可穿戴设备的发展与应用

可穿戴设备的发展与应用

通过打破机器的限制，让计算机移动是人们追求的方向。从1966年第一台可穿戴计算机问世以来,可穿戴计算一直是计算机领域的一个重要研究方向。其研究内容从输入输出界面,连续传感数据的计算处理,到行为识别,环境背景认知,甚至到材料与能耗,涉及了大量的相关技术方向。但可穿戴设备成为消费级产品,走入大众的视野还是最近从耐克依托于Nike+平台的运动数字化产品开始的。这其中有计算机硬件发展的原因:随着传感、计算、无线通讯等核心功能可以通过越来越小和轻的模块来实现,在可穿戴性方面面临的最大问题得到了解决。然而,真正给可穿戴设备带来越来越大的发展前景的还是对其定位的转变。早期的可穿戴计算多以拓展人体功能、研发电子人(Cyborg)为目标,其最终追求是一个相对封闭的对人的各种行为能力进行提升的计算机系统。而现在随着大数据、云计算、数据挖掘与分析、移动计算、无线通信和社交网络等的日渐成熟,可穿戴设备的定位已经日渐突破单个的个体,扩展到网络和社会的尺度;从本地化的行为能力提升到了依托互联与网络、基于数据分析的服务与协同。可穿戴设备的设计已不只是对产品实物的设计,对其应用与服务的设计成了最终将其推向市场的更为重要的部分。相应地,在技术研究上也将不仅限于解决输入输出及信号处理等硬件方面的问题,数据的分析挖掘及互联性的应用将日渐成为更为核心的部分。这一定位的转变以及可穿戴设备从实验室走向终端用户的进程都给交互设计提供了在可穿戴设备发展中发挥作用的机会。本文首先对可穿戴设备的分类及特点进行分析,然后从人机交互、界面设计、应用与服务设计三个主要方面对可穿戴设备交互设计的特性及要素进行归纳与探讨。一、可选设备的分类和性能按佩戴方式,可穿戴设备主要可以分为头戴式、腕带式、携带式和身穿式四大类,下面分别对这四类产品的特点和主要交互方式加以介绍。1.传统液压工具现有代表:谷歌眼镜、Melon头环特点:(1)可以在用户自然视野中显示信息;(2)可利用骨传导或耳机发送私密声音信号;(3)与用户的视野和头部运动关系高度密切。交互方式:(1)耳机或骨传导;(2)微型投影;(3)语音控制;(4)传统物理输入(如按钮和触摸板);(5)肢体运动感应(如陀螺仪);(6)身体信息感应(如脑电波)。(图1)2.腕带式设备现有代表:高通Toq、三星GalaxyGear、Pebble、Nike+FuelBand特点:(1)显示屏较小或不具备显示屏幕;(2)可测量脉搏、血压等参数;(3)与用户的肢体运动关系高度密切;(4)一般利用低功耗通信技术(如蓝牙4.0)与手机App配合使用;(5)作为传统移动智能设备的辅助工具(如接收通知、快速设置等等)。交互方式:(1)震动和指示灯;(2)微型显示屏;(3)传统物理输入(如按钮和触摸板);(4)肢体运动感应(如陀螺仪);(5)身体信息感应(如血压和脉搏);(6)环境数据采集(如海拔、微粒与环境检测);(7)配套应用。3.肢体通信功能现有代表:Oxyful智能钱包、跟屁虫蓝牙防丢设备、微蜜特点:(1)显示屏较小或不具备显示屏幕;(2)不直接佩戴在肢体上;(3)可作为移动设备的外接装置;(4)一般利用低功耗通信技术(如蓝牙4.0)与手机App配合使用。交互方式:(1)震动和指示灯;(2)微型显示屏;(3)传统物理输入(如按钮和触摸板);(4)肢体运动感应(如陀螺仪);(5)环境数据采集(如微粒与环境检测);(6)配套应用。4.可佩戴设备的分类现有代表:阿迪达斯超新星Bra、UnderArmourE39T恤、Nike+运动鞋特点:(1)显示屏较小或不具备显示屏幕;(2)直接穿在身体上;(3)与日常穿着结合。交互方式:(1)微型显示屏;(2)植入服装材料的显示;(3)作用于身体的压力及触觉反馈(如温度变化);(4)肢体运动感应(如陀螺仪);(5)身体信息感应(如体温、心率、血压);(6)基于特殊服装材料的感应;(7)配套应用。(图2)除了佩戴方式,可穿戴设备也可分为平台级和产品级的。平台级的,像谷歌眼镜、Pebble,旨在作为一个通用的平台运行不同的应用。这样的设备一般拥有完整独立的操作系统和开发框架,官方支持扩展应用或第三方应用程序。产品级的像Nike+FuelBand等,往往是为了支持某些特定的功能而研发的。这样的设备一般操作系统和软件相对封闭,无官方开放的SDK和第三方应用程序。如同苹果的AppStore的机制革命性地推动了移动应用乃至移动互联网的发展一样,通过平台化的方式开放应用的设计和开发也将是可穿戴设备发展的一个重要途径,尤其是在其数据化与应用化的新定位下。不少产品级的设备也都在顺应这一趋势,如ThalmicLabs新推出的MYO腕带开放API允许第三方开发应用程序,将摄像头摄入的图像流分享到互联网,并将评论等实时返回给用户的TelepathyOne也有开放SDK的计划。二、可佩戴设备交互方式设计因为可穿戴设备穿戴在身上的本质特性,在它的设计与研制上有很多极富挑战的需求需要满足,如舒适性,安全性,耐用性,交互的便捷性,信息传达的有效性,电子元器件安装的稳定性,数据采集的准确性,能耗的持久性,甚至设备穿戴及使用行为的社会接受度等。这些都对可穿戴设备的人机交互提出了很高的要求。在可穿戴计算、人机交互等领域有不少针对这些问题的基础研究,其研究成果、切入点、研究方法在优化可穿戴设备的人机交互体验、创造新的交互方式的过程中值得借鉴。根佩勒(Gemperle)等早在1999年就从人体与可穿戴设备的交互出发,对运动中的可穿戴性进行了深入的研究,得出了一系列可穿戴设备佩戴位置选择与产品形态设计方面的原则。哈里森(Harrison)等进一步从信息传达的角度对在不同身体部位佩戴可穿戴设备的视觉反应的时效性进行了研究。巴伯(Baber)等从人因工程的角度,对满足不同类型需求的可穿戴设备在支持任务完成和物理体验方面的人机交互特性进行了分析。奈特(Knight)等提出了从外观感受及放松程度,与身体的贴合度,对身体是否有害,是否有异样的感觉,对运动的影响,以及对设备的安全和可靠度的焦虑六个维度对可穿戴设备的舒适性进行研究的方法。邓恩(Dunne)等从感知和认知的角度,研究用户对可穿戴设备带来的感官刺激的意识程度。邓恩认为,可以被“忘记”并且能给人提供认知上的帮助是可穿戴性的重要方面。普罗菲塔(Profita)等研究了人们对他人在公共场所与穿戴在身上的设备进行互动的社会接受度,以及人们认为的合适的控制界面在身上的放置位置,对可穿戴设备基于身体的交互方式的设计具有参考价值。在具体的交互方式上,相比于六七年前苹果把触摸历史性地引入人机交互,经可穿戴设备而得以推广的将是基于传感的交互方式。采用基于传感的交互方式既是对可穿戴设备易于获取身体信息的优势的利用,也是对可穿戴设备视觉界面小、不易触控的问题的一个很好的解决方案。基于传感的交互既包括通过传感器识别人的操控输入、采集人体的数据,也包括采集环境数据,或接受环境中的传感器发来的信息,进行分析处理后反馈到人的感官系统上。可穿戴设备界面尺寸小,并且在随身行动时不便于触控的特点也给一直以来发展不冷不热的语音、手势、眼动识别等交互方式带来了更为适合的应用场景,有可能因此给这些交互方式的研发与应用带来一个大的提升。因为可穿戴设备往往是人们在进行日常活动时提供辅助功能的,为了能够在不同的情境下支持任务的有效执行,可穿戴设备的交互应该是多模态的,即多种交互方式的组合。例如佩戴谷歌眼镜的用户可以通过眨眼或语音控制拍照,通过仰头启动眼镜显示时间。轻触镜架上的触摸板可以进行菜单和内容的导航,通过骨可以传导发送私密的声音信号,即时的信息推送可以根据周围环境的变化帮助用户进行地图导航、收发邮件等不同的功能。与手机及网络联动虽然不是用户直接的操作行为,但也是可穿戴设备交互方式中不可不提及的一个重要方面。在绝大多数设备都有配套手机应用的情况下,人们与可穿7戴设备的交互在很多时候更像与输入输出设备的互动,背后的功能操作很多是在手机应用或云端完成的,这样的认知理念会在很大程度上影响人们与设备本身的交互。(图3)目前,可以产品化的可穿戴设备的输入方式主要包括:(1)身体数据感应(如脑电波、心跳等);(2)肢体(如面部、手指、手腕、身体躯干、脚等)动作探测;(3)眼动追踪;(4)实物交互(如手拍);(5)语音指令与选择;(6)肌肉生物电;(7)环境数据探测(如温度、湿度、空气清洁度、位置等)。输出方式主要包括:(1)声音;(2)小显示屏(如LCD、LED、OLED、AMOLED、ePaper、软性显示、透明面板);(3)头戴式微型投影;(4)环境投影;(5)内置灯光;(6)振动、温度等肢体可感受信号;(7)利用其他平台的界面来显示数据信息。在这些背后还有大量潜在的交互方式与技术在研究试验中。马纳布(Manabe)等研究了以可传导塑料优化基于耳机的眼动输入方式。安夫特(Amft),亚坦尼(Yatani)等为支持与进食监测等相关的医疗保健应用,分别尝试了通过肌电图(EMG)以及附着于耳机和佩戴于颈部的麦克风和其他声学传感器来识别吃、喝、咀嚼、吞咽、讲话、笑、咳嗽等不同的口腔运动。戴勒(Deyle)等开发了一种利用压电传感器探测通过骨头传导的运动声音的肢体运动识别输入方式。洛克莱尔(Loclair)等关注如何让用户在完成主要任务的同时方便快捷地通过“微交互”(只需要眼睛短暂关注的交互)来进行次要任务的完成。他们发明了一个单手交互的系统,通过整体的手势,或者拇指按压手指或手掌,在手掌上滑动、转动等方式来进行不同的操作。针对可穿戴设备可操控界面越来越小的情况,基姆(Kim)等专注于发掘利用其上部的周边空间进行手势操作的可能性,并具体推出了运用红外距离感应器的原型系统。米斯特里(Mistry)等的可穿戴界面WUW使人们可以通过基于手势的输入和增强现实的信息呈现直接和投影在环境中的信息或周围的物体进行互动。秋山(Akiyama)等研制了一个热媒系统让人们可以随着所听的音乐对应地感受到动态的冷热变化,从而给用户带来前所未有的情感体验。三、界面尺寸小给设计带来的挑战可穿戴设备在尺度上日渐缩小的趋势是一把双刃剑,在提高便携与可穿戴性的同时也因界面的尺寸过小给设计带来了很大的挑战。并且,人们在使用可穿戴设备的时候往往还需要关注周围环境或者还同时有另一个更为主要的任务在执行。因而,在界面设计方面需要深入分析这些特殊性,寻找其特有的设计理念与原则。1.可穿戴设备的交互设计简要说明:将使用场景与环境作为界面的一部分,应尽量将图形界面作为场景的补充而不是复制。在拥有图形界面显示能力的穿戴设备上,画面往往是现实使用情境的补充,而不是像传统设备屏幕那样是一个独立于现实世界的屏幕空间,所以如何在界面设计中创建界面与现实生活的联系显得十分重要。从另一个角度讲,用户对于可穿戴设备的输入很大一部分来自日常生活的动作和行为,这与传统输入有一个很重要的区别,即输入行为的复用性。在传统设备中,用户对于设备或系统的指令往往是特指的、单一的,但对于可穿戴系统来说,用户的输入可能是其另一个动作的复用,或者说用户的输入行为不仅是用于操作设备的意图。比如,用户环顾周围景色的动作可以同时被用作头戴式可穿戴设备的行为输入,如作为录制画面时的移动取景器或是改变增强现实信息的关注点。近期出现的配备“协处理器”的移动设备也可以利用用户行为作为输入,但在这种状态下的移动设备在另一层面上也可以被看作是携带式的可穿戴设备。由此可见,可穿戴设备的交互设计应保证与用户真实使用情境(环境、动作和目标)有足够的联系,从而能利用更加方便自然的输入方式,获取用户的指令和环境信息,并进一步增强设备服务与现实生活体验的连贯性。由SkyDroid开发,运行在谷歌眼镜上的GolfSight旨在为高尔夫爱好者提供便利。图4所示界面展示了用户当前所在球场的基本信息,航拍场地地图占据了界面的主要位置,图形化的标记点简明地指出了关键的位置信息。左侧的列表用与右侧标记对应的方式显示了参数信息。(图4)2.智能单网融合的逻辑推进式智能终端设计简要说明:降低单个界面的复杂程度,对于复杂的功能更多地采用层次推进,如果可能采用语音辅助屏幕显示来展现结果。由于可穿戴设备的画幅和输入限制,采用更加线性的交互逻辑将会提升整个应用或系统的效率与可用性。这一设计理念在早期的移动设备中有广泛而深入的运用,即便在如今大屏幕高性能移动设备普及的情况下,线性、重复性的交互设计仍旧对转移用户认知和降低学习门槛有重要作用。采用层次推进不仅仅是将功能分流程进行,合理地将不同功能进行规划与分割也非常关键:应保证不同功能在使用的过程中能够按照一套框架流程与交互逻辑与用户进行交互。作为智能手机在Pebble腕表上的快速入口,Smartwatch+首先需要解决的问题便是如何将智能手机复杂的功能和逻辑转移到智能手表上。如图5-1和图5-2所示,Smartwatch+利用列表式的界面结合推进式的菜单结构最大程度地减少了单一界面的复杂程度,并运用简短的文字和简单的图标突出主菜单。(图5)3.动态磁贴与用户体验简要说明:弱化或取消功能清单式的主菜单,尽量直接地在第一层级就展现功能。由伞状的信息架构向平行的信息架构转变。在条件允许的情况下,可使用即时待命的语音控制来呼叫功能。与传统移动设备相比,可穿戴智能设备离用户好像更“近”了,这种“近”不仅体现在佩戴特点上,更应从交互设计层面做出适应。结合上述的减少选择理念,当单个界面的复杂性降低到一定程度之后,某些功能和信息便可以被直接“平铺”呈现在菜单之上。将关键功能与信息展现于第一层级有助于提升用户的使用效率,并同时拉近产品与用户的距离:微软公司在Windows8和WindowsPhone/RT操作系统中引入的动态磁贴也是利用这种方式提升了主菜单的效率。虽然弱化了功能清单式的主菜单,但这样的设计方式往往可以与清单式的补充菜单搭配使用,即主要信息与功能在第一层级,更多操作和详细选项仍可以继续呼出菜单来进行操作。本质上,如此设计是帮助用户做了功能的预先选择,将最重要(或是最多人需要)的功能和信息提炼并整理出来。比起列表式菜单导航,Fancy的谷歌眼镜版本在首级菜单页面便完整地显示了单个产品的基本信息。对于关键信息的成功提炼简化了操作流程,让功能和信息更加贴近用户。(图6)简要说明:规避复杂的输入控件,减少应用对于用户手动输入的需求,尽可能多地利用传感器、环境交互和互联网数据接口。尽量做到在用户需要时自动呈现结果而不必手动呼出。与上述即时访问的理念一致,对于用户输入的精简也是拉近与用户的距离、提高使用效率的有效手段。在某种程度上,简化用户输入也与降低界面复杂程度有诸多关联。可穿戴设备的硬件特征造成了其与传统个人移动设备输入方式的区别,用户对于可穿戴设备的使用场景与功能预期也决定了对输入简便性的高要求。有一些技巧可以简化输入的过程,如用语音输入代替键盘输入、用语音控制代替菜单导航等。但更多时候更应从功能和架构层面、从本质上改良应用的输入,这在上述的场景融合理念中也已有所体现。通过记录用户的使用习惯(如由功能、时刻、时长、地理位置与目标等组成的数据集),可穿戴设备上的应用应更多地猜想和推演用户在各种情境中的需求,并更多地为用户做出选择。谷歌公司出品的GoogleNow服务即体现了这样的方法:程序会自动为用户呈现用户在此时(或此段时间内)此地可能需要的信息或功能列表。这些界面中所呈现的内容是由程序利用许多分析用户日常行为的算法自动生成的,因此,随着用户的使用,手动的输入和寻找将变得越来越不必要。结合第三方数据开放接口平台(APIs),也可以让程序尽可能少地通过用户的手动输入来获得完成功能所需的信息。5.视觉元素的使用简要说明:避免使用不必要的视觉元素来让界面模拟某种形态或物品,谨慎使用动画和转场,仅保留帮助用户理解界面层级以及控件功能的动画和转场。当前的可穿戴设备硬件水平决定了我们无法在图形界面中使用太过复杂的视觉元素。更重要的是,保持一个简明扼要的界面对于用户的理解和使用有十分积极的作用。由于可穿戴设备本身就是一件物品、一种工具,从图形界面的层次上就无需再去模拟其他的工具与物品,这一点也对实现上述的理念有所助益。与外观不同,界面的行为和动作可以通过适当的隐喻来降低用户的理解成本。适当的动画和转场能帮助用户理解界面的层次与交互逻辑,但除此之外,应尽量避免使用动画与转场。应当把界面动画当作一种手段而非修饰,即只在需要吸引用户注意的时候使用。由于可穿戴设备与身体高度贴近的特殊性(如谷歌眼镜的界面佩戴时一直在人的视野中),如果设计不当会让用户更容易受到打扰,尽力从各个层面规避干扰便显得尤为重要。四、环保的运行监测方式可穿戴设备市场化、数据化、网络化的发展趋势给交互设计带来的最大空间在应用和服务的设计上。把交互设计对用户需求的分析理解以及对应用与服务的构建方法运用到可穿戴设备生态系统的规划上,将有助于推动这一产业的快速发展。可穿戴设备正在空前地挖掘释放用户身体和行为的数据信息,使人们可以实现量化自我,并通过对实时的、连续的个人生活数据进行分析解读,提供即时的反馈信息,帮助人们做出选择和改变,用数据改善行为和做出决策。比如FitbitFlex在记录用户的运动习惯后,可以利用取得的数据帮助用户制定健身计划。Nike+的SportWatch可以让用户从Nike+的网络平台上搜索由耐克公司和其他跑步爱好者上传的跑步路线,并根据自己当前的位置、计划跑步的距离、希望经过的标志地点等信息找到最为理想的线路。Melon头环通过测量脑部活动判断用户的专心程度,在用户精神不够集中的时候,提醒他进行深呼吸或者外出散步休息。Melon头环还可以记录这些措施对用户精神平衡产生的影响,以便以后提出更为合适的建议。Scanadu的三录仪通过感应、扫描、追踪和分析关键的人体健康数据,可以及时发现用户身体状况的变化,并将这些自我诊断的数据发送给私人医生或相关专家寻求医疗指导。除了对个人行为和决策的影响,对可穿戴设备采集的信息的挖掘和分析还可以被运用于社会化的方向,如支持商业、社交、娱乐、协同工作以及改善公共事业管理等。青蛙设计在这些方面做了很多有益和有趣的尝试。AirWaves是一