沈阳建筑大学 设计艺术学院 朱 旭 穆存远
摘要：介绍了智能可穿戴设备的核心技术分析，从人机工程学的应用和虚拟交互设计中的人机交互设计方面对虚拟交互设计理念进行了阐述，通过图像交互、身体生物数据感应、识别功能、肢体动作探测和触觉体感交互控制方面对智能可穿戴设备交互体验方式进行了实现，并给出了智能穿戴设备交互设计与展示系统实例，对智能穿戴设备未来的发展方向和发展趋势起到了促进作用。
关键词：智能穿戴设备 交互功能 传感器 展示设计 虚拟现实技术
中图分类号：TB427 文献标识码：A
文章编号：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
可穿戴设备的核心技术包括虚拟现实技术，智能云技术等，是一种以现代信息科技为核心的设计产品，具有功能强大，安全性高等特点。智能可穿戴设备的雏形源于2012年谷歌公司的智能眼镜，这一眼镜不仅是一种硬件设备，还具有智能化的功能，它将各种先进的技术结合在一起，满足人们的通信需求。智能穿戴设备的出现改变了传统人们的通信理念，使商业操作，工业发展更加科技化，这一技术将进一步更新，并且应用于更多领域，改变人们的生活方式和生活节奏。并且可穿戴设备将与其他智能设备连用，真正实现人机合一。
一、智能可穿戴设备的核心技术分析
可穿戴技术的核心技术是虚拟现实技术，将这一技术与大数据技术，云技术等技术结合在一起，可设计智能可穿戴设备，目前智能可穿戴设备的功能已经由传统的通信转为可以预测未来的智能产品，随着科技的发展，世界的智能化时代即将到来。虚拟现实技术是将虚拟世界变为现实的一种系统和技术，其环境的设计是通过视觉、听觉、触觉等感知来完成，由于与人体的感觉相同，因此可以使使用者具有身临其境的感觉。互联网是这一技术的核心，当下互联网已经到了极度发达时代，智能可穿戴设备的设计可以轻松实现，因此可以为智能可穿戴设备提供网络信息构建，支撑其完成沟通等强大的功能。但是这一技术的研究还存在一定的空白点，如对人体感知的影响，当下虚拟现实技术的发展方向就是更好的人体生理感知，以使虚拟技术更加清晰，更加真实。除此之外，智能可穿戴技术还要融合多媒视频技术、计算机设计技术、传感器互感技术和人机交互技术，网络3D技术等。总之，这一产品的设计是复杂的，是科技发展到一定程度的结果。通过合理的技术结合，不断地缩小虚拟与现实之间的界限，智能穿戴设备的完善将成为必然，并且会极大地影响人们的生活，但是我们的生活不能完全依赖于智能穿戴设备或者虚拟现实技术。
二、虚拟交互设计理念阐述
（一）人机工程学的应用
人机工程学主要用于智能化工业产品的设计，包括生理学和心理学的设计，通过人机工程学的研究，使人、机和环境之间形成一种稳定的关系，并且能够相互影响和作用，进而优化产品的功能，提高其智能化效果。随着科技的发展，人机工程学的范围扩大，传统的工程学主要研究人与机器之间的交互，通过改善人机关系来保证产品的性能，而现代智能技术通常是多种技术的结合，致力于完善设备的功能，提高其智能化水平（如图1）。
（二）虚拟交互设计中的人机交互设计
随着虚拟现实技术的出现，传统的人机交互设计学不再使用，虚拟现实交互技术的功能更大强大，它更强调人与界面之间的交换，这样增加了交互几率，减小设备的体积，进而衍生了智能可穿戴设备。人机交互设计是研究系统和用户之间的界面可视化程度，其基本的特点为“沉浸”、“交互”和“构想”。其技术核心在于虽然进入了智能化系统时代，但是人在这一过程中要占据主导作用。这体现了虚拟技术与传统交互模式之间最大的不同，从以往的产品人体要适应机器的功能和体积，转变为设备为人体服务，完全受人体支配。智能化的可穿戴技术基于虚拟交互技术，在人体体验方面，已经获得了极大的突破，虚拟交互这是一个研究领域的飞跃。随着科技信息时代的继续发展，人类的身体机能和适应能力将提高，并且在虚拟空间中展现出自己的魅力。另外，虚拟设计技术在人的心理感受上的突破将为其发展打造新的天地，使人体设计工程学得到进一步延伸。
三、智能可穿戴设备交互体验方式的实现
随着科技的发展，智能可穿戴设备已经成为现实，并且存在较大的发展空间。未来，这一技术不仅要实现基本功能，还要从交换性、安全性、舒适性和美观性等多个角度出发，致力于实现更加完美的智能可穿戴设备。交互方式可以合理地利用设备对人体的分析功能，并且针对界面的传感，使得其视觉范围扩大，操作更加容易，从而扩大了智能可穿戴设备的应用范围。目前，这一模式的智能可穿戴设备进入人们的视线，并且受到了广泛的欢迎，实现了多场景应用和多感官的交互，用户不再需要触控操作，而是可以采用手势、语音等多种方式来进行操作。笔者将目前市场上出现的智能穿戴设备类型进行分类，其中其信息交流方式包括语言交互、按压交互和震动交互等。随着科技的发展，其样式将进一步增多。
（一）图像交互
图像交互是最早出现，也是最容易出现的传感方式。随着3D技术的发达，这一传感方式已经不难实现，虚拟现实技术通过电影3D技术将其展示在人们的生活中，电脑也可以不再使用液晶显示器就可以实现影像的投射。由这一技术形成的 智能可传递设备改变了人机互动模式的呈现，用户完全可以通过智能界面设备来完成交互与信息传递，进入3D化的虚拟空间。但是，这一技术单独使用存在缺陷，需要与语音传感技术等相互配合才能更加完善。总之，通过3D全息投影方式使人们在生活中可以得到更多的图像投影方式，使虚拟技术更加完美（如图2）。
（二）身体生物数据感应
通过身体的生物数据感应是智能穿戴设备的一种设计方式，这一类可穿戴设备可以通过读使用者的走步数据来捕捉信息，记录其日常的运动量，并通过步数信息啦分析人体的感知和需求，是一种自我量化的过程。并且能够了解人体瞬间的想法，瞬间的感应。目前，可以使用的可穿戴设备是通过人体血液循环的速度来实现的，当然，这一技术并不完善，其设备的精密性，还需要进一步的调整，核心传感器和芯片是以数据感应技术为支撑，另外，对人体的影响是该技术重点解决的问题之一。
（三）识别功能
识别功能已经成为智能可穿戴设备上的基本功能，在人们的日常生活中得以实现，通过智能可穿戴设备的识别功能，实现了人与界面的语音交流，微信的语言功能就是这一代表性技术的产品。语言系统是人与界面交互最简单也是最直接的方式，语言传达感情的方法也是最直接的，因此最容易得到认可，在人机交互过程中，还需要对产品进行进一步的研究，设计过程要体现其为人们服务的功能，进一步完善，其中任何产品的该科技都是为人们服务的，在这一过程中要体现人类服务的，因此要时刻关注其服务功能。实际上，在传统的人机工程学理论的设计中就实现了识别功能，智能识别功能是指对这一功能的进一步更新，强调人机设计中的服务特征和人的作用是用户强调人体设计的主要功能。语音交互的虚拟性是结合了智能语音的分析。处理功能为主的技术，使使用者不需要手动就可以完成设备控制，并且在语音操作功能来完成更多的操作。苹果公司和谷歌公司在这一技术上是比较先进的，如苹果公司的Siri就是最实用的语言交互功能（如图3）。
（四）肢体动作探测
肢体动作探测可以通过人体的各个部位发出的动作来完成，主要集中于人体的面部和手部，由于人体的肢体语言丰富，因此肢体动作探测可以传递多种信息，肢体动作探测仪器要具有先进性，能够对各种不同的肢体动作进行探测。手臂动作是最容易探测的，并且人体的手臂具有多种动作，且将设备戴在手臂上更加方便，因此目前的智能可穿戴设备均是以戴在手臂为主，智能交互与展示系统能够通过对肢体的探测与记录来获取相关信息，但是与我们所想象的高度智能化之间还存在较大的差距，需要进一步改善。
（五）触觉体感交互控制
从当下的虚拟技术发展和触觉体交换传感技术来看，人们可以完成智能穿戴功能，并可以通过语音等方式来进行信息传递。设计者还进一步发挥想象空间，从触觉角度出发，设计了触觉体感交互系统，产品和人发生了实际的交流，并且使用者可以自主地创建虚拟环境，使虚拟环境更加的真实，贴近人们的生活。新加坡的一款“i Motion”设计，就是触觉体感交互的代表，是通过计算机进行信息的收集，并应用于平板上，通过相关动作的设计来促发虚拟体感受。该设计具有非常精准的三维空间捕捉能力，以获得全方位的人体触感信息，并且提供相应的虚拟设备。这一设计就像电影情节里以空气当中投射交互界面，并在空气设定中去设定和控制，并提控信息的触控反馈，实现了真实的触摸功能。
四、智能穿戴设备交互设计与展示系统实例
为了明确其在生活中的具体应用效果，对现有的一种穿戴在手腕上的集成脉搏传感器进行分析如下：该设备使用时将其戴在手腕上，对脉搏进行测试，获得信号并传递给MCU。MCU 负责信号的具体处理过程，进而控制电磁铁的信号和电流，解决以往的设备产生较大的负重现象。该设备具有实用性，是由于这一设备是用于人们日常的身体锻炼，通过脉搏的测定测试人体的身体健康程度。具体的设计方案：
（一）硬件设计方案
组成元件有脉搏传感器、MCU、A/D转换器和一块电磁铁。其中脉搏传感器是信息收集的主要设备，该设备采用智能结构，能够对人体及其微弱的脉搏进行收集，并且通过信号处理器将其放大，方便采集后进行信号的传递，同时脉搏传感器可以通过放大电路的方式获得失调电压和偏置电流，并调节和校准调零。本次设计过程中增加了一个50Hz的交流抗干扰设置，将电路调零之后加入，来保证设备的抗干扰能力，过滤不必要的脉搏信号干扰。基于MCU处理的需求，需要对设备的脉搏信号进行放大，使电压提升。从而起到电路稳定，完成脉搏信号的处理过程。
（二）电磁铁原理
线圈通电后，铁心和衔铁均被磁化成为不同极性的两个磁铁，形成相互吸引关系。分别为吸收力和弹簧力，但吸收力大于弹簧力时，衔铁会朝着铁心的方向移动，此时多半是在供电状态下，供电停止后，弹簧力就会大于减少的吸收力，衔铁就会回到原始位置。电磁铁通过载流铁心线圈产生的电磁吸力来操纵机械装置，进而完成预期动作，实现电能向机械能的转化。其中线圈、衔铁心是电磁铁的主要组成部分，铁心采用软磁材料，将线圈装于其上，铁心一般是静止的，线圈通常装在铁心上。
结语
智能化是未来社会的一大特征，手机并不是唯一的智能化设备，信息传输和接收都可以通过智能设备完成。以谷歌、苹果等公司为主的智能研究将设计智能穿戴设备上，减少设备体积，优化设备的功能。并且随着人们对于设备功能的需求，进入虚拟空间成为人们的需求之一，对智能设备的虚拟技术进行分析，对智能穿戴设备未来的发展方向和趋势起到促进作用。
参考文献
[1] 肖征荣，张丽云 . 智能穿戴设备技术及其发展趋势 [J] . 移动通信 . 2015 (5) ：9-12
[2] 王孝平，董秀成 . Vega Prime实时三维虚拟现实开发技术 [J] . 西南交通大学 . 2012 (6) ：45-49
[3] 杨象校，等 . 基于可穿戴的运动强度监测系统 [J] . 计算机系统应用 . 2015 (5) ：31-32
[4] 暴婷 . 基于六轴传感器的可穿戴系统设计 [J] . 电子技术与软件工程 . 2015 (4) ：141-143
[5] 汪丰 . 高帅锋 . 基于体感网的可穿戴运动监测系统 [J] . 电子产品世界 . 2016 (15) ：41-42
[6] 李博 . 物联网技术在生命状态监测系统的应用 [J] . 计算机应用研究 . 2014 (6) ：365-368