛操作EyeTab，它既是監視器也是一臺照相機，它允許計算機處理并改變用戶(hù)看見(jiàn)的內容。在計算機控制下，EyeTap可以增加、減少或改變用戶(hù)所處環(huán)境的視覺(jué)感知，創(chuàng )建一個(gè)計算機介導現實(shí)（Mediated Reality）。為了盡量精準獲取用戶(hù)看到的內容，一個(gè)EyeTap系統采用一個(gè)分束器將相同的場(chǎng)景發(fā)送給雙眼和照相機，照相機把反映出的畫(huà)面數字化后發(fā)送到一臺計算機，圖像經(jīng)計算機處理后通過(guò)一臺投影機投射到另一邊的分束器，這樣經(jīng)處理后的圖像再反射回眼睛，然后疊加在原始場(chǎng)景上完成整個(gè)過(guò)程。

　　由谷歌X實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的“拓展現實(shí)”眼鏡被命名為谷歌眼鏡（Project Glass），這款高科技眼鏡是可穿戴計算的第一步， 它擁有智能手機的所有功能，鏡片上裝有一個(gè)微型顯示屏，用戶(hù)無(wú)需動(dòng)手操作便可上網(wǎng)沖浪或者處理文字信息和電子郵件，同時(shí)，戴上這款谷歌眼鏡后用戶(hù)還可以用自己的聲音控制拍照、視頻通話(huà)和辨明方向等。這款神奇的眼鏡實(shí)際上就是微型投影儀+攝像頭+傳感器+存儲傳輸+操控設備的結合體，投影儀用以顯示數據，攝像頭用來(lái)拾取視頻畫(huà)面，存儲傳輸模塊用于存儲與輸出數據，而操控設備可通過(guò)語(yǔ)音、觸控和自動(dòng)三種模式控制。目前谷歌眼鏡已于2012年6月在谷歌I/O開(kāi)發(fā)者大會(huì )上預售。

　　3） 智能鞋（Smart Shoes）：2012年5月來(lái)自電信創(chuàng )新實(shí)驗室、慕尼黑大學(xué)和多倫多大學(xué)的計算機科學(xué)家發(fā)表了一篇關(guān)于鞋感應（ShoeSense）的研究報告，這項研究是為因忙碌（例如開(kāi)會(huì )、跑步、駕駛等）而不便使用移動(dòng)設備的用戶(hù)提供一個(gè)解決方案。鞋感應模塊被安裝在用戶(hù)鞋面上，它使用一個(gè)深度傳感器（depth sensor）相機來(lái)感應手勢命令，再傳送給用戶(hù)的移動(dòng)設備。鞋感應具有三種特定手勢：三角形，三維徑向（3D-Radial），手指計數（Finger-Count），三角形和手指計數采用雙手手勢的方式，而三維徑向是單手手勢的例子，這些手勢均可以在不需要視覺(jué)注意力下執行。例如，用一只手握拳的手勢可以發(fā)送預先安排的文本，如“我遲到了”；右手觸摸左肘可以接聽(tīng)一個(gè)電話(huà)；還有其他的手勢可以控制跳到下一首音樂(lè )或轉換到靜音模式。智能鞋不但可以在不去伸手拿移動(dòng)設備的情況下快速執行頻繁操作而不影響日?；顒?dòng)，同時(shí)還可以增強移動(dòng)設備的操作性、支持輔助功能和藝術(shù)表達。

　　谷歌公司于2013年美國德州奧斯汀的SXSW大會(huì )上推出了“會(huì )說(shuō)話(huà)的概念鞋”，這款智能鞋由谷歌和創(chuàng )意設計機構YesYesNo以及Studio 5050合作完成。鞋子配備一塊微控制器、加速計、陀螺儀、壓力感應器、喇叭和藍牙芯片。傳感器可以收集鞋子的運動(dòng)信息并發(fā)出語(yǔ)音評論，同時(shí)此款智能鞋還利用藍牙將鞋子和智能手機保持同步，通過(guò)一些編程方式讓鞋子功能更加與眾不用。和大多數笨重不方便的可穿戴計算機相比，智能鞋由于縮小了它的傳感器而更像一雙普通鞋子，也讓人們更愿意在日常生活中穿戴，可以說(shuō)智能鞋技術(shù)大大加快了可穿戴式計算技術(shù)的發(fā)展。

　　四。 展望

　　在幾十年的發(fā)展和持續研究下，可穿戴計算技術(shù)已經(jīng)被證明非常具有實(shí)際操作性。這項技術(shù)可以包容感覺(jué)每個(gè)人，許多使用該技術(shù)的應用已經(jīng)成為一些人生活的一部分，例如尋路、健康狀況監測、幫助記憶和現實(shí)調整，可以說(shuō)，可穿戴計算技術(shù)表現出了其非常重大的意義和對整個(gè)社會(huì )的影響。

　　當然，在這項技術(shù)普及之前，我們的科學(xué)家仍然需要先去除一些技術(shù)壁壘，其中一個(gè)最主要障礙便是尺寸和外觀(guān)的問(wèn)題。史蒂夫·曼恩教授在80年代起就開(kāi)始設計和制造可穿戴計算技術(shù)的設備，然而，他制造的第一個(gè)可穿戴計算儀器既大又不美觀(guān)，即使是現在，大部分的可穿戴技術(shù)設備都不是真的“可穿戴”。另一個(gè)重要問(wèn)題是不間斷運行這些設備就很自然地帶來(lái)了能源供應的問(wèn)題，這些設備應該是電池供電還是無(wú)電池供電系統的呢？如果這是一個(gè)無(wú)電池供應系統的設備，那么何種能源供應技術(shù)可以被應用其中？

　　無(wú)論如何，可穿戴計算技術(shù)在人們需要信息輔助的任何領(lǐng)域，都有著(zhù)重要的應用價(jià)值和廣闊的應用前景。從商業(yè)目的到科學(xué)目的，數以百計的相關(guān)研究正在進(jìn)行中，例如許多特定的用于幫助殘疾人和扶助老年人的可穿戴計算應用程序在穩步發(fā)展中。這項技術(shù)已經(jīng)為人們帶來(lái)許多便利，隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步成熟，成本的下降，可穿戴計算系統將出現旺盛的市場(chǎng)需求，這項技術(shù)在未來(lái)將會(huì )吸引公眾更多的關(guān)注并吸引更多的研究團隊進(jìn)入。也許在不久的將來(lái)，所有人都能夠穿上一雙能夠控制自己移動(dòng)電話(huà)或其他電子設備的鞋子；失明人士只要戴上一副特制的眼鏡就可以重見(jiàn)光明；患有阿茲海默癥（老年期癡呆的一種類(lèi)型）的人們能夠記得和認出親人的名字和面孔。