配有鼻子追踪器的气味生成器(外文翻译)

配有鼻子追踪器的气味生成器07机电实验班展京洲Y asuyuki Y anagida1, Shinjiro Kawato1, Haruo Noma1, Akira T omono2,1, and Nobuji T etsutani11ATR Media Information Science Laboratories{yanagida | skawato | noma | tetsutani}@atr.jpDept. of Information Media T echnologyT okai Universitytomono@.u-tokai.ac.jp摘要要实现气味的表达需要在气味的捕获和人工合成方面做大量的工作，要完成这些工作，需要解决大量的具有挑战性的难题。

而这些难题主要源于我们对人类气味的产生机理不了解，还没有找到组成各种气味的“气味因子”。

所以，我们选择采用对空间的控制的方法来取代气味的人工合成。

许多气味发生器仅仅实现将气味散发到空气中，而并没有实现气味的空间可控制性。

然而，最近研究人员则设计了一个气味发生装置，她能够通过细软的管子将气味发射到对象的鼻子里。

与视觉的呈现装置类似，这个装置相当于“头戴式显示器”。

这种方式实现了比较稳定的气味场的空间控制，但需要使用者在脸上带上某些装置才可以实现。

在这里，我们设想一种无障碍式的气味呈现装置，它不需要使用者在脸上戴任何东西。

它是通过放在空间某个位置的一个装置通过空间的传递使其发射的气味到达使用者的鼻子。

同时，我们的目的在于：设计一个气味发生成器，它能够在有限的空间内产生的气味只针对特定的对象，而不仅仅是将气味散播在空气中。

为践行这一理念，我们使用一种能够产生环行气味漩涡的“气味炮”。

我们事前做了一些预备实验来检测用这种方法在有限的空间内产生气味的效果如何。

实验结果证明，这种方法可以将香味传送到目标对象。

下一步，我们设计了这个系统的蓝图。

通过控制“气味炮”的方向来追踪特定目标对象鼻子的位置，我们成功的实现了将气味有效的送达目标对象那里。

VR——虚拟与现实1、简介我们通过五种感觉来理解周围的环境。

虚拟与现实系统已经囊括了视觉、听觉、触觉领域，所以，将味觉引入虚拟现实，成为其研究的一部分也是自然的事情。

然而，诸多原因使得气味感知的研究始终处于VR研究领域的‘冷门地带’。

例如，主要问题有：1、味觉是活性的化学刺激，它不同于视觉、听觉、触觉这些物理性刺激。

2、可以组合成任意一种气味的“气味因子”还没有被发现。

尽管如此，将味觉感引入到VR系统对于实现一种高水准的沉浸感是很有效的。

[1]. Dinh et al. [2]发现味觉感知以及听觉、触觉感知三者综合能够提高人们在虚拟环境中的沉浸感。

气味感知拥有较长的研究历史，其中包括对基本的“气味因子”的寻找。

Amoore [4]将气味因子归为7种，但是随后又将其拓展为20到30种。

Buck and Axel [5]则称人类接受气味的的蛋白质则有100多种，而且因人而异。

事实上，人类接受、感知气味的蛋白质据理论上统计超过1000种。

所以，我们没办法用研究视觉的方式来研究味觉，因为视觉的呈现可以用红、绿、蓝三基色来组合任意一种颜色，而气味则不行。

对于触觉感知的呈现，最近的发展主要是基于对各类机械受力体的选择性刺激。

在视觉和触觉的呈现装置中，虚拟感是由接收者的特性所决定的，他们仅仅能够识别目标的一部分物理现象。

如果我们要基于这种思维来研究一种可以产生任何气味的装置，那么我们需要使用某种方式来控制数千种的气味。

我们不去尝试解决这个难题，我们现在关注的焦点不是气味的录制及合成。

我们关注的是气味的空间控制，假象已经有现成的气味供我们使用。

用某种感知模式来记录、呈现环境分为若干个子过程——感知、处理、转化、译码、翻译、呈现。

我们的兴趣点在最后一个呈现的过程（图片1）：相应的气味产生装置，类似于视觉呈现专制HMD,CA VE,立体显示器等等。

与视觉呈现装置相比，目前并没有太多的气味呈现装置。

许多气味混合装置仅仅将渲染后的气味散布到空气中，实现的功能仅仅类似于对灯饰亮度的控制。

一些研究人员发明了能够将气味通过管道送到对象的鼻子里，以实现与对象的位置以及头部的方向进行交互式的气味控制。

这相当于视觉中的HMD。

然而，在气味研究领域，还没有基于投影成像以及立体成像技术的相应的气味产生装置。

在这篇论文里，我们提议一种新式的气味发生装置，它可以被认为气味呈现领域基于投影成像技术以及立体成像技术的应用。

关键点是将香味从离使用者鼻子较近的空间某个位置传递到使用者。

使用者不需要在脸上穿戴任何装置，同时，在短时间内也可以实现气味的转化，也需要限制空间以使得对象能够感知气味的存在。

在诸多的技术问题中，我们着眼于解决如何将气味传送到对象的鼻子中。

在这里，我们使用经常被科学界所引用说明的“气味大炮”。

2、相关工作最早试图将气味与其他各种表现形式相结合源于1962年[12, 13].Heilig’s Sensorama。

人们可以风吹声、气味、声音、图片来享受多维电影，尽管当时交互性较差。

同时，还有一些使用香味的娱乐吸引点：比如McCarthy发明了一种叫做“Smellitzer” [14]的气味发射系统，它被用在了迪斯尼乐园。

“Smellitzer”可以产生数种特定的香味和一系列的气味。

一些研究人员在基于“录音和播放”的概念上已经开始对气味的产生进行探索。

Davide et al. [15]讨论了电子鼻和虚拟气味产生装置。

NASA JPL已经开始对电子鼻进行积极的研究。

[16].Nakamoto et al. [17]一直在研究名为“气味记录器”的气味传感及混合系统。

这些研究主要集中在如何感知、编码、再生气味，这是很具有挑战性的工程，需要不断的努力。

正如上面所提到的，这些都超出了我们研究的范围。

就气味的时空控制（空间）控制而言，大多数关注气味的合成混合的装置都是仅仅将现成的气味散布到空气中。

与显示器相比，它相当于照明灯来提供背景气味（类似于彩灯）。

同时还有其他交互式气味发生器。

例如，Kaye[18]在Ambient Media软件环境中制造了数个电脑控制的气味发生界面。

一家叫做DigiScents的公司宣布研发了一种叫做“iSmell”的气味散发装置（不幸的是他们的生意没有成功）。

Göbel [19]推介了一种类似于CA VE显示器的气味界面。

然而，这些都没有在气味的时空控制领域下功夫。

简易的气味发生装置的一大缺点是它不能够驱散之前散布在空气中的气味。

这使得在短时间内实现气味的变换，打到设想和交互的概念变得比较困难。

最近，越来越多的基于VR技术的气味发生界面已被研发出来，他们是根据对象的位置和姿势来控制气味的。

Cater [20, 21]为消防的演戏研发了一种可穿戴式的气味发生装置。

在日本，Hirose et al. [22, 23]研发了若干种头盔式的气味产生装置，包括由计算机控制的气味产生和混合系统。

最近，他们又研发了一种可穿戴式的气味发生装置，它可以允许使用者在空间自由的移动。

在这些系统中，香味都是通过管子输送到对象的鼻子中。

这些气味界面相当于相当于视觉领域中HMD（头戴显示器）。

3、系统概念HMD气味产生装置是实现气味的时空控制的一种可靠方式，但是使用者戴着头盔和管子却很不方便。

此外，在一个脸上的不同部位安上一些装置也影响相互交流。

所以，人们希望设计一种装置，使用者无需穿戴一些累赘的装置就可以享受带来的香味，正如许多研究人员也在努力研究小型的立体显示器。

我们的目的是制造一种无碍的、可进行时空控制的新式气味发生器。

因此，我们的目的是研究一种具有如下功能的气味发生器：●无障碍。

使用者无需穿戴任何装置或眼镜。

这不仅仅方便使用者，而且方便用于双向交流。

●局部化。

香味是在特定的空间特定的时间被感知。

通过香味的局部化，我们可以对不同的对象散布不同的香味。

同时，由于维持气味所需的香味较少，与仅仅将气味散布于特定的空间中相比，我们可以大大减少产生香味的物质量。

为实现这些功能，我们需要通过空气介质的传递将气味送到对象的鼻子中。

我们已经探索了使用“气味炮”实现这种目的的可能性。

在这里我们对系统的设计进行概览。

如何使用“气味炮”，我们稍后再讨论。

整个系统( 图片2)包括一下几个部分——●鼻子追踪器●气味炮平台●气味炮●香味产生器首先，我们需要检测对象鼻子的位置。

为达到这个目的，可以使用普遍应用的头部追踪技术，例如电磁追踪器、机械追踪器。

然而，在这里我们不希望对象在头上佩戴什么装置。

因此，使用计算机视觉技术便成为一种最佳选择。

一旦确定了对象头部或脸部某一部位的位置，鼻子的位置便很容易计算出来。

其次，安装在工作台上的气味发生装置可以被用来控制来对准对象的鼻子。

使用两个自由度来控制气味炮的方向。

这里不需要将其存储空间里充满气味，只需要在气味炮挤出空气的一瞬间来散布香味即可。

所以，我们每次可以对着不同的对象发射不同的气味。

气味炮（涡流炮）是一个具有圆孔的圆柱形立方空间，通常被用于对孩子们的科学展示。

制作它的最简单的方法是将一个纸盒掏一个小圆洞，然后用磁带的袋子将接口处密封。

如果我们使用一个30*20*20厘米的纸盒，上面掏一个直径接近5厘米的圆洞，然后在北部用力击打一下，将会产生射程达5到10米的空气流。

如果把盒子里充满烟，然后在背部轻轻的击打，将会产生一个缓慢移动的烟环。

这个烟环每秒的速度为50厘米到数米。

这表明当气味炮发射空气并产生涡流的时候，这个涡流能够将气味炮发射空间里的微粒带出。

图片3为气味炮以及涡流的原理图。

涡流的产生是由孔径边界和中心气流的速度不同造成的。

涡流中心受力较小，所以它的形状能够保持一段时间。

涡流的形状取决于（发射孔）孔径的大小，而涡流的速度以及运动的路径则取决于受力运动情况、空间以及圆孔的尺寸参数。

4.初步实验我们进行了初步的实验[25]来检测这个无障碍式的、局部式的气味发生装置，使用上面提议的方法的可行性。

我们使用实验的方法来确定气味炮的尺寸参数。

为简化实验过程，我们使用PET瓶子和橡胶气球来制造气味炮。

我们将瓶子的底部去掉，用橡胶气球报上，同时，我们将瓶颈也切掉，以便可以控制圆洞的孔径尺寸参数。

我们对不同参数的瓶口和圆洞孔径的气味炮进行测试，发现，当气味炮空间容积为2升、孔径直径为2.5厘米，时产生的涡流最稳定、运动的距离也最远。

使用这样的尺寸结构，涡流可以保持原型最远运动近4米，平均距离也接近2米。

我们将瓶子充满senko（一种日本的香棍）的烟，来观察环行涡流的各方面情况，同时也把它用作一种有香味的物质。

尽管不需要事先将瓶子充满香烟，但是为能够清楚的看到烟圈，这样做还是很有效的。