Информационно-измерительная система для экспериментальных исследований в микробиологии Прохорова, Татьяна Николаевна

Введение к работе

Актуальность темы. Современные информанпонно-измерптелыше системы (ИИС) широко используются для автоматического анализа микробиологических изображений. D настоящее время актуальными являются проблемы разработки информационно-измерительных систем и приборного обеспечения для измерения параметров и обработки информации о микрообъектах в биологических исследованиях.

Анализ микрообъектов - трудоемкая, многофакторная задача, требующая учета большого числа параметров и запоминания больших объемов информации, поэтому недостаточно эффективно решается оператором. Использование информационно-измерительных систем и измерительных приборов позволяет сделать такой анализ более эффективным и обладает следующими преимуществами:

1. Объективизация получаемых данных как следствие количественного анализа, основанного на большой статистике.

2. Расширение круга решаемых задач.

3. Значительное повышение скорости и точности исследований.

4. Освобождение человека от утомительных и новторягашиксч
операций.

Указанные обстоятельства определили выбор объект а исследования, который может быть охарактеризован как ИИС, применяемая для измерения параметров, обработки, анализа и систематизации микробиологических изображений.

Предложенная информационно-измерительная система предназначена для автоматического сбора информации непосредственно от биологического микрообьекта, преобразования и обработки этой информации с помощью ЭВМ.

Задачи извлечения полезной информации из изображения, такие как измерение параметров объектов, подсчет их количества в поле зрения, выделение характерных признаков обьектон с целью отнесения их к определенному классу, являются далеко не тривиальными. Ее решением занимались видные отечественные и зарубежные ученые такие, как У. Прэтт, Т. Хуанг, Т. Павлидис, У. Гренапдер, В. В. Александров и др. Микробиологические изображения обладают рядом особенностей, которые делают использование известных методов обработки и анализа изображений недостаточно эффективным. К примеру, тра-

A-

диіцюіню используемые для представления двумерных сигналов спектры образуют в рассматриваемом случае медленно сходящиеся ряды. Кроме того, сложная ИИС, в которой параллельно обрабатываются большие объемы информации, должна быть реализована как многопроцессорная система или сеть ЭВМ с параллельным вычислением алгоритмов.

Указанные обстоятельства определили выбор предмета исследо-ванші диссертации, который может быть охарактеризован как разработка специального математического, алгоритмического и программного обеспечения, выполняющего обработку графической информации в информационно-измерительной системе на основе дискретного двумерного преобразования Эрмпта и инвариантных преобразований изображений, а также методы анализа н синтеза алгоритмов и сетей ЭВМ с помощью модифицированных сетей Петри.

Целью диссертационной работы является создание математических моделей и вычислительных средств, используемых при создании ИИС.

В соответствии с поставленной целью автором решены следующие задачи:

1. исследовано дискретное двумерное преобразование Эрмита, теоретически обоснован метод его использования для обработки изображений;

2. предложены процедуры, способные обеспечить высокую точность измерения параметров микрообьектов, хорошо приспособленные для анализа изображений рассматриваемою типа;

3) предложены модифицированные сети Петри, представляемые
чешрехд. "7Ы/ымн мультиграфами, позволяющие разрабатывать наиболее
опшмалыше схемы построения и функционирования информационно-
Німерительпьіх систем и приборного обеспечения.

4) экспериментально подтверждена эффективность предложен
ных алгоритмов измерения и анализа, а также предложенных модифи
цированных сетей Петри при построении ИИС.

Методы иссіедовання. Для достижения поставленной цели используются методы теории ортогональных преобразований, линейной алгебры, теории сетей Петри, теории дискретизации, математического анализа, теории вероятностей.

Научная попи sua работы заключается в следующем.

1. Предложен метод обработки изображений на основе ортого-іісі.тьпого базиса функций Эрмита двух переменных. Проведено теоретическое исследование, позволяющее обосновать использование спек-

тра Эрмита для обработки изображений. Пред/юженр и теоретически обосновано дискретное преобразование Эрмита.

2. Предложены формальные процедуры для анализа и измерения
мпкрообъектон и алгоритмы их реализации.

3. Разработаны модификации сетей Петрн, представляемые с по
мощью четырехдольных ориентированных мультш рафон, позволяющие
оптимальным рбразом моделировать адаптивные параллельные процессы
вИИС,

4. Проведено исследование методов анализа и измерения микро-
объектов, используемых п микробиологических исследованиях.

Практическая Ценность работы заключается в применении теоретических положений и выводов диссертации для решения практических задач па функционированию и построению ЛИС для экспериментальных .исследований в микробиологии:

1. Разработаны формальные алгоритмы представлений, обработки и анализа изображении' с помощью двумерного дискретного спектра Эрмпга.

2. Разработаны алгоритмы измерения параметров и выделения признаков, ицнариантные тс стандартным преобразованиям и деформации.

3. Разработаны методы синтеза оптимальной структурной схемы параллельно функционирующей информационно-измерительной системы и параллельных алгоритмов на основе модифицированных (адаптивных) сетей Пегри. ПредлО/кенные модификации сетей Петри позволяют в несколько раз сократить объем моделирующих программ.

Реализация результатов диссертационной работы. Прикладные

результаты диссертационной работы были внедрены в рамках госбюджетной научно-технической программы 478 "Механика, машиноведение и процессоуправление", проект "Математические модели измерительных приборов н информационно-измерительных систем автоматизированного производства"; в технологическом процессе па ООО "Серпуховские молочный завод".

Теоретические результаты работы внедрены в учебно,*.! курсе ''Вычислительные машины, системы, сети и телекоммуникации" на кафедре ИТ-4 "Персональные компьютеры и сети" Московской п сударст-венной академии приборостроения и информатики.

Апробапия работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих 'конференциях и семинарах. 1. Научно-техническая конференция "Новые информационные технологии" (г. Москва, МГАПН, 1998 г.). 2. J1 международная- научно-техническая конференция "Моделирование и исследование сложных

систем". (г. Москва, МГДПИ, 1998 г.). 3. LHI научная сессия, посвященная Дню радио, Российского научно-технического общества радиотехники, электронику и связи им. А.С, Попова (г. Москва, 1998 г.). 4. VIII международный научно-технический семинар "Современные технологии d задачах управления, автоматики и обработки информации" (г. Москва, МАИ, 1999 г.).

Публикации, По результатам исследования опубликовано 8 П^ чатных работ.

Характеристика работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 120 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, таблицу, список использованной литературы из 110 наименований и приложения.