An Olfactory Display Design and Implemenation for Web,Images,Videos and Games

摘要

在用户与计算机交互时，一些刺激物会刺激他/她的感官，进而触发了他的视觉系统(HVS)和听觉系统(HAS)，此外还会从计算机得到一些其他的触觉感官，比如振动操作或者一些触觉回馈。而反馈系统主要用于虚拟现实技术的应用和飞行仿真，限制用户在与计算机交互时的体验。在这样的交互中，他/她可能会遇到“嗅觉对象”或者“嗅觉相关的事件”，并且在同时遇到嗅觉对象和嗅觉相关的事件表示为嗅觉状态的情况下，此时用户应该使用他/她的嗅觉系统(HOS)来刺激他/她的嗅觉相关脑皮层以获得更加身临其境的体验。
　　在我们的文章中，我们认为有气味的对象，可以是显示在屏幕上的苹果或者是装满苹果的篮子，打着香水、肥皂或洗发水广告的在线商店，正在玩第一人称射击游戏并且在游戏中所有枪同时开火轰炸的用户，我们可以通过所有的感官将气味对象传递给用户，同样的我们提供一个由气味激活的录像，当播放时它显示有吸引入的圣地以及燃烧着香火，或者视频中的主要特征是有人抽着香烟并同时向相机吹着烟雾。在本文中有一些由嗅觉显示器实现的例子。
　　我们已经建立了，基于液体气味材料的三原型和热活性固体气味材料的一原型。然后，我们结合本文中提到的基于热物质的气味喷出物的论述原型，实现了最终的设计。这一原则是综合管理软件的需要，它能够控制所有的软件方面及管理气味元件的定时信号。在本文中，我们成功地实现了该软件，该软件必须确认在计算机中的气味事件/对象，并对每一个气味元件生成一个适当的时间脉冲和风速。有时会产生一种与其他不同的混合气味，或许在不同的时间和强度下有相同的气味，这都是由结合短气味事件到长气味事件产生的。此外，软件必须根据所需的气味，产生处理基于液体气味的排出方法和固体气味的传递机制。
　　本论文中，我们实现了一个气味传送技术，这一技术可用于传送大量基于固体和液体的气味，并将展示该技术的改进。由于一些共同存在的气味，它们需要不同于其他固体气味的物理位置，另外需要固体和液体基味混合喷出，同样通过两个因素增加气味盒的容量，使其包含更多的类型的气味，进而使嗅觉显示器能够产生矿砂气味。该系统运用了电学、电子学和机械学等学科，所以它是一个多式联运系统，需要有电子学，软件工程系统规划，嵌入式系统，化学工程和其他领域的丰富经验。
　　最后，我们实现了一个通信协议，该协议提供与计算机通信的能力，其拦截显示在屏幕上的场景和信息，并在现实世界重现它们，以达到与用户嗅觉交互的目的。通过增加更多的气味元件或者依据用户的偏好取代某些气味元件使系统可以扩展到具有任意数量的气味。可以用此设计来处理一些早期的实验，并且克服一些技术上的难题。该设计具有多个方面以及迭代的思想，并且已经出现了改进的版本，我们将这些版本中好的特性纳入该系统的原型版本中。
　　我们提出了基于液体气味材料三原型和热活性固体气味材料的一原型，然后我们结合在本文中提到的基于热物质的气味喷出物的论述原型实现了最终的设计。
　　在原型Ⅰ中，我们使用了陶瓷复合振动盘和雾化器，由于雾化器可以用于产生雾，所以在系统中我们用它作为一个气味元件，它的功能虽然简单，但非常有效。当电流通过磁喷嘴内部时，它使陶瓷板以超声波的速度震动，这将依次分散气味物质的分子，这种机械运动造成气味材料瞬间变成水蒸气并成为烟雾从雾化器上上升。
　　原型Ⅱ，在这个原型中，我们使用了一个中心具有微尺寸孔的压电薄膜，并且为了防止气味物质泄漏造成结果的不准确，在透明塑料盒前安装了一个硅胶垫圈;塑料盒有两个相对的孔，一个是用来安装压电薄膜使其排出气味材料，另一个孔是用来把气味材料填充到墨盒中，两个硅胶密封盖（上、下）的放置创造了一个围住压电薄膜的夹层，这个夹层被螺丝固定在气味盒之下并产生了一个气密室，它能够将防止气味材料以任何形式（气体或液体）泄漏到嗅觉显示器中。
　　压电薄膜被包围在上下硅胶密封盖内，并在薄膜和硅胶之间留下一个小小的间隙，由于电源频率引起薄膜的震动使气味材料挤压出微型孔，在反向信号撤回中将抑制气味材料生成一个微小的能够喷出气味元素的气体微滴，这将重复生成气味材料的操作周期。
　　原型Ⅲ，对于该气味元件的设计与实现，它具有几个优点，比如小巧，防溢，容易填充和可由3D打印机打印。它包含一个用于液体气味物质的储液器(约10cc)并且顶孔插有高脱脂棉芯和一个控制压电微多孔膜的2mm边缘。气味元件的内部基础是适合收集所有的气味材料到棉芯底部的的锥形，顶部包含一个用于将适当的气味物质填充到气味元件的孔。所提出的设计代表了气味元件的壳，框架或外罩，其他部件都放在这个壳上，如提供充足频率以驱动超声波压电薄膜的电路板，以及使用上下硅胶垫圈使它固定在对的位置上，并同时提供密封和振动自由度的压电薄膜自身。
　　气味的元件容器是由PLA（聚乳酸）塑料通过3D打印技术制成的，为了嗅觉显示器更高强度需求的应用，它可以重新设计成具有较大的容量或者较大的压电薄膜，比如模拟雾颗粒，水溅落或者降雨，这些都需要在较短的时间内将更多容量的水分散在空气中，或者需要将嗅觉显示器预放置在剧院或电影院的人群前。在拆掉帽和填充所需的气味后，气味盒可容易的通过上部的填充孔填充。
　　嗅觉显示器已经经历了几个演变阶段，在这些阶段中，把显示器作为一个整体的设备以及需要直接从显示器达到理想的预期目标。实际上，在本文中，进行着嗅觉显示器自底向上的重新设计，创造一个独立的模块化的气味元件，该气味元件是由最新的和最先进的可扩散的微多孔压电薄膜设计实现和制造的，并且具有最佳效果。在日后，可以构建一个更小巧的和精确的气味元件，其在一个1到2平方厘米的在手机，或者任何移动设备的区域中利用更小尺寸的微多压电薄膜配一个10×10的气味扩散器，而且不影响已存在设备的设计。
　　风机通过脉冲宽度调制信号PWM控制，该信号是通过微控制器并使用一个PNP晶体管放大产生的。风扇以2500转每分钟的转速高速旋转，并产生足够到达用户脸部的气流。风扇的转动迫使空气从上端轴排出，这样盒子内部就会形成低压，能够使空气从激光器中流出，并且捎带烟微粒及冷却发热区域。风扇安装在六角旋转之上并且独立旋转，风扇的转速依照所需要产生的气味和操作的量而变化。这个外罩是个透明塑料，上有两个孔，上端孔是气味射点，下端空是进气孔及激光投影开放，保持着设备内部的空气流动。
　　已经有很多用于嗅觉显示器实现的尝试，其中的一些尝试是很专业的，并且已有公司成功的实现了嗅觉显示器，其他的个别尝试还没有商品化，而对于最终用户具有完全的可操作性和功能性。当然在这一过程中不断地出现一些问题和挑战，诸如除技术之外的电子和化学方面的挑战，这些挑战使得系统很难得以实现。
　　我们的系统在多数解决方案和问题之间做了折衷，并且系统尽可能由具有真才实能的用户建立和实现，而且系统的目的就是实现一个气味发生器，可以帮助用户“闻”虚拟显示的内容或着可操纵的对象，如具有一定的特性的图像，视频内容，游戏和网页内容等，对于一些公司的标准应用，可以将其用作电子商务工具，用来闻一些如香水，肥皂，除臭剂及鲜花等具有气味的商品。可用于网络购买前，或者用于虚拟现实，游戏，扩增实境，娱乐，医疗卫生和科学应用中。
　　该系统连接到操作系统当前活跃的部件事件，以及在游戏和图像中鼠标运动的拦截事件，然后越过显示的对象并获取其特性，然后分析对象并在外设上产生相应的气味，当然这一功能由用户选择激活/停用，所以用户可以决定电脑可否产生气味。
　　每次用户从枪中发射出一圆状物，信号就会被发送到嗅觉显示器，该信号包含描述事件和时间的一帧数据，即该事件应随着事件强度而持续。系统确定每次活动持续强度的量，并传送给嗅觉显示器。某些情况下，第一人称射击游戏的玩家走向一个具有气味属性的对象，导致软件发送持续增强的嗅觉显示数据帧，这些数据淹没在微控制器指令中，进而导致渲染响应显示滞后，这样的话，是不可接受的。另外，一个重复射击事件或着玩家使用有速射武器（如机枪）造成嗅觉显示接收大量数据帧，进而使其淹没在微控制器中并大幅降低微控制器的响应。因此该软件对于不同的事件具有不同的优先次序，这样能够消除重复数据，并优化利用以及抑制六边形旋转五次驱动程序。
　　该通信协议基于可变的数据突发传输的USB通信链路，前2位标识功能类型，其中，00表示基于液体的气味，而01为基于固体的气味，10和11保留后用。它用于原始的通信问题，该问题不涉及嗅觉显示器。第二个字节表示参与气味事件中的气味事件n的数量。而第三个字节标示第一个事件所涉及的气味元件数，双字节第四字节作为强度水平，标示每次有多少气味交付给用户，调用或激活哪些特定的气味元件，第五字节标示与气味相关的主风机转速，接下来的三字节倍数是与当前气味事件相联系的第n个气味元件。最后一个字节保存辅助通风机转速。最后，除了电子专业知识以外，嗅觉显示器的很多方面已经涉及了许多领域的研究和制造技术，因此它仍然是一个开放的研究领域，仍需要更多领域的努力来达到社会团体可接受水平。

目录

声明

ABSTRACT

摘要

TABLE OF CONTENTS

LIST OF FIGURES

LIST OF TABLES

1 INTRODUCTION

1．1 Introduction

1．2 Human olfactory system physiology and Function

1．2．1 Olfactory Mucous Membrane

1．2．2 Olfactory Bulbs

1．2．3 Olfactory Cortex

1．2．4 Signal Processing

1．2．5 Signal Transduction

1．3 Smell measurement

1．3．1 Olfactory perceptual space

1．3．2 Olfactory neural space

1．3．3 Olfactory physicochemical space

1．4 Electronic measurement of odors

1．4．1 Electronic Nose

1．4．2 Sensor arrays

1．4．3 Computation

1．4．4 Applications

1．5 Individual Differences in Olfactory Perception

1．5．1 Age

1．5．2 Gender

1．5．3 Culture

1．5．4 Experience

1．6 Impact of scents and odors on humans

1．6．1 Health

1．6．2 Marketing

1．6．3 Effects of odors on mood

1．6．4 Effects of odors on cognitive processing

1．6．5 Memory

1．6．6 Diseases

1．6．7 Aroma therapy

1．7 Problem definition

1．8 Main contributions

1．9 Thesis structure

2 BACKGROUND AND LITERATURE REVIEW

2．1 Scent delivery systems

2．1．1 Commercial technologies

2．1．2 Academic researches

2．2 Existing Scent delivery techniques

2．2．1 Vaporization methods

2．3 Switching and blending methods

2．3．1 Scent-source Switching

2．3．2 Liquid-based Blending

2．3．3 Gas Blending

2．3．4 Direct Atomization Control

2．4 Scent delivery methods

2．4．1 Natural Diffusion／Convection

2．4．2 Wind(Air Flow)

2．4．3 Vortex Ring

2．4．4 Tubes

2．4．5 Direct Injection

2．5 Summary

3 SCENTS，NATURL AND SENTHETIC

3．1 Introduction

3．2 Scent Analysis

3．2．1 Measurement

3．2．2 Measuring concentration

3．2．3 Intensity

3．2．4 Hedonie tone assessment

3．2．5 Character

3．2．6 Interpreting dispersion modeling

3．2．7 Sampling from area sources

3．2．8 In the indoor environment

3．3 Scent ingredients

3．3．1 Stabilizers and Perfume Bases

3．3．2 Ethyl Alcohol

3．3．3 Coumarin

3．3．4 Benzyl Benzoate

3．3．5 Pthalates

3．3．6 Distilled Water

3．3．7 Beeswax

3．4 Essential Oils

3．4．1 Lavender Oil

3．4．2 Rose Oil

3．4．3 Bergamot Oil

3．4．4 Jasmine Oil

3．4．5 Lemongrass Oil

3．4．6 Sandalwood Oil

3．4．7 Opium Oil

3．4．8 Amber Oil

3．4．9 Agar Oil

3．4．10 Patchouli Oil

3．5 Synthetic Scents

3．5．1 Fragrance

3．5．2 Limonene

3．5．3 Galaxolide

3．5．4 Tonalide

3．5．5 Musk Xylene

3．5．6 Musk Ambrette

3．6 Summary

4 PIEZOELECTRIC BASED LIQUID SCENT ATOMIZATION TECHNIQUE

4．1 Introduction

4．2 Hardware Components

4．2．1 Prototype Ⅰ：Piezoelectric ultrasonic transducer film

4．2．2 Prototype Ⅱ：microporous piezoelectric film scent atomization technique

4．2．3 Prototype Ⅲ：A Modular scent element

4．3 Summary

5 HEAT BASED SOLID SCENT MATERIAL DISPAIUSY TECHNIQUE

5．1 Introduction

5．2 Design concept

5．2．1 Rotatable scent cartridge

5．2．2 Laser diode

5．2．3 Air flow fan

5．2．4 Housing

5．3 Solid scent material preparation

5．4 Intensity

5．5 Speed

5．6 Control

5．7 Software

5．8 Summary

6 COMPLETE OLFACTORY DISPLAY HARDWARE DESIGN

6．1 Introduction

6．2 Olfactory display components

6．2．1 Structural components

6．2．2 Mechanical components

6．2．3 Electronic components

6．3 Circuit diagram，implementation and actual build

6．4 Assembly List

6．5 Summary

7 WEBSITES，IMAGES，VIDEOS AND GAMES SCENT MANAGEMENT SOFTWARE

7．1 Introduction

7．2 Scent enabled websites

7．2．1 System Concept

7．2．2 Webpage Information Analysis

7．3 Scent enabled images

7．3．1 Image management component

7．4 Extracted scent bitmap qualification

7．5 Scent enabled anaglyph 3D videos

7．5．1 Anaglyph 3D video generation

7．5．2 Smell Data embedding component

7．5．3 Olfactory based video player

7．5．4 Extracted scent bitmap qualification

7．6 Scent enabled Games

7．6．1 Prototype game design

7．6．2 Firmware

7．7 Communication Protocol

7．8 A swift comparison

7．9 Summary

8 EXPERIMENTAL RESULTS

8．1 Ejection Intensity Control

CONCLUSIONS

1．Summary of contribution

1．1 Piezoelectric scent presentation in video and images

1．2 Heat-based scent presentation

2．Suggestions for Further Study

REFRENCES

APPENDIX

ACKNOWLEDGEMENTS