圖6 集中式可穿戴計(jì)算機(jī)主機(jī)產(chǎn)品

圖7 可穿戴計(jì)算機(jī)樣機(jī)Netdaily I(重慶大學(xué)，1999年)

在集中式主機(jī)結(jié)構(gòu)下，配備的大量傳感裝置、人機(jī)交互裝置和主機(jī)設(shè)備往往會(huì)給人員帶來舒適性和用戶體驗(yàn)方面的負(fù)面影響，不能很好與人體結(jié)構(gòu)以及日常的穿著、行為方式等相協(xié)調(diào)。對計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化劃分，針對各個(gè)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(shí)現(xiàn)各種新形態(tài)的可穿戴人機(jī)接口裝置，是近年來的熱點(diǎn)研究方向。典型的研究工作除Google公司正在開展的Project Glass項(xiàng)目之外，還包括：瑞士ETH Züirich大學(xué)的腰帶式可穿戴計(jì)算機(jī)(Q-belt-integrated-computer，QBIC)如圖8a;德國不萊梅大學(xué)AAL實(shí)驗(yàn)室用于控制輪椅運(yùn)動(dòng)的帽子，中國香港大學(xué)用于捕獲人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的鞋子[25]，如圖8b;以及歐盟可穿戴計(jì)算項(xiàng)目wearIT@work中用于制造、物流、消防、航空等領(lǐng)域現(xiàn)場作業(yè)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(tài)的可穿戴計(jì)算裝置

2)核心材料、電路和結(jié)構(gòu)研究。

新形態(tài)可穿戴計(jì)算機(jī)及人機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)需要來自材料和結(jié)構(gòu)等方面創(chuàng)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(xiàn)[27]中通過可印制在織物上的電路材料實(shí)現(xiàn)的紅外通信、溫度感知和LED顯示等為實(shí)現(xiàn)潛在的“計(jì)算機(jī)衣服”提供了可能;文獻(xiàn)[28]中將熱塑彈性應(yīng)力傳感器混紡編織到織物中，則為實(shí)現(xiàn)能夠識別人體運(yùn)動(dòng)的智能服裝提供了技術(shù)手段;文獻(xiàn)[29]則在紡線級詳細(xì)地討論了電路功能到衣物的大規(guī)模編織制造方法，包括傳統(tǒng)硅基電路的可編織化方法和織物總線結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法等。文獻(xiàn)[30]則討論了一種Planor-fashionable circuit board并將其應(yīng)用于老年日常生理監(jiān)測。

結(jié)構(gòu)方面，典型的研究成果包括：文獻(xiàn)[31]結(jié)合物理化學(xué)方法，提出了一種“膠體計(jì)算”模式，以其為基礎(chǔ)構(gòu)建層次化的體系結(jié)構(gòu)來支持紡線、單一傳感器和傳感簇等不同粒度計(jì)算單元的實(shí)現(xiàn)和管理;文獻(xiàn)[32]從方法學(xué)的角度出發(fā)，探討了如何基于計(jì)算產(chǎn)生熱量和人員典型姿態(tài)/行為/舒適度下的生理機(jī)能反應(yīng)等因素開展”可穿戴性(wearability)”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究;文獻(xiàn)[29]中也涉及到了編織電路的可懸垂性、受力穩(wěn)定性以及可洗性等結(jié)構(gòu)性和可用性研究。

可穿戴計(jì)算在材料、構(gòu)件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面還有許多創(chuàng)新研究，這里就不一一列舉。

3)身體傳感網(wǎng)絡(luò)與多情景(context)下的感知計(jì)算和通信。

各種創(chuàng)新材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使得可穿戴計(jì)算系統(tǒng)包含的各種傳感、計(jì)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(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行體域內(nèi)(intra-body)和體域外(out-body)的數(shù)據(jù)通信，建立其身體傳感網(wǎng)絡(luò)(body sensor network)，其具備了良好的對人體生理、運(yùn)動(dòng)、行為等狀態(tài)以及人所處的多種變化場景的感知能力。BSN的專用標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.6正在制定之中。

這方面的典型研究工作包括：文獻(xiàn)[33]中基于BSN提出了“增強(qiáng)皮膚”的概念，通過空間信息感知實(shí)現(xiàn)虛擬觸覺的“Haptic Radar”原型;文獻(xiàn)[34]中提出了一種基于可穿戴計(jì)算機(jī)配置的慣性傳感和電磁跟蹤器實(shí)現(xiàn)的位置坐標(biāo)推算方法(dead reckoning)，能實(shí)現(xiàn)人員數(shù)百米移動(dòng)范圍內(nèi)誤差小于10%的位置坐標(biāo)估計(jì)，提供實(shí)時(shí)、低開銷的位置感知服務(wù)支持;美國Harvord大學(xué)CodeBlue項(xiàng)目中基于BSN微節(jié)點(diǎn)研究長期低功耗的人體脈搏、血氧、心電、肌電和運(yùn)動(dòng)等傳感數(shù)據(jù)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(wù)項(xiàng)目Livenet，歐盟第五框架項(xiàng)目MobiHealth，以及微軟的HealthGear項(xiàng)目等;文獻(xiàn)[36]中結(jié)合移動(dòng)和普適計(jì)算研究中的情景感知計(jì)算研究，提出了適合可穿戴計(jì)算的情景知識分類方法(taxonomy)等。

4)融合、增強(qiáng)和介入的可穿戴人機(jī)交互和計(jì)算智能。

構(gòu)建高效的人機(jī)自然交互和協(xié)同，是提高可穿戴計(jì)算可用性的一個(gè)重要問題。而可穿戴計(jì)算的穿戴使用、持續(xù)運(yùn)作模式和以人為中心的形態(tài)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為實(shí)現(xiàn)融合、增強(qiáng)和介入等模式的自然人機(jī)交互提供了良好的支持，并可能催生新的計(jì)算智能形式。

人機(jī)交互技術(shù)和范式研究方面：文獻(xiàn)[37]開展了人員在靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下基于頭戴顯示界面進(jìn)行的鼠標(biāo)拖拽任務(wù)實(shí)驗(yàn)，評估了軌跡球(trackball)、觸控板(touchpad)、陀螺鼠標(biāo)(gyroscopic mouse)和單手鍵鼠(Twiddler2)等可穿戴計(jì)算機(jī)常用的交互裝置在靜止和運(yùn)動(dòng)不同狀態(tài)下的實(shí)用性能;文獻(xiàn)[38]針對以編織電路為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的單重和多重交互輸入裝置，開展了靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的輸入效率對比分析;文獻(xiàn)[39]構(gòu)建了一種適合手勢交互的人機(jī)界面;文獻(xiàn)[40]等討論了適合頭戴顯示器(HMD)輸出方式的可穿戴人機(jī)接口設(shè)計(jì);文獻(xiàn)[12]中設(shè)計(jì)了一種佩戴于人體腕關(guān)節(jié)，基于壓電傳感構(gòu)建的采集人員手部運(yùn)動(dòng)時(shí)骨骼傳導(dǎo)聲音信號實(shí)現(xiàn)人員手勢識別的交互輸入裝置;文獻(xiàn)[41]使用壓力傳感電阻條(FSR)來檢測人體肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力傳感信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可穿戴的人員手勢識別裝置。

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

可穿戴增強(qiáng)和介入現(xiàn)實(shí)交互研究方面：文獻(xiàn)[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(guān)鍵幀，結(jié)合已校準(zhǔn)的圖像特征，幫助用戶識別場景中的人員、設(shè)備、建筑等實(shí)體信息;文獻(xiàn)[43]實(shí)現(xiàn)了一種新的視覺增強(qiáng)模式Through-wall Collaboration;文獻(xiàn)[44]中，作者實(shí)現(xiàn)了一種魯棒的、無標(biāo)識(mark)的人員手指實(shí)時(shí)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(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了一種新的Handy AR系統(tǒng);文獻(xiàn)[44]和[45]開展了可穿戴計(jì)算視覺、可穿戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等方面的研究工作;文獻(xiàn)[46]開展了基于頭戴顯示器的介入現(xiàn)實(shí)研究工作。