虚拟环境中DNA三维建模及其操纵可视化研究

摘要

本文研究了从原子力显微镜（AFM）扫描的DNA样品表面形貌试验数据中利用图像处理技术提取几何特征信息，然后在虚拟环境中构造DNA分子的三维几何模型，基于重建模型进行虚拟操纵仿真及其可视化的研究，为DNA分子等纳米对象的观察和操纵提供了一个全新的人机交互接口。分析原子力显微镜扫描纳米对象表面的过程，比较扫描的结果数据与理论数据，可以得知由于探针的大小和形状在扫描过程中不能接触到原子间的“沟槽”和陡峭凸起的底部区域，扫描的结果图像处在样品表面之上。探针扫描产生误差的过程与数学形态学中的“膨胀”操作类似，采用数学形态学的方法来分析和去除扫描过程中产生的误差影响。论文最后还探讨了DNA虚拟操纵可视化系统的目标、结构、实现原理和涉及的关键技术。基于MATLAB实现AFM扫描图像中DNA几何特征提取；在虚拟现实应用开发平台上重构三维模型并进行操纵仿真及其可视化；基于网络通讯实现PC机操纵系统和UNIX-VR沉浸可视化系统上虚拟操纵场景的同步，从而实现三维立体的视觉感知和作用力反馈的触觉感知等身临其境的多通道感受；对模拟探针的动态轨迹进行直线逼近后可以转换为AFM扫描指令，为远程控制AFM进行纳米操纵作初步的探讨。