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应用于视皮层假体的图像处理系统的初步研究

作　者: 赵璨
导　师: 郑小林
学　校: 重庆大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 视觉假体视皮层假体图像处理光幻视数字信号处理器
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 39次
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内容摘要

人类认识世界所需的信息70%以上来自于视觉。由于各种各样的原因所导致的视觉残疾甚至丧失,给病人带来了极大的痛苦和不便。随着神经科学、微电子技术以及计算机技术的发展,借由对视觉通路施加电刺激从而引发光幻视的视觉假体为广大失明的患者带来了希望。近几年来,很多研究小组都致力于视觉假体的研究。根据刺激部位的不同,视觉假体可以分为视皮层假体、视网膜假体、视神经假体三类。其原理是将图像信息转化为电刺激脉冲信号,经由植入视觉通路某段神经处的微电极阵列对该段的神经节细胞进行电刺激,使患者产生光感,以修复一定的视觉功能。本文是基于国家863项目《基于MEMS的视皮层外微创芯片关键技术及应用研究》下的子课题,旨在研究可应用于视皮层假体的体外图像处理系统。目前,视皮层假体主要采用光幻视传递视觉信息。在视皮层假体中,如何将原始的图像信息转化为皮层适应的光幻视电刺激阵列则是视皮层假体的关键问题之一。本文首先利用小波变换等方法,着重对视皮层修复中图像压缩的方法进行了探讨,分别从图像的空间频率及空间分辨率对图像信息进行了简化及压缩。本文还结合人类的视觉信息非均匀传递的特性,建立了变分辨率的非均匀压缩模型,实现了拟皮层放大的压缩方式,所得到的点阵图较常规的均匀降低像素的方式更适合视皮层接受。另外,本文根据光幻视与电刺激强度的关系特性函数建立了亮度划分模型,极大的简化了图像的亮度信息。此外,本文还讨论了应用于视皮层假体的图像处理系统的硬件方案的选定。之后,本研究基于DM642搭建了图像处理系统并制定了专门应用于视皮层修复的图像处理流程,对上述的图像处理算法进行了验证。在文章中,笔者还专门探讨了通用型图像处理的方案,针对动物实验测试和实际视觉修复不同的条件及要求分别制定了相应的流程及压缩方法,增加了系统的通用性及可扩展性。最后,本文结合16通道的电刺激脉冲发生装置搭建了视皮层假体体外样机装置。对棋盘格测试图像信号采集及处理后,控制电刺激脉冲发生装置各个通道产生与棋盘格相对应的脉冲序列。实验样机实现了由图像信号向视皮层适应的电刺激信号的转换,基本达到了视皮层假体体外装置预期的要求和目标。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-16
   1.1 视觉假体的研究背景及意义  8-10
    1.1.1 研究背景  8-9
    1.1.2 研究意义  9-10
  1.2 视觉假体概述  10-14
    1.2.1 视觉假体的基本原理及构成  10
    1.2.2 应用于视觉修复的方法  10-14
  1.3 本课题研究目的及研究内容  14-15
  1.4 论文结构安排  15-16
2 视觉假体图像处理的理论基础  16-23
  2.1 光幻视视觉修复的可行性  16
  2.2 视觉假体图像处理存在的限制和难点  16-18
  2.3 视觉假体图像处理的基本方法  18-23
3 应用于视皮层假体的图像处理算法  23-37
  3.1 小波变换在图像处理中的应用  23-25
  3.2 边缘提取  25-28
    3.2.1 传统边缘算子的边缘提取  25-26
    3.2.2 基于小波变换的空间高频信号的提取  26-28
  3.3 基于小波变换的空间分辨率的压缩  28-30
  3.4 不同视野区域图像的非均匀压缩  30-34
    3.4.1 视觉系统的非均匀性  30-32
    3.4.2 非均匀压缩的实现  32-34
  3.5 亮度信息的压缩  34-36
  3.6 本章小结  36-37
4 图像处理系统硬件原理及结构设计  37-42
  4.1 系统方案的选择  37-38
  4.2 系统的硬件结构  38-40
    4.2.1 TMS320DM642 介绍  38-39
    4.2.2 SEED-VPM642 开发板的视频功能  39-40
  4.3 本章小结  40-42
5 图像处理系统在 DM642 上的实现  42-55
  5.1 基于DM642 的软件开发  42-44
    5.1.1 集成开发环境CCS 简介  42
    5.1.2 CCS 的构成  42-44
  5.2 应用于视皮层假体的图像处理算法在DM642 上的实现及流程  44-50
    5.2.1 视频图像的预处理  44-45
    5.2.2 图像算法的流程制定  45-46
    5.2.3 通用型图像处理方案的制定  46-47
    5.2.4 图像处理系统处理效果  47-48
    5.2.5 控制信号的输出  48-50
  5.3 实验样机的测试  50-54
  5.4 本章小结  54-55
6 总结与展望  55-57
  6.1 总结  55
  6.2 存在的问题与展望  55-57
致谢  57-58
参考文献  58-62
附录  62
  附录A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  62
  附录B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目  62

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