沈陽建筑大學 設計藝術學院 朱 旭 穆存遠
摘要：介紹了智能可穿戴設備的核心技術分析，從人機工程學的應用和虛擬交互設計中的人機交互設計方面對虛擬交互設計理念進行了闡述，通過圖像交互、身體生物數據感應、識別功能、肢體動作探測和觸覺體感交互控制方面對智能可穿戴設備交互體驗方式進行了實現，并給出了智能穿戴設備交互設計與展示系統實例，對智能穿戴設備未來的發展方向和發展趨勢起到了促進作用。
關鍵詞：智能穿戴設備 交互功能 傳感器 展示設計 虛擬現實技術
中圖分類號：TB427 文獻標識碼：A
文章編號：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
可穿戴設備的核心技術包括虛擬現實技術，智能云技術等，是一種以現代信息科技為核心的設計產品，具有功能強大，安全性高等特點。智能可穿戴設備的雛形源于2012年谷歌公司的智能眼鏡，這一眼鏡不僅是一種硬件設備，還具有智能化的功能，它將各種先進的技術結合在一起，滿足人們的通信需求。智能穿戴設備的出現改變了傳統人們的通信理念，使商業操作，工業發展更加科技化，這一技術將進一步更新，并且應用于更多領域，改變人們的生活方式和生活節奏。并且可穿戴設備將與其他智能設備連用，真正實現人機合一。
一、智能可穿戴設備的核心技術分析
可穿戴技術的核心技術是虛擬現實技術，將這一技術與大數據技術，云技術等技術結合在一起，可設計智能可穿戴設備，目前智能可穿戴設備的功能已經由傳統的通信轉為可以預測未來的智能產品，隨著科技的發展，世界的智能化時代即將到來。虛擬現實技術是將虛擬世界變為現實的一種系統和技術，其環境的設計是通過視覺、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。互聯網是這一技術的核心，當下互聯網已經到了極度發達時代，智能可穿戴設備的設計可以輕松實現，因此可以為智能可穿戴設備提供網絡信息構建，支撐其完成溝通等強大的功能。但是這一技術的研究還存在一定的空白點，如對人體感知的影響，當下虛擬現實技術的發展方向就是更好的人體生理感知，以使虛擬技術更加清晰，更加真實。除此之外，智能可穿戴技術還要融合多媒視頻技術、計算機設計技術、傳感器互感技術和人機交互技術，網絡3D技術等。總之，這一產品的設計是復雜的，是科技發展到一定程度的結果。通過合理的技術結合，不斷地縮小虛擬與現實之間的界限，智能穿戴設備的完善將成為必然，并且會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備或者虛擬現實技術。
二、虛擬交互設計理念闡述
（一）人機工程學的應用
人機工程學主要用于智能化工業產品的設計，包括生理學和心理學的設計，通過人機工程學的研究，使人、機和環境之間形成一種穩定的關系，并且能夠相互影響和作用，進而優化產品的功能，提高其智能化效果。隨著科技的發展，人機工程學的范圍擴大，傳統的工程學主要研究人與機器之間的交互，通過改善人機關系來保證產品的性能，而現代智能技術通常是多種技術的結合，致力于完善設備的功能，提高其智能化水平（如圖1）。
（二）虛擬交互設計中的人機交互設計
隨著虛擬現實技術的出現，傳統的人機交互設計學不再使用，虛擬現實交互技術的功能更大強大，它更強調人與界面之間的交換，這樣增加了交互幾率，減小設備的體積，進而衍生了智能可穿戴設備。人機交互設計是研究系統和用戶之間的界面可視化程度，其基本的特點為“沉浸”、“交互”和“構想”。其技術核心在于雖然進入了智能化系統時代，但是人在這一過程中要占據主導作用。這體現了虛擬技術與傳統交互模式之間最大的不同，從以往的產品人體要適應機器的功能和體積，轉變為設備為人體服務，完全受人體支配。智能化的可穿戴技術基于虛擬交互技術，在人體體驗方面，已經獲得了極大的突破，虛擬交互這是一個研究領域的飛躍。隨著科技信息時代的繼續發展，人類的身體機能和適應能力將提高，并且在虛擬空間中展現出自己的魅力。另外，虛擬設計技術在人的心理感受上的突破將為其發展打造新的天地，使人體設計工程學得到進一步延伸。
三、智能可穿戴設備交互體驗方式的實現
隨著科技的發展，智能可穿戴設備已經成為現實，并且存在較大的發展空間。未來，這一技術不僅要實現基本功能，還要從交換性、安全性、舒適性和美觀性等多個角度出發，致力于實現更加完美的智能可穿戴設備。交互方式可以合理地利用設備對人體的分析功能，并且針對界面的傳感，使得其視覺范圍擴大，操作更加容易，從而擴大了智能可穿戴設備的應用范圍。目前，這一模式的智能可穿戴設備進入人們的視線，并且受到了廣泛的歡迎，實現了多場景應用和多感官的交互，用戶不再需要觸控操作，而是可以采用手勢、語音等多種方式來進行操作。筆者將目前市場上出現的智能穿戴設備類型進行分類，其中其信息交流方式包括語言交互、按壓交互和震動交互等。隨著科技的發展，其樣式將進一步增多。
（一）圖像交互
圖像交互是最早出現，也是最容易出現的傳感方式。隨著3D技術的發達，這一傳感方式已經不難實現，虛擬現實技術通過電影3D技術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現影像的投射。由這一技術形成的 智能可傳遞設備改變了人機互動模式的呈現，用戶完全可以通過智能界面設備來完成交互與信息傳遞，進入3D化的虛擬空間。但是，這一技術單獨使用存在缺陷，需要與語音傳感技術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在生活中可以得到更多的圖像投影方式，使虛擬技術更加完美（如圖2）。
（二）身體生物數據感應
通過身體的生物數據感應是智能穿戴設備的一種設計方式，這一類可穿戴設備可以通過讀使用者的走步數據來捕捉信息，記錄其日常的運動量，并通過步數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。目前，可以使用的可穿戴設備是通過人體血液循環的速度來實現的，當然，這一技術并不完善，其設備的精密性，還需要進一步的調整，核心傳感器和芯片是以數據感應技術為支撐，另外，對人體的影響是該技術重點解決的問題之一。
（三）識別功能
識別功能已經成為智能可穿戴設備上的基本功能，在人們的日常生活中得以實現，通過智能可穿戴設備的識別功能，實現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的產品。語言系統是人與界面交互最簡單也是最直接的方式，語言傳達感情的方法也是最直接的，因此最容易得到認可，在人機交互過程中，還需要對產品進行進一步的研究，設計過程要體現其為人們服務的功能，進一步完善，其中任何產品的該科技都是為人們服務的，在這一過程中要體現人類服務的，因此要時刻關注其服務功能。實際上，在傳統的人機工程學理論的設計中就實現了識別功能，智能識別功能是指對這一功能的進一步更新，強調人機設計中的服務特征和人的作用是用戶強調人體設計的主要功能。語音交互的虛擬性是結合了智能語音的分析。處理功能為主的技術，使使用者不需要手動就可以完成設備控制，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上是比較先進的，如蘋果公司的Siri就是最實用的語言交互功能（如圖3）。
（四）肢體動作探測
肢體動作探測可以通過人體的各個部位發出的動作來完成，主要集中于人體的面部和手部，由于人體的肢體語言豐富，因此肢體動作探測可以傳遞多種信息，肢體動作探測儀器要具有先進性，能夠對各種不同的肢體動作進行探測。手臂動作是最容易探測的，并且人體的手臂具有多種動作，且將設備戴在手臂上更加方便，因此目前的智能可穿戴設備均是以戴在手臂為主，智能交互與展示系統能夠通過對肢體的探測與記錄來獲取相關信息，但是與我們所想象的高度智能化之間還存在較大的差距，需要進一步改善。
（五）觸覺體感交互控制
從當下的虛擬技術發展和觸覺體交換傳感技術來看，人們可以完成智能穿戴功能，并可以通過語音等方式來進行信息傳遞。設計者還進一步發揮想象空間，從觸覺角度出發，設計了觸覺體感交互系統，產品和人發生了實際的交流，并且使用者可以自主地創建虛擬環境，使虛擬環境更加的真實，貼近人們的生活。新加坡的一款“i Motion”設計，就是觸覺體感交互的代表，是通過計算機進行信息的收集，并應用于平板上，通過相關動作的設計來促發虛擬體感受。該設計具有非常精準的三維空間捕捉能力，以獲得全方位的人體觸感信息，并且提供相應的虛擬設備。這一設計就像電影情節里以空氣當中投射交互界面，并在空氣設定中去設定和控制，并提控信息的觸控反饋，實現了真實的觸摸功能。
四、智能穿戴設備交互設計與展示系統實例
為了明確其在生活中的具體應用效果，對現有的一種穿戴在手腕上的集成脈搏傳感器進行分析如下：該設備使用時將其戴在手腕上，對脈搏進行測試，獲得信號并傳遞給MCU。MCU 負責信號的具體處理過程，進而控制電磁鐵的信號和電流，解決以往的設備產生較大的負重現象。該設備具有實用性，是由于這一設備是用于人們日常的身體鍛煉，通過脈搏的測定測試人體的身體健康程度。具體的設計方案：
（一）硬件設計方案
組成元件有脈搏傳感器、MCU、A/D轉換器和一塊電磁鐵。其中脈搏傳感器是信息收集的主要設備，該設備采用智能結構，能夠對人體及其微弱的脈搏進行收集，并且通過信號處理器將其放大，方便采集后進行信號的傳遞，同時脈搏傳感器可以通過放大電路的方式獲得失調電壓和偏置電流，并調節和校準調零。本次設計過程中增加了一個50Hz的交流抗干擾設置，將電路調零之后加入，來保證設備的抗干擾能力，過濾不必要的脈搏信號干擾。基于MCU處理的需求，需要對設備的脈搏信號進行放大，使電壓提升。從而起到電路穩定，完成脈搏信號的處理過程。
（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磁鐵，形成相互吸引關系。分別為吸收力和彈簧力，但吸收力大于彈簧力時，銜鐵會朝著鐵心的方向移動，此時多半是在供電狀態下，供電停止后，彈簧力就會大于減少的吸收力，銜鐵就會回到原始位置。電磁鐵通過載流鐵心線圈產生的電磁吸力來操縱機械裝置，進而完成預期動作，實現電能向機械能的轉化。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。
結語
智能化是未來社會的一大特征，手機并不是唯一的智能化設備，信息傳輸和接收都可以通過智能設備完成。以谷歌、蘋果等公司為主的智能研究將設計智能穿戴設備上，減少設備體積，優化設備的功能。并且隨著人們對于設備功能的需求，進入虛擬空間成為人們的需求之一，對智能設備的虛擬技術進行分析，對智能穿戴設備未來的發展方向和趨勢起到促進作用。
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