人工智能概论-智能穿戴

人工智能概论3.1目录CONTENT概述典型智能穿戴设备习题3.23.43.3未来发展趋势智能穿戴

智能穿戴是智能穿戴设备（SmartWearableDevice，SWD）的简称，是指应用人工智能技术对穿戴物品进行智能化设计、升级，并开发出来的一类可穿戴设备的总称。人们可以通过这些智能穿戴设备进行数据的大规模交互，实现对人类身体的延伸，更好地感知外部与自身的信息，实现对周边物体、事务，或者自我状态清晰的了解，从而更为高效准确地处理和利用信息。3.1概述智能穿戴

如果你是一个科幻电影的影迷，一定会被影片中随处可见的高科技产品所吸引。无论是《星际穿越》还是《火星救援》，又或者是大家熟知的《三体》，各式各样的高科技穿戴产品，让我们对未来的生活充满了憧憬。智能穿戴

从与人体接触程度不同，智能穿戴设备可分为人体体表外佩戴式与体内植入式两种。

体表外佩戴式可穿戴设备主要有智能手环、智能手表、智能眼镜、智能鞋子、智能耳机、智能服装等。体内植入式可穿戴设备主要有智能药丸、纳米细胞、电子纹身、智能避孕及其他多种与医学相关的微纳型智能设备。这里主要介绍一些体表外佩戴式可穿戴装备。如果去仔细研究下智能穿戴的发展史时，你就会惊奇的发现：最早的智能穿戴设备竟然出现在赌场！智能穿戴

1955年，美国MIT数学教授EdwardThorp在其赌博辅导书《BeattheDealer》第二版中，提出了一个用于提高轮盘赌制胜率的可穿戴电脑的想法，并与同伴合作开发了该可穿戴电脑设备。随后，他成功地使用自己制作的可穿戴电脑在轮盘赌局中做了弊，使得轮盘赌制的胜率提高了44％。受到EdwardThorp开发的可穿戴设备的影响下，人们纷纷效仿其成功之路。其中，1972年KeithTaft发明了一款用脚指头操作的可穿戴计算机George用于二十一点的赌博。可笑的是，George不仅没有让他赢回开发费用，还让他输了一大笔钱。20世纪70到90年代，随着集成电路技术的快速发展，设备小型化成为可能，可穿戴设备的研究也逐渐活跃起来，并取得了长足的发展，进入了一个蜕变的时期。智能穿戴

1975年，世界上第一款腕式计算器Pulsar诞生，并很快成为了人们喜闻乐见的产品。据说，GeraldRudolphFord总统还对其限量版的Pulsar产生了很大兴趣，可见当时智能穿戴设备的影响力。1977年，Collins开发了一款可穿戴设备，使用头戴式摄像头来读取图像，并将图片上的信息转换成背心上的触觉网格，盲人依靠这些网格来了解信息，极大地方便了盲人与外界的交流。1979年，Sony公司推出了Walkman卡带式随身听TPS-L2，它的诞生完全是出于方便考虑，创始人之一的IbukaMasaru有随身携带磁带机的习惯，但是由于磁带机当时体积比较大，坐飞机时非常难以携带。于是，Sony就以TCM-600为基础，研发出了如图3-1所示TPS-L2。

图3-1Sony的TPS-L2智能穿戴1981年，一个名叫SteveMann的高中生将一台6502计算机安装到了带钢架的背包上，来控制摄影装备，并将取得的景象显示在连接到头盔上的相机取景器。这台背包式电脑就具备了文本、图像、摄影和头盔显示器的功能。1984年，Casio公司开发了图3-2所示的DatabankCD-40，应该是全球最早能够存储信息的数字手表。图3-2Casio的DatabankCD-40智能穿戴

1989年，Megellan公司推出了消费级手持GPS设备，与此同时，ReflectionTechnology开发了PrivateEye头戴式显示屏。1990年，OlivetTI开发了一款可以将用户的ID发送到办公楼上的红外接收器，从而追踪用户所在位置的胸章。1993年，ColumbiaUniversity研究人员开发了一款包含了一台PrivateEye头戴式显示屏的KARMA增强现实系统。1994年，SteveMann制作出了一款可穿戴无线摄像头，并将拍下的图片上传到网络之中，后来人们称他为第一个“lifeblogger”。1997年，美国MIT、CMU、GT联合举办第一届国际可穿戴计算机学术会议，可穿戴计算机和可穿戴设备开始在学界和业界受到重视，并逐渐应用于工业、医疗、教育、军事、娱乐等领域。智能穿戴

1998年，Trekker受SteveMann研究启示，开发出专门用来记录生活的可穿戴无线摄像头，并成功进行了商用。2000年，世界上第一款蓝牙耳机问世。2001年，Apple推出了划时代的iPod设备和iTunes服务，风靡数年的Walkman逐渐被更便携的数字音乐播放器iPod所替代。2002年，Xybernaut公司的可穿戴计算机Poma问世。2003年，世界首款数字化起搏器C-Series出现在医疗领域，借助该设备，医生能够在18秒内下载好病人信息，在很短的时间内了解并拯救病人。2006年，Nike公司和Apple公司联合推出如图3-3所示的Nike+iPod，能够将自己的运动信息同步到iPod中。此外，Nike还专门推出了带有iPod专用口袋的运动衣。图3-3Nike+iPod智能穿戴

2007年，JamesPark和EricFrienman两人合作创立了Fitbit公司，并于2009年推出了自己的首款产品——FitbitTracker，如图3-4所示。它可以夹在衣服上，可以同步跟踪用户的行走距离、步数、热量消耗、运动强度和睡眠状态。2010年，Brother公司推出AIRScounter头戴式显示器，可以将大约14寸大小的屏幕投放到前方一米左右的地方。同年，EurotechGroup开发了一款固定在手腕上的小型触屏电脑Zypad。2011年，Jawbone推出一款健身腕带，可以跟踪睡眠、饮食、运动等信息，并可与智能手机应用软件相连接。图3-4FitbitTracker智能穿戴2012年，Google公司发布了一款极具科技感的眼镜——GoogleProjectGlass，可以通过语音来控制拍照、视频通话、上网、文字处理和邮件发送。图3-5AppleWatch2014年9月，Apple发布了采用人造蓝宝石水晶屏幕与ForceTouch触摸技术的智能手表AppleWatch，支持电话、语音、短信、连接汽车、天气、航班信息、地图导航、播放音乐、测量心跳、计步等几十种功能，是一款全方位的健康和运动追踪设备，如图3-5所示。智能穿戴2016年，春夏NewYork时装周上Intel公司与运动服饰设计师Chromat联合推出两款“响应式服装”，搭载了Intel的硬件平台Curie，硬件平台只有纽扣大小，利用上面的传感器来搜集人体体温、心跳等人体体征信号。最神奇的是可以用衣服中集成的形状记忆合金来使衣服变形，受到了极大的关注。2016年11月，Samsung公司研发出一款与手机应用程序配合使用的智能腰带，可以追踪用户腰围、步数和饮食，还具备智能提醒功能，当你吃多了它会提醒你，搭载的计步器还会记录你的坐立时间，如果坐久了同样会提醒你要起来走一走了。智能穿戴2018年，RokidGlassAR眼镜发布，采用了单片镜AR光学技术、惯性传感器、骨传导和麦克风阵列音频等技术，还支持人脸识别和物体识别功能。图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，如图3-6所示。这款戒指有着时尚的外形，简单的操作，伸出手指头就能进行买单和通话，还具有防丢提醒、闹钟、报警、记录运动信息等功能，完美解决了许多当下智能穿戴设备没解决的缺陷，被称作“最智能的智能戒指”。智能穿戴图3-7智能穿戴

美国的创业公司还设计了一款智能耳环Peripherii，不仅外观时尚，而且通过蓝牙可与智能手机相连。Siri和GoogleAssistant语音助手模块隐藏耳环内，不仅可以用来打电话，还可以进行叫车、设置闹钟、发语音等。

如图3-7是常见智能穿戴。3.2.33.2.6智能手表3.2.53.2.43.2.23.2.1智能手环智能手机智能眼镜智能服装智能鞋智能穿戴3.2典型智能穿戴设备3.2.1智能手表智能穿戴Apple手表可谓是当前智能手表市场上最炙手可热的产品了，现如今Apple手表加入了网络制式功能，拨打电话、收发信息等功能都可以独立完成，成功脱离手机成为一款独立的产品。包括实时的提醒、行车规划、航班信息、图库等，无需拿出手机就可以快速查看信息。内置心率算法和学习功能，最让人激动的是心电图功能，可以更加准确了解自己在运动中的状况。还加入了智能活动训练，设计自己的训练程序，尤其Apple手表支持你在游泳或其他水上运动时佩戴。智能穿戴SamsungGalaxy手表也不逞多让，熟悉的大圆表盘和运动风设计，如图3-8所示。从之前的Gear到现在的Galaxy，背后是技术的全面升级。与Apple手表相同都具有网络制式功能，搭载了自家的Tizen系统，有了较大的运行内存和内部存储。手机靠近，手表就会自动弹出新设备识别，做到无缝连接。图3-8SamsungGalaxy手表智能穿戴

华为手表作为国内智能手表的典范，拥有世界上最好的显示屏，如图3-9所示。亮屏时，视网膜级别的即视感，超高的分辨率；息屏时，炫酷冷峻的外表、深邃的颜色，外加闪亮的耐磨陶瓷表圈，让人难以忘怀。计步、心率、测速、睡眠跟踪、GPS、卡路里消耗、防水、App等功能齐全。若是在功能全开的高负荷下，续航能达到两天，只使用手表功能的话，续航要20几天之久。支持网络制式功能，采用eSIM技术，无需实体卡，手机和手表共享一个号码，即使不带手机也不会错过重要来电。另外，还具有多种锻炼模式，可以用内置GPS配合运动算法制定训练计划，相当于请了一个贴身免费的私人教练。

图3-9华为手表3.2.2智能手环智能穿戴

智能手环小巧精美的设计风格，对于喜欢佩戴首饰的用户来说，简直是一种百搭安利。别看它个头不大，其内部集成的功能可是不容小觑，可以像普通计步器一般记步，测量运动距离、卡路里、脂肪，还可以进行睡眠监测、防水、数据传输、疲劳报警。如果在睡觉之前将智能手环设置成为睡眠模式，在第二天智能唤醒后，打开同步的App软件，便可以看到自己的睡眠时间、清醒时间、深睡、浅睡、整体的睡眠质量。智能穿戴

对于处于减肥期的人来说，智能手环是你最亲密的私人教练，可以告诉你每天的运动里程、消耗的卡路里和摄入能量多少。还可以规划一天的运动目标，显示和提醒目标的完成率，对于不能持之以恒的人来说是一大福音。应用于医疗上，可以实时监测体温、心率、血压、血糖等，减轻护士的工作量。自带的定位系统能够防止婴儿被盗、老年患者走失，方便医院的管理，提升工作效率。3.2.3智能手机智能穿戴

智能手机是一种具有独立的操作系统，独立的运行空间，可以由用户自行安装软件、游戏、导航等第三方服务商提供的程序，并可以通过移动通讯网络来实现无线网络接入的手机类型的总称。智能手机的拓扑原型最早是由Apple公司CEOSteveJobs在2007年提出。它的出现无疑给人们生活带来了翻天覆地的变化，让许多以前无法想象的事情变为了现实。有人统计过，智能手机已经具有传统电话、发报机、照相机、录像机、手电筒、录音机、收音机、手表、秒表、计数器、MP3/MP4、录音笔、计算机、电视、地图、导航、罗盘、遥控器等近100余种电器设备的功能。如果像以前使用独立功能设备那样，完成这些综合功能，所有设备加在一起的总重量将达到1吨以上，其体积和操作复杂度简直不可以想象！智能穿戴

智能手机可能是普通民众距离人工智能最近的穿戴设备了，现在智能手机甚至有取代PC的趋势。通过智能手机，能够做的事情越来越多。无论何时何地，想起谁，只要轻轻拨通电话，一切都将迎刃而解，再无“我住长江头，君住长江尾，日夜思君不见君，共饮长江水”之困惑。另外，购物、订票、订旅馆、学习课程、预约出租车、预约挂号、出行导航、实时支付、看护父母和孩子等，现在尽可“一机在手，万事无忧”。智能手机已经成为人们时下生活不可缺少的一部分，似乎只有想不到的，没有手机做不到的了。那么手机到底是怎样与人工智能相结合的呢？智能穿戴

硬件方面，为进一步加强人工智能的处理能力，许多手机厂商都加入了专用人工智能芯片。如华为公司的麒麟980配备了神经处理单元，可在本地进行人工智能运算。Apple公司的A12仿生芯片也配备了神经网络引擎，负责面部识别和其他人工智能运算。人工智能芯片的出现，使得运算不必先上传到云端，而是在本地就能够进行相关运算，用户的隐私得到了极大的保护，处理能力得到了极大的提升。神经网络芯片能够进一步提升人脸识别、物体识别、图像分割、智能翻译等工作效果。智能穿戴

软件方面，人工智能的语音助手已经出现了一段时间，包括小爱同学、GoogleAssistant、Siri和亚马逊Alexa在内的智能语音助手能够比较准确地理解我们发出的命令。在机器学习的帮助下，智能语音助手不仅能够做到理解上下文及语音问题，还能针对问题和你的喜好进行学习，及时更新和完善自身。随着使用时间的增加，你会发现你的手机越来越聪明。同时，当浏览网站、在地图和搜索类的软件输入内容时，手机会悄悄记下搜索记录，并根据历史搜索记录、位置和热门内容进行建议和推送。智能手机中的相册也会自己整理归档，能够快速帮你找到特定时间、地点的照片。邮箱会对邮件进行筛选，找出其中重要的文件，书写邮件时，智能编写会给你最合适的遣词造句建议，并能够自动对视频和电视节目字幕进行处理。还有各种的App，与家居系统、穿戴设备、交通系统、教育系统、医疗系统互联，组成了一个智能网链。3.2.4智能眼镜智能穿戴

智能眼镜是一种在使用中可改变其光学特性，拥有独立操作系统的可穿戴计算机眼镜。如：搭载了Android系统的智能眼镜可以在佩戴者看到的事物旁边添加信息，或者通过电子编程改变镜片色彩。通过语音控制或手动操作完成导航、拍照、拍视频、添加日程、与朋友视频通话。可以通过眼球的活动来操作，眼球转到特定位置呼出操作界面，还能做到与周围环境信息的互动。当堵车时，智能眼镜会告诉前方拥堵路段的长度和预计通过时间，并根据目的地规划出另外一条合理路线；当在店铺里发现一件好看的衣服而价格昂贵时，智能眼镜会对衣服进行扫描并进行全网搜索对比，引导做到最好的选择。智能穿戴

提到智能眼镜的时候，大家通常将它与许多的高科技技术和零部件联系在一起。其实，智能眼镜除了所熟知的AR(AugmentedReality,AR)、VR(VirtualReality,VR)眼镜等沉浸式眼镜，还有许多能够正常反应现实的“普通智能眼镜”。眼镜架内部安装一个小小的运动相机，就是一款应用于眼镜上的智能相机，能够从第一视角拍摄图片和录制视频，然后通过智能处理发送给朋友。这种智能眼镜没有所谓虚拟屏幕，用户能够专注于眼前世界，不受其他信息干扰。还有的智能眼镜，有一个可移动小屏幕，在视觉的边缘可以看到这块小屏幕，是对视野的一种延伸。3.2.5智能服装智能穿戴“着我绣夹裙，事事四五通。足下蹑丝履，头上玳瑁光。腰若流纨素，耳著明月珰。指如削葱根，口如含朱丹。纤纤作细步，精妙世无双。”《孔雀东南飞》中对刘兰芝服饰的描写，展现其温柔贤淑的品质。正可谓衣如其人，一个人的穿衣风格是一个人气质、风度以及素质和修养的综合体现。从古至今，人们对服饰的要求从未降低过。在这个技术飞速发展的年代，舒适、好看的属性已经逐渐满足不了人们对着装的追求，智能服饰也就应运而生。

智能服装是指能感知外部环境和内部状态的变化，通过信息反馈，并能实时地对这种变化做出反应的一种智能穿戴设备。内置的众多传感器，能够感知并传递外界环境的变化，融入令人惊奇的科技，具有传感、反馈、响应、自诊断、自调节等功能。智能穿戴

连接到智能手机的智能夹克，可以通过袖口上的屏幕拨打电话、控制音乐音量，甚至是可以通过点击或者扫过袖子来进行操作；配有智能芯片的连帽衫、运动衫、夹克和牛仔裤，可以跟踪产品的使用频率及产品的磨损位置，还可以将衣服信息同步到手机App。连接到智能手机App的智能瑜伽裤，在感知瑜伽姿势需要精炼的时候，使用触觉反馈在您需要调整的身体部位产生小的振动，提供有关如何优化每个姿势的说明以及适当的瑜伽流程，可用于策划自己的个人瑜伽课程。智能穿戴

具有能量收集功能的智能服装，可以收集人体所散发的热量，并以远红外方式辐射回皮肤。这种能量不仅安全，还可以更好地促进肌体恢复与放松。内置先进传感器的智能袜子，可以检测脚在行走或跑步时如何着陆的精确数据，连接的App，可以在运行时跟踪步数、速度、高度和行进距离。拥有时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线传感器，在紫外线水平较高时会发出警报，提醒涂抹防晒霜。智能内衣作为与皮肤最接近的衣服，可以测量呼吸、心率和肌肉紧张度，以确定人体一些压力水平、活动、焦虑的健康指标。3.2.6智能鞋智能穿戴

智能鞋是一种在传统工艺不断优化的基础上，结合现代各种电子元器件和智能科技，不改变用户生活和使用习惯，真正能够做到感知脚的问题、解决脚的问题，具有安全健康、运动感知、医疗功能的鞋子。

智能鞋上携带的传感器可以全天候记录运动状况，运动里程、步数、时间等都逃不出它的感知，并能够通过智能算法计算出所消耗的卡路里数。自带的GPS定位还可以记录每一次运动的地图路线，传到手机生成运动地图。虽说智能鞋子的这些功能与智能手表、智能手环等差别不大，但是智能鞋子还能够配合手机App，在用户穿上鞋子后，通过传感器判断目前身体状态是否适合运动以及适合什么强度的运动，还能记录在运动下的肌肉疲劳状况，并及时做到对是否应该休息、是否减轻运动强度的提醒。智能穿戴

不只是应用于运动生活领域，法国一家公司发布了一款带有电子墨水屏的鞋子，用户可以根据自己的心情，通过手机App像选择壁纸一样选择鞋子的颜色和图案。一双鞋子可以变成任何想要的样子，做到每天都“换新”。还推出一款能够自动调节鞋跟高低的智能鞋，需要的时候把鞋跟升高，要是累了就把它变成一双平底鞋，简直是喜欢高跟鞋女士的福音。

说到鞋子也能用来打游戏，很多人的第一反应是不可能。体感游戏鞋内置了智能感应器，在脚部运动时，游戏内的角色也会做出相应的动作，堪称穿在脚上的游戏手柄。比起普通手柄，游戏鞋可以让你站起来，以更健康的方式进行游戏，告别长期坐在电脑、电视前导致的各种健康问题。智能穿戴

由VR眼镜和智能鞋子组成的VR智能鞋，更是不可思议，用户穿上后只需要在原地踏步就能身临其境地穿行在奇幻古城堡里。转一下头，变一下视线就能感受到360°全方位震撼景观，带来更好的浸入式体验。加入更多的内容后，用户穿戴好VR智能鞋，无论是在跑步机上跑步还是在普通电单车上骑行，都能有绝佳的沉浸式体验，感受不一样的体感互动。

除去传统上对智能鞋的概念，近年来还出现了穿在脚上的“飞行鞋”。2019年4月，法国阅兵式上，世界滑雪冠军FrankyZapata穿着喷气式“飞行鞋”，手持步枪，像鸟儿一样在阅兵观礼台上空飞行了数十米，带给人们“未来战士”的幻觉，如图3-10所示。智能穿戴

这种“飞行鞋”的造型小巧，是在之前水动力喷气飞行背包的基础上，把喷水器换成小型喷气发动机，多个发动机分布在两鞋子中间，相互独立调整飞行角度，保证了即使一台发动机出现了问题，依然能够安全地飞行。戴好头盔，按下启动按键，“飞行鞋”子就会带着人飞行起来，身体前倾可以快速向前飞行，也可以像直升机一般，悬停在空中。想象一下若是用于军事特种作战，各种险峻的地形地貌将完全不是问题。图3-10“飞行鞋”3.3未来发展趋势智能穿戴

智能穿戴设备是用来更