可穿戴計(jì)算技術(shù)及其應(yīng)用的新發(fā)展

摘要：可穿戴計(jì)算技術(shù)是伴隨著計(jì)算機(jī)、微電子和通信技術(shù)發(fā)展起來的新興學(xué)科，隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的提高這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用研究也正處于難得的機(jī)遇期。闡述了可穿戴計(jì)算區(qū)別于傳統(tǒng)計(jì)算的優(yōu)越特性及其在醫(yī)療、軍事、教育、助殘、體育、娛樂行業(yè)、老年人生活輔助方面的重要學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值，以及可穿戴計(jì)算對(duì)新一代信息與計(jì)算科學(xué)技術(shù)的巨大推動(dòng)作用。介紹了可穿戴計(jì)算技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展情況，說明現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的迫切需求使得該領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛，也使得可穿戴計(jì)算技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出研究上的多學(xué)科交叉融合與產(chǎn)業(yè)化的同步跟進(jìn)相互促進(jìn)的新特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：可穿戴計(jì)算，人機(jī)交互，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)輔助，可穿戴性

0 引言

20世紀(jì)90年代后期，可穿戴計(jì)算[1]研究熱潮逐漸興起，其創(chuàng)新概念層出不窮，研究范疇也不斷擴(kuò)展，重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用研究成果不斷涌現(xiàn)，目前已成為國(guó)際計(jì)算領(lǐng)域重要的前沿研究方向?；仡檌Phone手機(jī)和iPad平板電腦對(duì)移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域帶來的沖擊，可以預(yù)見，可穿戴計(jì)算不僅是學(xué)術(shù)界的前瞻性研究方向，而且可能引發(fā)新一輪的技術(shù)革命，并促使移動(dòng)計(jì)算或智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的重新洗牌。這給可穿戴計(jì)算前瞻研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了重大挑戰(zhàn)，同時(shí)也提供了原始創(chuàng)新和跨越發(fā)展的契機(jī)。

本文以可穿戴計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，介紹了國(guó)內(nèi)外研究工作者在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，總結(jié)了發(fā)展趨勢(shì)以及亟待解決的問題。

1 可穿戴計(jì)算技術(shù)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

作為新的計(jì)算模式，可穿戴計(jì)算的概念、隱喻、構(gòu)架、形態(tài)和功能都在不斷演進(jìn)，目前尚無較規(guī)范、明確和完備的定義。國(guó)際上公認(rèn)的可穿戴式計(jì)算機(jī)的發(fā)明人之一，加拿大的斯蒂夫·曼恩(Steve M)教授認(rèn)為可穿戴計(jì)算機(jī)是這樣一類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：“屬于用戶的個(gè)人空間(personal space)，由穿戴者控制，同時(shí)具有操作和互動(dòng)的持續(xù)性，即always on and always accessible”[2]。

可穿戴計(jì)算機(jī)的思想和雛形早在20世紀(jì)60年代就已出現(xiàn)，比較有代表性的是美國(guó)麻省理工學(xué)院學(xué)生索普(Thorp)和香農(nóng)(Shannon)等人研制的用于輪盤賭的計(jì)算機(jī)。20世紀(jì)70～80年代史蒂夫·曼(Steve M)基于Apple-II 6502型計(jì)算機(jī)研制出典型的配有頭戴顯示器、形態(tài)化的可穿戴計(jì)算機(jī)原型。

20世紀(jì)80～90年代，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，來自多倫多大學(xué)、麻省理工學(xué)院、卡耐基梅隆大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)和施樂歐洲實(shí)驗(yàn)室等科研機(jī)構(gòu)的研究人員開發(fā)出一批具有代表性的可穿戴計(jì)算機(jī)原型(如Wearable Wireless Webcam[3]，KARMA[4]，F(xiàn)orget-Me-Not[5]，VuMan I[6]等)。

1997年，麻省理工學(xué)院、卡耐基梅隆大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院聯(lián)合舉辦了第一屆國(guó)際可穿戴計(jì)算機(jī)學(xué)術(shù)會(huì)議(IEEE international symposium on wearable computers，ISWC)，該國(guó)際會(huì)議自首次召開以來，每年舉行一次，已舉辦了14屆。期間美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(the defense advanced research projects agency，DARPA)以及波音公司也多次舉辦可穿戴計(jì)算機(jī)方面的研討會(huì)。從此，可穿戴計(jì)算開始得到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛重視，逐漸在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、教育、娛樂等諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力。

對(duì)可穿戴計(jì)算的基礎(chǔ)研究，美國(guó)和歐盟都已投入了巨資。例如，歐盟委員會(huì)于2004年啟動(dòng)了世界上最大的單項(xiàng)民用可穿戴計(jì)算研究項(xiàng)目——wearIT@work[7]，歷時(shí)5年。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation)在以人為中心的計(jì)算(human-centered computing)等專項(xiàng)中也持續(xù)地資助了一批可穿戴計(jì)算方面的研究項(xiàng)目。此外，來自軍方的大力支持也是推動(dòng)可穿戴計(jì)算技術(shù)飛速發(fā)展的重要力量，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局、美國(guó)陸軍通信電子司令部和美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)等都是可穿戴計(jì)算研究的重要資助者。另外美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、英國(guó)、日本和韓國(guó)的多所大學(xué)的工程學(xué)院、科學(xué)技術(shù)院等研究機(jī)構(gòu)均有專門的實(shí)驗(yàn)室或研究組專注于可穿戴計(jì)算技術(shù)的研究。中國(guó)學(xué)者也在20世紀(jì)90年代后期，開展了可穿戴計(jì)算研究，幾乎與國(guó)際可穿戴計(jì)算研究同步。

2 可穿戴計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用

伴隨著學(xué)科的發(fā)展，可穿戴計(jì)算的核心概念、系統(tǒng)基礎(chǔ)構(gòu)架、感知與交互等科學(xué)方法和技術(shù)研究問題與普適計(jì)算、以人為中心的計(jì)算(human-centered computing，HCC)、社會(huì)感知計(jì)算、信息物理系統(tǒng)(cyber-physical system，CPS)等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域和前沿學(xué)術(shù)方向形成了交叉融合趨勢(shì)，如圖1所示，可能在下一代可穿戴計(jì)算研究中促成一些創(chuàng)新應(yīng)用模式的涌現(xiàn)。

2.1 藍(lán)領(lǐng)計(jì)算

可穿戴計(jì)算終端特殊的“攜帶”和“交互”方式催生出了“藍(lán)領(lǐng)計(jì)算”模式。這是一種嶄新的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)信息支撐模式，強(qiáng)調(diào)用戶在工作空間(work space)任務(wù)，特別是關(guān)鍵時(shí)刻工作(intense time critical work)執(zhí)行時(shí)和在生活空間(daily life space)進(jìn)行活動(dòng)時(shí)，能得到信息空間(cyber space)的自然、有效和多人協(xié)作(group collaboration)的支持。典型的應(yīng)用包括特殊場(chǎng)合下的維修與安裝作業(yè)支撐系統(tǒng)，如圖2所示[8]，診療輔助系統(tǒng)、行為監(jiān)測(cè)與健康保護(hù)系統(tǒng)等[9]和數(shù)字化單兵系統(tǒng)。藍(lán)領(lǐng)計(jì)算也是目前可穿戴計(jì)算最獨(dú)特和成功的應(yīng)用模式之一。

圖1 可穿戴計(jì)算的學(xué)術(shù)鏈及與相關(guān)學(xué)科的交叉融合

圖2 可穿戴作業(yè)輔助系統(tǒng)

(電子科技大學(xué)移動(dòng)計(jì)算中心，2010年)

2.2 人機(jī)交互與協(xié)同

可穿戴計(jì)算突出了對(duì)人的感知和智能的增強(qiáng)，可穿戴傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了近體域富傳感分布，而持續(xù)、增強(qiáng)和介入模式則可以使用戶感官通道同時(shí)關(guān)注虛實(shí)2個(gè)信息空間或者實(shí)現(xiàn)順利切換于2者之間，傳統(tǒng)的人機(jī)交互的2個(gè)基本環(huán)節(jié)，即控制信息和顯示信息的交換環(huán)節(jié)在可穿戴計(jì)算方式下出現(xiàn)了顯著變化。例如，可穿戴傳感系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)能支持高效的個(gè)人上下文感知和識(shí)別(context awareness and recognition)[10]，典型的如眼動(dòng)跟蹤[11]、位置、姿態(tài)和生理感知及手勢(shì)[12]以及情感識(shí)別等，將使控制信息交換環(huán)節(jié)以更加自然和協(xié)調(diào)的方式進(jìn)行。另外，在顯示信息的交換環(huán)節(jié)，可以采用適應(yīng)柔性觸覺/觸摸顯示等多形態(tài)、異構(gòu)顯示設(shè)備特征，還可通過對(duì)顯示信息流持續(xù)的跟蹤、融合、調(diào)整等來實(shí)現(xiàn)對(duì)可穿戴計(jì)算基本模式Augmentation和Mediation的支持。可穿戴計(jì)算可以結(jié)合感知計(jì)算和協(xié)同計(jì)算領(lǐng)域研究成果，研究新的可穿戴交互隱喻表征、范式設(shè)計(jì)和適應(yīng)度分析方法，進(jìn)而發(fā)展適合的交互技術(shù)。圖3左為加拿大皇后大學(xué)媒體實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的一款名為“PaperPhone(紙手機(jī))”的概念設(shè)備，將柔性顯示屏和柔性主板組合而成的手機(jī)變成現(xiàn)實(shí)、可穿戴投影顯示[13];圖3右上為微軟在Santa Barbara舉行的ACM研討會(huì)上演示了一種名為OmniTouch的穿戴式設(shè)備以及投影觸控互動(dòng)技術(shù)和頭戴音視覺顯示[14];圖3右下為是谷歌的一款名為Project Glass的穿戴式“眼鏡”計(jì)算產(chǎn)品。