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用于视觉假体图像分类的BCNN设计

用于视觉假体图像分类的BCNN设计

作者：申正西安理工大学

学位级别：硕士

视觉假体是一种通过控制电极来构造图像的嵌入式系统,它通过人体内植入的电极构造点阵形成图像,并将构成的图像送往盲人视觉系统使其恢复部分视力。由于植入人体的电极数量有限,通常电极构成的图像辨识度很低,导致视觉假体的使用效果并... 详细信息

视觉假体是一种通过控制电极来构造图像的嵌入式系统,它通过人体内植入的电极构造点阵形成图像,并将构成的图像送往盲人视觉系统使其恢复部分视力。由于植入人体的电极数量有限,通常电极构成的图像辨识度很低,导致视觉假体的使用效果并不理想,依然存在很多困难。因此本文提出使用分类神经网络来辅助视觉假体工作,从而降低视觉假体的使用难度。为了降低分类神经网络在视觉假体嵌入式系统中的移植难度,本文的主要工作是对二值化神经网络算法进行改进和参数压缩。本文针对二值化算法BinaryNet的缺点提出了AlexNet-Binarized,InceptionNet-Binarized,IBNet三种改进算法,其中IBNet使用双重恒等映射方法来提高网络的准确度并使用两个超参数来控制恒等映射的程度,三种算法在基准测试集CIFAR-10上分别进行了性能测试,测试结果显示IBNet的综合性能最佳。最后本文在自制的室内环境数据集上对IBNet和BinaryNet算法进行了性能对比,对权值参数量进行了压缩,并测试了BinaryNet和IBNet处理32×32图像的速度。本文提出的AlexNet-Binarized在CIFAR-10上的准确率达到了 75%,InceptionNet-Binarized在CIFAR-10上的准确率达到了 83%,IBNet在CIFAR-10上的准确率达到了91%,而BinaryNet在CIFAR-10上的准确率只有88.9%。IBNet在室内环境分类数据集上的准确率达到了98%,而BinaryNet在室内环境数据集上的准确率只有88%,而且模型压缩后的IBNet的参数量只有80万左右,BinaryNet算法的参数量却超过了 1000万。最后IBNet处理图像的FPS达到了 45,而BinaryNet处理相同规格图像的FPS仅为18,结果表明IBNet相较BinaryNet具备更好的性能。本文的主要目的是为视觉假体嵌入式系统实现提供算法参考。

关键词：视觉假体神经网络室内环境二值化算法

基于无线能量和数据传输的视觉假体刺激器的测试与评估

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基于无线能量和数据传输的视觉假体刺激器的测试与评估

作者：黄伟昌上海交通大学

学位级别：硕士

视觉是人类认识客观世界的重要途径。由于各种原因在视通路上任何一段出现病变或损伤都会导致失明,约25%的盲人因视网膜疾患而致盲。老年黄斑变性和视网膜色素变性是不可治愈性视网膜疾病致盲的主要原因。随着生物医学、材料学、微电子... 详细信息

视觉是人类认识客观世界的重要途径。由于各种原因在视通路上任何一段出现病变或损伤都会导致失明,约25%的盲人因视网膜疾患而致盲。老年黄斑变性和视网膜色素变性是不可治愈性视网膜疾病致盲的主要原因。随着生物医学、材料学、微电子等学科的发展,用来代替、控制功能已丧失的器官组织的神经假体逐渐成为恢复盲人视觉研究的重点。视觉假体是一种进行视觉修复的人工装置,该人工装置采集外界图像信息,并进行编码处理,通过微电流刺激器将刺激微电流信号加载到微电极阵列,对视觉神经系统进行作用,从而在视觉中枢产生光幻视,实现视觉功能修复。视觉假体的核心是一个微电子集成电路芯片,这个芯片提供给视网膜、视神经和视皮层的电刺激信号,通常将该芯片称为视觉假体神经刺激器。本文分析了国外视觉假体研究小组的视觉假体刺激器构造,论述了视觉假体刺激器所面临的挑战及未来的发展趋势,并基于我们研究小组所采用的视觉假体刺激器,开发出了用于神经刺激的刺激器系统。在我们设计的方案中,采用的电流刺激芯片能够为17个刺激电极提供精确的电流脉冲刺激,同时具有一定的数据检错能力,可以满足一定的数据编码算法的需求。为了使芯片能够通过无线的方式进行工作,我们设计了整流滤波电路、时钟和数据恢复电路。前端发送电路采用了C8051F410单片机芯片和EM4094芯片搭建编码调制电路,通过线圈耦合的无线传输方式,利用同一对线圈进行能量和数据的传输,接收电路对信号进行整流滤波,获得电路工作所需的电源,并从信号中获得微电流刺激器芯片产生电脉冲所需要的时钟和数据帧,芯片根据数据帧包含的信息输出所需要的双相脉冲。为了对刺激器芯片的性能进行测试,我们利用前端发送电路发送不同的数据帧,使刺激器芯片获得不同的脉冲幅度、宽度等参数,从而获得了刺激器芯片在不同参数下输出的脉冲幅度和宽度。从实验的结果来看,输出的脉冲幅度和输入的参数有着良好的线性关系,输出的脉冲幅度范围在0-2mA之间,而输出的脉冲宽度较小,最大值约为62μs,限制了刺激器的刺激强度。

关键词：视觉假体微电流刺激器无线传输神经接口视觉功能修复

E类功率放大器在视觉假体中能量与数据无线传输中的设计

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E类功率放大器在视觉假体中能量与数据无线传输中的设计

作者：王永吉辽宁石油化工大学

学位级别：硕士

视觉功能是人类接收和处理信息环节中至关重要的一个环节，大概有70%的信息来源于视觉，因此，由于视觉疾病给人们日常生活所带来的不便显得日趋明显。视觉信息传输系统是一个复杂的过程，任何一个环节出现病变或者是受损都将引起视功... 详细信息

视觉功能是人类接收和处理信息环节中至关重要的一个环节，大概有70%的信息来源于视觉，因此，由于视觉疾病给人们日常生活所带来的不便显得日趋明显。视觉信息传输系统是一个复杂的过程，任何一个环节出现病变或者是受损都将引起视功能的变差，甚至是影响正常的生活。随着科技的进步，可植入假体的发展速度越来越快，虽然我国起步较晚，但是也取得了很大的进步。视觉假体的研究在最近几年的研究中逐渐成为热点话题，假体植入的位置以及实现的方法也是各有不同，但是大致上都是包括这几个基本的单元，视频采集摄像头，视频信号处理，发送版，接收板以及刺激芯片等。本文搭建了一套视觉假体的平台。通过这个平台可以实现信号的采集、处理、发送及接收功能。其中发送版中核心部件功率放大电路采用E类功率放大器，能量和数据的传输采用电磁耦合的无线传输形式，接收板芯片采用清华大学的研制的刺激芯片。本文研究的内容首先是对E类功率放大器的研究，并将其应用在发送版中，其次改进接收板设计方案，最后在DSP上运行图像处理算法，并作对比实验。

关键词： Class-e功率放大器视觉假体无线传输 SSD-DM642图像处理

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基于DSP的视觉假体图像处理传输系统

基于DSP的视觉假体图像处理传输系统

作者：刘胡炜上海交通大学

学位级别：硕士

每年,成千上万的人受到光感应器官丧失影响失去光感或者完全致盲,比如由于视网膜色素变性（RP）或老年黄斑变性（AMD）导致的视力丧失,几乎没有办法让盲人重新获得光感。随着微电极技术的发展,通过植入微电极阵列刺激视觉通路产生光幻... 详细信息

每年,成千上万的人受到光感应器官丧失影响失去光感或者完全致盲,比如由于视网膜色素变性（RP）或老年黄斑变性（AMD）导致的视力丧失,几乎没有办法让盲人重新获得光感。随着微电极技术的发展,通过植入微电极阵列刺激视觉通路产生光幻视从而帮助盲人获得基本视觉感观是目前研究较为广泛的视觉功能修复方法,称为人工视觉假体。目前视觉假体主要通过微电极植入位置的不同进行归类主要包括视皮层,视神经以及视网膜。而无论刺激部位选择在哪里,其体外体内仪器部分的基本原理都是相似的。首先由图像采集系统获取图像,转化为电信号,经过图像处理算法获得所需信号通过无线收发器传入体内刺激器部分,刺激器编码实现特定刺激。本文首先介绍了整个视觉假体体外仪器系统部分,主要是以TMS320DM642数字信号处理器（DSP）为核心系统的人工视觉假体图像采集处理传输系统,而高性能的DM642芯片可以满足各种图像处理算法,我们通过高级精简指令系统处理器（ARM）模块来输出数字信号。文章还着重提出了基于不同复杂度的图象处理方法,在一定程度上提高了图像处理传输的效率。并且介绍了软件开发优化方法,经过性能评估获得良好的处理结果,说明此系统基本满足视觉假体需求,为微电极提供可靠信号。

关键词：视觉假体数字信号处理器（DSP）高级精简指令系统处理器（ARM）图像处理方法

基于有限元分析方法的视觉假体微电极阵列的设计与测试

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基于有限元分析方法的视觉假体微电极阵列的设计与测试

作者：邵轶彬上海交通大学

学位级别：硕士

体内植入式微电极阵列是外部电子电路系统与神经系统的直接接口,随着现代微机电加工工艺的不断进步和神经科学研究的迅速发展,在神经修复领域发挥着重要的作用。微电极阵列从功能方面来说包括刺激电极与记录电极,从形状方面而言可以分... 详细信息

体内植入式微电极阵列是外部电子电路系统与神经系统的直接接口,随着现代微机电加工工艺的不断进步和神经科学研究的迅速发展,在神经修复领域发挥着重要的作用。微电极阵列从功能方面来说包括刺激电极与记录电极,从形状方面而言可以分为针式、平面式、环式等电极,以满足不同生理位置的需要。植入式微电极阵列的性能优劣直接影响到各种神经修复的有效性及可靠性,具有与神经元大小相当的微米量级尺寸;同时由于与生物组织直接接触,需要具有良好的生物相容性;为了长期发挥功能,对材料的抗腐蚀性提出了很高要求。因此对微电极阵列的研究具有重要的科学意义和广泛的研究价值。用于视觉修复的人工视觉假体在最近十几年得到了广泛研究和迅速发展,给失明的患者带来了新的希望。本文针对用于视觉修复的微电极阵列进行研究,基于有限元分析方法、采用ANSYS有限元分析软件从理论上优化微电极阵列的设计,并通过离体和在体的测试来检验微电极阵列的性能。本文的主要研究内容包括:一、研究了电极-电解液界面的电化学理论基础,并讨论了等效电路模型;二、针对铂铱合金丝刺入式微电极阵列,采用有限元分析的方法建立模型并分析电极周围电场分布情况,为微电极阵列的优化设计提供了理论指导;三、制作铂铱合金丝微电极阵列,并对其进行离体的电学性能测试(阻抗测试、循环伏安测试和微电流刺激测试)和在体的电生理实验评估;四、总结了设计和制作用于视觉假体的微电极的关键问题和面临的挑战。

关键词：微电极阵列视觉假体有限元分析循环伏安法电荷注入能力

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基于视觉假体高阶调制解调的RS纠错码研究

基于视觉假体高阶调制解调的RS纠错码研究

作者：卜婧婧西安理工大学

学位级别：硕士

人类通过眼睛来观察世界,然而每年都有成千上万的人由于眼疾而丧失光感甚至致盲。常见的这类疾病包括视网膜色素变性RP(Retinitis Pigmentosa)和老年黄斑变性AMD(Age-related Macular Degeneration)等。视神经刺激器是利用电信号直接刺... 详细信息

人类通过眼睛来观察世界,然而每年都有成千上万的人由于眼疾而丧失光感甚至致盲。常见的这类疾病包括视网膜色素变性RP(Retinitis Pigmentosa)和老年黄斑变性AMD(Age-related Macular Degeneration)等。视神经刺激器是利用电信号直接刺激视觉神经细胞从而产生视觉感受,它是利用电子设备支持或替代那些有缺陷的组织从而使盲人重见光明。高阶差分幅度相移键控(DAPSK)技术虽然很好地解决了在单一线圈下视觉假体能量传输效率和数据传输速率之间的矛盾,但是由于噪声的影响使解调器的输出信号存在误码。所以本文在16DAPSK软解调的基础上采用RS(15,9)软译码方式来提高通信的可靠性,满足视觉假体对准确性、实时性的高要求。采用的改进16DAPSK软解调算法:利用三角函数以及三角函数的乘法、加减法运算来进行相位软解调,避免了原算法中的三角函数除法运算和求幅角运算。改进算法复杂度低、利于硬件实现且没有带来误码性能上的损失。本文还通过对几种码元可靠性大小计算方法的对比,采用了准确性较高的比特可靠性相乘方法并直接利用码元可靠性的值来确定试探位置。最终为了满足视觉假体的植入式要求,减少了试探序列的数目并对误码率进行仿真,结果表明:在相同的比特信噪比下误码率有所降低;在相同误码率(1*10-6)下软译码电路比特信噪比降低3dB左右。采用的软译码算法硬件实现复杂度低,适合植入式视觉假体的应用需求。

关键词：视觉假体差分幅度相移键控 RS码比特信噪比误码率

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人工视觉假体系统设计

人工视觉假体系统设计

作者：鲍书朋郑州大学

学位级别：硕士

人类主要通过视觉来获取客观世界的环境信息，视觉对人类的生存和生活至关重要。当视觉通路的某一部分发生病变或者受到损伤后，按照目前的医学技术水平可能无法让患者恢复视力。随着微电极技术的发展，通过植入微电极阵列刺激视觉通路... 详细信息

人类主要通过视觉来获取客观世界的环境信息，视觉对人类的生存和生活至关重要。当视觉通路的某一部分发生病变或者受到损伤后，按照目前的医学技术水平可能无法让患者恢复视力。随着微电极技术的发展，通过植入微电极阵列刺激视觉通路从而帮助盲人获得基本视觉感官是目前研究较为广泛的视觉修复方法，称为人工视觉假体。人工视觉假体的基本原理为由图像采集系统采集图像，传入到图像处理器对图像进行像素压缩和编码处理，然后转化为模拟信号传入微电极阵列实现对大脑皮层特定的刺激。本文的主要工作如下： 1.构建视觉假体系统的整体方案，并对所需硬件进行选型。 2.利用摄像头采集图像，求取摄像头内外参数、并对采集好的图像进行校正，通过图像立体匹配求取摄像头采集图像的视差，利用视差去除图像中的背景信息。 3.应用适合于视觉假体的图像处理算法，对摄像头采集的图像信息进行滤波等预处理，然后采用直方图均衡化增强、图像边缘提取、腐蚀与膨胀、灰度值二值化、像素压缩及模拟光幻视点等处理方法，使采集的图像保留主要信息，剔除次要信息。 4.采用稀疏编码模型，从大量视觉图像中提取出基函数，利用提取出的基函数对视觉图像信息进行编码。最后利用VC编写图像处理模块，视频采集模块，稀疏编码模块，串口通信模块。

关键词：图像处理视觉假体双摄像头测距稀疏编码

基于FPGA的视觉假体显著图提取算法的研究

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基于FPGA的视觉假体显著图提取算法的研究

作者：段璟晗西安理工大学

学位级别：硕士

眼睛是人类最重要的感受器官,视觉损伤将给盲人带来无法想象的痛苦。一些科学家提出了帮助盲人“恢复”视觉的方案:利用电极刺激装置来修复视觉通路上产生的病变,即视觉假体装置。日常生活中,外界环境包含巨大的信息量,需要经过处理再... 详细信息

眼睛是人类最重要的感受器官,视觉损伤将给盲人带来无法想象的痛苦。一些科学家提出了帮助盲人“恢复”视觉的方案:利用电极刺激装置来修复视觉通路上产生的病变,即视觉假体装置。日常生活中,外界环境包含巨大的信息量,需要经过处理再应用于视觉假体装置,否则盲人将无法识别障碍物等目标,因此提取出图像中的显著性区域十分必要。本文首先介绍了一种基于人类视觉注意机制的显著图提取模型——Itti模型。Itti模型是提取显著图的经典模型,其提取的显著图像为低分辨率图像,适用于视觉假体的研究,并且与其他算法相比更易完成硬件实现。本文在视觉假体研究中引入了一种基于Itti模型的改进方案,即把RGB色彩空间转换为HSI色彩空间,改进后的算法更加符合人类的视觉系统,并且降低了算法的复杂度。本文基于MATLAB软件对传统Itti算法与其改进算法进行建模和仿真,并对仿真图进行定量分析,结果表明:改进后的算法的精确度提升了约19%,运行时间缩短了约41.4%,大幅度提升了图像提取的精确度、运行速度和效率。为了提高算法的实时性,本文实现了基于FPGA的显著性提取算法的硬件设计。应用VerilogHDL语言对算法进行硬件设计与仿真。最后搭建验证系统平台,完成对改进后Itti模型硬件设计的验证。结果表明:相比于传统软件处理平台的图像处理时间0.357s,算法的硬件设计对于256*256分辨率的图像处理时间为14ms,能够满足FPGA验证平台44fps帧率的实时性要求。大幅提高了算法的实时性,为后续视觉假体图像实时性处理研究提供了参考方案。

关键词：视觉假体视觉注意机制显著图 FPGA

基于视觉假体高阶调制解调的LDPC码设计研究

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基于视觉假体高阶调制解调的LDPC码设计研究

作者：权楠楠西安理工大学

学位级别：硕士

目前世界上有超过4000万的盲人,正因为无法治愈的视网膜色素变性(Retinitis Pigmentosa,RP)和老年性黄斑变性(Age-related Macular Degeneration,AMD)等视网膜退化性疾病使得视力逐渐退化甚至丧失,但其眼睛内层仍是健康的。视觉假体是... 详细信息

目前世界上有超过4000万的盲人,正因为无法治愈的视网膜色素变性(Retinitis Pigmentosa,RP)和老年性黄斑变性(Age-related Macular Degeneration,AMD)等视网膜退化性疾病使得视力逐渐退化甚至丧失,但其眼睛内层仍是健康的。视觉假体是一种绕过受损部位,通过电极阵列发出的电脉冲来刺激视网膜存活部位如神经元细胞的电子设备,产生的神经脉冲经视神经传递到大脑,在大脑中电信号可以转换为部分的视觉感知。在完整的视觉假体系统中,高阶调制解调方式和单线圈无线传输数据和能量不仅解决传输速率和效率之间的矛盾,同时考虑到了视网膜手术可植入面积大小。但受到传输信道中噪声的影响,误码现象易出现,因此本文对LDPC(Low-Density Parity-check Code)纠错码进行研究。本文首先对LDPC码的编码方式和译码算法分别进行了理论对比,确定了编译码方案,然后对编译码算法进行联合仿真,根据仿真结果提出将译码迭代次数固定的方案,并选择最小和积(Min Sum-product algorithm,MS)算法加偏移量为0.125的译码方案,较基本MS算法的编码增益提高了0.4dB。其次,结合高阶调制解调方案,使用SIMULINK搭建纠错码(Error Correction Code,ECC)系统电路模型,并进行硬件实现。根据LDPC码校验矩阵和一些计算规则,对基于IEEE802.16e的编码算法进行改进,简化计算复杂度并消除了部分矩阵求逆和求和运算;在译码电路中提出了一种预先存储地址位置再进行存储单元的读写更新的方案,节约存储空间,并降低了计算量。误码率仿真结果表明:在相同比特信噪比下纠错码电路较解调电路输出信号误码率低,当误码率降到1×10时,纠错码电路的编码增益提高了5dB左右。同时,FPGA(Field programmable Gate Array)实验结果表明:在解调电路输出有误时,纠错码电路可以纠正错误并输出,因此该电路完成了纠错功能。整体电路硬件实现复杂度较低,为视觉假体系统的通信可靠性提供了保障。

关键词：视觉假体 LDPC码 IEEE802.16e编码误码率