基于MATLAB的生物学虚拟仿真实验

杨　博　张玉莹　张凝婉　张　帅　刘赫妍

基于MATLAB的生物学虚拟仿真实验

杨博张玉莹张凝婉张帅刘赫妍

（沈阳师范大学数学与系统科学学院辽宁沈阳110034）

文章讲述了利用高级数学软件MATLAB中生物信息学工具箱对生物学虚拟仿真实验进行模型建立的相关内容。

生物学；虚拟实验仿真；MATLAB；生物信息学工具箱

建立生物学虚拟仿真实验可以对生物学的实验研究起到催化剂的作用。一方面，可以帮助现有科研工作者可以更直观地得到实验中所需要的数据图像等方面信息；另一方面可以便于高校学生更直观地对实验进行理解。文章通过MATLAB对生物所发出信号的分析建立对生物虚拟仿真实验的研究，最终可以达到采集生物信号转变为图像，进而可以完成生物学仿真实验的功能。

1 研究现状

MATLAB是对数字信号进行处理的优秀平台，具有高效的数值计算功能、便捷的图形处理功能和丰富的应用工具箱，在自动控制、数理统计、流体力学、机械设计等方面有广泛应用。在很多年前，国外就开始把MATLAB软件用于数字信号处理的教学。虚拟仿真技术是用由计算机技术生成的系统模拟一个真实系统的技术，其中虚拟实验室是这种技术应用研究的主要载体，最早由弗吉尼亚大学的威廉沃尔夫教授提出。虚拟仿真实验室是一种基于计算机虚拟现实等前沿技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统。在国外，很多大学已经构建了虚拟仿真实验室并开展了多项实验。

在国内，尤其是高校，对虚拟仿真实验也越来越重视。目前，已有部分高校建立了虚拟实验室。例如北京大学实施了细胞动态虚拟仿真实验—被子植物双受精实验；武汉大学实施了病毒感染与监测虚拟仿真综合实验等等。

2 建立过程

文章主要利用MATLAB生物信息学工具箱，通过从被干扰和噪声淹没的观察记录中提取各种生物医学信号中所携带的信息[1]，并对它们进行分析、解释和分类从而进行生物学的仿真实验建立。

首先进行基本序列的采集，生物学信号转化为数字信号，我们是以数字信号为基础的离散信号及离散系统来进行研究，其预算过程基本上都是卷积或者相关预算。之后进行频谱分析，得到生物原始信号经过傅里叶变换的功率谱。接着进行生物学信号中的图像处理[2]，对图像进行去除噪声、复原、增强、压缩、几何变换、提取特征如提取图像边缘、图像纹理或频域特征等处理。将不同时间、不同传感器成像设备或不同条件下照度、摄像位置和角度等获取的两幅或多幅图像进行匹配、叠加。

同时进行图像压缩和图像增强[3]，图像压缩是对要处理的图像源数据用一定的规则进行变换和组合，从而达到尽可能少的代码来表示尽可能多的数据信息的目的。图像增强是为了增强图像中的特征，例如，增强图像的边缘轮廓或灰度值的对比度等，对图像进行强调或尖锐化。图像处理根据其处理域的不同可以分为空域图像增强和变换域图像增强。最后利用参数建模通过MATLAB对已采集处理的生物学信号进行估计完成虚拟仿真实验（详情见图1）。

图1　MATLAB虚拟仿真实验建立过程流程图

3 模型评估

3.1 模型的优点

MATLAB作为众多计算机编程软件中的一个,是建立数学模型解决问题的有效工具。因为MATLAB是一个拥有高级的矩阵语言,它包含着许多控制语句、函数、数据结构同时还具有输入和输出，面向对象编程的特点，使得用户可以在工程窗口中直接输入编好的语句与执行命令同步一起运行，这将会使虚拟实验图形建立的过程更加简便。同时MATLAB还包含着大量计算算法，拥有600 多个模型中要用到的数学运算函数，可以实现用户需要的各种计算功能，因此在建立生物学虚拟仿真实验时，我们可以更加准确地画出生物图像，在这个过程中可以利用由MATLAB所提供的函数库，以便更简单、更精确地绘图。

而且利用MATLAB建立生物虚拟仿真实验的另一大优点是MATLAB具有便利的绘图功能，MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，可以通过向量和矩阵的知识将其用图形表现出来,并且可以对图形进行标注和打印。其中包括的二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图均可用于生物实验中图形的建立。同时我们还可以调整程序代码，对图形中的点，线，复线以及多重线的颜色加以修改，使得最后电脑中呈现的图像能够有重点地、高精度地还原生物学实验。

3.2 模型的缺点

目前 MATLAB上面建立的程序仍然较难直接与一些界面卡（如影像处理卡）相互连接，因此如果我们想利用它来从事实际上的影像处理，必须先在其他工作环境下，将影像抓取进来，存成图档后再进入MATLAB中，将图档呼叫出来做深入的分析。同时虽然 MATLAB在从事一些本身的内建函数运算时速度很快，但是如果是执行我们所建立的一些外部函数运算时速度却相当慢，因此，如果从事语音及影像分析时，大量的计算工作将花费较多的时间处理，无法直接运用于线上的数位信号处理。

4 应用推广

基于虚拟仿真技术开发的系统和软件许多都可以被实际使用，尤其是应用在教学方面。在完成借助MATLAB建立的生物学虚拟仿真实验的模型之后，我们可以摒弃传统的生物实验教学方式，解决资源不足，实验危险性等问题，同时能够提高学生的学习兴趣和自主学习能力。同时虚拟仿真实验的建立也将成为教学的辅助体系，并与我们现实中的实验教学进行有机融合，加进改善现有实验教学的条件，从而使我们实验教学的改革获得一加一大于二的成效。

另一方面，当利用MATLAB建立生物学模型的程序体系确定后，我们可以对科学研究中一些危险实验，以及在现实条件中不易实现的实验进行模拟，这将推动科学研究的发展，解决生物科研道路上的一些难题。例如，在微生物识别方向上，微生物识别这一模块有2个主要功能：第一，数据库管理；第二，通过对数据库的分析，对已知微生物的图像进行信息识别、确认。我们可以实现对库内相关技术的管理、改进，也可以删除某一阶段我们不再需要的样本，还可以通过智能处理这一功能将我们新的微生物图像进行修饰，使之与我们数据库中的样本格式相匹配，最后添加到现有样本库中。

[1]高智贤,张业宏.MATLAB在生物医学信号处理中的应用[J].福建电脑,2010,26(2):109,90.

[2]张德丰.数字图像处理第二版[M].北京:机械工业出版社,2012.

[3]英英.基于Matlab的图形图像处理系统的实现[D].呼和浩特:内蒙古大学,2013.

杨博（2000- ），男，满族，辽宁丹东人，本科在读。

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.02.31

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2095-1205(2020)02-48-02