文獻(xiàn)檢索報(bào)告-氣味藝術(shù)的數(shù)字化技術(shù)發(fā)展前景

.氣味藝術(shù)的數(shù)字化技術(shù)發(fā)展前景1、項(xiàng)目概述1.1 立項(xiàng)依據(jù)如今的社會(huì)是一個(gè)數(shù)字化、信息化的社會(huì)，電子產(chǎn)品可以傳輸圖像與聲音，讓人們擁有視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)的雙重感受。但是，除了視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)之外，觸覺(jué)也是人們感知世界的重要知覺(jué)。讓氣息數(shù)字化、信息化既能讓人們從此享受視聽(tīng)之外的第三感覺(jué)，也能監(jiān)測(cè)有害氣體的泄露，應(yīng)用前景非常廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，氣味電子化是可以實(shí)現(xiàn)的。任何氣味都有其獨(dú)特的性質(zhì)，可以與某種化學(xué)物質(zhì)發(fā)生物理反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)，造成某一物理量的變化(比如質(zhì)量、顏色、電特性等變化)通過(guò)特定的信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制可以將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，從而可以進(jìn)行電子化傳輸。1.2 項(xiàng)目研究或論文選題的目的及意義氣味對(duì)人類的影響，目前體現(xiàn)在工業(yè)和藝術(shù)兩個(gè)方面。首先，隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)易燃、易爆、有毒、有害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制已成為當(dāng)前煤炭、石油、化工、電力等部門急待解決的重要課題。同時(shí)，隨著人們生活水平的提高，人類對(duì)生態(tài)環(huán)境凈化的要求也越來(lái)越高。不僅要求監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、檢測(cè)易燃、易爆、有毒、有害氣體，而且要進(jìn)一步要求氣味監(jiān)控技術(shù)為確保身心健康減少環(huán)境污染服務(wù)。在藝術(shù)方面，上世紀(jì)80年代末出版的暢銷小說(shuō)香水：一個(gè)謀殺犯的故事”1是一部以“氣味”作為主題的文學(xué)作品，德國(guó)作家聚斯金德出神入化的文字表述，仿佛能讓各種氣味透過(guò)紙張飄出來(lái)。小說(shuō)在轟動(dòng)德語(yǔ)文壇的同時(shí)，也讓人們第一次對(duì)每日都要接觸卻又難以形容的“氣味”產(chǎn)生了真正的興趣。2006年，香水同名電影再次掀起一陣“香水熱潮”，“氣味”這個(gè)抽象概念從默默無(wú)聞的角落一躍成為流行文化和學(xué)術(shù)研究的焦點(diǎn)。1.3 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析20世紀(jì)90年代末以來(lái)，日本東京工業(yè)大學(xué)的研究人員一直在從事“氣味錄放機(jī)”1的研制。它通過(guò)15種感應(yīng)控制裝置捕捉氣味，對(duì)其進(jìn)行分解并用數(shù)字形式記錄下來(lái)，隨后再選擇各種香精成分予以重新成，再現(xiàn)原味。這種“氣味錄放機(jī)”有大有小。有種大型“氣味錄放機(jī)”內(nèi)置96個(gè)小瓶每個(gè)瓶里裝著不同的化學(xué)藥水，用于調(diào)制不同氣味。還有一種“氣味錄放機(jī)”1體積要小得多，內(nèi)置32個(gè)小瓶。到了2010年日本慶應(yīng)大學(xué)教授岡田謙一又研制出了氣味發(fā)生器”1“。為了使各種不同的味道能夠被明確地區(qū)分出來(lái)，岡田教授借鑒了打印機(jī)墨盒的工作原理，把不同的氣味劑裝在不同的盒子里，并通過(guò)類似于打印機(jī)噴頭一樣的微型噴嘴向外噴射。他還將其與電視機(jī)相結(jié)合，今后看電視時(shí)，只要將氣味發(fā)生器與電腦相連接，發(fā)生器內(nèi)部的控制裝置就可以通過(guò)分辨不同的畫面來(lái)選擇不同的氣味，如圖3所示。不過(guò)，岡田謙一實(shí)際上是對(duì)非常困難的氣味數(shù)字化的一次妥協(xié)，采用相對(duì)直接的氣體產(chǎn)生理念以催生實(shí)際產(chǎn)品的出現(xiàn)。但是，氣味藝術(shù)的普及和發(fā)展還是必須經(jīng)由數(shù)字化的道路，借鑒相關(guān)藝術(shù)形式發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，才能迅速的成為人民的藝術(shù)。2、技術(shù)關(guān)鍵2.1 DSP技術(shù)DSP(digital signal processor)是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或l的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性。而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。DSP技術(shù)特點(diǎn)實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了人類對(duì)信息規(guī)范和快速傳播的渴望。氣味藝術(shù)要被人類更好地接受就必須能夠順利地融人這一平臺(tái)。以色列著名的威茨曼研究所的數(shù)學(xué)家巴威哈爾和生物化學(xué)家科隆蘭舍特經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)三年的合作研究，已經(jīng)能夠大致分析出150種不同氣味的特性。他們?cè)O(shè)想，如果能將氣味的信息電子化，那就可以把這一電子信息傳送到另一個(gè)遙遠(yuǎn)的地方，并且再在那兒把信息還原成氣味。氣味與DSP技術(shù)的結(jié)合主要分為三個(gè)過(guò)程：氣味經(jīng)由傳感器轉(zhuǎn)化為電子信息；相關(guān)信息經(jīng)由DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)其存儲(chǔ)、編程的數(shù)字化操作；數(shù)字信息解譯為氣味送往人類的鼻子。其中第一個(gè)過(guò)程借由工業(yè)生產(chǎn)中的安全需求已經(jīng)得到了一定的發(fā)展。對(duì)第二個(gè)過(guò)程的研究目前還是比較少的，而誰(shuí)首先在這一發(fā)展前景相當(dāng)廣闊的領(lǐng)域制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，誰(shuí)就將取得極其有利的先機(jī)。至于第三個(gè)過(guò)程，其實(shí)是非常有趣的，但是其實(shí)現(xiàn)的難度就目前的技術(shù)來(lái)講非常困難，暫且不談。2.2 氣味藝術(shù)與DSP技術(shù)的結(jié)合隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，氣味電子化是可以實(shí)現(xiàn)的。任何氣味都有其獨(dú)特的性質(zhì)，可以與某種化學(xué)物質(zhì)發(fā)生物理反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)，造成某一物理量的變化(比如質(zhì)量、顏色、電特性等變化)通過(guò)特定的信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制可以將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，從而可以進(jìn)行電子化傳輸。從實(shí)用化角度出發(fā)，可把氣體傳感器分為氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器和固體電解質(zhì)氣體傳感器等。從材料、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用范圍來(lái)看目前仍以半導(dǎo)體氣體傳感器占多數(shù)，但近幾年來(lái)以氧化鋯陶瓷材料為中心的離子導(dǎo)體型氣體傳感器發(fā)展十分迅速，并成為發(fā)展新型氣體傳感器的一個(gè)研究熱點(diǎn)。就技術(shù)而言，目前“氣味電子化”的實(shí)現(xiàn)方法可歸納為三種。即仿生學(xué)方法、數(shù)字化方法和仿生學(xué)與數(shù)字化相結(jié)合的方法。仿生學(xué)方法就是模仿生物嗅覺(jué)系統(tǒng)，可對(duì)任意不同的多成分混合氣味進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別、記憶，并用因特網(wǎng)傳送信息。然后在接收終端由氣味元素合成產(chǎn)生氣味；數(shù)字化方法是對(duì)有限種類氣味進(jìn)行分析，事先形成氣味特性數(shù)據(jù)庫(kù)。在工作時(shí)，氣味發(fā)送端檢測(cè)氣味特征并用因特網(wǎng)傳送氣味特征編號(hào)接收終端根據(jù)氣味特征編號(hào)從氣味特性數(shù)據(jù)庫(kù)選出已庫(kù)存的氣味進(jìn)行播放；仿生學(xué)與數(shù)字化相結(jié)合的方法就是在氣味發(fā)送端通過(guò)仿生嗅覺(jué)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)氣味，用因特網(wǎng)傳送氣味整體信息，在接收終端從氣味庫(kù)中播放氣味。除了工業(yè)中氣味傳感技術(shù)的發(fā)展，多年來(lái)人們還一直試圖探索模仿生物嗅覺(jué)功能來(lái)滿足不同領(lǐng)域?qū)怏w成分的檢測(cè)需求，這便是具有仿生性質(zhì)的化學(xué)分析儀器：電子鼻。Gople等提出，可以用生物分子功能單位為目標(biāo)來(lái)發(fā)展高靈敏性嗅覺(jué)傳感器：生物電子鼻。氣味識(shí)別與仿生學(xué)相結(jié)合是人類對(duì)這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的必然思考趨勢(shì)。不過(guò)。不必太過(guò)追求對(duì)氣味的電子采集裝置一定要像人類的鼻子那般運(yùn)作，只需要能夠恰如其分地收集到需要以色列科學(xué)家所設(shè)想的“氣味電子化”，簡(jiǎn)言之就是“氣味采集一氣味遠(yuǎn)距離電子傳輸(有別于其他氣味傳送方法)）氣味復(fù)現(xiàn)”的過(guò)程。那么要實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，當(dāng)前存在的技術(shù)難關(guān)在于氣味采集和氣味復(fù)現(xiàn)這兩個(gè)環(huán)節(jié)。需要突破的技術(shù)難關(guān)主要是氣味采集裝置和氣味發(fā)生裝置的研制和開(kāi)發(fā)。然而這是技術(shù)層面的問(wèn)題，過(guò)分地追求氣味的信息化傳播并以其為最終目標(biāo)將會(huì)大大壓縮氣味對(duì)人類的影響以及其應(yīng)用前景。試想一下，如果音樂(lè)等到當(dāng)代才被開(kāi)發(fā)，被賦予了頻率的標(biāo)準(zhǔn)，那它恐怕就變成只能傳輸現(xiàn)有聲音的工具了。所以歸根結(jié)底，DSP技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)必須僅僅作為一個(gè)建立符合人類美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的手段。DSP技術(shù)與氣味藝術(shù)相結(jié)合首先必須實(shí)現(xiàn)氣味作品創(chuàng)作標(biāo)準(zhǔn)的制定。這一標(biāo)準(zhǔn)的制定，一方面希望借助DSP技術(shù)進(jìn)行分析整合，跨過(guò)如其他藝術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定那般漫長(zhǎng)的歷史過(guò)程，較快的實(shí)現(xiàn)氣味藝術(shù)作品在一個(gè)合理的平臺(tái)上進(jìn)行創(chuàng)作傳播。DSP能夠以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，在DSP系統(tǒng)收集到經(jīng)由氣味傳感器輸人的電子信號(hào)之后，通過(guò)labvieW等虛擬儀器軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，歸納總結(jié)出可以概括大部分氣體的譜表。這種規(guī)范不能是簡(jiǎn)單的總結(jié)出各種氣體類型的基本組成要素，它是在人類感官基礎(chǔ)上建立的主觀的藝術(shù)的規(guī)范，同時(shí)也是在DSP技術(shù)基礎(chǔ)上建立的客觀的科學(xué)的規(guī)范。在規(guī)范的氣味藝術(shù)作品創(chuàng)作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)之后，DSP技術(shù)還能夠借助其強(qiáng)大迅速的數(shù)據(jù)處理功能，對(duì)藝術(shù)作品進(jìn)行類似語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音增強(qiáng)、語(yǔ)音合成等操作，實(shí)現(xiàn)氣味作品的再創(chuàng)作并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳播這將極大有利于我們的鼻子被正式激活，實(shí)現(xiàn)造物者所賦予它的真正的意義。 3、預(yù)期成果3.1 成果實(shí)現(xiàn)形式基于DSP的蘋果氣味檢測(cè)裝置3.2 技術(shù)路線（1）總體結(jié)構(gòu)此設(shè)計(jì)由氣味傳感器陣列 、數(shù)據(jù)采集模塊、設(shè)備控制模塊、視頻顯示模塊和DSP核心處理系統(tǒng)等幾部分組成 ，總體設(shè)計(jì)框圖如圖 1所示。設(shè)計(jì)的工作流程為氣味傳感器陣列采集到蘋果的各種氣味成分，數(shù)據(jù)采集模塊的處理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，傳給 AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。再傳給DSP進(jìn)行運(yùn)算，最后輸出此蘋果的氣味指標(biāo)。新蘋果檢測(cè)模塊是獨(dú)立于其他模塊并與數(shù)據(jù)采集模塊同時(shí)工作的，如果檢測(cè)結(jié)果不是新蘋果則丟棄此組數(shù)據(jù)。 （2）硬件設(shè)計(jì)氣味采集裝置蘋果的氣味與其質(zhì)量有密切相關(guān)，有研究表明蘋果所散發(fā)的乙烯濃度與其成熟度有關(guān)，因此可以把檢測(cè)到的蘋果氣味濃度作為蘋果分級(jí)的一項(xiàng)指標(biāo)?；谑称坊瘜W(xué)的研究表明，蘋果的香氣一般由乙烯、蟻酸、醋酸、丙酸、丁酸、辛酸等揮發(fā)酸及其酯、甲醇、乙醇、乙醛等組成。因此選取對(duì)這些氣體比較敏感的錫 氧化物氣味傳感器組成傳感器陣列 。本研究采用日本費(fèi)加羅(Figro)公司生產(chǎn)的六個(gè)厚膜金屬氧化物錫 傳感器 (TGS800、 TGS822、TGS824、 TGS825、TGS2602、TGS2610)。傳感器陣列中的每個(gè)傳感器對(duì)被測(cè)氣味都有不同的靈敏度 ，TGS2602對(duì)甲苯、乙醇比較敏感 ，TGS822對(duì)乙醇更敏感，因此每個(gè)傳感器采集 到的數(shù)值也不同。通過(guò)提取分析這些數(shù)據(jù)，給出被測(cè)蘋果在氣味指標(biāo)上的等級(jí)。圖 2是蘋果氣味采集裝置原理圖。 此裝置采集到的信號(hào)是6路模擬信號(hào)，且都是小信號(hào)，因此必須經(jīng)過(guò)一定的處理后才可以給 CPU進(jìn)行計(jì)算和輸出。DSP數(shù)據(jù)處理 電路對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換給DSP 芯片進(jìn)行處理。DSP芯片采用TI公司的TMS320VC5402，AD轉(zhuǎn)換器；采用 MAXIM公司出品的MAX1403；DSP采用TMS320VC5402。為了提高輸入阻抗和避免 AD轉(zhuǎn)換受到干擾輸入模擬信號(hào)應(yīng)該由一個(gè)低阻抗源驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路使用 TI公司的OPAl32。OPA132在系統(tǒng)中的連接電路如圖 3所示。 由于氣味采集電路得到的信號(hào)是低頻小信號(hào)，且設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)確性要求很高，因此在選擇 AD轉(zhuǎn)換器時(shí)要考慮其精度。MAXIM 公司出品的 MAX1403同時(shí)具有高精度、多功能、低功耗等特點(diǎn)【引，主要特 性有 ：分辨率為 18位 ；功耗低 ；3個(gè)真差動(dòng)輸入或5個(gè)偽差動(dòng)輸入通道 ；2個(gè) 附加輸入校正通道 ：帶有一 個(gè)雙向串行通信接口；模擬電源和數(shù)字電源采用獨(dú)立供電方式 ：可用軟件控制增益和失調(diào)。TMS320C5000DSP平臺(tái)是11公司的主流產(chǎn)品對(duì)于消費(fèi)數(shù)字市場(chǎng)來(lái)說(shuō) ，C5000DSP平臺(tái)是最受歡迎的，適用于個(gè)人和便攜式產(chǎn)品141。VC5402是TI公司1999年10月推出的性價(jià)比較高的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器其主要特點(diǎn)如下：先進(jìn)的改造型哈佛結(jié)構(gòu)，操作速率可達(dá)100MIPS；先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)，3條16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線和1條程序存儲(chǔ)器總線 ：40位算術(shù)邏輯單元 (ALU)；8個(gè)輔助寄存器及1個(gè)軟件棧，允許使用業(yè)界最先進(jìn)的定點(diǎn) DSPC語(yǔ)言編譯器 ：數(shù)據(jù)程序?qū)ぶ房臻g 1M6bit， 內(nèi)置 4K16bitROM 和 16Kxl6bitRAM；內(nèi)置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)時(shí)鐘產(chǎn)生器 、2個(gè)多通道緩沖串行口、1個(gè) 8位并行與外部處理器通信的HPI口、2個(gè)l6位定時(shí)器以及6通道DMA控制器；低功耗，工作電源有3V和18V (內(nèi)核使用 )。AD轉(zhuǎn)換器與DSP的接口示意電路圖如圖 4。（3）軟件設(shè)計(jì)由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法能適用參數(shù)比較復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，而遺傳算法是一種有較強(qiáng)魯棒性和收斂到全局最優(yōu)的優(yōu)化方法所以運(yùn)用“遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ”建立識(shí)別模型，應(yīng)用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。對(duì)于不同氣體，傳感器最后反應(yīng)值大小不一樣，而且反應(yīng)速度也不一樣。提取每個(gè)傳感器10s時(shí)的反應(yīng)值和20s的反應(yīng)值表征傳感器的反應(yīng)速度，另外再加上信號(hào)最大值、平均值和最后穩(wěn)定值共3O個(gè)特征值。將這30個(gè)特征參數(shù)做為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入特征向量，運(yùn)用遺傳算法優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把這30個(gè)特征參數(shù)所表達(dá)的信息融合起來(lái)形成識(shí)別模型。遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，一般需編碼、確定適應(yīng)度函數(shù)、確定初始種群、選擇操作、交叉操作、變異操作和確定終止條件等步驟。本研究采用遺傳算法優(yōu)化 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。定義 gen為計(jì)數(shù)器，MAX為最大值，種群大小定義為 100，程序流程如圖 5所示 。流程中的災(zāi)變因子是指重新隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)群體，并從中找出幾個(gè)最優(yōu)的個(gè)體加入到當(dāng)前代的群體中，同時(shí)把當(dāng)前群體中最差的個(gè)體替換掉，以增加群體的多樣性。另外一部分軟件設(shè)計(jì)為 MD轉(zhuǎn)換器程序 。具體流程為 ：DSP進(jìn)行系統(tǒng)初始化、AD器件初始化(包括通道選擇、極性設(shè)置、采樣速度等)及查詢法采集 AD數(shù)據(jù) 。3.3 結(jié)束語(yǔ) 綜上所述，隨著氣味藝術(shù)的發(fā)展以及氣味傳感器的不斷改良和優(yōu)化，氣味藝術(shù)結(jié)合DSP技術(shù)作為數(shù)字化時(shí)代一種新興的藝術(shù)形式普及到千家萬(wàn)戶將不是遙不可及的，其可能性和意義將隨著科學(xué)及藝術(shù)的發(fā)展得到充分的體現(xiàn)。4、參考文獻(xiàn)1.楊邦朝;張益康 氣體傳感器研究動(dòng)向 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