2 可穿戴計(jì)算與系統(tǒng)仿真

　　可穿戴計(jì)算機(jī)作為一種嶄新的計(jì)算模式肯定也會給系統(tǒng)仿真帶來新的概念，促進(jìn)形成新的系統(tǒng)仿真模式和技術(shù)。這應(yīng)該引起我們的重視，積極研究基于可穿戴計(jì)算的系統(tǒng)仿真概念、特點(diǎn)、體系、技術(shù)和應(yīng)用。

　　圖 1 重慶大學(xué)研制的可穿戴計(jì)算機(jī) Netdaily-I 的組成及穿戴示意圖

　　2.1 研究背景

　　在 20 世紀(jì)90 年代中期，在國際上可穿戴計(jì)算機(jī)研究剛興起時(shí)，就有人嘗試在仿真應(yīng)用中采用可穿戴計(jì)算機(jī)。例如，美國陸軍仿真及訓(xùn)練指揮部（STRICOM）在那時(shí)開發(fā)了一套軍事演練系統(tǒng)（AUGSIM），該系統(tǒng)在單兵級采用了“穿戴”在步兵身上的演練仿真器。和傳統(tǒng)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的步兵演練仿真器不同，這種穿戴式步兵演練仿真器可以使得演練者能夠在自由跑動(dòng)中或匍匐前進(jìn)中與仿真的戰(zhàn)場實(shí)體（如士兵、坦克、地雷等）進(jìn)行交互，大大提高了演練效果，降低了演練成本。

　　目前國際上對可穿戴仿真研究仍集中在個(gè)別應(yīng)用研究上，主要結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于訓(xùn)練仿真，缺乏對可穿戴仿真的全面和系統(tǒng)的研究，還沒有明確提出基于可穿戴計(jì)算仿真（或可穿戴仿真）的概念，沒有一個(gè)明確、規(guī)范的定義，更沒有給出可穿戴仿真本質(zhì)特征、系統(tǒng)構(gòu)架以及應(yīng)用模式等。可穿戴計(jì)算在仿真領(lǐng)域的應(yīng)用已引起國際學(xué)術(shù)界的關(guān)注，CNDS 2002 已將可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)列為主題之一。

　　現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)仿真平臺大多是局限于某個(gè)物理位置（如單機(jī)仿真）或分散到多個(gè)不同的物理位置（如分布仿真），不具備移動(dòng)性，盡管也有車載或機(jī)載的移動(dòng)分布仿真，但這種移動(dòng)性不是以人為中心移動(dòng)的，和人是分離的，即不能很好地做到人到哪兒，仿真就跟到哪兒，因而難以應(yīng)用于某些特殊的仿真場合，如人在特殊狀態(tài)下（運(yùn)動(dòng)、工作、躺臥等）或在特殊環(huán)境下（狹窄空間、野外、高空、水下等）進(jìn)行的仿真。隨著可穿戴計(jì)算機(jī)的發(fā)展，基于可穿戴計(jì)算的仿真逐步成為解決上述問題的有效途徑。

　　2.2 可穿戴仿真的概念及特點(diǎn)

　　明確可穿戴仿真的基本概念和特征是很必要的。本文將基于可穿戴計(jì)算的仿真簡稱為“可穿戴仿真”（Wearable Simulation），縮寫為WS?？纱┐鞣抡嬉浞煮w現(xiàn)可穿戴計(jì)算的特征，利用其獨(dú)特和優(yōu)勢功能。

　　可穿戴仿真是以可穿戴計(jì)算為基礎(chǔ)，以移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)為支撐，以可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為平臺，以人為中心，移動(dòng)的、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的新型仿真技術(shù)，本文嘗試給出可穿戴仿真應(yīng)具備的若干特征：

　　可穿戴 仿真平臺微型化、輕巧化、便攜化，可“穿戴”在身上，人機(jī)之間物理和邏輯關(guān)系更緊密，即便的在狹窄空間、高空甚至水下等特殊環(huán)境也能進(jìn)行仿真活動(dòng)。從DIS的觀點(diǎn)，可穿戴帶仿真系統(tǒng)分布到了個(gè)人一級。

　　移動(dòng)性 可使穿戴者在移動(dòng)中進(jìn)行仿真，特別適合于在走動(dòng)、跑動(dòng)、甚至爬行的場合的仿真，這是一種隨人移動(dòng)的仿真，人到哪里，仿真平臺跟到哪里（這不同于飛機(jī)，戰(zhàn)車的移動(dòng)性）。

　　增強(qiáng)性 利用可穿戴的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將仿真實(shí)體與真實(shí)環(huán)境融為一體（Seamless），仿真者與仿真實(shí)體交互的同時(shí)可與真實(shí)環(huán)境交互。所以這是一種“增強(qiáng)”仿真或混合仿真，是真實(shí)和虛擬、數(shù)字空間和物理空間的混合。這種混合目前只是將虛擬圖形、文本和聲音等與真實(shí)場景的混合，是一種場景的混合。但引起我們聯(lián)想和值得深入思考的問題是，這種增強(qiáng)和混合與我們傳統(tǒng)系統(tǒng)仿真中混合仿真概念的關(guān)系，是否可將他們在更高的抽象層次（和概念上）統(tǒng)一起來。傳統(tǒng)混合仿真系統(tǒng)概念是數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的混合系統(tǒng)，從物理概念上看，這是一種通過接口實(shí)現(xiàn)的數(shù)字系統(tǒng)和物理設(shè)備系統(tǒng)的混合。關(guān)于如何將可穿戴計(jì)算的智能和感知增強(qiáng)引入仿真值得深入思考。

　　人在回路中可穿戴仿真通過可穿戴計(jì)算系統(tǒng)把人連接在整個(gè)仿真系統(tǒng)的回路中。以人為中心 物理空間上的以人為中心，表現(xiàn)為仿真平臺被穿戴在身上；功能和邏輯上的以人為中心，表現(xiàn)為可穿戴仿真更智能化地、一致地（consistently）和連續(xù)地輔助和指導(dǎo)穿戴者。

　　解放雙手 采用多通道交互技術(shù)，使得在進(jìn)行仿真的同時(shí)可以用手進(jìn)行其他操作，目前實(shí)用的方式是單手鍵盤，較好的解放了一只手。

　　2.3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

　　目前可穿戴計(jì)算在仿真中的應(yīng)用，主要采用了基于可穿戴計(jì)算的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)。AR 是指在真實(shí)環(huán)境上提供信息性覆蓋，如將圖形、文字、聲音及超文本等疊加于真實(shí)環(huán)境之上，提供附加信息，是虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境的結(jié)合（如圖2）。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，用戶可在關(guān)注真實(shí)世界時(shí)，根據(jù)需要立即訪問虛擬世界，或注視著虛擬世界的同時(shí)也可知曉真實(shí)環(huán)境。可穿戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可使仿真的虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境之間形成無縫交互（seamless interaction）。這些性能在訓(xùn)練仿真中是非常有用的，如在單兵級仿真演練中，虛擬實(shí)體的疊加在真實(shí)戰(zhàn)場的場景中，和真實(shí)世界融合為一體，每個(gè)攜帶可穿戴計(jì)算仿真系統(tǒng)的單兵要與這些虛擬的戰(zhàn)場實(shí)體（如虛擬碉堡、戰(zhàn)車和敵人）進(jìn)行交互，虛擬的實(shí)體也要與真實(shí)的實(shí)體交互。

　　圖 2 VR 使用戶只能感受到由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維仿真圖形的光線（虛線），屏蔽了實(shí)物的光線（實(shí)線）。AR 使用戶即能感受到的實(shí)物的光線（實(shí)線），同時(shí)也可看到由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的“疊加”光線（虛線）。

　　2.4 可穿戴仿真的應(yīng)用

　　可穿戴仿真在軍事上的典型應(yīng)用就是的單兵級的仿真演練，圖3 是一個(gè)初步構(gòu)的思參考框架。將可穿戴仿真系統(tǒng)配備到每個(gè)士兵，使之成為一個(gè)個(gè)移動(dòng)的仿真節(jié)點(diǎn)，每個(gè)士兵與車載仿真控制中心無線聯(lián)網(wǎng)，車載中心連接分布交互式仿真（DIS）網(wǎng)絡(luò)，從而形成一個(gè)深入到單兵一級的分布式仿真體系結(jié)構(gòu)。在這個(gè)框架的支撐下，可生成虛實(shí)結(jié)合的“戰(zhàn)場”，通過頭戴顯示器，士兵們可以同時(shí)看見真實(shí)戰(zhàn)地環(huán)境和計(jì)算機(jī)仿真生成的虛擬戰(zhàn)場實(shí)體（如敵方士兵、坦克、炮火，工事，據(jù)點(diǎn)等），真實(shí)與虛擬可交互，并能像真實(shí)演練一樣沖鋒、蹲伏、臥倒、瞄準(zhǔn)射擊等，大幅提高了演練的真實(shí)效果。

　　圖3 可穿戴仿真應(yīng)用于單兵級訓(xùn)練的參考模型

　　以上框架只是一個(gè)初步的設(shè)想，還很不成熟，有待深入研究。除了軍事應(yīng)用，有人研究將可穿戴仿真試用于設(shè)備安裝或維修仿真訓(xùn)練和指導(dǎo)，和生產(chǎn)線的操作仿真?？纱┐鞣抡孢€可廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)療、娛樂等領(lǐng)域。隨著對可穿戴仿真研究的深入，其應(yīng)用領(lǐng)域必將不斷擴(kuò)大。

　　3 結(jié)論

　　可穿戴計(jì)算作為一種嶄新的計(jì)算模式正在迅速發(fā)展，正如前面所指出，這是一個(gè)挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，面臨許多問題需要研究和解決?？纱┐饔?jì)算不止是微型化的問題，而是計(jì)算模式和人機(jī)關(guān)系的變革，關(guān)于可穿戴計(jì)算的深層意義和巨大潛力，目前還不容易為人所認(rèn)識。

　　可穿戴計(jì)算應(yīng)用于系統(tǒng)仿真，具有誘人的發(fā)展前景，值得深入探索和研究，本文只是對可穿戴仿真初步探討，許多提法是朦朧的和不完善的，甚至不正確，有許多具體的、深入的技術(shù)問題未能涉及。但我們希望可穿戴計(jì)算能引起仿真學(xué)術(shù)界的關(guān)注，共同推動(dòng)可穿戴仿真的研究和應(yīng)用。