摘 要

人类世界大部分的视觉信息都是由视觉提供的，所以失明或者视力受损对人类的生存和生活影响严重。现阶段，药物治疗、基因治疗和干细胞移植治疗等一系列治盲疗法的实验研究最为普遍，但目前为止还没有什么突破性进展，尤其是对视网膜色素变性、老年黄斑变性等最主要的致盲疾病仍然缺乏有效治疗手段。这两种疾病主要是损伤视网膜中的光感受器从而导致失明，而视网膜中的视觉通路相对没有受到功能性损害。现在国际视网膜色素变性和老年黄斑变性失明患者进行视觉功能恢复的主要研究方向就是视觉假体，原理主要是外部微摄像机采集外界图像信息，利用信息处理器把图像转换为相应的电刺激模式，再由植入体内的微电流刺激器将多路电脉冲加载到微电极阵列，对视觉神经系统进行电刺激，在视觉中枢上产生光幻视效果，从而完成视觉功能修复。所以视觉假体图像处理成为了近几年研究的主要方向。

本文的研究工作和主要内容如下：

1. 在研究了视觉假体图像处理系统国内外研究现状和主要需求的基础上，分析了视觉假体图像处理的基本原理和视觉假体的结构框图。
2. 阐述了视觉假体图像处理系统的重要组成和图像处理的关键技术。 研究了视觉假体图像处理的系统结构，完成了视觉假体图像处理系统流程设计，设计了视觉假体图像处理系统在MATLAB环境下的实现流程，搭建了视觉假体图像处理系统设计开发的软件环境。
3. 依据MATLAB中的设计流程，完成了视觉假体图像处理算法的设计和仿真，包括图像边缘提取、低像素化和光幻视仿真等。验证了图像处理算法适合于视觉假体的图像处理系统。
4. 设计了图像处理系统的GUI界面，完成了图像采集模块的设计与实现，添加了图像分布处理菜单和实时处理菜单。

关键词：视觉假体；图像处理；光幻视仿真； GUI；MATLAB

Abstract

Vision provides more than 80% of the world's external information for people to understand the world.In recent years,the drug, gene and stem cell transplantation therapy on the prevention of blindness,but there is no breakthrough, especially for retinitis pigmentosa, age-related macular degeneration and other major blinding diseases is also a lack of effectivtreatment measures.These two kinds of degenerative disease mainly damage of retinal photoreceptors in blindness,the other parts of the retina and the visual pathway are relatively intact.Visual prosthesis is a hot research topic in the visual functional restoration of RP and AMD patients in the world today,the external image information is collected by an external micro camera,the external image information is collected by the external micro camera, and the image is converted to the corresponding electric stimulation mode by the information processor,the micro stimulator implanted electric pulse is applied to multi-channel microelectrode array,electrical stimulation of the visual system, produce phosphenes in visual system, so as to achieve the restoration of visual function.So in recent years, visual prosthesis image processing has become a hot research topic.

The research work and the main results of this article are as follows:

1. On the study of the theory and structure of the image processing system for retinal prosthesis and standards, the development process of image processing system is designed。
2. To describe the composition of visual prosthesis image processing system, and researches the key technology of image processing for visual prosthesis. To study the image processing of retinal prosthesis, algorithms are put forward with the combination of these requirements, and they are learned in detail, especially phosphate simulation algorithm.
3. Based on MATLAB in the design process, the completion of the visual prosthesis image processing algorithm design and simulation, including image edge extraction, low pixel and phosphene simulation. It is proved that the image processing algorithm is suitable for the image processing system of vision prosthesis.
4. Designed the GUI interface of image processing system, completed the design and implementation of image acquisition module, and added the image processing menu and real-time processing menu.

Keywords: retinal prosthesis; image processing; Phosphene simulation;GUI;MATLAB

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 课题研究的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究的主要内容 3

第2 章 视觉假体处理系统的流程设计 4

2.1 视觉假体图像处理系统原理与结构 4

2.2 视觉假体MATLAB 图像处理流程设计 5

2.3 本章小结 7

第3章 基于MATLAB的视觉假体图像处理仿真 8

3.1 视觉假体图像处理特点 8

3.2 视觉假体图像处理算法仿真 8

3.2.1 视角调整算法 9

3.2.2 图像增强算法 9

3.2.3 图像卷积算法 11

3.2.4 边缘提取算法 12

3.2.5 图像膨胀算法 14

3.2.6 低像素化算法 15

3.2.7 光幻视仿真算法 16

3.3 本章小结 18

第4章 视觉假体图像系统的功能设计与实现 19

4.1 图像采集算法的设计 19

4.1.1获取摄像头具体参数 19

4.1.2视频预览、采集和保存 20

4.2 系统GUI界面的设计与实现 21

4.2.1 GUI的视觉假体图像采集模块设计 21

4.2.2 GUI的视觉假体图像系统功能菜单模块设计 22

4.3视觉假体图像处理系统的功能分析 23

4.4 本章小结 24

第5章 总结与展望 25

5.1 论文工作总结 25

5.2 未来工作展望 26

致 谢 27

参考文献 28

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

视觉是人获得外界信息的最为重要的途径，但是因为先天遗传或后天视觉组织受损等原因，许多人没有视觉或视觉受损。根据 WHO公布的数据显示，全世界因为视觉受损而致残的人数达到了1.6亿之多，其中3700万人是完全失明的，无法看见任何外界信息。在我国的盲人总人数约是全世界盲人总数的5分之1，约有900万人，基数非常的大，而且在不断的增加中。从这些数字不难了解，视觉受损或至盲的受害者数量庞大，这也意味着给社会和家庭带来了沉重的负担。盲人和视觉受损人数的巨大从侧面也反映出视觉假体的市场广阔，实际应用强，所以现在研制一种可以让盲人恢复视觉重见光明的假体特别的重要。随着医疗科学的进步，材料学以及电子学等学科的迅猛发展，依据人类视觉的原理，模拟人类视觉的视觉假体变得可以实现。材料技术和电子技术的突破为研发不排斥人体组织、小体积、小功率的微电极提供了技术支撑，在眼内视网膜上植入微电极阵列，微电极阵列刺激视觉神经产生视觉感知^[1]。视觉假体是刺激视觉神经产生视觉感知，使盲人或视力受损的人恢复一定的视觉的人造假体，本文的视觉假体的形式是通过微电极阵列刺激视神经的神经节细胞而产生视觉。它是视网膜上的假体。

视网膜假体、视神经假体、视皮层假体是视觉假体的三大主要分类。(1)视皮层假体：是利用刺激脑内的视觉皮层来恢复视觉；(2)视神经假体：利用微电极阵列刺激视觉神经，前提是患者的视神经系统是完好无损的；(3)视网膜假体：通过将光电二极管阵列植入视网膜上层和视网膜色素上皮层，然后整个视觉功能通过无损器官完成。