【摘要】：隨著工程技術(shù)的發(fā)展,視覺成像與信息處理系統(tǒng)在生活中得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過長期的進化,人眼形成了獨特的光學(xué)結(jié)構(gòu)與視覺信息處理機制,為仿生視覺系統(tǒng)研究提供了新的思路和方法。本文對人眼的光學(xué)結(jié)構(gòu)、成像機理與視覺信息處理機制進行系統(tǒng)性的分析,提出新型仿人眼光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與視覺注意建模方法,研制出基于高分子聚合物材料的固液混合多層可調(diào)透鏡、仿人眼變焦距光學(xué)成像系統(tǒng)和仿生可調(diào)節(jié)人工晶狀體,并建立基于雙通道與特征融合的視覺注意模型,進行相關(guān)的仿真與實驗研究,促進仿人眼視覺技術(shù)在光學(xué)、眼科學(xué)與圖像處理中的應(yīng)用與發(fā)展,主要內(nèi)容如下:第一章,闡述本課題的相關(guān)研究背景、目的與意義,介紹仿人眼視覺技術(shù)方面的研究內(nèi)容與概況,著重對變焦距光學(xué)系統(tǒng)、人工晶狀體與視覺注意模型的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和主要方法進行闡述,分析仿人眼光學(xué)系統(tǒng)與視覺注意機理研究所面臨的主要問題,并給出本課題的主要研究內(nèi)容。第二章,針對可調(diào)光學(xué)透鏡設(shè)計與制作的關(guān)鍵問題進行研究,提出新型基于高分子聚合物材料的固液混合多層可調(diào)透鏡的結(jié)構(gòu)原理,并對其制作工藝和調(diào)節(jié)過程展開深入研究。首先,對人眼的生理特點與光學(xué)模型進行介紹與分析,根據(jù)高分子彈性聚合物材料的特點,提出固液混合多層可調(diào)透鏡的結(jié)構(gòu)原理;然后,對聚合物材料的本構(gòu)關(guān)系進行分析,并提出可調(diào)透鏡的制作方法與工藝流程;最后,搭建可調(diào)透鏡實驗平臺,對可調(diào)透鏡的形變特點、成像效果、調(diào)焦過程進行測試,得到可調(diào)透鏡負載-曲率半徑-焦距的非線性變化曲線,并完成透鏡光學(xué)特性的仿真實驗與定量分析。第三章,根據(jù)人眼的光學(xué)結(jié)構(gòu)與調(diào)焦特點,提出仿人眼光學(xué)成像系統(tǒng)的實現(xiàn)原理與研制方法。首先,進行仿人眼光學(xué)成像系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)與調(diào)焦方案設(shè)計,提出基于仿生變焦鏡頭的光學(xué)成像系統(tǒng)的實現(xiàn)原理與設(shè)計方法;然后,根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點,對關(guān)鍵組件進行原型樣機的設(shè)計與制備;最后,針對仿人眼光學(xué)成像系統(tǒng)的調(diào)焦控制問題,設(shè)計仿人眼光學(xué)成像系統(tǒng)的焦距控制平臺,對成像系統(tǒng)的調(diào)焦范圍、成像效果、光學(xué)特性進行實驗測試與仿真分析,得到仿人眼光學(xué)系統(tǒng)的成像特點與焦距調(diào)節(jié)規(guī)律。第四章,將聚合物可調(diào)透鏡用于變倍成像系統(tǒng)中,提出基于聚合物可調(diào)透鏡的變倍成像系統(tǒng),對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點與調(diào)節(jié)機理進行研究。針對基于可調(diào)透鏡光學(xué)變倍成像系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化問題,對系統(tǒng)的像差理論進行分析,得出基于可調(diào)透鏡的變倍系統(tǒng)像差優(yōu)化的特點與一般原則。最后,對原型樣機的變倍效果、成像質(zhì)量與光學(xué)特性進行測試、仿真與分析,得到位移負載-焦距-變倍數(shù)的變化特點與調(diào)節(jié)規(guī)律。第五章,針對人眼視覺調(diào)節(jié)能力退化問題,提出仿生可調(diào)節(jié)人工晶狀體的結(jié)構(gòu)原理與制作工藝。首先,對人眼晶狀體的結(jié)構(gòu)特點與形變機理進行研究,分析晶狀體的光學(xué)模型;再根據(jù)人眼晶狀體特點與應(yīng)用需求,提出仿生可調(diào)節(jié)人工晶狀體的設(shè)計方法,并對其光學(xué)結(jié)構(gòu)、制作工藝進行研究;最后,搭建仿生可調(diào)節(jié)人工晶狀體測試平臺,對其形變特點、調(diào)節(jié)能力、成像效果、表面粗糙度等進行實驗測試與分析。第六章,對人眼的視覺注意過程與顏色拮抗機制進行分析,模擬人眼視覺感知過程的多通道特性與神經(jīng)生物學(xué)機理,提出基于雙通道與特征融合的視覺注意建模方法。利用多尺度對比度特征和位置特征建立預(yù)注意通路,基于高斯金字塔與多特征融合建立后注意通路,通過加權(quán)整合機制生成總顯著圖并確定注意區(qū)域。對算法基本原理、顯著性度量和特征融合方法進行研究,與傳統(tǒng)的視覺注意模型的處理結(jié)果進行比較,通過實驗對本文模型的有效性進行驗證與分析。第七章,對全文進行總結(jié),闡述本課題的主要研究結(jié)論與創(chuàng)新點,并對課題后續(xù)的研究工作做出展望。
[Abstract]:With the development of Engineering technology, visual imaging and information processing systems have been widely used in daily life. After a long period of evolution, the human eye has formed a unique optical structure and visual information processing mechanism, which provides a new idea and method for the study of bionic vision system. The information processing mechanism is analyzed systematically, and a new design method of human eye-like optical system and visual attention modeling method are proposed. A solid-liquid mixed multi-layer adjustable lens, a human eye zoom optical imaging system and a bionic adjustable intraocular lens based on polymer materials are developed, and a vision based on two-channel and feature fusion is established. The main contents are as follows: In the first chapter, the research background, purpose and significance of this subject are expounded, and the research contents and general situation of human-like vision technology are introduced, focusing on zoom optics. Systems, intraocular lenses and visual attention models at home and abroad are described, and the main problems in the research of human-like optical system and visual attention mechanism are analyzed. The main research contents of this subject are given. Chapter 2, the key problems in the design and fabrication of adjustable optical lenses are studied. The structure and principle of a new type of solid-liquid mixed multi-layer adjustable lens based on polymer materials are studied. The fabrication process and adjusting process are studied deeply. Firstly, the physiological characteristics and optical model of human eye are introduced and analyzed. According to the characteristics of polymer elastic materials, the structure of the solid-liquid mixed multi-layer adjustable lens is proposed. Then, the constitutive relation of polymer material is analyzed, and the fabrication method and technological process of the adjustable lens are proposed. Finally, the experimental platform of the adjustable lens is built to test the deformation characteristics, imaging effect and focusing process of the adjustable lens, and the nonlinear variation curve of the load-curvature radius-focal length of the adjustable lens is obtained. In the third chapter, according to the optical structure and focusing characteristics of the human eye, the realization principle and development method of the optical imaging system of the human eye are proposed. Firstly, the overall structure and focusing scheme of the optical imaging system of the human eye are designed, and the optical imaging system based on the bionic zoom lens is proposed. Secondly, according to the structure characteristics of the system, the prototype prototype is designed and fabricated. Finally, aiming at the problem of focusing control of the human eye optical imaging system, the focal length control platform of the human eye optical imaging system is designed to realize the focusing range, imaging effect and optical characteristics of the imaging system. The imaging characteristics and focal length adjustment rules of the human-like optical system are obtained by experimental testing and simulation analysis. In the fourth chapter, the polymer adjustable lens is used in the zoom imaging system, and a zoom imaging system based on the polymer adjustable lens is proposed. The structure characteristics and adjustment mechanism of the system are studied. Finally, the zoom effect, imaging quality and optical characteristics of the prototype are tested, and the characteristics and adjustment of displacement load-focal length-zoom are obtained by simulation and analysis. In the fifth chapter, aiming at the deterioration of human visual accommodation ability, the structure principle and fabrication technology of bionic adjustable intraocular lens are proposed. Firstly, the structural characteristics and deformation mechanism of human lens are studied, and the optical model of lens is analyzed. Then, according to the characteristics and application requirements of human lens, the bionic adjustable artificial lens is proposed. Finally, a bionic adjustable intraocular lens testing platform is built to test and analyze its deformation characteristics, adjusting ability, imaging effect, surface roughness and so on. Chapter 6 analyzes the visual attention process and color antagonism mechanism of the human eye. Based on the multi-channel characteristics and neurobiological mechanism of human visual perception process, a visual attention modeling method based on two-channel and feature fusion is proposed. The pre-attention pathway is established by using multi-scale contrast and position features, and the post-attention pathway is established by using Gaussian pyramid and multi-feature fusion. The total saliency is generated by weighted integration mechanism. The basic principle of the algorithm, saliency measurement and feature fusion method are studied, and the processing results of the traditional visual attention model are compared. The validity of the model is verified and analyzed by experiments. Chapter 7 summarizes the whole paper, expounds the main research conclusions and innovations of this topic, and discusses the effectiveness of the model. The future research work is prospected.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH74

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本文編號：2230465