《黑科技》在線閱讀試讀|任化龍，高路，王文弢 等 著

　　【距離幾何學(xué)：空間測(cè)距、定位網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)、物聯(lián)時(shí)空的新基準(zhǔn)】

　　文 / 顧志強(qiáng)
　　以前在谷歌［X］實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，經(jīng)常會(huì)向面試的同學(xué)提一個(gè)類(lèi)似腦筋急轉(zhuǎn)彎的問(wèn)題：能否在二維平面上找到4個(gè)不重合的點(diǎn)，使得它們兩兩之間距離相等？如果是放置在三維空間中的四個(gè)點(diǎn)呢？又或者在地球表面上的四個(gè)點(diǎn)呢（假設(shè)地球表面是一個(gè)完美的圓球面）？
　　讀到這里，可能會(huì)有人心存疑惑，這和本文主題有關(guān)系嗎？不要小看這個(gè)問(wèn)題，其中蘊(yùn)藏著關(guān)于距離幾何學(xué)的大學(xué)問(wèn)哦。所謂距離幾何學(xué)，就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的距離測(cè)量來(lái)推知網(wǎng)絡(luò)的整體幾何性質(zhì)，比如每個(gè)節(jié)點(diǎn)的物理位置、網(wǎng)絡(luò)直徑和節(jié)點(diǎn)分布等。這些節(jié)點(diǎn)可以是路由器，也可以是手機(jī)，又或者是我們佩戴的手環(huán)。設(shè)想未來(lái)某天，當(dāng)你走進(jìn)博物館參觀，展廳本身?yè)碛幸粋€(gè)實(shí)時(shí)搭建的局域人機(jī)交互網(wǎng)絡(luò)，可以定位網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)，也就是觀眾攜帶的手機(jī)、手環(huán)、眼鏡，甚至衣服、鞋子等物品，當(dāng)參觀者位置移動(dòng)到某一展品附近時(shí)，手機(jī)或者展館屏幕上自動(dòng)彈出該展品的介紹，觀眾與展品甚至可以像《哈利·波特》里描述的那樣與畫(huà)中人互動(dòng)。這樣的高能博物館，是不是超級(jí)酷？
　　距離幾何學(xué)是數(shù)學(xué)中的一個(gè)有趣的分支，不僅自身充滿(mǎn)了濃郁的理論趣味，還有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)與可視化研究，以及傳感網(wǎng)絡(luò)的位置服務(wù)等應(yīng)用中都發(fā)揮了非常重要的作用。可以說(shuō)是這些領(lǐng)域背后黑科技的一部分，近幾年來(lái)越發(fā)引起科學(xué)界的關(guān)注與重視。本文主要圍繞距離測(cè)量，基于距離信息的幾何學(xué)、室內(nèi)定位，以及其他各類(lèi)神奇的應(yīng)用來(lái)展開(kāi)。希望本文的介紹能為對(duì)這一領(lǐng)域感興趣的讀者帶來(lái)啟發(fā)。
　　從Internet of Things 到Location of Things
　　Internet of Things（簡(jiǎn)稱(chēng)IoT），就是我們通常說(shuō)的物聯(lián)網(wǎng)，這個(gè)概念相信大家都不陌生。萬(wàn)物有靈，互聯(lián)互通，物聯(lián)網(wǎng)的世界是豐富多彩的，每個(gè)日常生活物品都可以在物聯(lián)網(wǎng)的作用下實(shí)時(shí)地感知周?chē)沫h(huán)境，形成網(wǎng)絡(luò)集群效應(yīng)。舉個(gè)例子，我們可以在家部署多個(gè)測(cè)量距離的傳感器設(shè)備，使得這些設(shè)備之間可以互相定位，形成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)，用于跟蹤和定位物體，實(shí)時(shí)地根據(jù)進(jìn)入這個(gè)環(huán)境的客人的位置信息有選擇地推送相關(guān)的信息或者提供其他服務(wù)內(nèi)容。在不久的未來(lái)，甚至可以讓家里的桌椅、茶杯、衣服、毛巾都具備傳感與通信功能，它們可以感知彼此的存在，協(xié)同工作，為主人生活起居帶來(lái)更多舒適與便捷。結(jié)束了一天的工作，拎包走出辦公室前，你或許可以給大管家冰箱打個(gè)電話，大管家會(huì)轉(zhuǎn)告電飯煲和烤箱，提前煲上米飯、烤上豬排，這樣到家時(shí)就可以吃上熱騰騰的豬排飯啦，這樣的日子，豈不妙哉。
　　想吃豬排飯，要先學(xué)會(huì)如何構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)的自組織圖用來(lái)定位彼此。讀者可能會(huì)問(wèn)，這又有何難度呢？用GPS（全球定位系統(tǒng)）不就可以了嘛！問(wèn)題是，商用的衛(wèi)星GPS信號(hào)通常在充滿(mǎn)遮擋物的城市角落或者大樓內(nèi)部工作不佳。同時(shí)GPS的定位精度也不夠準(zhǔn)備，在沒(méi)有遮擋物干擾的空曠戶(hù)外，除非是使用軍用GPS，一般的民用GPS定位精度通常只在10米左右，用作車(chē)輛導(dǎo)航是夠了，但想要精確定位一個(gè)手掌大小的物體，這樣的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用。想要實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)別的幾何信息定位，我們需要尋找新的解決辦法。
　　目前室內(nèi)定位的研究重心就在于如何建立一套完整的軟硬件體系可以保證實(shí)時(shí)并且精確地定位特定物體。2015年筆者曾在西雅圖參加并且觀摩了IPSN會(huì)議上舉行的室內(nèi)定位大賽，目前最優(yōu)的定位方案大約可以達(dá)到20厘米左右的定位精度。［1］高精度的實(shí)時(shí)定位可以讓用戶(hù)獲得許多新的神奇體驗(yàn)，比如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)！你舉起手機(jī)對(duì)著桌面看，攝像頭看到了桌面上的物體如遙控器和鑰匙鏈，同時(shí)系統(tǒng)準(zhǔn)確定位了桌面上的這些物體位置，于是原先用箭頭顯示的物體坐標(biāo)就會(huì)變?yōu)樵撐矬w的虛擬現(xiàn)實(shí)形象顯示在屏幕上，實(shí)現(xiàn)同一物體的真實(shí)和虛擬形象疊加。不僅如此，你可以靠近或遠(yuǎn)離它們，變換朝向，真實(shí)世界和虛擬世界配合得天衣無(wú)縫。
　　Location of Things（簡(jiǎn)稱(chēng)LoT），顧名思義，就是在IoT的基礎(chǔ)上賦予每一個(gè)物體具體的物理位置標(biāo)志。LoT這個(gè)名詞挺時(shí)髦的。筆者最早是在以色列的一家叫作getpixie的公司的宣傳標(biāo)語(yǔ)上看到這個(gè)詞。該公司生產(chǎn)一種非常小巧的類(lèi)似鑰匙鏈的小標(biāo)牌。標(biāo)牌和標(biāo)牌之間可以精準(zhǔn)地測(cè)量相互間的距離。它的一個(gè)最神奇的應(yīng)用就是可以通過(guò)自組織網(wǎng)絡(luò)尋找藏匿在家中的物品。LoT還有很多有趣的應(yīng)用，比如說(shuō)室內(nèi)定位：當(dāng)用戶(hù)走進(jìn)一家商場(chǎng)，商家會(huì)根據(jù)其位置自動(dòng)選擇廣告推送的內(nèi)容；當(dāng)該用戶(hù)走近貨架瀏覽商品時(shí)，商品的信息實(shí)時(shí)地在手機(jī)端顯示出來(lái)，并可以根據(jù)用戶(hù)位置做出相應(yīng)調(diào)整；如果舉起相機(jī)，商店中各個(gè)商品的位置和介紹就會(huì)疊加在一起，形成360度全景縱深圖（如圖3），起到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果的作用；此外，當(dāng)不小心丟失了某個(gè)重要物品時(shí)，可以通過(guò)手機(jī)輕松定位該物體，并將其位置傳送到屏幕上，這簡(jiǎn)直是“馬大哈”和“小迷糊”們的福音，從此以后再也不用擔(dān)心丟東西啦。
　　LoT的實(shí)現(xiàn)，依托的是一套自組織網(wǎng)絡(luò)以及定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)假設(shè)所有的定位都是通過(guò)設(shè)備與設(shè)備間的距離測(cè)量以及動(dòng)態(tài)構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行的。設(shè)備與人之間的距離測(cè)量也可以通過(guò)相機(jī)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)、超聲波探測(cè)，或者基于無(wú)線頻段的雷達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，希望先了解雷達(dá)測(cè)距的讀者可以參考筆者在本書(shū)的另一篇文章——《雷達(dá)照進(jìn)商業(yè)》。目前關(guān)于LoT最普及的測(cè)距方法是利用iBeacon技術(shù)（見(jiàn)圖4）。iBeacon主要基于低功耗藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth Low Energy，簡(jiǎn)稱(chēng)BLE）。通常只需要一個(gè)紐扣電池就可以持續(xù)工作至少一年。除了能提供低速率（10KB／s）的通信和信息傳輸之外，iBeacon之間還可以通過(guò)測(cè)量電磁波信號(hào)強(qiáng)度（Returend Signal Strength Index， 簡(jiǎn)稱(chēng)RSSI）來(lái)間接計(jì)算iBeacon之間的物理距離。
　　除了iBeacon之外，也有不少其他測(cè)距的方法，比如通過(guò)超聲波、磁場(chǎng)變化、激光鐳射，或者超寬頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)物體間的定位。這些方法都是利用測(cè)量信號(hào)的飛行時(shí)間差來(lái)計(jì)算距離。這些技術(shù)有的已經(jīng)非常成熟，可以投入到特定的商業(yè)應(yīng)用中去，有的仍然在研發(fā)階段，仍需時(shí)日才能大規(guī)模量產(chǎn)。圖5列舉了目前市面上可見(jiàn)的一些區(qū)別于iBeacon的定位方案以及測(cè)距技術(shù)。

　　【前言 黑科技地圖：浮現(xiàn)中的未來(lái)星球】

　　文/ FutureLabsFL未來(lái)實(shí)驗(yàn)室　胡延平
　　技術(shù)正在經(jīng)歷從“計(jì)算”、“連接”再到“智慧”的進(jìn)化。相對(duì)而言，以計(jì)算科技為主要表征的Information Technology是第一浪，是為IT；Internet是第二浪，喜歡大詞的業(yè)者將這個(gè)階段稱(chēng)之為信息革命之網(wǎng)絡(luò)革命；現(xiàn)如今，Intelligent Technology這一浪已然來(lái)臨，這一浪是新IT，不是IT。
　　連接依然是效率與紅利之源，但連接不再是邊際效益、外部性、增量、賦能最顯著的價(jià)值源泉，即使IoT未來(lái)也是如此，傳感、數(shù)據(jù)、智能才是未來(lái)。這種背景下，互聯(lián)網(wǎng)+雖然創(chuàng)新務(wù)實(shí)，卻可能導(dǎo)致戰(zhàn)略跑偏。至于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、智能互聯(lián)網(wǎng)等，只是插曲或新階段到來(lái)前的短暫序曲。站在互聯(lián)網(wǎng)中心論的角度看，中國(guó)已經(jīng)迎頭趕上甚至已然超越，成為挑戰(zhàn)舊世界的那個(gè)新世界，但是站在Intelligent Technology角度看，互聯(lián)網(wǎng)才是舊世界，中國(guó)是舊世界里的龐然大物，但舊世界與新世界的時(shí)差、代差、落差已然赫然存在。有個(gè)報(bào)告說(shuō)根據(jù)發(fā)表的論文和引用數(shù)量，從近兩年開(kāi)始中國(guó)、華人已經(jīng)處于人工智能研究的領(lǐng)先地位，占據(jù)半壁江山。并稱(chēng)連白宮報(bào)告都對(duì)此感到“eclipsed”，可是AI不是發(fā)paper，從FutureLabsFL未來(lái)實(shí)驗(yàn)室的AI技術(shù)地圖來(lái)看，結(jié)論大為不同。不過(guò)，國(guó)家、地域、產(chǎn)業(yè)之爭(zhēng)并不重要，重要的是未來(lái)星球的創(chuàng)新生態(tài)與技術(shù)變遷。
　　新世界的變化正在9個(gè)”維度”發(fā)生，可以透過(guò)9度理論（今次不展開(kāi)）觀察未來(lái)：能量密度、數(shù)據(jù)密度、連接密度、感知尺度、網(wǎng)絡(luò)尺度、材料尺度、計(jì)算速度、移動(dòng)速度、融合速度。9度漸進(jìn)、突變甚至躍遷，正在讓創(chuàng)新從奔騰走向沸騰，技術(shù)使得IT新物種的催生變得像代碼編程一樣簡(jiǎn)單和快，創(chuàng)新本身的特性、形態(tài)和規(guī)律也變得不同以往。而貫穿一切、賦能一切、驅(qū)動(dòng)一切、智慧一切的，是Intelligence。不過(guò)，Intelligent Technology智慧科技，遠(yuǎn)不只是智能，智能也不只是人工智能，AI驅(qū)動(dòng)一切但不是未來(lái)的全部。
　　微分一切，流化一切，重構(gòu)一切，感知一切，連接一切，智能一切。此時(shí)此刻，我們的確站在一個(gè)時(shí)代和另一個(gè)時(shí)代、一個(gè)生態(tài)和另一個(gè)生態(tài)的分水嶺上。像是一場(chǎng)復(fù)雜而又絢麗的化學(xué)反應(yīng)，創(chuàng)新大爆炸的技術(shù)進(jìn)化圖景已經(jīng)躍然眼前。AI 方向，開(kāi)源開(kāi)放、AI芯片、云端并進(jìn)……令到業(yè)者不僅看到AI的引擎化，更看到AI和數(shù)據(jù)、傳感一起，已然成為下一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的核心部分。無(wú)論輿論如何褒貶不一，泡沫論如何甚囂塵上，新能源技術(shù)的強(qiáng)烈閃電已經(jīng)映入每個(gè)人的瞳孔，滾滾雷聲已經(jīng)由遠(yuǎn)及近。能源傳輸走向無(wú)線，數(shù)據(jù)傳輸走向無(wú)線只是起點(diǎn)，天空互聯(lián)、星際互聯(lián)似乎才是短期內(nèi)能看得到的網(wǎng)絡(luò)盡頭。計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)在基礎(chǔ)架構(gòu)中的位置甚至因此變得不再醒目。無(wú)論計(jì)算如何速度，無(wú)論網(wǎng)絡(luò)如何泛在，智能、腦以及腦計(jì)劃才是下一階段最重要的藍(lán)圖，這里不僅指對(duì)人腦的探索，更指網(wǎng)腦、智腦的聯(lián)結(jié)成形、日益進(jìn)化和效能提升。如果說(shuō)體外骨骼只是人體增強(qiáng)與輔助系統(tǒng)，柔性電子、腦電腦波、腦機(jī)接口、生物芯片、類(lèi)人機(jī)器人等則開(kāi)始間接直接指向人的重塑甚至重生，生命與非生命開(kāi)始交融，生物與物的邊界開(kāi)始模糊。生物信息科技，更為強(qiáng)悍和迅猛，直指自然人本身，生命解碼之后是生命編輯，基因測(cè)序之后最赫赫然的是internet of DNA、CRISPR等。純粹的自然人也許會(huì)消失，人的進(jìn)化和提升已經(jīng)開(kāi)始通過(guò)科技手段來(lái)完成，人的存在形態(tài)甚至不必只是自然人。而一個(gè)正在反向進(jìn)行的過(guò)程是，Computer Vison、SLAM、AI、傳感等又在將感官甚至思維賦予機(jī)器人。
　　這不是一場(chǎng)知識(shí)大爆炸，也不只是一場(chǎng)信息大爆炸，而是一場(chǎng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新大爆炸，我們已經(jīng)進(jìn)入代際更替意義上的新一輪創(chuàng)新周期。不同部分并非孤立，而是緊密聯(lián)結(jié)互相催化，共同催生技術(shù)、產(chǎn)品、企業(yè)、產(chǎn)業(yè)、組織、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)乃至人本身的漸變創(chuàng)新與突變進(jìn)化，催化全球范圍內(nèi)新IT不同于傳統(tǒng)IT產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和產(chǎn)業(yè)分工。這就是人工智能、VR-AR-MR、機(jī)器人、智能汽車(chē)、智能家居、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、無(wú)人機(jī)、個(gè)人飛行器、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、天空互聯(lián)網(wǎng)、生物信息、金融科技、3D打印、智能制造、新能源、新材料等世界范圍內(nèi)二十多個(gè)智慧科技關(guān)鍵細(xì)分領(lǐng)域，黑科技頻頻涌現(xiàn)的原因。FutureLabsFL與未來(lái)智庫(kù)合作，產(chǎn)生這二十多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域技術(shù)產(chǎn)品的黑科技地圖，為未來(lái)星球探索科技大獎(jiǎng)的國(guó)際評(píng)審廓清視野，提供可資參照的技術(shù)圖譜。探索創(chuàng)新科技，連接星球未來(lái)，未來(lái)星球探索科技大獎(jiǎng)，浩瀚星河中指向未來(lái)的點(diǎn)點(diǎn)微光。
　　面對(duì)未來(lái)，這個(gè)星球上最具智慧的物種心懷希望、興奮、擔(dān)心甚至恐懼。即使有網(wǎng)絡(luò)、智能助力，人類(lèi)對(duì)未來(lái)的認(rèn)知都是如此模糊，更重要的問(wèn)題是，走到今天這一步，科技、自然、人三個(gè)命題不得不放在一起思考和面對(duì)。鼓吹無(wú)益，只待深究，無(wú)論相關(guān)主題已經(jīng)如何熱炒，站在認(rèn)知的角度看，探索未來(lái)的過(guò)程都只是剛剛開(kāi)始，無(wú)論媒體，無(wú)論業(yè)者，無(wú)論公眾。現(xiàn)在遠(yuǎn)不是止步的時(shí)候，更不是下結(jié)論的時(shí)候，未來(lái)星球?qū)?huì)怎樣不只是一個(gè)話題，更不是一個(gè)適合喜新厭舊的話題，而是一個(gè)不得不面對(duì)且必須要開(kāi)始正式面對(duì)的問(wèn)題，而技術(shù)驅(qū)動(dòng)的多維變革才剛剛開(kāi)始，每個(gè)人對(duì)未來(lái)的認(rèn)知與探索都只是剛剛開(kāi)始，一切才剛剛開(kāi)始。
　　無(wú)論正在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造發(fā)明的人，還是已經(jīng)寫(xiě)出一行行代碼準(zhǔn)備要改變世界的人，抑或是準(zhǔn)備以創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新顛覆既有秩序的人，更或者透過(guò)媒體輿論來(lái)閱讀觀察理解紛繁變化的人，每個(gè)人都是未來(lái)星球的探索者，就是《黑科技》出現(xiàn)在您面前的原因。
　　科技創(chuàng)新，需要業(yè)者一起探索；技術(shù)驅(qū)動(dòng)的種種進(jìn)化，需要集體智慧認(rèn)知把握；而未來(lái)星球，需要我們共同面對(duì)。這才是真的命運(yùn)共同體。