Τμήμα Πληροφορικής Αλληλεπίδραση Ανθρώπου Υπολογιστή ΠΜΣ - ΑΠΘ2010 Οσφρητικές Διεπαφές (Olfactory Interfaces) Κεφαλάς Παύλος ΑΕΜ 288 1
Περιεχόμενα Η όσφρηση Ιστορική αναδρομή Μηχανισμός Παραγωγή οσμών Vaporization Blending Αναμετάδοση οσμών Παράγοντες που επηρεάζουν τις διεπαφές Odor intensityi Threshold Value Adaptation Nonlinearity Spatial Perception Σχεδιαστικές αρχές Αναμενόμενη επίδραση της επισύναψης μιας οσφρητικής διεπαφής Αριθμός οσμών Αριθμός χρηστών και χωρικών διαστάσεων Χρονικές πτυχές του ελέγχου οσμών Παραδείγματα ερευνητικών εργασιών 2
Η όσφρηση 3
Τι είναι η οσμή? Η όσφρηση είναι η αίσθηση σχετική με τη μυρωδιά, και οι οσφρητικές διεπαφές αναφέρονται στις συσκευές ή/και τα συστήματα που παρέχουν στους χρήστες τις πληροφορίες μέσω των μυρωδιών. 4
Η μύτη Οι άνθρωποι λαμβάνουν τις οσμές από την ανίχνευση ορισμένων μορίων στην ατμόσφαιρα μέσω της μύτης 5
Δομή μύτης Στη ρινική κοιλότητα, υπάρχουν τρία ρινικά turbinates που χωρίζουν την πορεία της ροής αέρα στην κοιλότητα. Υπάρχει ένα όργανο που καλείται οσφρητικό επιθήλιο στην κορυφή της κοιλότητας, όπου οι μυρωδιές ανιχνεύονται. Τρία ρινικά turbinates Οσφρητικό επιθήλιο Πρόσληψη οσμών 6
Οσφρητικό επιθήλιο Τα μόρια των οσμών συλλαμβάνονται από το στρώμα βλέννας και ανιχνεύεται έπειτα από τα οσφρητικά κύτταρα Video 7
Οσφρητική αντίληψη Η οσφρητική αντίληψη περιλαμβάνει τρεις βασικούς στόχους: Εκτίμηση έντασης, Ποιοτική περιγραφή Τόνος ευχαρίστησης 8
Οσφρητικές διεπαφές Η οσφρητικές διεπαφές είναι μια σχετικά νέο αντικείμενο. Μεταξύ των αποκαλούμενων «πέντε αισθήσεων,» μόνο η όσφρηση και το gustation (αίσθηση της προτίμησης) δεν έχουν εξεταστεί σε βάθος. Αυτές οι αισθήσεις είναι χημικές αισθήσεις. 9
Τι μπορούμε να μυρίσουμε? Τα υλικά που έχουν τις μυρωδιές είναι αρκετά περιορισμένα. Ο άνθρακας (C) το υδρογόνο (H) το οξυγόνο (O) το άζωτο (N) ο φώσφορος (P) το θείο (S) το χλώριο (CL) το βρώμιο (Br) και το ιώδιο (I) Τα περισσότερα μόρια με τις μυρωδιές είναι οργανικές ενώσεις και έχουν μια περιορισμένη σειρά του μοριακού βάρους. Μόνο μόρια το των οποίων βάρος είναι περίπου 30 έως 300 dalton έχουν τις μυρωδιές τα βαρύτερα και ελαφρύτερα μόρια όχι. 10
Σύνθεση οσμών Υπάρχει σύνθεση οσμών όπως συμβαίνει με τα χρώματα? Δυστυχώς όχι Οι άνθρωποι μπορούν να ανιχνεύσουν περίπου 0.4 εκατομμυρίων οι χημικών ενώσεων, και διακρίνουν τις χιλιάδες των μυρωδιών 11
Ιστορική αναδρομή 12
Ιστορική αναδρομή (1/2) Οι χρήστες θα μπορούσαν να απολαύσουν τους πολύμορφους κινηματογράφους ενσωματώνοντας τα αεράκια και μυρωδιές, αν και οι επιδείξεις δεν ήταν διαλογικές. (Heilig, 1962) 13
Ιστορική αναδρομή (2/2) Ο McCarthy μπορούσε να εκπέμψει μια επιλεγμένη μυρωδιά και να παραγάγει μια ακολουθία διάφορων οσμών και την ονόμασε Smellitzer (McCarthy 1984 ) 14
Μηχανισμός 15
Παραγωγή οσμών Vaporization (Εξάτμιση) Ένας απλός τρόπος των μυρωδιών ατμοποίησης είναι φυσική εξάτμιση. Ένας άλλος τρόπος για την εξάτμιση μιας υγρής πηγής είναι με την παραγωγή λεπτή υδρονέφωση του υγρού Blending (Συνδυασμός ) Για να αναμείξουν τις μυρωδιές ενώ είναι με υγρή μορφή, χρησιμοποιούνται αλκοολούχες ενώσεις Ένας άλλος τρόπος τις συστατικές μυρωδιές είναι να συνδυαστούν αφότου ατμοποιείται κάθε μυρωδιά 16
Αναμετάδοση οσμών (1/3) Μόλις ατμοποιηθεί μια πηγή μυρωδιών, πρέπει να παραδοθεί στη μύτη. Η μέθοδος από την παράδοση εξαρτάται από το ύφος εφαρμογής, το οποίο περιλαμβάνει εάν οι χρήστες κινούνται ή περιπατάνε, και πόσο γρήγορα οι διάφορες μυρωδιές πρέπει να παραδοθούν στον χρήστη. 17
Αναμετάδοση οσμών (2/3) Ο παραδοσιακός τρόπος πρόσληψης οσμών είναι με την απελευθέρωση τους σε ένα δωμάτιο για κάποιο χρονικό διάστημα για αυτόν τον λόγο ονομάζονται και «διασκορπιστές». 18
Αναμετάδοση οσμών (3/3) O παραδοσιακός τρόπος τα αρώματα, εντούτοις, μπορεί να μην είναι ικανοποιητικός εάν θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε τις μυρωδιές ως μέρος των τεχνολογιών μέσων. Το πρόβλημα με τις παραδοσιακές γεννήτριες αρώματος «διασκορπιστών» είναι ότι δεν μπορούν να σβήσουν τη μυρωδιά μόλις διασκορπιστούν μέσα στο διάστημα. 19
Χωροχρόνικος χειρισμός Υπάρχουν δύο προσεγγίσεις στο χωροχρονικό έλεγχο των μυρωδιών. Κάποια είναι να εκπέμψει το ελάχιστο ποσό του παράδοσης της μυρωδιάς στη μύτη. (Διασωλήνωση ή Δακτυλίδια δίνης) Άλλος είναι να ενσωματωθεί ο εξοπλισμός αποβολών οσμών στο σύστημα. (Ενσωματωμένος εξοπλισμός) Ο αμεσότερος τρόπος ώθησης μικρών ποσοτήτων οσμών στη μύτη είναι να χρησιμοποιηθούν οι σωλήνες που φέρνουν το αέριο από τη γεννήτρια στην μύτη. 20
Διασωλήνωση Ο αμεσότερος τρόπος μικρός τα ποσά μυρωδιάς στη μύτη είναι να χρησιμοποιηθούν οι σωλήνες που φέρνουν το αέριο Εάν η γεννήτρια μυρωδιάς τοποθετείται στον υπολογιστή γραφείου, ο χώρος εργασίας του χρήστη περιορίζεται από το μήκος του σωλήνα. 21
Δακτυλίδια δίνης Έχουν υπάρξει επίσης προσπάθειες να παραδοθούν οι μικρές μάζες οσμών μέσω ελεύθερου χώρου χωρίς χρησιμοποίηση των σωλήνων. Με τη χρησιμοποίηση της αρχής ενός δαχτυλιδιού δίνης, που προωθείται από το άνοιγμα ενός κιβωτίου. 22
Ενσωματωμένος εξοπλισμός Η δεύτερη επιλογή είναι να ενσωματωθεί ο εξοπλισμός αποβολών μυρωδιάς στο σύστημα. Χωρίς τέτοιο εξοπλισμό, η εκπεμπόμενη μυρωδιά θα διασκορπιστεί βαθμιαία και θα μειωθεί η πυκνότητα της. Τέτοια φυσική διάχυση είναι επαρκής εάν το ποσό εκπεμπόμενης μυρωδιάς είναι αρκετά μικρό. 23
Εφαρμογές των διεπαφών Αν και οι οσφρητικές διεπαφές είναι ακόμα σε ένα πρώτο στάδιο της ανάπτυξης, διάφορες επιτυχείς εφαρμογές μπορούν να βρεθούν. Τα συστήματα στρέφονται στην παραγωγή του αρώματος ή το χωροχρονικό έλεγχο των μυρωδιών. 24
Παράγοντες που επηρεάζουν τις διεπαφές 25
Παράγοντες Odor Intensity (Ένταση οσμών) Threshold Value (Κάτω όριο εκπομπών) Adaptation (Προσαρμογή) Nonlinearity (Μη γραμμικότητα ) Spatial Perception (Χωρική αντίληψη) 26
Odor Intensity (Ένταση οσμών) (1/4) Αν και οι άνθρωποι θεωρούνται ικανοί να διακρίνουν χιλιάδες μυρωδιές, δεν υπάρχει αυτήν την περίοδο καμία μέθοδος, όπως αναφέρεται προηγουμένως, για να συνθέσει τις αυθαίρετες οσμές με τη μίξη ενός μικρού συνόλου «αρχικών» οσμών. 27
Odor Intensity (Ένταση οσμών) (2/4) Η υποκειμενική ένταση μιας μυρωδιάς συσχετίζεται με τη συγκέντρωση των μορίων μιας μυρωδιάς. Όταν τα πολλαπλάσια μόρια μυρωδιών συνυπάρχουν, οι μυρωδιές στις υψηλότερες συγκεντρώσεις είναι όχι πάντα υποκειμενικά κυρίαρχες. 28
Odor Intensity (Ένταση οσμών) (3/4) Συγκέντρωση: Η πιο βασική τιμή, που περιγράφονται στα γραμμάρια, μοριακή συγκέντρωση, ποσοστά, ή μέρη ανά εκατομμύριο (PPM). Diffusivity: Αυτή η παράμετρος αναφέρεται στο πόσο γρήγορα η μυρωδιά διασκορπίζει στην ατμόσφαιρα, και ορίζεται ως η απόσταση που το μόριο μυρωδιών μπορεί να φθάσει μέσα σε έναν καθορισμένο χρόνο ή το χρόνο που απαιτείται για το μόριο μυρωδιών για να φτάσει σε μια ορισμένη απόσταση. 29
Odor Intensity (Ένταση οσμών) (4/4) Σημείο βρασμού: Η θερμοκρασία στην οποία η πίεση ατμού γίνεται ίση με την περιβαλλοντική πίεση. Το σημείο βρασμού για τις περισσότερες ενώσεις μυρωδιών είναι μέσα στη σειρά από 150 ο έως 300 ο C. Αστάθεια: Το ποσό υλικού μυρωδιών που καταναλώνεται σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα. 30
Threshold Value (ΚάτωΚάτω όριο εκπομπών) (1/2) Η ελάχιστη συγκέντρωση στην οποία οι άνθρωποι μπορούν «να ανιχνεύσουν» μια μυρωδιά καλείται αξία κατώτατων ορίων οσμών. Υπάρχουν πολλαπλάσιοι ορισμοί της αξίας κατώτατων ορίων: ανίχνευση, αναγνώριση, και διαφορικό. 31
Threshold Value (ΚάτωΚάτω όριο εκπομπών) (2/2) Τιμή κατώτατων ορίων ανίχνευσης: Οι μυρωδιές δεν μπορούν να ανιχνευθούν στις πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις μυρωδιών. Αξία κατώτατων ορίων αναγνώρισης: Με την αύξηση της συγκέντρωσης οσμών πέρα από κατώτατο όριο ανίχνευσης, η ποιότητα ή η εντύπωση της μυρωδιάς σε μια ορισμένη συγκέντρωση μπορεί να περιγραφεί. Διαφορική αξία κατώτατων ορίων: Η ελάχιστη διαφορά στη συγκέντρωση που μπορεί ανιχνεύεται καλείται διαφορική αξία κατώτατων ορίων. Συνήθως, περιγράφεται μέσα ποσοστά ως αναλογία της ελάχιστης ανιχνεύσιμης διαφοράς στον αρχικό ένταση 32
Adaptation (Προσαρμογή) Μετά από τη συνεχή έκθεση σε μια μυρωδιά, η υποκειμενική ένταση της μυρωδιάς μειώνεται βαθμιαία μετά από μια ορισμένη περίοδο, η μυρωδιά δεν ανιχνεύεται άλλο συνειδητά. Αυτό το φαινόμενο καλείται προσαρμογή, και θεωρείται ένας μηχανισμός που ρυθμίζει την ευαισθησία σε μια μυρωδιά. Cross-adaptation: είναι το φαινόμενο της μειωμένης ευαισθησίας μιας μυρωδιάς μέσω της έκθεσης σε άλλη. 33
Nonlinearity (ΜηΜη γραμμικότητα ) Οι αλλαγές στη συγκέντρωση οδηγούν μερικές φορές στις ποιοτικές παρά ποσοτικές αλλαγές, ειδικά για τις πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις. Αυτό το φαινόμενο καλείται modification (Τροποποίηση) 34
Spatial Perception (ΧωρικήΧωρική αντίληψη) (1/2) Η εύρεση της θέσης μιας πηγής μυρωδιάς είναι ένας σημαντικός στόχος σχετικός με τη χωρική αντίληψη από την όσφρηση. Με την κίνηση και τη σύγκριση της τροχιάς και το χρονικό σχεδιάγραμμα της έντασης, η πηγή μυρωδιάς μπορεί να βρεθεί. 35
Spatial Perception (ΧωρικήΧωρική αντίληψη) (2/2) Υπάρχει οσφρητική αντίστοιχα στα διοφθαλμικά συνθήματα μέσω της χρήσης δύο ρουθουνιών? Απ: Η χρονική διαφορά των οσφρητικών ερεθισμάτων για κάθε ρουθούνι συμβάλλει στον εντοπισμό της πηγής μυρωδιάς 36
Σχεδιαστικές αρχές 37
Αναμενόμενη επίδραση της επισύναψης μιας οσφρητικής διεπαφής Ο σχεδιαστής πρέπει να λάβει υπόψη εάν είναι σημαντικό ή αποτελεσματικό για το σύστημα να επισυνάψει ένα οσφρητικό κανάλι. Μπορούν να υπάρξουν ζητήματα όταν η οσφρητική διεπαφή δεν είναι ο αρχικός μηχανισμός της αλληλεπίδρασης. Σε αυτήν την περίπτωση, οι σχεδιαστές πρέπει να αποφασίσουν εάν η οσφρητική επίδραση αξίζει το συμπληρωματικό κόστος και την πολυπλοκότητα στο σύστημα. 38
Αριθμός οσμών Δεν υπάρχει μέθοδος που να συνδυάζει οσμές με ένα μικρό σετ εξαρτημάτων. Καθοριστικός είναι ο αριθμός των μυρωδιών που θα μπορεί να προσλάβει ο χρήστης από την αλληλεπίδραση με τον υπολογιστή. 39
Αριθμός χρηστών και χωρικών διαστάσεων Το επόμενο σημείο που εξετάζει είναι ο αριθμός χρηστών για την ταυτόχρονη επέκταση μυρωδιάς. Εάν η εφαρμογή είναι για έναν χρήστη, μια συσκευή του προσωπικού μεγέθους, όπως μια μικρή γεννήτρια μυρωδιάς που βρίσκεται κοντά στο χρήστη, μπορεί να εφαρμοστεί. Εάν η εφαρμογή είναι για πολλούς χρήστες, οι μυρωδιές πρέπει να παραδοθούν σε ένα μεγαλύτερο διάστημα. Υπάρχουν δύο προσεγγίσεις για να επιτύχουν τις πολλών χρηστών οσφρητικές διεπαφές: παροχή μιας προσωπικής συσκευής για κάθε χρήστη ή έλεγχος ενός οσφρητικού διαστήματος μεγάλος-όγκου οποιοσδήποτε χρόνος. 40
Χρονικές πτυχές του ελέγχου οσμών (1/4) Κατά την εφαρμογή των οσφρητικών διεπαφών με οπτικοακουστικά προγράμματα ή διαλογικές εφαρμογές, η ταχύτητα των αλλαγών ή των αντικαταστάσεων στα οσφρητικά ερεθίσματα είναι μια σημαντικό ζήτημα. Video 41
Χρονικές πτυχές του ελέγχου οσμών (2/4) Η χρήση των οσφρητικών διεπαφών μαζί με τα οπτικοακουστικά προγράμματα ή οι εφαρμογές με τη γρήγορη αλληλεπίδραση απαιτούν τη βραχυπρόθεσμές αλλαγές Οι πιθανές λύσεις είναι : Σχεδίαση ολόκληρης της εγκατάστασης με εξαερισμό Εκπομπή της μικρότερης δυνατής ποσότητας 42
Παραδείγματα ερευνητικών εργασιών 43
Olfactometer (1/2) Ένα olfactometer είναι ένα αξιόπιστο όργανο που χρησιμοποιείται στα πειράματα στην ανθρώπινη όσφρηση. 44
Olfactometer (2/2) Αν και είναι προσεκτικά σχεδιασμένα και εφαρμοσμένα με επιτυχία αφού έχουν διενεργηθεί αυστηροί έλεγχοι του τύπου μυρωδιάς, της συγκέντρωσης (ένταση), και του χρονικού σχεδιαγράμματος, αυτά τα συστήματα μπορούν να είναι δυσκίνητα για τους συνηθισμένους χρήστες 45
ismell O DigiScents (1999) ανήγγειλε τα σχέδια για έναν διασκορπιστή οσμών, αποκαλούμενο ismell. Αυτός θα μπορούσε να εκπέμψει πολλαπλάσιες μυρωδιές. Διαμορφωμένος όπως ένα πτερύγιο καρχαριών, ο διασκορπιστής λειτούργησε ως περιφερειακή συσκευή για PC 46
France Telecom Ανέπτυξε τους πολυδιαυλικούς διασκορπιστές μυρωδιάς που αποτελούνται από τα αρωματικά πηκτώματα και έναν ανεμιστήρα που ελέγχεται περιέχοντας μέσω μιας γραμμής επικοινωνίας USB. 47
Nakamoto Ανέπτυξε ένα σε πραγματικό χρόνο σύστημα odorblending ως μέρος από ένα odor-recording σύστημα, χρησιμοποίησαν τις βαλβίδες σωλήνων οι οποίοι μπορούσαν να ανοίξουν και να κλείσουν πολύ γρήγορα, και πέτυχαν τον έλεγχο της πυκνότητας πολλαπλάσιες μυρωδιές σε πραγματικό - χρόνο. 48
Tanikawa Δημιούργησε ένα φορητό σύστημα που εστίαζε στην χρονική διανομή με τέσσερις εξόδους οσμών μέσω σωληνώσεων (2006) 49
Mochizuki Ανέπτυξε ένα σύστημα οσφρητικού βραχίονα, εστιάζοντας στα αντικείμενα που κρατά στα χέρια του ο άνθρωπος και τα φέρνει στην μύτη του (2004) 50
Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνιας Στο Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνιας σχεδίασαν και εφάρμοσαν περιδέραιο- διαμορφωμένη μονάδα που εξοπλίζεται με τέσσερις μικρούς ασύρματος- ελεγχόμενους πομπούς οσμών (2003) 51
MicroScent Ανέπτυξε μια γεννήτρια οσμών που μπορεί να παραδώσει μια μικρή ποσότητα μυρωδιά τοπικά με τη χρησιμοποίηση του δαχτυλιδιού δίνης που προωθείται από το άνοιγμα εσωκλειόμενο διάστημα 52
Yanagida Πρότεινε μια μέθοδο προώθησης οσμών που χρησιμοποιεί επίσης την αρχή του δαχτυλιδιού δίνης.. (2004) Το σύστημά τους έχει μια λειτουργία εντοπισμού που στοχεύουν τη μύτη του χρήστη Η μύτη του χρήστη ακολουθείται από την ανίχνευση της θέσης του μέσω της επεξεργασίας εικόνας, και η πλατφόρμα που φέρνει το σώμα του πυροβόλου αέρα μετακινείται για να κατευθύνει προς τη μύτη. 53
Εφαρμογές Προσομοιωτής πυρκαγιάς εκπέμπει οσμές που προκαλούνται σε μια κατάσταση πυρόσβεσης 54
Smell to the universe Τέλος 55