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视觉修复的图像编码与认知研究

郭虹  
【摘要】: 视觉假体是针对由老年黄斑变性、视网膜色素变性等引起的后天盲提出的一种通过电刺激视路(比如:视网膜、视神经或视皮层)的方式在视野中产生光感,帮助盲人部分地恢复视觉功能的电子设备。 本论文围绕着视网膜/视神经假体的图像编码策略以及编码后经电刺激产生的视觉修复的认知表现进行研究。图像编码的作用是将由摄像头获取的图像信息经过图像分割、特征提取等处理过程转换为电极上的电脉冲信号;在视路中施加电刺激可以在人的视野中产生一定排列的光幻点(phosphene)阵列,从而有限地修复视觉功能。本论文的研究内容包括了以下几个方面: 首先提出了一种基于小波变换的图像编码策略,在该策略中原始灰度图像经过小波变换,分解成两个分辨率下的图像分量,并经过掩模与非线性调制转换为不同脉宽的电脉冲刺激。并提出一种由电脉冲刺激信息获得视觉修复输出的仿真模型,在该模型的帮助下对编码策略的多个参数进行调节。算法复杂度分析和计算时间评估证明了该方法完全可以满足视觉假体实时性的要求。 然后我们将匹配跟踪算法和视网膜神经节细胞感受野模型相结合,建立简化的视网膜图像编码模型。根据细胞感受野的大小和首次放电的潜伏期对其所编码的图像信息进行分析,发现视网膜编码的“80/20效率法则”:在首先放电的1000个细胞中,(1)少于20%的细胞具有较大的感受野,且比具有较小感受野的细胞优先放电;(2)前20%放电的细胞编码了原始图像中80%以上的信息。 接着,本论文基于多分辨率的视觉修复模型,研究在不规则排列的光幻点下视觉修复的物体识别表现。采用三种常见的空间畸变模型模拟光幻点排列的不规则性,并在三种畸变分别存在的情况下进行物体识别实验,实验发现视觉修复的表现因空间畸变的种类和物体对象的类别而变化。回归模型计算得出:在畸变存在的情况下,完成物体识别所需的最少电极数由规则排列下的8×8增加到10×10。 最后我们对不同认知模式下视觉修复的皮层加工机制进行了研究,设计了一组面孔识别任务实验和一组被动观察实验,并在实验的同时记录被试的头皮脑电信号。对照两组实验结果表明事件相关电位(ERP)受到任务的影响。进一步的分析发现在100ms左右,视觉处理系统对幻点刺激采用了一种整体加工的机制,将离散的幻点连接成一个完整的整体;幻点面孔的加工不仅包括整体加工机制还包括面孔特征一阶关系处理过程(两个眼睛下面一张嘴),且对成功分类的幻点面孔其枕颞侧能量较高。在170ms左右,对幻点面孔刺激进行二阶关系处理和局部特征处理,但两种处理过程都由于面孔中特征的模糊而减弱了,因此对面孔辨识的完成程度很低,其皮层活跃程度也降低;对幻点非面孔刺激则进行以局部特征处理为主的加工过程,这一阶段大脑对非面孔刺激进行分类,对于正确分类的非面孔物体,其N170的幅值较大。 本论文对视觉修复中的图像编码策略、视网膜编码特性以及视觉修复的认知加工等问题进行了探讨,不仅为视觉假体的设计提供了技术路线,也提供了理论支持。文中围绕视觉假体的多分辨率图像编码策略和视觉修复认知表现得出的一些结论对于视觉假体的设计和进一步理论研究有着重要的参考价值。


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