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

小編溫馨提醒：深度好文篇幅略長，小編也為大家highlight出一些重點(diǎn)，建議收藏慢慢看

人工智能（AI）正迅速成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠郑覀冊谠S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(xiàng)革命性的技術(shù)可以實(shí)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(fèi)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(diǎn)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(jī)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(fèi)產(chǎn)品，但為游泳運(yùn)動而量身定制的可穿戴設(shè)備一定程度上依然是一項(xiàng)缺口。由于不同人的身體特點(diǎn)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(jì)全球有3億游泳愛好者和專業(yè)運(yùn)動員愿意購買此類設(shè)備，為其表現(xiàn)提供可靠的運(yùn)動追蹤。

動態(tài)游泳環(huán)境是一個理想的“試驗(yàn)場”，可以在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中展示運(yùn)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(diǎn)，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(yùn)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(yùn)動員進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查顯示，不同人對此類可穿戴設(shè)備的不同期望。報(bào)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?yàn)橛脩舨幌Ｍ芾眍~外的電子設(shè)備。

它應(yīng)該搭載獨(dú)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(bào)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動，進(jìn)行“原地且實(shí)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(shí)中，設(shè)備制造商可以提供“免費(fèi)”的云服務(wù)，并將預(yù)計(jì)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(jī)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(qiáng)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)和三軸陀螺儀的實(shí)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(qiáng)大的浮點(diǎn)微控制器，因此既可以提供原始傳感器數(shù)據(jù)，也可以運(yùn)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(yùn)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(jì)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(yùn)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(shí)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(shí)踐中，要達(dá)到令人滿意的精度是非常困難的。每位游泳運(yùn)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(yùn)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(yàn)，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(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新的信號處理、過濾以及分類和計(jì)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(shí)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(yùn)行。

由于人工智能軟件本身為數(shù)據(jù)驅(qū)動型，根據(jù)實(shí)際可用的計(jì)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(dú)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(yàn)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(shí)際數(shù)據(jù)，在現(xiàn)實(shí)用戶場景中對理論概念進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證。這一專業(yè)水準(zhǔn)可以在有限的計(jì)算資源下實(shí)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(jì)和開發(fā)成本。此外，他們還能夠擁有高度的靈活性，輕松實(shí)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(yùn)動傳感器以及智能傳感器一起用于消費(fèi)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(yùn)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(fèi)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(dú)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(yùn)動員更上一層樓，人工智能都有望為所有人帶來實(shí)實(shí)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(fèi)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(jī)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