Теоретические основы использования компьютерных программ в биологии

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РЕФЕРАТ

ТЕМА:

Теоретические основы использования компьютерных программ в биологии

Выполнила: аспирантка 1 года обучения

Бороздина И.Б.

Ставрополь, 2009

Содержание

Введение

Глава I. Теоретические основы изучения компьютерных программ, используемых для написания научных работ по биологии

1.1 Программное обеспечение для анализа в медицине и биологии BioVision

1.2 Возможности Office Excel 2007

Глава II. Экспериментальная работа по использованию компьютерной программы по биологии

Заключение

Литература

 

Введение

Актуальность исследования. Проблема изучения компьютерных программ, используемых в биологии является необходимым условием для написания научных работ по микробиологии. Современный мир трудно представить без компьютерной техники. Широкое распространение компьютеров привело к возможности их использования во всех сферах жизни общества. В современных условиях рост научного знания в области компьютерных технологий привел к использованию их в различных областях науки и техники. Основным направлением использования вычислительной техники является применение так называемых «офисных» пакетов прикладных программ, содержащих разнообразные средства для работы с документами. Они позволяют быстро и качественно подготовить документы, используя самые современные средства, работать с электронными таблицами и презентациями, базами данных. Наиболее распространенным пакетом на сегодняшний день является пакет Microsoft Office, Office Exсel 2007, Office Power Point 2007. BioVision является новым поколением программного обеспечения для анализа микроскопических изображений, упрощающий исследователям процедуру анализа.

Эти компьютерные программы мною будут использоваться при подготовке докладов, рефератов, выступлений, публикаций в учебных заведениях, а также при написании диссертации, поскольку они позволяют легко соблюсти все требования, предъявляемыми к оформлению документов и делают их более презентабельными. Этим и определяется актуальность данного исследования.

Цель исследования:

· выявить и научно обосновать практическое значение, ценности компьютерных программ по биологии.

Задачи:

· проанализировать теоретический материал по проблеме исследования;

· выявить практическую значимость использования компьютерных программ по биологии для написания диссертационных работ.

Глава I. Теоретические основы изучения компьютерных программ, используемых для написания научных работ по биологии 1.1 Программное обеспечение для анализа в медицине и биологии BioVision

BioVision - новое поколение программного обеспечения для анализа микроскопических изображений, упрощающее исследователям процедуру анализа. Программа разработана для систем MS Windows 98/NT/2000/XP. Гибкая система, адаптируемая к различным картам захвата изображения, камерам и микроскопам. BioVision поддерживает следующие форматы изображения: цветное RGB (24 bit), в оттенках серого (8 bit) и черно-белое. А также программа поддерживает большинство основных форматов изображений, таких как BMP, JPEG, TIFF, PNG и др. Захват и запись изображения микроскопического препарата, сохранение в нужном формате, редактирование для лучшего качества картинки с использованием рутинных и специальных фильтров. Редактирование для улучшения качества изображения с использованием рутинных и специальных фильтров.

Созданные программой графики, таблицы расчётов отражаются на мониторе и могут быть быстро переданы в другие, основанные на MS Windows программы, например MS Word, Excel и т. д. для создания отчётов и презентаций. Графики и таблицы с результатами анализа сохраняются в отчете с последующей архивацией в базе данных. Встроенный редактор отчета. Гибкая система для управления базой данных.

Основные возможности ПО BioVision:

·           Захват изображений препаратов, открытие из файла, копирование из буфера;

·           Преобразование и редактирование изображений;

·           Ручное и автоматическое выделение интересующих объектов;

·           Измерение размеров, формы, положения, оптических параметров выделенных объектов;

·           Классификация объектов и статистическая обработка результатов измерений;

·           Передача данных в MS Excel для дополнительных пересчетов;

·           Сохранение и печать изображений и результатов анализа;

·           Возможность работы в одной из методик автоматического анализа: измерение, зернистость, подсчет, сегментация, денситометрия, фазовый анализ, узлы, пористость, толщина покрытия, плотность объектов;

·           Создание новых методик (макросов) для автоматизации выполнения рутинного анализа;

·           База данных для изображений и результатов анализа;

·           Редактор отчетов.

BioVision включает предустановленные методики

·           Выделение объектов;

·           Измерение объектов ( длина, угол, периметр, площадь и др.);

·           Подсчет объектов;

·           Классификация объектов;

·           Плотность объектов;

·           Фазовый анализ (сегментация объектов по гистограмме);

·           Толщина покрытия (послойное измерение объектов).

Объемная доля

·           Выделение, измерение и оценка процента площади изображения, отличающихся по яркости или цвету.

Морфометрия

·           Морфологические операции для выделения, преобразования объектов;

Подсчет и классификация

·           Идентификация объектов на изображении (пользователем или автоматически), их подсчет, получение классификации по установленным пользователем критериям.

Измерение частиц

·           Автоматическое и ручное измерение линейных и оптических параметров частиц.

Создание отчета

·           Создание отчета в программе с оригинальным изображением и таблицами результатов измерений.

·           Экспорт в текстовый редактор Word или Excel.

Примеры использования:

·           Научные биологические и медицинские исследования: энтомология, гистология, цитология, микробиология, эмбриология, микология, паразитология, флюоресцентная микроскопия;

·           Разное: экологические исследования, исследования почвы и т.д.

Программа Bio Vision может быть установлена на любом персональном компьютере и может использоваться с биологическими микроскопами для исследований в медицине и биологии, а также с индустриальными микроскопами и стереомикроскопами для исследования в промышленности.

Панель инструментов

Использование панели инструментов облегчает поиск и использование нужных команд. Программа BioVision поставляется с набором исходных панелей. Панель инструментов не дублирует Текстовое меню, и часть операций может быть выбрана только через Текстовое меню или только с помощью панели инструментов.

Текстовое меню

Текстовое меню находится под заголовком окна программы (см. рис. 1) и содержит названия команд. В программе BioVision при наличии на экране окна документа текстовое меню состоит из пунктов: File (Файл), Capture (Захват изображения), Edit (Редакция), View (Просмотр), Image (Изображение), Annotation (Аннотация), Filters (Фильтры), Enhancement (Специальные фильтры), Morphological Operations (Операции), Effects (Эффекты), Measurements (Измерения), Reports (Отчеты), Window (Окно), Help (Помощь). Каждый из этих пунктов содержит список команд. Количество команд в этих списках зависит от того, открыто ли в программе изображение. Некоторые команды текстового меню сановятся доступны только после выполнения какого-либо действия (например, команда «Измерить маски» становится доступной только после выделения масок объектов). Нужный пункт меню может быть выбран как мышью, так и с помощью клавиатуры. Для этого нужно нажать клавишу Alt и соответствующую подчеркнутую букву (например, для вызова Capture нужно нажать Alt+С, для Measurements – Alt+M), а затем передвигаться по меню с помощью стрелок на клавиатуре. Запуск выбранной операции осуществляется нажатием кнопки Enter. При выборе пункта меню отображается список команд. Для быстрого доступа к наиболее часто используемым командам существуют «горячие клавиши», которые приведены в меню рядом с названием операции.

Контекстное меню

Контекстное меню появляется при нажатии правой кнопки мыши на разных частях окна программы: на области панелей инструментов, на окне документа, на объекте, на таблице классов. Содержимое контекстного меню меняется и определяется типом документа или областью окна программы, откуда оно было вызвано.

Захват изображений

1. Захват изображений: одиночных кадров, видео.

2. Выбор источника и формата изображений.

3. Предварительный просмотр.

Редактирование изображений

1. Вырезать, копировать, вставить.

2. Выделение произвольной области, масштабирование и перемещение с использованием клавиатуры и мыши.

3. Обрезка, дублирование, восстановление.

4. Изменение размеров.

5. Сжатие.

6. Преобразование в любой из форматов BMP, JPG, TIF, PNG, GIF, PSD.

7. Заполнение и пульверизация выбранным цветом в нужных пропорциях.

8. Создание сетки: 5х5, 10х10 и 100х100 линий.

9. Рисование прямых и кривых линий, прямоугольника, окружности с

регулированием узловых точек и возможностью изменять цвет и толщину линий.

10. Вставка текста любым доступным шрифтом и цветом.

11. Помещение указателя на объект. Любые четыре направления и возможность изменять его цвет и толщину.

12. Ластик стирает только линии, стрелки и любые инструменты рисования, но не само исходное изображение.

13. Камера-люцида.

14. Монтаж нескольких изображений (особенно нескольких фокусов одного изображения).

15. Брошюровка изображений.

16. Выделение подсветкой.

17. Коррекция отдельных пикселей с клавиатуры.

18. Каталоги со многими изображениями с возможностью поиска.

19. Применение фильтров к выделенной области.

Просмотр (View)

1. Увеличение/уменьшение.

2. Масштабируемый предварительный просмотр.

3. Вращение на 90, 180, 270 градусов или на произвольный угол.

4. Отражение изображения по вертикали или горизонтали.

5. Гистограмма яркости.

6. Информация об изображении.

7. Отменить / повторить операции любого типа.

8. Линейки с различными единицами измерения.

9. Слайд-шоу.

Обработка изображения

1. Вычитание фона и настройка контраста цветных и монохромных изображений.

2. Арифметические операции над изображениями (Булевы; Add, AND, OR, XOR, DIFF, MIN, MAX, + , - , / , * , и простые).

Стандартные фильтры

Инверсия (Invert), Яркость (Brightness), Контраст (Contrast), Оттенок (Hue), Насыщенность (Saturation), Размытие (Blur), Удаление шумов (Noise Remove), Рельеф (Emboss), Гравировка (Engrave), Гамма R (Gamma R), Гамма G (Gamma G), Гамма B (Gamma B), Желтый (Yellow), Пурпурный (Magenta), Голубой (Cyan), Мозаика (Mosaic), Сглаживание (Smooth), Десатурация (Desaturation), Псевдоцвет (Pseudo Color), Колоризация (Colorize), Масляная кисть (Oilify), Удаление пятен (Despeckle), Постеризация (Postarize).

Подсчет и классификация

Специальные фильтры

Высокочастотное усиление (High Boost), Пространственный фильтр высоких частот (High Spatial), Пространственный фильтр низких частот (Low Pass Spatial), Расстановка (максимум, среднее, минимум) (Ranking (Max, Med, Min)), Определение точек (Point detection), Определение границ (Line detection), Гомогенность (Homogeneity).

Обнаружение границ (Edge Detection)

По Лапласу (Laplacing), По Собелю (Sobel), По Кришу (Krisch), Градиент Прюитта (Prewitt Gradient), Смещение и Разница (Shift & Difference), Комбинация (Combine), По контрасту (Contrast Base), Быстрое (Quick), По отклонению и по направлению

(Range And Variance)

Морфологические операции (Morphological Operations)

Скелетизация (Skeletonization), Отсечение (Pruning), SKIZ, Гистограммное выравнивание (Histogram Equalization), Гистограммное сглаживание (Histogram Smoothing), Гистограммный пик (Histogram Peak), Гистограммная впадина (Histogram Valley), Сегментация по Выше/Ниже (Segmentation by Over/Under), Квантование (Quantized), Оконтуривание (Contouring), Дилатация и Эрозия (Dilation/Erosion) на бинарных, цветных и монохромных изображениях, Открытие и Закрытие (Opening/Closing) на монохромных и бинарных изображениях, Специальное Открытие и Закрытие (Special Opening/Closing), Разбивка и Слияние каналов (Split/Combine) RGB, YUV, YIQ, XYZ, HSL, Преобразование изображения в 1-, 4-, 8- и 24-битовое, Медианное преобразование (Medial Axis), Формирование полутонового изображения (Halftone). Сложение изображений (Image Addition), Среднее по изображениям (Image Average), Вычитание изображений (Image Subtraction), Умножение Изображений (Image Multiplication); Логические операции над изображениями (Булевы операции: AND, OR, NOR, XOR, NAND).

Рис. 3. Меню и Окно выбора и просмотра Морфологических операций.

Эффекты (Effects)

a. Фазовый контраст (Phase Effect). Возможен выбор между негативным и позитивным фазовым контрастом, а также степени фазового эффекта.

b. Темное поле (Dark Field).

Измерения (Measurements.)

a. Пространственная калибровка (Spartial calibration).

b. Линейные измерения Расстояния (Distance), Длины (Length), Ширины (Width), Периметра (Perimeter), Угла (Angle), Радиуса окружности по трем точкам (Three Point Radius).

c. Выделение произвольной области, масштабирование и перемещение с использованием клавиатуры и мыши.

d. Измерения по стандартным методикам: Count (Подсчет и классификация), Particle (Измерения частиц), Density (Плотность), Segmentation (Сегментация), Micro Thickness (Микро толщина).

Подсчет и классификация

Распознавание объектов на изображении, подсчет их количества, получение ряда их измеренных характеристик. Объекты определяются автоматически или вручную. Классификация объектов по размеру или яркости.

Пороговые измерения частиц

Вручную (Manual), Автоматические методы установления диапазонов яркости для измерения ярких (Auto bright) и темных (Auto dark) Объектов. Разнообразные вычисления и измерения выделенных объектов: Размеры (Dimensions), Площадь (Area), Периметр (Perimeter), Ферритовая длина (Ferrite Length), Минимальный / Максимальный радиус (Min/Max Radius), Ширина (Thread Length) и Длина прожилок (Thread Width), Ширина (Fiber Length) и Длина волокна (Fiber Width).

Морфометрия (Morphometry)

Округлость (Roundness), Форма (Shape), Ориентация (Orientation), Удлиненность (Elongation), Эквивалентный Диаметр (Equal Circular Diameter), Эквивалентный Объем Сферы (Equal Sphere Volume).

Расположение (Locational)

Центроид X (Centroid X), Центроид Y (Centroid Y), Главная X1 (Major X1), Главная Y1 (Major Y1), Вспомогательная X1 (Minor X1), Вспомогательная Y1 (Minor Y1), Главная X2 (Major X2), Главная Y2 (Major Y2), Вспомогательная X2 (Minor X2), Вспомогательная Y2 (Minor Y2), Прямоугольник X1 (Box X1), Прямоугольник X2 (Box X2), Прямоугольник Y1 (), Прямоугольник Y2 (Box Y2) и Площадь Прямоугольника (Box Area).

Сегментация

Измерение площади и объема фрагмента. Определение нескольких фаз микроструктуры, а также разметка и перенос фаз с гистограммы.

Отчет (Report)

a. Три опции: прямой вывод на печать исходного изображения, обработанного изображения и результатов в виде таблицы.

b. Экспорт в MS Office (напр. Excel) для дальнейшей обработки.

Обработка изображений

Обработка изображений относится к анализу и обработке графической информации – это любые операции, направленные на улучшение, исправление, анализ и любое изменение изображения.

Способы представления цифровых изображений

Цифровое изображение представляет собой упорядоченный набор пикселей. Каждому пикселю ставится в соответствие определенное цветовое значение. В компьютерах обычно пользуются тремя типами изображений: