毕业论文基于matlab的脑电信号处理说明书.docx
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毕业论文基于matlab的脑电信号处理说明书
南京航空航天大学
基于Matlab的脑电信号处理
姓名陆想想
专业领域生物医学工程
课程名称数字信号处理
二О一三年四月
摘要:
脑电信号属于非平稳随机信号,且易受到各种噪声干扰。
本文基于Matlab仿真系统,主要研究了小波变换在脑电信号处理方面的应用,包括小波变换自动阈值去噪处理、强制去噪处理,以α波为例,提取小波分解得到的各层频率段的信号,并做了一定的分析和评价。
关键词:
脑电信号;小波变换;去噪重构;频谱分析
0引言
脑电信号EEG(Electroencephalograph)是人体一种基本生理信号,蕴涵着丰富的生理、心理及病理信息,脑电信号的分析及处理无论是在临床上对一些脑疾病的诊断和治疗,还是在脑认知科学研究领域都是十分重要的。
由于脑电信号的非平稳性且极易受到各种噪声干扰,特别是工频干扰。
因此消除原始脑电数据中的噪声,更好地获取反映大脑活动和状态的有用信息是进行脑电分析的一个重要前提。
本文的研究目的是利用脑电采集仪器获得的脑电信号,利用Fourier变换、小波变换等方法对脑电信号进行分析处理,以提取脑电信号α波的“梭形”节律,并对脑电信号进行功率谱分析和去噪重构。
1实验原理和方法
1.1实验原理
1.1.1脑电信号
根据频率和振幅的不同,可以将脑电波分为4种基本类型[1],即δ波、θ波、α波、β波。
4种波形的起源和功能也不相同,如图1所示。
图1脑电图的四种基本波形
α波的频率为8~13Hz,振幅为为20~100µV,它是节律性脑电波中最明显的波,整个皮层均可产生α波。
正常成人在清醒、安静、闭目时,波幅呈现有小变大,再由大变小,如此反复进行,形成所谓α节律的“梭形”。
每一“梭形”持续时间约为1~2s。
当被试者睁眼、警觉、思考问题或接受其他刺激时,α波立即消失而代之以快波,这种现象称之为“α波阻断”。
一般认为,α波是大脑皮质处于清醒安静状态时电活动的主要表现。
β波的频率是18~30Hz,振幅为5~20µV,是一种快波。
β波的出现以为着大脑比较兴奋。
θ波的频率是4~7Hz,振幅为10~50µV,它是在困倦时,神经系统处于抑制状态时所记录的波形。
δ波在睡眠、深度麻醉、缺氧或大脑有器质性病变时出现,频率是1~,振幅为20~200µV。
1.1.2小波变换
小波变换的概念是由从事石油信号处理的法国工程师在1974年首先提出的。
与Fourier变换相比,小波变换是时间(空间)频率的局部化分析,它通过伸缩平移运算,对信号逐步进行多尺度细化,最终达到高频处时间细分,低频处频率细分,能自动适应时频信号分析的要求,从而可以聚焦到信号的任意细节,解决了Fourier变换的困难问题。
在噪声中如何准确地检测到信号一直是信号处理领域所关心的内容。
小波变换是一种信号的时间一尺度分析方法,由于具有多分辨率分析的特点,良好的时频局部化特性,能够对各种时变信号进行有效的分解,从而较好地将信号与噪声加以分离,获得满意的去噪效果。
小波分析去噪处理的方法一般有三种:
默认阈值去噪处理。
该方法是利用ddencmp函数生成信号的默认阈值,然后利用wdencmp函数进行去噪处理。
给定阈值进行去噪处理。
在实际的去噪过程中,阈值往往可以通过经验公式获得,并且这种阈值比默认阈值可信度高。
在进行量化处理时可利用wthresh函数。
强制去噪处理。
该方法是将小波分解结构中的高频或者低频系数设置为0,即滤掉所有高频部分或低频部分。
这种方法比较简单,且去噪得到的信号比较平滑,但是容易丢失信号中的有用成分[2]。
本文采用了两种去噪方法,并分析比较了他们的去噪效果。
1.2实验方法与步骤
1.2.1脑电信号的读取
本文使用的脑电数据是使用南航生物医学光子学实验室的脑电采集系统采集获得的,原始数据格式为.eeg。
为了方便在Matlab环境下对数据进行分析,将文件转换为.txt格式。
脑电采集使用的是16通道,采样频率为256Hz,文件中存储的数据的形式为数据点数×通道数。
实验中选取了第14通道的前8000个数据点作为样本进行分析。
由于采样时间是256Hz,所以这段信号的持续时间大约是32秒。
1.2.2信号的频域和功率谱分析
为了研究脑电信号中不同频率信号的能量分布以及变化情况,首先对样本信号进行Fourier变换,得到频域图。
然后进一步对信号做功率谱分析,得到功率谱图,从功率谱图中,可以直观的观察到不同频率信号的能量分布情况。
由于脑电数据是在被采集者安静清醒的状态下采集得到的,理论上α波应该占主导地位。
1.2.3信号的小波变换及重构
基于小波变换降噪处理的方法通常有3个步骤:
首先是将信号进行n层小波变换,得到小波系数;然后在小波变换域上利用信号与噪声的不同特性,对小波变换进行阈值化处理,把噪声从信号中区分开来(主要是对高频系数进行阈值化处理;最后是利用重构算法重构信号。
小波变换去噪的效果主要取决于对含噪信号的噪声估计方法以及所采用的小波函数[4]。
本文使用其中两种去噪方法。
第一种是默认阈值去噪,先对样本信号进行8层小波分解,使用的小波函数是db8,然后利用ddencmp函数生成信号的默认阈值,最后利用wdencmp函数进行去噪处理,得到去噪的信号。
另一种是强制去噪,同样地,先对样本信号进行8层小波分解,采用的小波函数也是db8。
然后提取各层小波系数,再将脑电信号频率以外的几层小波系数置零,得到重构的各层小波系数。
最后由重构的小波系数得到重构的信号。
该信号中除去了某些频率的信号,起到了去噪的效果。
2仿真结果及分析
2.1原始脑电数据的读取和显示
采集到的脑电信号文件为,调用文件,即可绘制出脑电样本信号图,如下图2所示。
图2脑电样本信号图
2.2脑电信号频谱图及功率谱图的绘制
首先调用文件,原理是对样本信号进行傅立叶变换[3],即可获得样本信号的频谱图,如下图3所示。
图3信号频谱图
从频谱图中可以看出,低频信号和11Hz左右的信号特别强,25Hz以上的信号几乎为零。
由于α波的频率为8~13Hz,由此可以知道,该信号中α波比较多。
在脑电采集过程中,被采集者没有处于深度睡眠状态,因此接近0Hz的低频信号可以确定为噪声。
15~25Hz频段的信号很微弱,因此可以以判断出,信号中几乎没有β波。
谱估计是数字信号处理的主要内容之一,主要研究信号在频域中的各种特征,目的是根据有限数据在频域内提取被淹没在噪声中的有用信号。
调用eeg_psd,m文件,可以绘制信号的功率谱图,如下图4所示。
图4信号功率谱图
原始的功率谱图是关于f=128Hz对称的,为了便于分析,截取了0~65Hz的一段。
信号的功率谱显示,在10Hz作用频率处能量出现峰值,表明在平静状态下采集的脑电信号中α波能量最大,符合生理学的研究结论。
2.3脑电信号小波分解各层重构波形
实验选取db8小波对前述采集的样本信号进行分解,调用文件,分解得到的各层信号如下图5所示。
图5脑电信号经小波分解后的各层分量
由于采样频率是256Hz,所以对于自带的频率范围是:
相应的各子带的频率成分如下表所示:
子带信号
频率范围
主要信号成分
a8
0Hz~1Hz
低频干扰
d8
1Hz~2Hz
δ波
d7
2Hz~4H
δ波
d6
4Hz~8Hz
θ波
d5
8Hz~16Hz
α波
d4
16Hz~32Hz
β波
d3
32Hz~64Hz
高频噪声
d2
64Hz~128Hz
高频噪声
d1
128Hz~256Hz
高频噪声
表1小波分解后脑电信号子带的频率范围
一般情况下,a8子带内是低频干扰,d3、d2、d1子带内是高频噪声,d8、d7、d6、d5、d4子带内是脑电信号,但也可能混有一定的噪声,需要根据实际情况来分析。
2.4脑电信号节律提取
α波是节律性脑电波中最明显的波。
由以上小波分解得到的各层分量分析可知,α波主要集中在d5子带内。
所以选取了d5子带内第5500~8000之间的2500个数据点,将信号图绘制出来,如下图6所示。
图6提取出来的α波节律
从上图中可以明显看出α波波幅由小到大,再由大到小作规律性变化,呈棱状图形。
2.5小波分解去噪和重构波形
2.5.1小波变换默认阈值去噪处理
调用文件,可以实现脑电信号的小波变换默认阈值去噪处理,原始数据及去噪处理结果对比如下图7所示。
图7原始信号与小波默认阈值去噪结果图的对比
从原始脑电信号与去噪处理后的效果来看,经去噪处理后的信号高频信号有所减少。
2.5.2小波变换强制去噪处理
调用文件,绘制小波变换强制去噪处理之后的信号如下图8所示。
图8原始信号与小波强制去噪结果图的对比
该图表示的是除去了低频干扰和高频噪声之后的结果,从与原始信号的对比中可以看出,高频噪声很明显被消除了。
但由于考虑到实际情况,16~32Hz子带内极少有β波,大部分为噪声,所以把这个频带内的信号也全部清除了。
3讨论
基于FFT变换的功率谱估计适用于平稳时间信号分析,计算结果只能反映信号段总体的平均功率分布情况,不包含信号的任何时域变化信息,并且谱估计的频率分辨率与所采用的信号长度成正比,即受数据点数目的影响。
基于小波变换的去噪方法,对非平稳信号去噪,要比传统的滤波去噪声得到的效果好,主要是由于传统的滤波器都具有低通性,对需要分析在每个时刻含有不同频率成分的非平稳信号来说,是很难对它进行匹配分析。
而小波变换具有多分辨率,且在时频域都具有局部性,因此很适合用来分析非平稳信号。
在用小波分析来进行去噪的关键在于阈值的选取,如果阈值选取的太高,会使信号失去太多细节,使信号失真,如果阈值选得太低,又不能达到去噪的目的。
4结论
本文利用实测的原始脑电信号,对脑电信号的处理方法与结果进行了一定的分析和评价,以期为脑电信号处理及特征提取提供一定的理论参考和分析依据。
目前人们也尝试用非线性处理方法、神经网络的方法、时频结合等等现代的方法来处理脑电信号,相信这些方法会为脑认知以及医学的发展作出贡献[5]。
脑电信号属于非平稳随机信号,小波分析的方法可以直接对信号的某些频率分量进行观察或者提取出有用的特征信号,为脑电信号的测量与分析提供了非常好的前景。
参考文献:
[1]余学飞.现代医学电子仪器原理与设计[M].广州:
华南理工大学出版社,~134.
[2]张德峰.MATLAB小波分析[M].北京:
机械工业出版,2012.
[3]万永革.数字信号处理的MATLAB实现[M].北京:
科学出版社,2012.
[4]于兰兰.基于小波变换的脑电信号去噪处理[J].南昌大学学报(理科版),2007,31:
75~77.
[5]谢松云,张振中,杨金孝,张坤.脑电信号的若干处理方法研究与评价[J].计算机仿真,2007,24
(2):
326~330.
大学
本科毕业论文(设计)管理办法
第一章总则
第一条本科毕业论文(设计)是人才培养方案的重要组成部分,是培养学生科研能力和创新能力的重要实践环节,为保证毕业论文(设计)工作的顺利完成,加强规范化管理,提高毕业论文(设计)质量,根据教育部、省教育厅的有关规定要求,结合我院实际情况,特制定本办法。
第二章目的与要求
第二条毕业论文(设计)教学环节的目的,培养学生勇于探索的创新精神,实事求是、严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风。
第三条使学生能综合运用所学的知识技能,提高思考问题、分析问题和解决实际问题的能力。
第四条培养学生从文献、科学实验、生产实践和调查研究中获取知识的能力,培养学生从事科学研究的兴趣,掌握科学研究的基本方法。
第五条对学生的知识面、掌握知识的深度、运用理论知识处理问题的能力、实践能力、外语水平、计算机运用水平、书面及口头表达能力等进行一次全面的考核。
第六条要求所有毕业生必须撰写毕业论文(设计),各系要认真组织毕业论文(设计)工作,确保毕业论文(设计)的质量。
第三章组织管理
第七条全院的毕业论文(设计)工作按照分级分工的原则,负责毕业论文(设计)工作的管理、指导、检查、考核和总结。
(一)教务处职责
1.负责制定全院本科毕业论文(设计)管理规章制度。
2.组织开展毕业论文(设计)工作的教学研究与改革。
3.组织毕业论文(设计)工作的检查、评估和总结。
4.审核答辩委员会组成人选,检查毕业答辩的过程。
5.组织评选院级优秀毕业论文(设计)。
(二)系职责
1.成立毕业论文(设计)工作领导小组,制定工作计划和安排。
2.组织专业教研室成立专业答辩委员会。
3.负责按照标准配备、审查、批准指导教师,组织指导教师培训。
4.依据学院的毕业论文(设计)成绩评定标准,结合专业特点,制定本系各专业的具体评分标准和规范。
5.负责本系学生毕业论文(设计)所需的场地、仪器设备的分配和保障。
6.评选系优秀毕业论文(设计)。
7.做好毕业论文(设计)工作总结与归档。
(三)教研室职责
1.根据指导教师的条件,提出指导教师名单。
2.审查毕业论文(设计)题目及指导教师的安排,对不合格的题目提出修改意见。
3.组织审定毕业论文(设计)选题,落实一人一题的工作要求;定期检查毕业论文(设计)工作的进度和质量。
4.检查毕业论文(设计)任务书的填写情况。
5.考核指导教师的工作,把握毕业论文(设计)的进度和质量。
6.组织毕业论文(设计)的答辩和成绩评定工作。
7.做好本专业优秀毕业论文(设计)的评选工作。
8.认真进行工作总结,汇总毕业论文(设计)资料送系归档。
(四)指导教师职责
1.毕业论文(设计)题目确定后,指导教师要及时做好各项准备工作,其中包括拟定任务书,收集资料以及做好实验的准备工作,制定指导计划和工作程序。
2.向学生下达《大学毕业论文(设计)任务书》(见附件3),并提出具体的要求,指定主要参考资料。
3.审定学生的总体方案和工作计划,并定期检查学生的工作进度和工作量,及时解答和处理学生提出的有关问题,严格要求学生。
4.做好学生外文翻译的评阅工作。
5.指导学生正确撰写毕业论文(设计)报告,并对报告写出评语。
6.按《大学毕业论文(设计)撰写规范》(见附件1)要求检查学生论文撰写完成情况并填写《大学毕业论文(设计)工作指导情况记录》(附件4)。
7.评定毕业论文(设计)成绩。
8.做好毕业论文(设计)材料的整理归档工作。
第四章选题、开题
第八条选题时应遵循的原则
(一)课题必须符合本专业的培养目标及教学基本要求,体现本专业基本训练的内容,使学生受到全面的锻炼。
(二)课题应尽可能结合生产、科研和实验室建设等任务,减少虚拟题目的数量及比重。
(三)课题的类型可以多种多样,贯彻因材施教的原则,使学生的创造性得以充分发挥,利于提高课题成果的质量。
(四)选题应力求有益于学生综合运用多学科的理论知识与技能。
(五)课题要在保证教学基本要求的前提下,学生在培养方案规定的时间内,在指导教师指导下经过努力能够完成任务。
(六)课题分配原则上每人一题,双方选择,学生在教师列入的选题中选题,也可以自主选定符合本专业的题目上报到指导教师,经指导教师审定、教研室批准后方可列入选题目录。
经教研室审定,报系主任批准后,确定分配题目。
教研室根据学生意向、学生本人的实际能力以及课题的类型、分量、难易程度,结合指导教师的意见进行综合平衡,最后确定课题分配,并以书面形式将课题任务书下达给学生,最终以系为单位将选题情况汇总报教务处。
第九条选题范围
(一)文、理、管、经、医类专业,应以完成毕业论文为主,题目以阐述理论原理和将理论原理应用于某些具体问题的课题为主,也可选择一些具有一定深度和难度的专题研究课题,使学生在分析问题方面得到较多的锻炼。
(二)工科专业,应以完成毕业设计为主,题目以工程设计类型的课题为主,有条件的可以选择既有工程设计又有专题研究的课题,使学生既能受到工程师的基本训练,又掌握本专业的基本技能。
(三)艺术类专业,应以毕业设计为主,毕业设计题目通过指导教师与学生沟通制定,毕业设计应有设计作品。
(四)鼓励不同学科(专业)相互交叉、相互渗透,扩大学生知识面,开拓眼界,提高质量。
第十条开题
学生接受毕业论文(设计)任务后,应在指导教师指导下制定工作计划,进行文献查阅、资料收集、实习调研、实验研究,在规定的时间内填写《大学本科毕业论文(设计)开题报告》(见附件2),经指导教师审查同意后报教研室批准,即可开始撰写毕业论文(设计)。
第十一条毕业调研
(一)学生可根据毕业论文(设计)选题或选题意向进行毕业调研,深入社会,对某一行业、某一事件或问题,对其客观实际情况进行调研,将调查了解到的全部情况和材料进行分析研究。
(二)学生在教师指导下要精心选择调研对象。
调研对象要有分析价值,包括理论价值和应用价值。
调研和分析后得出的结论及建议要尽可能实现从个别到一般的提升,避免就事论事。
(三)在教师指导下完成调研报告。
第五章毕业论文(设计)指导
第十二条指导教师
毕业论文(设计)实行指导教师负责制。
每个指导教师应对学生整个毕业论文(设计)阶段的教学活动全面负责。
(一)指导教师条件及要求
1.毕业论文(设计)指导教师应作风严谨、有较高的业务水平和实践经验。
指导教师一般应由讲师或相当于讲师及以上职称、具有丰富理论和实践教学经验的教师担任。
2.指导教师应为人师表、教书育人,同时对学生严格要求。
应始终坚持把学生的培养放在第一位,避免出现重使用、轻培养的现象。
3.每个指导教师所带毕业论文(设计)的学生数原则上不得超过10人。
指导教师确定以后,不得随意更换。
在毕业论文(设计)期间,指导教师必须坚守岗位。
确因工作需要出差时,必须经系主任批准,并委派相当水平的教师代理指导。
4.在校外进行毕业论文(设计)工作的学生,可聘请相当于讲师职称以上的技术人员担任指导。
有关教研室必须指定专人进行检查,掌握进度,协调解决有关问题。
第十三条学生
(一)申请做毕业论文(设计)的学生必须修完所学专业教学计划规定的全部课程。
(二)学生在充分调研的基础上,编写毕业论文(设计)工作计划,列出完成毕业论文(设计)任务所采取的方案与步骤。
(三)毕业论文(设计)工作计划编写完成后,经指导教师审阅同意后实施。
学生应主动接受指导教师的检查,定期向教师汇报毕业论文(设计)的进度,听取教师的意见和指导。
(四)学生在毕业论文(设计)工作中应充分发挥主动性和创造性,树立实事求是、诚实守信的科学作风,严格遵守规章制度,爱护公共财物和坚持节约,杜绝浪费。
(五)学生必须独立完成毕业论文(设计)任务,严禁抄袭他人的论文(设计)成果,或请人代替完成毕业论文(设计)。
一经发现,毕业论文(设计)成绩为零分,并根据情节轻重给予纪律处分。
(六)所有学生必须参加毕业论文(设计)的答辩。
(七)学生在毕业论文(设计)答辩后,应交回毕业论文(设计)的所有材料(包括设计实验的原始资料、报告、调研资料、毕业设计图纸、论文等)。
对论文(设计)内容中涉及的有关技术资料,学生负有保密责任,未经许可不能擅自对外交流或转让,并协助做好资料归档工作。
第六章撰写要求
第十四条毕业论文(设计)应重点突出、内容充实,立论正确,论据充分,结构严谨,格式规范,结论正确,并要求思想端正、观点明确、实事求是、文笔通顺。
设计图纸的各项内容应符合制图标准,做到结构合理,视图正确,尺寸齐全。
艺术类专业毕业论文必须结合毕业设计进行撰写。
第十五条毕业论文(设计)文本一般由题目、目录、中英文摘要、关键词、正文、参考文献、注释几部分构成,各部分具体要求见《大学本科生毕业论文(设计)撰写规范》(见附件1),其中注释、附录视具体情况安排。
理工类、艺术类毕业设计的撰写规范可根据专业特点由所在系做出适当调整,并报教务处备案。
第十六条毕业论文(设计)正文字数不少于8000字;开题报告字数不少于1000字;参考文献一般不少于10篇,其中包括外文参考文献2篇。
第七章评阅、答辩及成绩评定
第十七条评阅
(一)指导教师评阅:
指导教师应对学生的毕业论文(设计)完成情况进行认真、全面的审查后给出成绩,并填写《大学毕业论文(设计)指导教师评分表》(附件5)。
评语的书写要客观、公正,体现论文的真实水平。
(二)评阅专家评阅:
学生在答辩前2周将毕业论文(设计)送评阅专家评阅,评阅专家由答辩委员会聘请。
每篇毕业论文(设计)需要有两位评阅专家(其中一位可以是指导教师)进行评阅。
评阅专家根据论文(设计)的实际情况进行评阅,给出成绩,对不足之处提出修改意见,提出是否可以进行答辩的意见,并填写《大学毕业论文(设计)评阅教师评分表》(附件6)。
只有两位评阅专家都同意答辩才可获得答辩资格。
评阅专家一般应由具有讲师及以上职称有经验的相同或相近学科的具有指导论文(设计)资格的人员担任。
第十八条答辩
(一)毕业论文(设计)答辩工作由各系毕业论文(设计)答辩委员小组负责,成立专业答辩委员会,各专业答辩委员会由3-9人组成,根据需要,答辩委员会可决定组成若干答辩小组,答辩小组由3-5人组成,设组长1人,秘书1人(可由小组长兼任),具体负责本组学生的答辩工作。
专业答辩委员会成员及答辩小组成员必须由具有讲师以上(或具有同等职称的专业技术人员)担任。
专业答辩委员会的主要职能:
1.聘请毕业论文(设计)的评阅专家审定学生答辩的资格;
2.主持并组织全系答辩工作并做好答辩记录,填写《大学毕业论文(设计)答辩记录》(附件7);
3.讨论并确定学生毕业论文(设计)的答辩成绩,并填写《大学毕业论文(设计)答辩小组评分表》(附件8)。
(二)答辩工作程序和要求
1.根据学生呈送的毕业论文(设计)任务书、翻译文章、毕业论文(设计)、毕业设计手册(艺术类专业)、毕业论文(设计)电子版、设计图纸、计算机程序及评阅意见等,答辩委员会审定答辩资格。
2.举行答辩:
先由学生阐述毕业论文(设计),时间一般为10-15分钟,然后学生用10-15分钟回答答辩小组老师提出的问题。
3.答辩小组结合论文(设计)内容、文字写作(规划设计)水平、口头表达能力等进行现场评分,并填写答辩成绩。
4.在校外做毕业论文(设计)的,可由接收单位的技术人员和我院教师共同组成答辩小组(我院教师任答辩组长)进行答辩。
5.答辩过程中,答辩小组秘书应做好记录,以供评定成绩时参考。
第十九条成绩评定
毕业论文(设计)总成绩,由指导教师、评阅人和答辩小组的评分组成,三部分的比例分别为30%,30%,40%。
从严要求,优秀的比例一般不得超过20%。
各系可依据上述规定制定具体的执行细则,填写《大学毕业论文(设计)评阅书及成绩评分表》(见附件9),汇总后盖章存档并报教务处。
第二十条院级优秀毕业论文(设计)
1.基本条件:
(1)观点正确,有独立见解、创新或发现,或有较好的经济和社会效益;
(2)能正确、灵活地运用所学基础理论、专业知识和基本技能,分析和解决问题的能力较强;
(3)论文写作结构完整,论据充分,数据详实,符合学术规范;表达准确,语言流畅,概括能力较强。
2.获奖论文(设计)优先列入院级优秀毕业论文(设计)。
3.院级优秀毕业论文(设计)由各系推荐,推荐比例不超过毕业学生人数的3%,教务处最终备案。
第八章检查与评估
第二十一条教务处对毕业论文(设计)工作全过程进行检查。
检查内容包括:
毕业论文(设计)工作进度、教师指导、论文(设计)水平与质量、论文(设计)抄袭检测、答辩、成绩评定情况等。
对发现的问题,则由相关人员及时进行整改。
第二十二条在学生答辩前,各系按各专业人数5%比例对毕业论文(设计