視覺修復(fù)的圖像編碼與認(rèn)知研究.pdf

1、視覺假體是針對(duì)由老年黃斑變性、視網(wǎng)膜色素變性等引起的后天盲提出的一種通過電刺激視路(比如:視網(wǎng)膜、視神經(jīng)或視皮層)的方式在視野中產(chǎn)生光感,幫助盲人部分地恢復(fù)視覺功能的電子設(shè)備。
　　 本論文圍繞著視網(wǎng)膜/視神經(jīng)假體的圖像編碼策略以及編碼后經(jīng)電刺激產(chǎn)生的視覺修復(fù)的認(rèn)知表現(xiàn)進(jìn)行研究。圖像編碼的作用是將由攝像頭獲取的圖像信息經(jīng)過圖像分割、特征提取等處理過程轉(zhuǎn)換為電極上的電脈沖信號(hào)；在視路中施加電刺激可以在人的視野中產(chǎn)生一定排列的光幻點(diǎn)

2、(phosphene)陣列,從而有限地修復(fù)視覺功能。本論文的研究內(nèi)容包括了以下幾個(gè)方面:
　　 首先提出了一種基于小波變換的圖像編碼策略,在該策略中原始灰度圖像經(jīng)過小波變換,分解成兩個(gè)分辨率下的圖像分量,并經(jīng)過掩模與非線性調(diào)制轉(zhuǎn)換為不同脈寬的電脈沖刺激。并提出一種由電脈沖刺激信息獲得視覺修復(fù)輸出的仿真模型,在該模型的幫助下對(duì)編碼策略的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。算法復(fù)雜度分析和計(jì)算時(shí)間評(píng)估證明了該方法完全可以滿足視覺假體實(shí)時(shí)性的要求。

3、r>　　 然后我們將匹配跟蹤算法和視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞感受野模型相結(jié)合,建立簡(jiǎn)化的視網(wǎng)膜圖像編碼模型。根據(jù)細(xì)胞感受野的大小和首次放電的潛伏期對(duì)其所編碼的圖像信息進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜編碼的“80/20效率法則”:在首先放電的1000個(gè)細(xì)胞中,(1)少于20％的細(xì)胞具有較大的感受野,且比具有較小感受野的細(xì)胞優(yōu)先放電:(2)前20％放電的細(xì)胞編碼了原始圖像中80％以上的信息。
　　 接著,本論文基于多分辨率的視覺修復(fù)模型,研究在不規(guī)則排

4、列的光幻點(diǎn)下視覺修復(fù)的物體識(shí)別表現(xiàn)。采用三種常見的空間畸變模型模擬光幻點(diǎn)排列的不規(guī)則性,并在三種畸變分別存在的情況下進(jìn)行物體識(shí)別實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)視覺修復(fù)的表現(xiàn)因空間畸變的種類和物體對(duì)象的類別而變化。回歸模型計(jì)算得出:在畸變存在的情況下,完成物體識(shí)別所需的最少電極數(shù)由規(guī)則排列下的8×8增加到10×10。
　　 最后我們對(duì)不同認(rèn)知模式下視覺修復(fù)的皮層加工機(jī)制進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)了一組面孔識(shí)別任務(wù)實(shí)驗(yàn)和一組被動(dòng)觀察實(shí)驗(yàn),并在實(shí)驗(yàn)的同時(shí)記錄被

5、試的頭皮腦電信號(hào)。對(duì)照兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明事件相關(guān)電位(ERP)受到任務(wù)的影響。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)在100ms左右,視覺處理系統(tǒng)對(duì)幻點(diǎn)刺激采用了一種整體加工的機(jī)制,將離散的幻點(diǎn)連接成一個(gè)完整的整體；幻點(diǎn)面孔的加工不僅包括整體加工機(jī)制還包括面孔特征一階關(guān)系處理過程(兩個(gè)眼睛下面一張嘴),且對(duì)成功分類的幻點(diǎn)面孔其枕顳側(cè)能量較高。在170ms左右,對(duì)幻點(diǎn)面孔刺激進(jìn)行二階關(guān)系處理和局部特征處理,但兩種處理過程都由于面孔中特征的模糊而減弱了,因此對(duì)面孔

6、辨識(shí)的完成程度很低,其皮層活躍程度也降低；對(duì)幻點(diǎn)非面孔刺激則進(jìn)行以局部特征處理為主的加工過程,這一階段大腦對(duì)非面孔刺激進(jìn)行分類,對(duì)于正確分類的非面孔物體,其N170的幅值較大。
　　 本論文對(duì)視覺修復(fù)中的圖像編碼策略、視網(wǎng)膜編碼特性以及視覺修復(fù)的認(rèn)知加工等問題進(jìn)行了探討,不僅為視覺假體的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)路線,也提供了理論支持。文中圍繞視覺假體的多分辨率圖像編碼策略和視覺修復(fù)認(rèn)知表現(xiàn)得出的一些結(jié)論對(duì)于視覺假體的設(shè)計(jì)和進(jìn)一步理論研究有