基于MATLAB的生物學(xué)虛擬仿真實驗

楊　博　張玉瑩　張凝婉　張　帥　劉赫妍

基于MATLAB的生物學(xué)虛擬仿真實驗

楊博張玉瑩張凝婉張帥劉赫妍

（沈陽師范大學(xué)數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院遼寧沈陽110034）

文章講述了利用高級數(shù)學(xué)軟件MATLAB中生物信息學(xué)工具箱對生物學(xué)虛擬仿真實驗進(jìn)行模型建立的相關(guān)內(nèi)容。

生物學(xué)；虛擬實驗仿真；MATLAB；生物信息學(xué)工具箱

建立生物學(xué)虛擬仿真實驗可以對生物學(xué)的實驗研究起到催化劑的作用。一方面，可以幫助現(xiàn)有科研工作者可以更直觀地得到實驗中所需要的數(shù)據(jù)圖像等方面信息；另一方面可以便于高校學(xué)生更直觀地對實驗進(jìn)行理解。文章通過MATLAB對生物所發(fā)出信號的分析建立對生物虛擬仿真實驗的研究，最終可以達(dá)到采集生物信號轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像，進(jìn)而可以完成生物學(xué)仿真實驗的功能。

1 研究現(xiàn)狀

MATLAB是對數(shù)字信號進(jìn)行處理的優(yōu)秀平臺，具有高效的數(shù)值計算功能、便捷的圖形處理功能和豐富的應(yīng)用工具箱，在自動控制、數(shù)理統(tǒng)計、流體力學(xué)、機械設(shè)計等方面有廣泛應(yīng)用。在很多年前，國外就開始把MATLAB軟件用于數(shù)字信號處理的教學(xué)。虛擬仿真技術(shù)是用由計算機技術(shù)生成的系統(tǒng)模擬一個真實系統(tǒng)的技術(shù)，其中虛擬實驗室是這種技術(shù)應(yīng)用研究的主要載體，最早由弗吉尼亞大學(xué)的威廉沃爾夫教授提出。虛擬仿真實驗室是一種基于計算機虛擬現(xiàn)實等前沿技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)。在國外，很多大學(xué)已經(jīng)構(gòu)建了虛擬仿真實驗室并開展了多項實驗。

在國內(nèi)，尤其是高校，對虛擬仿真實驗也越來越重視。目前，已有部分高校建立了虛擬實驗室。例如北京大學(xué)實施了細(xì)胞動態(tài)虛擬仿真實驗—被子植物雙受精實驗；武漢大學(xué)實施了病毒感染與監(jiān)測虛擬仿真綜合實驗等等。

2 建立過程

文章主要利用MATLAB生物信息學(xué)工具箱，通過從被干擾和噪聲淹沒的觀察記錄中提取各種生物醫(yī)學(xué)信號中所攜帶的信息[1]，并對它們進(jìn)行分析、解釋和分類從而進(jìn)行生物學(xué)的仿真實驗建立。

首先進(jìn)行基本序列的采集，生物學(xué)信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，我們是以數(shù)字信號為基礎(chǔ)的離散信號及離散系統(tǒng)來進(jìn)行研究，其預(yù)算過程基本上都是卷積或者相關(guān)預(yù)算。之后進(jìn)行頻譜分析，得到生物原始信號經(jīng)過傅里葉變換的功率譜。接著進(jìn)行生物學(xué)信號中的圖像處理[2]，對圖像進(jìn)行去除噪聲、復(fù)原、增強、壓縮、幾何變換、提取特征如提取圖像邊緣、圖像紋理或頻域特征等處理。將不同時間、不同傳感器成像設(shè)備或不同條件下照度、攝像位置和角度等獲取的兩幅或多幅圖像進(jìn)行匹配、疊加。

同時進(jìn)行圖像壓縮和圖像增強[3]，圖像壓縮是對要處理的圖像源數(shù)據(jù)用一定的規(guī)則進(jìn)行變換和組合，從而達(dá)到盡可能少的代碼來表示盡可能多的數(shù)據(jù)信息的目的。圖像增強是為了增強圖像中的特征，例如，增強圖像的邊緣輪廓或灰度值的對比度等，對圖像進(jìn)行強調(diào)或尖銳化。圖像處理根據(jù)其處理域的不同可以分為空域圖像增強和變換域圖像增強。最后利用參數(shù)建模通過MATLAB對已采集處理的生物學(xué)信號進(jìn)行估計完成虛擬仿真實驗（詳情見圖1）。

圖1　MATLAB虛擬仿真實驗建立過程流程圖

3 模型評估

3.1 模型的優(yōu)點

MATLAB作為眾多計算機編程軟件中的一個,是建立數(shù)學(xué)模型解決問題的有效工具。因為MATLAB是一個擁有高級的矩陣語言,它包含著許多控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同時還具有輸入和輸出，面向?qū)ο缶幊痰奶攸c，使得用戶可以在工程窗口中直接輸入編好的語句與執(zhí)行命令同步一起運行，這將會使虛擬實驗圖形建立的過程更加簡便。同時MATLAB還包含著大量計算算法，擁有600 多個模型中要用到的數(shù)學(xué)運算函數(shù)，可以實現(xiàn)用戶需要的各種計算功能，因此在建立生物學(xué)虛擬仿真實驗時，我們可以更加準(zhǔn)確地畫出生物圖像，在這個過程中可以利用由MATLAB所提供的函數(shù)庫，以便更簡單、更精確地繪圖。

而且利用MATLAB建立生物虛擬仿真實驗的另一大優(yōu)點是MATLAB具有便利的繪圖功能，MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，可以通過向量和矩陣的知識將其用圖形表現(xiàn)出來,并且可以對圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。其中包括的二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達(dá)式作圖均可用于生物實驗中圖形的建立。同時我們還可以調(diào)整程序代碼，對圖形中的點，線，復(fù)線以及多重線的顏色加以修改，使得最后電腦中呈現(xiàn)的圖像能夠有重點地、高精度地還原生物學(xué)實驗。

3.2 模型的缺點

目前 MATLAB上面建立的程序仍然較難直接與一些界面卡（如影像處理卡）相互連接，因此如果我們想利用它來從事實際上的影像處理，必須先在其他工作環(huán)境下，將影像抓取進(jìn)來，存成圖檔后再進(jìn)入MATLAB中，將圖檔呼叫出來做深入的分析。同時雖然 MATLAB在從事一些本身的內(nèi)建函數(shù)運算時速度很快，但是如果是執(zhí)行我們所建立的一些外部函數(shù)運算時速度卻相當(dāng)慢，因此，如果從事語音及影像分析時，大量的計算工作將花費較多的時間處理，無法直接運用于線上的數(shù)位信號處理。

4 應(yīng)用推廣

基于虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的系統(tǒng)和軟件許多都可以被實際使用，尤其是應(yīng)用在教學(xué)方面。在完成借助MATLAB建立的生物學(xué)虛擬仿真實驗的模型之后，我們可以摒棄傳統(tǒng)的生物實驗教學(xué)方式，解決資源不足，實驗危險性等問題，同時能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力。同時虛擬仿真實驗的建立也將成為教學(xué)的輔助體系，并與我們現(xiàn)實中的實驗教學(xué)進(jìn)行有機融合，加進(jìn)改善現(xiàn)有實驗教學(xué)的條件，從而使我們實驗教學(xué)的改革獲得一加一大于二的成效。

另一方面，當(dāng)利用MATLAB建立生物學(xué)模型的程序體系確定后，我們可以對科學(xué)研究中一些危險實驗，以及在現(xiàn)實條件中不易實現(xiàn)的實驗進(jìn)行模擬，這將推動科學(xué)研究的發(fā)展，解決生物科研道路上的一些難題。例如，在微生物識別方向上，微生物識別這一模塊有2個主要功能：第一，數(shù)據(jù)庫管理；第二，通過對數(shù)據(jù)庫的分析，對已知微生物的圖像進(jìn)行信息識別、確認(rèn)。我們可以實現(xiàn)對庫內(nèi)相關(guān)技術(shù)的管理、改進(jìn)，也可以刪除某一階段我們不再需要的樣本，還可以通過智能處理這一功能將我們新的微生物圖像進(jìn)行修飾，使之與我們數(shù)據(jù)庫中的樣本格式相匹配，最后添加到現(xiàn)有樣本庫中。

[1]高智賢,張業(yè)宏.MATLAB在生物醫(yī)學(xué)信號處理中的應(yīng)用[J].福建電腦,2010,26(2):109,90.

[2]張德豐.數(shù)字圖像處理第二版[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

[3]英英.基于Matlab的圖形圖像處理系統(tǒng)的實現(xiàn)[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古大學(xué),2013.

楊博（2000- ），男，滿族，遼寧丹東人，本科在讀。

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.02.31

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2095-1205(2020)02-48-02