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【可穿戴计算机硬件发展现状和存在问题分析】


    [关键词]可穿戴计算机 发展现状 存在问题
    中图分类号:TP3文献标识码:A 文章编号:1671-7597 (2008) 0120018-02
    
    随着半导体技术、计算机技术、通信技术以及其他各种相关技术的发展,计算设备在使用场所、使用方式、外部形态等方面发生了巨大的改变。从拥有大型计算机的计算中心到办公室,从办公室到家庭再到现在人们可随时随地使用便携移动计算设备(掌上电脑、智能手机等);从低效的穿孔纸带、一经运行便无法介入人为操作的批处理计算到友好实时交互的使用方式;从大型机、小型机到PC机、笔记本电脑再到PDA(Personal Digital Assistant)、智能手机、可穿戴计算机,计算机在各个方面都在飞快的进步。可以看出,在计算机的发展的过程中人们追求的是能更方便、更快捷的使用计算机,这就促使在设计计算机时要充分体现“以人为本”的观念,同时伴随着计算机硬件技术的发展,各种高集成、超微型的元器件的产生为便携式应用打下了坚实的基础。在这种条件下产生了各种各样的便携式系统,如笔记本电脑、膝上电脑、掌上电脑。但是,人们并不满足于将移动电话和电脑放在口袋和小皮包里面,而是希望计算机能像衣服一样“穿戴”在身上,并能在任何条件下使用它,甚至能够像人的助理一样为人们自动、主动地提供计算服务。“可穿戴计算机”正是为实现这一目标而诞生的新型个人移动计算系统,它的出现给计算机和人之间的交互关系带来了一场革命。
    
    一、可穿戴计算机的定义
    
    目前关于可穿戴计算机还没有一个明确统一定义,大多是对可穿戴计算机的特点、属性和操作模式等的描述。具有代表性的是加拿大多伦多大学的Mann博士的观点,他用三个操作模式和六个属性给出了可穿戴计算机的定义。
    (一)可穿戴计算机的操作模式
    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 可穿戴计算机总是处在工作、待用和可存取状态,从而提供了人机之间的“持续”界面。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。
    2.增强 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 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。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。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)。
    (二)可穿戴计算机的属性
    1.非限制性 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 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能力。但是,它也可以介入(增强,调整,或故意削弱)感知能力。
    3.可观性如果用户愿意,它可以连续的受你关注。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 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 可穿戴计算具有环境感知能力,多模态和多感知。
    6.交流性 可穿戴计算可以作为穿戴者之间的交流媒体。
    
    二、可穿戴计算机硬件发展现状
    
    从硬件的组成形态划分,当前可穿戴计算机可分为集中式(主机)可穿戴计算机和分布式(主机)可穿戴计算机。集中式是指除了必须分离的部件(如HMD、键盘、鼠标、电池等)之外,具有较高可压缩性的部件(如CPU、Memory、Chipset、GPS、无线通信等)都最大程度的集中起来置于一个机壳内,形成一个微型、紧凑的计算机主机系统;而分布式可穿戴计算机则将各种部件较合理的分布于人体的各个部位,通过身体总线和身体网络连接而构成计算机系统。目前国际上这两种比较典型的代表是美国Via公司的Via II PC和美国MIT的MIThril。
    当前可穿戴计算机处于初级发展阶段,还没有关于可穿戴计算机的相关规范和标准。除了头戴显示器HMD和特殊键盘鼠标等输入输出设备外,市场上基本上不存在可穿戴计算机的专用配件,如没有商品化的可穿戴计算机专用主板、接口以及接插件等。在当前技术条件下,集中式和分布式可穿戴计算机有一个共同点,它们一般都由微型化、低功耗的嵌入式COTS器件搭建而成,一些关键部件(如可穿戴主板等)也可根据具体需要通过OEM的方式实现,少量简单的部件(如电源转换模块等)则可自行设计实现。这种开发方式有诸多优点,如开发周期短、成本低等,但同时也存在许多问题。虽然OEM和自行设计的方式能解决COTS器件为可穿戴计算机带来的一些问题,但基于COTS器件的可穿戴计算机仍然存在许多不足,如可穿戴性较差、不符合人机工程要求、体积重量大、功耗大等等。这些不足使得可穿戴计算机的实用性较差、推广难度大、普及速度低。
    
    三、可穿戴计算机存在的若干问题
    
    由以上的叙述可知,目前可穿戴计算机还存在这样那样的问题,主要包括COT器件带来的问题以及人机交互的问题,下面分别对其阐述。
    (一)COTS器件存在的问题
    目前可穿戴采用的COTS器件并非为可穿戴计算机专门设计,而是为各种嵌入式系统、工控系统设计的。故对可穿戴计算机而言,COTS器件存在以下几个问题,即功能和功耗问题、结构问题、体积问题等。
    理想的可穿戴计算机实质上应该是一个智能的、便携的多媒体计算机系统(不同用途的可穿戴计算机功能集不同),而针对嵌入式系统、工控系统的COTS器件功能集不一定能满足可穿戴计算机的这些功能要求,反而包括一些可穿戴计算机不需要的功能(如串行口、数据采集口等),同时这些功能不能任意裁减或增加。这就导致了可用于可穿戴计算机的器件选择范围较小、可穿戴计算机结构方案不灵活、成本高、功耗大、体积大等诸多缺点。因此,对可穿戴计算机而言,COTS器件并非最好的选择。相信在各种相关技术发达后,针对可穿戴计算机的专用器件将会层出不穷。
    (二)人机交互方式存在的问题
    可穿戴计算机典型的系统由主机、电源、输入设备(键盘、鼠标等)和输出设备(头戴显示器HMD)等几个部分组成,在使用时,所有的设备都穿戴在人体上。在语音识别技术还不够发达的现阶段,使用者对可穿戴计算机的控制和操作主要通过微型的输入设备(如集成鼠标功能的单手键盘、腕式键盘、轨迹球等)实现,可穿戴计算机通过头戴显示器HMD向使用者输出信息。虽然现在这样的人机交互方式比较普遍,但还不够友好,输入设备存在输入速度慢、控制操作不灵活等缺点,输出设备尤其是头戴显示器,存在视角小、显示器抖动等缺点,长时间使用导致视觉疲劳。

         
    四、嵌入式系统可以解决可穿戴计算机硬件发展中的一些问题
    
    (一)嵌入式系统的概念
    嵌入式系统的准确定义是:以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁减,适用于应用系统对功能、体积、功耗、成本等有严格要求的专用计算机系统。它也可分为硬件和软件两部分,但与通用计算机系统不同的是,其软硬件紧密结合,操作系统和应用软件都固化在存储器中,而并非存储在磁盘等介质中。
    (二)嵌入式硬件组成
    嵌入式系统的硬件主要包括嵌入式处理器或控制器、存储器、I/O接口、高效的电源管理系统等。其中处理器和控制器是嵌入式系统的核心部件,嵌入式系统往往都是以处理器或控制器为中心开发出来的。嵌入式处理器和控制器具备以下几个特点:具有强的实时多任务支持能力;具有很强的存储区保护能力。由于嵌入式系统的软件结构已模块化,为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用,需要设计强大的存储区保护功能,同时也有利于软件诊断;可扩展的处理器结构,以便能以最快速度开发出不同应用的嵌入式系统;具有超低功耗。嵌入式系统尤其是由电池供电的无线和移动计算机通信设备对功耗要求非常高。
    (三)根据不同的应用,嵌入式处理器一般可以分为以下几种
    1.嵌入式微处理器EMPU(Embedded Microprocessor Unit)嵌入式微处理器芯片只扮演处理器的角色,没有集成外围(接口)电路,一般具有体积小、功耗低、可靠性高等特点。在开发过程中,将微处理器装配在自制的电路板上,而系统所需的RAM、ROM、接口电路、电源系统等放置在电路板上。常见的微处理器有IBM的PowerPC、MIPS、ARM等。
    2.嵌入式微控制器MCU(Microcontroller Unit)嵌入式微控制器由早期的单片机(Single Chip Computer)发展而来,在芯片内部集成了处理器、RAM、ROM、I/O、定时器/计数器、A/D、D/A等功能。
    3.嵌入式DSP(Digital Signal Processor)。DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于执行DSP算法,编译效率较较高,指令执行速度较快。在数字滤波、FFT(Fast FourierTransform,快速傅里叶变换)、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域。常见的DSP有TI的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列等。
    4.片上系统SoC(System on Chip)。随着半导体技术和VLSI技术的发展,片上系统SoC不断出现。除个别无法集成的器件以外,整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去,使得应用系统电路板非常简洁,这对于减小系统体积和功耗、提高可靠性非常有利,基于SoC的开发工作显得非常简单。Motorola的M-Core、Intel基于ARM内核的PXA25x/26x/27x都是SoC。
    
    参考文献:
    [1]陈东义,龙翔等,COTS技术在可穿戴计算机硬件设计中的应用.计算机研究与发展.2003.增刊。
    [2]熊江,顾君忠,三种嵌入式操作系统的分析与比较.单片机与嵌入式系统应用.2003No.1.P.15-18.

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