淺談可穿戴計算技術(shù)及其應(yīng)用

　　一。 概述

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

　　普適計算之父馬克·維瑟（Mark Weiser）對智能環(huán)境是這樣描述的：“這是一個由傳感器、驅(qū)動器、顯示器和計算機(jī)元素組成的物理世界，這些元素?zé)o縫嵌入到我們生活中的物件中，通過不間斷的網(wǎng)絡(luò)連接在一起”。智能環(huán)境為人們提供了一個有趣的數(shù)字世界，不停運(yùn)轉(zhuǎn)的各種智能設(shè)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），目前國際上尚無較明確和完備的定義，國際上公認(rèn)的可穿戴計算技術(shù)的先驅(qū)者，加拿大的斯蒂夫·曼恩（Steve Mann）教授認(rèn)為可穿戴計算機(jī)系統(tǒng)具有這樣的特征：“屬于用戶的個人空間，由穿戴者控制，同時具有操作和互動的持續(xù)性”。正如人類將計算機(jī)作為外部設(shè)備使用一樣，在一個可穿戴計算機(jī)系統(tǒng)中，計算機(jī)可以將人類的頭腦和身體變成它的一個外部設(shè)備。同時，可穿戴計算機(jī)和人類之間的互動是持續(xù)性的，更重要的是，為了滿足用戶不中斷正在進(jìn)行的任務(wù)，可穿戴計算機(jī)還能夠進(jìn)行多任務(wù)操作。如果一臺計算機(jī)是“可穿戴的”，那它將伴隨在我們的日常生活中隨時提供幫助，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)并非是簡單地把計算機(jī)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，以滿足人們的應(yīng)用需求。

　　1. 片上系統(tǒng)（SoC）

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

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

　　2. 嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)

　　嵌入式系統(tǒng)誕生于微型計算機(jī)，是嵌入到對象體系中的專用計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。由于可穿戴計算機(jī)系統(tǒng)的體積和存儲空間十分有限，操作系統(tǒng)應(yīng)盡量壓縮到“專用”的程度，并提高實(shí)時性。這使得嵌入式操作系統(tǒng)成為必要，這類系統(tǒng)常常是實(shí)時的和微內(nèi)核的，并具有極強(qiáng)的處理多外設(shè)能力。

　　3. 無線自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　可穿戴計算系統(tǒng)要伴隨人的活動并作為一個移動節(jié)點(diǎn)隨時聯(lián)網(wǎng)，多個這樣的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個特殊的網(wǎng)絡(luò)，稱之為自組網(wǎng)。在任何時刻、任何地點(diǎn)，不需要現(xiàn)有信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持就能快速構(gòu)建起一個移動通信網(wǎng)絡(luò)，它是一組帶有無線收發(fā)裝置的移動終端組成的多跳頻、臨時性自治系統(tǒng)。

　　4. 移動數(shù)據(jù)庫技術(shù)

　　可穿戴計算系統(tǒng)需要在移動中訪問數(shù)據(jù)庫，這類移動式的數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)將有別于固定的數(shù)據(jù)庫管理。移動數(shù)據(jù)庫具備以下特性：支持多種連接協(xié)議、完備的嵌入式數(shù)據(jù)庫的管理功能、支持多種嵌入式操作系統(tǒng)。

　　5. 人機(jī)交互技術(shù)

　　可穿戴計算系統(tǒng)是一個人與計算機(jī)密不可分的集合體，因此，人機(jī)交互技術(shù)是可穿戴計算機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，它解決了人與計算機(jī)之間的交互問題，人通過這種交互提高了對環(huán)境感知的能力。

　　6. 無線連接技術(shù)

　　可以想像，當(dāng)多達(dá)十幾個模塊同時分布于人體之上，它們之間的連接線纜將是十分沉重的負(fù)擔(dān)，也是一個不可靠的因素。而采用藍(lán)牙等近距離無線通信方式替代這些連接線纜，將徹底解決以上問題。

　　7. 高效能源技術(shù)

　　鑒于可穿戴計算系統(tǒng)的長效性要求，需要一種可長期、持續(xù)、穩(wěn)定的供電模式保證可穿戴計算機(jī)的有效運(yùn)行，例如將人體的運(yùn)動能量（行走時足底的能量、慣性能量、人體其他行為產(chǎn)生的能量）、熱能和化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能方式。

　　三。 可穿戴計算技術(shù)的應(yīng)用

　　1. 主要研究機(jī)構(gòu)

　　全世界許多著名大學(xué)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)對可穿戴計算技術(shù)做了很長時間的研究，他們多數(shù)的研究領(lǐng)域是健康關(guān)懷、監(jiān)控系統(tǒng)和助理系統(tǒng)。與此同時，許多大型公司如IBM、谷歌、諾基亞等也對這個領(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(xiàn)。

　　1） ACT實(shí)驗(yàn)室：ACTLab（行動與環(huán)境識別技術(shù)研究小組）是歐洲領(lǐng)先的研究實(shí)驗(yàn)室之一，專注于普適計算、可穿戴計算和移動技術(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)通過對活動和環(huán)境的識別來解釋人類行為，他們的研究重點(diǎn)是信號處理、模式識別和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。

　　2） 麻省理工學(xué)院（MIT）媒體實(shí)驗(yàn)室：該實(shí)驗(yàn)室為可穿戴計算技術(shù)的研究作出了重大貢獻(xiàn)，他們致力于研發(fā)最新的計算機(jī)科技，專注于發(fā)明而非將科技產(chǎn)品化。媒體實(shí)驗(yàn)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公司的和旋鍵盤的部分部件，制作出了特納的第一版智能工作系統(tǒng)。

　　3） 多倫多大學(xué)ePI實(shí)驗(yàn)室：ePI實(shí)驗(yàn)室的前身是成立于1998年的多倫多大學(xué)人文智能實(shí)驗(yàn)室（HI實(shí)驗(yàn)室）?，F(xiàn)在它是一個計算機(jī)視覺和智能圖像處理研究實(shí)驗(yàn)室，專注于個人成像、介導(dǎo)現(xiàn)實(shí)（Mediated Reality）和可穿戴計算技術(shù)等領(lǐng)域。ePI實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)始人和現(xiàn)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(yàn)室的主要研究優(yōu)勢為可穿戴式計算的硬件和開源介導(dǎo)現(xiàn)實(shí)軟件。

　　4） 谷歌X實(shí)驗(yàn)室：谷歌X實(shí)驗(yàn)室，又被簡稱為谷歌X，是谷歌秘密創(chuàng)立的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，它位于美國北加州灣區(qū)某處。谷歌X實(shí)驗(yàn)室工作列表上的“百大沖出星際計劃” （100 shoot-for-the-stars）大多數(shù)尚在概念階段，項目涉及到未來的太空電梯，無人駕駛汽車，增強(qiáng)現(xiàn)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，下面簡要介紹幾個目前國際上運(yùn)用該技術(shù)的代表性應(yīng)用項目。

　　1） 配有可穿戴傳感器的新生兒智能監(jiān)測外套是一個研究了10年的項目，由荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)和位于荷蘭費(fèi)爾德霍芬的麥西瑪醫(yī)療中心共同開發(fā)。與足月產(chǎn)兒相比早產(chǎn)嬰兒會有更多由壓力產(chǎn)生的神經(jīng)發(fā)育問題，傳統(tǒng)的嬰兒監(jiān)測系統(tǒng)是靠把傳感器貼在嬰兒脆弱的皮膚上獲得重要參數(shù)的，當(dāng)更換傳感器和大量纏繞電線的時候，會讓早產(chǎn)兒感到不適，造成皮膚刺激的同時也干擾了新生兒的睡眠；此外，將母親和嬰兒分開也是另一個造成壓力的原因。為了減少新生兒重癥監(jiān)護(hù)室（NICU）環(huán)境中的壓力感和增加親子接觸，智能外套作為一個舒適的可穿戴式監(jiān)控系統(tǒng)被設(shè)計出來，旨在幫助早產(chǎn)嬰兒長期健康的成長。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(yàn)室和ePI實(shí)驗(yàn)室是EyeTab數(shù)字眼鏡相關(guān)技術(shù)的兩個主要開發(fā)成員。EyeTab可以戴在眼睛前面作為相機(jī)錄制現(xiàn)場，并且給眼睛提供一個計算機(jī)生成的圖像添加在原始場景中。這個結(jié)構(gòu)允許用戶的眼睛操作EyeTab，它既是監(jiān)視器也是一臺照相機(jī)，它允許計算機(jī)處理并改變用戶看見的內(nèi)容。在計算機(jī)控制下，EyeTap可以增加、減少或改變用戶所處環(huán)境的視覺感知，創(chuàng)建一個計算機(jī)介導(dǎo)現(xiàn)實(shí)（Mediated Reality）。為了盡量精準(zhǔn)獲取用戶看到的內(nèi)容，一個EyeTap系統(tǒng)采用一個分束器將相同的場景發(fā)送給雙眼和照相機(jī)，照相機(jī)把反映出的畫面數(shù)字化后發(fā)送到一臺計算機(jī)，圖像經(jīng)計算機(jī)處理后通過一臺投影機(jī)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，然后疊加在原始場景上完成整個過程。

　　由谷歌X實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的“拓展現(xiàn)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(jī)的所有功能，鏡片上裝有一個微型顯示屏，用戶無需動手操作便可上網(wǎng)沖浪或者處理文字信息和電子郵件，同時，戴上這款谷歌眼鏡后用戶還可以用自己的聲音控制拍照、視頻通話和辨明方向等。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(shè)備的結(jié)合體，投影儀用以顯示數(shù)據(jù)，攝像頭用來拾取視頻畫面，存儲傳輸模塊用于存儲與輸出數(shù)據(jù)，而操控設(shè)備可通過語音、觸控和自動三種模式控制。目前谷歌眼鏡已于2012年6月在谷歌I/O開發(fā)者大會上預(yù)售。

　　3） 智能鞋（Smart Shoes）：2012年5月來自電信創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、慕尼黑大學(xué)和多倫多大學(xué)的計算機(jī)科學(xué)家發(fā)表了一篇關(guān)于鞋感應(yīng)（ShoeSense）的研究報告，這項研究是為因忙碌（例如開會、跑步、駕駛等）而不便使用移動設(shè)備的用戶提供一個解決方案。鞋感應(yīng)模塊被安裝在用戶鞋面上，它使用一個深度傳感器（depth sensor）相機(jī)來感應(yīng)手勢命令，再傳送給用戶的移動設(shè)備。鞋感應(yīng)具有三種特定手勢：三角形，三維徑向（3D-Radial），手指計數(shù)（Finger-Count），三角形和手指計數(shù)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注意力下執(zhí)行。例如，用一只手握拳的手勢可以發(fā)送預(yù)先安排的文本，如“我遲到了”；右手觸摸左肘可以接聽一個電話；還有其他的手勢可以控制跳到下一首音樂或轉(zhuǎn)換到靜音模式。智能鞋不但可以在不去伸手拿移動設(shè)備的情況下快速執(zhí)行頻繁操作而不影響日?；顒?，同時還可以增強(qiáng)移動設(shè)備的操作性、支持輔助功能和藝術(shù)表達(dá)。

　　谷歌公司于2013年美國德州奧斯汀的SXSW大會上推出了“會說話的概念鞋”，這款智能鞋由谷歌和創(chuàng)意設(shè)計機(jī)構(gòu)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(yīng)器、喇叭和藍(lán)牙芯片。傳感器可以收集鞋子的運(yùn)動信息并發(fā)出語音評論，同時此款智能鞋還利用藍(lán)牙將鞋子和智能手機(jī)保持同步，通過一些編程方式讓鞋子功能更加與眾不用。和大多數(shù)笨重不方便的可穿戴計算機(jī)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(xù)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)可以包容感覺每個人，許多使用該技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為一些人生活的一部分，例如尋路、健康狀況監(jiān)測、幫助記憶和現(xiàn)實(shí)調(diào)整，可以說，可穿戴計算技術(shù)表現(xiàn)出了其非常重大的意義和對整個社會的影響。

　　當(dāng)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，其中一個最主要障礙便是尺寸和外觀的問題。史蒂夫·曼恩教授在80年代起就開始設(shè)計和制造可穿戴計算技術(shù)的設(shè)備，然而，他制造的第一個可穿戴計算儀器既大又不美觀，即使是現(xiàn)在，大部分的可穿戴技術(shù)設(shè)備都不是真的“可穿戴”。另一個重要問題是不間斷運(yùn)行這些設(shè)備就很自然地帶來了能源供應(yīng)的問題，這些設(shè)備應(yīng)該是電池供電還是無電池供電系統(tǒng)的呢？如果這是一個無電池供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)備，那么何種能源供應(yīng)技術(shù)可以被應(yīng)用其中？

　　無論如何，可穿戴計算技術(shù)在人們需要信息輔助的任何領(lǐng)域，都有著重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。從商業(yè)目的到科學(xué)目的，數(shù)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(yīng)用程序在穩(wěn)步發(fā)展中。這項技術(shù)已經(jīng)為人們帶來許多便利，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步成熟，成本的下降，可穿戴計算系統(tǒng)將出現(xiàn)旺盛的市場需求，這項技術(shù)在未來將會吸引公眾更多的關(guān)注并吸引更多的研究團(tuán)隊進(jìn)入。也許在不久的將來，所有人都能夠穿上一雙能夠控制自己移動電話或其他電子設(shè)備的鞋子；失明人士只要戴上一副特制的眼鏡就可以重見光明；患有阿茲海默癥（老年期癡呆的一種類型）的人們能夠記得和認(rèn)出親人的名字和面孔。