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1、可穿戴计算技术及其应用的新发展时间：2013-04-05来源：数字通信作者：摘要：可穿戴计算技术是伴随着计算机、微电子和通信技术发展起来的新兴学科，随着科技的进步和人们生活水平的提高这项技术的应用研究也正处于难得的机遇期。阐述了可穿戴计算区别于传统计算的优越特性及其在医疗、军事、教育、助残、体育、娱乐行业、老年人生活辅助方面的重要学术和应用价值，以及可穿戴计算对新一代信息与计算科学技术的巨大推动作用。介绍了可穿戴计算技术的产业化发展情况，说明现代科学技术发展和实际应用的迫切需求使得该领域的科学技术发展迅猛，也使得可穿戴计算技术的发展呈现出研究上的多学科交叉融合与产业化的同步跟进相互促进的新特点
2、。关键词：可穿戴计算，人机交互，现场作业辅助，可穿戴性0 引言20世纪90年代后期，可穿戴计算1研究热潮逐渐兴起，其创新概念层出不穷，研究范畴也不断扩展，重要的学术和应用研究成果不断涌现，目前已成为国际计算领域重要的前沿研究方向。回顾iPhone手机和iPad平板电脑对移动计算领域带来的冲击，可以预见，可穿戴计算不仅是学术界的前瞻性研究方向，而且可能引发新一轮的技术革命，并促使移动计算或智能手机产业领域的重新洗牌。这给可穿戴计算前瞻研究和产业发展提出了重大挑战，同时也提供了原始创新和跨越发展的契机。本文以可穿戴计算技术的应用为出发点，介绍了国内外研究工作者在该领域的研究进展，总结了发展趋势以及
3、亟待解决的问题。1 可穿戴计算技术的发展历程与现状作为新的计算模式，可穿戴计算的概念、隐喻、构架、形态和功能都在不断演进，目前尚无较规范、明确和完备的定义。国际上公认的可穿戴式计算机的发明人之一，加拿大的斯蒂夫曼恩(Steve M)教授认为可穿戴计算机是这样一类计算机系统：“属于用户的个人空间(personal space)，由穿戴者控制，同时具有操作和互动的持续性，即always on and always accessible”2。可穿戴计算机的思想和雏形早在20世纪60年代就已出现，比较有代表性的是美国麻省理工学院学生索普(Thorp)和香农(Shannon)等人研制的用于轮盘赌的计算机
4、。20世纪7080年代史蒂夫曼(Steve M)基于Apple-II 6502型计算机研制出典型的配有头戴显示器、形态化的可穿戴计算机原型。20世纪8090年代，随着计算机软硬件和互联网技术的迅速发展，来自多伦多大学、麻省理工学院、卡耐基梅隆大学、哥伦比亚大学和施乐欧洲实验室等科研机构的研究人员开发出一批具有代表性的可穿戴计算机原型(如Wearable Wireless Webcam3，KARMA4，Forget-Me-Not5，VuMan I6等)。1997年，麻省理工学院、卡耐基梅隆大学、佐治亚理工学院联合举办了第一届国际可穿戴计算机学术会议(IEEE international symp
5、osium on wearable computers，ISWC)，该国际会议自首次召开以来，每年举行一次，已举办了14届。期间美国国防部高级研究计划局(the defense advanced research projects agency，DARPA)以及波音公司也多次举办可穿戴计算机方面的研讨会。从此，可穿戴计算开始得到学术界和产业界的广泛重视，逐渐在工业、医疗、军事、教育、娱乐等诸多领域表现出重要的研究价值和应用潜力。对可穿戴计算的基础研究，美国和欧盟都已投入了巨资。例如，欧盟委员会于2004年启动了世界上最大的单项民用可穿戴计算研究项目wearITwork7，历时5年。美国国家科学
6、基金会(National Science Foundation)在以人为中心的计算(human-centered computing)等专项中也持续地资助了一批可穿戴计算方面的研究项目。此外，来自军方的大力支持也是推动可穿戴计算技术飞速发展的重要力量，美国国防部高级研究计划局、美国陆军通信电子司令部和美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)等都是可穿戴计算研究的重要资助者。另外美国、俄罗斯、法国、英国、日本和韩国的多所大学的工程学院、科学技术院等研究机构均有专门的实验室或研究组专注于可穿戴计算技术的研究。中国学者
7、也在20世纪90年代后期，开展了可穿戴计算研究，几乎与国际可穿戴计算研究同步。2 可穿戴计算技术的应用伴随着学科的发展，可穿戴计算的核心概念、系统基础构架、感知与交互等科学方法和技术研究问题与普适计算、以人为中心的计算(human-centered computing，HCC)、社会感知计算、信息物理系统(cyber-physical system，CPS)等相关学科领域和前沿学术方向形成了交叉融合趋势，如图1所示，可能在下一代可穿戴计算研究中促成一些创新应用模式的涌现。2.1 蓝领计算可穿戴计算终端特殊的“携带”和“交互”方式催生出了“蓝领计算”模式。这是一种崭新的现场作业信息支撑模式，强调
8、用户在工作空间(work space)任务，特别是关键时刻工作(intense time critical work)执行时和在生活空间(daily life space)进行活动时，能得到信息空间(cyber space)的自然、有效和多人协作(group collaboration)的支持。典型的应用包括特殊场合下的维修与安装作业支撑系统，如图2所示8，诊疗辅助系统、行为监测与健康保护系统等9和数字化单兵系统。蓝领计算也是目前可穿戴计算最独特和成功的应用模式之一。图1 可穿戴计算的学术链及与相关学科的交叉融合图2 可穿戴作业辅助系统(电子科技大学移动计算中心，2010年)2.2 人机交互与
9、协同可穿戴计算突出了对人的感知和智能的增强，可穿戴传感系统实现了近体域富传感分布，而持续、增强和介入模式则可以使用户感官通道同时关注虚实2个信息空间或者实现顺利切换于2者之间，传统的人机交互的2个基本环节，即控制信息和显示信息的交换环节在可穿戴计算方式下出现了显著变化。例如，可穿戴传感系统或网络能支持高效的个人上下文感知和识别(context awareness and recognition)10，典型的如眼动跟踪11、位置、姿态和生理感知及手势12以及情感识别等，将使控制信息交换环节以更加自然和协调的方式进行。另外，在显示信息的交换环节，可以采用适应柔性触觉/触摸显示等多形态、异构显示设备
10、特征，还可通过对显示信息流持续的跟踪、融合、调整等来实现对可穿戴计算基本模式Augmentation和Mediation的支持。可穿戴计算可以结合感知计算和协同计算领域研究成果，研究新的可穿戴交互隐喻表征、范式设计和适应度分析方法，进而发展适合的交互技术。图3左为加拿大皇后大学媒体实验室发布的一款名为“PaperPhone(纸手机)”的概念设备，将柔性显示屏和柔性主板组合而成的手机变成现实、可穿戴投影显示13;图3右上为微软在Santa Barbara举行的ACM研讨会上演示了一种名为OmniTouch的穿戴式设备以及投影触控互动技术和头戴音视觉显示14;图3右下为是谷歌的一款名为Projec
11、t Glass的穿戴式“眼镜”计算产品。 图3 依次为柔性触摸显式、可穿戴投影显示和头戴音视觉显示2.3 老年人生活辅助可穿戴计算从诞生之日起，其目的之一便是人体局部功能增强与辅助，伴随着随着社会老龄化问题的日益突出，老年人的生活辅助特别是够长期在自己熟悉的环境中尽可能长时间有尊严的生活，已经成为一个国际上的研究重点，欧盟耗资4 000多万欧元开展了WearITwork7项目，于2009年结束，历时5年，以及第七框架支持的AAL JP项目(总经费7亿欧元，20082013年)将可穿戴计算支持的AAL(ambient assisted living)作为核心研究内容之一，在此基础上典型的应用包括
12、智能家居15、老年人日常活动监测及跌倒报警等。3 可穿戴计算未来发展急需解决的问题3.1 可穿戴计算系统的摩擦性、耐受性和排异性由于人和可穿戴系统或装置在物理空间上的贴近，使人更容易受到一些来自于不合理性人因设计(如尺寸、形态、重量、材料、穿戴部位)等方面的负面影响，从而引起摩擦性和耐受性问题;此外，系统运作时会产生一定的辐射、热量、噪声、振动等，这也可能引发耐受性问题，造成恶劣的用户体验(如clumsy和obstructive等)16，另外潜意识的抗拒和排斥，对于植入式电子装置而言则存在排异性问题。这些因素使得传统的基于静态模型的人因分析17方法不能很好地适应可穿戴性研究问题，需要构建适合可
13、穿戴计算的新形态基础平台结构、开发新型传感电路材料、分析研究典型任务场景等动态评估模型，以解决可穿戴计算的可用性问题。图4所示为荷兰Xsens Technologies公司的MVN BIOMECH系统，可用于穿戴性及舒适性评估。图4 运动状态下的可穿戴性问题及舒适性评估3.2 人体供电模式可穿戴计算系统作为一种移动终端，电源是保障“续航能力”和可穿戴性的关键，目前主要采取低功耗设计及配置高性能电池等相关的供电方法。但这至今仍是一个挑战性的课题，行走发电、基于衣物的太阳能发电、基于织物的柔性平面电池等都是重要的发展方向，最近Narure上QIN，Y等人撰文，称可采取一种特殊纤维织物，使得人们的日
14、常活动中，纤维互相摩擦产生电能为便携设备供电18。3.3 可穿戴群体智能与社区在可穿戴计算的感知增强、智能增强、体能增强和环境增强支持下，使得人能够更加积极和理性的参与社会化组织的合作和竞争关系中去，引发更大量和频繁的“人人”、“人群组”和“群组环境”非线性相互作用，将促进具有典型“整体涌现性”、“自发性”和“自下而上”特征的可穿戴群体智能(wearable based swarm intelligent)的出现。因此探索该智能形式影响下新形态的社会组织方式和结构，研究实现个人行为识别和挖掘、人机闭环中的信息增益策略，维护可穿戴群体智能的涌现性基础;研究基于可穿戴社区等创新组织结构，构建复杂适
15、应系统，提高复杂任务执行能力和开放环境应对能力等具有重要的现实意义。如英国兰卡斯特大学Gerd Kortuem等人提出的可穿戴社区19概念等，如图5所示。图5 可穿戴社区模式下的“人人”、“人群组”交互协同3.4 身体传感网络及可穿戴传感系统身体传感网络与可穿戴传感系统，是可穿戴计算领域的重要研究方向，主要支持对人的感知能力的增强、环境增强、个人参数获取和自然人机交互，这需要从底层建立支持富传感特征的可穿戴计算体系构架和网络。目前在身体传感网络(body sensor network和body area network)研究领域，很多研究依赖于IEEE 802.15.4/Zigbee，IEEE
16、 802.11，Bluetooth，GPRS和ANT等标准来连接感知各种人体生理和行为状态的微节点，组建身体域内(intrabody)和身体域外(out-body)的数据通信网络20。国际BSN通信标准IEEE 802.15.6也正在制定中。面对生理和行为状态感知的多源异构传感数据汇聚、计算处理和传输通信需求21，以及运动人体带来的动态网络拓扑22、信道竞争23、体内信号衰减24等挑战，需要探索新的身体传感网络层次体系结构、超低功耗及高可靠组网通信和信息流模型方法。另外，可穿戴计算的隐私和安全问题、可穿戴生理计算和可穿戴机器人(wearable robot)等也是当前可穿戴计算领域的热点方向。围绕可穿戴计算新兴方向和未来趋势开展研究，符合国家中长期科学和技术发展纲要(20062
