可穿戴設備的發展與應用

通過打破機器的限制，讓計算機移動是人們追求的方向。從1966年第一臺可穿戴計算機問世以來,可穿戴計算一直是計算機領域的一個重要研究方向。其研究內容從輸入輸出界面,連續傳感數據的計算處理,到行為識別,環境背景認知,甚至到材料與能耗,涉及了大量的相關技術方向。但可穿戴設備成為消費級產品,走入大眾的視野還是最近從耐克依托于Nike+平臺的運動數字化產品開始的。這其中有計算機硬件發展的原因:隨著傳感、計算、無線通訊等核心功能可以通過越來越小和輕的模塊來實現,在可穿戴性方面面臨的最大問題得到了解決。然而,真正給可穿戴設備帶來越來越大的發展前景的還是對其定位的轉變。早期的可穿戴計算多以拓展人體功能、研發電子人(Cyborg)為目標,其最終追求是一個相對封閉的對人的各種行為能力進行提升的計算機系統。而現在隨著大數據、云計算、數據挖掘與分析、移動計算、無線通信和社交網絡等的日漸成熟,可穿戴設備的定位已經日漸突破單個的個體,擴展到網絡和社會的尺度;從本地化的行為能力提升到了依托互聯與網絡、基于數據分析的服務與協同。可穿戴設備的設計已不只是對產品實物的設計,對其應用與服務的設計成了最終將其推向市場的更為重要的部分。相應地,在技術研究上也將不僅限于解決輸入輸出及信號處理等硬件方面的問題,數據的分析挖掘及互聯性的應用將日漸成為更為核心的部分。這一定位的轉變以及可穿戴設備從實驗室走向終端用戶的進程都給交互設計提供了在可穿戴設備發展中發揮作用的機會。本文首先對可穿戴設備的分類及特點進行分析,然后從人機交互、界面設計、應用與服務設計三個主要方面對可穿戴設備交互設計的特性及要素進行歸納與探討。一、可選設備的分類和性能按佩戴方式,可穿戴設備主要可以分為頭戴式、腕帶式、攜帶式和身穿式四大類,下面分別對這四類產品的特點和主要交互方式加以介紹。1.傳統液壓工具現有代表:谷歌眼鏡、Melon頭環特點:(1)可以在用戶自然視野中顯示信息;(2)可利用骨傳導或耳機發送私密聲音信號;(3)與用戶的視野和頭部運動關系高度密切。交互方式:(1)耳機或骨傳導;(2)微型投影;(3)語音控制;(4)傳統物理輸入(如按鈕和觸摸板);(5)肢體運動感應(如陀螺儀);(6)身體信息感應(如腦電波)。(圖1)2.腕帶式設備現有代表:高通Toq、三星GalaxyGear、Pebble、Nike+FuelBand特點:(1)顯示屏較小或不具備顯示屏幕;(2)可測量脈搏、血壓等參數;(3)與用戶的肢體運動關系高度密切;(4)一般利用低功耗通信技術(如藍牙4.0)與手機App配合使用;(5)作為傳統移動智能設備的輔助工具(如接收通知、快速設置等等)。交互方式:(1)震動和指示燈;(2)微型顯示屏;(3)傳統物理輸入(如按鈕和觸摸板);(4)肢體運動感應(如陀螺儀);(5)身體信息感應(如血壓和脈搏);(6)環境數據采集(如海拔、微粒與環境檢測);(7)配套應用。3.肢體通信功能現有代表:Oxyful智能錢包、跟屁蟲藍牙防丟設備、微蜜特點:(1)顯示屏較小或不具備顯示屏幕;(2)不直接佩戴在肢體上;(3)可作為移動設備的外接裝置;(4)一般利用低功耗通信技術(如藍牙4.0)與手機App配合使用。交互方式:(1)震動和指示燈;(2)微型顯示屏;(3)傳統物理輸入(如按鈕和觸摸板);(4)肢體運動感應(如陀螺儀);(5)環境數據采集(如微粒與環境檢測);(6)配套應用。4.可佩戴設備的分類現有代表:阿迪達斯超新星Bra、UnderArmourE39T恤、Nike+運動鞋特點:(1)顯示屏較小或不具備顯示屏幕;(2)直接穿在身體上;(3)與日常穿著結合。交互方式:(1)微型顯示屏;(2)植入服裝材料的顯示;(3)作用于身體的壓力及觸覺反饋(如溫度變化);(4)肢體運動感應(如陀螺儀);(5)身體信息感應(如體溫、心率、血壓);(6)基于特殊服裝材料的感應;(7)配套應用。(圖2)除了佩戴方式,可穿戴設備也可分為平臺級和產品級的。平臺級的,像谷歌眼鏡、Pebble,旨在作為一個通用的平臺運行不同的應用。這樣的設備一般擁有完整獨立的操作系統和開發框架,官方支持擴展應用或第三方應用程序。產品級的像Nike+FuelBand等,往往是為了支持某些特定的功能而研發的。這樣的設備一般操作系統和軟件相對封閉,無官方開放的SDK和第三方應用程序。如同蘋果的AppStore的機制革命性地推動了移動應用乃至移動互聯網的發展一樣,通過平臺化的方式開放應用的設計和開發也將是可穿戴設備發展的一個重要途徑,尤其是在其數據化與應用化的新定位下。不少產品級的設備也都在順應這一趨勢,如ThalmicLabs新推出的MYO腕帶開放API允許第三方開發應用程序,將攝像頭攝入的圖像流分享到互聯網,并將評論等實時返回給用戶的TelepathyOne也有開放SDK的計劃。二、可佩戴設備交互方式設計因為可穿戴設備穿戴在身上的本質特性,在它的設計與研制上有很多極富挑戰的需求需要滿足,如舒適性,安全性,耐用性,交互的便捷性,信息傳達的有效性,電子元器件安裝的穩定性,數據采集的準確性,能耗的持久性,甚至設備穿戴及使用行為的社會接受度等。這些都對可穿戴設備的人機交互提出了很高的要求。在可穿戴計算、人機交互等領域有不少針對這些問題的基礎研究,其研究成果、切入點、研究方法在優化可穿戴設備的人機交互體驗、創造新的交互方式的過程中值得借鑒。根佩勒(Gemperle)等早在1999年就從人體與可穿戴設備的交互出發,對運動中的可穿戴性進行了深入的研究,得出了一系列可穿戴設備佩戴位置選擇與產品形態設計方面的原則。哈里森(Harrison)等進一步從信息傳達的角度對在不同身體部位佩戴可穿戴設備的視覺反應的時效性進行了研究。巴伯(Baber)等從人因工程的角度,對滿足不同類型需求的可穿戴設備在支持任務完成和物理體驗方面的人機交互特性進行了分析。奈特(Knight)等提出了從外觀感受及放松程度,與身體的貼合度,對身體是否有害,是否有異樣的感覺,對運動的影響,以及對設備的安全和可靠度的焦慮六個維度對可穿戴設備的舒適性進行研究的方法。鄧恩(Dunne)等從感知和認知的角度,研究用戶對可穿戴設備帶來的感官刺激的意識程度。鄧恩認為,可以被“忘記”并且能給人提供認知上的幫助是可穿戴性的重要方面。普羅菲塔(Profita)等研究了人們對他人在公共場所與穿戴在身上的設備進行互動的社會接受度,以及人們認為的合適的控制界面在身上的放置位置,對可穿戴設備基于身體的交互方式的設計具有參考價值。在具體的交互方式上,相比于六七年前蘋果把觸摸歷史性地引入人機交互,經可穿戴設備而得以推廣的將是基于傳感的交互方式。采用基于傳感的交互方式既是對可穿戴設備易于獲取身體信息的優勢的利用,也是對可穿戴設備視覺界面小、不易觸控的問題的一個很好的解決方案。基于傳感的交互既包括通過傳感器識別人的操控輸入、采集人體的數據,也包括采集環境數據,或接受環境中的傳感器發來的信息,進行分析處理后反饋到人的感官系統上。可穿戴設備界面尺寸小,并且在隨身行動時不便于觸控的特點也給一直以來發展不冷不熱的語音、手勢、眼動識別等交互方式帶來了更為適合的應用場景,有可能因此給這些交互方式的研發與應用帶來一個大的提升。因為可穿戴設備往往是人們在進行日常活動時提供輔助功能的,為了能夠在不同的情境下支持任務的有效執行,可穿戴設備的交互應該是多模態的,即多種交互方式的組合。例如佩戴谷歌眼鏡的用戶可以通過眨眼或語音控制拍照,通過仰頭啟動眼鏡顯示時間。輕觸鏡架上的觸摸板可以進行菜單和內容的導航,通過骨可以傳導發送私密的聲音信號,即時的信息推送可以根據周圍環境的變化幫助用戶進行地圖導航、收發郵件等不同的功能。與手機及網絡聯動雖然不是用戶直接的操作行為,但也是可穿戴設備交互方式中不可不提及的一個重要方面。在絕大多數設備都有配套手機應用的情況下,人們與可穿7戴設備的交互在很多時候更像與輸入輸出設備的互動,背后的功能操作很多是在手機應用或云端完成的,這樣的認知理念會在很大程度上影響人們與設備本身的交互。(圖3)目前,可以產品化的可穿戴設備的輸入方式主要包括:(1)身體數據感應(如腦電波、心跳等);(2)肢體(如面部、手指、手腕、身體軀干、腳等)動作探測;(3)眼動追蹤;(4)實物交互(如手拍);(5)語音指令與選擇;(6)肌肉生物電;(7)環境數據探測(如溫度、濕度、空氣清潔度、位置等)。輸出方式主要包括:(1)聲音;(2)小顯示屏(如LCD、LED、OLED、AMOLED、ePaper、軟性顯示、透明面板);(3)頭戴式微型投影;(4)環境投影;(5)內置燈光;(6)振動、溫度等肢體可感受信號;(7)利用其他平臺的界面來顯示數據信息。在這些背后還有大量潛在的交互方式與技術在研究試驗中。馬納布(Manabe)等研究了以可傳導塑料優化基于耳機的眼動輸入方式。安夫特(Amft),亞坦尼(Yatani)等為支持與進食監測等相關的醫療保健應用,分別嘗試了通過肌電圖(EMG)以及附著于耳機和佩戴于頸部的麥克風和其他聲學傳感器來識別吃、喝、咀嚼、吞咽、講話、笑、咳嗽等不同的口腔運動。戴勒(Deyle)等開發了一種利用壓電傳感器探測通過骨頭傳導的運動聲音的肢體運動識別輸入方式。洛克萊爾(Loclair)等關注如何讓用戶在完成主要任務的同時方便快捷地通過“微交互”(只需要眼睛短暫關注的交互)來進行次要任務的完成。他們發明了一個單手交互的系統,通過整體的手勢,或者拇指按壓手指或手掌,在手掌上滑動、轉動等方式來進行不同的操作。針對可穿戴設備可操控界面越來越小的情況,基姆(Kim)等專注于發掘利用其上部的周邊空間進行手勢操作的可能性,并具體推出了運用紅外距離感應器的原型系統。米斯特里(Mistry)等的可穿戴界面WUW使人們可以通過基于手勢的輸入和增強現實的信息呈現直接和投影在環境中的信息或周圍的物體進行互動。秋山(Akiyama)等研制了一個熱媒系統讓人們可以隨著所聽的音樂對應地感受到動態的冷熱變化,從而給用戶帶來前所未有的情感體驗。三、界面尺寸小給設計帶來的挑戰可穿戴設備在尺度上日漸縮小的趨勢是一把雙刃劍,在提高便攜與可穿戴性的同時也因界面的尺寸過小給設計帶來了很大的挑戰。并且,人們在使用可穿戴設備的時候往往還需要關注周圍環境或者還同時有另一個更為主要的任務在執行。因而,在界面設計方面需要深入分析這些特殊性,尋找其特有的設計理念與原則。1.可穿戴設備的交互設計簡要說明:將使用場景與環境作為界面的一部分,應盡量將圖形界面作為場景的補充而不是復制。在擁有圖形界面顯示能力的穿戴設備上,畫面往往是現實使用情境的補充,而不是像傳統設備屏幕那樣是一個獨立于現實世界的屏幕空間,所以如何在界面設計中創建界面與現實生活的聯系顯得十分重要。從另一個角度講,用戶對于可穿戴設備的輸入很大一部分來自日常生活的動作和行為,這與傳統輸入有一個很重要的區別,即輸入行為的復用性。在傳統設備中,用戶對于設備或系統的指令往往是特指的、單一的,但對于可穿戴系統來說,用戶的輸入可能是其另一個動作的復用,或者說用戶的輸入行為不僅是用于操作設備的意圖。比如,用戶環顧周圍景色的動作可以同時被用作頭戴式可穿戴設備的行為輸入,如作為錄制畫面時的移動取景器或是改變增強現實信息的關注點。近期出現的配備“協處理器”的移動設備也可以利用用戶行為作為輸入,但在這種狀態下的移動設備在另一層面上也可以被看作是攜帶式的可穿戴設備。由此可見,可穿戴設備的交互設計應保證與用戶真實使用情境(環境、動作和目標)有足夠的聯系,從而能利用更加方便自然的輸入方式,獲取用戶的指令和環境信息,并進一步增強設備服務與現實生活體驗的連貫性。由SkyDroid開發,運行在谷歌眼鏡上的GolfSight旨在為高爾夫愛好者提供便利。圖4所示界面展示了用戶當前所在球場的基本信息,航拍場地地圖占據了界面的主要位置,圖形化的標記點簡明地指出了關鍵的位置信息。左側的列表用與右側標記對應的方式顯示了參數信息。(圖4)2.智能單網融合的邏輯推進式智能終端設計簡要說明:降低單個界面的復雜程度,對于復雜的功能更多地采用層次推進,如果可能采用語音輔助屏幕顯示來展現結果。由于可穿戴設備的畫幅和輸入限制,采用更加線性的交互邏輯將會提升整個應用或系統的效率與可用性。這一設計理念在早期的移動設備中有廣泛而深入的運用,即便在如今大屏幕高性能移動設備普及的情況下,線性、重復性的交互設計仍舊對轉移用戶認知和降低學習門檻有重要作用。采用層次推進不僅僅是將功能分流程進行,合理地將不同功能進行規劃與分割也非常關鍵:應保證不同功能在使用的過程中能夠按照一套框架流程與交互邏輯與用戶進行交互。作為智能手機在Pebble腕表上的快速入口,Smartwatch+首先需要解決的問題便是如何將智能手機復雜的功能和邏輯轉移到智能手表上。如圖5-1和圖5-2所示,Smartwatch+利用列表式的界面結合推進式的菜單結構最大程度地減少了單一界面的復雜程度,并運用簡短的文字和簡單的圖標突出主菜單。(圖5)3.動態磁貼與用戶體驗簡要說明:弱化或取消功能清單式的主菜單,盡量直接地在第一層級就展現功能。由傘狀的信息架構向平行的信息架構轉變。在條件允許的情況下,可使用即時待命的語音控制來呼叫功能。與傳統移動設備相比,可穿戴智能設備離用戶好像更“近”了,這種“近”不僅體現在佩戴特點上,更應從交互設計層面做出適應。結合上述的減少選擇理念,當單個界面的復雜性降低到一定程度之后,某些功能和信息便可以被直接“平鋪”呈現在菜單之上。將關鍵功能與信息展現于第一層級有助于提升用戶的使用效率,并同時拉近產品與用戶的距離:微軟公司在Windows8和WindowsPhone/RT操作系統中引入的動態磁貼也是利用這種方式提升了主菜單的效率。雖然弱化了功能清單式的主菜單,但這樣的設計方式往往可以與清單式的補充菜單搭配使用,即主要信息與功能在第一層級,更多操作和詳細選項仍可以繼續呼出菜單來進行操作。本質上,如此設計是幫助用戶做了功能的預先選擇,將最重要(或是最多人需要)的功能和信息提煉并整理出來。比起列表式菜單導航,Fancy的谷歌眼鏡版本在首級菜單頁面便完整地顯示了單個產品的基本信息。對于關鍵信息的成功提煉簡化了操作流程,讓功能和信息更加貼近用戶。(圖6)簡要說明:規避復雜的輸入控件,減少應用對于用戶手動輸入的需求,盡可能多地利用傳感器、環境交互和互聯網數據接口。盡量做到在用戶需要時自動呈現結果而不必手動呼出。與上述即時訪問的理念一致,對于用戶輸入的精簡也是拉近與用戶的距離、提高使用效率的有效手段。在某種程度上,簡化用戶輸入也與降低界面復雜程度有諸多關聯。可穿戴設備的硬件特征造成了其與傳統個人移動設備輸入方式的區別,用戶對于可穿戴設備的使用場景與功能預期也決定了對輸入簡便性的高要求。有一些技巧可以簡化輸入的過程,如用語音輸入代替鍵盤輸入、用語音控制代替菜單導航等。但更多時候更應從功能和架構層面、從本質上改良應用的輸入,這在上述的場景融合理念中也已有所體現。通過記錄用戶的使用習慣(如由功能、時刻、時長、地理位置與目標等組成的數據集),可穿戴設備上的應用應更多地猜想和推演用戶在各種情境中的需求,并更多地為用戶做出選擇。谷歌公司出品的GoogleNow服務即體現了這樣的方法:程序會自動為用戶呈現用戶在此時(或此段時間內)此地可能需要的信息或功能列表。這些界面中所呈現的內容是由程序利用許多分析用戶日常行為的算法自動生成的,因此,隨著用戶的使用,手動的輸入和尋找將變得越來越不必要。結合第三方數據開放接口平臺(APIs),也可以讓程序盡可能少地通過用戶的手動輸入來獲得完成功能所需的信息。5.視覺元素的使用簡要說明:避免使用不必要的視覺元素來讓界面模擬某種形態或物品,謹慎使用動畫和轉場,僅保留幫助用戶理解界面層級以及控件功能的動畫和轉場。當前的可穿戴設備硬件水平決定了我們無法在圖形界面中使用太過復雜的視覺元素。更重要的是,保持一個簡明扼要的界面對于用戶的理解和使用有十分積極的作用。由于可穿戴設備本身就是一件物品、一種工具,從圖形界面的層次上就無需再去模擬其他的工具與物品,這一點也對實現上述的理念有所助益。與外觀不同,界面的行為和動作可以通過適當的隱喻來降低用戶的理解成本。適當的動畫和轉場能幫助用戶理解界面的層次與交互邏輯,但除此之外,應盡量避免使用動畫與轉場。應當把界面動畫當作一種手段而非修飾,即只在需要吸引用戶注意的時候使用。由于可穿戴設備與身體高度貼近的特殊性(如谷歌眼鏡的界面佩戴時一直在人的視野中),如果設計不當會讓用戶更容易受到打擾,盡力從各個層面規避干擾便顯得尤為重要。四、環保的運行監測方式可穿戴設備市場化、數據化、網絡化的發展趨勢給交互設計帶來的最大空間在應用和服務的設計上。把交互設計對用戶需求的分析理解以及對應用與服務的構建方法運用到可穿戴設備生態系統的規劃上,將有助于推動這一產業的快速發展。可穿戴設備正在空前地挖掘釋放用戶身體和行為的數據信息,使人們可以實現量化自我,并通過對實時的、連續的個人生活數據進行分析解讀,提供即時的反饋信息,幫助人們做出選擇和改變,用數據改善行為和做出決策。比如FitbitFlex在記錄用戶的運動習慣后,可以利用取得的數據幫助用戶制定健身計劃。Nike+的SportWatch可以讓用戶從Nike+的網絡平臺上搜索由耐克公司和其他跑步愛好者上傳的跑步路線,并根據自己當前的位置、計劃跑步的距離、希望經過的標志地點等信息找到最為理想的線路。Melon頭環通過測量腦部活動判斷用戶的專心程度,在用戶精神不夠集中的時候,提醒他進行深呼吸或者外出散步休息。Melon頭環還可以記錄這些措施對用戶精神平衡產生的影響,以便以后提出更為合適的建議。Scanadu的三錄儀通過感應、掃描、追蹤和分析關鍵的人體健康數據,可以及時發現用戶身體狀況的變化,并將這些自我診斷的數據發送給私人醫生或相關專家尋求醫療指導。除了對個人行為和決策的影響,對可穿戴設備采集的信息的挖掘和分析還可以被運用于社會化的方向,如支持商業、社交、娛樂、協同工作以及改善公共事業管理等。青蛙設計在這些方面做了很多有益和有趣的嘗試。AirWaves是一