【致命干货】可穿戴计算与系统仿真 - 全文

　　引 言

　　可穿戴计算机（Wearable Computer，缩写为WearComp）是一类新概念、超微型、可穿戴的个人移动计算系统，由于能够被“穿戴”在身上，所以可实现人机之间自然、方便和直接的交互，使我们能以更自然的方式携带计算系统和获得计算功能，最终要实现人机之间的“最佳结合与协同”。

　　可穿戴计算机是随着电子器件的不断微型化、性能的增强、无线移动网络技术日益成熟和广泛应用而出现的，也是人们对“计算”深入研究和认识，追求“计算以人为本，人机合一”这一理念的产物。

　　可穿戴计算机在体系结构、功能、形态、用途、操作模式，以及设计和开发方法上都将与现在流行的移动计算装置（如笔记本电脑、掌上电脑等）不同，具有许多不可替代的功能，它将引发新的需求，开辟新的应用领域，用途非常广泛。

　　可穿戴计算机的出现促成了一种崭新和独特的计算模式，即可穿戴计算（Wearable Computing，同样缩写为WearComp），它从计算概念、人机关系、交互方式、功能和用途等诸多方面都不同于传统的固定和移动计算模式，这种计算模式强调以自然的穿戴形式提供的计算功能，弱化机器的概念，计算系统不是以机器形式出现，机器将最终从我们的视线中将消失，计算系统是嵌入在衣物、挎包、腰包、腰带、手表、首饰或其他装饰物等物品中的，我们体验到的只是“服务”。在这种新的计算模式下，弱化以“传统计算”为主要任务，而是突出以增强人的能力和辅助人为目的，将使我们产生“计算依赖”，使我们需要计算就像需要衣物一样。

　　可穿戴计算的思想和雏形早在20 世纪60 年代就出现了。目前形态可穿戴计算机（挎包和背心式等）的发明人应该是目前在加拿大多伦多大学的Steve Mann 博士，他早在80 年初代就开始进行可穿戴计算机的研究，他在MIT 攻读博士的时候继续了他的发明，并和其他研究人员一道形成了可穿戴计算研究方向，成为可穿戴计算研究领域的主流之一。另一股可穿戴计算的推动力量来自美国军方，主要有两个相关计划，一是90 年代中期美国陆军的陆地勇士（Land Warrior）计划，其目的是研制一种以可穿戴计算机为核心数字化作战单兵系统；二是90 年代中期美国DARPA 的聪明模块计划（Smart Modular）。

　　1996 年在美国召开的两次会议引起了学术界和工业界对可穿戴计算的广泛关注。一次会议是1996 年7 月，美国国防部的DARPA 赞助举行了第一次WearComp 专题研讨会，题为“ 2005 可穿戴计算”，当时召集工业界、大学及军方的专家探讨未来可穿戴式计算机的潜力。另一次会议是1996年8 月，Boeing 公司在Seattle 主办的第二次WearComp的专题研讨会，工业界、学术界和独立实验室的研究人员与管理人员到会，会议形成了硬件、软件、网络、人的因素及应用等五个专题报告。这两次会议掀起了可穿戴计算研究的第一波热潮，为即将来临的可穿戴计算时代点燃了火种。值得注意的是，这首两届会议分别是军方和工业界发起的，而不是学术届，这从一个角度说明，应用领域对可穿戴计算机的需求是直接和迫切的。

　　自此，国际上可穿戴计算已逐步成为计算技术前沿和热点研究领域，许多发达国家的著名大学和研究机构都成立了专门的研究中心和实验室，竞相开展了相关研究，如美国、加拿大、澳大利亚、日本、英国、德国、瑞士等等，竞争态势已经形成。中国也在20 世纪中后期介入了这个研究领域。

　　1997 年由IEEE 主办了第一届ISWC （InternationalSymposium on Wearable Computers ）可穿戴计算的国际会议，以后每年举行一次会议，规模和水平不断提高。IEEE专门设立可穿戴信息系统技术委员会TCWIS （TechnicalCommittee on Wearable Information Systems）。2000 年IEEE Pervasive Computing 期刊出版了可穿戴计算的专刊。多伦多大学的Steve Mann 博士已有两部关于可穿戴计算的著作出版， 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 共同汇编了“ Fundamentals of Wearable Computer and Augmented Reality”一书。目前有关可穿戴计算的论文已有上百篇之多，不少大学都推出了各种不同用途的可穿戴计算机样机和系统，至少已有几十项相关发明专利。

　　计算机工业界几乎是在 90 年代中后期同步跟入可穿戴计算这个新兴领域。可穿戴计算整机和配件产品已投入市场，目前美国和日本都推出了具有实用价值的可穿戴计算机和专用器件（如核心模块，单手键盘，头戴显示器等。作为新一代的计算机，可穿戴计算机将形成一个新的产业，市场潜力巨大，其社会和经济效益不可估量。

　　在应用方面，美国已采用可穿戴计算机作为数字化单兵系统的核心。可穿戴计算机在电信、仓储、快递业等领域也已投入了实际应用，在诸多其他应用领域，可穿戴计算机已进入试用阶段，如航空航天、旅游、食品加工、医疗、消防、机器维护与安装，以及野外勘探等等。

　　可穿戴计算是很有发展前景的下一代的计算模式，为计算机科学与技术提出了新的课题与挑战，将形成新的计算概念、理论和技术。可穿戴计算机的出现促使我们以全新的角度去审视计算机，如人与计算机到底是什么关系、到底该怎样利用和使用计算机、未来计算机的作用和地位是什么等。这将使人们对计算机的认识在观念上产生了变化。

　　可穿戴计算作为一种新的计算模式，可穿戴计算系统作为一种新的计算平台，也将会给系统仿真注入新的活力，将可能形成新的仿真概念、模式、原理、技术和仿真系统，并促成新的应用。我们将这种基于可穿戴计算的仿真简称为“可穿戴仿真（Wearable Simulation）”，缩写为WS。可穿

　　戴带仿真将DIS（分布式交互仿真）扩展到移动状态，并分布到个人，是一种可随个人移动的分布式仿真，是一种新的仿真框架，具有新的仿真功能和应用模式，将可能成为的仿真领域新发展方向之一。

　　1 可穿戴计算

　　1.1 基本定义

　　关于什么是可穿戴计算和可穿戴计算机，有不少描述和定义，其中加拿大多伦多大学的Mann 博士的观点较具有代表性，，他对可穿戴计算的认识和阐述比较深刻和全面，尽管还有一些不完善的地方需要进一步补充和改进。Mann 以三个操作模式和六个属性给出了可穿戴计算的定义。

　　1.1.1 可穿戴计算的操作模式

　　可穿戴计算的新型人机交互具有以下三种操作模式。

　　1） 持续（Constancy） 可穿戴计算机总是处在工作、待用和可存取状态（always on ，always ready and always accessible），从而提供了人机之间的“持续”界面（ constantuser — interface）。就此而言，这个新的计算框架不同于手持装置、便携式电脑和PDA （Per -sonal Digital Assistant）。

　　“always ready to interact with user”这一能力导致了一种新型的人-机协同（synergy），它通过使用者长久的适应而表现出来，这就如同初戴眼镜者要有一个适应过程才能与眼镜“协同”一样。

　　2） 增强（Augmentation） 传统计算模式基于这样一个概念，“计算”是主要任务，但是可穿戴计算的基本概念不是以“计算”为主要任务，可穿戴计算假定，在“计算”的同时，用户正在做其他的事情。因此，可穿戴计算应该主动提供服务，应该用于增强人的智能或增强人的感知能力。

　　3） 介入（Mediation） 可穿戴计算机将把人“包裹”住（这不是指衣物的包裹，而是一种信息空间的“包裹”），这种“包裹”不必是完全包裹，但这种“包裹”在概念上比传统计算的“包裹”程度要强的多。这种包裹包括两个方面：

　　独处（Solitude） 介入（Mediation）能起到信息滤波器的功能，滤掉不需要的信息，或者允许以适度的方式调整我们对现实世界的感受（perception）。

　　隐私（Privacy） 它允许我们遮住和修饰离开我们的被“包裹”空间的信息（就像衣物可防止别人看到我们的身体一样）。

　　可穿戴计算是一个在不同程度上实现这三种基本操作模式的框架。

　　1.1.2 可穿戴计算的属性

　　1） 非限制性（Unrestrictive to the user）可穿戴计算可在走动、移动和漫游中使用，在使用的同时，还可以做其他事情，用户不受限制。

　　2） 非独占性（Unmonopolizing of the user‘s attention）不像虚拟现实技术一样，可穿戴计算不会阻断外部世界，当你使用可穿戴计算的时候，也可关注其他事情。可穿戴计算基于这样一个设想，“计算”是第二位的行为，不是所要关注的主要任务。事实上，理想地，可穿戴计算提供增强的感知（sensory）能力。但是，它也可以介入（增强，调整，或故意削弱）感知（sensory）能力。

　　3） 可观性（Observable by user）如果用户愿意，它可以连续的受你关注。（Almost --always —observable）。在合理的限制下，输出媒体可持续的被穿戴者感受。

　　4） 可控性（Controllable by user）你可以在任何时刻控制可穿戴计算，甚至在自动操作的过程中，你可人为的断开控制回路，并介入到回路中。

　　5） 感知性（Attentive to the environment）可穿戴计算具有环境感知能力，多模态和多感知。

　　6） 交流性（Communicative to others）可穿戴计算可以作为穿戴者之间的交流媒体。

　　Bass，L. 在CHI ’97 可穿戴式计算机专题讨论会的会议招集人报告中建议可穿戴式计算机应具备以下五个特征：

　　1） 可在运动状态下使用。

　　2） 使用WearComp 的同时可腾出双手或用手做其它的事。

　　3） WearComp 不应只是穿在身上，而应该成为衣物的一部分。

　　4） 穿戴者可进行控制。

　　5） 具有可持续性 constancy。

　　这五个建议的特征比较容易理解。

　　1.2 可穿戴计算机的初级结构和形态

　　目前，尽管可穿戴计算机产品已投入市场并有实际应用，但尚属处在初级阶段。现在的可穿戴计算机虽已初步具备以上的一些属性和功能，并能满足目前特殊应用领域的一些需求，但离前面提出的构想还相差甚远。

　　现阶段的可穿戴计算结构的最大特点是将微型化的电子器件（计算机、通讯和传感等微型器件）分布在身体的不同部位或嵌入（或编织）在衣物上，通过分布在人体和衣物上的网络连接起来。这只是可穿戴计算机的上层结构和形态，目前可穿戴计算机的底层体系结构主要还是嵌入式系统的，尽管可穿戴计算机的特有体系结构是该领域的重点课题，但目前还没有突破性的成果。

　　目前可穿戴计算机从构成方式或形态上可初步分为集中主机集中式和分布式两种。

　　1） 主机集中式系统将处理器、硬盘、通信和电源等主要模块都以某种形式集中封装的一个微型机壳内，可放在腰包、挎包或背心中，一般都采用单目或See Through 的双目头戴显示器，配有单手操作键盘（带鼠标）或手臂键盘、鼠标，语音装置，视频捕捉装置，位置和方位传感装置（如GPS， Gyro）等。这类系统主要采用目前已有的电子器件和计算机技术，设计出适合可穿戴计算的系统。这类系统是开放式的，可采用通用的桌面操作系统 window 98，2000， Xp和Linux 等。

　　目前这类可穿戴计算机已有不少研究性样机和商品化产品，也已在军事、航空、通信仓储和物流等领域投入实际应用。图1 为重庆大学设计和开发的第一代挎包式可穿戴计算机系统。

　　2） 分布式可穿戴计算机系统结构，将整个系统的计算、通信和传感等主要模块分布在衣物上或夹层之内，用所谓的身体网络和总线互联， 甚至采用“编织”电路的技术。MIT 的MIThril 是这类典型系统。这类系统只是处在研究阶段，还只能是在较简单的系统层次上实现，更没有商品化和实际应用。

　　2 可穿戴计算与系统仿真

　　可穿戴计算机作为一种崭新的计算模式肯定也会给系统仿真带来新的概念，促进形成新的系统仿真模式和技术。这应该引起我们的重视，积极研究基于可穿戴计算的系统仿真概念、特点、体系、技术和应用。

　　

　　图 1 重庆大学研制的可穿戴计算机 Netdaily-I 的组成及穿戴示意图

　　2.1 研究背景

　　在 20 世纪90 年代中期，在国际上可穿戴计算机研究刚兴起时，就有人尝试在仿真应用中采用可穿戴计算机。例如，美国陆军仿真及训练指挥部（STRICOM）在那时开发了一套军事演练系统（AUGSIM），该系统在单兵级采用了“穿戴”在步兵身上的演练仿真器。和传统的基于虚拟现实（VR）技术的步兵演练仿真器不同，这种穿戴式步兵演练仿真器可以使得演练者能够在自由跑动中或匍匐前进中与仿真的战场实体（如士兵、坦克、地雷等）进行交互，大大提高了演练效果，降低了演练成本。

　　目前国际上对可穿戴仿真研究仍集中在个别应用研究上，主要结合增强现实技术应用于训练仿真，缺乏对可穿戴仿真的全面和系统的研究，还没有明确提出基于可穿戴计算仿真（或可穿戴仿真）的概念，没有一个明确、规范的定义，更没有给出可穿戴仿真本质特征、系统构架以及应用模式等。可穿戴计算在仿真领域的应用已引起国际学术界的关注，CNDS 2002 已将可穿戴计算机系统列为主题之一。

　　现有的计算机仿真平台大多是局限于某个物理位置（如单机仿真）或分散到多个不同的物理位置（如分布仿真），不具备移动性，尽管也有车载或机载的移动分布仿真，但这种移动性不是以人为中心移动的，和人是分离的，即不能很好地做到人到哪儿，仿真就跟到哪儿，因而难以应用于某些特殊的仿真场合，如人在特殊状态下（运动、工作、躺卧等）或在特殊环境下（狭窄空间、野外、高空、水下等）进行的仿真。随着可穿戴计算机的发展，基于可穿戴计算的仿真逐步成为解决上述问题的有效途径。

　　2.2 可穿戴仿真的概念及特点

　　明确可穿戴仿真的基本概念和特征是很必要的。本文将基于可穿戴计算的仿真简称为“可穿戴仿真”（Wearable Simulation），缩写为WS。可穿戴仿真要充分体现可穿戴计算的特征，利用其独特和优势功能。

　　可穿戴仿真是以可穿戴计算为基础，以移动网络为支撑，以可穿戴计算机系统为平台，以人为中心，移动的、增强现实的新型仿真技术，本文尝试给出可穿戴仿真应具备的若干特征：

　　可穿戴 仿真平台微型化、轻巧化、便携化，可“穿戴”在身上，人机之间物理和逻辑关系更紧密，即便的在狭窄空间、高空甚至水下等特殊环境也能进行仿真活动。从DIS的观点，可穿戴带仿真系统分布到了个人一级。

　　移动性 可使穿戴者在移动中进行仿真，特别适合于在走动、跑动、甚至爬行的场合的仿真，这是一种随人移动的仿真，人到哪里，仿真平台跟到哪里（这不同于飞机，战车的移动性）。

　　增强性 利用可穿戴的增强现实技术，将仿真实体与真实环境融为一体（Seamless），仿真者与仿真实体交互的同时可与真实环境交互。所以这是一种“增强”仿真或混合仿真，是真实和虚拟、数字空间和物理空间的混合。这种混合目前只是将虚拟图形、文本和声音等与真实场景的混合，是一种场景的混合。但引起我们联想和值得深入思考的问题是，这种增强和混合与我们传统系统仿真中混合仿真概念的关系，是否可将他们在更高的抽象层次（和概念上）统一起来。传统混合仿真系统概念是数字仿真系统和物理系统的混合系统，从物理概念上看，这是一种通过接口实现的数字系统和物理设备系统的混合。关于如何将可穿戴计算的智能和感知增强引入仿真值得深入思考。

　　人在回路中可穿戴仿真通过可穿戴计算系统把人连接在整个仿真系统的回路中。以人为中心 物理空间上的以人为中心，表现为仿真平台被穿戴在身上；功能和逻辑上的以人为中心，表现为可穿戴仿真更智能化地、一致地（consistently）和连续地辅助和指导穿戴者。

　　解放双手 采用多通道交互技术，使得在进行仿真的同时可以用手进行其他操作，目前实用的方式是单手键盘，较好的解放了一只手。

　　2.3 增强现实

　　目前可穿戴计算在仿真中的应用，主要采用了基于可穿戴计算的增强现实（AR）技术。AR 是指在真实环境上提供信息性覆盖，如将图形、文字、声音及超文本等叠加于真实环境之上，提供附加信息，是虚拟环境与真实环境的结合（如图2）。利用增强现实，用户可在关注真实世界时，根据需要立即访问虚拟世界，或注视着虚拟世界的同时也可知晓真实环境。可穿戴增强现实技术可使仿真的虚拟环境和真实环境之间形成无缝交互（seamless interaction）。这些性能在训练仿真中是非常有用的，如在单兵级仿真演练中，虚拟实体的叠加在真实战场的场景中，和真实世界融合为一体，每个携带可穿戴计算仿真系统的单兵要与这些虚拟的战场实体（如虚拟碉堡、战车和敌人）进行交互，虚拟的实体也要与真实的实体交互。

　　

　　图 2 VR 使用户只能感受到由计算机产生的三维仿真图形的光线（虚线），屏蔽了实物的光线（实线）。AR 使用户即能感受到的实物的光线（实线），同时也可看到由计算机产生的“叠加”光线（虚线）。

　　2.4 可穿戴仿真的应用

　　可穿戴仿真在军事上的典型应用就是的单兵级的仿真演练，图3 是一个初步构的思参考框架。将可穿戴仿真系统配备到每个士兵，使之成为一个个移动的仿真节点，每个士兵与车载仿真控制中心无线联网，车载中心连接分布交互式仿真（DIS）网络，从而形成一个深入到单兵一级的分布式仿真体系结构。在这个框架的支撑下，可生成虚实结合的“战场”，通过头戴显示器，士兵们可以同时看见真实战地环境和计算机仿真生成的虚拟战场实体（如敌方士兵、坦克、炮火，工事，据点等），真实与虚拟可交互，并能像真实演练一样冲锋、蹲伏、卧倒、瞄准射击等，大幅提高了演练的真实效果。

　　

　　图3 可穿戴仿真应用于单兵级训练的参考模型

　　以上框架只是一个初步的设想，还很不成熟，有待深入研究。除了军事应用，有人研究将可穿戴仿真试用于设备安装或维修仿真训练和指导，和生产线的操作仿真。可穿戴仿真还可广泛应用于教育、医疗、娱乐等领域。随着对可穿戴仿真研究的深入，其应用领域必将不断扩大。

　　3 结论

　　可穿戴计算作为一种崭新的计算模式正在迅速发展，正如前面所指出，这是一个挑战性的领域，面临许多问题需要研究和解决。可穿戴计算不止是微型化的问题，而是计算模式和人机关系的变革，关于可穿戴计算的深层意义和巨大潜力，目前还不容易为人所认识。

　　可穿戴计算应用于系统仿真，具有诱人的发展前景，值得深入探索和研究，本文只是对可穿戴仿真初步探讨，许多提法是朦胧的和不完善的，甚至不正确，有许多具体的、深入的技术问题未能涉及。但我们希望可穿戴计算能引起仿真学术界的关注，共同推动可穿戴仿真的研究和应用。