CN108535871B - 动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，包括：显示器支架、视觉刺激屏幕系统和图像处理装置；所述显示器支架包括平面板，平面板的一侧开设有凹口；视觉刺激屏幕系统包括：三个分别安装于平面板的凹口一侧开之外的三个侧部的显示器，图像处理装置同时与视觉刺激屏幕系统的三个显示器连接，以将三个方向的图像同步传输到对应的显示器上，形成3D视觉效果。上述的动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，能实现全视野覆盖的3D沉浸，可匹配不同体型的动物进行视觉刺激，达到极佳的视觉刺激效果，且结构简单，价格低廉，便与推广。

Description

动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统

技术领域

本发明属于科研设备领域，用于包括非人灵长类/啮齿类动物与视觉相关的行为学研究、神经生物学研究，以及在体脑活动记录/成像等研究，具体涉及一种动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统。

背景技术

视觉是人和动物最重要的感知能力。大脑获得的外界信息，绝大部分由视觉提供。视觉是神经科学最广泛研究的领域，当前的视觉研究，仍然以使用啮齿类动物为主，同时研究中使用的视觉刺激方式，也以平面(2D)视觉信息为主。需要强调的是，实验室使用的啮齿类动物长期生活在笼盒之中，接触到的环境基本限定在水平面，而在垂直方向的活动范围不能够超出笼子的高度，因此其视觉经验长期处于2D的水平。对于非人灵长类动物和人类来说，在垂直方向的活动范围极大，因而在视觉能力上也远胜啮齿类。从这一角度来说，视觉研究的内容需要面对几个前提性的问题：一，使用啮齿类动物结合2D视觉刺激的视觉研究方式是否有所欠缺？二，使用非人灵长类动物结合2D视觉刺激的方式是否匹配？因此，开发相关的科研装置意义重大，有助于我们对视觉系统的功能获得更接近真实的理解。

国际前沿在这方面的研究逐渐开始使用3D视觉刺激，以及开始使用非人灵长类动物作为研究对象。一方面，采用球幕构造的虚拟现实(3D)视觉刺激系统，来研究小鼠的空间导航能力(Dombeck et.al，2010)；他们将小鼠放置在用气压悬浮的球形跑道上，小鼠在头部固定的情况下可以做出跑步动作，而球幕播放的画面移动速度直接与小鼠的跑动速度相关；目前该装置已经商业化，但造价昂贵，用于啮齿类动物的最普通的硬件，价格就超过20万元人民币，且球幕视觉刺激系统购买后尺寸就完全固定，通常球幕的大小和价格成正比，用于啮齿类动物的球幕，其半径不足以容纳体型超过啮齿类20倍以上的非人灵长类动物，而专门订制大尺寸的球幕，其价格几乎无法承受，同时要达到高扫描频率的显示效果，以及彩色显示效果，硬件价格也会翻番，球幕播放的视觉刺激需要特别订制，也需要额外支付不菲的费用。同时，针对啮齿类设计的该装置并不适用于非人灵长类动物的视觉研究，一者是，刷新频率方面，非人灵长类动物的视觉能力较人类更强：通常60Hz的刷新频率足够人类使用，甚至低一些的刷新频率也可用于啮齿类的视觉刺激，但对于非人灵长类动物来说，就可能会产生跳帧的效果，因此用于非人灵长类动物的球幕造价更高；再者，非人灵长类动物在视觉能力方面，拥有完整的彩色视觉以及3D视觉能力，远远胜过啮齿类动物，但是其体型较大，行为多样，不容易固定到球幕内部，并且长时间的固定引起动物情绪失常，容易造成球幕的损坏。

因此，现有的3D(虚拟现实)视觉刺激系统价格昂贵，且不容易推广到体型较大的非人灵长类动物实验，需要设计廉价、简易和适用的3D视觉刺激系统。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，能实现全视野覆盖的3D沉浸，可匹配不同体型的动物进行视觉刺激，达到极佳的视觉刺激效果，且结构简单，价格低廉，便与推广。

为达到上述技术效果，本发明采用的技术方案是：

一种动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，包括：显示器支架、设置在显示器支架上的视觉刺激屏幕系统以及与视觉刺激屏幕系统电性连接的图像处理装置；所述显示器支架包括：底座、平面板以及连接底座和平面板的支撑架，所述平面板的一侧开设有凹口；所述视觉刺激屏幕系统包括：三个刷新频率不低于144Hz的显示器，三个所述显示器分别安装于平面板的凹口一侧开之外的三个侧部，三个显示器屏幕向内设置，形成一各个向凹口一侧开口的半包围结构，且开口侧的宽度大于一个显示器的宽度；所述图像处理装置同时与视觉刺激屏幕系统的三个显示器连接，以将三个方向的图像同步传输到对应的显示器上。

上述的动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，通过三台显示器在显示器支架的平面板上搭建出视觉刺激屏幕系统，虚拟现实的图像由不同方向的多台摄像机同步录制，通过图像处理装置的控制，不同方向的图像通过三台显示器同步播放，形成3D的虚拟现实效果；实验时将用于实验的动物放置于凹口一侧的平面板上，三台显示器可以覆盖动物几乎所有的视野，造成沉浸式的视觉体验，达到3D视觉刺激的实验效果。

进一步地，所述视觉刺激屏幕系统的三个显示器上的图像，通过基于数学软件编写的用户界面进行整合、同步和控制。通过数学软件实现图像的同步控制，保证视觉刺激屏幕系统内形成的3D视觉效果流畅和逼真，增强沉浸式体验。

进一步地，所示图像处理装置为一台能同时连接至少四台显示器的电脑。采用电脑作为图像控制的硬件，并使其可以同时连接视觉刺激屏幕系统的三个显示器，以及电脑自身需要的显示器，达到3D视觉刺激效果的同时，其价格约为现有球幕3D视觉刺激系统的十分之一，配置成本低，且结构简单，便于推广。

进一步地，所述支撑架可升降；以适应不同的实验环境。

进一步地，所述支撑架包括：支柱，所述支撑柱可纵向伸缩，结构简单，却能保证支撑架的可升降性能。

进一步地，所述支撑架还包括：设置在所述支撑柱上部升降平台，所述升降平台的上部连接平面板；通过升降平台进一步调节平面板的高度，可调范围更广，调节更便利，使用更方便。

进一步地，所述支撑架的最小承重为20千克；保证显示器支架能够承受体型较大的非人灵长类动物进行实验。

进一步地，所述底座的下部设置有万向轮；方便整个系统的移动。

进一步地，所示显示器通过支撑臂连接于平面板上；便于显示器的拆装和调节，便与设备的维护，并能方便的调节出更具沉浸效果的3D视觉效果。

进一步地，所述平面板的凹口处可拆卸的嵌设一小面板。使用体型较大的非人灵长类动物进行实验时，可将放置动物的猴椅固定到凹口上，以方便的进行视觉相关实验；使用体格较小的啮齿类动物进行实验时，可在凹口中嵌入小面板以消除凹口，以便在平面板上直接放置啮齿类动物；平面板结构切换方便，适用范围更广。

采用上述技术方案，本发明的有益效果有：

1、成本低，易推广：本发明使用高刷新频率液晶显示器组合搭建，核心部件是安装有2块高性能显卡的图像处理电脑，可同时连接4台显示器，同步输出不同方向的画面，达到3D视觉刺激的效果，价格约为球幕3D视觉刺激系统的十分之一，成本低，且结构简单，组装容易，更易于推广；

2、尺寸自由度大，适用范围广：本发明的核心部件是图像处理电脑，可根据需要同时连接不同尺寸的显示器，从而能够很方便的调整整个视觉刺激系统的尺寸，配合可升降的显示器支架，可以匹配不同体型的动物进行实验，使用范围广；

3、3D视觉刺激效果好：全视野覆盖的沉浸式效果，可以达到球幕的水准，虚拟现实沉浸式效果极佳好；同时，摆脱了佩戴式设备，例如3D眼镜，消除固有的束缚感和视野局限保证3D视觉刺激的效果。

附图说明

图1为本发明实施例的正视结构示意图；

图2为本发明实施例的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例控制原理示意图；

附图标记：

1-显示器支架，11-底座，12-平面板，13-支撑架，131-支柱，132-升降平台，14-凹口，15-小面板，16-万向轮，17-支撑臂，2-视觉刺激屏幕系统，21-显示器，3-图像处理装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。在本发明申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1和图2所示，本实施例提供的一种动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，包括：显示器支架1、设置在显示器支架1上的视觉刺激屏幕系统2以及与视觉刺激屏幕系统2电性连接的图像处理装置3。显示器支架1包括：底座11、平面板12以及连接底座11和平面板12的支撑架13，平面板12的前方设有凹口14，凹口14处可拆卸的嵌设一小面板15；使用体型较大的非人灵长类动物进行实验时，可将放置动物的猴椅固定到凹口14上，以方便的进行视觉相关实验；使用体格较小的啮齿类动物进行实验时，可在凹口14中嵌入小面板15以消除缺口，以便在平面板12上直接放置啮齿类动物，平面板12的结构切换方便，适用范围更广。

视觉刺激屏幕系统2包括：三个刷新频率不低于144Hz的显示器21，三个显示器21分别安装于平面板12的凹口一侧开之外的三个侧部，即平面板12的后方和左、右三侧，三个显示器21的屏幕向内设置，形成一各个向凹口14一侧开口的半包围结构，且开口侧的宽度大于一个显示器21的宽度，显示器21的边框尽量小，通过支撑臂17连接于平面板12上，实验动物位于平面板12前部时，可以完全覆盖其前、左、右三个方向的视野。

图像处理装置3同时与视觉刺激屏幕系统2的三个显示器21连接，以将三个方向的图像同步传输到对应的显示器上；视觉刺激屏幕系统2的三个显示器上21的图像，是通过基于数学软件(如：美国MathWorks公司出品的商业数学软件MATLAB)编写的用户界面进行整合、同步和控制，通过数学软件实现图像的同步控制，保证视觉刺激屏幕系统2内形成的3D视觉效果流畅和逼真，增强沉浸式体验。本实施例中的图像处理装置3为一台能同时连接至少四台显示器的电脑，采用电脑作为图像控制的硬件，并使其可以同时连接视觉刺激屏幕系统2的三个显示器21，以及电脑自身需要的显示器，达到3D视觉刺激效果的同时，其价格约为现有球幕3D视觉刺激系统的十分之一，配置成本低，且结构简单，便于推广。

显示器支架1的底座的下部设置有万向轮16，方便整个系统的移动。支撑架13的最小承重为20千克，保证显示器支架1能够承受体型较大的非人灵长类动物进行实验。同时，支撑架13可升降，以适应不同的实验环境，具体的，参见图1，支撑架13包括：支柱131，该支撑柱131可纵向伸缩，结构简单，却能保证支撑架13的可升降性能；同时在支撑柱131上部升降平台132，该升降平台132的上部连接平面板12；通过升降平台132进一步调节平面板12的高度，可调范围更广，调节更便利，使用更方便。

上述的动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，通过三台显示器21在显示器支架1的平面板21上搭建出视觉刺激屏幕系统2，虚拟现实的图像由不同方向的多台摄像机同步录制，参见图3，通过图像处理装置3的控制，不同方向的图像通过三台显示器21同步播放，形成3D的虚拟现实效果；实验时将用于实验的动物放置于凹口14一侧的平面板12上，三台显示器21可以覆盖动物几乎所有的视野，造成沉浸式的视觉体验，达到3D视觉刺激的实验效果。上述系统可用于对实验动物进行3D虚拟现实视觉刺激，进而进行视觉研究、动物行为学研究、动物空间导航行为的研究。

综上所述，采用上述技术方案的动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，能实现全视野覆盖的3D沉浸，可匹配不同体型的动物进行视觉刺激，达到极佳的视觉刺激效果，且结构简单，价格低廉，便与推广。

需要说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，包括：显示器支架、设置在显示器支架上的视觉刺激屏幕系统以及与视觉刺激屏幕系统电性连接的图像处理装置，其特征在于，

所述显示器支架包括：底座、平面板以及连接底座和平面板的支撑架，所述平面板的一侧开设有凹口；

所述视觉刺激屏幕系统包括：三个刷新频率不低于144Hz的显示器，三个所述显示器分别安装于平面板的凹口一侧开之外的三个侧部，三个显示器屏幕向内设置，形成一各个向凹口一侧开口的半包围结构，且开口侧的宽度大于一个显示器的宽度；

所述图像处理装置同时与视觉刺激屏幕系统的三个显示器连接，以将三个方向的图像同步传输到对应的显示器上。

2.根据权利要求1所述的动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，其特征在于，所述视觉刺激屏幕系统的三个显示器上的图像，通过基于数学软件编写的用户界面进行整合、同步和控制。

3.根据权利要求1或2所述的动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，其特征在于，所示图像处理装置为一台能同时连接至少四台显示器的电脑。

4.根据权利要求1或2所述的动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，其特征在于，所述支撑架可升降。

5.根据权利要求4所述的动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，其特征在于，所述支撑架包括：支柱，所述支撑柱可纵向伸缩。

6.根据权利要求5所述的动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，其特征在于，所述支撑架还包括：设置在所述支撑柱上部升降平台，所述升降平台的上部连接平面板。

7.根据权利要求1、5或6任一项所述的动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，其特征在于，所述支撑架的最小承重为20千克。

8.根据权利要求1所述的动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，其特征在于，所述底座的下部设置有万向轮。

9.根据权利要求1所述的动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，其特征在于，所示显示器通过支撑臂连接于平面板上。

10.根据权利要求1所述的动物实验用桌面虚拟现实视觉刺激系统，其特征在于，所述平面板的凹口处可拆卸的嵌设一小面板。

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