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基于DM642的小鼠行为分析系统的设计与实现

作　者: 雷俊杰
导　师: 袁克虹
学　校: 清华大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 小鼠 DM642 行为分析旷场实验多路视频
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

动物行为学实验在动物行为研究、学习记忆研究和药物作用评价等方面应用广泛。在实验室的环境下，小白鼠是最常用的实验动物，“旷场”实验是常用的实验方案。动物行为学实验的记录手段经历了人工记录、力学传感器检测、模拟视频追踪和数字视频处理阶段。人工记录费时费力、精确度低，可重复性差；力学传感器节省了人力，但能够获得的信息较少；相对于模拟视频追踪来说，数字视频处理是未来发展的方向。目前的数字视频监测系统都基于PC平台，成本很高。因此，提出了一个基于DM642的小鼠旷场实验的嵌入式监测方案。该系统包含四大部分：小鼠活动平台、两路监控摄像头、视频处理硬件核心、视频输出模块。小鼠活动平台是一个长方形的空纸箱，两路摄像头分别放在平台的正上方和侧面，由视频处理模块控制视频采集并将采集的的视频信号进行处理后输出到LCD上显示。视频处理核心是一块自己设计的采集板，以TI公司的TMS320DM642为核心处理器，包含视频编码模块、视频解码模块、SDRAM模块、FLASH模块、控制按键模块和电源模块等，可以满足实时接收两路视频输入、视频处理和一路视频输出的需求。视频处理的流程包括二值化、图像形态学运算，提取出感兴趣区域，再计算小鼠的几何重心位置。计算出这些参数之后，对小鼠的移动距离、停留位置、处于各个运动状态的时间进行统计，最后计算出小鼠的平均速度、在平台各个位置停留时间以及处于各个运动状态的时间。使用一个小鼠模型对系统进行了一系列的验证实验，测得系统对小鼠停留位置和小鼠运动距离的测量误差分别在0.1%和2.5%以内。然后使用此系统对小鼠进行了两组实体实验：旷场实验和昼夜节律实验。旷场实验表明：小鼠在进入旷场初期，活动较少且主要集中在平台周围，随着实验进行，小鼠活动增加，在平台中间停留时间增加。节律实验表明：小鼠在早上9点活动最频繁，下午3点左右活动最少，到晚上9点左右活动又有所增加。这两项实验结果与文献结果完全一致。实验结果表明，此系统能够胜任实时监测小鼠旷场实验的工作，有低成本、低功耗、非侵入性、稳定性的特点。但是其功能比较单一，图像算法方面也还需进一步改进，所以需要进行进一步的研究和探索。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
第1章引言  8-14
  1.1 课题背景及意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-12
    1.2.1 企业研究现状与产品分析  9-10
    1.2.2 高校与科研院所研究情况  10-12
  1.3 论文研究的主要内容  12
  1.4 论文结构安排  12-14
第2章系统结构及硬件设计  14-27
  2.1 系统整体架构  14-17
    2.1.1 整体介绍  14
    2.1.2 小鼠活动平台  14-15
    2.1.3 两路摄像头  15-16
    2.1.4 视频处理核心  16
    2.1.5 显示设备  16-17
  2.2 视频处理核心硬件设计  17-26
    2.2.0 总体介绍  17-18
    2.2.1 MCU 模块  18-20
    2.2.2 视频解码模块  20-21
    2.2.3 视频编码模块  21-22
    2.2.4 SDRAM 模块  22-23
    2.2.5 CPLD 模块  23-24
    2.2.6 FLASH 模块  24-25
    2.2.7 电源模块  25-26
  2.3 本章小结  26-27
第3章图像处理算法与程序移植  27-43
  3.1 图像处理与算法  27-32
    3.1.1 图像处理与算法概述  27-28
    3.1.2 图像二值化  28-29
    3.1.3 图像形态学运算  29-30
    3.1.4 各个运动参数的计算  30-32
  3.2 程序与设计  32-36
    3.2.1 程序平台 CCS2.2 介绍  32-33
    3.2.2 程序工程文件框架  33-35
    3.2.3 程序流程  35-36
  3.3 程序优化  36-42
    3.3.1 程序优化概述  37-38
    3.3.2 改变 SDRAM 的读取方式  38-40
    3.3.3 算法级优化  40-41
    3.3.4 程序级优化  41-42
  3.4 本章小结  42-43
第4章实验结果与验证  43-53
  4.1 视频输出模式及系统参数  43-45
  4.2 模型验证结果  45-49
  4.3 小鼠实验结果  49-52
  4.4 本章小结  52-53
第5章总结与展望  53-55
  5.1 研究总结  53
  5.2 进一步开展的工作  53-55
参考文献  55-57
致谢  57-59
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  59

基于DM642的小鼠行为分析系统的设计与实现

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