2 可穿戴計算與系統仿真

　　可穿戴計算機作為一種嶄新的計算模式肯定也會給系統仿真帶來新的概念，促進形成新的系統仿真模式和技術。這應該引起我們的重視，積極研究基于可穿戴計算的系統仿真概念、特點、體系、技術和應用。

　　圖 1 重慶大學研制的可穿戴計算機 Netdaily-I 的組成及穿戴示意圖

　　2.1 研究背景

　　在 20 世紀90 年代中期，在國際上可穿戴計算機研究剛興起時，就有人嘗試在仿真應用中采用可穿戴計算機。例如，美國陸軍仿真及訓練指揮部（STRICOM）在那時開發了一套軍事演練系統（AUGSIM），該系統在單兵級采用了“穿戴”在步兵身上的演練仿真器。和傳統的基于虛擬現實（VR）技術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中或匍匐前進中與仿真的戰場實體（如士兵、坦克、地雷等）進行交互，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別應用研究上，主要結合增強現實技術應用于訓練仿真，缺乏對可穿戴仿真的全面和系統的研究，還沒有明確提出基于可穿戴計算仿真（或可穿戴仿真）的概念，沒有一個明確、規范的定義，更沒有給出可穿戴仿真本質特征、系統構架以及應用模式等。可穿戴計算在仿真領域的應用已引起國際學術界的關注，CNDS 2002 已將可穿戴計算機系統列為主題之一。

　　現有的計算機仿真平臺大多是局限于某個物理位置（如單機仿真）或分散到多個不同的物理位置（如分布仿真），不具備移動性，盡管也有車載或機載的移動分布仿真，但這種移動性不是以人為中心移動的，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，因而難以應用于某些特殊的仿真場合，如人在特殊狀態下（運動、工作、躺臥等）或在特殊環境下（狹窄空間、野外、高空、水下等）進行的仿真。隨著可穿戴計算機的發展，基于可穿戴計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

　　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算的仿真簡稱為“可穿戴仿真”（Wearable Simulation），縮寫為WS。可穿戴仿真要充分體現可穿戴計算的特征，利用其獨特和優勢功能。

　　可穿戴仿真是以可穿戴計算為基礎，以移動網絡為支撐，以可穿戴計算機系統為平臺，以人為中心，移動的、增強現實的新型仿真技術，本文嘗試給出可穿戴仿真應具備的若干特征：

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

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

　　增強性 利用可穿戴的增強現實技術，將仿真實體與真實環境融為一體（Seamless），仿真者與仿真實體交互的同時可與真實環境交互。所以這是一種“增強”仿真或混合仿真，是真實和虛擬、數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場景的混合，是一種場景的混合。但引起我們聯想和值得深入思考的問題是，這種增強和混合與我們傳統系統仿真中混合仿真概念的關系，是否可將他們在更高的抽象層次（和概念上）統一起來。傳統混合仿真系統概念是數字仿真系統和物理系統的混合系統，從物理概念上看，這是一種通過接口實現的數字系統和物理設備系統的混合。關于如何將可穿戴計算的智能和感知增強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算系統把人連接在整個仿真系統的回路中。以人為中心 物理空間上的以人為中心，表現為仿真平臺被穿戴在身上；功能和邏輯上的以人為中心，表現為可穿戴仿真更智能化地、一致地（consistently）和連續地輔助和指導穿戴者。

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

　　2.3 增強現實

　　目前可穿戴計算在仿真中的應用，主要采用了基于可穿戴計算的增強現實（AR）技術。AR 是指在真實環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環境之上，提供附加信息，是虛擬環境與真實環境的結合（如圖2）。利用增強現實，用戶可在關注真實世界時，根據需要立即訪問虛擬世界，或注視著虛擬世界的同時也可知曉真實環境。可穿戴增強現實技術可使仿真的虛擬環境和真實環境之間形成無縫交互（seamless interaction）。這些性能在訓練仿真中是非常有用的，如在單兵級仿真演練中，虛擬實體的疊加在真實戰場的場景中，和真實世界融合為一體，每個攜帶可穿戴計算仿真系統的單兵要與這些虛擬的戰場實體（如虛擬碉堡、戰車和敵人）進行交互，虛擬的實體也要與真實的實體交互。

　　圖 2 VR 使用戶只能感受到由計算機產生的三維仿真圖形的光線（虛線），屏蔽了實物的光線（實線）。AR 使用戶即能感受到的實物的光線（實線），同時也可看到由計算機產生的“疊加”光線（虛線）。

　　2.4 可穿戴仿真的應用

　　可穿戴仿真在軍事上的典型應用就是的單兵級的仿真演練，圖3 是一個初步構的思參考框架。將可穿戴仿真系統配備到每個士兵，使之成為一個個移動的仿真節點，每個士兵與車載仿真控制中心無線聯網，車載中心連接分布交互式仿真（DIS）網絡，從而形成一個深入到單兵一級的分布式仿真體系結構。在這個框架的支撐下，可生成虛實結合的“戰場”，通過頭戴顯示器，士兵們可以同時看見真實戰地環境和計算機仿真生成的虛擬戰場實體（如敵方士兵、坦克、炮火，工事，據點等），真實與虛擬可交互，并能像真實演練一樣沖鋒、蹲伏、臥倒、瞄準射擊等，大幅提高了演練的真實效果。

　　圖3 可穿戴仿真應用于單兵級訓練的參考模型

　　以上框架只是一個初步的設想，還很不成熟，有待深入研究。除了軍事應用，有人研究將可穿戴仿真試用于設備安裝或維修仿真訓練和指導，和生產線的操作仿真。可穿戴仿真還可廣泛應用于教育、醫療、娛樂等領域。隨著對可穿戴仿真研究的深入，其應用領域必將不斷擴大。

　　3 結論

　　可穿戴計算作為一種嶄新的計算模式正在迅速發展，正如前面所指出，這是一個挑戰性的領域，面臨許多問題需要研究和解決。可穿戴計算不止是微型化的問題，而是計算模式和人機關系的變革，關于可穿戴計算的深層意義和巨大潛力，目前還不容易為人所認識。

　　可穿戴計算應用于系統仿真，具有誘人的發展前景，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、深入的技術問題未能涉及。但我們希望可穿戴計算能引起仿真學術界的關注，共同推動可穿戴仿真的研究和應用。