【摘要】：失明是對(duì)人類生活質(zhì)量影響最嚴(yán)重的一種殘疾。在眾多的致盲疾病中,老年性黃斑病變和視網(wǎng)膜色素變性是主要的不可治愈性視網(wǎng)膜退行性致盲疾病。當(dāng)前,視網(wǎng)膜假體已成為視網(wǎng)膜退行性致盲患者視覺功能修復(fù)的有效手段。然而,由于受到制造技術(shù)、材料以及生物安全性等限制,視網(wǎng)膜假體可植入的電極數(shù)量極其有限。盡管當(dāng)前已有多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在開展高密度視網(wǎng)膜假體的研制,但是相對(duì)于百萬級(jí)的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和億級(jí)的光感受細(xì)胞,其研制的高密度電極數(shù)量仍然十分有限;此外,由于電刺激視網(wǎng)膜神經(jīng)元所誘發(fā)顏色感知的神經(jīng)調(diào)控機(jī)制未知,因此視網(wǎng)膜假體很難產(chǎn)生可控的顏色視覺;同時(shí),大量的臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明植入者能夠分辨的亮度級(jí)也十分有限。因此,假體植入者僅能獲得低分辨率,低灰度級(jí),且缺乏顏色、對(duì)比度及紋理等視覺特征信息的人工視覺,使得植入者喪失了正常視力下依靠這些顯著性視覺特征進(jìn)行視覺選擇注意的能力。同時(shí),由于受到視網(wǎng)膜凹形結(jié)構(gòu)和手術(shù)安全的限制,電極陣列尺寸不能過大,目前只覆蓋黃斑區(qū)以內(nèi)的視網(wǎng)膜區(qū)域,導(dǎo)致假體植入者僅能獲得小視野的假體視覺。由于體外攝像頭和視頻處理單元是視網(wǎng)膜假體的重要組成部分,因此可以通過圖像優(yōu)化處理進(jìn)行改善假體植入者的視覺感受。基于此,本論文針對(duì)上述問題,開展了仿真假體視覺下基于顯著性模型的圖像處理策略及其優(yōu)化研究。具體研究內(nèi)容包括以下三方面:1)針對(duì)當(dāng)前低分辨率假體視覺大量顯著性視覺信息缺失的問題以及當(dāng)前可應(yīng)用于假體視覺的顯著性分割算法的不足,本文提出一種新穎的顯著性分割算法,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出兩種基于顯著性分割的假體視覺優(yōu)化表達(dá)策略,以有效提取并增強(qiáng)日常生活場景中的感興趣物體。通過開展的仿真假體視覺下基于物體識(shí)別任務(wù)的心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文提出的顯著性分割算法和假體視覺優(yōu)化表達(dá)策略能夠顯著改善被試在低分辨率假體視覺下完成物體識(shí)別的能力。2)雖然研究人員提出的各種復(fù)雜圖像處理算法已被證明能夠改善被試在低分辨率假體視覺下完成視覺任務(wù)的能力,但是受到所提出算法復(fù)雜性和平臺(tái)處理能力的限制,大部分算法并不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的處理,極大地限制了這些算法在視網(wǎng)膜假體中的實(shí)際應(yīng)用。考慮到顯著性模型在假體視覺中的優(yōu)越性以及圖像處理算法在視網(wǎng)膜假體實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)時(shí)性要求,本文提出一種新穎的實(shí)時(shí)全局顯著性物體檢測算法,以快速有效地提取前景感興趣物體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文所提出的算法在幾個(gè)被廣泛使用的評(píng)價(jià)指標(biāo)方面明顯優(yōu)于現(xiàn)有的4種實(shí)時(shí)顯著性物體檢測算法。在此基礎(chǔ)上,本研究進(jìn)一步提出一種實(shí)時(shí)的假體視覺優(yōu)化表達(dá)策略,并開展了仿真假體視覺下基于眼手協(xié)調(diào)的心理物理實(shí)驗(yàn)來評(píng)估所提出策略的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:所提出的策略能夠顯著提高被試在低分辨率假體視覺下的物體識(shí)別及眼手協(xié)調(diào)能力。3)針對(duì)當(dāng)前視網(wǎng)膜假體在臨床應(yīng)用中的小視野問題,通過使用圖像處理算法可將大視野的圖像信息壓縮到小視野范圍內(nèi),以擴(kuò)大假體植入者的感知視野。盡管圖像壓縮或重定位算法已被探索并應(yīng)用于擴(kuò)展假體植入者的感知視野,但是這些算法要么引起重要前景信息表達(dá)的視敏度下降,要么引起重要前景信息的扭曲失真。針對(duì)這些算法的不足,本文基于已提出的全局顯著性物體檢測算法,提出了一種優(yōu)化的基于顯著性檢測的圖像重定位方法,在實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大感知視野的同時(shí),保證場景中重要信息的假體視覺呈現(xiàn),以提高假體植入者完成視覺任務(wù)的能力。通過仿真假體視覺下基于物體檢測和物體識(shí)別的心理物理實(shí)驗(yàn)評(píng)估,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本研究所提出的方法能夠有效提高被試在低分辨率假體視覺下的物體檢測和物體識(shí)別能力。本文開展的研究工作旨在通過假體視覺下的信息優(yōu)化處理算法來改善假體植入者的低分辨率假體視覺感受,提高其完成視覺任務(wù)的能力,為視網(wǎng)膜假體中的圖像處理編碼方案提供新的思路和重要的理論基礎(chǔ),并為假體植入者的術(shù)后視覺功能修復(fù)評(píng)估和認(rèn)知機(jī)制奠定科學(xué)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
【圖文】：

- 1 -圖 1-1 全球致盲疾病分布（2010 年），數(shù)據(jù)來源[3]Fig.1-1 Global blinding disease distribution (2010), data sources from[3]

- 2 -圖 1-2 眼球解剖示意圖（橫截面）。圖像引自 Wikipedia（修）ross-section schematic of a human eye. Image from Wikipedia and wit，，又可稱為“外周腦”，是外周神經(jīng)系統(tǒng)的一部分，可將
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：R318;TP391.41


本文編號(hào)：2682440