基于MATLAB的生物學虛擬仿真實驗

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

（沈陽師范大學數學與系統科學學院遼寧沈陽110034）

文章講述了利用高級數學軟件MATLAB中生物信息學工具箱對生物學虛擬仿真實驗進行模型建立的相關內容。

生物學；虛擬實驗仿真；MATLAB；生物信息學工具箱

建立生物學虛擬仿真實驗可以對生物學的實驗研究起到催化劑的作用。一方面，可以幫助現有科研工作者可以更直觀地得到實驗中所需要的數據圖像等方面信息；另一方面可以便于高校學生更直觀地對實驗進行理解。文章通過MATLAB對生物所發出信號的分析建立對生物虛擬仿真實驗的研究，最終可以達到采集生物信號轉變為圖像，進而可以完成生物學仿真實驗的功能。

1 研究現狀

MATLAB是對數字信號進行處理的優秀平臺，具有高效的數值計算功能、便捷的圖形處理功能和豐富的應用工具箱，在自動控制、數理統計、流體力學、機械設計等方面有廣泛應用。在很多年前，國外就開始把MATLAB軟件用于數字信號處理的教學。虛擬仿真技術是用由計算機技術生成的系統模擬一個真實系統的技術，其中虛擬實驗室是這種技術應用研究的主要載體，最早由弗吉尼亞大學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實等前沿技術構建的開放式網絡化的虛擬實驗教學系統。在國外，很多大學已經構建了虛擬仿真實驗室并開展了多項實驗。

在國內，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。例如北京大學實施了細胞動態虛擬仿真實驗—被子植物雙受精實驗；武漢大學實施了病毒感染與監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學信號中所攜帶的信息[1]，并對它們進行分析、解釋和分類從而進行生物學的仿真實驗建立。

首先進行基本序列的采集，生物學信號轉化為數字信號，我們是以數字信號為基礎的離散信號及離散系統來進行研究，其預算過程基本上都是卷積或者相關預算。之后進行頻譜分析，得到生物原始信號經過傅里葉變換的功率譜。接著進行生物學信號中的圖像處理[2]，對圖像進行去除噪聲、復原、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行匹配、疊加。

同時進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據用一定的規則進行變換和組合，從而達到盡可能少的代碼來表示盡可能多的數據信息的目的。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，對圖像進行強調或尖銳化。圖像處理根據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。最后利用參數建模通過MATLAB對已采集處理的生物學信號進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 模型的優點

MATLAB作為眾多計算機編程軟件中的一個,是建立數學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、數據結構同時還具有輸入和輸出，面向對象編程的特點，使得用戶可以在工程窗口中直接輸入編好的語句與執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學運算函數，可以實現用戶需要的各種計算功能，因此在建立生物學虛擬仿真實驗時，我們可以更加準確地畫出生物圖像，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點是MATLAB具有便利的繪圖功能，MATLAB自產生之日起就具有方便的數據可視化功能，可以通過向量和矩陣的知識將其用圖形表現出來,并且可以對圖形進行標注和打印。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。同時我們還可以調整程序代碼，對圖形中的點，線，復線以及多重線的顏色加以修改，使得最后電腦中呈現的圖像能夠有重點地、高精度地還原生物學實驗。

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境下，將影像抓取進來，存成圖檔后再進入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建函數運算時速度很快，但是如果是執行我們所建立的一些外部函數運算時速度卻相當慢，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位信號處理。

4 應用推廣

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

另一方面，當利用MATLAB建立生物學模型的程序體系確定后，我們可以對科學研究中一些危險實驗，以及在現實條件中不易實現的實驗進行模擬，這將推動科學研究的發展，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，數據庫管理；第二，通過對數據庫的分析，對已知微生物的圖像進行信息識別、確認。我們可以實現對庫內相關技術的管理、改進，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行修飾，使之與我們數據庫中的樣本格式相匹配，最后添加到現有樣本庫中。

[1]高智賢,張業宏.MATLAB在生物醫學信號處理中的應用[J].福建電腦,2010,26(2):109,90.

[2]張德豐.數字圖像處理第二版[M].北京:機械工業出版社,2012.

[3]英英.基于Matlab的圖形圖像處理系統的實現[D].呼和浩特:內蒙古大學,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

G642

A

2095-1205(2020)02-48-02