一。 概述

　　可穿戴計算技術是一種將計算機“穿戴”在人體上進行各種應用的國際性前沿計算機技術，是智能環境的一個主要研究課題。

　　普適計算之父馬克·維瑟（Mark Weiser）對智能環境是這樣描述的：“這是一個由傳感器、驅動器、顯示器和計算機元素組成的物理世界，這些元素無縫嵌入到我們生活中的物件中，通過不間斷的網絡連接在一起”。智能環境為人們提供了一個有趣的數字世界，不停運轉的各種智能設備使我們的生活變得更加舒適和便利。

　　可穿戴計算技術（Wearable Computing），目前國際上尚無較明確和完備的定義，國際上公認的可穿戴計算技術的先驅者，加拿大的斯蒂夫·曼恩（Steve Mann）教授認為可穿戴計算機系統具有這樣的特征：“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性”。正如人類將計算機作為外部設備使用一樣，在一個可穿戴計算機系統中，計算機可以將人類的頭腦和身體變成它的一個外部設備。同時，可穿戴計算機和人類之間的互動是持續性的，更重要的是，為了滿足用戶不中斷正在進行的任務，可穿戴計算機還能夠進行多任務操作。如果一臺計算機是“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。 可穿戴計算的關鍵技術

　　可穿戴計算技術并非是簡單地把計算機微小化后直接穿戴在人們身上，它需要解決很多關鍵性的技術才能真正發展起來，以滿足人們的應用需求。

　　1. 片上系統（SoC）

　　片上系統（SoC）是一個微小型系統，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。國內外學術界一般傾向將SoC 定義為將微處理器、模擬IP核、數字IP核和存儲器集成在單一芯片上。由于可穿戴計算系統在應用上便利性、舒適性的要求，決定了其處理系統應該是可定制的、

　　具有特定用途的微小化產品，SoC技術正是這一問題的解決方法。

　　2. 嵌入式操作系統技術

　　嵌入式系統誕生于微型計算機，是嵌入到對象體系中的專用計算機應用系統。由于可穿戴計算機系統的體積和存儲空間十分有限，操作系統應盡量壓縮到“專用”的程度，并提高實時性。這使得嵌入式操作系統成為必要，這類系統常常是實時的和微內核的，并具有極強的處理多外設能力。

　　3. 無線自組網絡技術

　　可穿戴計算系統要伴隨人的活動并作為一個移動節點隨時聯網，多個這樣的節點構成一個特殊的網絡，稱之為自組網。在任何時刻、任何地點，不需要現有信息基礎網絡設施的支持就能快速構建起一個移動通信網絡，它是一組帶有無線收發裝置的移動終端組成的多跳頻、臨時性自治系統。

　　4. 移動數據庫技術

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

　　5. 人機交互技術

　　可穿戴計算系統是一個人與計算機密不可分的集合體，因此，人機交互技術是可穿戴計算機系統中的關鍵技術，它解決了人與計算機之間的交互問題，人通過這種交互提高了對環境感知的能力。

　　6. 無線連接技術

　　可以想像，當多達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擔，也是一個不可靠的因素。而采用藍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

　　鑒于可穿戴計算系統的長效性要求，需要一種可長期、持續、穩定的供電模式保證可穿戴計算機的有效運行，例如將人體的運動能量（行走時足底的能量、慣性能量、人體其他行為產生的能量）、熱能和化學能轉化為電能方式。

　　三。 可穿戴計算技術的應用

　　1. 主要研究機構

　　全世界許多著名大學實驗室已經對可穿戴計算技術做了很長時間的研究，他們多數的研究領域是健康關懷、監控系統和助理系統。與此同時，許多大型公司如IBM、谷歌、諾基亞等也對這個領域抱有極大興趣，在可穿戴計算技術研究領域做出了杰出貢獻。

　　1） ACT實驗室：ACTLab（行動與環境識別技術研究小組）是歐洲領先的研究實驗室之一，專注于普適計算、可穿戴計算和移動技術，隸屬于荷蘭埃因霍溫科技大學電氣工程學院。ACTLab利用多模式普適傳感器技術通過對活動和環境的識別來解釋人類行為，他們的研究重點是信號處理、模式識別和機器學習技術。

　　2） 麻省理工學院（MIT）媒體實驗室：該實驗室為可穿戴計算技術的研究作出了重大貢獻，他們致力于研發最新的計算機科技，專注于發明而非將科技產品化。媒體實驗室第一次涉足這片領域可追溯到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。

　　3） 多倫多大學ePI實驗室：ePI實驗室的前身是成立于1998年的多倫多大學人文智能實驗室（HI實驗室）。現在它是一個計算機視覺和智能圖像處理研究實驗室，專注于個人成像、介導現實（Mediated Reality）和可穿戴計算技術等領域。ePI實驗室的創始人和現任董事正是被譽為可穿戴計算領域創始人的史蒂夫·曼恩（Steve Mann）教授。ePI實驗室的主要研究優勢為可穿戴式計算的硬件和開源介導現實軟件。

　　4） 谷歌X實驗室：谷歌X實驗室，又被簡稱為谷歌X，是谷歌秘密創立的創新實驗室，它位于美國北加州灣區某處。谷歌X實驗室工作列表上的“百大沖出星際計劃” （100 shoot-for-the-stars）大多數尚在概念階段，項目涉及到未來的太空電梯，無人駕駛汽車，增強現實眼鏡，物聯網技術。

　　2. 代表性項目

　　對于可穿戴計算技術的研究屬于目前世界上最前沿的科技發明，主要以概念性產品為主，下面簡要介紹幾個目前國際上運用該技術的代表性應用項目。

　　1） 配有可穿戴傳感器的新生兒智能監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和位于荷蘭費爾德霍芬的麥西瑪醫療中心共同開發。與足月產兒相比早產嬰兒會有更多由壓力產生的神經發育問題，傳統的嬰兒監測系統是靠把傳感器貼在嬰兒脆弱的皮膚上獲得重要參數的，當更換傳感器和大量纏繞電線的時候，會讓早產兒感到不適，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護室（NICU）環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控系統被設計出來，旨在幫助早產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兒的保溫箱一樣，但只是穿戴在早產兒的手臂上而已。

　　2） 谷歌X實驗室和ePI實驗室是EyeTab數字眼鏡相關技術的兩個主要開發成員。EyeTab可以戴在眼睛前面作為相機錄制現場，并且給眼睛提供一個計算機生成的圖像添加在原始場景中。這個結構允許用戶的眼睛操作EyeTab，它既是監視器也是一臺照相機，它允許計算機處理并改變用戶看見的內容。在計算機控制下，EyeTap可以增加、減少或改變用戶所處環境的視覺感知，創建一個計算機介導現實（Mediated Reality）。為了盡量精準獲取用戶看到的內容，一個EyeTap系統采用一個分束器將相同的場景發送給雙眼和照相機，照相機把反映出的畫面數字化后發送到一臺計算機，圖像經計算機處理后通過一臺投影機投射到另一邊的分束器，這樣經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實驗室開發的“拓展現實”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。這款神奇的眼鏡實際上就是微型投影儀+攝像頭+傳感器+存儲傳輸+操控設備的結合體，投影儀用以顯示數據，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據，而操控設備可通過語音、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開發者大會上預售。

　　3） 智能鞋（Smart Shoes）：2012年5月來自電信創新實驗室、慕尼黑大學和多倫多大學的計算機科學家發表了一篇關于鞋感應（ShoeSense）的研究報告，這項研究是為因忙碌（例如開會、跑步、駕駛等）而不便使用移動設備的用戶提供一個解決方案。鞋感應模塊被安裝在用戶鞋面上，它使用一個深度傳感器（depth sensor）相機來感應手勢命令，再傳送給用戶的移動設備。鞋感應具有三種特定手勢：三角形，三維徑向（3D-Radial），手指計數（Finger-Count），三角形和手指計數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行。例如，用一只手握拳的手勢可以發送預先安排的文本，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換到靜音模式。智能鞋不但可以在不去伸手拿移動設備的情況下快速執行頻繁操作而不影響日常活動，同時還可以增強移動設備的操作性、支持輔助功能和藝術表達。

　　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意設計機構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、壓力感應器、喇叭和藍牙芯片。傳感器可以收集鞋子的運動信息并發出語音評論，同時此款智能鞋還利用藍牙將鞋子和智能手機保持同步，通過一些編程方式讓鞋子功能更加與眾不用。和大多數笨重不方便的可穿戴計算機相比，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，可以說智能鞋技術大大加快了可穿戴式計算技術的發展。

　　四。 展望

　　在幾十年的發展和持續研究下，可穿戴計算技術已經被證明非常具有實際操作性。這項技術可以包容感覺每個人，許多使用該技術的應用已經成為一些人生活的一部分，例如尋路、健康狀況監測、幫助記憶和現實調整，可以說，可穿戴計算技術表現出了其非常重大的意義和對整個社會的影響。

　　當然，在這項技術普及之前，我們的科學家仍然需要先去除一些技術壁壘，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年代起就開始設計和制造可穿戴計算技術的設備，然而，他制造的第一個可穿戴計算儀器既大又不美觀，即使是現在，大部分的可穿戴技術設備都不是真的“可穿戴”。另一個重要問題是不間斷運行這些設備就很自然地帶來了能源供應的問題，這些設備應該是電池供電還是無電池供電系統的呢？如果這是一個無電池供應系統的設備，那么何種能源供應技術可以被應用其中？

　　無論如何，可穿戴計算技術在人們需要信息輔助的任何領域，都有著重要的應用價值和廣闊的應用前景。從商業目的到科學目的，數以百計的相關研究正在進行中，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用程序在穩步發展中。這項技術已經為人們帶來許多便利，隨著相關技術的進一步成熟，成本的下降，可穿戴計算系統將出現旺盛的市場需求，這項技術在未來將會吸引公眾更多的關注并吸引更多的研究團隊進入。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出親人的名字和面孔。