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基于FPGA的三维立体腹腔镜实时显示系统设计

作　者: 陈义安
导　师: 罗洪艳
学　校: 重庆大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 立体腹腔镜平行式三维效果优化 FPGA 快门眼镜
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 2次
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内容摘要

基于腹腔镜的微创手术因创伤小、恢复快等优点广受病人的青睐。而传统腹腔镜系统提供给医生二维平面图像，缺乏深度信息，进而增加了医生手术操作的潜在风险。随着微创技术的进步，已经发展出了双目立体腹腔镜，实现了手术视野的立体可视化。目前国外相关产品技术相对成熟，但产品体积大、价格昂贵，国内相关研究相对落后，研究立体腹腔镜存在的硬件平台差、功能单一等问题。除此之外，立体腹腔镜系统还存在着更为突出的立体视觉效果问题，现有的系统常采用两光学系统平行放置的结构，该结构具有诸多优势的同时也具有三维畸变及视觉疲劳的缺陷。视觉效果的好坏将直接影响医生手术操作，因此上述缺陷应尽可能避免，而这方面的研究也相对缺失。基于此，本文首先对视觉疲劳及畸变问题进行了深入研究，提出了在舒适前提下提高立体效果和实现线性消畸变的优化方案，并成功研制了基于FPGA的双目立体腹腔镜实时显示系统，系统充分发挥FPGA并行处理能力强、逻辑资源多等优点，一片FPGA即完成全部图像采集、处理与送显，无需额外芯片，实现了低成本、小体积、便携式的设计。通过佩戴快门眼镜，医生在3D液晶屏上可观看到腔内最优化的立体影像。实验结果表明：系统实时性强，很好的实现图像冻结、2D/3D切换、拍照等功能，快门眼镜与3D液晶显示器之间达到了很好的同步；优化方案在研制的系统中进行了验证，立体效果明显提升，且实现了线性消畸变，由此证实了方案的可行性及合理性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
1 绪论  8-18
  1.1 选题背景和意义  8-11
    1.1.1 医用腹腔镜概述  8-9
    1.1.2 三维立体显示方法简介  9-10
    1.1.3 立体显示的双目模型概述  10-11
  1.2 立体腹腔镜发展历程  11-15
    1.2.1 国内外研究现状  11-14
    1.2.2 双目立体腹腔镜存在的问题  14-15
  1.3 研究目的和内容  15-18
2 平行式双目立体腹腔镜显示技术与三维效果优化设计  18-34
  2.1 人眼立体显示基本原理  18-19
  2.2 双目立体显示技术的分类  19-22
    2.2.1 光栅立体显示  19
    2.2.2 微透镜阵列立体显示  19-20
    2.2.3 分色式  20
    2.2.4 分光式  20-21
    2.2.5 分时式  21
    2.2.6 头盔式  21-22
  2.3 医用双目立体腹腔镜系统显示技术的研究  22
  2.4 双目立体显示技术影响立体质量的因素  22-26
    2.4.1 显示机理与人眼视觉生理之间的矛盾  23-25
    2.4.2 三维形状畸变  25
    2.4.3 垂直视差  25-26
  2.5 平行式双目立体显示效果的优化研究  26-34
    2.5.1 双目数学几何模型的建立和分析  26-28
    2.5.2 基于平行式的水平正视差产生  28-31
    2.5.3 平行式线性消畸变设计  31-32
    2.5.4 三维立体优化前后的舒适区研究  32-34
3 双目立体腹腔镜系统总体设计  34-42
  3.1 方案拟定及功能设计  34-36
    3.1.1 视频处理器硬件平台拟定  34-35
    3.1.2 双目立体腹腔镜功能设计  35-36
  3.2 系统总体设计方案  36-37
  3.3 核心器件与芯片选择  37-42
    3.3.1 腹腔镜光学系统  37-38
    3.3.2 CCD 摄像头  38
    3.3.3 FPGA 芯片  38-39
    3.3.4 3D 显示器与快门液晶眼镜  39-42
4 FPGA 及外围硬件设计  42-54
  4.1 双路视频采集模块  42-46
    4.1.1 解码芯片的初始化设置  43-45
    4.1.2 ITU-R BT 656 数据流  45-46
  4.2 FPGA 控制与处理模块  46-48
  4.3 视频存储模块  48-50
  4.4 VGA 显示模块  50
  4.5 快门液晶眼镜睛驱动控制模块  50-54
    4.5.1 液晶的光电效应  50-51
    4.5.2 基于 CRT 与液晶显示器的同步驱动设计  51-54
5 双目立体腹腔镜系统测试方法与验证  54-62
  5.1 腹腔镜系统的硬件实现与测试  54-57
  5.2 左右视差图像的不一致及串扰度  57-58
  5.3 硬件平台一致性及串扰度测试  58-62
6 平行式双目立体显示效果的优化验证与测试  62-70
  6.1 系统优化验证平台的搭建  62-63
  6.2 系统实现正视差的测试  63-65
  6.3 系统消畸变测试  65-68
  6.4 医用立体腹腔镜参数设计  68-70
7 结论和展望  70-72
致谢  72-74
参考文献  74-78
附录  78
  作者在攻读学位期间发表的论文目录  78

基于FPGA的三维立体腹腔镜实时显示系统设计

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