可穿戴計算技術及其應用的新發展

圖6 集中式可穿戴計算機主機產品

圖7 可穿戴計算機樣機Netdaily I(重慶大學，1999年)

在集中式主機結構下，配備的大量傳感裝置、人機交互裝置和主機設備往往會給人員帶來舒適性和用戶體驗方面的負面影響，不能很好與人體結構以及日常的穿著、行為方式等相協調。對計算系統結構進行模塊化劃分，針對各個模塊的具體功能以及交互控制方式，將其集成或分別嵌入到衣物、鞋帽、眼鏡、手表、手套、腰帶甚至掛飾中，實現各種新形態的可穿戴人機接口裝置，是近年來的熱點研究方向。典型的研究工作除Google公司正在開展的Project Glass項目之外，還包括：瑞士ETH Züirich大學的腰帶式可穿戴計算機(Q-belt-integrated-computer，QBIC)如圖8a;德國不萊梅大學AAL實驗室用于控制輪椅運動的帽子，中國香港大學用于捕獲人體運動狀態的鞋子[25]，如圖8b;以及歐盟可穿戴計算項目wearIT@work中用于制造、物流、消防、航空等領域現場作業輔助的馬甲(wearable computerized clothing)[26]，如圖8c，等等。

圖8 腰帶、鞋子和衣物等形態的可穿戴計算裝置

2)核心材料、電路和結構研究。

新形態可穿戴計算機及人機接口的實現需要來自材料和結構等方面創新研究成果的支持。其中：

材料方面，典型的研究成果包括：文獻[27]中通過可印制在織物上的電路材料實現的紅外通信、溫度感知和LED顯示等為實現潛在的“計算機衣服”提供了可能;文獻[28]中將熱塑彈性應力傳感器混紡編織到織物中，則為實現能夠識別人體運動的智能服裝提供了技術手段;文獻[29]則在紡線級詳細地討論了電路功能到衣物的大規模編織制造方法，包括傳統硅基電路的可編織化方法和織物總線結構的構建方法等。文獻[30]則討論了一種Planor-fashionable circuit board并將其應用于老年日常生理監測。

結構方面，典型的研究成果包括：文獻[31]結合物理化學方法，提出了一種“膠體計算”模式，以其為基礎構建層次化的體系結構來支持紡線、單一傳感器和傳感簇等不同粒度計算單元的實現和管理;文獻[32]從方法學的角度出發，探討了如何基于計算產生熱量和人員典型姿態/行為/舒適度下的生理機能反應等因素開展”可穿戴性(wearability)”結構設計研究;文獻[29]中也涉及到了編織電路的可懸垂性、受力穩定性以及可洗性等結構性和可用性研究。

可穿戴計算在材料、構件和系統結構方面還有許多創新研究，這里就不一一列舉。

3)身體傳感網絡與多情景(context)下的感知計算和通信。

各種創新材料和結構的應用使得可穿戴計算系統包含的各種傳感、計算處理、通信、交互等功能得以微型化和模塊化，并以附著(attach)或植入(implant)等方式部署在人體或織物上，相互之間通過IEEE 802.15.4/Zigbee、IEEE 802.1l、Bluetooth、GPRS、ANT等協議標準進行體域內(intra-body)和體域外(out-body)的數據通信，建立其身體傳感網絡(body sensor network)，其具備了良好的對人體生理、運動、行為等狀態以及人所處的多種變化場景的感知能力。BSN的專用標準IEEE 802.15.6正在制定之中。

這方面的典型研究工作包括：文獻[33]中基于BSN提出了“增強皮膚”的概念，通過空間信息感知實現虛擬觸覺的“Haptic Radar”原型;文獻[34]中提出了一種基于可穿戴計算機配置的慣性傳感和電磁跟蹤器實現的位置坐標推算方法(dead reckoning)，能實現人員數百米移動范圍內誤差小于10%的位置坐標估計，提供實時、低開銷的位置感知服務支持;美國Harvord大學CodeBlue項目中基于BSN微節點研究長期低功耗的人體脈搏、血氧、心電、肌電和運動等傳感數據采集方法[35]，類似的老年健康BSN研究工作還包括麻省理工的帕金森癥健康服務項目Livenet，歐盟第五框架項目MobiHealth，以及微軟的HealthGear項目等;文獻[36]中結合移動和普適計算研究中的情景感知計算研究，提出了適合可穿戴計算的情景知識分類方法(taxonomy)等。

4)融合、增強和介入的可穿戴人機交互和計算智能。

構建高效的人機自然交互和協同，是提高可穿戴計算可用性的一個重要問題。而可穿戴計算的穿戴使用、持續運作模式和以人為中心的形態結構基礎為實現融合、增強和介入等模式的自然人機交互提供了良好的支持，并可能催生新的計算智能形式。

人機交互技術和范式研究方面：文獻[37]開展了人員在靜止和運動狀態下基于頭戴顯示界面進行的鼠標拖拽任務實驗，評估了軌跡球(trackball)、觸控板(touchpad)、陀螺鼠標(gyroscopic mouse)和單手鍵鼠(Twiddler2)等可穿戴計算機常用的交互裝置在靜止和運動不同狀態下的實用性能;文獻[38]針對以編織電路為基礎實現的單重和多重交互輸入裝置，開展了靜止和運動狀態下的輸入效率對比分析;文獻[39]構建了一種適合手勢交互的人機界面;文獻[40]等討論了適合頭戴顯示器(HMD)輸出方式的可穿戴人機接口設計;文獻[12]中設計了一種佩戴于人體腕關節，基于壓電傳感構建的采集人員手部運動時骨骼傳導聲音信號實現人員手勢識別的交互輸入裝置;文獻[41]使用壓力傳感電阻條(FSR)來檢測人體肌肉運動產生的壓力傳感信息，進而實現可穿戴的人員手勢識別裝置。

交互范式和計算智能研究方面：文獻[42]基于手勢識別及投影顯示技術等方面的研究成果，提出了“第六感人機交互”的可穿戴人機交互創新概念;Mann提出了一種新的HI(humanistic intelligence)概念，即一種初級人機協調的智能形式[10]。

可穿戴增強和介入現實交互研究方面：文獻[43]針對穿戴視頻傳感獲取的場景視頻信息，識別抽取視頻關鍵幀，結合已校準的圖像特征，幫助用戶識別場景中的人員、設備、建筑等實體信息;文獻[43]實現了一種新的視覺增強模式Through-wall Collaboration;文獻[44]中，作者實現了一種魯棒的、無標識(mark)的人員手指實時識別和跟蹤算法，并在跟蹤視頻流中重建相對于人員伸展開手掌的六自由度攝像頭姿態，進而實現了一種新的Handy AR系統;文獻[44]和[45]開展了可穿戴計算視覺、可穿戴增強現實等方面的研究工作;文獻[46]開展了基于頭戴顯示器的介入現實研究工作。