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虚拟现实技术是一种可以在虚拟创造的环境中模拟对象的各类反应所达成反馈的技术，而在虚拟现实人机交互环境中最能体现体验感和沉浸感的部分就是对人体感官的模拟，为提升虚拟现实的体验感和沉浸感需要足够先进的感官模拟技术。

目前感官模拟中仅视觉、听觉和触觉模拟应用较多，技术相对成熟；嗅觉、味觉的模拟和呈现研究较少。嗅觉具有增加临场感，提高记忆和学习能力，甚至影响用户对场景感知的功能。鉴于嗅觉在虚拟现实中具有重要功能和其本身研究落后的情况，本文对虚拟现实嗅觉的文献成果和研究合作关系进行梳理，分析主要的研究趋势和重点技术，对当前研究的问题进行总结。

本研究采用文献计量学的方法，数据分析样本选择Web of Science核心合集数据库，所选用的分析软件为VOSviewer和Citespace。通过对样本的重要参数进行分析和处理，形成可视化表达，借此可以对虚拟现实嗅觉的研究进展和前沿趋势有一个清晰的认识，以提供相对清晰的研究脉络借鉴。

1  分析数据来源和相关研究方法

1.1原始数据来源

本文在分析研究虚拟现实嗅觉发展情况的数据样本选择过程中，综合考虑国内外相关文献数量，基于CNKI数据库中关键词“虚拟现实嗅觉”相关文献量仅为14篇，不具备代表该领域研究进程能力的情况，选择国际上认可度较高的WOS数据库核心合集。具体样本选择检索范围为“全年份”的WOS数据库核心合集所收录的文献，即 1993—2022年间的文献；由于样本量较少，对文献的类型不做限定；具体检索的方式为选择主题关键词为“virtual olfactory”的文献；对初步的信息进行去重和来源分析整合后，有分析价值的有效文献数量共计328篇（截止2022年6月），其中195篇经过软件分析和人工审阅后判定为研究相关度和价值度较高。在进行相关分析的时候有选择性地选用全部329篇或高价值195篇作为分析样本。

之后将选定范围的文献以纯文本的格式导出文献的全部记录信息（包含题目、作者、关键词、摘要、出版年份等）和文献的参考文献信息，使用Citespace软件对所导出的信息进行进一步的时间切片和筛选处理，所得数据即为最终可用于VOSviewer和Citespace进行分析的数据样本，以进行后续的制作虚拟现实嗅觉的知识图谱和可视化表达等研究。

1.2使用工具和研究方法

本文对虚拟现实嗅觉研究进行分析的过程中使用了两种分析工具。第一种是VOSviewer文献计量工具，这是由荷兰莱顿大学科技研究中心van Eck和Waltman基于相似性算法所研发的工具。它是于2009年开发的基于Java的免费软件，主要面向文献数据，侧重科学知识的可视化。第二种是基于Java平台的Citespace工具软件，这是由美国德雷克大学陈超美教授所研发的。CiteSpace 又译为“引文空间”，其通过可视化的手段来呈现科学知识的结构、规律和分布情况。

本文对文献分析的方法主要依据为文献计量学的方法。文献计量是一种科学计量学的研究方法，它是对所有收集到的文献进行矩阵和整合，发现文献中隐藏的规律和信息。使用文献计量学的方法来分析和研究某一学科和领域的研究现状和发展情况已经成为总结类研究的关键手段。在对数据处理中，具体的知识图数据收集和分类的依据根据现有的文献计量学中文献筛选和价值判断的相关方法，同时在研究中也通过对文献进行阅读后人工复核的方法进一步确保准确性。

Citespace和VOSviewer能够提取所选文献内的关键信息构建要素共现网络，并提供可视化的知识图谱。上述两款软件制作可视化知识图谱的方式是通过整理和分析文献的关键要素信息，然后使用内置的算法进行计算和生成结果。生成的可视化研究成果能极大程度的辅助研究人员进行相关课题的研究，对产出的可视化成果分析后得到虚拟现实嗅觉的研究特点，梳理了虚拟现实嗅觉的研究进展。

2虚拟现实嗅觉研究历程

2.1文献产出的特点

文献的年度产出数量是一个非常基础的参数，可以直观的反映出该学科领域的研究密度和成果取得，也能体现出一定年代区间内研究人员的相对重视程度，通过该重视程度可以推测该领域在相关研究中的重要程度。在经过初步的筛选后，从WOS导出全部328篇相关文献数据，经过进一步整理得到图1。图1为近十年（2012-2021）虚拟现实嗅觉发文量折线图，据图可知虚拟现实嗅觉整体发文量呈缓慢稳定上升的趋势，虽然在2013年和2017年有下降，出现了两处转折但没有形成明显的峰值拐点，整体仍呈增加趋势。由此可知虚拟现实嗅觉领域在近十年受关注增加，但相关的研究和成果尚显不足（发文量少）。这说明虚拟现实嗅觉领域的研究处于发展进步的过程中。虚拟现实的嗅觉感知是虚拟现实系统领域的研究难题，也是虚拟现实研究领域的研究热点。

2.2学科领域和发文期刊分布情况

对 WOS文献数据库核心合集检索范围内的195篇高价值文献分析，共有55个学科和研究方向与虚拟现实嗅觉相关，其中发文量排名前五分别为计算机科学（Computer Science），相关文献发表量40篇，占比20.513%；神经科学（Neurosciences Neurology），相关文献发表量38篇，占比19.487%；工程学（Engineering），相关文献发表量35篇，占比17.949%；其他科技主题（Science Technology Other Topics），相关文献发表量28篇，占比14.359%； 生命科学和生物医学的其他主题（Life Sciences Biomedicine Other Topics），相关文献发表量12篇，占比6.154%。这种学科交叉的现象说明虚拟现实嗅觉为这55个学科领域带来研究的便利，开拓了研究的思路；也体现出虚拟现实嗅觉作为一种虚拟现实技术，在计算机、医学、科技、生命科学等多种领域的虚拟现实研究都有较为深入的应用。

通过分析参考文献所属期刊的共同引用关系可以掌握虚拟现实嗅觉研究在文献地图上的分布情况。使用Vosviewer对样本中虚拟现实嗅觉文献进行文献参考文献引用分析得到共被引关系图，如图2；使用Citespace对共被引关系所属期刊和学科领域进一步分析得到期刊引用和学科聚类图。

如图2所示，节点大小表示期刊在该领域的重要性，体积区别体现了该期刊虚拟现实嗅觉领域的引用量；期刊之间的连线代表期刊间该领域的引文关系，连线粗细表示引用量。颜色则代表不同的期刊种类，其中位于最左侧呈黄色的是生物学期刊、位于中间呈绿色的是生物实验、生理学期刊，中间和上方呈蓝色的是自然科学和综合期刊，而右侧呈 红色的则是化学、计算机和工业期刊。这是以出版机构所属领域在虚拟现实嗅觉这一领域按引证关系创建的期刊地图。

心文献中，美国以56篇相关文献的数量处于虚拟现实嗅觉研究领域的世界前沿；紧随其后的是英国，相关文献26篇；日本以23篇位居第三；中国发布相关文献20篇位居第四；第五名则是由加拿大和德国并列，均为18篇。图4所呈现的国家共现网络既可以展现各个国家间的合作强度又可以在一定程度上反映出国家间的研究合作的趋势关系，国家间的连线粗细的强度对应相关国家在对虚拟现实嗅觉研究时的合作密切程度，从图上线条可以明显看到欧美国家在虚拟现实嗅觉领域合作最为密切，中日韩等亚洲国家在国际合作上表现得相对较差。

2.3虚拟现实嗅觉研究热点和趋势分析

使用VOSviewer 对样本的全部328篇文献进行关键词共现分析，考虑到整体样本数量较少，选择按照共现次数2次为阈值进行初步筛选，共得到378个关键词。

对关键词共现图谱的解读是文献计量学中分析某一领域的研究主题和热点的重要方式，通过分析能够有效把握虚拟现实嗅觉研究的主题，然后结合其随时间的变化可以分析研究趋势从而估测未来研究方向。高频关键词大致形成了7种聚类，分别为：聚类1生物学、生理学分析；嗅觉模拟和表达；聚类2虚拟环境分析；聚类3嗅觉信息作用和设计；聚类4嗅觉反馈和影响；聚类5嗅觉感知分析；聚类6生命科学、医学分析；聚类7嗅觉模拟和表达。结合前期学科领域研究，当前在虚拟现实嗅觉的研究中，主要从使用者的感知和反应出发，在医学领域、生理学领域、心理学领域和生命科学等领域运用具体的数学和计算机方法对虚拟现实的嗅觉呈现的环境、信息、反馈和影响、感知特点和模拟表达等方面进行深度研究。

可知当前的虚拟现实嗅觉研究趋势，节点颜色代表时间，选择了2012到2022年十年区间作为数据样本，从2012年的深色调的蓝色向绿色再到2022年的浅色调黄色渐变。因此我们可以直观的从时间上看到，主要位于左下角的浅绿色和黄色部分是近期的热点关键词，主要有复苏、情感、反馈、嗅觉系统、识别、敏感性等词汇。可以判断当前的虚拟现实嗅觉的研究主要走向以用户的体验为中心；聚焦虚拟现实环境中人的生理和心理变化，综合考虑使用者的反应和交互行为；并对虚拟现实体验过程中干扰因素进行研究，形成较为完成的嗅觉系统和呈现方式。当前的研究热点主要是虚拟现实嗅觉的反馈、对影响虚拟现实嗅觉呈现的障碍的研究、与真实世界的对应关系、嗅觉呈现的方法和效果、虚拟现实嗅觉感知的特点、气味识别的问题、与视觉结合的视嗅觉匹配问题等。

3总结

目前虚拟现实嗅觉的研究现状和未来发展都离不开三个问题，分别是实现虚拟现实嗅觉所需要解决的关键技术问题；虚拟现实嗅觉对虚拟现实沉浸感、真实感的影响和原理问题；虚拟现实嗅觉的反馈特点和实际应用问题。其中实现虚拟现实嗅觉所需要解决的关键技术问题包含的范围较广，主要由嗅觉气味的对应性和匹配性问题、嗅觉气味的产生问题、嗅觉气味的表达和控制方式、嗅觉气味的处理方式等问题组成。而虚拟现实的感官沉浸度和真实感问题的研究状况相对明晰，主要通过对比试验进行研究；而差异感则主要与前期分析中生理学、生命科学、包括部分心理学的研究相关。虚拟现实嗅觉的反馈特点和实际应用问题在一定程度上是相互作用的，除了专门研究性质的相关简化实验之外，虚拟现实嗅觉的反馈特点往往也就对应了所适应的应用方向，实际的应用基于虚拟嗅觉本身的反馈机制和作用特点。

技术上虚拟现实嗅觉领域的发展受到提取、合成、匹配等多种关键技术限制，“原味”无法获取，控制和改变存在精细化的困难，目前的研究受限于科技水平突破存在障碍，需要进行专项的研发。理论上则同时受到生理学和医学上嗅觉成因和反馈机制深度研究理论不完善的影响，难以从根本的嗅觉作用过程进行研究；虚拟现实系统本身的理论和伦理系统也存在一定的不完善，对虚拟嗅觉的研究也带来了困难。未来的虚拟现实嗅觉发展要着重于解决这些困难，抑或从新的领域或角度进行突破。

参考文献

[1]Munyan B G， Neer S M， Beidel D C， et al. Olfactory stimuli increase presence during simulated exposure[C]//International Conference on Virtual， Augmented and Mixed Reality. Springer， Cham， 2016： 164-172.

[2]Munyan III B G， Neer S M， Beidel D C， et al. Olfactory stimuli increase presence in virtual environments[J]. PloS one， 2016， 11（6）： e0157568.

[3]Tomono A， Kanda K， Otake S. Effect of smell presentation on individuals with regard to eye catching and memory[J]. Electronics and Communications in Japan， 2011， 94（3）： 9-19.

[4]Klašnja-Milićević A， Marošan Z， Ivanović M， et al. The future of learning multisensory experiences： Visual， audio， smell and taste senses[C]//International Conference in Methodologies and intelligent Systems for Techhnology Enhanced Learning. Springer， Cham， 2018： 213-221.

[5]Carulli M， Bordegoni M， Cugini U. Evaluating industrial products in an innovative visual-olfactory environment[C]//International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. American Society of Mechanical Engineers， 2015， 57052： V01BT02A024.

[6]Melo M， Gonçalves G， Monteiro P， et al. Do multisensory stimuli benefit the virtual reality experience？ A systematic review[J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics， 2020.

2022年山东省高等学校“青创团队计划”编号：2022RW037

Foundation items： Shandong Provincial Social Science Planning Research Project Fund （21DWYJ08）

第一作者：王佳禾（2002–），女，本科生。主要研究方向为虚拟现实交互设计、用户体验设计。

通讯作者：马宁（1996–），男，硕士研究生。主要研究方向为虚拟现实交互设计、用户体验设计。