人工智能概論-智能穿戴

人工智能概論3.1目錄CONTENT概述典型智能穿戴設備習題3.23.43.3未來發(fā)展趨勢智能穿戴

智能穿戴是智能穿戴設備（SmartWearableDevice，SWD）的簡稱，是指應用人工智能技術對穿戴物品進行智能化設計、升級，并開發(fā)出來的一類可穿戴設備的總稱。人們可以通過這些智能穿戴設備進行數據的大規(guī)模交互，實現(xiàn)對人類身體的延伸，更好地感知外部與自身的信息，實現(xiàn)對周邊物體、事務，或者自我狀態(tài)清晰的了解，從而更為高效準確地處理和利用信息。3.1概述智能穿戴

如果你是一個科幻電影的影迷，一定會被影片中隨處可見的高科技產品所吸引。無論是《星際穿越》還是《火星救援》，又或者是大家熟知的《三體》，各式各樣的高科技穿戴產品，讓我們對未來的生活充滿了憧憬。智能穿戴

從與人體接觸程度不同，智能穿戴設備可分為人體體表外佩戴式與體內植入式兩種。

體表外佩戴式可穿戴設備主要有智能手環(huán)、智能手表、智能眼鏡、智能鞋子、智能耳機、智能服裝等。體內植入式可穿戴設備主要有智能藥丸、納米細胞、電子紋身、智能避孕及其他多種與醫(yī)學相關的微納型智能設備。這里主要介紹一些體表外佩戴式可穿戴裝備。如果去仔細研究下智能穿戴的發(fā)展史時，你就會驚奇的發(fā)現(xiàn)：最早的智能穿戴設備竟然出現(xiàn)在賭場！智能穿戴

1955年，美國MIT數學教授EdwardThorp在其賭博輔導書《BeattheDealer》第二版中，提出了一個用于提高輪盤賭制勝率的可穿戴電腦的想法，并與同伴合作開發(fā)了該可穿戴電腦設備。隨后，他成功地使用自己制作的可穿戴電腦在輪盤賭局中做了弊，使得輪盤賭制的勝率提高了44％。受到EdwardThorp開發(fā)的可穿戴設備的影響下，人們紛紛效仿其成功之路。其中，1972年KeithTaft發(fā)明了一款用腳指頭操作的可穿戴計算機George用于二十一點的賭博?？尚Φ氖牵珿eorge不僅沒有讓他贏回開發(fā)費用，還讓他輸了一大筆錢。20世紀70到90年代，隨著集成電路技術的快速發(fā)展，設備小型化成為可能，可穿戴設備的研究也逐漸活躍起來，并取得了長足的發(fā)展，進入了一個蛻變的時期。智能穿戴

1975年，世界上第一款腕式計算器Pulsar誕生，并很快成為了人們喜聞樂見的產品。據說，GeraldRudolphFord總統(tǒng)還對其限量版的Pulsar產生了很大興趣，可見當時智能穿戴設備的影響力。1977年，Collins開發(fā)了一款可穿戴設備，使用頭戴式攝像頭來讀取圖像，并將圖片上的信息轉換成背心上的觸覺網格，盲人依靠這些網格來了解信息，極大地方便了盲人與外界的交流。1979年，Sony公司推出了Walkman卡帶式隨身聽TPS-L2，它的誕生完全是出于方便考慮，創(chuàng)始人之一的IbukaMasaru有隨身攜帶磁帶機的習慣，但是由于磁帶機當時體積比較大，坐飛機時非常難以攜帶。于是，Sony就以TCM-600為基礎，研發(fā)出了如圖3-1所示TPS-L2。

圖3-1Sony的TPS-L2智能穿戴1981年，一個名叫SteveMann的高中生將一臺6502計算機安裝到了帶鋼架的背包上，來控制攝影裝備，并將取得的景象顯示在連接到頭盔上的相機取景器。這臺背包式電腦就具備了文本、圖像、攝影和頭盔顯示器的功能。1984年，Casio公司開發(fā)了圖3-2所示的DatabankCD-40，應該是全球最早能夠存儲信息的數字手表。圖3-2Casio的DatabankCD-40智能穿戴

1989年，Megellan公司推出了消費級手持GPS設備，與此同時，ReflectionTechnology開發(fā)了PrivateEye頭戴式顯示屏。1990年，OlivetTI開發(fā)了一款可以將用戶的ID發(fā)送到辦公樓上的紅外接收器，從而追蹤用戶所在位置的胸章。1993年，ColumbiaUniversity研究人員開發(fā)了一款包含了一臺PrivateEye頭戴式顯示屏的KARMA增強現(xiàn)實系統(tǒng)。1994年，SteveMann制作出了一款可穿戴無線攝像頭，并將拍下的圖片上傳到網絡之中，后來人們稱他為第一個“l(fā)ifeblogger”。1997年，美國MIT、CMU、GT聯(lián)合舉辦第一屆國際可穿戴計算機學術會議，可穿戴計算機和可穿戴設備開始在學界和業(yè)界受到重視，并逐漸應用于工業(yè)、醫(yī)療、教育、軍事、娛樂等領域。智能穿戴

1998年，Trekker受SteveMann研究啟示，開發(fā)出專門用來記錄生活的可穿戴無線攝像頭，并成功進行了商用。2000年，世界上第一款藍牙耳機問世。2001年，Apple推出了劃時代的iPod設備和iTunes服務，風靡數年的Walkman逐漸被更便攜的數字音樂播放器iPod所替代。2002年，Xybernaut公司的可穿戴計算機Poma問世。2003年，世界首款數字化起搏器C-Series出現(xiàn)在醫(yī)療領域，借助該設備，醫(yī)生能夠在18秒內下載好病人信息，在很短的時間內了解并拯救病人。2006年，Nike公司和Apple公司聯(lián)合推出如圖3-3所示的Nike+iPod，能夠將自己的運動信息同步到iPod中。此外，Nike還專門推出了帶有iPod專用口袋的運動衣。圖3-3Nike+iPod智能穿戴

2007年，JamesPark和EricFrienman兩人合作創(chuàng)立了Fitbit公司，并于2009年推出了自己的首款產品——FitbitTracker，如圖3-4所示。它可以夾在衣服上，可以同步跟蹤用戶的行走距離、步數、熱量消耗、運動強度和睡眠狀態(tài)。2010年，Brother公司推出AIRScounter頭戴式顯示器，可以將大約14寸大小的屏幕投放到前方一米左右的地方。同年，EurotechGroup開發(fā)了一款固定在手腕上的小型觸屏電腦Zypad。2011年，Jawbone推出一款健身腕帶，可以跟蹤睡眠、飲食、運動等信息，并可與智能手機應用軟件相連接。圖3-4FitbitTracker智能穿戴2012年，Google公司發(fā)布了一款極具科技感的眼鏡——GoogleProjectGlass，可以通過語音來控制拍照、視頻通話、上網、文字處理和郵件發(fā)送。圖3-5AppleWatch2014年9月，Apple發(fā)布了采用人造藍寶石水晶屏幕與ForceTouch觸摸技術的智能手表AppleWatch，支持電話、語音、短信、連接汽車、天氣、航班信息、地圖導航、播放音樂、測量心跳、計步等幾十種功能，是一款全方位的健康和運動追蹤設備，如圖3-5所示。智能穿戴2016年，春夏NewYork時裝周上Intel公司與運動服飾設計師Chromat聯(lián)合推出兩款“響應式服裝”，搭載了Intel的硬件平臺Curie，硬件平臺只有紐扣大小，利用上面的傳感器來搜集人體體溫、心跳等人體體征信號。最神奇的是可以用衣服中集成的形狀記憶合金來使衣服變形，受到了極大的關注。2016年11月，Samsung公司研發(fā)出一款與手機應用程序配合使用的智能腰帶，可以追蹤用戶腰圍、步數和飲食，還具備智能提醒功能，當你吃多了它會提醒你，搭載的計步器還會記錄你的坐立時間，如果坐久了同樣會提醒你要起來走一走了。智能穿戴2018年，RokidGlassAR眼鏡發(fā)布，采用了單片鏡AR光學技術、慣性傳感器、骨傳導和麥克風陣列音頻等技術，還支持人臉識別和物體識別功能。圖3-6XenxoS－Ring智能戒指2018年6月，Kickstarter上推出了一款叫做XenxoS-Ring的智能戒指，如圖3-6所示。這款戒指有著時尚的外形，簡單的操作，伸出手指頭就能進行買單和通話，還具有防丟提醒、鬧鐘、報警、記錄運動信息等功能，完美解決了許多當下智能穿戴設備沒解決的缺陷，被稱作“最智能的智能戒指”。智能穿戴圖3-7智能穿戴

美國的創(chuàng)業(yè)公司還設計了一款智能耳環(huán)Peripherii，不僅外觀時尚，而且通過藍牙可與智能手機相連。Siri和GoogleAssistant語音助手模塊隱藏耳環(huán)內，不僅可以用來打電話，還可以進行叫車、設置鬧鐘、發(fā)語音等。

如圖3-7是常見智能穿戴。3.2.33.2.6智能手表3.2.53.2.43.2.23.2.1智能手環(huán)智能手機智能眼鏡智能服裝智能鞋智能穿戴3.2典型智能穿戴設備3.2.1智能手表智能穿戴Apple手表可謂是當前智能手表市場上最炙手可熱的產品了，現(xiàn)如今Apple手表加入了網絡制式功能，撥打電話、收發(fā)信息等功能都可以獨立完成，成功脫離手機成為一款獨立的產品。包括實時的提醒、行車規(guī)劃、航班信息、圖庫等，無需拿出手機就可以快速查看信息。內置心率算法和學習功能，最讓人激動的是心電圖功能，可以更加準確了解自己在運動中的狀況。還加入了智能活動訓練，設計自己的訓練程序，尤其Apple手表支持你在游泳或其他水上運動時佩戴。智能穿戴SamsungGalaxy手表也不逞多讓，熟悉的大圓表盤和運動風設計，如圖3-8所示。從之前的Gear到現(xiàn)在的Galaxy，背后是技術的全面升級。與Apple手表相同都具有網絡制式功能，搭載了自家的Tizen系統(tǒng)，有了較大的運行內存和內部存儲。手機靠近，手表就會自動彈出新設備識別，做到無縫連接。圖3-8SamsungGalaxy手表智能穿戴

華為手表作為國內智能手表的典范，擁有世界上最好的顯示屏，如圖3-9所示。亮屏時，視網膜級別的即視感，超高的分辨率；息屏時，炫酷冷峻的外表、深邃的顏色，外加閃亮的耐磨陶瓷表圈，讓人難以忘懷。計步、心率、測速、睡眠跟蹤、GPS、卡路里消耗、防水、App等功能齊全。若是在功能全開的高負荷下，續(xù)航能達到兩天，只使用手表功能的話，續(xù)航要20幾天之久。支持網絡制式功能，采用eSIM技術，無需實體卡，手機和手表共享一個號碼，即使不帶手機也不會錯過重要來電。另外，還具有多種鍛煉模式，可以用內置GPS配合運動算法制定訓練計劃，相當于請了一個貼身免費的私人教練。

圖3-9華為手表3.2.2智能手環(huán)智能穿戴

智能手環(huán)小巧精美的設計風格，對于喜歡佩戴首飾的用戶來說，簡直是一種百搭安利。別看它個頭不大，其內部集成的功能可是不容小覷，可以像普通計步器一般記步，測量運動距離、卡路里、脂肪，還可以進行睡眠監(jiān)測、防水、數據傳輸、疲勞報警。如果在睡覺之前將智能手環(huán)設置成為睡眠模式，在第二天智能喚醒后，打開同步的App軟件，便可以看到自己的睡眠時間、清醒時間、深睡、淺睡、整體的睡眠質量。智能穿戴

對于處于減肥期的人來說，智能手環(huán)是你最親密的私人教練，可以告訴你每天的運動里程、消耗的卡路里和攝入能量多少。還可以規(guī)劃一天的運動目標，顯示和提醒目標的完成率，對于不能持之以恒的人來說是一大福音。應用于醫(yī)療上，可以實時監(jiān)測體溫、心率、血壓、血糖等，減輕護士的工作量。自帶的定位系統(tǒng)能夠防止嬰兒被盜、老年患者走失，方便醫(yī)院的管理，提升工作效率。3.2.3智能手機智能穿戴

智能手機是一種具有獨立的操作系統(tǒng)，獨立的運行空間，可以由用戶自行安裝軟件、游戲、導航等第三方服務商提供的程序，并可以通過移動通訊網絡來實現(xiàn)無線網絡接入的手機類型的總稱。智能手機的拓撲原型最早是由Apple公司CEOSteveJobs在2007年提出。它的出現(xiàn)無疑給人們生活帶來了翻天覆地的變化，讓許多以前無法想象的事情變?yōu)榱爽F(xiàn)實。有人統(tǒng)計過，智能手機已經具有傳統(tǒng)電話、發(fā)報機、照相機、錄像機、手電筒、錄音機、收音機、手表、秒表、計數器、MP3/MP4、錄音筆、計算機、電視、地圖、導航、羅盤、遙控器等近100余種電器設備的功能。如果像以前使用獨立功能設備那樣，完成這些綜合功能，所有設備加在一起的總重量將達到1噸以上，其體積和操作復雜度簡直不可以想象！智能穿戴

智能手機可能是普通民眾距離人工智能最近的穿戴設備了，現(xiàn)在智能手機甚至有取代PC的趨勢。通過智能手機，能夠做的事情越來越多。無論何時何地，想起誰，只要輕輕撥通電話，一切都將迎刃而解，再無“我住長江頭，君住長江尾，日夜思君不見君，共飲長江水”之困惑。另外，購物、訂票、訂旅館、學習課程、預約出租車、預約掛號、出行導航、實時支付、看護父母和孩子等，現(xiàn)在盡可“一機在手，萬事無憂”。智能手機已經成為人們時下生活不可缺少的一部分，似乎只有想不到的，沒有手機做不到的了。那么手機到底是怎樣與人工智能相結合的呢？智能穿戴

硬件方面，為進一步加強人工智能的處理能力，許多手機廠商都加入了專用人工智能芯片。如華為公司的麒麟980配備了神經處理單元，可在本地進行人工智能運算。Apple公司的A12仿生芯片也配備了神經網絡引擎，負責面部識別和其他人工智能運算。人工智能芯片的出現(xiàn)，使得運算不必先上傳到云端，而是在本地就能夠進行相關運算，用戶的隱私得到了極大的保護，處理能力得到了極大的提升。神經網絡芯片能夠進一步提升人臉識別、物體識別、圖像分割、智能翻譯等工作效果。智能穿戴

軟件方面，人工智能的語音助手已經出現(xiàn)了一段時間，包括小愛同學、GoogleAssistant、Siri和亞馬遜Alexa在內的智能語音助手能夠比較準確地理解我們發(fā)出的命令。在機器學習的幫助下，智能語音助手不僅能夠做到理解上下文及語音問題，還能針對問題和你的喜好進行學習，及時更新和完善自身。隨著使用時間的增加，你會發(fā)現(xiàn)你的手機越來越聰明。同時，當瀏覽網站、在地圖和搜索類的軟件輸入內容時，手機會悄悄記下搜索記錄，并根據歷史搜索記錄、位置和熱門內容進行建議和推送。智能手機中的相冊也會自己整理歸檔，能夠快速幫你找到特定時間、地點的照片。郵箱會對郵件進行篩選，找出其中重要的文件，書寫郵件時，智能編寫會給你最合適的遣詞造句建議，并能夠自動對視頻和電視節(jié)目字幕進行處理。還有各種的App，與家居系統(tǒng)、穿戴設備、交通系統(tǒng)、教育系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)互聯(lián)，組成了一個智能網鏈。3.2.4智能眼鏡智能穿戴

智能眼鏡是一種在使用中可改變其光學特性，擁有獨立操作系統(tǒng)的可穿戴計算機眼鏡。如：搭載了Android系統(tǒng)的智能眼鏡可以在佩戴者看到的事物旁邊添加信息，或者通過電子編程改變鏡片色彩。通過語音控制或手動操作完成導航、拍照、拍視頻、添加日程、與朋友視頻通話。可以通過眼球的活動來操作，眼球轉到特定位置呼出操作界面，還能做到與周圍環(huán)境信息的互動。當堵車時，智能眼鏡會告訴前方擁堵路段的長度和預計通過時間，并根據目的地規(guī)劃出另外一條合理路線；當在店鋪里發(fā)現(xiàn)一件好看的衣服而價格昂貴時，智能眼鏡會對衣服進行掃描并進行全網搜索對比，引導做到最好的選擇。智能穿戴

提到智能眼鏡的時候，大家通常將它與許多的高科技技術和零部件聯(lián)系在一起。其實，智能眼鏡除了所熟知的AR(AugmentedReality,AR)、VR(VirtualReality,VR)眼鏡等沉浸式眼鏡，還有許多能夠正常反應現(xiàn)實的“普通智能眼鏡”。眼鏡架內部安裝一個小小的運動相機，就是一款應用于眼鏡上的智能相機，能夠從第一視角拍攝圖片和錄制視頻，然后通過智能處理發(fā)送給朋友。這種智能眼鏡沒有所謂虛擬屏幕，用戶能夠專注于眼前世界，不受其他信息干擾。還有的智能眼鏡，有一個可移動小屏幕，在視覺的邊緣可以看到這塊小屏幕，是對視野的一種延伸。3.2.5智能服裝智能穿戴“著我繡夾裙，事事四五通。足下躡絲履，頭上玳瑁光。腰若流紈素，耳著明月珰。指如削蔥根，口如含朱丹。纖纖作細步，精妙世無雙。”《孔雀東南飛》中對劉蘭芝服飾的描寫，展現(xiàn)其溫柔賢淑的品質。正可謂衣如其人，一個人的穿衣風格是一個人氣質、風度以及素質和修養(yǎng)的綜合體現(xiàn)。從古至今，人們對服飾的要求從未降低過。在這個技術飛速發(fā)展的年代，舒適、好看的屬性已經逐漸滿足不了人們對著裝的追求，智能服飾也就應運而生。

智能服裝是指能感知外部環(huán)境和內部狀態(tài)的變化，通過信息反饋，并能實時地對這種變化做出反應的一種智能穿戴設備。內置的眾多傳感器，能夠感知并傳遞外界環(huán)境的變化，融入令人驚奇的科技，具有傳感、反饋、響應、自診斷、自調節(jié)等功能。智能穿戴

連接到智能手機的智能夾克，可以通過袖口上的屏幕撥打電話、控制音樂音量，甚至是可以通過點擊或者掃過袖子來進行操作；配有智能芯片的連帽衫、運動衫、夾克和牛仔褲，可以跟蹤產品的使用頻率及產品的磨損位置，還可以將衣服信息同步到手機App。連接到智能手機App的智能瑜伽褲，在感知瑜伽姿勢需要精煉的時候，使用觸覺反饋在您需要調整的身體部位產生小的振動，提供有關如何優(yōu)化每個姿勢的說明以及適當的瑜伽流程，可用于策劃自己的個人瑜伽課程。智能穿戴

具有能量收集功能的智能服裝，可以收集人體所散發(fā)的熱量，并以遠紅外方式輻射回皮膚。這種能量不僅安全，還可以更好地促進肌體恢復與放松。內置先進傳感器的智能襪子，可以檢測腳在行走或跑步時如何著陸的精確數據，連接的App，可以在運行時跟蹤步數、速度、高度和行進距離。擁有時尚美感和高科技功能的智能泳衣，加入了具有防水功能的集成紫外線傳感器，在紫外線水平較高時會發(fā)出警報，提醒涂抹防曬霜。智能內衣作為與皮膚最接近的衣服，可以測量呼吸、心率和肌肉緊張度，以確定人體一些壓力水平、活動、焦慮的健康指標。3.2.6智能鞋智能穿戴

智能鞋是一種在傳統(tǒng)工藝不斷優(yōu)化的基礎上，結合現(xiàn)代各種電子元器件和智能科技，不改變用戶生活和使用習慣，真正能夠做到感知腳的問題、解決腳的問題，具有安全健康、運動感知、醫(yī)療功能的鞋子。

智能鞋上攜帶的傳感器可以全天候記錄運動狀況，運動里程、步數、時間等都逃不出它的感知，并能夠通過智能算法計算出所消耗的卡路里數。自帶的GPS定位還可以記錄每一次運動的地圖路線，傳到手機生成運動地圖。雖說智能鞋子的這些功能與智能手表、智能手環(huán)等差別不大，但是智能鞋子還能夠配合手機App，在用戶穿上鞋子后，通過傳感器判斷目前身體狀態(tài)是否適合運動以及適合什么強度的運動，還能記錄在運動下的肌肉疲勞狀況，并及時做到對是否應該休息、是否減輕運動強度的提醒。智能穿戴

不只是應用于運動生活領域，法國一家公司發(fā)布了一款帶有電子墨水屏的鞋子，用戶可以根據自己的心情，通過手機App像選擇壁紙一樣選擇鞋子的顏色和圖案。一雙鞋子可以變成任何想要的樣子，做到每天都“換新”。還推出一款能夠自動調節(jié)鞋跟高低的智能鞋，需要的時候把鞋跟升高，要是累了就把它變成一雙平底鞋，簡直是喜歡高跟鞋女士的福音。

說到鞋子也能用來打游戲，很多人的第一反應是不可能。體感游戲鞋內置了智能感應器，在腳部運動時，游戲內的角色也會做出相應的動作，堪稱穿在腳上的游戲手柄。比起普通手柄，游戲鞋可以讓你站起來，以更健康的方式進行游戲，告別長期坐在電腦、電視前導致的各種健康問題。智能穿戴

由VR眼鏡和智能鞋子組成的VR智能鞋，更是不可思議，用戶穿上后只需要在原地踏步就能身臨其境地穿行在奇幻古城堡里。轉一下頭，變一下視線就能感受到360°全方位震撼景觀，帶來更好的浸入式體驗。加入更多的內容后，用戶穿戴好VR智能鞋，無論是在跑步機上跑步還是在普通電單車上騎行，都能有絕佳的沉浸式體驗，感受不一樣的體感互動。

除去傳統(tǒng)上對智能鞋的概念，近年來還出現(xiàn)了穿在腳上的“飛行鞋”。2019年4月，法國閱兵式上，世界滑雪冠軍FrankyZapata穿著噴氣式“飛行鞋”，手持步槍，像鳥兒一樣在閱兵觀禮臺上空飛行了數十米，帶給人們“未來戰(zhàn)士”的幻覺，如圖3-10所示。智能穿戴

這種“飛行鞋”的造型小巧，是在之前水動力噴氣飛行背包的基礎上，把噴水器換成小型噴氣發(fā)動機，多個發(fā)動機分布在兩鞋子中間，相互獨立調整飛行角度，保證了即使一臺發(fā)動機出現(xiàn)了問題，依然能夠安全地飛行。戴好頭盔，按下啟動按鍵，“飛行鞋”子就會帶著人飛行起來，身體前傾可以快速向前飛行，也可以像直升機一般，懸停在空中。想象一下若是用于軍事特種作戰(zhàn)，各種險峻的地形地貌將完全不是問題。圖3-10“飛行鞋”3.3未來發(fā)展趨勢智能穿戴

智能穿戴設備是用來更