引 言

　　可穿戴計算機（Wearable Computer，縮寫為WearComp）是一類新概念、超微型、可穿戴的個人移動計算系統(tǒng)，由于能夠被“穿戴”在身上，所以可實現(xiàn)人機之間自然、方便和直接的交互，使我們能以更自然的方式攜帶計算系統(tǒng)和獲得計算功能，最終要實現(xiàn)人機之間的“最佳結(jié)合與協(xié)同”。

　　可穿戴計算機是隨著電子器件的不斷微型化、性能的增強、無線移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益成熟和廣泛應(yīng)用而出現(xiàn)的，也是人們對“計算”深入研究和認識，追求“計算以人為本，人機合一”這一理念的產(chǎn)物。

　　可穿戴計算機在體系結(jié)構(gòu)、功能、形態(tài)、用途、操作模式，以及設(shè)計和開發(fā)方法上都將與現(xiàn)在流行的移動計算裝置（如筆記本電腦、掌上電腦等）不同，具有許多不可替代的功能，它將引發(fā)新的需求，開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，用途非常廣泛。

　　可穿戴計算機的出現(xiàn)促成了一種嶄新和獨特的計算模式，即可穿戴計算（Wearable Computing，同樣縮寫為WearComp），它從計算概念、人機關(guān)系、交互方式、功能和用途等諸多方面都不同于傳統(tǒng)的固定和移動計算模式，這種計算模式強調(diào)以自然的穿戴形式提供的計算功能，弱化機器的概念，計算系統(tǒng)不是以機器形式出現(xiàn)，機器將最終從我們的視線中將消失，計算系統(tǒng)是嵌入在衣物、挎包、腰包、腰帶、手表、首飾或其他裝飾物等物品中的，我們體驗到的只是“服務(wù)”。在這種新的計算模式下，弱化以“傳統(tǒng)計算”為主要任務(wù)，而是突出以增強人的能力和輔助人為目的，將使我們產(chǎn)生“計算依賴”，使我們需要計算就像需要衣物一樣。

　　可穿戴計算的思想和雛形早在20 世紀60 年代就出現(xiàn)了。目前形態(tài)可穿戴計算機（挎包和背心式等）的發(fā)明人應(yīng)該是目前在加拿大多倫多大學的Steve Mann 博士，他早在80 年初代就開始進行可穿戴計算機的研究，他在MIT 攻讀博士的時候繼續(xù)了他的發(fā)明，并和其他研究人員一道形成了可穿戴計算研究方向，成為可穿戴計算研究領(lǐng)域的主流之一。另一股可穿戴計算的推動力量來自美國軍方，主要有兩個相關(guān)計劃，一是90 年代中期美國陸軍的陸地勇士（Land Warrior）計劃，其目的是研制一種以可穿戴計算機為核心數(shù)字化作戰(zhàn)單兵系統(tǒng)；二是90 年代中期美國DARPA 的聰明模塊計劃（Smart Modular）。

　　1996 年在美國召開的兩次會議引起了學術(shù)界和工業(yè)界對可穿戴計算的廣泛關(guān)注。一次會議是1996 年7 月，美國國防部的DARPA 贊助舉行了第一次WearComp 專題研討會，題為“ 2005 可穿戴計算”，當時召集工業(yè)界、大學及軍方的專家探討未來可穿戴式計算機的潛力。另一次會議是1996年8 月，Boeing 公司在Seattle 主辦的第二次WearComp的專題研討會，工業(yè)界、學術(shù)界和獨立實驗室的研究人員與管理人員到會，會議形成了硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、人的因素及應(yīng)用等五個專題報告。這兩次會議掀起了可穿戴計算研究的第一波熱潮，為即將來臨的可穿戴計算時代點燃了火種。值得注意的是，這首兩屆會議分別是軍方和工業(yè)界發(fā)起的，而不是學術(shù)屆，這從一個角度說明，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)纱┐饔嬎銠C的需求是直接和迫切的。

　　自此，國際上可穿戴計算已逐步成為計算技術(shù)前沿和熱點研究領(lǐng)域，許多發(fā)達國家的著名大學和研究機構(gòu)都成立了專門的研究中心和實驗室，競相開展了相關(guān)研究，如美國、加拿大、澳大利亞、日本、英國、德國、瑞士等等，競爭態(tài)勢已經(jīng)形成。中國也在20 世紀中后期介入了這個研究領(lǐng)域。

　　1997 年由IEEE 主辦了第一屆ISWC （InternationalSymposium on Wearable Computers ）可穿戴計算的國際會議，以后每年舉行一次會議，規(guī)模和水平不斷提高。IEEE專門設(shè)立可穿戴信息系統(tǒng)技術(shù)委員會TCWIS （TechnicalCommittee on Wearable Information Systems）。2000 年IEEE Pervasive Computing 期刊出版了可穿戴計算的?？?。多倫多大學的Steve Mann 博士已有兩部關(guān)于可穿戴計算的著作出版， 一本是“ Cyborg： Digital Destiny and Human Possibility in the Age of the Wearable Computer ”，另一本是“Intelligent Image Processing”。.Virginia Tech 的Woodrow Bar -field 和University of New Mexico 的Thomas Caudell 共同匯編了“ Fundamentals of Wearable Computer and Augmented Reality”一書。目前有關(guān)可穿戴計算的論文已有上百篇之多，不少大學都推出了各種不同用途的可穿戴計算機樣機和系統(tǒng)，至少已有幾十項相關(guān)發(fā)明專利。

　　計算機工業(yè)界幾乎是在 90 年代中后期同步跟入可穿戴計算這個新興領(lǐng)域?？纱┐饔嬎阏麢C和配件產(chǎn)品已投入市場，目前美國和日本都推出了具有實用價值的可穿戴計算機和專用器件（如核心模塊，單手鍵盤，頭戴顯示器等。作為新一代的計算機，可穿戴計算機將形成一個新的產(chǎn)業(yè)，市場潛力巨大，其社會和經(jīng)濟效益不可估量。

　　在應(yīng)用方面，美國已采用可穿戴計算機作為數(shù)字化單兵系統(tǒng)的核心?？纱┐饔嬎銠C在電信、倉儲、快遞業(yè)等領(lǐng)域也已投入了實際應(yīng)用，在諸多其他應(yīng)用領(lǐng)域，可穿戴計算機已進入試用階段，如航空航天、旅游、食品加工、醫(yī)療、消防、機器維護與安裝，以及野外勘探等等。

　　可穿戴計算是很有發(fā)展前景的下一代的計算模式，為計算機科學與技術(shù)提出了新的課題與挑戰(zhàn)，將形成新的計算概念、理論和技術(shù)?？纱┐饔嬎銠C的出現(xiàn)促使我們以全新的角度去審視計算機，如人與計算機到底是什么關(guān)系、到底該怎樣利用和使用計算機、未來計算機的作用和地位是什么等。這將使人們對計算機的認識在觀念上產(chǎn)生了變化。

　　可穿戴計算作為一種新的計算模式，可穿戴計算系統(tǒng)作為一種新的計算平臺，也將會給系統(tǒng)仿真注入新的活力，將可能形成新的仿真概念、模式、原理、技術(shù)和仿真系統(tǒng)，并促成新的應(yīng)用。我們將這種基于可穿戴計算的仿真簡稱為“可穿戴仿真（Wearable Simulation）”，縮寫為WS。可穿

　　戴帶仿真將DIS（分布式交互仿真）擴展到移動狀態(tài)，并分布到個人，是一種可隨個人移動的分布式仿真，是一種新的仿真框架，具有新的仿真功能和應(yīng)用模式，將可能成為的仿真領(lǐng)域新發(fā)展方向之一。

　　1 可穿戴計算

　　1.1 基本定義

　　關(guān)于什么是可穿戴計算和可穿戴計算機，有不少描述和定義，其中加拿大多倫多大學的Mann 博士的觀點較具有代表性，，他對可穿戴計算的認識和闡述比較深刻和全面，盡管還有一些不完善的地方需要進一步補充和改進。Mann 以三個操作模式和六個屬性給出了可穿戴計算的定義。

　　1.1.1 可穿戴計算的操作模式

　　可穿戴計算的新型人機交互具有以下三種操作模式。

　　1） 持續(xù)（Constancy） 可穿戴計算機總是處在工作、待用和可存取狀態(tài)（always on ，always ready and always accessible），從而提供了人機之間的“持續(xù)”界面（ constantuser — interface）。就此而言，這個新的計算框架不同于手持裝置、便攜式電腦和PDA （Per -sonal Digital Assistant）。

　　“always ready to interact with user”這一能力導致了一種新型的人-機協(xié)同（synergy），它通過使用者長久的適應(yīng)而表現(xiàn)出來，這就如同初戴眼鏡者要有一個適應(yīng)過程才能與眼鏡“協(xié)同”一樣。

　　2） 增強（Augmentation） 傳統(tǒng)計算模式基于這樣一個概念，“計算”是主要任務(wù)，但是可穿戴計算的基本概念不是以“計算”為主要任務(wù)，可穿戴計算假定，在“計算”的同時，用戶正在做其他的事情。因此，可穿戴計算應(yīng)該主動提供服務(wù)，應(yīng)該用于增強人的智能或增強人的感知能力。

　　3） 介入（Mediation） 可穿戴計算機將把人“包裹”住（這不是指衣物的包裹，而是一種信息空間的“包裹”），這種“包裹”不必是完全包裹，但這種“包裹”在概念上比傳統(tǒng)計算的“包裹”程度要強的多。這種包裹包括兩個方面：

　　獨處（Solitude） 介入（Mediation）能起到信息濾波器的功能，濾掉不需要的信息，或者允許以適度的方式調(diào)整我們對現(xiàn)實世界的感受（perception）。

　　隱私（Privacy） 它允許我們遮住和修飾離開我們的被“包裹”空間的信息（就像衣物可防止別人看到我們的身體一樣）。

　　可穿戴計算是一個在不同程度上實現(xiàn)這三種基本操作模式的框架。

　　1.1.2 可穿戴計算的屬性

　　1） 非限制性（Unrestrictive to the user）可穿戴計算可在走動、移動和漫游中使用，在使用的同時，還可以做其他事情，用戶不受限制。

　　2） 非獨占性（Unmonopolizing of the user‘s attention）不像虛擬現(xiàn)實技術(shù)一樣，可穿戴計算不會阻斷外部世界，當你使用可穿戴計算的時候，也可關(guān)注其他事情?？纱┐饔嬎慊谶@樣一個設(shè)想，“計算”是第二位的行為，不是所要關(guān)注的主要任務(wù)。事實上，理想地，可穿戴計算提供增強的感知（sensory）能力。但是，它也可以介入（增強，調(diào)整，或故意削弱）感知（sensory）能力。

　　3） 可觀性（Observable by user）如果用戶愿意，它可以連續(xù)的受你關(guān)注。（Almost --always —observable）。在合理的限制下，輸出媒體可持續(xù)的被穿戴者感受。

　　4） 可控性（Controllable by user）你可以在任何時刻控制可穿戴計算，甚至在自動操作的過程中，你可人為的斷開控制回路，并介入到回路中。

　　5） 感知性（Attentive to the environment）可穿戴計算具有環(huán)境感知能力，多模態(tài)和多感知。

　　6） 交流性（Communicative to others）可穿戴計算可以作為穿戴者之間的交流媒體。

　　Bass，L. 在CHI ’97 可穿戴式計算機專題討論會的會議招集人報告中建議可穿戴式計算機應(yīng)具備以下五個特征：

　　1） 可在運動狀態(tài)下使用。

　　2） 使用WearComp 的同時可騰出雙手或用手做其它的事。

　　3） WearComp 不應(yīng)只是穿在身上，而應(yīng)該成為衣物的一部分。

　　4） 穿戴者可進行控制。

　　5） 具有可持續(xù)性 constancy。

　　這五個建議的特征比較容易理解。

　　1.2 可穿戴計算機的初級結(jié)構(gòu)和形態(tài)

　　目前，盡管可穿戴計算機產(chǎn)品已投入市場并有實際應(yīng)用，但尚屬處在初級階段?，F(xiàn)在的可穿戴計算機雖已初步具備以上的一些屬性和功能，并能滿足目前特殊應(yīng)用領(lǐng)域的一些需求，但離前面提出的構(gòu)想還相差甚遠。

　　現(xiàn)階段的可穿戴計算結(jié)構(gòu)的最大特點是將微型化的電子器件（計算機、通訊和傳感等微型器件）分布在身體的不同部位或嵌入（或編織）在衣物上，通過分布在人體和衣物上的網(wǎng)絡(luò)連接起來。這只是可穿戴計算機的上層結(jié)構(gòu)和形態(tài)，目前可穿戴計算機的底層體系結(jié)構(gòu)主要還是嵌入式系統(tǒng)的，盡管可穿戴計算機的特有體系結(jié)構(gòu)是該領(lǐng)域的重點課題，但目前還沒有突破性的成果。

　　目前可穿戴計算機從構(gòu)成方式或形態(tài)上可初步分為集中主機集中式和分布式兩種。

　　1） 主機集中式系統(tǒng)將處理器、硬盤、通信和電源等主要模塊都以某種形式集中封裝的一個微型機殼內(nèi)，可放在腰包、挎包或背心中，一般都采用單目或See Through 的雙目頭戴顯示器，配有單手操作鍵盤（帶鼠標）或手臂鍵盤、鼠標，語音裝置，視頻捕捉裝置，位置和方位傳感裝置（如GPS， Gyro）等。這類系統(tǒng)主要采用目前已有的電子器件和計算機技術(shù)，設(shè)計出適合可穿戴計算的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)是開放式的，可采用通用的桌面操作系統(tǒng) window 98，2000， Xp和Linux 等。

　　目前這類可穿戴計算機已有不少研究性樣機和商品化產(chǎn)品，也已在軍事、航空、通信倉儲和物流等領(lǐng)域投入實際應(yīng)用。圖1 為重慶大學設(shè)計和開發(fā)的第一代挎包式可穿戴計算機系統(tǒng)。

　　2） 分布式可穿戴計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將整個系統(tǒng)的計算、通信和傳感等主要模塊分布在衣物上或夾層之內(nèi)，用所謂的身體網(wǎng)絡(luò)和總線互聯(lián)， 甚至采用“編織”電路的技術(shù)。MIT 的MIThril 是這類典型系統(tǒng)。這類系統(tǒng)只是處在研究階段，還只能是在較簡單的系統(tǒng)層次上實現(xiàn)，更沒有商品化和實際應(yīng)用。

　　2 可穿戴計算與系統(tǒng)仿真

　　可穿戴計算機作為一種嶄新的計算模式肯定也會給系統(tǒng)仿真帶來新的概念，促進形成新的系統(tǒng)仿真模式和技術(shù)。這應(yīng)該引起我們的重視，積極研究基于可穿戴計算的系統(tǒng)仿真概念、特點、體系、技術(shù)和應(yīng)用。

　　圖 1 重慶大學研制的可穿戴計算機 Netdaily-I 的組成及穿戴示意圖

　　2.1 研究背景

　　在 20 世紀90 年代中期，在國際上可穿戴計算機研究剛興起時，就有人嘗試在仿真應(yīng)用中采用可穿戴計算機。例如，美國陸軍仿真及訓練指揮部（STRICOM）在那時開發(fā)了一套軍事演練系統(tǒng)（AUGSIM），該系統(tǒng)在單兵級采用了“穿戴”在步兵身上的演練仿真器。和傳統(tǒng)的基于虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的步兵演練仿真器不同，這種穿戴式步兵演練仿真器可以使得演練者能夠在自由跑動中或匍匐前進中與仿真的戰(zhàn)場實體（如士兵、坦克、地雷等）進行交互，大大提高了演練效果，降低了演練成本。

　　目前國際上對可穿戴仿真研究仍集中在個別應(yīng)用研究上，主要結(jié)合增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于訓練仿真，缺乏對可穿戴仿真的全面和系統(tǒng)的研究，還沒有明確提出基于可穿戴計算仿真（或可穿戴仿真）的概念，沒有一個明確、規(guī)范的定義，更沒有給出可穿戴仿真本質(zhì)特征、系統(tǒng)構(gòu)架以及應(yīng)用模式等?？纱┐饔嬎阍诜抡骖I(lǐng)域的應(yīng)用已引起國際學術(shù)界的關(guān)注，CNDS 2002 已將可穿戴計算機系統(tǒng)列為主題之一。

　　現(xiàn)有的計算機仿真平臺大多是局限于某個物理位置（如單機仿真）或分散到多個不同的物理位置（如分布仿真），不具備移動性，盡管也有車載或機載的移動分布仿真，但這種移動性不是以人為中心移動的，和人是分離的，即不能很好地做到人到哪兒，仿真就跟到哪兒，因而難以應(yīng)用于某些特殊的仿真場合，如人在特殊狀態(tài)下（運動、工作、躺臥等）或在特殊環(huán)境下（狹窄空間、野外、高空、水下等）進行的仿真。隨著可穿戴計算機的發(fā)展，基于可穿戴計算的仿真逐步成為解決上述問題的有效途徑。

　　2.2 可穿戴仿真的概念及特點

　　明確可穿戴仿真的基本概念和特征是很必要的。本文將基于可穿戴計算的仿真簡稱為“可穿戴仿真”（Wearable Simulation），縮寫為WS?？纱┐鞣抡嬉浞煮w現(xiàn)可穿戴計算的特征，利用其獨特和優(yōu)勢功能。

　　可穿戴仿真是以可穿戴計算為基礎(chǔ)，以移動網(wǎng)絡(luò)為支撐，以可穿戴計算機系統(tǒng)為平臺，以人為中心，移動的、增強現(xiàn)實的新型仿真技術(shù)，本文嘗試給出可穿戴仿真應(yīng)具備的若干特征：

　　可穿戴 仿真平臺微型化、輕巧化、便攜化，可“穿戴”在身上，人機之間物理和邏輯關(guān)系更緊密，即便的在狹窄空間、高空甚至水下等特殊環(huán)境也能進行仿真活動。從DIS的觀點，可穿戴帶仿真系統(tǒng)分布到了個人一級。

　　移動性 可使穿戴者在移動中進行仿真，特別適合于在走動、跑動、甚至爬行的場合的仿真，這是一種隨人移動的仿真，人到哪里，仿真平臺跟到哪里（這不同于飛機，戰(zhàn)車的移動性）。

　　增強性 利用可穿戴的增強現(xiàn)實技術(shù)，將仿真實體與真實環(huán)境融為一體（Seamless），仿真者與仿真實體交互的同時可與真實環(huán)境交互。所以這是一種“增強”仿真或混合仿真，是真實和虛擬、數(shù)字空間和物理空間的混合。這種混合目前只是將虛擬圖形、文本和聲音等與真實場景的混合，是一種場景的混合。但引起我們聯(lián)想和值得深入思考的問題是，這種增強和混合與我們傳統(tǒng)系統(tǒng)仿真中混合仿真概念的關(guān)系，是否可將他們在更高的抽象層次（和概念上）統(tǒng)一起來。傳統(tǒng)混合仿真系統(tǒng)概念是數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的混合系統(tǒng)，從物理概念上看，這是一種通過接口實現(xiàn)的數(shù)字系統(tǒng)和物理設(shè)備系統(tǒng)的混合。關(guān)于如何將可穿戴計算的智能和感知增強引入仿真值得深入思考。

　　人在回路中可穿戴仿真通過可穿戴計算系統(tǒng)把人連接在整個仿真系統(tǒng)的回路中。以人為中心 物理空間上的以人為中心，表現(xiàn)為仿真平臺被穿戴在身上；功能和邏輯上的以人為中心，表現(xiàn)為可穿戴仿真更智能化地、一致地（consistently）和連續(xù)地輔助和指導穿戴者。

　　解放雙手 采用多通道交互技術(shù)，使得在進行仿真的同時可以用手進行其他操作，目前實用的方式是單手鍵盤，較好的解放了一只手。

　　2.3 增強現(xiàn)實

　　目前可穿戴計算在仿真中的應(yīng)用，主要采用了基于可穿戴計算的增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)。AR 是指在真實環(huán)境上提供信息性覆蓋，如將圖形、文字、聲音及超文本等疊加于真實環(huán)境之上，提供附加信息，是虛擬環(huán)境與真實環(huán)境的結(jié)合（如圖2）。利用增強現(xiàn)實，用戶可在關(guān)注真實世界時，根據(jù)需要立即訪問虛擬世界，或注視著虛擬世界的同時也可知曉真實環(huán)境?？纱┐髟鰪姮F(xiàn)實技術(shù)可使仿真的虛擬環(huán)境和真實環(huán)境之間形成無縫交互（seamless interaction）。這些性能在訓練仿真中是非常有用的，如在單兵級仿真演練中，虛擬實體的疊加在真實戰(zhàn)場的場景中，和真實世界融合為一體，每個攜帶可穿戴計算仿真系統(tǒng)的單兵要與這些虛擬的戰(zhàn)場實體（如虛擬碉堡、戰(zhàn)車和敵人）進行交互，虛擬的實體也要與真實的實體交互。

　　圖 2 VR 使用戶只能感受到由計算機產(chǎn)生的三維仿真圖形的光線（虛線），屏蔽了實物的光線（實線）。AR 使用戶即能感受到的實物的光線（實線），同時也可看到由計算機產(chǎn)生的“疊加”光線（虛線）。

　　2.4 可穿戴仿真的應(yīng)用

　　可穿戴仿真在軍事上的典型應(yīng)用就是的單兵級的仿真演練，圖3 是一個初步構(gòu)的思參考框架。將可穿戴仿真系統(tǒng)配備到每個士兵，使之成為一個個移動的仿真節(jié)點，每個士兵與車載仿真控制中心無線聯(lián)網(wǎng)，車載中心連接分布交互式仿真（DIS）網(wǎng)絡(luò)，從而形成一個深入到單兵一級的分布式仿真體系結(jié)構(gòu)。在這個框架的支撐下，可生成虛實結(jié)合的“戰(zhàn)場”，通過頭戴顯示器，士兵們可以同時看見真實戰(zhàn)地環(huán)境和計算機仿真生成的虛擬戰(zhàn)場實體（如敵方士兵、坦克、炮火，工事，據(jù)點等），真實與虛擬可交互，并能像真實演練一樣沖鋒、蹲伏、臥倒、瞄準射擊等，大幅提高了演練的真實效果。

　　圖3 可穿戴仿真應(yīng)用于單兵級訓練的參考模型

　　以上框架只是一個初步的設(shè)想，還很不成熟，有待深入研究。除了軍事應(yīng)用，有人研究將可穿戴仿真試用于設(shè)備安裝或維修仿真訓練和指導，和生產(chǎn)線的操作仿真。可穿戴仿真還可廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)療、娛樂等領(lǐng)域。隨著對可穿戴仿真研究的深入，其應(yīng)用領(lǐng)域必將不斷擴大。

　　3 結(jié)論

　　可穿戴計算作為一種嶄新的計算模式正在迅速發(fā)展，正如前面所指出，這是一個挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，面臨許多問題需要研究和解決?？纱┐饔嬎悴恢故俏⑿突膯栴}，而是計算模式和人機關(guān)系的變革，關(guān)于可穿戴計算的深層意義和巨大潛力，目前還不容易為人所認識。

　　可穿戴計算應(yīng)用于系統(tǒng)仿真，具有誘人的發(fā)展前景，值得深入探索和研究，本文只是對可穿戴仿真初步探討，許多提法是朦朧的和不完善的，甚至不正確，有許多具體的、深入的技術(shù)問題未能涉及。但我們希望可穿戴計算能引起仿真學術(shù)界的關(guān)注，共同推動可穿戴仿真的研究和應(yīng)用。