發(fā)布時間：2020-06-08 02:33

【摘要】：隨著全球人口老齡化加劇,視覺殘疾人數(shù)逐年攀升,失明成為威脅人類生活質(zhì)量最為嚴重的殘疾之一。在眾多致盲疾病中,老年黃斑病變和視網(wǎng)膜色素變性這類由視網(wǎng)膜的光感受器細胞退化引起的致盲疾病,目前還沒有有效的治愈手段。視網(wǎng)膜假體的出現(xiàn)為此類患者的視覺功能修復提供了可能。目前現(xiàn)有的大多數(shù)視網(wǎng)膜假體都是通過一個外置的攝像頭接收物體表面反射的光獲取外界場景信息,然后通過圖像處理單元對圖像信息進行編碼、整合,經(jīng)無線傳輸至體內(nèi)的微電流刺激器,驅(qū)動電極陣列刺激視覺神經(jīng)通路,誘發(fā)光幻視,從而產(chǎn)生視覺。然而當外界光照不足或無光照時,攝像頭將無法正常捕獲圖像信息,導致視網(wǎng)膜假體無法有效的工作。一個簡單、可行的解決方案是采用雙模態(tài)攝像頭(根據(jù)外界光照的強弱具有在可見光模式和紅外光模式間自動切換功能)代替普通的攝像頭以擴展視網(wǎng)膜假體的工作環(huán)境。另外,考慮在紅外光模式下的紅外成像質(zhì)量遠不及可見光模式下的自然光成像質(zhì)量,因此,本研究設計了仿真假體視覺下的心理物理學實驗探究了兩種成像模式下被試完成視覺任務的能力,結果表明在紅外光模式下被試完成視覺任務的能力顯著低于其在可見光模式下。鑒于圖像處理單元允許通過圖像處理算法潛在的改善假體植入者的視覺感知,本研究就針對紅外光模式下的成像特點(對比度低、信噪比低)以及假體視覺的特點(灰度級有限,顏色、紋理等特征缺失)探究了適用于視網(wǎng)膜假體的紅外圖像增強算法,并在仿真假體視覺下驗證了提出方法的有效性。本研究提出了一種基于自適應平臺直方圖均衡的紅外圖像增強策略,其借助一種成熟、有效的自適應平臺直方圖均衡算法實現(xiàn)對紅外圖像的灰度拉伸,提高圖像的對比度;同時,使用導向濾波算法去除圖像的背景噪聲,而考慮到邊緣輪廓信息對于假體植入者識別物體特征非常重要,因此,我們在導向濾波的基礎上通過邊緣檢測算法提取圖像的物體邊緣;并將邊緣輪廓疊加到灰度拉伸后的圖像上,實現(xiàn)圖像的邊緣增強。本研究的目的是擴展視網(wǎng)膜假體的工作環(huán)境,并通過紅外圖像處理策略改善假體植入者在紅外光模式下完成視覺任務的能力。借助仿真假體視覺下的心理物理學實驗平臺,我們得出,首先,雙模態(tài)攝像頭下被試可以在完全無外界可見光的環(huán)境下繼續(xù)工作,且能夠感知到兩種攝像頭模式間的轉(zhuǎn)換。其次,在紅外光模式下被試完成視覺任務的能力顯著低于其在可見模式下完成視覺任務的能力,這暗示著我們需要一定的紅外圖像處理策略改善被試在假體視覺下的物體識別性能。最后,實驗結果顯示本研究提出的圖像處理策略顯著的提高了被試在紅外光模式下完成視覺任務的能力。以上實驗結果表明本研究提出的方案能夠為未來視網(wǎng)膜假體的設計提供可靠的參考。
【圖文】：

網(wǎng)膜色素上皮細胞（Retinal Pigment Epithelium, RPE），負責為視網(wǎng)膜和脈絡給營養(yǎng)和運輸代謝廢物。向內(nèi)是光感受器細胞，即視錐細胞（Rods）和視桿（Cones），兩者中間夾雜的水平細胞負責對各種刺激進行整合。在整個視網(wǎng)，包含視錐細胞約 700 萬個，主要集中在黃斑區(qū)（Macular），視桿細胞約 1.1~個，主要分布在遠離黃斑區(qū)和中央凹（Foveal）的視網(wǎng)膜上。視錐細胞分布的黃斑區(qū)屬于視覺的精細區(qū)，這一區(qū)域具有較高的空間分辨能力和光敏度良好的色覺，在白天較為敏感。視桿細胞不具有高的空間分辨率，也不參與，因此視桿細胞主要在夜晚較活躍。在視網(wǎng)膜與視神經(jīng)的接壤處被稱為視神頭，此處由于沒有視錐和視桿細胞，因此被稱為視覺盲點。光感受器細胞向雙極細胞和無長突細胞，其主要是整合電信號，形成視覺信息。再向內(nèi)為神細胞，負責向視神經(jīng)傳遞視覺信息。視神經(jīng)接收來自經(jīng)視網(wǎng)膜初步處理的視息，并向內(nèi)延伸至兩眼鼻側(cè)形成視交叉。視覺信息經(jīng)過外側(cè)膝狀體的神經(jīng)位投射到初級視皮層，再到高級視皮層，具體的神經(jīng)機制至今科學家也無法完全的解釋。

1 緒論.1.2 視覺功能修復視覺是人類認識客觀世界的有效途徑，是人和動物最重要的感覺，，而視覺受損不僅會影響個人身心健康，也給家庭和社會帶來巨大的經(jīng)濟負擔。據(jù) 2世界衛(wèi)生組織（World Health Organization, WHO）報道，全球視力殘疾人數(shù) 2.53 億，其中 3600 萬為盲人[3]。我國人口眾多，視力殘疾人數(shù)約為 7500 人約 820 萬。隨著人口老齡化的加劇，不難預測未來盲人數(shù)量將會持續(xù)增眾多致盲疾病中，白內(nèi)障（Cataract）是首要原因，還有一些其他的致盲疾病糖尿病視網(wǎng)膜病變（diabetic retinopathy, DR）、青光眼（Glaucoma）、RP、AMD膜混濁（Corneal Opacities）等，其分布可見圖 1.2。
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP391.41;R318.18

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