浅谈可穿戴计算技术及其应用

　　一。 概述

　　可穿戴计算技术是一种将计算机“穿戴”在人体上进行各种应用的国际性前沿计算机技术，是智能环境的一个主要研究课题。

　　普适计算之父马克·维瑟（Mark Weiser）对智能环境是这样描述的：“这是一个由传感器、驱动器、显示器和计算机元素组成的物理世界，这些元素无缝嵌入到我们生活中的物件中，通过不间断的网络连接在一起”。智能环境为人们提供了一个有趣的数字世界，不停运转的各种智能设备使我们的生活变得更加舒适和便利。

　　可穿戴计算技术（Wearable CompuTIng），目前国际上尚无较明确和完备的定义，国际上公认的可穿戴计算技术的先驱者，加拿大的斯蒂夫·曼恩（Steve Mann）教授认为可穿戴计算机系统具有这样的特征：“属于用户的个人空间，由穿戴者控制，同时具有操作和互动的持续性”。正如人类将计算机作为外部设备使用一样，在一个可穿戴计算机系统中，计算机可以将人类的头脑和身体变成它的一个外部设备。同时，可穿戴计算机和人类之间的互动是持续性的，更重要的是，为了满足用户不中断正在进行的任务，可穿戴计算机还能够进行多任务操作。如果一台计算机是“可穿戴的”，那它将伴随在我们的日常生活中随时提供帮助，它就像穿衣服或其他形式的穿戴一样，尽可能的不引人注意。

　　二。 可穿戴计算的关键技术

　　可穿戴计算技术并非是简单地把计算机微小化后直接穿戴在人们身上，它需要解决很多关键性的技术才能真正发展起来，以满足人们的应用需求。

　　1. 片上系统（SoC）

　　片上系统（SoC）是一个微小型系统，如果说中央处理器（CPU）是大脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。国内外学术界一般倾向将SoC 定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器集成在单一芯片上。由于可穿戴计算系统在应用上便利性、舒适性的要求，决定了其处理系统应该是可定制的、

　　具有特定用途的微小化产品，SoC技术正是这一问题的解决方法。

　　2. 嵌入式操作系统技术

　　嵌入式系统诞生于微型计算机，是嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统。由于可穿戴计算机系统的体积和存储空间十分有限，操作系统应尽量压缩到“专用”的程度，并提高实时性。这使得嵌入式操作系统成为必要，这类系统常常是实时的和微内核的，并具有极强的处理多外设能力。

　　3. 无线自组网络技术

　　可穿戴计算系统要伴随人的活动并作为一个移动节点随时联网，多个这样的节点构成一个特殊的网络，称之为自组网。在任何时刻、任何地点，不需要现有信息基础网络设施的支持就能快速构建起一个移动通信网络，它是一组带有无线收发装置的移动终端组成的多跳频、临时性自治系统。

　　4. 移动数据库技术

　　可穿戴计算系统需要在移动中访问数据库，这类移动式的数据库管理技术将有别于固定的数据库管理。移动数据库具备以下特性：支持多种连接协议、完备的嵌入式数据库的管理功能、支持多种嵌入式操作系统。

　　5. 人机交互技术

　　可穿戴计算系统是一个人与计算机密不可分的集合体，因此，人机交互技术是可穿戴计算机系统中的关键技术，它解决了人与计算机之间的交互问题，人通过这种交互提高了对环境感知的能力。

　　6. 无线连接技术

　　可以想像，当多达十几个模块同时分布于人体之上，它们之间的连接线缆将是十分沉重的负担，也是一个不可靠的因素。而采用蓝牙等近距离无线通信方式替代这些连接线缆，将彻底解决以上问题。

　　7. 高效能源技术

　　鉴于可穿戴计算系统的长效性要求，需要一种可长期、持续、稳定的供电模式保证可穿戴计算机的有效运行，例如将人体的运动能量（行走时足底的能量、惯性能量、人体其他行为产生的能量）、热能和化学能转化为电能方式。

　　三。 可穿戴计算技术的应用

　　1. 主要研究机构

　　全世界许多著名大学实验室已经对可穿戴计算技术做了很长时间的研究，他们多数的研究领域是健康关怀、监控系统和助理系统。与此同时，许多大型公司如IBM、谷歌、诺基亚等也对这个领域抱有极大兴趣，在可穿戴计算技术研究领域做出了杰出贡献。

　　1） ACT实验室：ACTLab（行动与环境识别技术研究小组）是欧洲领先的研究实验室之一，专注于普适计算、可穿戴计算和移动技术，隶属于荷兰埃因霍温科技大学电气工程学院。ACTLab利用多模式普适传感器技术通过对活动和环境的识别来解释人类行为，他们的研究重点是信号处理、模式识别和机器学习技术。

　　2） 麻省理工学院（MIT）媒体实验室：该实验室为可穿戴计算技术的研究作出了重大贡献，他们致力于研发最新的计算机科技，专注于发明而非将科技产品化。媒体实验室第一次涉足这片领域可追溯到1993年，两名研究人员，萨德斯。特纳（Thad Starner）和道格。普拉特（Doug Platt）用Park公司Private Eye显示器和Handykey公司的和旋键盘的部分部件，制作出了特纳的第一版智能工作系统。

　　3） 多伦多大学ePI实验室：ePI实验室的前身是成立于1998年的多伦多大学人文智能实验室（HI实验室）。现在它是一个计算机视觉和智能图像处理研究实验室，专注于个人成像、介导现实（Mediated Reality）和可穿戴计算技术等领域。ePI实验室的创始人和现任董事正是被誉为可穿戴计算领域创始人的史蒂夫·曼恩（Steve Mann）教授。ePI实验室的主要研究优势为可穿戴式计算的硬件和开源介导现实软件。

　　4） 谷歌X实验室：谷歌X实验室，又被简称为谷歌X，是谷歌秘密创立的创新实验室，它位于美国北加州湾区某处。谷歌X实验室工作列表上的“百大冲出星际计划” （100 shoot-for-the-stars）大多数尚在概念阶段，项目涉及到未来的太空电梯，无人驾驶汽车，增强现实眼镜，物联网技术。

　　2. 代表性项目

　　对于可穿戴计算技术的研究属于目前世界上最前沿的科技发明，主要以概念性产品为主，下面简要介绍几个目前国际上运用该技术的代表性应用项目。

　　1） 配有可穿戴传感器的新生儿智能监测外套是一个研究了10年的项目，由荷兰埃因霍温科技大学和位于荷兰费尔德霍芬的麦西玛医疗中心共同开发。与足月产儿相比早产婴儿会有更多由压力产生的神经发育问题，传统的婴儿监测系统是靠把传感器贴在婴儿脆弱的皮肤上获得重要参数的，当更换传感器和大量缠绕电线的时候，会让早产儿感到不适，造成皮肤刺激的同时也干扰了新生儿的睡眠；此外，将母亲和婴儿分开也是另一个造成压力的原因。为了减少新生儿重症监护室（NICU）环境中的压力感和增加亲子接触，智能外套作为一个舒适的可穿戴式监控系统被设计出来，旨在帮助早产婴儿长期健康的成长。智能外套就像袋鼠妈妈的育儿袋和早产儿的保温箱一样，但只是穿戴在早产儿的手臂上而已。

　　2） 谷歌X实验室和ePI实验室是EyeTab数字眼镜相关技术的两个主要开发成员。EyeTab可以戴在眼睛前面作为相机录制现场，并且给眼睛提供一个计算机生成的图像添加在原始场景中。这个结构允许用户的眼睛操作EyeTab，它既是监视器也是一台照相机，它允许计算机处理并改变用户看见的内容。在计算机控制下，EyeTap可以增加、减少或改变用户所处环境的视觉感知，创建一个计算机介导现实（Mediated Reality）。为了尽量精准获取用户看到的内容，一个EyeTap系统采用一个分束器将相同的场景发送给双眼和照相机，照相机把反映出的画面数字化后发送到一台计算机，图像经计算机处理后通过一台投影机投射到另一边的分束器，这样经处理后的图像再反射回眼睛，然后叠加在原始场景上完成整个过程。

　　由谷歌X实验室开发的“拓展现实”眼镜被命名为谷歌眼镜（Project Glass），这款高科技眼镜是可穿戴计算的第一步， 它拥有智能手机的所有功能，镜片上装有一个微型显示屏，用户无需动手操作便可上网冲浪或者处理文字信息和电子邮件，同时，戴上这款谷歌眼镜后用户还可以用自己的声音控制拍照、视频通话和辨明方向等。这款神奇的眼镜实际上就是微型投影仪+摄像头+传感器+存储传输+操控设备的结合体，投影仪用以显示数据，摄像头用来拾取视频画面，存储传输模块用于存储与输出数据，而操控设备可通过语音、触控和自动三种模式控制。目前谷歌眼镜已于2012年6月在谷歌I/O开发者大会上预售。

　　3） 智能鞋（Smart Shoes）：2012年5月来自电信创新实验室、慕尼黑大学和多伦多大学的计算机科学家发表了一篇关于鞋感应（ShoeSense）的研究报告，这项研究是为因忙碌（例如开会、跑步、驾驶等）而不便使用移动设备的用户提供一个解决方案。鞋感应模块被安装在用户鞋面上，它使用一个深度传感器（depth sensor）相机来感应手势命令，再传送给用户的移动设备。鞋感应具有三种特定手势：三角形，三维径向（3D-Radial），手指计数（Finger-Count），三角形和手指计数采用双手手势的方式，而三维径向是单手手势的例子，这些手势均可以在不需要视觉注意力下执行。例如，用一只手握拳的手势可以发送预先安排的文本，如“我迟到了”；右手触摸左肘可以接听一个电话；还有其他的手势可以控制跳到下一首音乐或转换到静音模式。智能鞋不但可以在不去伸手拿移动设备的情况下快速执行频繁操作而不影响日常活动，同时还可以增强移动设备的操作性、支持辅助功能和艺术表达。

　　谷歌公司于2013年美国德州奥斯汀的SXSW大会上推出了“会说话的概念鞋”，这款智能鞋由谷歌和创意设计机构YesYesNo以及Studio 5050合作完成。鞋子配备一块微控制器、加速计、陀螺仪、压力感应器、喇叭和蓝牙芯片。传感器可以收集鞋子的运动信息并发出语音评论，同时此款智能鞋还利用蓝牙将鞋子和智能手机保持同步，通过一些编程方式让鞋子功能更加与众不用。和大多数笨重不方便的可穿戴计算机相比，智能鞋由于缩小了它的传感器而更像一双普通鞋子，也让人们更愿意在日常生活中穿戴，可以说智能鞋技术大大加快了可穿戴式计算技术的发展。

　　四。 展望

　　在几十年的发展和持续研究下，可穿戴计算技术已经被证明非常具有实际操作性。这项技术可以包容感觉每个人，许多使用该技术的应用已经成为一些人生活的一部分，例如寻路、健康状况监测、帮助记忆和现实调整，可以说，可穿戴计算技术表现出了其非常重大的意义和对整个社会的影响。

　　当然，在这项技术普及之前，我们的科学家仍然需要先去除一些技术壁垒，其中一个最主要障碍便是尺寸和外观的问题。史蒂夫·曼恩教授在80年代起就开始设计和制造可穿戴计算技术的设备，然而，他制造的第一个可穿戴计算仪器既大又不美观，即使是现在，大部分的可穿戴技术设备都不是真的“可穿戴”。另一个重要问题是不间断运行这些设备就很自然地带来了能源供应的问题，这些设备应该是电池供电还是无电池供电系统的呢？如果这是一个无电池供应系统的设备，那么何种能源供应技术可以被应用其中？

　　无论如何，可穿戴计算技术在人们需要信息辅助的任何领域，都有着重要的应用价值和广阔的应用前景。从商业目的到科学目的，数以百计的相关研究正在进行中，例如许多特定的用于帮助残疾人和扶助老年人的可穿戴计算应用程序在稳步发展中。这项技术已经为人们带来许多便利，随着相关技术的进一步成熟，成本的下降，可穿戴计算系统将出现旺盛的市场需求，这项技术在未来将会吸引公众更多的关注并吸引更多的研究团队进入。也许在不久的将来，所有人都能够穿上一双能够控制自己移动电话或其他电子设备的鞋子；失明人士只要戴上一副特制的眼镜就可以重见光明；患有阿茲海默症（老年期痴呆的一种类型）的人们能够记得和认出亲人的名字和面孔。