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(lái)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(duì)計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化劃分，針對(duì)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(lái)的熱點(diǎn)研究方向。典型的研究工作除Google公司正在開(kāi)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(guó)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(guó)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(chǎng)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(lái)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(guò)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(shí)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(jí)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(cè)。

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(lái)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(kāi)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(guò)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(duì)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(chǎng)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(guò)空間信息感知實(shí)現(xiàn)虛擬觸覺(jué)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(kāi)銷的位置感知服務(wù)支持;美國(guó)Harvord大學(xué)CodeBlue項(xiàng)目中基于BSN微節(jié)點(diǎn)研究長(zhǎng)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(shí)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(wèn)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(kāi)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(píng)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(duì)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(kāi)展了靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的輸入效率對(duì)比分析;文獻(xiàn)[39]構(gòu)建了一種適合手勢(shì)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(hào)實(shí)現(xiàn)人員手勢(shì)識(shí)別的交互輸入裝置;文獻(xiàn)[41]使用壓力傳感電阻條(FSR)來(lái)檢測(cè)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(shì)識(shí)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(shì)識(shí)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(jí)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(duì)穿戴視頻傳感獲取的場(chǎng)景視頻信息，識(shí)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(shí)別場(chǎng)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(jué)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(wú)標(biāo)識(shí)(mark)的人員手指實(shí)時(shí)識(shí)別和跟蹤算法，并在跟蹤視頻流中重建相對(duì)于人員伸展開(kāi)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(kāi)展了可穿戴計(jì)算視覺(jué)、可穿戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等方面的研究工作;文獻(xiàn)[46]開(kāi)展了基于頭戴顯示器的介入現(xiàn)實(shí)研究工作。