.PAGE.氣味藝術的數(shù)字化技術發(fā)展前景1、項目概述1.1立項依據(jù)如今的社會是一個數(shù)字化、信息化的社會,電子產(chǎn)品可以傳輸圖像與聲音,讓人們擁有視覺與聽覺的雙重感受。但是,除了視覺與聽覺之外,觸覺也是人們感知世界的重要知覺。讓氣息數(shù)字化、信息化既能讓人們從此享受視聽之外的第三感覺,也能監(jiān)測有害氣體的泄露,應用前景非常廣泛。隨著科學技術水平的不斷提高,氣味電子化是可以實現(xiàn)的。任何氣味都有其獨特的性質(zhì),可以與某種化學物質(zhì)發(fā)生物理反應或化學反應,造成某一物理量的變化<比如質(zhì)量、顏色、電特性等變化>．通過特定的信號轉(zhuǎn)換機制可以將其轉(zhuǎn)化成電信號,從而可以進行電子化傳輸。1.2項目研究或論文選題的目的及意義氣味對人類的影響,目前體現(xiàn)在工業(yè)和藝術兩個方面。首先,隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展,及時、準確地對易燃、易爆、有毒、有害氣體進行監(jiān)測預報和自動控制已成為當前煤炭、石油、化工、電力等部門急待解決的重要課題。同時,隨著人們生活水平的提高,人類對生態(tài)環(huán)境凈化的要求也越來越高。不僅要求監(jiān)測、監(jiān)控、檢測易燃、易爆、有毒、有害氣體,而且要進一步要求氣味監(jiān)控技術為確保身心健康減少環(huán)境污染服務。在藝術方面,上世紀80年代末出版的暢銷小說《香水：一個謀殺犯的故事》"1是一部以"氣味"作為主題的文學作品,德國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紙張飄出來。小說在轟動德語文壇的同時,也讓人們第一次對每日都要接觸卻又難以形容的"氣味"產(chǎn)生了真正的興趣。20XX,《香水》同名電影再次掀起一陣"香水熱潮","氣味"這個抽象概念從默默無聞的角落一躍成為流行文化和學術研究的焦點。1.3國內(nèi)外現(xiàn)狀分析20世紀90年代末以來,日本東京工業(yè)大學的研究人員一直在從事"氣味錄放機""1的研制。它通過15種感應控制裝置捕捉氣味,對其進行分解并用數(shù)字形式記錄下來,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"有大有小。有種大型"氣味錄放機"內(nèi)置96個小瓶．每個瓶里裝著不同的化學藥水,用于調(diào)制不同氣味。還有一種"氣味錄放機""1體積要小得多,內(nèi)置32個小瓶。到了20XX．日本慶應大學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,岡田教授借鑒了打印機墨盒的工作原理,把不同的氣味劑裝在不同的盒子里,并通過類似于打印機噴頭一樣的微型噴嘴向外噴射。他還將其與電視機相結合,今后看電視時,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分辨不同的畫面來選擇不同的氣味,如圖3所示。不過,岡田謙一實際上是對非常困難的氣味數(shù)字化的一次妥協(xié),采用相對直接的氣體產(chǎn)生理念以催生實際產(chǎn)品的出現(xiàn)。但是,氣味藝術的普及和發(fā)展．還是必須經(jīng)由數(shù)字化的道路,借鑒相關藝術形式發(fā)展的經(jīng)驗,才能迅速的成為人民的藝術。2、技術關鍵2.1DSP技術DSP<digitalsignalprocessor>是一種獨特的微處理器,是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號,轉(zhuǎn)換為0或l的數(shù)字信號,再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化,并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(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。而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序,遠遠超過通用微處理器,是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。DSP技術特點實際上實現(xiàn)了人類對信息規(guī)范和快速傳播的渴望。氣味藝術要被人類更好地接受就必須能夠順利地融人這一平臺。以色列著名的威茨曼研究所的數(shù)學家巴威·哈爾和生物化學家科隆·蘭舍特經(jīng)過長達三年的合作研究,已經(jīng)能夠大致分析出150種不同氣味的特性。他們設想,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遙遠的地方,并且再在那兒把信息還原成氣味。氣味與DSP技術的結合主要分為三個過程：氣味經(jīng)由傳感器轉(zhuǎn)化為電子信息；相關信息經(jīng)由DSP實現(xiàn)對其存儲、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。其中第一個過程借由工業(yè)生產(chǎn)中的安全需求已經(jīng)得到了一定的發(fā)展。對第二個過程的研究目前還是比較少的,而誰首先在這一發(fā)展前景相當廣闊的領域制定了相關標準,誰就將取得極其有利的先機。至于第三個過程,其實是非常有趣的,但是其實現(xiàn)的難度就目前的技術來講非常困難,暫且不談。2.2氣味藝術與DSP技術的結合隨著科學技術水平的不斷提高,氣味電子化是可以實現(xiàn)的。任何氣味都有其獨特的性質(zhì),可以與某種化學物質(zhì)發(fā)生物理反應或化學反應,造成某一物理量的變化<比如質(zhì)量、顏色、電特性等變化>．通過特定的信號轉(zhuǎn)換機制可以將其轉(zhuǎn)化成電信號,從而可以進行電子化傳輸。從實用化角度出發(fā),可把氣體傳感器分為氧化物半導體氣體傳感器、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、結構和應用范圍來看．目前仍以半導體氣體傳感器占多數(shù),但近幾年來以氧化鋯陶瓷材料為中心的離子導體型氣體傳感器發(fā)展十分迅速,并成為發(fā)展新型氣體傳感器的一個研究熱點。就技術而言,目前"氣味電子化"的實現(xiàn)方法可歸納為三種。即仿生學方法、數(shù)字化方法和仿生學與數(shù)字化相結合的方法。仿生學方法就是模仿生物嗅覺系統(tǒng),可對任意不同的多成分混合氣味進行實時識別、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)字化方法是對有限種類氣味進行分析,事先形成氣味特性數(shù)據(jù)庫。在工作時,氣味發(fā)送端檢測氣味特征并用因特網(wǎng)傳送氣味特征編號．接收終端根據(jù)氣味特征編號從氣味特性數(shù)據(jù)庫選出已庫存的氣味進行播放；仿生學與數(shù)字化相結合的方法就是在氣味發(fā)送端通過仿生嗅覺裝置實時檢測氣味,用因特網(wǎng)傳送氣味整體信息,在接收終端從氣味庫中播放氣味。除了工業(yè)中氣味傳感技術的發(fā)展,多年來人們還一直試圖探索模仿生物嗅覺功能來滿足不同領域?qū)怏w成分的檢測需求,這便是具有仿生性質(zhì)的化學分析儀器：電子鼻。Gople等提出,可以用生物分子功能單位為目標來發(fā)展高靈敏性嗅覺傳感器：生物電子鼻。氣味識別與仿生學相結合是人類對這項技術發(fā)展的必然思考趨勢。不過。不必太過追求對氣味的電子采集裝置一定要像人類的鼻子那般運作,只需要能夠恰如其分地收集到需要以色列科學家所設想的"氣味電子化",簡言之就是"氣味采集一氣味遠距離電子傳輸<有別于其他氣味傳送方法>——氣味復現(xiàn)"的過程。那么要實現(xiàn)這一過程,當前存在的技術難關在于氣味采集和氣味復現(xiàn)這兩個環(huán)節(jié)。需要突破的技術難關主要是氣味采集裝置和氣味發(fā)生裝置的研制和開發(fā)。然而這是技術層面的問題,過分地追求氣味的信息化傳播并以其為最終目標將會大大壓縮氣味對人類的影響以及其應用前景。試想一下,如果音樂等到當代才被開發(fā),被賦予了頻率的標準,那它恐怕就變成只能傳輸現(xiàn)有聲音的工具了。所以歸根結底,DSP技術和數(shù)據(jù)庫必須僅僅作為一個建立符合人類美學標準的手段。DSP技術與氣味藝術相結合首先必須實現(xiàn)氣味作品創(chuàng)作標準的制定。這一標準的制定,一方面希望借助DSP技術進行分析整合,跨過如其他藝術標準制定那般漫長的歷史過程,較快的實現(xiàn)氣味藝術作品在一個合理的平臺上進行創(chuàng)作傳播。DSP能夠以數(shù)字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理,在DSP系統(tǒng)收集到經(jīng)由氣味傳感器輸人的電子信號之后,通過labvieW等虛擬儀器軟件對數(shù)據(jù)進行采集分析,歸納總結出可以概括大部分氣體的譜表。這種規(guī)范不能是簡單的總結出各種氣體類型的基本組成要素,它是在人類感官基礎上建立的主觀的藝術的規(guī)范,同時也是在DSP技術基礎上建立的客觀的科學的規(guī)范。在規(guī)范的氣味藝術作品創(chuàng)作平臺實現(xiàn)之后,DSP技術還能夠借助其強大迅速的數(shù)據(jù)處理功能,對藝術作品進行類似語音識別、語音增強、語音合成等操作,實現(xiàn)氣味作品的再創(chuàng)作并通過網(wǎng)絡傳播．這將極大有利于我們的鼻子被正式激活,實現(xiàn)造物者所賦予它的真正的意義。3、預期成果3.1成果實現(xiàn)形式基于DSP的蘋果氣味檢測裝置3.2技術路線〔1總體結構此設計由氣味傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集模塊、設備控制模塊、視頻顯示模塊和DSP核心處理系統(tǒng)等幾部分組成,總體設計框圖如圖1所示。設計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信號進行處理,傳給A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。再傳給DSP進行運算,最后輸出此蘋果的氣味指標。新蘋果檢測模塊是獨立于其他模塊并與數(shù)據(jù)采集模塊同時工作的,如果檢測結果不是新蘋果則丟棄此組數(shù)據(jù)?！?硬件設計氣味采集裝置蘋果的氣味與其質(zhì)量有密切相關,有研究表明蘋果所散發(fā)的乙烯濃度與其成熟度有關,因此可以把檢測到的蘋果氣味濃度作為蘋果分級的一項指標?；谑称坊瘜W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。本研究采用日本費加羅<Figro>公司生產(chǎn)的六個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傳感器對被測氣味都有不同的靈敏度,TGS2602對甲苯、乙醇比較敏感,TGS822對乙醇更敏感,因此每個傳感器采集到的數(shù)值也不同。通過提取分析這些數(shù)據(jù),給出被測蘋果在氣味指標上的等級。圖2是蘋果氣味采集裝置原理圖。此裝置采集到的信號是6路模擬信號,且都是小信號,因此必須經(jīng)過一定的處理后才可以給CPU進行計算和輸出。DSP數(shù)據(jù)處理電路對采集到的數(shù)據(jù)進行預處理后,經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換給DSP芯片進行處理。DSP芯片采用TI公司的TMS320VC5402,A／D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A／D轉(zhuǎn)換受到干擾．輸入模擬信號應該由一個低阻抗源驅(qū)動,本設計的驅(qū)動電路使用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是低頻小信號,且設計對信號的準確性要求很高,因此在選擇A／D轉(zhuǎn)換器時要考慮其精度。MAXIM公司出品的MAX1403同時具有高精度、多功能、低功耗等特點[引,主要特性有：分辨率為18位；功耗低；3個真差動輸入或5個偽差動輸入通道；2個附加輸入校正通道：帶有一個雙向串行通信接口；模擬電源和數(shù)字電源采用獨立供電方式：可用軟件控制增益和失調(diào)。TMS320C5000DSP平臺是11公司的主流產(chǎn)品．對于消費數(shù)字市場來說,C5000DSP平臺是最受歡迎的,適用于個人和便攜式產(chǎn)品141。VC5402是TI公司1999年10月推出的性價比較高的定點數(shù)字信號處理器其主要特點如下：先進的改造型哈佛結構,操作速率可達100MIPS；先進的多總線結構,3條16位數(shù)據(jù)存儲器總線和1條程序存儲器總線：40位算術邏輯單元<ALU>；8個輔助寄存器及1個軟件棧,允許使用業(yè)界最先進的定點DSPC語言編譯器：數(shù)據(jù)／程序?qū)ぶ房臻g1M~6bit,內(nèi)置4K~16bitROM和16Kxl6bitRAM；內(nèi)置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)時鐘產(chǎn)生器、2個多通道緩沖串行口、1個8位并行與外部處理器通信的HPI口、2個l6位定時器以及6通道DMA控制器；低功耗,工作電源有3V和1．8V<內(nèi)核使用>。A／D轉(zhuǎn)換器與DSP的接口示意電路圖如圖4?！?軟件設計由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡法能適用參數(shù)比較復雜的非線性系統(tǒng),而遺傳算法是一種有較強魯棒性和收斂到全局最優(yōu)的優(yōu)化方法．所以運用"遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡"建立識別模型,應用C語言編程實現(xiàn)。對于不同氣體,傳感器最后反應值大小不一樣,而且反應速度也不一樣。提取每個傳感器10s時的反應值和20s的反應值表征傳感器的反應速度,另外再加上信號最大值、平均值和最后穩(wěn)定值共3O個特征值。將這30個特征參數(shù)做為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入特征向量,運用遺傳算法優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡把這30個特征參數(shù)所表達的信息融合起來形成識別模型。遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡,一般需編碼、確定適應度函數(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)絡來實現(xiàn)。定義gen為計數(shù)器,MAX為最大值,種群大小定義為100,程序流程如圖5所示。流程中的災變因子是指重新隨機產(chǎn)生一個群體,并從中找出幾個最優(yōu)的個體加入到當前代的群體中,同時把當前群體中最差的個體替換掉,以增加群體的多樣性。另外一部分軟件設計為MD轉(zhuǎn)換器程序。具體流程為：DSP進行系統(tǒng)初始化、A／D器件初始化<包括通道選擇、極性設置、采樣速度等>及查詢法采集A／D數(shù)據(jù)。3.3結束語綜上所述,隨著氣味藝術的發(fā)展以及氣味傳感器的不斷改良和優(yōu)化,氣味藝術結合DSP技術作為數(shù)字化時代一種新興的藝術形式普及到千家萬戶將不是遙不可及的,其可能性和意義將隨著科學及藝術的發(fā)展得到充分的體現(xiàn)。4、參考文獻1.楊邦朝;張益康氣體傳感器研究動向1997<09>2.聚斯金德·帕;李清華香水:一個謀殺犯的故事20053.敏澤中國美學思想史[外文期刊]19874.鄭茜茜嗅覺識別模型研究新進展[期刊論文]-XX醫(yī)學院學報2009<01>5.李文琪;范少光嗅覺研究進展-20XX諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲獎工作簡介[期刊論文]-生理科學進展2006<01>6.彭啟琮;李玉柏;管慶DSP技術的發(fā)展與應用20077.魏曉云;陳杰;曾云DSP技術的最新發(fā)展及其應用現(xiàn)狀[期刊論文]-半導體技術2003<09>8.趙杰文,鄒小波,潘胤飛．基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡的蘋果氣味識別方法研究[J]．XX大學學報<自然科學版>,2004,25<1>：1—4．9.楊艷菊,黃成鈞．人工神經(jīng)網(wǎng)絡的蘋果氣體識別算法研究[J]．XX學院學報,2010,<2>．10.紀宗南．高性能,X-AADC的原理及應用[J]．國內(nèi)外電子元件,2001,<7>．11.戴明楨,周建江．TMS320C5