可穿戴計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展現(xiàn)狀和存在問題分析-科技論文

隨著半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及其他各種相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算設(shè)備在使用場(chǎng)所、使用方式、外部形態(tài)等方面發(fā)生了巨大的改變。從擁有大型計(jì)算機(jī)的計(jì)算中心到辦公室，從辦公室到家庭再到現(xiàn)在人們可隨時(shí)隨地使用便攜移動(dòng)計(jì)算設(shè)備（掌上電腦、智能手機(jī)等）；從低效的穿孔紙帶、一經(jīng)運(yùn)行便無法介入人為操作的批處理計(jì)算到友好實(shí)時(shí)交互的使用方式；從大型機(jī)、小型機(jī)到PC機(jī)、筆記本電腦再到PDA（PersonalDigitalAssistant）、智能手機(jī)、可穿戴計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)在各個(gè)方面都在飛快的進(jìn)步?？梢钥闯?，在計(jì)算機(jī)的發(fā)展的過程中人們追求的是能更方便、更快捷的使用計(jì)算機(jī)，這就促使在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)要充分體現(xiàn)“以人為本”的觀念，同時(shí)伴隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，各種高集成、超微型的元器件的產(chǎn)生為便攜式應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在這種條件下產(chǎn)生了各種各樣的便攜式系統(tǒng)，如筆記本電腦、膝上電腦、掌上電腦。但是，人們并不滿足于將移動(dòng)電話和電腦放在口袋和小皮包里面，而是希望計(jì)算機(jī)能像衣服一樣“穿戴”在身上，并能在任何條件下使用它，甚至能夠像人的助理一樣為人們自動(dòng)、主動(dòng)地提供計(jì)算服務(wù)?！翱纱┐饔?jì)算機(jī)”正是為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而誕生的新型個(gè)人移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)，它的出現(xiàn)給計(jì)算機(jī)和人之間的交互關(guān)系帶來了一場(chǎng)革命。

一、可穿戴計(jì)算機(jī)的定義

目前關(guān)于可穿戴計(jì)算機(jī)還沒有一個(gè)明確統(tǒng)一定義，大多是對(duì)可穿戴計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、屬性和操作模式等的描述。具有代表性的是加拿大多倫多大學(xué)的Mann博士的觀點(diǎn)，他用三個(gè)操作模式和六個(gè)屬性給出了可穿戴計(jì)算機(jī)的定義。

（一）可穿戴計(jì)算機(jī)的操作模式

可穿戴計(jì)算的新型人機(jī)交互具有以下三種操作模式：

1．持續(xù)可穿戴計(jì)算機(jī)總是處在工作、待用和可存取狀態(tài)，從而提供了人機(jī)之間的“持續(xù)”界面。就此而言，這個(gè)新的計(jì)算框架不同于手持裝置、便攜式電腦和PDA。

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

3．介入可穿戴計(jì)算機(jī)將把人“包裹”?。ㄟ@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(jì)算的“包裹”程度要強(qiáng)的多。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(duì)現(xiàn)實(shí)世界的感受。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）。

（二）可穿戴計(jì)算機(jī)的屬性

1．非限制性可穿戴計(jì)算可在走動(dòng)、移動(dòng)和漫游中使用，在使用的同時(shí)，還可以做其他事情，用戶不受限制。

2．非獨(dú)占性不像虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一樣，可穿戴計(jì)算不會(huì)阻斷外部世界，當(dāng)你使用可穿戴計(jì)算的時(shí)候，也可關(guān)注其他事情?？纱┐饔?jì)算基于這樣一個(gè)設(shè)想，“計(jì)算”是第二位的行為，不是所要關(guān)注的主要任務(wù)。事實(shí)上，理想地，可穿戴計(jì)算提供增強(qiáng)的感知能力。但是，它也可以介入（增強(qiáng)，調(diào)整，或故意削弱）感知能力。

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

4．可控性你可以在任何時(shí)刻控制可穿戴計(jì)算，甚至在自動(dòng)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．感知性可穿戴計(jì)算具有環(huán)境感知能力，多模態(tài)和多感知。

6．交流性可穿戴計(jì)算可以作為穿戴者之間的交流媒體。

二、可穿戴計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展現(xiàn)狀

從硬件的組成形態(tài)劃分，當(dāng)前可穿戴計(jì)算機(jī)可分為集中式（主機(jī)）可穿戴計(jì)算機(jī)和分布式（主機(jī)）可穿戴計(jì)算機(jī)。集中式是指除了必須分離的部件（如HMD、鍵盤、鼠標(biāo)、電池等）之外，具有較高可壓縮性的部件（如CPU、Memory、Chipset、GPS、無線通信等）都最大程度的集中起來置于一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，形成一個(gè)微型、緊湊的計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)；而分布式可穿戴計(jì)算機(jī)則將各種部件較合理的分布于人體的各個(gè)部位，通過身體總線和身體網(wǎng)絡(luò)連接而構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。目前國(guó)際上這兩種比較典型的代表是美國(guó)Via公司的ViaIIPC和美國(guó)MIT的MIThril。

當(dāng)前可穿戴計(jì)算機(jī)處于初級(jí)發(fā)展階段，還沒有關(guān)于可穿戴計(jì)算機(jī)的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。除了頭戴顯示器HMD和特殊鍵盤鼠標(biāo)等輸入輸出設(shè)備外，市場(chǎng)上基本上不存在可穿戴計(jì)算機(jī)的專用配件，如沒有商品化的可穿戴計(jì)算機(jī)專用主板、接口以及接插件等。在當(dāng)前技術(shù)條件下，集中式和分布式可穿戴計(jì)算機(jī)有一個(gè)共同點(diǎn)，它們一般都由微型化、低功耗的嵌入式COTS器件搭建而成，一些關(guān)鍵部件（如可穿戴主板等）也可根據(jù)具體需要通過OEM的方式實(shí)現(xiàn)，少量簡(jiǎn)單的部件（如電源轉(zhuǎn)換模塊等）則可自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。這種開發(fā)方式有諸多優(yōu)點(diǎn)，如開發(fā)周期短、成本低等，但同時(shí)也存在許多問題。雖然OEM和自行設(shè)計(jì)的方式能解決COTS器件為可穿戴計(jì)算機(jī)帶來的一些問題，但基于COTS器件的可穿戴計(jì)算機(jī)仍然存在許多不足，如可穿戴性較差、不符合人機(jī)工程要求、體積重量大、功耗大等等。這些不足使得可穿戴計(jì)算機(jī)的實(shí)用性較差、推廣難度大、普及速度低。

三、可穿戴計(jì)算機(jī)存在的若干問題

由以上的敘述可知，目前可穿戴計(jì)算機(jī)還存在這樣那樣的問題，主要包括COT器件帶來的問題以及人機(jī)交互的問題，下面分別對(duì)其闡述。

（一）COTS器件存在的問題

目前可穿戴采用的COTS器件并非為可穿戴計(jì)算機(jī)專門設(shè)計(jì)，而是為各種嵌入式系統(tǒng)、工控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。故對(duì)可穿戴計(jì)算機(jī)而言，COTS器件存在以下幾個(gè)問題，即功能和功耗問題、結(jié)構(gòu)問題、體積問題等。

理想的可穿戴計(jì)算機(jī)實(shí)質(zhì)上應(yīng)該是一個(gè)智能的、便攜的多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（不同用途的可穿戴計(jì)算機(jī)功能集不同），而針對(duì)嵌入式系統(tǒng)、工控系統(tǒng)的COTS器件功能集不一定能滿足可穿戴計(jì)算機(jī)的這些功能要求，反而包括一些可穿戴計(jì)算機(jī)不需要的功能（如串行口、數(shù)據(jù)采集口等），同時(shí)這些功能不能任意裁減或增加。這就導(dǎo)致了可用于可穿戴計(jì)算機(jī)的器件選擇范圍較小、可穿戴計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)方案不靈活、成本高、功耗大、體積大等諸多缺點(diǎn)。因此，對(duì)可穿戴計(jì)算機(jī)而言，COTS器件并非最好的選擇。相信在各種相關(guān)技術(shù)發(fā)達(dá)后，針對(duì)可穿戴計(jì)算機(jī)的專用器件將會(huì)層出不窮。

（二）人機(jī)交互方式存在的問題

可穿戴計(jì)算機(jī)典型的系統(tǒng)由主機(jī)、電源、輸入設(shè)備（鍵盤、鼠標(biāo)等）和輸出設(shè)備（頭戴顯示器HMD）等幾個(gè)部分組成，在使用時(shí)，所有的設(shè)備都穿戴在人體上。在語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)還不夠發(fā)達(dá)的現(xiàn)階段，使用者對(duì)可穿戴計(jì)算機(jī)的控制和操作主要通過微型的輸入設(shè)備（如集成鼠標(biāo)功能的單手鍵盤、腕式鍵盤、軌跡球等）實(shí)現(xiàn)，可穿戴計(jì)算機(jī)通過頭戴顯示器HMD向使用者輸出信息。雖然現(xiàn)在這樣的人機(jī)交互方式比較普遍，但還不夠友好，輸入設(shè)備存在輸入速度慢、控制操作不靈活等缺點(diǎn)，輸出設(shè)備尤其是頭戴顯示器，存在視角小、顯示器抖動(dòng)等缺點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致視覺疲勞。