wearable.ethz.ch

За последние 25 лет компьютеры эволюционировали от экзотических инструментов для научных исследований стоимостью несколько миллионов долларов до предмета бытовой электроники. Развитие Интернета позволило получить дешевый доступ к всемирным информационным и коммуникационным ресурсам в каждом доме. Вместе оба этих явления существенно повлияли на практически все аспекты нашего общества. Они уже произвели революцию в том, как люди работают, делают покупки и общаются, и теперь ведут к появлению совершенно новых отраслей промышленности.

Обе технологии — ПК и Интернет, все еще продолжают быстро эволюционировать. Однако следующий прорыв информационных технологий следует ожидать с другой стороны: мобильные компьютеры и сети. Сегодня средний субноутбук весом 1 кг, размером А5, оснащенный беспроводным модемом PCMCIA может предложить практически всю функциональность традиционного ПК. Простой вычислительный функционал и рудиментарные возможности доступа к Сети также могут быть получены от карманных компьютеров и личных цифровых помощников, которые тоже легко помещаются в кармане. Многие производители мобильных телефонов встраивают такие функции и в свои телефоны.

Куда ведет эта тенденция? Один из наиболее очевидных ответов — носимые вычислительные системы. Их образ заключается в том, что они будут не просто машинами, которые мы кладем в карман, планируя поработать в дороге — они станут неотъемлемой частью нашего каждодневного снаряжения (т.е. носимыми), всегда в рабочем состоянии, готовые помочь в различных ситуациях. Представьте туриста, прибывающего в незнакомый город. Как только он покидает поезд, его носимый компьютер связывается с местным туристическим агентством и составляет список ближайших отелей. Затем он показывает дорогу к выбранному отелю. При помощи сквозного дисплея в солнцезащитных очках указатели направления движения встраиваются в картину реального мира, которую видит турист. На этом же дисплее отображается информация о достопримечательностях и ресторанах, которые встречаются по пути к отелю. При этом компьютер сообщает пользователю о каких-либо местных традициях или опасностях, которые следует знать (например: «Осторожнее в этом районе после наступления темноты»).

Похоже на научную фантастику, но это одно из направлений использования носимых вычислительных систем, которые изучаются сегодня. Первые результаты исследований в этой области указывают на то, что носимые системы вполне могут стать следующим этапом компьютерной революции. «Носимая революция» может изменить нашу жизнь точно так же, как ее изменило появление ПК и Интернета. Но прежде чем это случится, носимые системы должны преодолеть кое-какие недостатки, которые на данный момент не позволяют им получить широкого распространения. В этой связи было запущено несколько промышленных и академических проектов по исследованию носимых систем, включая проекты МТИ, Беркли, Стэнфорда, технологического института Джорджии и Университета Карнеги-Меллона. По этой же причине появилась Лаборатория носимых вычислительных систем. Лаборатория намеревается использовать весь опыт, накопленный Швейцарским государственным технологическим институтом в области микросистем, компоновки электронных схем, компьютерной архитектуры и распознавания изображений, чтобы разработать гибкую миниатюрную носимую компьютерную платформу. Лаборатория будет вести работу в сотрудничестве с промышленностью и другими исследовательскими группами, включая такие как MIT Media Lab и Georgia Tech.

Короткая история носимых вычислительных систем

Идея носимых компьютеров может быть отнесена к рулеточному компьютеру, который О. Торп (O. Thorp) и К. Шеннон (C. Shannon) разработали приблизительно в 1960 г. Система представляла собой аналоговый компьютер размером с сигаретную пачку, и имела 4 кнопки. При помощи кнопок оператор указывал скорость рулетки, после чего компьютер посылал радиосигнал на слуховой аппарат игрока. Эту систему можно было носить под обычной одеждой, и она была испытана в казино, показав повышение шанса выигрыша на величину до 44 процентов. В течение последующих лет носимые компьютеры оставались в рамках нескольких экзотических проектов и идей, как например жилет для слепых, преобразующий сигнал видеокамеры в тактильные ощущения, и компьютер, переносимый в рюкзаке, для управления фотографическим оборудованием. Только в 90-х годах с прогрессом в области миниатюризации и широким распространением беспроводных средств связи носимые вычислительные системы стали серьезной областью исследований. В это время был разработан образ этих систем и создан ряд рабочих экземпляров: система VuMan Университета Карнеги-Меллона для просмотра и поиска чертежей при производстве ремонтных работ, машина-гид для туристов Columbia Touring Machine и несколько машин от МТИ.

Несмотря на достигнутые результаты, сегодня носимые компьютеры можно описать как «очень захватывающую область, находящуюся в стадии становления». В частности, между образом и реальностью носимых систем все еще существует огромная разница. Даже самые простые из них слишком громоздки для того, чтобы получить широкое распространение и использоваться повсеместно. Для выполнения более сложных задач требуются компоненты весом несколько килограммов, соединенные с пользователем метрами кабеля, либо нуждающиеся в большом стационарном сервере.

Образ носимых вычислительных систем

Носимый компьютер зачастую описывается как система, которая:

• незаметна настолько, что может быть встроена в одежду пользователя
• может переноситься, находясь при этом в рабочем состоянии и будучи все время включенной
• обладает пользовательским интерфейсом, не требующим или почти не требующим участия рук
• способна дополнить восприятие реальности пользователем (например, совместить компьютерное изображение с пользовательским видом окружающего мира при помощи сквозного дисплея)
• может производить контекстное обнаружение окружающей среды (знает, что делает пользователь, и что происходит вокруг него), и
• может действовать от лица пользователя даже без его ведома, и привлекать его внимание, когда требуется.

Вышеперечисленные качества позволяют носимому компьютеру помогать людям при решении различных задач, требующих интенсивного взаимодействия с окружающей средой в реальном времени. Таки задачи возникают при производстве ремонтных работ, поисковых и спасательных операциях, хирургических операциях, в процессе охранного наблюдения, в образовательной деятельности, а также во время отдыха, например при игре в гольф или катании на лыжах. Система может помочь пользователю в трех основных областях: (1) расширенное восприятие через массив сенсоров и процессоров для обработки сигналов, (2) коммуникационные возможности и (3) доступ к базам данных и вычислительным мощностям в реальном времени. Примеры использования:

Ремонтные работы: ремонтнику приходится иметь дело с широким диапазоном систем, со многими из которых он работает достаточно редко. Таким образом, он не может быть специалистом по всем системам, и не может носить с собой всю необходимую документацию. Носимый компьютер помог бы ему получить доступ к документации онлайн. При этом он мог бы просматривать техническое руководство во время работы с помощью сквозного дисплея, размещенного на голове. Он бы также мог устроить видеоконференцию с другим специалистом, позволив ему видеть картинку, транслируемую камерой, встроенной в его носимый компьютер.

Поисково-спасательные работы: носимый компьютер мог бы позволить члену спасательной команды произвести комбинированное визуальное, инфракрасное и акустическое сканирование зоны бедствия, и наложить результаты на измерения, полученные другими членами команды, а затем отправить данные для анализа в экспертной системе. Экспертная система укажет наиболее вероятные точки нахождения под развалинами уцелевших людей и оптимальные пути, чтобы до них добраться. Продвинутый пользовательский интерфейс позволит спасателю определить зону для сканирования простым указанием пальца, отдавать команды можно будет голосом или жестами, а возможное местонахождение уцелевших будет встроено в вид зоны через сквозной дисплей, размещенный на голове.

Хирургия: представьте, если бы хирург мог фактически заглянуть внутрь пациента во время операции. Это будет возможно, если соединить носимый компьютер с ультразвуковым сканером. При помощи сквозного дисплея, встроенного в очки хирурга, реальный вид может быть совмещен с картинкой из сканера. Система также может отображать дополнительную информацию, извещая хирурга о состоянии пациента во время операции.

Образование: преподавание в контексте взаимодействия с окружающим миром в реальном времени (например, управление сложными механизмами, либо спортивные игры), как правило, состоит из двух частей: теоретическое объяснение и практическое упражнение. Часто бывает так, что к тому времени, как учащийся доходит до практической части, он забывает большинство теоретических инструкций. Носимый компьютер поможет это исправить. Посредством сквозного дисплея он бы мог показывать инструкции во время практического упражнения. Соответствующие сенсоры могут корректировать ошибки учащегося в реальном времени и даже помешают ему нанести случайный урон.

Реальность носимых вычислительных систем

Области применения, описанные в предыдущем абзаце, требуют, чтобы носимая система обладала пользовательским интерфейсом, который был бы легким в использовании и практически не требовал участия рук. Также понадобится сквозной дисплей в виде очков, чтобы вывод компьютера мог накладываться на вид окружающей среды пользователя. Система должна быть оснащена массивом сенсоров, собирающих контекстную информацию об окружающем мире и деятельности пользователя, и высокопроизводительным беспроводным сетевым интерфейсом для доступа в Интернет и телеконференций.

Сегодня реализация всех этих функций в машине столь компактной, чтобы ее можно было носить как обычную одежду — невозможна. Лучшее, что может быть достигнуто — это носимые системы для выполнения узких простых задач. Такое ограничение означает, что система будет иметь лишь некоторые из функций, перечисленных в предыдущем абзаце: не будет сквозного дисплея, дополняющего реальность; сенсоров, предоставляющих контекстную осведомленность, либо не будет совсем, либо их будет немного; а пользовательский интерфейс либо будет ограниченным, либо не будет функционировать без участия рук. Даже с такими ограничениями для системы требуется рюкзак среднего размера или пояс для переноски компьютера и аккумуляторов. Головной дисплей, если и есть, то напоминает легкий шлем, и при этом по телу пользователя тянутся многочисленные кабели.

В качестве удачных примеров подобных систем можно привести коммерческие «носимые» системы Symbol WSS 1000 и Xybernaut. Система Symbol разрабатывалась для работы с посылками Единой Посылочной Службы. Она состоит из компьютера на базе DOS, размещенного на запястье, с ЖК-дисплеем и маленькой клавиатурой; устройства для считывания штрихового кода, надеваемого на палец; и беспроводного LAN-интерфейса.

От образа к реальности: что предстоит

Основные направления на пути к истинно носимому компьютеру:

• пригодные миниатюрные устройства ввода
• незаметные сквозные дисплеи высокого разрешения с низким энергопотреблением
• адекватный пользовательский интерфейс для приложений, дополняющих реальность
• компактная вычислительная система с низким энергопотреблением, которая может справиться с высокой нагрузкой по обработке сигналов и графики
• миниатюрные сенсоры
• беспроводная сетевая технология для соединения компонентов системы, распределенных по телу пользователя (телесная сеть).

Для решения этих проблем необходимо ответить на инженерные и научные вопросы в пяти широких областях: (1) миниатюризация комплексных электрооптомеханических систем, (2) высокопроизводительные электронные схемы и их компоновка, (3) компьютерная архитектура, (4) распознавание изображений и отслеживание объектов, и (5) человеческий компьютерный интерфейс. Все эти области быстро развиваются, открывая возможности для улучшения носимых технологий. В настоящее время особенно быстро развивается миниатюризация электрооптомеханических систем. Новые методы микрообработки поверхности кремния позволяют производить такие системы по технологии СБИС совместимой с электронными схемами. Эта технология называется MEMS (микроэлектромеханические системы) или MOEMS (микрооптоэлектромеханические системы) — для систем, содержащих оптические компоненты. Появление MEMS/MOEMS можно сравнить с переходом от электроники на основе транзисторов к СБИС. Поэтому можно справедливо надеяться, что для носимых систем эта технология сделает то же, что сделала технология СБИС для традиционных систем.