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（中职）【02】虚拟现实技术与应用教案 第3章 智能可穿戴交互技术电子教案虚拟现实技术概论教案 授课班级班级人数授课教师课题序号授课课型授课课时4课时授课章节名 称第3章 智能可穿戴交互技术教学目标知识目标1. 了解智能可穿戴技术2. 掌握智能可穿戴技术发展3. 理解智能可穿戴交互设备分类4掌握智能可穿戴设备交互技术技能目标能使用智能可穿戴技术进行虚拟现实应用情感目标1. 培养勤于思考、举一反三的学习习惯；2. 培养良好的团队合作精神。教学重点智能可穿戴技术的概念、特征及分类教学难点智能可穿戴设备交互技术教学方法讲授法、自主学习法、探究法、小组讨论法教学资源教材、网络资源、教学视频、相关PPT，多媒体教室板书设计第3章 智能可穿戴交互技术 知识学习1. 智能可穿戴设备定义及特征2. 智能可穿戴技术发展3. 智能可穿戴交互设备分类4智能可穿戴设备交互技术技能训练评析智能可穿戴设备教 学 过 程主 要 教 学 内 容 及 步 骤教师活动学生活动教学目标【一】导入新章节通过前面两张的学习，我们对虚拟现实和增强现实有了一个粗略的了解，也知道了虚拟现实其实就是通过计算机与专用的虚拟现实设备和相应的软件来实现的，除了一般的虚拟现实设备之外，智能可穿戴设备也成为了当今的一种时尚。这类设备既可以应用虚拟现实技术，也可以成为人们日常生活装扮的一部分。如智能化眼镜、手套、手表、服饰、鞋、首饰等，更可以扩展为智能可携带器具。随着技术进步以及用户需求的变迁，智能可穿戴式设备在不断的变化。【二】新 授第3章 智能可穿戴交互技术学习目标 1.知识目标 （1）了解智能可穿戴技术（2）掌握智能可穿戴技术发展（3）理解智能可穿戴交互设备分类（4）掌握智能可穿戴设备交互技术 2.技能目标能使用智能可穿戴技术进行虚拟现实应用。知识学习3.1 智能可穿戴技术简介3.1.1 智能可穿戴设备定义及特征智能可穿戴设备定义即直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。智能可穿戴设备不仅仅是一种硬件设备，更是通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能，智能可穿戴设备将会对我们的生活、感知带来很大的转变。智能可穿戴式设备应具备以下基本特征：1. 可在运动状态下使用 2. 使用的同时可腾出手或做其它的事情 3. 使用者可进行控制 4. 具有可持续性 5. 多样性，即不同应用的可穿戴式计算机在构成、功能等方面应有所不同。从以上特征可看出，与传统的计算机相比，可穿戴式计算机与人的结合更为紧密。 3.1.2 广义智能可穿戴式设备广义穿戴式智能设备包括功能全、尺寸大、可不依赖智能手机实现完整或者部分的功能，如：智能手表、智能眼镜以及智能手环等，以及只专注于某一类应用功能，需要和其它设备如智能手机配合使用，如各类进行体征监测的智能手表、智能手环、智能首饰等。随着技术的进步以及用户需求的变迁，可穿戴式智能设备的形态与应用热点也在不断的变化。可穿戴设备即直接穿戴在身上或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备，可穿戴设备不仅仅是一种硬件设备，穿戴式智能设备是对可穿戴式硬件设备进行智能化设计、研发的全过程，如眼镜、手套、手表、服饰及鞋等，还可以通过软件支持、互联网+以及数据交互、云端交互来实现强大的交互功能，可穿戴设备将会对我们的生活、感知带来巨大的改变。穿戴式技术在国际计算机学术界和工业界一直都备受关注，只不过由于造价成本高和技术复杂，很多相关设备仅仅停留在概念领域。随着移动互联网的发展、技术进步和高性能低功耗处理芯片的推出等，部分穿戴式设备已经从概念化走向商用化，新式穿戴式设备不断传出，谷歌、苹果、微软、索尼、奥林巴斯、摩托罗拉等诸多科技公司也都开始在这个全新的领域深入探索、研究和开发新一代可穿戴智能设备。穿戴式智能设备的本意是探索人和科技全新的交互方式，为每个人提供专属的、个性化的服务，而设备的计算方式无疑要以本地化计算为主。只有这样才能准确去定位和感知每个用户的个性化、非结构化数据，形成每个人随身移动设备上独一无二的专属数据计算结果，并以此找准直达用户内心真正有意义的需求，最终通过与中心计算的触动规则来展开各种具体的针对性服务。穿戴式智能设备已经从幻想走进现实，它们的出现将改变现代人的生活方式。课堂讨论同学们，我们平时使用的智能手机属于智能可穿戴设备吗？知识学习3.2 智能可穿戴技术发展智能可穿戴技术拥有多年的发展历史，在20世纪60年代即智能可穿戴技术思想和雏形已出现，而具备可穿戴式智能设备形态的设备在20世纪7080年代出现，史蒂夫·曼基于Apple-II 6502型计算机研制的可穿戴计算机原型即是其中的代表。随着计算机标准化软硬件以及互联网+技术的高速发展，可穿戴式智能设备的形态开始变得多样化，逐渐在工业、医疗、军事、教育、娱乐等诸多领域表现出重要的研究价值和应用潜力。3.2.1 可穿戴技术发展可穿戴技术发展历程在过去受生产力和技术的限制，可穿戴产品主要表现为对PC的穿戴化改造。PC互联网时代，消费者的注意力还全部停留在台式机和笔记本产品之上，但这个时候已经有厂商、研究机构甚至是个人在穿戴式产品方面进行了尝试，试图对PC进行穿戴形态的改造，这也可以被看作是“穿戴式电脑”的起源。早期可穿戴设备的研发主要以实现基础功能为主，具体到形态上则千奇百怪五花八门，这主要受生产力和技术发展水平的限制，相比工业设计、审美标准以及引申出来的功能，开发者的目光更多的集中在产品实现方面。早期可穿戴设备手腕式电脑和今天可穿戴设备相比有体积大、操作不灵活、设计不美观等特点。2006年3月份，Eurotech公司曾推出过一款型号为Zypad WL 1000的手腕式电阻式触屏电脑，在业界引起了一阵轰动。消费者可以根据需要选择预装Linux或Windows CE操作系统的版本，配备3.5英寸240 x 320分辨率显示屏、内置GPS模块，支持802.11b/g无线网络，除了支持触控外，用户还可以利用机身按键进行操作。Zypad WL 1000手腕式电脑主要用于搜救部门，卫生医疗，安全，维修，交通，军事等领域，对大众电子消费者并不友好，而这也成为这款设备短命的重要原因之一。图3-2早期可穿戴设备Zypad WL 1000的手腕式电脑2012年，设计师Bryan Cera设计了一款名为Glove One的手套形态电话，可直接安装SIM卡使用，一度也被很多人定义为可穿戴计算设备形态的一种，但如果严格按照前面所给出的定义，由于不具备丰富的应用和功能特征，且不具备数据收集、整合和分析的能力，Glove One仅仅只是对手机进行穿戴式改造，看起来很酷，但除了基础的通话功能之外，并没有其它方面的应用和功能特征，其人机交互方式甚至采用的是传统的按键，因而并不完全属于严格意义上的可穿戴设备，这也就是前面提到的“形似”的一个特例。图3-3 早期可穿戴·Glove One的手套电话课堂提问请同学简单复述智能可穿戴设备的发展历程。知识学习3.2.2 智能可穿戴虚拟头盔和手表在传统的人机交互以键盘、鼠标以及手柄为媒介时代是很常见的一种交互方式，而在移动互联网时代，触控成为备受好评的一种新交互形式。Oculus Rift虚拟现实头盔出现为可穿戴设备吹起冲锋号，Oculus开发了一款名为Rift的沉浸式人机交互解决方案，通过可穿戴设备将用户置身于游戏场景当中，提供用户更为逼真的游戏体验和更为直观的人机交互方式。Oculus Rift的消息一经问世，就引来了人们极大的关注和阵阵好评，2013年E3游戏展上，Oculus Rift力压微软Xbox One和索尼PS 4等劲敌，荣获“最佳硬件奖”头衔。而在资本市场，Oculus Rift在众筹平台Kickstarter上筹资达250万美元，首轮融资也达到1600万美元。种种迹象都表明了外界对这种家庭娱乐方面的可穿戴设备形态人机交互方式的认同和期待。图3-4 Oculus Rift可穿戴虚拟现实头盔苹果公司的智能手表在可穿戴设备领域获利丰厚，业界估计光是AppleWatch这款产品给苹果公司带来的利润就高达55亿美金，这样的高利润趋势在未来几年还将可能继续保持。Apple公司将成为全球最大的手表制造企业，AppleWatch产品的受欢迎程度已经超过了瑞士手表。图3-5 苹果公司的可穿戴智能手表课堂讨论同学们，你们目前为止接触到的可穿戴设备还有哪些呢？知识学习3.2.3 智能可穿戴设备在健康、保健领域的发展尽管目前运动是可穿戴设备的主要关注点，但是在未来的几年里，这个重点将逐渐转移到健康保健领域。先进的传感技术、硬件体积缩小、人工智能算法等技术的发展将会让可穿戴设备成为对抗人类慢性疾病的一道有力防线。如糖尿病、心脏病、癌症这样的疾病，都将成为可穿戴设备对抗的目标。随着技术的发展，智能手表将会提前预知我们接下来有可能存在中风、心脏病这类疾病发作的风险。如果可穿戴设备真的能够做到这一点，那么我相信，全世界对它的重视程度将大大超越现在。图3-6 健康保健领域的智能可穿戴手表、手环等智能衣物的出现标志着可穿戴智能设备蕴藏巨大的商机，如UnderArmour等一些公司，已经发布了运动相关的周边产品，如智能运动鞋、智能运动衫等，这些产品能够跟踪用户步数、行走距离等。这类设备目前的年发货量还低于一百万，到2021年，这个情况将会发生巨变，智能衣物每年的出货量将有可能达到2470万，在这其中，大部分的市场份额被智能运动鞋类的产品占据。知识学习3.3 智能可穿戴交互设备分类可穿戴技术始于20世纪60年代，是美国麻省理工学院媒体实验室提出的创新技术，利用该技术可以把多媒体、传感器和无线通信等技术嵌入人们的衣着中，可支持手势和眼动操作等多种交互方式。通过“内在连通性”实现快速的数据获取、通过超快的分享内容能力高效地保持社交联系。摆脱传统的手持设备而获得无缝的网络访问体验。 一. 可穿戴技术：主要探索和创造能直接穿在身上、或是整合进用户的衣服或配件的设备的科学技术。可穿戴交互设备在现有的科学技术创造出的独立智能可穿戴式设备分为三类：1. 智能可穿戴内置设备类；2. 智能可穿戴外置设备类；3. 智能可穿戴外置机械设备类；图3-8 智能可穿戴交互设备分类3.3.1 智能可穿戴内置设备第1类智能可穿戴内置设备类包括：隐形眼镜、内置芯片等。 智能可穿戴隐型眼镜2012年，由比利时科学家研制出一种智能隐形眼镜(Smart contact lenses)。在这种隐形眼镜上，使用者可以清楚地看到手机上的内容，包括短信。比利时根特大学微系统技术中心开发的这种隐形眼镜，带有球形的LCD屏幕，使用者可以全天候佩戴。谷歌已经获得了智能可穿戴隐形眼镜专利权。智能可穿戴隐型眼镜，是一款用于监控体内葡萄糖水平的隐形眼镜，谷歌在测试研发一款智能隐形眼镜，内置一款无线芯片和微型的葡萄糖感应器，搭载在两层隐形眼镜之间，可测量眼泪中的葡萄糖水平，并将所收集的数据发送到智能手机等移动设备中进行读取和分析。当葡萄糖超出安全水平时，隐形眼镜能够点亮一个小型的LED来警示用户。图3-9 智能可穿戴内置设备课堂提问同学们，除以上提到的隐形眼镜、内置芯片外，智能可穿戴内置设备还有哪些呢？知识学习3.3.2 智能可穿戴外置设备第2类智能可穿戴外置设备类是最为熟悉的谷歌眼镜，镜片式投影，虚拟空间操作，也许我们会觉得操作方面较为别扭，但在科研、教育、医疗等一些其他领域，却能带来很多意想不到的效果。微软研发出创新性的AR/MR头盔HoloLens就是将一台全息电脑装入到头盔中，可以在客厅、办公室等地方看见、听见全息图，并与之互动。微软开发的头盔不需要用无线方式连接到PC，它还用高清镜头、空间声音技术来创造沉浸式、互动全息体验。智能可穿戴外置设备类在于可弯曲屏幕，这个设备的好处是其他技术都非常成熟的了，就等着屏幕能卷成一圈了，而LG近期已经研发出能弯曲90°的软性屏幕，那么当可弯曲屏幕真正成形，将智能手机上的配件重新设计布局，一个全功能的可穿戴式设备便成形了，所以这个是非常值得期待的智能可穿戴外置设备。3.3.3 智能可穿戴外置机械设备第3类智能可穿戴外置机械设备类是指全球运动与控制领域的领导者派克汉尼汾公司宣布其Indego外骨骼装置，Indego是一种个人移动系统，通过陀螺仪和感应器监测使用者的平衡水平来控制体位改变。这一款智能可穿戴外置机械设备可用作患者的机械下肢支撑，为臀部和膝盖提供直立行走所需的扭力或旋转力。得益于专有的控制接口，该装置运行流畅，能与人体的自然运动和姿态协调一致。Indego重12.25千克（27磅），仅为其它外骨骼装置的一半。此外，其外形纤细轻巧，采用了模块化设计，可迅速进行组装和拆卸以便于使用和运输。图3-12 智能可穿戴外置机械设备3.4 智能可穿戴设备交互技术智能可穿戴式设备，一般的理解就是一种可穿戴的便携式计算设备，具有微型化、可携带、体积小、移动性强等特点。可穿戴设备是一种人机直接无缝、充分连接的交互方式，其主要特点包括单（双）手释放、语音交互、感知增强、触觉交互、意识交互等。智能可穿戴设备的主要交互方式及交互技术有以下几个方面。3.4.1 骨传导交互技术骨传导交互技术主要是一种针对于声音的交互技术，将声音信号通过振动颅骨，不通过外耳和中耳而直接传输到内耳的一种技术。骨传导振动并不直接刺激听觉神经，但它激起的耳蜗内基底膜的振动却和空气传导声音的作用完全相同，只是灵敏度较低而已。在正常情况下，声波通过空气传导、骨传导两条路径传入内耳，然后由内耳的内、外淋巴液产生振动，螺旋器完成感音过程，随后听神经产生神经冲动，呈递给听觉中枢，大脑皮层综合分析后，最终“听到”声音。简单一点说，就是我们用双手捂住耳朵，自言自语，无论多么小的声音，我们都能听见自己说什么，这就是骨传导作用的结果。骨传导技术通常由两部分构成，一般分为骨传导输入设备和骨传导输出设备。骨传导输入设备，是指采用骨传导技术接收说话人说话时产生的骨振信号，并传递到远端或者录音设备。骨传导输出设备，是指将传递来的音频电信号转换为骨振信号，并通过颅骨将振动传递到人内耳的设备。目前在智能眼镜、智能耳机等方面的应用即是骨传导交互技术，骨传导技术是比较普遍的交互技术，包括谷歌眼镜也是采用声音骨传导技术来构建设备与使用者之间的声音交互。3.4.2 眼动跟踪交互技术眼动跟踪，又称为视线跟踪、眼动测量。眼动追踪技术是一项科学应用技术，通常由三种追踪方式：一是根据眼球和眼球周边的特征变化进行跟踪，二是根据虹膜角度变化进行跟踪，三是主动投射红外线等光束到虹膜来提取特征。眼动追踪技术是当代心理学研究的重要技术，已经存在着相当长的一段时间，在实验心理学、应用心理学、工程心理学、认知神经科学等领域有比较广泛的应用。随着可穿戴设备，尤其是智能眼镜的出现，这项技术开始被应用在可穿戴设备的人机交互中。眼动跟踪交互技术的主要原理是，当人的眼睛看向不同方向时，眼部会有细微的变化，这些变化会产生可以提取的特征，计算机可以通过图像捕捉或扫描提取这些特征，从而实时追踪眼睛的变化，预测用户的状态和需求，并进行响应，达到用眼睛控制设备的目的。通常眼动跟踪可分为硬件检测、数据提取、数据综合三个步骤。硬件检测得到以图像或电磁形式表示的眼球运动原始数据，该数据被数字图像处理等方法提取为坐标形式表示的眼动数据值，该值在数据综合阶段同眼球运动先验模型、用户界面属性、头动跟踪数据、用户指点操作信息等一起被综合实现视线眼动跟踪功能。3.4.3 ARMR交互技术增强现实（AR），是指在真实环境之上提供信息性和娱乐性的覆盖，如将图形、文字、声音、视频及超文本等叠加于真实环境之上，提供附加信息，从而实现提醒、提示、标记、注释及解释等辅助功能，是虚拟环境和真实环境的结合。介入现实（MR），则是计算机对现实世界的景象处理后的产物。AR/MR技术可以为可穿戴设备提供新的应用方式，主要是在人机之间构建了一种新的虚拟屏幕，并借助于虚拟屏幕实现场景的交互。这是目前智能眼镜、沉浸式设备、体感游戏等方面应用比较广泛的交互技术之一。3.4.4 语音交互技术语音交互可以说是可穿戴设备时代人机交互之间最直接，也是当前应用比较广泛的交互技术之一。尤其是可穿戴设备的出现，以及相关语音识别与大数据技术的逐渐成熟，给语音交互带来全新的契机。新一代语音交互的崛起，并不是识别技术上取得了多大的突破，而关键是将语音与智能终端以及云端后台进行了恰到好处的整合，让人类的语音借助于数据化的方式与程序世界实现交流，并达到控制、理解用户意图的目的。前端使用语音技术，重点在后台集成了网页搜索、知识计算、资料库、问答推荐等各种技术，弥补了过去语音技术单纯依赖前端命令的局限性。语音交互技术的应用分为两个发展方向：一个方向是大词汇量连续语音识别系统，主要应用于计算机的听写机；另一个重要的发展方向是小型化、便携式语音产品的应用，如无线手机上的拨号、智能玩具等。当然，目前还没有充分普及的关键因素是语音识别的排干扰能力还有待加强，多语境下的识别还有待完善。【三】小结与评价【四】作业布置1、 简述智能可穿戴设备的定义和特点。2、 寻找“智能可穿戴内置设备”、“智能可穿戴外置设备”、“智能可穿戴外置机械设备”各2个。3、简述智能可穿戴设备的几种交互技术。展示一段智能可穿戴设备的视频出示并分析本次课学习目标讲解讲解、分析 提出问题讲解、分析提问知识、案例讲解提出问题知识、案例讲解、分析讲解、分析、讲解、分析提出问题知识、案例讲解讲解、分析理论、案例讲解理论、案例讲解理论、案例讲解理论、案例讲解教师引导总结小结、评价观看、思考听讲、思考听讲、思考听讲，思考 讨论、回答听讲、思考回答问题听课、思考讨论、回答观看案例、思考观看案例、思考听讲、思考寻找答案、回答问题听课、思考听课、思考听课、思考听课、思考听课、思考理论、案例讲解学生评价并小结培养对本节课内容学习兴趣目标导向理解智能可穿戴设备定义及特征理解广义上的智能可穿戴设备思考哪些是可穿戴设备；锻炼学生的团队协作能力和表达能力了解智能可穿戴技术的发展历程熟悉智能可穿戴设备的发展历程了解虚拟现实头盔和智能手表拓展知识了解智能可穿戴设备在健康、保健领域的发展、掌握智能可穿戴交互设备的分类了解智能可穿戴内置设备拓展知识、锻炼信息搜索能力了解智能可穿戴外置机械设备了解智能可穿戴设备交互技术理解骨传导交互技术理解眼动跟踪交互技术理解ARMR交互技术理解语音交互技术巩固本节课内容，分享成果，培养表达能力教后记（教学反思）感谢您的支持与使用13