嗅覺信息可視化的應用設計

朱燁晨

摘要：將嗅覺可視可聽化，讓嗅覺缺失的人群重新獲得不一樣的“嗅覺”。利用分子振動原理將嗅覺信息可視化，并通過手表和AR技術展現出來。設計一款AR手表“oWatch”。設計師不能只停留在設計滿足產業升級和商業創新需求的層面，更應針對社會功能需求的“真正的、有意義的”設計，關注殘障人士，并讓他們的生活更美好。

關鍵詞：嗅覺缺失;氣體振動頻率;可視化;可聽化

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2020）03-0012-03

引言

現階段在社會上，對于嗅覺這一感官的研究較少，并且對于嗅覺殘缺者并沒有相關的交互產品。本次研究主要利用分子振動理論，將嗅覺信息通過視覺和聽覺的維度展現出來，使得嗅覺障礙者能夠重新體驗失去嗅覺所帶來的情感。此次研究所設計的產品將有利于增強該類人群對于食物的興趣，并且提升他們的安全感。

一、嗅覺研究現狀與相關理論知識概述

（一）嗅覺研究現狀：長期以來，嗅覺一直沒有被人們所重視，人類對嗅覺的科學研究遠遠落后于其余的感官。人文科學也忽略了氣味，詩歌、小說甚至哲學都不愿提及彌漫在人們生活中的香水。從童年起，人們就被灌輸“人類的嗅覺比動物弱”的錯誤觀念，所以這是人們忽略氣味重要性的原因之一。

（二）嗅覺不受重視的原因：對于其他感官，人們傾向于直接說出對它們的感受，這使得人們在頭腦中留下了更深刻的印象。聲音具有特定頻率，音調，亮度，所有這些都可以喚起人們存在的記憶聲音。顏色可以科學地描述為光的波長，或者用語言命名。然而，對于氣味卻有些困惑，“聞起來像？”然而人們卻容易描述一朵花“看上去像一朵云”，或者皮膚上溫暖的太陽“感覺就像在烤箱旁邊”。嗅覺是唯一一個被輕視的感官，因為它屈居氣味的尊嚴之下，只能靠其他的東西。如果要描述一種其他人從未聞過的氣味，那么他就無法理解描述者在說什么。比如，如何向從未聞過肉豆蔻氣味的人描述肉豆蔻的氣味？

（三）嗅覺缺失引發的問題

1.可能產生幻嗅和嗅覺扭曲：大腦的嗅覺區域若在很長一段時間內沒有接收到外部氣味信息，一些隨機信息可能通過其他神經傳導通路觸發腦部嗅覺區，從而導致一些不存在的嗅覺感受出現。如一個人經常能感覺到煙的氣味，并且持續幾個星期，即使房間里沒有煙;還能感覺到氣味扭曲，如牛奶喝起來像糞便;肉類口味就像動物脂肪和血液;巧克力也失去了原有的甜，辣，成了令人作嘔。

2.可能引起抑郁：德累斯頓大學的研究人員發現，天生嗅覺差的人在社交交往中更容易遇到障礙、不安全感和抑郁。因為他們聞不到，經常擔心會得罪別人，所以盡量避免與人吃飯、親密接觸等，從而與人分享快樂的機會也隨之減少。

根據實驗心理學家帕梅拉·多爾頓介紹，嗅覺直接關系到杏仁核，當人們聞到氣味后，氣味會產生在大腦的反饋回路。如果沒有更多的味道被傳送到大腦，行為或情緒可能會發生變化。

二、目標使用用戶群體與應用場景分析

（一）目標群體：本次設計的產品主要針對完全失去嗅覺的人，這類群體缺少社會的保護。嗅覺缺失的人不符合《中國實用殘疾人評定標準》，他們不屬于殘疾人，并且目前世界上并沒有很完善的治療嗅覺完全缺失的方法。

（二）嗅覺缺失對于人的影響：在安全層面上，失去嗅覺的人，可能會煤氣中毒。這類人群聞不出任何氣味，所以不知道是否關好煤氣灶;失去嗅覺的人，可能會食物中毒，因為這類人群無法知道食物是否變質。在個人精神面貌層面上，失去嗅覺的人，聞不到身體上的味道，不知道是否該洗澡或者換衣個，人形象會稍差，并且他們害怕被其他人嘲笑，會感到自卑;在飲食層面上，失去嗅覺的人，聞不到食物的氣味，就像嚼塑料制品，食之無味;在感情層面上，失去嗅覺的人，聞不到枕邊人特有的味道，聞不到頭發的味道，也聞不到很多關于愛的味道。

（三）應用場景分析

1.居家場景：在家中，嗅覺缺失的人無法感知室內的氣味，需要一個裝置能檢測室內的空氣成分，并且及時提醒用戶開窗通風或者噴灑合適的空氣清新劑。

2.廚房場景：嗅覺缺失的人有時無法確定是否完全關閉煤氣灶，需要一個裝置能檢測廚房中是否存在co（煤氣的主要成分），從而告知用戶煤氣灶的閉合狀況。

3.餐桌場景：嗅覺缺失的人往往食之無味，需要通過一個裝置將美味的氣味通過聲音和顏色的形式反饋出來，以此增加用戶的食欲以及飲食樂趣。

三、“oWatch”設計概念

（一）設計概念描述：為了便于嗅覺缺失者攜帶，以及了解氣體的信息，將設計一款AR手表。該款手表可以檢測用戶想要檢測的氣體，并在手表上顯示氣體的名稱，經過處理后，手表將發出屬于該氣體獨特的聲音以及顏色，從聽覺和視覺的緯度幫助用戶增加食欲，并且幫助用戶了解和記住該氣體（是否有毒）。

（二）“oWatch”設計方法：此次設計將結合了理性的科學與感性的藝術。首先，氣體的傳播是因為分子振動產生的，但是各種氣體的頻率不在人耳能接收到的范圍內。因此，通過多次反復試驗以及對其感性理解，得出一個公式，使得雙原子分子（目前由于知識的束縛，該公式僅限于雙原子分子）的振動頻率能落在鋼琴的108個鍵的頻率內，由此實現了嗅覺可聽化。至于將雙原子分子的頻率轉換為顏色，先將所求得的雙原子分子振動頻率根據一個公式轉換到可見光的波長內，然后利用1931CIE-XYZ標準色度系統，將波長轉換為RGB顏色。通過以上兩個步驟就將雙原子分子的氣味轉換成了能被嗅覺障礙者感知的聲音以及顏色，由此可將該技術原理應用在智能手表上，因為智能手表易于攜帶，并且離食物近（通過手拿取食物）。

（三）“oWatch”設計原理1.嗅覺可聽化（1）分子振動理論：在20世紀20年代和30年代，戴遜認為嗅覺

是通過檢測氣味分子的振動頻率來區分不同的化學物質。分子是由原子組成的，其組成方式就像一個個圓球（原子）被兩兩之間的彈簧（化學健）聯接在一起。當把物體掛在彈簧秤上時，可以觀察到上下振動的物體，并且這個振動有一定的頻率，而這個頻率取決于原子的質量和周圍的化學鍵強度。

（2）分子振動頻率的計算公式：由經典力學或量子力學均可推出雙原子分子振動頻率的計算公式為：

單位為kg。

m1和m2是兩個原子的質量;c是光速，為3×108m/s，k是鍵的力常數，單位是N/m。

3.區間映射公式：由于雙原子分子的真實振動頻率并不在鋼琴108鍵16.35HZ～7902.13HZ的范圍內，所以需要一個轉換公式將雙原子分子的振動頻率放大，經過試驗，將算得的真實頻率放大10500倍，此時該頻率即在鋼琴的頻率內（該放大倍數只適用于雙原子分子）。

2.嗅覺可視化

（1）1931CIE-XYZ標準色度系統原理：1931CIE-XYZ系統，是在RGB系統的基礎上，用數學的方法，選用三個理想的原色來代替實際的三原色，從而將CIE-RGB系統中的光譜三刺激值和色度坐標r、g、b均變為正值。

系統的轉換關系：選擇三種理想原色（三色刺激值）x，y，z。紅色原色x，綠色原色y，藍色原色z。整個光譜色變成了以XYZ三角形作為色域的域內色。在XYZ系統中所得到的光譜三刺激值x（γ）、y（γ）、z（γ）、和色度坐標x、y、z將完全變成正值。經過數學公式的推演和反推，可以得到兩組顏色空間色度坐標的相互轉換關系。所以，只要知道某一顏色的色度坐標r、g、b，即可以求出它們在新設想的三原色XYZ顏色空間的的色度坐標x、y、z。

按照相同的道理，也能得出光的波長與三原色XYZ顏色空間的的色度坐標x、y、z的相互轉換，即運用算法把光的波長轉換為色度坐標x、y、z，再把色度坐標轉化為該波長所對應的可見光的R，G，B值。

（2）區間映射公式：在程序中輸入波長時，首先要將分子的振動頻率范圍轉換到可見光波長的范圍內（380～750nm）。經過多次試驗與感性思考，得出只要將所求得的真實分子振動波數放大4.2×1011倍，該波數即落在可見光波長的范圍內（此放大倍數只適用于雙原子分子）。經過公式轉換后，便可將求得的數字輸入程序內，得到對應的顏色。由此實現了嗅覺可視化。

3.感官的通感性

（1）不同感覺相互影響：某種感覺器官受到刺激會對其他感官的感受性造成一定的影響，這種現象就是不同感覺器官的相互影響。一般規律是，某種感官若只能接收弱的刺激，就常常能使另一感官的感受性加強，如微弱的光刺激能使聽覺感受性提高，微弱的聲音刺激可以提高視覺對顏色的感受性。

（2）不同感覺互補：不同感覺的相互補償是指某種感覺系統的機能喪失后會由其他感覺系統的機能來彌補失去的功能。如盲人的聽覺感受能力比正常人強;聾啞人的視覺感受能力很強。這種補償主要是由于各種刺激的能量可以相互轉換。因此，可以用視覺和聽覺來代替嗅覺缺失者喪失的嗅覺。

（3）聯覺現象：顏色與嗅覺：顏色能影響人的食欲。紅色的食品，容易刺激人的食欲。橙色會讓人聯想到甘甜、溫和的味道，也是一種能使人增加飲食欲望的顏色。綠色給人新鮮的感覺，人們容易認為綠色的食物就是健康無害的食品，因此綠色可以增加人的食欲。但是顏色較深的綠色卻會讓人感到苦澀，降低人的食欲。

聲音與嗅覺：研究發現，讓人心情愉悅的音樂節奏會增加人們對食物和飲料的攝入量。人們喝酒時若聽些恰當的音樂能比安靜地喝酒更能讓人樂在其中。如品嘗2004年的法國瑪歌正牌葡萄酒時適合聽柴可夫斯基的D大調第一弦樂四重奏，喝法國盧瓦爾河谷普伊·富美白葡萄酒的時候更適宜聽莫扎特的長笛四重奏。

4.AR在“oWatch”上的應用

（1）AR的概念：AR是一種增強現實的技術，是虛擬內容和現實世界相融合的效果，幫助用戶們更快捷直觀地獲取信息。

（2）AR設計流程：捕捉顯示圖像——三維建模（設計3D的氣體分子立體模型，Cinema4D和Maya）——傳感器追蹤——坐標識別及轉換（與虛擬環境交互）——虛擬交互（與虛擬物體、與屏幕交互，Unity和UnrealEnergy）

（3）AR設計原則：設計一個體驗：新維度，沉浸感，安全性。

新維度：漸進引導用戶移動;避免術語，將提示融入情境;避免AR體驗中斷（讓用戶在不離開AR的情況下取改變氣體在空間中的存在位置）。沉浸感：全屏顯示;將氣體分子設計的真實;運用聲音、觸感反饋和顏色提升沉浸感。安全性：避免用戶大范圍地突然移動;考慮用戶的生理舒適;考慮物理世界的限制。

（4）AR功能在“oWatch”上的應用：通過AR技術，將傳感器所獲的氣體分子的信息在屏幕中展現出來（在空間或物體上的大致分布狀況），以此來增強用戶對氣體分布狀況的了解。

（四）設計草圖及效果圖草圖如圖1，圖釋：

1：在手表的前側將安裝紅外氣體傳感器，為了收集氣體。

2：手表副屏，為半透明的玻璃，用于增強現實，將收集到的氣體信息通過AR的形式顯示出來。

3：手表主屏，顯示時間以及氣體信息。效果圖如圖2。（五）“oWatch”操作及成像簡介：用戶欲使用“oWatch”的

嗅覺可視化功能時，向下按半透明的玻璃即可打開該玻璃，此時“oWatch”的紅外傳感器即被激活，如圖3。

當紅外傳感器接收到外界氣體信息時，就會將該氣體所對應的顏色在半透明玻璃中顯示出來，實現增強現實的功能，如圖4。

（六）紅外氣體傳感器介紹：紅外傳感器的應用很廣，能夠檢測大部分雙原子分子，而且它的可靠性很高，選擇性很好，精度也高，沒有毒，受到環境的干擾較小，壽命比較長，在未來的市場中可能會成為主流的。但是因為現剛處在起步階段，技術不夠精湛，制造的成本比較高，但是，希望在未來的技術發展中，可以發讓它變得更加成熟，更加實用。紅外傳感器結構如圖5。

（七）原型測試

1.原型測試材料：ArduinoUNO，面包版，面包線，MQ-2煙霧傳感器，紅色LED燈珠，綠色LED燈珠，無源蜂鳴器，221歐電阻

2.MQ-2煙霧傳感器介紹：（由于現階段無法獲得能識別一切雙原子分子氣體的傳感器，在此用MQ-2煙霧傳感器做試驗）

當MQ-2型煙霧傳感器感受到空氣中有天然氣成分時，該傳感器的電導率將根據感受到的空氣中氣體的濃度的增加而增大。運用這個簡單的原理就可以根據電導率的不同轉換成與之對應的氣體濃度，再輸出電信號，如圖6。

3.無源蜂鳴器介紹：無源蜂鳴器沒有正負之分的，類似于喇叭。只要在兩個腿上加載不同的頻率的電信號就可以實現發聲，根據不同的頻率所發出的聲音也是不一樣的，可以發出類似于“哆來咪發嗦啦西”的效果。

4.Arduino與MQ-2和無源蜂鳴器的連接使用說明：線路接通時，綠色LED燈珠就會亮起。當MQ-2煙霧傳感器監測到氣體時，紅色LED燈珠就會亮，綠色LED燈珠就會熄滅，同時無源蜂鳴器會發出“哆”的聲音。連接示意圖如圖7。

（八）計算氣體示例

HF：經過公式（1）計算可知其振動頻率約為0.51HZ，放大后為5355HZ，與鋼琴鍵101最為接近。波數為1.7×10-9nm，放大后即為714nm，經過程序計算，獲得R，G，B的值為R：255G：16B：0。

HI：經過公式（1）計算可知其振動頻率約為0.28HZ，放大后為2940HZ，與鋼琴鍵82最為接近。波數為9.3×10-10nm，放大后即為392nm，經過程序計算，獲得R，G，B的值為R：1G：0B：87。

（九）使用場景示例：嗅覺缺失者佩戴“oWatch”，進入某個含有30%HF和20%HI的環境，當用戶打開半透明玻璃片后，便激活了氣體檢測的功能，紅外氣體傳感器開始工作，從而獲取環境中氣體的信息，并將收集到的成分含量較大的氣體HF和HI的分子振動頻率放大。然后在手表的半透明玻璃上，將會呈現R：255G：16B：0和R：1G：0B：87的顏色（大概為紅色和深藍色，簡單說就像是給環境附上了紅色和深藍色的濾鏡）以及HF和HI分子的結構式和其大概分布在環境中的位置（按照3：2的比例），同時手表將發出鋼琴鍵101和82的聲音，并且跟隨用戶手的移動情況自動將兩個頻率的聲音編程音樂。

反饋情況：該兩個氣體對應的顏色以及聲音并不會令人愉悅，以此告訴嗅覺缺失者盡快離開該環境。

四、“oWatch”創新之處

（一）設計原理的巧妙性：“oWatch”的設計原理從量子力學的角度出發，通過分子振動理論，將氣體分子的振動頻率映射到鋼琴琴鍵和可見光的頻率范圍內，并結合AR技術，將氣體通過顏色和聲音通過手表這個載體表現出來。

（二）工作原理的獨特性：“oWatch”的工作原理不同于導盲鏡等其他殘障人士的高科技輔助產品通過接受外界刺激并將信息通過電化學信號傳遞到大腦中進行處理，而是以嗅覺可視可聽化的方法，加強嗅覺缺失人士的聽感和視感，從而幫助失去嗅覺的人群重新體驗到氣味帶給人類的情感。

五、“oWatch”設計意義

（一）增加對嗅覺障礙人士的關懷：社會上誕生了許多幫助殘障人士的設計產品：輪椅、觸覺手機、盲文打印機、導盲眼鏡、助聽器等，然而對于嗅覺缺失的人群卻缺乏設計產品。這類人群甚至都未被列入殘疾人的名單，社會上對這類人群的關照極少，“oWatch”的誕生將可以給他們帶來全新的不一樣的嗅覺體驗。

（二）符合未來發展趨勢：用現代技術為殘障人士創建無障礙環境來構建和諧社會，將是輔助器具的未來發展趨勢。

參考文獻

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