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硕士论文基于上下文感知的智能数字语音教室模型研究 摘要 随着计算技术、通信技术、传感技术等新科技的飞速发展，普适计算正在成为现 实。普适计算强调把计算机嵌入到环境或日常工具中去，让计算机本身从人们的视线 中消失，让人们注意的中心回归到要完成的任务本身。其目标是要建立一个充满计算 和通信能力的环境，同时使这个环境与人们逐渐的融合在一起，在此环境中，用户可 以随时随地、透明地访问提供的各种服务。围绕普适计算在不同层次上的需求，日前 已经在普适计算下形成了许多的研究领域。上下文感知是达到普适计算目标的一个必 要条件，其已成为了普适计算研究中极为活跃的核心技术之一。 本文将普适计算中上下文感知计算技术引入到嵌入式数字语音教学系统中，研究 基于上下文感知的智能数字语音教室模型，设计了智能数字语音教学系统的上下文感 知模型。 本文首先从普适计算内涵和特征出发，在研究相关项目的基础上，分析了普适计 算软件环境的需求；然后介绍了上下文感知的相关概念，并对其关键技术进行了研究。 其次对智能数字语音教学系统进行了分析，设计了智能数字语音教学系统的上下文感 知模型，并在此模型的基础上，对智能数字语音教学系统中上下文感知的各功能模块 进行了设计。最后分别从教师机终端和学生机终端对智能数字语音教室进行了实现。 关键词：普适计算，上下文感知，嵌入式系统，数字语音教学，智能系统 a b s 竹a c t 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t i n gt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , s e b s o rt e c h n o l o g y , a n ds oo n ，t h ep e r v a s i v ec o m p u t i n gi sc o m i n gt r u e p e r v a s i v ec o m p u t i n g f o c u so ne m b e d d i n gt h ec o m p u t e ri n t ot h ee n v i r o n m e n to rc o m m o na p p l i c a t i o n st om a k e t h ec o m p u t e rd i s a p p e a rf r o mo u re y e s i g h ta n dt h em i n d so fp e o p l ec o n c e n t r a t e do nt h et a s k i t s e l f t h et a r g e t so ft h ep e r v a s i v ec o m p u t i n ga l et oc r e a t ea ne n v i r o n m e n tw h i c h i sf u l lo f c o m p u t i n ga n dc o m m u n i c a t i o na n dp e o p l ec o u l db em e r g e di n t o i nt h i se n v i r o n m e n t ，l a s e r c o u l da c c e s sa n ys e r v i c ew i t h o u ta n yo p e r a t i o na ta n yt i m ea n da n yp l a c e c o n c e n t r a t i n go n d i f f e r e n tr e q u i r e m e n t s ，i th a sd e v e l o p e dal o to fr e s e a r c hf i e l d sa b o u tt h ep e r v a s i v e c o m p u t i n g c o n t e x t a w a r ei s o n eo ft h en e c e s s a r yc o n d i t i o n sd e p e n d i n g0 1 1w h i c hc o u l d f i n a l l yr e a c ht h et a r g e t so ft h ep e r v a s i v ec o m p u t i n g ，a n di t h a sb e c o m eo n eo ft h ec o r e t e c h n o l o g i e st or e s e a r c hp e r v a s i v ec o m p u t i n g t h i sp a p e ra t t e m p t st oi n t r o d u c et h ec o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n gt e c h n o l o g yi n t ot h e e m b e d d e dd i g i t a lv o i c et e a c h i n gs y s t e m ，a n dm a k ear e s e a r c ho ni n t e l l i g e n td i g i t a lv o i c e t e a c h i n gs y s t e mm o d e lb a s e do nc o n t e x t - a w a r e ，a n dp r e s e n t st h ed e s i g no fc o n t e x t a w a r e m o d e lo ft h ei n t e l l i g e n td i g i t a lv o i c et e a c h i n gs y s t e m t h i sp a p e rf i r s t l y , b a s e do i lt h er e l a t e dp r o j e c t s ，s t u d i e st h er e q u i r e m e n t so fs o f t w a r eo n p e r v a s i v e c o m p u t i n gf r o mt h ec o n n o t a t i o na n df e a t u r e so fi t a n dt h e n , i ti n t r o d u c e st h e c o n c e p to fc o n t e x t a w a r e ，a n d t h ek e yt e c h n o l o g i e sa r es t u d i e d i nt h i sp a p e r , t h e c o n t e x t a w a r em o d e lo fi n t e l l i g e n td i g i t a lv o i c et e a c h i n gs y s t e mi sd e s i g n e da f t e rt h e a n a l y s i so fi t t h e n ，b a s e do nt h em o d e l ，f u n c t i o n a lm o d u l e so ft h em o d e la r es t u d i e da n d d e s i g n e d i nt h ee n d ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ei m p l e m e n t a t i o no fi n t e l l i g e n ts y s t e mf r o m t e a c h e rt e 肌i n a la n ds t u d e n tt e r m i n a lr e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：p e r v a s i v ec o m p u t i n g ，c o n t e x t a w a r e ，e m b e d d e ds y s t e m ，d i g i t a lv o i c e t e a c h i n g ，i n t e l l i g e n ts y s t e m 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：印孑年钿易日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 扣? 年衫月哆日 硕士论文基于上下文感知的智能数字语音教室模型研究 1 绪论 本章简单介绍了课题研究的背景、课题的提出，并给出本课题的主要工作及文章 的组织结构。 1 1 课题的背景和意义 1 1 1 普适计算的相关背景 随着计算机硬件设备的低功耗、小型化、微型化和高宽带网络及无线移动网络技 术的不断成熟，把计算能力嵌入到各种设备中实现实时处理和联网使用成为现实，并 且越来越普遍。在这样的背景下，传统的计算模式延伸到了普适计算。普适计算 ( p e r v a s i v ec o m p u t i n g 或u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) 的思想最早是1 9 9 1 年美国的m a r k w e i s e r 博士在“n l ec o m p u t e rf o rt h e2 1 s tc e n t u r y ，l l j 提出，其强调把计算机嵌入到环 境或日常工具中去，让计算机本身从人们的视线中消失，让人们注意的中心回归到要 完成的任务本身。清华大学徐光祜教授等人对于普适计算的定义是：“普适计算是信息 空间与物理空间的融合，在这个融合的空间中人们可以随时随地、透明地获得数字化 的服务。”这种计算模式的最终是将通信和计算机构成的信息空间与人们生活和工作 的物理空间融为一体，支持“随时随地”并“透明”地获得符合其个性化需求的信息 服务【2 1 。i b m 阿尔马登研究中心用户科学和体验组( u s e rs c i e n c e sa n de x p e r i e n c e g r o u p ) 的主管d a nr u s s e l l 曾预言到2 0 1 0 年计算将会被移植到环境中，生活在其中人 们感觉不到他们在使用计算机。 普适计算通常也被认为是继主机计算( m a i n f r a m ec o m p u t i n g ) 和桌面计算之后计 算模式的一次变革f 3 1 。每一种计算模式都会带动适合其特点的计算机科学技术的发展： 主机计算模式促进了分时操作系统的发展；桌面计算模式则带动了个人操作系统、图 形用户晃面、多媒体等技术的发展；同样地，普适计算势也必要求发展与其相适应的 计算机科学理论和技术。 目前学术界和工业界比较著名的基于普适计算的研究项目有：m i t 计算机科学和 人工智能实验室的a i r e ( a g e n t - b a s e di n t e l l i g e n tr e a c t i v ee n v i r o n m e n t s ) 【4 j 和m i t 的 o x y g e n 5 1 计划；c m u 的a u r a 计划f 6 】；s t a n f o r d 的i n t e r a c t i v ew o r k s p a c e 7 】；g a t e c h 大 学的a w a r eh o m e i s ；i b m 公司的d r e a m s p a c e 项目【9 】；m i c r o s o r 公司的e a s yl i v i n g 1 0 】； 清华大学的智能远程教室【l l 】等等。m i t 的o x y g e n 计划是希望计算在将来可以像电池， 电源插座甚至于氧气一样可以自由利用。这里的另一层意思是让计算像氧气一样看不 见而又必不可少。这种“看不见”，必然要求计算和服务的访问是十分自然的，是人 们注意不到的，即蕴涵式( i m p l i c i t ) b 3 均。这需要计算设备能够很好地理解环境状态 1 绪论硕士论文 和用户需求，对不同的环境状态和用户需求，提供不同的多样化服务，实现人本计算 的目标。因此充分感知环境中的上下文是实现普适计算系统尽量少分散用户注意力这 一本质目标的重要途径。 经过近十几年的发展，各研究团队围绕普适计算在一个或者多个层次上进行研究 开发，目前已经形成了许多相对自完备的研究领域，比如智能空间( s m a r ts p a c e ) 1 4 1 、可 穿戴计算( w e a r a b l ec o m p u t i n g ) 、上下文感知计算( c o n t e x t a w a r ec o m p u t i n g ) 、游牧计算 ( n o m a d i cc o m p u t i n g ) 等等。上下文感知计算可以认为是从支持主动感知和应用上下文 的目标出发，从一种纵向的角度来研究普适计算，牵涉到从硬件到交互和应用的各个 层次；普适计算的系统框架则是从横向的角度来研究普适计算的软件基础设施，为各 种服务提供信息的支持管理等，集中于系统软件层次；智能空间则可以认为是一种普 适计算的一种体现或者是一种应用方式，可以认为是从一种纵向剖面的角度来研究普 适计算，将包含各个层次的问题。因此这三者的研究是互相交叉和互相支持的，比如 上下文感知计算的研究牵涉到如何在普适系统软件中提供相应的支持；上下文感知计 算和系统软件的典型问题将在智能空间中得到充分体现，同时它们也是智能空间系统 的一个组成部分。清华大学的智能远程教室就是智能空间在远程教育中的一个应用实 例；上下文感知计算和系统软件在其实际研究过程中有充分的利用。 在普适计算环境下的感知系统中，交互上下文是系统除了用户主动输入之外，可 以确定自身智能行为最直接、最有效的依据。因此在系统中，上下文的参与能够极大 地提升计算系统的主动性和智能性。而上下文是指包括用户自身在内的计算环境中可 能对交互过程产生影响的各种因素，其中蕴涵的丰富的环境信息能够拓宽人机之间的 信息带宽，从而在交互过程中发挥积极的辅助作用。上下文的参与将有助于系统对于 用户注意之外的任务进行智能化、自动化处理，使用户从复杂的操作中解脱出来，集 中精力于专注的任务。环境上下文、设备上下文、用户上下文，这三种上下文在交互 过程中相互作用可以对交互方式、用户界面进行自动调整，对任务进行自动化处理而 不干扰用户正常的认知任务。 1 1 2 语音教室的发展趋势和研究现状 近年来，随着网络的普及以及校园网资源的广泛应用，模拟语音教学系统愈来愈 不能满足教学应用的需求，而为了更好的发挥语音教学系统的教学作用，使网络教学 资源在语音教学上得以应用，同时将语音教学系统与校园网相连，语音教学系统的数 字化和网络化将是必然之路【1 5 1 。另一方面由于技术的发展，尤其是网络技术的发展使 这一要求成为现实，数字语音教学系统应运而生。 下面将从结构设计和应用效果两个角度来说明数字语音教室系统的优点： 首先，从结构设计上看，数字化语音教学系统的核心是基于计算机传输协议的网 2 硕士论文基于上下文感知的智能数字语音教室模型研究 络技术。多媒体网络语音室的数字化系统中，所有设备都是由标准的网络系统与计算 机设备组成，与我们常见的计算机局域网设备一样，其高效稳定已被大家熟知。 然后，从应用效果上看，数字化语音教学系统与模拟有着明显的区别。数字化语 音教学系统消除噪声干扰的同时，提高了音质效果，有的可达专业的立体声效果。从 教师应用上看，教材的准备过程简单方便；教材的选择上，丰富的教学资源相当于几 十所学校所有资料的总和，教师不再为资料的收集和保存而烦恼。基于磁带的变调和 绞带现象都不再出现。从学生的应用上来看，学习的范围不再局限于教师所带的磁带， 每个学生都可以通过自由点播，阅读或自习的方式使用校园网上提供的海量资料。从 学校语音室的建设上来看，语音教室将成为一种真正的语言教学系统，其利用率将成 倍提高。另外，整个系统的稳定性、易用性、易维护等都是模拟语音教室所无法比拟 的。 数字化语音教学系统是建立在网络资料交换的基础上的，将经过a d 转换后的语 音资料或音频的数据文件，通过标准的网络协议，传送给用户终端。网络及终端之间 的传递符合标准网络协议，可以达到语言学习的良好音质，从而满足教学在形式上多 样性的需求，是一种组建合理和资源利用充分的全新的语音教学系统。 目前一些学校中出现的语音教学的数字化主要体现在，传统的语音设备被p c 机所 替换，在p c 机上安装语音教学软件等方式。虽然这样可以在已有资源的基础上快速 的实现语音教学的数字化，但由于p c 机可用资源的丰富性，学生容易迷恋电影、游 戏等娱乐项目，影响学习效率：同时也造成资源的浪费。 随着嵌入式技术的迅猛发展，语音教学系统的数字化方向已越来越向嵌入式语音 终端的方向发展。和通用的计算平台相比，嵌入式系统往往具有功能专一、体积小、 功耗低、可靠性高、可剪裁性好、软硬件集成度高、成本相对较低等特点。同时其专 用性、易用性、灵活性、互通性等特性也是发展数字语音教学嵌入式终端的一个重要 因素。在这种背景下，各种数字语音教室的设计也相应的展开，出现了各种基于嵌入 式的的数字语音教学终端的设计( 如基于d s p 或者基于a r m 的数字语音教学终端的 设计【1 6 】【1 7 】等) 。但是目前各种嵌入式的数字语音教室的设计大多只涉及到数字语音教 室中学生机终端的软硬件的设计与实现，其针对软件方面的实现也主要集中于音频文 件的播放等功能，对于语音教学系统的概念没有很好的体现。 1 1 3 课题的提出 目前的各种基于嵌入式的数字语音教学系统的设计侧重于学生机终端的设计，为 数字语音教室各种功能的实现提供了一个实现平台，或者给出了软件设计过程中一些 关键技术的解决方案，对于语音教学系统的整体过程没有很好的体现和研究。在实际 使用这些教学系统的过程中，基于教学规则的约束，教师会占用大量的时间来处理一 l 绪论硕士论文 些烦琐的工作，如上课的点名、出勤率统计等等；另一方面，在这些设计方案中，对 于教师机终端和学生机终端之间的设备交互研究不够。而当前i t 界的发展越来越朝向 以人为中心的方向发展，这样的语音教学系统显然是不能满足要求的。因此针对目前 语音教学系统方面研究的不足和当前计算模式的发展方向，在数字语音教学系统研究 方面，就如何开发智能语音教学系统，把_ 些基本的教学规则交予智能系统处理【1 8 】， 而教师和学生充分集中于教学任务等问题，还需要进一步的研究和探索。 普适计算所涉及的移动通信技术、制造技术、嵌入式操作系统技术及软件技术等， 将为各种智能教学系统的发展注入新的活力。在数字语音教学系统方面，普适计算无 处不在的特点将拓展传统语音教学系统的概念；普适计算的人机交互理论也将改变传 统语音教学系统人机交互的模式，使人们从复杂的操作中解脱出来，而将更多精力集 中于教学的本身。 普适计算的“透明 性要求交互方式是十分自然的甚至是用户本身注意不到的蕴 含式的交互方式。普适计算中上下文感知技术则是蕴含式交互的支撑技术。具有上下 文感知技术的系统可以实现所谓的无干扰计算，可以利用移动用户与智能环境交互产 生的各类动态上下文信息，可最大程度地自动执行用户任务。这样，可以减少用户对计 算过程的干预，而用户只关心自己的任务。 本文的工作正是在这样的背景下展开，通过本文的研究将把普适计算中的上下文 感知技术引入到嵌入式数字语音教学系统中，设计了基于上下文感知的智能数字语音 教室模型，利用上下文感知模型的智能性、协作性，使语音教学系统更加高效，更加 以人为本。期望任何一个配备了此普适环境的教室都可以进行语音教学，彻底摆脱语 音教室专用的情况。 1 2 研究内容及所做工作 本文的目标是研究和设计一个基于上下文感知的智能数字语音教学系统模型，因 此本文将首先分析普适计算的软件环境需求，进而研究本文的重点一普适计算的关键 理论技术之一一上下文感知技术，然后结合嵌入式数字语音教学系统的软件体系结构， 研究基于上下文感知的智能模型【1 9 】，最后在实验室的条件下，给出模型的实现。 1 2 1 普适计算的软件环境需求分析 普适计算环境作为一种新型的计算模式，不仅拥有传统分布式系统的特征，同时 具有自身的特征与内涵。普适计算环境中上下文感知系统的体系结构应该是基于对象 技术、软件框架技术、移动技术等多种技术的协同体系结构。其最大的特点在于要求 在松散的基础上追求一致性、协同性和智能性。因此需要对普适计算的软件环境进行 需求分析，以更好的支持上下文感知的应用。 4 硕士论文基于上下文感知的智能数字语音教室模型研究 1 2 2 上下文感知计算的研究 将普适计算中的上下文感知技术引入到嵌入式数字语音教学系统中，设计构建上 下文感知技术在嵌入式数字语音教室中的应用模型，是本文的目标，因此作为普适计 算的关键理论之一的上下文感知计算就是本文研究的重点。比较公认的第一个上下文 感知应用项目是1 9 9 2 年s c h i l i t b 和w a n t r 等人所从事的a c t i v eb a d g e 项目，之后上 下文感知技术已被应用于许多领域，如智能办公室，智能数字家庭，电子导游，医疗 卫生等等。但是构建上下文感知应用并非易事，本文对目前的上下文应用模型进行研 究，再结合学界的一些研究成果，对上下文感知模块提出了我们的分层结构模型。 1 2 3 智能数字语音教室模型的研究和实现 基于上下文感知的智能数字语音教室是解决目前语音教室的研究不足，顺应目前 发展趋势的一个解决方案。结合提出的上下文感知模块的分层模型，利用了f s m 模型 在上下文感知应用中的优势，提出了具有f s m 决策层的上下文感知的分层模型，并以 此作为智能数字语音教室的模型，对上下文感知各关键技术的实现分别进行研究和设 计，开发智能数字语音教室程序架构，完成系统的轻量级实现。所谓轻量级是指，在 体现主要功能的基础上，只引入一些关键性的特性，对系统的干扰因素未作更多研究 和考虑。 1 3 本文的组织结构 z ： 第一章，绪论。介绍了课题研究的背景及课题的提出，并给出本课题的工作内容 及文章的组织结构。 第二章，普适计算软件环境的需求分析。从普适计算的内涵和特征出发，在调查分 析目前一些普适计算的研究计划的基础上，分析普适计算软件环境的需求。 第三章，上下文感知及其关键技术研究。首先介绍上下文的相关概念，并从相关概 念出发，研究目前的一些上下文应用的体系结构；然后提出关于上下文应用的体系结构； 最后从体系结构模型出发，分别探讨上下文感知计算的关键技术。 第四章，智能数字语音教室模型的设计。首先对智能数字语音教室的功能做了一 个总体设计；其次分析f s m 在上下文感知应用中的优势，结合分层结构模型设计了智 能数字语音教学系统的上下文感知模型，然后对模型中各功能子模块进行研究和设计； 最后设计了系统信息存储的数据库。 争。第五章，智能数字语音教室模型的实现。分别从教师机终端和学生机终端对智能 数字语音教室进行实现并给出实现结果。 一：。最后一章总结和展望是对本文的研究成果与贡献的总结，并就未来的工作进行了 展望。 2 普适计算软件环境的需求分析硕士论文 2 普适计算软件环境的需求分析 上下文感知计算技术作为普适计算研究的一个重点，在各方面体现着普适计算的 思想，因此我们首先需要对普适计算思想下软件环境的需求进行分析，进而开展对上 下文感知计算技术的研究及其应用的开发。本章将首先介绍普适计算的特征和内涵， 然后在此基础上对普适计算的相关研究计划进行研究，最后对普适计算软件环境的需 求进行分析。 2 1 普适计算的内涵和特征 普适计算通常被认为是继主机计算和桌面计算之后计算模式的一次变革。每一种 计算模式都会带动适合其特点的计算机科学技术的发展。在普适计算时代，人的注意 力将成为计算机科学需要关注的稀缺资源，以人为中心、良好便利的人机交互将是普 适计算的必然要求，因此普适计算又被认为是人本计算；而在桌面计算模式下，人必 须主动使用计算机才能获得计算和信息服务，信息的获取需要人工配置等等，人机交 互更多的是以计算机为中心，人更像是计算机的奴隶。另一方面，普适计算强调计算 无处不在，必然要求计算资源和各种设备趋向于公用和共享，同时也要求计算资源是 可以移动的；而桌面计算模式下，计算资源更多倾向于私有，p c 等计算设备对移动性 支持很少，通常受到网络等条件的限制。最后，既然普适计算强调计算无处不在，其 必然也要求应用程序有良好的互相访问的特性，故而应用程序在开发时就必须考虑到 与其他应用程序和服务的交互。在这方面，桌面计算模式下的应用程序支持甚少，大 部分应用都没有直接的对外接口，应用之间缺乏互相发现和利用其他应用程序的功能 和服务的机制；以至于为了完成某项任务，用户需要在多个设备上启动多个应用程序， 然后分别同它们进行交互，再把它们组织到某个特定的工作流程中去。 与桌面计算的不同点恰恰是普适计算的内涵和特性的体现，这些内涵和特性可以 从其定义逐步延伸出来。这种计算模式的最终是将通信和计算机构成的信息空间与人 们生活和工作的物理空间融为一体，支持“随时随地”并“透明 地获得符合其个性 化需求的信息服务 2 1 。其中“随时随地”是指人们可以在工作、生活的现场就可以获得 服务，而不需离开这个现场而去端坐在一个专门的计算机面前；这也是普适计算的英 文中u b i q u i t o u s 或p e r v a s i v e 的含义，即像空气一样无所不在。m i t 的普适计算研究计 划o x y g e n 的愿景就是计算在将来可以像电池、电源插座甚至于氧气一样，可以自由 利用。而“透明 是指获得这种服务时不需要花费很多注意力，即这种服务的访问方 式是十分自然的甚至是用户本身注意不到的。w e i s e r 在文献 1 】中这样描述“透明”的 本质性：“最具有深远意义的是那些从人们注意力中消失的技术。这些技术已经渗透到 6 硕士论文 基于上下文感知的智能数字语音教室模型研究 人们的日常生活中以致与生活难以区分。人们在写字时，笔和纸本身不会分散我们的 注意力，因此对于我们的注意力是透明的；又如雕刻家创作时，手中的雕刀于其注意 力是透明的。w e i s e r 以此来比拟普适计算所希望的服务访问过程或手段的透明性。m i t 命名o x y g e n 计划的另一层含义也是想让计算成为像氧气一样看不见又必不可少的东 西。 徐光佑教授给出的普适计算的定义表明了普适计算的两大本质特征“随时随地 性和“透明”性。“随时随地”性要求信息空间和物理空间的融合，“透明 性要求计 算不再是人们注意力的重点。下面从普适计算的这两大特征引出普适计算的两大内涵 和普适计算应当具有其他特征。 2 1 1 普适计算的内涵 普适计算的两大内涵【2 0 l “消失”和“不可见”： “消失 ：“随时随地 性的必然要求。w e i s e r 曾有过这样的一段著名论述：“最 深奥的技术是那些消失了的技术，这些技术将它们的自身交织于日常生活中，直至不 可区分。刀从社会影响来讲，在我们生活中有两种这样的技术是普遍存在的。一种是 “书写”，用符号来记载人类口语的文字技术是最早的信息技术，现在不仅仅是书刊 报纸，从商店标志到广告牌已无处不在，它们往往并不要求我们主动去注意，而是通 过我们一瞥来传递信息。另一种是“电 ，在每个房间的墙壁中涌流着，通过插头我 们随时可利用电。所以现在，书写和电已变得非常平淡和不显著，以至忘记了这些技 术对日常生活的巨大影响，犹如消失于人们的日常生活中。普适计算也将是那样的一 种被消失的计算。在这种计算模式下，计算将像电甚至于氧气一样，我们随时可以利 用( m i t 的o x y g e n 计划) 。 “不可见刀：“透明”性的体现。一种好的工具是不可见的工具，其含意是这一工 具并不进入你的意识，你只是专注于任务而非工具。例如，眼镜是一个好工具，你是 通过它在看世晃而非看眼镜。盲人通过竹竿在感觉街道而不是感觉竹竿。当然工具本 身不是不可见的，它只是使用工具这一场景中的一个部分。好工具应增加其不可见性。 普适计算也将是那样一种不可见的工具。 可见，普适计算试图对计算机提出一种新思路，考虑自然的人类环境，让计算设 备本身在生活环境中“消失。这种消失其实只是人类心理学上的消失，也就是当人们 无需思索，自由地使用计算设备，专注目标从计算设备迁移到新的内容上时，这个时 候，注意目标不再是计算设备，计算设备就会消失。 2 1 2 普适计算的特征和挑战 赢 在将来的普适计算时代，信息世界和物理世界的界限将变得模糊，正是这种界限 的消失提供了人们可以随时随地透明地访问到数字化服务的可能。当前追求普适计算 7 2 普适计算软件环境的需求分析 硕士论文 理想的一个最为典型的研究计划就是m i t 的o x y g e n 计划，其愿景是“使丰富的计算 和通信能力像空气一样无所不在和自由地融入人们的生活之中”，因此，普适计算应具 有以下特性，也是o x y g e n 要努力达到的目标【2 】【5 】： ( 1 ) 无所不在的( p e r v a s i v e ) ：用户可以随地以各种接入手段进入同一信息世界； ( 2 ) 嵌入的( e m b e d e d ) ：计算和通信能力存在于我们生活的世界中，用户能够感觉 到它和作用于它； ( 3 ) 游牧的( n o m a d i c ) ：用户和计算均可按需自由移动； ( 4 ) 自适应的( a d a p t a b l e ) 计算和通信服务可按用户需要和运行条件提供充分的灵 活性和自主性； ( 5 ) 功能强大且高效( p o w e r f u l ，y e te f f i c i e n t ) ：计算必须不受有限的硬件资源限制， 可以随时从用户因需求设置的系统限制中释放出来，可用电源或者通信带宽等不再是 计算的束缚； ( 6 ) 永恒的( e t e r n a l ) ：系统在开启以后再也不会死机或需要重起；组件可以因需要、 出错或升级来去，但整个系统则永远可用。 目前，普适计算还刚刚处于实践初期，要提出一套完整的技术还为时尚早，这也 给我们留下了很大的空间可以去探索，当然也对计算机各层次的研究提出了新的要求 和新的技术挑战。 首先体现在硬件层次上。信息空间和物理空间融合的基础是将信息空间中的对象 与物理空间中的物体建立相互的对应，使这个物体成为访问信息空间中服务的直接入 口，及所谓的绑定。从这个角度上来说，可以为每个物体添加可以被计算设备自动识 别的标签( 标签可以是基于条码、红外和r f i d 的) ，或者在物体上( 内) 嵌入一定 的感知、计算、通信能力，使其同时具有物理空间和信息空间中的用途( 如清华大学的 研究的s m a r tc l a s s r o o m 中，一个物理的教室同时又是一个基于网络的虚拟远程教室的 访问入口) 。这些都要求研究和开发出新的嵌入环境的以及便于携带的计算设备、传感 设备和显示设备。 然后体现在网络层次上。当计算变得同氧气一样无处不在，随处可以利用时，计 算设备之间的通信再通过有线网络互联显得很不现实，所以无线网络将成为普适计算 的重要基础设施。这对目前网络技术的研究提出新的要求和挑战，如网络传输的可靠 性，稳定性，安全性等方面。 其次体现在系统软件层次上。在普适计算模式下，服务是最重要的，因此系统软 件对服务的支持显得尤为重要。在这方面，各种异质的具有计算、传感能力的物体间 的交互对系统软件提出了前所未有的挑战，这需要解决如何使它们实现数据的交互、 任务的协作；在传感设备无所不在时如何保护用户的隐私等等一系列问题。 最后体现在信息交互层次上。信息空间同物理空间的信息交互分为显示交互和蕴 8 硕士论文基于上下文感知的智能数字语音教室模型研究 涵式交互。如信息空间可以自动地觉察物理空间中状态的改变，从而改变相应对象的状 态或触发某些事件，这种特性称为上下文感知计算，这个交互过程是用户注意不到， 即蕴涵式交互。当然还有其它的蕴涵式交互。至于人机交互方面【2 1 1 ，目前还多是显式 的，过程烦琐困难。普适计算要求交互方式从传统上困难烦琐地显式交互转变为透明 的蕴涵式交互，这就需要研究新的交互模式和感知接口。 2 2 相关普适计算的研究计划 普适计算包括了用户、终端、终端环境和网络环境等内容的复杂体系结构，涉及 心理学、社会学、计算机和通信等范围广大的研究内容。目前，大量研究机构都在直 接或间接地对普适计算的相关技术进行研究。 2 2 1o x y g e n - - m i t 计算机科学实验室和人工智能实验室( c s a i l ) 项目 普适计算的本质是力图真正、全面实现计算技术的“以人为本 。m i t 计算机科学 和人工智能实验室主任r o d n e yb r o o k s 解释o x y g e n 计划为“关于以人为本的普适计 算，其愿景是使丰富的计算和通信能力像空气一样无所不在和自由地融入人们的生活 之中。 ，从系统而言，o x y g e n 几乎对普适计算的所有特征的体现都有要求：无所不在的， 嵌入的，游牧的，自适应的，功能强大且高效，永恒的等，甚至于要求系统可以有个 性的体现，人们可以随意的命名服务和软件实体。o x y g e n 通过特定的系统和用户技术 两方面来实现这个以人为本的普适计算计划。 ( 1 ) 系统技术方面 这个方面，o x y g e n 计划又从设备技术，网络技术，软件技术和感知技术各方面来 开展。 设备技术 设备方面定义了两种设备类型，计算设备( e n v k 0 2 1 s 简称e 2 1 s ) 和手持设备 ( h a n d y 2 1 s 简称h 2 1 s ) 。所谓e 2 1 s 是嵌入式设备的集合，在办公室、建筑、家居和车 辆等环境内创建智能空间。e 2 1 s 提供大量的嵌入式计算和摄像机、大屏显示器等设备 的接口。用户在e 2 1 s 创建的环境中很自然地通信，不需注意任何设备。e 2 1 s 用来感 知和控制我们所接近的环境。而手持设备h 2 1 s 为用户提供移动的a p ( 访问控制点) ， 不管其在或者不在e 2 1 s 控制的智能空间中。手持设备接受语音和视频输入，还可以自 我重新配置以支持多种通信协议等。h 2 1 s 可在任何地方增强通信和计算能力； 网络技术n 2 l s n ”2 。1 s 连接动态改变配置的移动和静止设备并形成协作区域，并支持低耗的点对点 通信，楼宇范围的通信，校园区域的通信等多种通信方案。n 2 1 s 还用于定位所需的计 9 2 普适计算软件环境的需求分析硕士论文 算机、人、服务和资源。 软件技术 软件技术用于支持自适应的、永恒的系统中的变化。o x y g e n 的软件体系结构对于 控制和规划的抽象有依赖，而这些抽象只是为系统中的变化提供某种机制；此外体系 结构还依赖于把这些机制付诸使用的规格说明，以及事务语义的持久对象库( 用来支 持对变化的操作) 。 感知技术：主要采用语音识别和图像识别技术。 ( 2 ) 用户技术方面 自动化：提供自然、易用、可定制和自适应机构，进行自动调节重复信息和控 制任务。 合作：跟踪和存档工作组的讨论和交互作用，协助人们进行群体活动。 知识访问：提供个性化的寻找信息的方法，如通过对过去所见所闻的回忆来访 问等。 研究o x y g e n 计划，可以看出o x y g e n 体现了如下特性：分布和移动性：包括 人、资源和服务；语义上下文：能理解我们说话的含义；自适应和变化：面向 一个动态世界；信息的个性化：隐私、安全以及个性化的交互形式。所有这些都是 普适计算特征的体现。 2 2 2a u r a 计划无需分心的普适计算 a u r a 在其网站上有这么一段著名论述：计算机系统最宝贵的资源将不再是m o o r e 定律下的处理器速度、存储容量和网络带宽，而是“人的注意力 ( h u m a n a t t e n t i o n ) 。 a u r a 项目从根本上重新审视系统设计，以解决这个问题。该计划的目标是，为每个用 户提供一个不用关心位置、持续存在的计算和信息服务的“光轮( h a l o ) ”。而“个人 信息的光环( a u r a ) ”的范围则扩展到可穿载的、手持的、桌面的和基础设施级的计算 设备。a u r a 从硬件和网络层，再从操作系统和中间件层，最后到用户接口和应用程序 方面来逐步实现其目标。a u r a 计划的各个目标环节通过c m u 的一系列的子研究项目 来完成，如任务触发的计算( t a s k d r i v e nc o m p u t i n g ) ，能量感知的自适应( e n e r g y a w a r e a d a p t i o n ) ，智能网络等。 普适计算把计算和信息融入到物理世界，这不仅是使计算无所不在，而且由于人与 信息以及计算能力将保持不间断的接触，就需要系统能感知在当时的情景中与交互的 任务有关的上下文，并据此做出决策和自动地提供相应的服务。a u r a 的子项目能量感 知的自适应性就是上下文感知的有力体现。 2 2 3s m a r tc l a s s r o o m 清华大学的智能远程教室 通过在一个实际的教室中嵌入丰富的信息呈现设备、传感设备、感知模块和相应 1 0 硕士论文基于上下文感知的智能数字语音教室模型研究 的计算机系统，把整个教室的二维空间增强为一个实时交互式远程教育系统的交互接 口，使得教师可以在用自己熟悉的面对面教学的方式来对现场学生进行授课的同时， “透明”的与远程学生进行交互，就像远程学生也出席在现场一样。同时教室中授课 的过程，包括与远程学生的交互过程，都会被自动的记录成有结构的和可检索的多媒 体流的复合文档。该文档可以作为课件放在网上供学生下载浏览。如果需要的话，教 师也可以用简单易用的后编辑工具对记录的文档进行剪裁，比如去掉讲错的内容等。 下图为基于智能空间的远程教室。 s m a r tc l a j s r 0 0 1 1 1 图2 2 3 1 基于智能空间的远程教室 s m a r tc l a s s r o o m 实际上体现了智能空间的若干功能和服务： ( 1 ) 能识别和感知用户以及他们的动作和目的，理解和预测用户在完成任务过程 中的需要。 ( 2 ) 透明人机接口技术，用户能方便地与各种信息源进行交互。 ( 3 ) 提供对发生在智能空间中的经历( e x p e r i e n c e ) 的记录，以便在以后检索回放。 ( 4 ) 支持空间中多人的协同工作以及与远程用户的沉浸式的协同工作。 2 3 普适计算软件环境的需求分析 普适计算的软件环境对普适计算中大量联网的设备、物体、计算实体进行管理， 为它们之间的数据交换、消息交互、服务发现、任务协调、任务迁移等等提供系统级 的支持瞄 2 3 1 。这些都对普适计算的软件环境技术提出了新的需求： ( 1 ) 服务发现 当用户把一个新设备带入一个某个环境时或者在已有的设备上采用新的模块时， 该新设备或者模块和其它已有的可用的服务和设备之间是如何相互地发现，以及在它 2 普适计算软件环境的需求分析 硕士论文 们之间需要进行哪些交互。普适计算的一个特性是永恒的，一旦系统开启以后就不会 死机或需要重启，组件可以因需要、出错或升级来去，故而系统需要某些机制来支持 系统的扩展，同时帮设备“了解环境。比如：t o m 不在座位上，此时有t o m 的电话 接入，系统自动转接到离t o m 最近的电话上等。 ( 2 ) 自适应 自适应是普适计算实现“人本计算 的根本途径。系统软件首先要能够自适应于 用户所采用的各种设备、部件，乃至于计算能力、电池电量、网络带宽等，涉及到内 容和界面的变化；其次，程序能自适应于各种可使用的服务，这涉及对普适计算软件 的另一需求一互操作性；再次，系统软件要能够根据不同的需求，在不同的时间段， 在不同的设备上提供连续性的服务等。如c m u 的a u r a 计划的子项目基于能量感知的 自适应，其为了节省电量动态改变应用程序的执行精度。 ( 3 ) 对物理实体的管理 普适计算系统中，物理空间的任何实体在信息空间中都是重要的信息源，系统软 件为了维持系统的永恒性必须对这些实体进行一定的管理。系统需要实时的反应各物 理实体的状态、属性信息等，以便于即时对各设备进行维护，这需要上下文感知计算 技术的支持；其次，当物理实体嵌入有传感、计算、效应能力时，必须提供对它们的 高层接口，即相当于传统的驱动程序。 ( 4 ) 模块间的协调能力及互操作性 普适计算系统是一个分布的系统，人们关注是如何让各种分布的模块、计算实体 互相协作，为人类提供服务。而把各种分布的模块之间的纷繁复杂的互联、通信、协 作以一种统一和有机的方式组织、管理起来，使系统展示出一个协调的行为和功能， 这就是协调机制的作用。而互操作性，则要求系统允许组件、模块、通信实体、甚至 于计算实体( 程序或者设备) 之间无缝的交互、协同工作，同样使系统协调的工作起 来。 ( 5 ) 支持信息共享 普适计算要求计算无处不在，随处可得，这其中必然涉及诸多应用和信息，比如 说服务的发现及各设备的协同等，这都需要信息的共享，因此软件系统有必要提供信 息的共享。对于某些上下文感知计算的某些应用，共享上下文信息尤为重要。比如说 某工作团队正在开会，所有他们的智能手机可以了解到当前处于会议情景下，铃声设 置为会议模式，此处会议情景即是共享的上下文信息。 ( 6 ) 统一的访问形式和标准化 从软件分层理论上来说系统有必要为各种服务提供统一的访问接口，上层用户( 服 务) 无需对设备、模块等的多样性有了解。普适计算系统中拥有各种不同的设备资源， 通过统一