今天小編跟大家分享一篇人工智能與傳感器協(xié)同工作的技術(shù)文章。

本文作者為Kaustubh Gandhi，Bosch Sensortec高級軟件產(chǎn)品經(jīng)理

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人工智能（AI）正迅速成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，但我們在許多情況下并沒有察覺到它的存在。人工智能可以理解為從各種傳感器發(fā)來的大量數(shù)據(jù)流，以提供詳細(xì)而精確的分析，由此提升目前市場上幾乎所有電子設(shè)備的性能。

這項革命性的技術(shù)可以實時且精準(zhǔn)地測定設(shè)備用戶的活動，不論是行走、跑步、坐姿、睡眠，甚至是游泳。本文將探討傳感器如何在可穿戴設(shè)備中與人工智能協(xié)同作用，為用戶提供有價值的信息，即使是在游泳池等苛刻的環(huán)境中。

人工智能正在成為現(xiàn)有和全新應(yīng)用及產(chǎn)品中的常見元素。尤其是利用應(yīng)用于當(dāng)今消費類設(shè)備內(nèi)高精度傳感器所收集的數(shù)據(jù)，人工智能可以釋放出巨大的能量與潛力。一個典型的例子便是健身腕帶或智能腕表等可穿戴設(shè)備：人工智能可以判斷佩戴者在任何特定時間點的活動，無論是行走、坐姿，還是睡眠且精確度極高。

其中的核心在于利用機器學(xué)習(xí)進(jìn)行活動分類，設(shè)備制造商借此可以大幅提高用戶的參與度和對用戶的價值。通過人工智能，可以系統(tǒng)地整合各種用戶在不同使用和環(huán)境場景下所做活動的行為特征。由此，人工智能驅(qū)動系統(tǒng)可以提高終端設(shè)備的輸出精度。本文以游泳追蹤器為例，探討人工智能如何將傳感器輸出轉(zhuǎn)化為緊湊且節(jié)能的可操作數(shù)據(jù)。

定制可穿戴設(shè)備具有誘人的市場潛力

雖然目前標(biāo)準(zhǔn)健身和活動追蹤器已成為十分常見的消費產(chǎn)品，但為游泳運動而量身定制的可穿戴設(shè)備一定程度上依然是一項缺口。由于不同人的身體特點與游泳風(fēng)格各有不同，傳統(tǒng)的非人工智能軟件開發(fā)方法存在一些局限性。因此，這是一個充滿盈利潛力的藍(lán)海市場，估計全球有3億游泳愛好者和專業(yè)運動員愿意購買此類設(shè)備，為其表現(xiàn)提供可靠的運動追蹤。

動態(tài)游泳環(huán)境是一個理想的“試驗場”，可以在現(xiàn)實環(huán)境中展示運動傳感器與先進(jìn)人工智能算法結(jié)合后所能釋放的潛力。一款可自學(xué)習(xí)的智能游泳可穿戴設(shè)備，可以確定游泳速度和距離，并提供有關(guān)游泳者技術(shù)的寶貴信息，同時識別任何薄弱點，比如反轉(zhuǎn)過慢或尚待完善的劃手頻率。這些關(guān)鍵信息可幫助游泳運動員、教練甚至家長確定在游泳技能或體能方面需要改進(jìn)的地方。

2018年對游泳愛好者和專業(yè)游泳運動員進(jìn)行的一項調(diào)查顯示，不同人對此類可穿戴設(shè)備的不同期望。報告數(shù)據(jù)顯示，游泳者更青睞私人系統(tǒng)，即不需要連接到互聯(lián)網(wǎng)或云端，以確保數(shù)據(jù)隱私。其解決方案應(yīng)當(dāng)為單一且是現(xiàn)有配件的一部分，如腕帶或腕表，因為用戶不希望管理額外的電子設(shè)備。

它應(yīng)該搭載獨立且不受限制的自動追蹤功能，并能夠針對游泳表現(xiàn)提供精確報告，并顯示具體的完善建議。最后，此類解決方案必須能讓用戶負(fù)擔(dān)得起，這意味著人工智能系統(tǒng)應(yīng)該在微控制器上運行，而不是傳統(tǒng)的人工智能圖形處理單元（GPU），以節(jié)省成本。

現(xiàn)有游泳追蹤解決方案的局限性

目前大多數(shù)的游泳追蹤器要么不能提供足夠的有用信息，要么只提供基于云端的分析，成本高且缺乏隱私性。因此，專業(yè)競技游泳運動員不希望使用“非專業(yè)的小玩具”，而是會花錢請專業(yè)教練，或者使用昂貴的攝像系統(tǒng)來分析和提高自己的成績。

游泳追蹤器需要能夠準(zhǔn)確可靠地對整個訓(xùn)練過程中的運動，進(jìn)行“原地且實時”的分類。但是，設(shè)備內(nèi)在的經(jīng)濟(jì)可行性因素卻造成了局限。因此，設(shè)備制造商不得不做出妥協(xié)，或采取中庸的解決方案，即在不大幅影響分類速度、準(zhǔn)確性和可靠性的前提下，優(yōu)化組件、傳輸、存儲和處理能力的成本和容量。

如果將收集到的數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)皆贫瞬⑦M(jìn)行遠(yuǎn)程處理，對于用戶來說過于昂貴，這將大大削弱設(shè)備的吸引力。現(xiàn)實中，設(shè)備制造商可以提供“免費”的云服務(wù)，并將預(yù)計的終身云成本捆綁在可穿戴設(shè)備的前期購買價格中，這又會將大多數(shù)潛在用戶排除在市場之外。廣告或數(shù)據(jù)共享雖然是一種替代方案，然而，許多用戶會認(rèn)為這是對其隱私的侵犯。

安裝在可穿戴設(shè)備中的高性能、無線或射頻連接模塊進(jìn)一步增加了任何云解決方案的成本，更何況其所需的不間斷網(wǎng)絡(luò)連線或智能手機配對，在物理上無法時刻獲得保證。不僅如此，要將所有收集到的傳感器數(shù)據(jù)存儲在設(shè)備上，又增加了一層成本，而為此所需的強大處理器又會為設(shè)備成本“雪上加霜”。如果綜合考慮成本、存儲和處理因素，這就會變成一個非常昂貴的命題，基本上無法實現(xiàn)大規(guī)模市場應(yīng)用。

傳感器數(shù)據(jù)融合扭轉(zhuǎn)局面

解決這些障礙的最直接方法是傳感器數(shù)據(jù)融合，這是一個將來自不同來源的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行智能組合，以獲得準(zhǔn)確信息的過程。處理器通常集成在傳感器內(nèi)部，使傳感器數(shù)據(jù)能夠在傳感器模塊上獲得預(yù)處理，從而大大減少了需要存儲和傳輸?shù)皆贫说臄?shù)據(jù)量。這有可能完全消除對云端的需求。這種方法的一個巨大優(yōu)勢在于，可穿戴設(shè)備中主處理器的功率可以大大降低，從而進(jìn)一步削減成本。

為了展示傳感器數(shù)據(jù)融合與人工智能在實際場景中的協(xié)同作用，Bosch Sensortec開發(fā)并打造了一款游泳追蹤器解決方案，可集成在智能傳感器BHI260AP內(nèi)部。此外，BHI260AP還配備了其他實用的可穿戴功能，如自學(xué)習(xí)健身追蹤、步行導(dǎo)航、3D方向追蹤等，可根據(jù)用戶應(yīng)用需求在傳感器中啟用。

游泳追蹤軟件使用的是三軸加速度計和三軸陀螺儀的實時傳感器數(shù)據(jù)，這兩個傳感器都集成在智能傳感器BHI260AP內(nèi)部。由于其還具有強大的浮點微控制器，因此既可以提供原始傳感器數(shù)據(jù)，也可以運行人工智能功能，并生成相關(guān)結(jié)果，以供應(yīng)用處理器直接使用，從而降低系統(tǒng)功耗和處理需求。

首先，游泳追蹤軟件利用運動傳感器數(shù)據(jù)來判斷用戶是否已經(jīng)開始游泳，而不需要游泳者做任何動作（見圖2）。然后，它會從仰泳、自由泳、蝶泳和蛙泳四種可能的類型中對泳姿進(jìn)行分類。隨后，軟件會記錄劃手?jǐn)?shù)量、圈數(shù)和每圈之間的停頓時間。

圖2：游泳分類軟件算法

圖2顯示了可穿戴式游泳設(shè)備如何使用預(yù)處理數(shù)據(jù)來精準(zhǔn)清晰地計算速度、距離和游泳效率等信息。所提供的數(shù)據(jù)還有助于生成SWOLF（游泳高爾夫）得分：這是一種廣泛使用的游泳效率測量方法，由游泳時間和測得的劃手?jǐn)?shù)得出。（*SWOLF= 游泳高爾夫成績；（秒數(shù)+劃手?jǐn)?shù)）/圈數(shù)；數(shù)字越低越好）

這些信息可以讓游泳運動員追蹤自己的表現(xiàn)，并監(jiān)測改進(jìn)情況，同時找出需要進(jìn)行特殊訓(xùn)練的薄弱環(huán)節(jié)。他們還可以將自己的數(shù)據(jù)與本人的歷史數(shù)據(jù)、朋友、培訓(xùn)伙伴或?qū)＜业臄?shù)據(jù)進(jìn)行比較。

實現(xiàn)準(zhǔn)確性：權(quán)衡利弊

在與設(shè)備制造商交談時，他們無一例外都會提到一個最重要的游泳追蹤器參數(shù)：準(zhǔn)確性。為了讓自己的購買設(shè)備物有所值，終端用戶需要的是高精度的產(chǎn)品。準(zhǔn)確度使設(shè)備制造商能夠提供值得用戶信賴的系統(tǒng)。在實踐中，要達(dá)到令人滿意的精度是非常困難的。每位游泳運動員的身高、四肢長度以及手腳在水中移動的速度和力量都各有不同。此外，由于人們在游泳時的能量水平會存在變化，同一游泳者在不同時段中手臂運動的速度可能會有很大波動。

這就是人工智能大展拳腳的地方。根據(jù)“典型”或“普通”人的要求開發(fā)的追蹤解決方案，無法提供足夠的準(zhǔn)確性。其中涉及的變量太多，范圍太廣。關(guān)鍵在于，即使用戶的具體特征不同，人工智能也能讓可穿戴設(shè)備準(zhǔn)確地檢測和分類游泳動作。由此能夠使處理后的結(jié)果，如劃手?jǐn)?shù)、圈數(shù)和停頓時間等更加準(zhǔn)確。

得益于此人工智能組件以及在這一領(lǐng)域的多年經(jīng)驗，Bosch Sensortec與博世企業(yè)研究部的專家合作，開發(fā)出了一套解決方案，在智能傳感器內(nèi)部實現(xiàn)了創(chuàng)新的信號處理、過濾以及分類和計數(shù)。例如，在對泳姿類型進(jìn)行分類時，該方案的準(zhǔn)確率達(dá)到了90%以上，可與目前市場上最好的追蹤器比肩。通常，要實現(xiàn)以更高準(zhǔn)確度為目標(biāo)的人工智能，需要在GPU上進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，以處理和維護(hù)龐大的數(shù)據(jù)集。然而，Bosch Sensortec的人工智能游泳軟件，卻可以在任何較小型微控制器上運行。

由于人工智能軟件本身為數(shù)據(jù)驅(qū)動型，根據(jù)實際可用的計算資源和用戶信息，廠商可以在功能精度和各種軟性指標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡，比如（檢測）延遲、功耗（CPU的MIPS和傳感器數(shù)據(jù)率）和軟件的代碼規(guī)格。

為了推動用戶的參與度，人工智能總會有更多的取舍空間。例如，制造商可以選擇配置Bosch Sensortec軟件，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)格進(jìn)行精確追蹤，或者根據(jù)地區(qū)、年齡等條件更有針對性地適應(yīng)特定人群的風(fēng)格。這也有助于為專業(yè)和業(yè)余用戶單獨提供標(biāo)準(zhǔn)或定制的解決方案。

在處理所有這些權(quán)衡和妥協(xié)時，經(jīng)驗必不可少。作為創(chuàng)新傳感解決方案的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，Bosch Sensortec進(jìn)行了多年的研究，并獲得了實際數(shù)據(jù)，在現(xiàn)實用戶場景中對理論概念進(jìn)行了實踐驗證。這一專業(yè)水準(zhǔn)可以在有限的計算資源下實現(xiàn)最高精度，并有效優(yōu)化成本、精度、尺寸和功耗等方面的權(quán)衡。

人工智能提供準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的追蹤

憑借精確的傳感器和人工智能驅(qū)動軟件，Bosch Sensortec可以在不影響游泳追蹤器準(zhǔn)確性的前提下，為終端用戶提供更具成本效益和個性化的解決方案。這款產(chǎn)品展示了，人工智能如何使可穿戴設(shè)備制造商在不需要昂貴的嵌入式處理器、深度學(xué)習(xí)，或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件的情況下，通過降低存儲和處理成本，打造出差異化、物超所值的產(chǎn)品。

通過提供即插即用的核心軟件，廠商可以更快地開發(fā)出產(chǎn)品，縮短產(chǎn)品上市時間，降低設(shè)計和開發(fā)成本。此外，他們還能夠擁有高度的靈活性，輕松實現(xiàn)后續(xù)軟件開發(fā)，例如添加更多游泳風(fēng)格或在地理上進(jìn)行定制，并從Bosch Sensortec獲得更多支持。

總體來說，上述例子展示了將人工智能與運動傳感器以及智能傳感器一起用于消費電子應(yīng)用所能帶來的優(yōu)勢。這些原則同樣也可應(yīng)用于其他可穿戴設(shè)備，如步數(shù)追蹤器或健身設(shè)備。人工智能、運動傳感器和傳感器數(shù)據(jù)融合的結(jié)合，為新一代智能設(shè)備提供了靈活、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的解決方案。

未來發(fā)展

上述游泳追蹤器解決方案只是一個例子，它展示了我們在打造人工智能驅(qū)動型消費和工業(yè)產(chǎn)品這一漫長但令人興奮的旅程中已經(jīng)邁出了早期步伐。

游泳追蹤器解決方案展示了人工智能的內(nèi)在優(yōu)勢——其學(xué)習(xí)能力和獨立于人類干預(yù)的發(fā)展能力或者至少在不遠(yuǎn)的將來能夠?qū)崿F(xiàn)這些能力的潛力。憑借人工智能，游泳追蹤器可能很快就會識別并適應(yīng)游泳者的年齡、游泳風(fēng)格和技術(shù)，以提供信息和分析，從而令用戶能夠持續(xù)提高泳技和成績。無論是用于在學(xué)校教孩子們游泳，還是在國家體育學(xué)院推動世界上最優(yōu)秀的運動員更上一層樓，人工智能都有望為所有人帶來實實在在的好處。

這一游泳案例研究展示了傳感器和人工智能的結(jié)合，如何將消費電子設(shè)備和生活質(zhì)量提升到一個新的水平。從可穿戴設(shè)備，到智能家居設(shè)備和機器人，傳感器和人工智能的這種協(xié)同關(guān)系將一直存在，只待我們?nèi)ネ诰蚝歪尫拧?/p>

編輯：jq