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网络环境下生物计算建模三维可视化的研究

王亦未  
【摘要】:目前,科学计算在网络环境中的数据量变得越来越大,面对大型科学应用分布存储和异地共享的要求,科学家越来越需要在分析异地数据的过程中享受直观性与准确性,由此引发了人们对网络环境下可视化的研究。生物计算数据的复杂性导致针对生物信息的可视化研究的不断深入,但当前缺乏面向生物计算领域的可视化架构,因此针对异地生物计算数据设计网络三维可视化系统十分必要。 首先,研究了系统总体架构,通过分析网络可视化系统的研究现状、研究目标与系统需求,设计了面向生物计算的可视化体系结构。根据生物数据来源多样性的特点,探讨基于Java3D的设计框架,研究了数据组织及存放格式、数据计算与数据传输问题、三维技术与Web应用的整合三个方面,在此基础上实现了两种不同数据来源的三维构建,为更加复杂的生物计算的可视化实现打下了基础。 其次,针对生物计算的原始数据,根据DNA分子以及蛋白质分子的不同,抽象出在计算机中的三维表示方法,实现三维建模。研究了网络环境下如何异地调用原始数据以及可视化工具,制定了分子结构网络三维可视化系统的设计方案,实现了网络环境下的分子结构可视化模型,它与前端客户以及后端数据库的交互性都很强,用户仅使用一台主流PC机,不需要进行任何配置就能使用服务器端的可视化模块。 接着,提出了DNA虚拟试管的构想,即一种虚拟生物分子计算的模型,利用它在计算机上能够可视化地模拟多种生物操作,如:熔解、杂交、PCR、连接、剪切、凝胶电泳、探针等。搭建了网络环境下DNA虚拟试管的程序框架,实现了连接、PCR、凝胶电泳、探针等生物操作模块,并详细介绍了PCR模块的设计及其Java3D实现过程,用Adleman的Hamilton路径问题的例子说明了虚拟试管进行DNA计算模拟的可视化流程。 最后结合未来的网络环境特点,设计了网格环境下的DNA计算模型的可视化体系结构。并展望了我们设计的分子结构可视化模型以及DNA虚拟试管模型作为网格服务的使用流程。 论文的研究成果为完善网络可视化框架下的DNA虚拟试管打下了基础。


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