沈陽建筑大學(xué) 設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院 朱 旭 穆存遠(yuǎn) 

摘要：介紹了智能可穿戴設(shè)備的核心技術(shù)分析，從人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用和虛擬交互設(shè)計(jì)中的人機(jī)交互設(shè)計(jì)方面對(duì)虛擬交互設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了闡述，通過圖像交互、身體生物數(shù)據(jù)感應(yīng)、識(shí)別功能、肢體動(dòng)作探測(cè)和觸覺體感交互控制方面對(duì)智能可穿戴設(shè)備交互體驗(yàn)方式進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，并給出了智能穿戴設(shè)備交互設(shè)計(jì)與展示系統(tǒng)實(shí)例，對(duì)智能穿戴設(shè)備未來的發(fā)展方向和發(fā)展趨勢(shì)起到了促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：智能穿戴設(shè)備 交互功能 傳感器 展示設(shè)計(jì) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TB427 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069(2017)09-0046-02

Abstract：The paper introduces the core technology of wearable devices，and the interaction design idea are expounded from the application of ergonomics and virtual interaction design of human computer interaction design. Interaction，body biological data，image recognition，movement detection and tactile sense of interactive control of intelligent wearable device are analyzed in the form of interaction experience and gives examples of the intelligent equipment interaction design and display system，which plays a promoting effect on the trend and future of the intelligent equipment.

Keywords：Smart wearables Interactive function The sensor Presentation design Virtual reality technology

引言

可穿戴設(shè)備的核心技術(shù)包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，智能云技術(shù)等，是一種以現(xiàn)代信息科技為核心的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，具有功能強(qiáng)大，安全性高等特點(diǎn)。智能可穿戴設(shè)備的雛形源于2012年谷歌公司的智能眼鏡，這一眼鏡不僅是一種硬件設(shè)備，還具有智能化的功能，它將各種先進(jìn)的技術(shù)結(jié)合在一起，滿足人們的通信需求。智能穿戴設(shè)備的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)人們的通信理念，使商業(yè)操作，工業(yè)發(fā)展更加科技化，這一技術(shù)將進(jìn)一步更新，并且應(yīng)用于更多領(lǐng)域，改變?nèi)藗兊纳罘绞胶蜕罟?jié)奏。并且可穿戴設(shè)備將與其他智能設(shè)備連用，真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)合一。

一、智能可穿戴設(shè)備的核心技術(shù)分析

可穿戴技術(shù)的核心技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將這一技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)，云技術(shù)等技術(shù)結(jié)合在一起，可設(shè)計(jì)智能可穿戴設(shè)備，目前智能可穿戴設(shè)備的功能已經(jīng)由傳統(tǒng)的通信轉(zhuǎn)為可以預(yù)測(cè)未來的智能產(chǎn)品，隨著科技的發(fā)展，世界的智能化時(shí)代即將到來。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將虛擬世界變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的一種系統(tǒng)和技術(shù)，其環(huán)境的設(shè)計(jì)是通過視覺、聽覺、觸覺等感知來完成，由于與人體的感覺相同，因此可以使使用者具有身臨其境的感覺。互聯(lián)網(wǎng)是這一技術(shù)的核心，當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)到了極度發(fā)達(dá)時(shí)代，智能可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)可以輕松實(shí)現(xiàn)，因此可以為智能可穿戴設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)信息構(gòu)建，支撐其完成溝通等強(qiáng)大的功能。但是這一技術(shù)的研究還存在一定的空白點(diǎn)，如對(duì)人體感知的影響，當(dāng)下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展方向就是更好的人體生理感知，以使虛擬技術(shù)更加清晰，更加真實(shí)。除此之外，智能可穿戴技術(shù)還要融合多媒視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、傳感器互感技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)3D技術(shù)等。總之，這一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是復(fù)雜的，是科技發(fā)展到一定程度的結(jié)果。通過合理的技術(shù)結(jié)合，不斷地縮小虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的界限，智能穿戴設(shè)備的完善將成為必然，并且會(huì)極大地影響人們的生活，但是我們的生活不能完全依賴于智能穿戴設(shè)備或者虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

二、虛擬交互設(shè)計(jì)理念闡述

（一）人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用

人機(jī)工程學(xué)主要用于智能化工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，包括生理學(xué)和心理學(xué)的設(shè)計(jì)，通過人機(jī)工程學(xué)的研究，使人、機(jī)和環(huán)境之間形成一種穩(wěn)定的關(guān)系，并且能夠相互影響和作用，進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)品的功能，提高其智能化效果。隨著科技的發(fā)展，人機(jī)工程學(xué)的范圍擴(kuò)大，傳統(tǒng)的工程學(xué)主要研究人與機(jī)器之間的交互，通過改善人機(jī)關(guān)系來保證產(chǎn)品的性能，而現(xiàn)代智能技術(shù)通常是多種技術(shù)的結(jié)合，致力于完善設(shè)備的功能，提高其智能化水平（如圖1）。

（二）虛擬交互設(shè)計(jì)中的人機(jī)交互設(shè)計(jì)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)計(jì)學(xué)不再使用，虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)的功能更大強(qiáng)大，它更強(qiáng)調(diào)人與界面之間的交換，這樣增加了交互幾率，減小設(shè)備的體積，進(jìn)而衍生了智能可穿戴設(shè)備。人機(jī)交互設(shè)計(jì)是研究系統(tǒng)和用戶之間的界面可視化程度，其基本的特點(diǎn)為“沉浸”、“交互”和“構(gòu)想”。其技術(shù)核心在于雖然進(jìn)入了智能化系統(tǒng)時(shí)代，但是人在這一過程中要占據(jù)主導(dǎo)作用。這體現(xiàn)了虛擬技術(shù)與傳統(tǒng)交互模式之間最大的不同，從以往的產(chǎn)品人體要適應(yīng)機(jī)器的功能和體積，轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)備為人體服務(wù)，完全受人體支配。智能化的可穿戴技術(shù)基于虛擬交互技術(shù)，在人體體驗(yàn)方面，已經(jīng)獲得了極大的突破，虛擬交互這是一個(gè)研究領(lǐng)域的飛躍。隨著科技信息時(shí)代的繼續(xù)發(fā)展，人類的身體機(jī)能和適應(yīng)能力將提高，并且在虛擬空間中展現(xiàn)出自己的魅力。另外，虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在人的心理感受上的突破將為其發(fā)展打造新的天地，使人體設(shè)計(jì)工程學(xué)得到進(jìn)一步延伸。

三、智能可穿戴設(shè)備交互體驗(yàn)方式的實(shí)現(xiàn)

隨著科技的發(fā)展，智能可穿戴設(shè)備已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，并且存在較大的發(fā)展空間。未來，這一技術(shù)不僅要實(shí)現(xiàn)基本功能，還要從交換性、安全性、舒適性和美觀性等多個(gè)角度出發(fā)，致力于實(shí)現(xiàn)更加完美的智能可穿戴設(shè)備。交互方式可以合理地利用設(shè)備對(duì)人體的分析功能，并且針對(duì)界面的傳感，使得其視覺范圍擴(kuò)大，操作更加容易，從而擴(kuò)大了智能可穿戴設(shè)備的應(yīng)用范圍。目前，這一模式的智能可穿戴設(shè)備進(jìn)入人們的視線，并且受到了廣泛的歡迎，實(shí)現(xiàn)了多場(chǎng)景應(yīng)用和多感官的交互，用戶不再需要觸控操作，而是可以采用手勢(shì)、語音等多種方式來進(jìn)行操作。筆者將目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的智能穿戴設(shè)備類型進(jìn)行分類，其中其信息交流方式包括語言交互、按壓交互和震動(dòng)交互等。隨著科技的發(fā)展，其樣式將進(jìn)一步增多。

（一）圖像交互

圖像交互是最早出現(xiàn)，也是最容易出現(xiàn)的傳感方式。隨著3D技術(shù)的發(fā)達(dá)，這一傳感方式已經(jīng)不難實(shí)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過電影3D技術(shù)將其展示在人們的生活中，電腦也可以不再使用液晶顯示器就可以實(shí)現(xiàn)影像的投射。由這一技術(shù)形成的 智能可傳遞設(shè)備改變了人機(jī)互動(dòng)模式的呈現(xiàn)，用戶完全可以通過智能界面設(shè)備來完成交互與信息傳遞，進(jìn)入3D化的虛擬空間。但是，這一技術(shù)單獨(dú)使用存在缺陷，需要與語音傳感技術(shù)等相互配合才能更加完善。總之，通過3D全息投影方式使人們?cè)谏钪锌梢缘玫礁嗟膱D像投影方式，使虛擬技術(shù)更加完美（如圖2）。

（二）身體生物數(shù)據(jù)感應(yīng) 

通過身體的生物數(shù)據(jù)感應(yīng)是智能穿戴設(shè)備的一種設(shè)計(jì)方式，這一類可穿戴設(shè)備可以通過讀使用者的走步數(shù)據(jù)來捕捉信息，記錄其日常的運(yùn)動(dòng)量，并通過步數(shù)信息啦分析人體的感知和需求，是一種自我量化的過程。并且能夠了解人體瞬間的想法，瞬間的感應(yīng)。目前，可以使用的可穿戴設(shè)備是通過人體血液循環(huán)的速度來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)然，這一技術(shù)并不完善，其設(shè)備的精密性，還需要進(jìn)一步的調(diào)整，核心傳感器和芯片是以數(shù)據(jù)感應(yīng)技術(shù)為支撐，另外，對(duì)人體的影響是該技術(shù)重點(diǎn)解決的問題之一。

（三）識(shí)別功能

識(shí)別功能已經(jīng)成為智能可穿戴設(shè)備上的基本功能，在人們的日常生活中得以實(shí)現(xiàn)，通過智能可穿戴設(shè)備的識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)了人與界面的語音交流，微信的語言功能就是這一代表性技術(shù)的產(chǎn)品。語言系統(tǒng)是人與界面交互最簡(jiǎn)單也是最直接的方式，語言傳達(dá)感情的方法也是最直接的，因此最容易得到認(rèn)可，在人機(jī)交互過程中，還需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步的研究，設(shè)計(jì)過程要體現(xiàn)其為人們服務(wù)的功能，進(jìn)一步完善，其中任何產(chǎn)品的該科技都是為人們服務(wù)的，在這一過程中要體現(xiàn)人類服務(wù)的，因此要時(shí)刻關(guān)注其服務(wù)功能。實(shí)際上，在傳統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)理論的設(shè)計(jì)中就實(shí)現(xiàn)了識(shí)別功能，智能識(shí)別功能是指對(duì)這一功能的進(jìn)一步更新，強(qiáng)調(diào)人機(jī)設(shè)計(jì)中的服務(wù)特征和人的作用是用戶強(qiáng)調(diào)人體設(shè)計(jì)的主要功能。語音交互的虛擬性是結(jié)合了智能語音的分析。處理功能為主的技術(shù)，使使用者不需要手動(dòng)就可以完成設(shè)備控制，并且在語音操作功能來完成更多的操作。蘋果公司和谷歌公司在這一技術(shù)上是比較先進(jìn)的，如蘋果公司的Siri就是最實(shí)用的語言交互功能（如圖3）。

（四）肢體動(dòng)作探測(cè)

肢體動(dòng)作探測(cè)可以通過人體的各個(gè)部位發(fā)出的動(dòng)作來完成，主要集中于人體的面部和手部，由于人體的肢體語言豐富，因此肢體動(dòng)作探測(cè)可以傳遞多種信息，肢體動(dòng)作探測(cè)儀器要具有先進(jìn)性，能夠?qū)Ω鞣N不同的肢體動(dòng)作進(jìn)行探測(cè)。手臂動(dòng)作是最容易探測(cè)的，并且人體的手臂具有多種動(dòng)作，且將設(shè)備戴在手臂上更加方便，因此目前的智能可穿戴設(shè)備均是以戴在手臂為主，智能交互與展示系統(tǒng)能夠通過對(duì)肢體的探測(cè)與記錄來獲取相關(guān)信息，但是與我們所想象的高度智能化之間還存在較大的差距，需要進(jìn)一步改善。

（五）觸覺體感交互控制

從當(dāng)下的虛擬技術(shù)發(fā)展和觸覺體交換傳感技術(shù)來看，人們可以完成智能穿戴功能，并可以通過語音等方式來進(jìn)行信息傳遞。設(shè)計(jì)者還進(jìn)一步發(fā)揮想象空間，從觸覺角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了觸覺體感交互系統(tǒng)，產(chǎn)品和人發(fā)生了實(shí)際的交流，并且使用者可以自主地創(chuàng)建虛擬環(huán)境，使虛擬環(huán)境更加的真實(shí)，貼近人們的生活。新加坡的一款“i Motion”設(shè)計(jì)，就是觸覺體感交互的代表，是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息的收集，并應(yīng)用于平板上，通過相關(guān)動(dòng)作的設(shè)計(jì)來促發(fā)虛擬體感受。該設(shè)計(jì)具有非常精準(zhǔn)的三維空間捕捉能力，以獲得全方位的人體觸感信息，并且提供相應(yīng)的虛擬設(shè)備。這一設(shè)計(jì)就像電影情節(jié)里以空氣當(dāng)中投射交互界面，并在空氣設(shè)定中去設(shè)定和控制，并提控信息的觸控反饋，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)的觸摸功能。

四、智能穿戴設(shè)備交互設(shè)計(jì)與展示系統(tǒng)實(shí)例

為了明確其在生活中的具體應(yīng)用效果，對(duì)現(xiàn)有的一種穿戴在手腕上的集成脈搏傳感器進(jìn)行分析如下：該設(shè)備使用時(shí)將其戴在手腕上，對(duì)脈搏進(jìn)行測(cè)試，獲得信號(hào)并傳遞給MCU。MCU 負(fù)責(zé)信號(hào)的具體處理過程，進(jìn)而控制電磁鐵的信號(hào)和電流，解決以往的設(shè)備產(chǎn)生較大的負(fù)重現(xiàn)象。該設(shè)備具有實(shí)用性，是由于這一設(shè)備是用于人們?nèi)粘５纳眢w鍛煉，通過脈搏的測(cè)定測(cè)試人體的身體健康程度。具體的設(shè)計(jì)方案：

（一）硬件設(shè)計(jì)方案

組成元件有脈搏傳感器、MCU、A/D轉(zhuǎn)換器和一塊電磁鐵。其中脈搏傳感器是信息收集的主要設(shè)備，該設(shè)備采用智能結(jié)構(gòu)，能夠?qū)θ梭w及其微弱的脈搏進(jìn)行收集，并且通過信號(hào)處理器將其放大，方便采集后進(jìn)行信號(hào)的傳遞，同時(shí)脈搏傳感器可以通過放大電路的方式獲得失調(diào)電壓和偏置電流，并調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)調(diào)零。本次設(shè)計(jì)過程中增加了一個(gè)50Hz的交流抗干擾設(shè)置，將電路調(diào)零之后加入，來保證設(shè)備的抗干擾能力，過濾不必要的脈搏信號(hào)干擾。基于MCU處理的需求，需要對(duì)設(shè)備的脈搏信號(hào)進(jìn)行放大，使電壓提升。從而起到電路穩(wěn)定，完成脈搏信號(hào)的處理過程。

（二）電磁鐵原理

線圈通電后，鐵心和銜鐵均被磁化成為不同極性的兩個(gè)磁鐵，形成相互吸引關(guān)系。分別為吸收力和彈簧力，但吸收力大于彈簧力時(shí)，銜鐵會(huì)朝著鐵心的方向移動(dòng)，此時(shí)多半是在供電狀態(tài)下，供電停止后，彈簧力就會(huì)大于減少的吸收力，銜鐵就會(huì)回到原始位置。電磁鐵通過載流鐵心線圈產(chǎn)生的電磁吸力來操縱機(jī)械裝置，進(jìn)而完成預(yù)期動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。其中線圈、銜鐵心是電磁鐵的主要組成部分，鐵心采用軟磁材料，將線圈裝于其上，鐵心一般是靜止的，線圈通常裝在鐵心上。

結(jié)語

智能化是未來社會(huì)的一大特征，手機(jī)并不是唯一的智能化設(shè)備，信息傳輸和接收都可以通過智能設(shè)備完成。以谷歌、蘋果等公司為主的智能研究將設(shè)計(jì)智能穿戴設(shè)備上，減少設(shè)備體積，優(yōu)化設(shè)備的功能。并且隨著人們對(duì)于設(shè)備功能的需求，進(jìn)入虛擬空間成為人們的需求之一，對(duì)智能設(shè)備的虛擬技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)智能穿戴設(shè)備未來的發(fā)展方向和趨勢(shì)起到促進(jìn)作用。

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