物联网应用技术.pptx

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1、第四章 物联网应用技术 交互技术 计算技术 数据处理技术 信息安全技术交互技术01交互技术又称交互设计，是定义、设计人造系统的行为的设计领域。互动设计在于定义人造物的行为方式(即人工制品在特定场景下的反应方式)相关的介面。技术与传媒业历来是一种互为依托，互为促进的关系。前者助推传媒业的不断革新和持久繁荣。l Web技术l AR与VRl 脑机接口技术（BCI）交互技术01Web技术Web1.0具有以下特点：l 基本采用的是技术创新主导模式l 站点盈利模式较为单一l 发展后期出现向综合门户合流的趋势网页技术最早是用于大学间论文交流，只是简单的格式文档，并没有复杂的技术组合应用其中，在互联网的演化进

2、程中，网页制作是Web1.0时代的产物，用户使用网站的行为以浏览为主。从技术上讲，Web1.0的网页信息不对外部编辑，用户只是单纯的通过浏览器获取信息，信息不是动态的，只有网站管理员才能更新站点信息，所以Web1.0的特点呈现机械化，不能满足用户个性化需求。交互技术01Web技术Web2.0具有以下特点：l 用户中心l 开放与共享l 信息聚合Web 2.0 始于 2004 年 3 月 OReilly Media 公司和 MediaLive国际公司的一次头脑风暴会议。在Web2.0中，软件被当成一种服务，Internet从一系列网站演化成一个成熟的为最终用户提供网络应用的服务平台，强调用户的参与

3、、在线的网络协作、数据储存的网络化、社会关系网络、RSS应用以及文件的共享等成为了Web2.0发展的主要支撑和表现。Web2.0模式大大激发了创造和创新的积极性，使Internet重新变得生机勃勃。交互技术01Web技术Web 2.0和Web 3.0区别：随着Web 3.0 理念逐步深入广大网民的思维，Web 3.0在Web 2.0的基础上将杂乱的微内容进行最小单位的继续拆分，进行词义标准化、结构化，实现了微信息之间的互动和微内容间基于语义的链接，实现了更加智能化的人人及人机之间的互动交流。基于此，人们提出了Web 3.0的核心理念“个性、精准和智能”，Web 3.0网站内的信息可以直接和其他

4、网站的相关信息进行交互，也能通过第三方信息平台同时对多家网站的信息进行整合使用。特征特征Web 2.0Web 3.0主要任务主要任务集中社区力量来创建动态内容和交互技术网络上的链接数据，设备和人员连接连接围墙花园阻碍了互操作性数据和设备以新方式轻松连接内容内容个人和组织创建内容个人、组织、机器创建的内容可以重复使用技术技术AJAXRDF和OWL网站网站Googl，Facebook，Wikipedia，eAy，YoutubeDbpedia，sioc项目交互技术01AR与VR增强现实（Augmented Reality，简称AR），增强现实技术也被称为扩增现实，AR增强现实技术是促使真实世界信息和

5、虚拟世界信息内容之间综合在一起的较新的技术内容。VR与AR对比：虚拟现实（Virtual Reality-VR），顾名思义，就是虚拟和现实相互结合。从理论上来讲，虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。名称名称定义定义特点特点桌面式桌面式VR利用计算机形成三维交互场景，通过鼠标、力矩球等输入设备交互，由屏幕呈现出虚拟环境易实现、应用广泛、成本较低，但因会受到环境干扰缺乏体验感分布式分布式VR将VR与网络技术相融合，在同一VR环境下，多用户之间可以相互共享任何信息忽略地域限制因素，共享度高，同时研发成本极高，适合专业领域沉浸式

6、沉浸式VR借助各类型输入设备与输出设备，给予用户一个可完全沉浸，全身心参与的环境良好的实时交互性和体验感，但对硬件配置，混合技术要求较高，开发成本高增强式增强式VR(AR)将虚拟现实模拟仿真的世界与现实世界叠加到一起，用户无需脱离真实世界即可提高感知体验更完美，但对混合技术要求更高，开发成本高，起步晚。交互技术01AR与VRAR与与VR关键技术关键技术l 语音输入输出技术l VR渲染技术l 计算机图形技术l 听力触觉感知技术l 跟踪注册技术l 显示技术l 人机交互技术l 三维注册技术l 摄像机标定技术l 摄像机跟踪技术VR关键技术关键技术AR关键技术关键技术AR与VR主要应用01交互技术游戏娱

7、乐类教育应用生活服务借助虚拟现实技术，能够为学生创建真实的学习情境，更直观的将知识表现出来，为人们提供生动的交互体验，促使学生能够学会观察、探索，不断开展实验。VR技术在旅游产业中的应用，最初仅仅是将其与GIS系统等结合在一起，实现虚拟化漫游；VR/AR技术在家居领域的应用，实现对室内空间温度、湿度等数据信息的采集，构建相应的智能家居模型游戏是VR技术重要突破口，也是以最轻松的方式认识和学习新事物的一种良好渠道。目前，以头戴式设备(HMD)为主的沉浸式游戏模式已掀起了业界热潮。已有不少公司发布了各类虚拟现实游戏及相关设备，从根本上改变了传统的键鼠/手柄操作模式。军事领域借助虚拟现实技术的三维场

8、景建模能力，仿真的环境和画面。军事指挥官能够借助虚拟现实技术系统感受到亲临阵线感觉，全面掌握双方作战的实际情况。交互技术01脑机接口技术（BCI）BCI系统结构图：BCI 是一种多学科交叉的新兴技术，它涉及神经科学、信号检测、信号处理、模式识别等多种学科领域。BCI 技术的研究具有重要的理论意义和广阔的应用前景。由于BCI 技术的发展起步较晚，相应的理论和算法很不成熟，对其应用的研究很不完善，有待于更多的科技工作者致力于这一领域的研究工作。随着技术的不断完善和成熟，BCI 将会逐步地应用于现实，并为仿生学开辟新的应用领域。交互技术01脑机接口技术（BCI）脑电信号采集模块用于以脑电的方式采集并

9、记录大脑活动情况。通过特定的外界的刺激源（外界源）或自身的思维活动（自发源），用户的脑电信号发生被动性或者主动性的变化。可以使用功能性核磁共振技术（FMRI）、正电子发射断层成像技术（PET）、脑磁图（MEG）等。脑电信号采集模块脑电信号处理模块包含了3个子模块。采集后的EEG信号不可避免地包含一些噪音，比如常见的工频干扰、肌电伪迹以及其它方面的干扰源的伪迹噪声，信号通过预处理子模块尽可能地去除噪声并提高信噪比。在预处理子模块中，将 EEG信号设置为无参考电极模式，通常采用公共平均参考法；为了选择特定波段的EEG 信号，通常采用巴特沃斯滤波器进行带通滤波。脑电信号处理模块BCI系统基本结构交互

10、技术01脑机接口技术（BCI）特征提取模块可以利用不同的模式识别算法在不同组合的波段中提取最有价值的脑活动信息，用以表示不同大脑思维的特征，减低原始数据的维度，这些精简的EEG 信息更适合当前的分类器。特征提取模块脑电信号处理模块在控制对象模块中，将用户的脑意识转为控制指令，对外界的对象进行操作或控制。BCI设计者需要根据用户的实际用途，将获得的分类结果转为外界的对象的对应的命令。根据控制对象的属性，BCI系统可用于残疾人士的康复医疗领域，为生活困难户解决一些生活的不便；也可以用于正常人的生活娱乐领域，比如智能家居、多模态脑电游戏；更可以应用于军事领域，便于高效率地行军作战等等。控制对象模块B

11、CI系统基本结构交互技术01脑机接口技术（BCI）特征提取模块BCI的分类的分类植入式（植入式（EEG）植入式（植入式（ECoG）不打开脑部将电极放在头皮表面，采集脑电信号。打开头部将芯片植入脑内采集脑电信号，这种采集到的脑电信号为皮层脑电信号。诱发脑电诱发脑电BCI自发脑电自发脑电BCI诱发脑电指被测对象接收到外界刺激后生成的反射诱发的脑电波信号。自发脑电BCI是被测对象通过自我调节诱发的脑电波信号。相比较于相比较于EEG，ECoG采集的信号的优点是信号幅度宽，采集的信号的优点是信号幅度宽，能避免信号干扰，容易识别和利用；缺点是需要做手术打能避免信号干扰，容易识别和利用；缺点是需要做手术打开

12、头部放入电极，有一定的危险性开头部放入电极，有一定的危险性诱发脑电诱发脑电BCI的缺陷是需提供同步刺激给被测对象，好的缺陷是需提供同步刺激给被测对象，好处为被测对象无需长久的练习。自发脑电信号由被测对象处为被测对象无需长久的练习。自发脑电信号由被测对象自己生成，很随意，容易控制，但被测对象要经过特殊的自己生成，很随意，容易控制，但被测对象要经过特殊的练习，才能产生强烈的脑电波信号。练习，才能产生强烈的脑电波信号。交互技术01脑机接口技术（BCI）特征提取模块BCI的分类的分类同步同步BCI异步异步BCI同步BCI系统是要求被测对象在某个一定的时间内进行的思想过程，思想过程所产生的脑电波信号在特

13、定的时间内产生，通过集中分析处理特定的脑电波信号，以利于数据处理过程的简化。异步BCI 是被测对象则可以在任意时刻进行特定的思想过程，这样与实际中人脑对外部设备的操控模式更加相似。依赖式依赖式BCI独立式独立式BCI依赖型式BCI是通过检测脑输出通路中周边神经和肌肉部分所包含的脑电波信号，而不采集此正常的脑输出通路来携带信息，将采集到的脑电信号进行识别后直接转换成控制装置的指令。独立型BCI是通过思维活动直接可以与外界进行信息交换与设备控制，而不是利用脑输出通路产生的特定脑电信号和信息。异步异步BCI难于操控，由于异步难于操控，由于异步BCI要求系统可以随时无要求系统可以随时无误确定被测对象思

14、想过程的开始和以及转折点，被测对象误确定被测对象思想过程的开始和以及转折点，被测对象的脑电波信号必须一直被监控。的脑电波信号必须一直被监控。依赖型依赖型BCI主要依靠自发脑电波主要依靠自发脑电波alpha波、视觉诱发电波、视觉诱发电位等，它和传统的信息交流渠道有很多类似的地方，但在位等，它和传统的信息交流渠道有很多类似的地方，但在实用性方面却有很强的操作性。实用性方面却有很强的操作性。交互技术01脑机接口技术（BCI）特征提取模块BCI的分类的分类侵入式脑机接口侵入式脑机接口由于内置电极离信号源最近，而且直接检测神经元的电活动，获取的信号，信噪比较高，由于内置电极离信号源最近，而且直接检测神经

15、元的电活动，获取的信号，信噪比较高，而且后期的信号检测识别手段相对容易。内置侵入式的而且后期的信号检测识别手段相对容易。内置侵入式的BCI有很大优势，但缺点也不能忽略。由于需要借助有很大优势，但缺点也不能忽略。由于需要借助外科手术，患者局部易感染，有相当大的风险，而且牵涉到人体实验的伦理问题外科手术，患者局部易感染，有相当大的风险，而且牵涉到人体实验的伦理问题部分侵入式部分侵入式BCI其电极位置主要植入颅腔内。该类型脑机接口，空间分辨率虽然比不上侵入式，但是要优于其电极位置主要植入颅腔内。该类型脑机接口，空间分辨率虽然比不上侵入式，但是要优于非侵入式。虽然此方式引发免疫反应和愈伤组织的几率较小

16、，信号信噪比较高，但仍然存在人体实验不可非侵入式。虽然此方式引发免疫反应和愈伤组织的几率较小，信号信噪比较高，但仍然存在人体实验不可避免的一系列问题，安全隐患不能完全消除避免的一系列问题，安全隐患不能完全消除非侵入式脑机接口非侵入式脑机接口被试只需通过佩戴电极帽，不需要专业指导帮助，就能使用该系统被试只需通过佩戴电极帽，不需要专业指导帮助，就能使用该系统非侵入式脑机接口非侵入式脑机接口部分侵入式脑机接口部分侵入式脑机接口侵入式脑机接口侵入式脑机接口侵入式脑机接口。该类型系统把电极放置到大脑外部，通过头皮脑电来获取大脑生理活动的电信号部分侵入式 BCI，其电极位置主要植入颅腔内侵入式脑机接口，需要借助外科手术手段，把电极植入到大脑内部脑机接口技术（BCI）关键技术01交互技术脑电采集技术信号预处理特指提取法目的是提高信噪比。噪声的来源有很多种，包括非神经源噪声和神经源噪声。其中非神经源噪声有眼动伪迹、肌电干扰、工频干扰等；而神经源噪声，包括自发的与意念无关的信号，或者与感兴趣特征脑电无关的其他特征信号。时域分析法和频域分析法，这两个分析方法不仅仅是自动控制原理中对系统的主要分析方法，同时