物理空间与信息空间的对偶关系

第51卷第5期 2006年3月论坛

物理空间与信息空间的对偶关系

徐光祐①陶霖密①*张大鹏②史元春①

(①普适计算教育部重点实验室, 清华大学计算机系, 北京100084; ②香港理工大学, 香港.

*联系人, E-mail: linmi@, xgy-dcs@, csdzhang@.hk)

摘要随着计算、通信和传感技术的迅速发展, 人类的生活环境已经由单纯的物理空间转变为物理-信

息的共存空间. 基于这一事实, 本文在分析物理空间和信息空间的各自性质的基础上, 指出两者之间的

关系为对偶关系. 建立对偶关系包括以下两个过程: 利用各种传感和信息处理、理解技术, 从物理空间

到信息空间的信息获取、分析和结构化过程, 以及通过对用户意图、状态和命令的推理, 从信息空间到

物理空间的信息服务过程. 对偶空间中的人机交互就是建立对偶关系, 这种对偶关系体现了以人为中

心的人机交互, 即以人们所习惯的并且不需要用户分心的方式与信息空间的交互.

关键词物理空间信息空间对偶关系人机交互

嵌入式计算和无线通信技术的迅速发展, 促进了计算、通信和传感技术的融合. 以嵌入式处理器为核心的各种信息设备可方便地与其他的各种设备, 包括日常用品结合在一起, 并且它们可通过无线通信与互联网连接成为一个分布式系统. 这使得人们生活的物理空间中前所未有地充满了数据和信息, 从而使信息空间(cyberspace)逐渐融入人们生活的物理空间, 成为一个物理-信息并存的空间. 这样的空间有可能为人们提供前所未有的信息服务: 人们能随时、随地使用各种信息设备来获取信息和进行信息交互, 这也就是普适计算(ubiquitous/pervasive computing)要实现的目标. 对这样的物理空间的性质, 人们已从多个角度进行了探讨和描述. 其中有物理空间与信息空间的集成(integration of physical and informational spaces)[1,2], 增强空间(augmented space)1), 共享空间(shared space)2), 数字与物理的混合环境(mixed digital and physical environments)3)等. 与此同时人们也已提出了多种在物理空间中提供信息服务的新技术, 其中包括增强现实(augment reality, AR)[3] 4)、可触摸的接口(tangible bits)5)、可穿戴的计算机(wearable computers)6)和智能房间(intelligent room)7)等. 在传统的计算模式下, 用户与信息空间的交互需要到计算机面前才有可能实现, 这些技术有可能使得用户摆脱这样的约束, 在生活的物理空间中就能与信息空间交互. 这将给人机交互理论和技术带来重大的革新. 但目前研究的主要局限在于人机交互的接口技术, 缺乏对与信息空间集成、融合的物理空间(或称为共存空间)的性质以及在这样的物理空间中人机交互本质的研究. 这是目前阻碍普适计算以及相关领域研究健康发展的重要原因. 为此, 我们提出了“物理-信息对偶空间”的理论. 我们认为在共存空间中, 物理与信息空间之间存在着对偶的关系, 因此这个共存空间可称为“物理-信息对偶空间”(physical-cyber dual space)或简称为对偶空间. 这个对偶关系包括两个方向的关系: 从物理空间到信息空间的关系是通过各种传感器从物理空间获得原始数据, 并经过处理和分析产生与物理空间在各个层次上的对应关系; 从信息空间到物理空间的关系是通过建立不同层次的对应关系, 把信息空间中的相关数据和信息按照用户的需求发送到物理空间的物体上, 使用户在这些对应点就可得到所需的数据和信息. 因此, 物理空间与信息空间融合的本质就是发现和建立对偶关系.

1物理-信息对偶空间

1.1三维物理空间已成为与信息空间共存的“物理-信息对偶空间”

当前信息技术的发展, 使得人们生活在一个由

1) /sections/ideas/ideas_articles/pdf/manovich_augmented_space.pdf

2) /projects/shared_space/

3) /papers/pdfs/2.pdf

4) /augmented-reality.htm

5) /projects/Tangible_Bits/projects.htm

6) /icwckeynote.html.

7) /projects/iroom/projects.shtml

论 坛

第51卷 第5期 2006年3月

计算与通信技术构成的信息空间与物理空间共存的空间中, 这两个空间不是简单地并列, 而是密切关联的. 我们把这种关联称为对偶, 把这个共存空间称为对偶空间(图1). 对偶空间中存在以下两个方向的数据和信息流动:

图1 物理-信息对偶空间的对偶关系

(1) 从现实物理空间中获取各种数据和信息. 现在各种用于监测的传感器已无所不在, 例如摄像机, 并且它们正朝着兼有计算、通信和传感功能的方向发展. 通过传感器采集得到的原始数据经过各个层次的处理成为结构化的数据, 供用户访问和检索, 成为用户可用的信息.

(2) 向现实物理空间中的任何地方提供数据. 例如, 移动电话网(cell space)和互联网可随时、随地向用户提供数据和信息, 它代表了数据和信息从信息空间向物理空间的反馈流动. 物理空间中将充满数据, 而且这些数据可由用户通过个人的信息设备来检索.

也就是说, 在物理空间与信息空间之间存在双向的数据和信息流动, 既有从物理空间中获取信息形成信息空间的组成过程, 即物理空间→信息空间; 也有从信息空间向物理空间提供信息的反馈过程, 即信息空间→物理空间. 这样的数据和信息流动不但是双向的, 而且如果要使它为用户提供有效的服务, 还需要利用这二者之间存在的对偶关系.

1.2 什么是对偶关系?

物理空间中的实体(物体)与信息空间中的实体(对象)各有不同的性质. 物理空间中的物体是物理的存在, 它的性质是: 物体具有空间的属性, 例如体积、重量、空间位置等; 用户可触摸物体, 即可利用人类的各种感觉进行交互; 物体之间的关系是蕴含的. 例如, 放在我办公室中的桌子归我使用, 即属于我, “桌子”与“我”是从属的关系. 但这种关系是蕴含的, 要根据其他相关信息和知识推理得到; 物理空间中发生的各种活动或事件只能保存它们的结果, 而对其过程则无法保存, 即时间不可逆. 与此相对, 信息空间是人工建立的虚拟空间, 其中的实体, 即对象的性质是: 对象本身没有物理属性, 用户无法直接通过感觉来与它们进行交互; 对象之间可方便地建立和表示各种关系; 信息空间中可方便地把动作和事件的过程记录为档案, 以备以后的检索.

(1) 物理空间→信息空间的对偶是建立对应关系. 信息空间中所有数据和信息都来自物理空间, 是通过传感器或者人工(人机交互)输入完成. 信息空间中的对象与物理空间中的物体(或对象)存在各个层次的对应关系, 例如特征、表面、物体(包括物体之间的关系)、动作、事件、场景、描述、上下文等各个层次. 在这些对应的对象之间建立“对应”, 就是建立对偶关系. 通过建立对偶关系, 使得信息空间中的数据和信息结构化并建立相关的索引. 需要说明的是, 在实际的应用中并不一定能够或需要建立上述所有层次的对应, 但必须建立某种层次的对应, 以便达到数据和信息某种程度的结构化. 建立了这样的对应关系, 用户才能从物理空间直接向信息空间中的指定索引点发出信息服务的请求.

(2) 信息空间→物理空间的对偶是提供信息. 人们建立这种对偶关系的目的是为了从信息空间得到信息服务, 或者通过信息空间的帮助, 得到物理空间中的一些智能设备, 例如智能家电的服务. 为了简化, 我们把这些都称为得到信息服务. 用户得到信息服务的必要条件包括: 信息空间知道用户的意图; 信息空间中信息的存储能支持用户所需要的信息服务, 信息空间中的数据(和信息)是有组织的、结构化的; 信息空间能在理解用户的命令、意图和用户当时所处计算环境的基础上, 按用户的要求对信息进行重新组织, 并以合适的方式返回到物理空间. 对信息的重新组织是因为用户的意图与实际存储的数据之间可