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1.科学计算可视化技术研究背景
科学计算可视化作为一个研究领域开始于1987年，它首先是为了高效地处理科学数据和解释科学数据而提出并形成的。它将大量枯燥的数据以图形图像这种直观的方式显示出来，使观察者可以准确地发现隐藏在大量数据背后的规律，从而帮助人们更好地理解和分析这些数据。
VISC的研究包括两方面：一是VISC工具的研究.即如何把科学数据、数值图像转化成可视图形与可理解信息的算法和工具；二是VISC应用研究，即把可视化工具应用于科学和工程的各个学科的方式和方法。它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计及图形用户界面等多个研究领域。科学计算可视化技术的意义重大，它大大加快了数据的处理速度，使每日每时都在产生的庞大数据得到有效的利用；实现人与人、人与机器之间的图像通讯，增强了人们观察事物规律的能力；使科学家在得到计算结果的同时，知道在计算过程中发生了什么现象，并可以改变参数，观察其影响，对计算过程实现引导和控制。
2.科学计算可视化技术在现代教育方法中的应用
信息时代，学习是一种社会活动，个人不能脱离社会环境孤立地学习，抽象、多维信息的处理能力显得日益重要，如果把科学计算可视化与教育有机地结合，教育与社会需求之间的差距将得以缩小，因为科学计算可视化本身是对客观对象的模拟，所构建的学习环境与实际生活情境相关。科学计算可视化的沉浸性和交互性为学习者提供了可以直接交互的三维立体空间，并将学习者置于主动学习的中心地位，有利于学习者知识的建构。
2.1虚拟现实技术制造“真实”感受
虚拟现实可以彻底打破时间的限制，对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。例如，利用虚拟实验系统，学生可以进行温室效应、电路设计、建筑设计等方面的探索学习，从而研究出二氧化碳对全球气候的影响规律，或设计出新的电路、新的建筑物。虚拟现实的沉浸性和交互性，使得设备与环境塑造更接近于真实，有利于学生的技能训练，如军事作战技能、外科手术技能、汽车驾驶技能、果树栽培技能、电器维修技能等。
美国巴尔的摩Johns Hopkins大学的化学工程系教授卡尔威在计算机网络上建立了一个虚拟实验室，模拟各种实验，让工程系的学生通过计算机网络来做实验，尝试解决工程上遇到的各种问题。例如，通过一个虚拟的钻油实验，学生可以知道某个位置的油井的深度，从而估计油层的形状及所需费用。
2.2计算机动画展现“实物”效果
计算机动画在教育方面有着广阔的应用前景。有些基本概念、原理和方法需要给学生以感性上的认识，在实际教学中有可能无法用实物来演示。这时借助计算机动画把各种表面现象和实际内容进行直观演示和形象教学，大到宇宙形成，小到基因结构，无论是化学反应还是物理定律，使用计算机动画都可以淋漓尽致地表示出来。
另外计算机动画在网络游戏、文化娱乐等方面也有着广阔的应用前景。基于PC的三维游戏正在不断增加，其制作也离不开三维动画技术。开展三维数据场可视化技术研究，探索提高体绘制质量、速度的理论和关键技术，对于完善可视化理论、拓展体绘制的应用领域等都具有重要的理论和实践意义。
3.科学计算可视化技术对于现代教育方法的价值及意义
从教育的发展过程看，任何一种新技术、新媒体的出现，都会引起教育上的革命。例如，纸和印刷术的出现，广播和电视技术的发展，计算机和网络技术的发展，都曾引起了教育在质的飞跃。毫无疑问，科学计算可视化与教育相结合，也一定会在教育领域中产生质和量的飞跃。因此，探讨科学计算可视化与教育相结合的理论依据，无论是对教育的发展，还是对科学计算可视化技术自身的发展都是必要的，也是现实可行的。利用计算机动画技术，可将科学计算过程以及计算结果转换为几何图形或图像信息并在屏幕上显示出来，以便于观察分析和交互处理。计算机动画已成为发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具，即“科学计算可视化”。
实现科学计算的可视化具有多方面的重要意义。它可以大大加快数据的处理速度，使庞大数据得到有效利用；可以在人与数据、人与人之间实现图像通信，从而使人们能够观察到在传统的科学计算中发生的现象，成为发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具；同时，还可以实现对计算过程的引导和控制，通过交互手段改变计算所依据的条件，并观察其影响。总之，科学计算的可视化将极大地提高科学计算的速度和质量，实现科学计算工具和环境的进一步现代化，从而使科学研究工作的面貌发生根本性的变化。
计算机可视化技术范文2
关键词：计算机动画技术；研究性教学；数字媒体
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）22-0180-02
随着我国动漫产业不断发展，计算机数字媒体专业作为一个新兴的培养方向，为相关领域的企业及研究行业输送越来越多的专业人才。计算机动画技术成为高等院校中必修的专业课。近年来，我校从设立数字媒体专业开始，经过不断的教学改革与实践，在计算机动画技术课程专业建设上取得明显的效果，对提高学生整体素质发挥了极大的作用，它的教育模式也从原有的科普型讲述形式转变为以掌握核心动画技术为目标的技术应用示范方式，形成了鲜明的专业特色，成为我校计算机专业课程系统中的重要课程。
一、计算机动画技术课程的教学现状
计算机动画技术是计算机图形图像技术的综合运用，是当前数字媒体领域中的重要技术之一，正不断向规模化、网络化、多样化方向发展。然而在目前实际应用过程中，对具体技术较为熟悉，对各种核心技术的原理、算法及处理机制较为陌生，不利于高效地解决动画制作中的各种难点、问题。因此，在教学过程中需要对教学方法进行研究和完善。以本人所在高校的计算机学院的数字媒体系的学生为例，从以下几个方面分析当前计算机动画技术课程的教学状况和学生的学习情况。
1.采用“灌输”式教学模式讲授。将大量的动画技术理论直接“灌输”给学生，略显枯燥单调。对于本科阶段的学生或基础较为薄弱的学生来说，“灌输”的理论知识很难消化理解，更难以应用于实践，造成学习效率和效果都不理想的状况。在期中考试成绩中，发现“死记硬背”的应付考试的现象，理解应用类的题目普遍存在得分率较低的现象。因此，需要改变目前的授课模式，充分激起学生的学习兴趣，提高学习效率。
2.全面依赖教材的教学内容。在目前的教学活动中主要以教材内容为课堂讲授内容，而教材内容很难涵盖某些前沿重要的技术应用、技术改良实例，使得要求学生掌握的知识与现实的实践活动存在一定的时间跨度；同时，教材中的教学素材与案例具有简单、应用背景单一的特点，与当前主流的动画技术的结合度较低。以上两点将大大降低学生获得动画技术的兴趣，以及解决实际问题的能力。因此，教学内容中需要引入前沿的技术应用实例，如新版本的3ds Max、Maya商业软件中关于动画制作一些功能与动画技术的结合。
3.实验课时安排不足。目前的教学计划中对于动画技术课程的课时分配主要集中在理论课，学生学习过程中对具体算法或技术的操作体验、实践时间不充分，因为动画技术是计算机应用领域中的热门技术之一，在实践中才能领悟其中的核心思想。过多的理论学习使得知识难以被真正理解掌握，难以在问题解决过程中发挥作用，也使理论知识的学习无的放矢，缺乏目的性。因此，理论课时与实验课时最好应平均分配，一周内安排一次实验课，把理论课上的内容通过若干实验得到充分的消化吸收，落实提高学生技能水平的要求。
4.课程学习的目的性模糊。通过对现有的授课学生进行调查，大多数学生对课程的学习目的存在误解，认为动画技术仅仅是一门普及性的理论课程，只是常识性地补充现有的知识体系，并不认为这门课程是理论与实践相结合的技术型课程。所以在学习的过程中没有投入全部的精力与积极性，为了应付考试而采用“临时抱佛脚”的策略。这些现象与是否在专业学习的开始阶段进行学科建设规划、目标与要求的说明与强调有很大关系。学院领导与专业教师应反复强调每一门专业学习的重点与目标，让学生明确动画技术课程是数字媒体系学生在今后职业生涯规划中不可或缺的专业基础课程之一。同样，这种误解也可能会影响学生的择业方向及专业的发展方向。数字媒体专业不是向社会培养如动漫画家、动画技师一类的美术艺术人才，而是在数字化媒体行业空前发展的大背景下，培养一批利用先进的计算机技术专门解决与媒体应用相关的领域中的问题，从而大力扩展计算机的应用领域的人才，他们的核心竞争力仍是高水平的计算机技术，而目标变成针对某个特殊性领域的学习与深造。因此，教师有必要时常与学生沟通，引导他们向正确的学习目标努力。
二、研究型教学方式的设计模型
通过对现有的教学情况及学生的学习效果进行全面的分析，可以清楚地看到，现有的教学模式需要调整与改良。因此，我在计算机动画技术课程的教学过程中，做了一些试探性的创新与改良，形成一种针对本科生教育的研究型教学方式，在理论与实践中，让学生真正掌握技术的应用效果，提高掌握技能及解决问题的能力。为了改变动画技术课程的单一的技能性培训的教学目标，增加理解技术原理的教学目的，提高学生解决问题的能力，既能“知其然”，也能“知其所以然”，我选择难度水平稍高的教材《计算机动画算法与技术》[1]作为课程的内容依据，并选择其中具有代表性的、难度较低的章节进行讲解和实践。另外为学生推荐辅助的参考书《计算机动画的算法基础》[2]，其内容相对简单、易懂。课程主要内容如下：
1.对动画制作进行概述。首先，讲述动画在人类视觉方面的原理；其次，通过不同时期的动画技术列举动画制作的过程，了解动画的发展进程。图1展示了动画制作的一般工序：
2.技术背景知识介绍。计算机动画技术需应用《计算机图形学》中的一些理论知识，因此在讲授主要动画技术之前，先介绍这些背景知识在动画技术中的应用。包括两部分：第一部分阐述了与计算机图形显示管线相关的基础知识以及处理图形数据时的潜在问题源。第二部分主要探讨定向表示方法，对于动画技术中的方向插值计算很重要。图2显示具体包含的知识点。
3.插值技术介绍。动画是在一段时间内改变数据值进而影响视觉效果的过程，因而插值技术在动画技术中占有重要的地位。对于理解动画技术的应用有很大帮助。这部分讨论与各类插值技术以及逼近曲线相关的基础知识，并阐述曲线上的顶点移动控制方案。随后，对方向插值技术加以介绍。另外，还将简单介绍路径的工作方式。同时，安排4次实验课对插值方案进行编程实现，并对比插值计算结果。
4.插值动画方案介绍。讨论数值插值方案在计算机动画制作过程中的应用方案。首先讨论基于关键帧的动画系统，该过程可视为与传统手绘动画对应的三维计算机动画版本。然后，对动画语言加以分析。动画语言可用于控制高层算法，且从历史角度来看，该语言多与数值插值应用方案相关。实际上，大多数语言均针对特定的动画场景构建，并在各关键帧及其插值过程中设置相应的转换操作。最后，将分别探讨对象的变形技术、三维对象形状间的插值技术以及二维变形技术。同时，安排5次实验课对插值动画方案的技术细节通过程序实现的方式深入理解、掌握。具体知识点如图3：
在改进后的教学模型中，学生对计算机动画技术的学习兴趣较旧的教学方式下，有了明显提升，主要反映在课堂教学的互动活动、平时作业的完成情况、实验课的实践任务的进展情况等方面。学生开始主动思考、探索问题，而不再是单纯被动接受教学内容。在期末测试中主观题目的答题率和正确率均有提高，由于理解性地记忆相关知识点的概念，客观题目的答题时间也相对缩短。由此不难看出，在研究型的教学模式下，学生更容易获得应用技术的方法，掌握发现问题、分析问题及解决问题的要领。此外，随着学习的深入，学生也能逐渐明白数字媒体专业的学习方向及要求，端正态度，有助于其他专业课程的学习。数字媒体专业是计算机应用技术下一个新兴的专业方向，与之相关的计算机技术不断地发展，因此，我们需要适时地调整已有的教学模式，使专业教育与时俱进，才能不断为科技发展及社会进步提供高水平的专业人才。
参考文献：
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1 创设情境，诱发学生的求知欲，激发学生学习
兴趣
数学教学中激发学生学习兴趣主旨在于调动学生的学习积极性，促进学生积极主动地探求知识。在数学教学中，如果把数学知识放在一个主动、活泼的情境中去学习，更容易激发学生的学习兴趣，而利用多媒体教学可展示优美的图像、动听的音乐、有趣的动画，创设良好的教学情境，点燃学生的好奇之火，最大限度地激发学生的学习兴趣。
1.1 创设学习的情境
在上课几分钟，创设一个良好的学习氛围，使学生一进课堂就想学。如在讲授“垂直”这一概念时，笔者让学生观看一段大型比赛的跳水录像，随后出示问题：当选手入水时，水花的大小说明什么？话音刚落，所有学生几乎同时说出来：“不垂直”，水花就大；“垂直”，水花就小。笔者问：“什么叫垂直呢？”这样一问，学生学习的兴趣调动起来。接着笔者讲解有关垂直的概念。这节课没有费什么力气，就完整地进行下来，几乎所有的学生都明白了什么叫“垂直”，可见这样的情境给学生留下多么深刻的印象。
1.2 创设应用情境
学是为了用。“问渠那得清如水，为有源头活水来。”生活正是数学赖以生存和发展的源泉。让学生接触到生活中的数学，才能使他们体会到数学的价值，从而饱含热情地去从事数学学习活动。因此，在设计课程内容时，笔者的原则就是根据学生的数学学习心理规律，尽可能选用他们喜闻乐见、耳濡目染的生活内容为题材，以唤起学生的学习兴趣。
例如，当教学优选方案中的函数应用题时，笔者利用计算机为学生创设一个“虚拟商店”让学生去实践购物题：“老师要去购物，甲商店提出的优惠销售方法是所有商品按九五折销售，而乙商店提出的优惠方法是凡一次购满500元可领取九折贵宾卡。请同学们帮老师出出主意，‘我’究竟到哪家商店购物得到的优惠更多？”问题抛出后，课堂气氛非常活跃，学生各抒己见，连平时数学成绩较差的学生也跃跃欲试。学生学习的主动性很好地被调动起来。这一教学环节的设计，使学生既巩固了两个变量间关系，又受到优化思想的熏陶，体验了数学在现实生活中的应用及对生活的价值，增强了学生学习数学的兴趣，也为更好的用打下学的基础。
2 展现过程，深化认知，培养学生的思维能力
利用计算机的动画、渐变、叠加等效果和计算机的声像功能，将知识难点和某些过程直观化，以多种媒体刺激学生的感官，深化认识程度，并通过揭示内在的规律和现象的过程，培养学生的思维能力。
2.1 变静为动，加强对概念的理解
对于一些比较抽象的概念，运用计算机多媒体进行教学设计，就能让学生充分感知，为学生由形象思维转向抽象思维架起桥梁。如在教学轴对称图形时，可设计展翅飞翔的蝴蝶动画，让静止的图形“动”起来，形象生动，学生较容易理解轴对称图形这一个概念。计算机多媒体的动态变化可以将形与数有机结合起来，把运动和变化展现在学生面前，提供丰富而动感的形象，展现出一个精彩纷呈的数学世界。
2.2 变静为动，突破教学重难点
计算机发展进入到课堂教学中，给教学带来新的生命力，使数学教学有了质的转变，本来枯燥无味的课堂因计算机的作用而使得本身抽象的知识变得生动活泼且易懂明了。特别是在几何图形课、应用题课的表现更加突出。在数学教学中，大量的形式多样、内容丰富的插图是教材的重要组成部分，但插图是静止的，插图借助多媒体创设动态情境，以鲜明的色彩、活动的画面把活动过程全面展现出来，那么既可突出重点、突破难点，化抽象为具体，又可促进思维导向由模糊变清晰。
如在学习三角形的三条角平分线（三条中线、三条高或高的延长线、三边的垂直平分线）相交于一点时，传统教学方式都是让学生作图、观察、得出结论，但每个学生在作图中总会出现种种误差，导致三条线没有相交于一点；即使交于一点了，也会心存疑惑：是否是个别现象？使得学生很难领会数学内容的本质。利用信息技术就不同了，在数学软件里，只要画出一个三角形，用菜单命令画出相应的三条线，就能观察到三线交于一点的事实，然后任意拖动三角形的顶点，改变三角形的形状和大小，发现三线交于一点的事实总是不会改变的。亲手经历，不仅大大增强学生学数学的兴趣，激发他们的求知欲望，也有效地实现精讲，化解教学难点、突破教学重点，提高课堂效率，增强教学效果。
2.3 变静为动，培养学生求异思维
计算机技术可以以“动”的形式模拟思维过程，促进学生发散思维、求异思维。在学习平面直角坐标系时，有一道练习题：求出在一个平面直角坐标系中不规则四边形的面积（单位：厘米）。学生刚看到这道题，无从下手：如何把一个不规则的四边形转化成规则图形呢？笔者用计算机演示一遍不同的转换过程，学生看得清楚、明白，培养了求异思维，同时渗透了转化思想。
3 巧设练习，巩固新知
知识的掌握、技能的形成、智力的开发、能力的培养，以及良好的学风的养成，必须通过一定量的练习才能实现。所以，练习是学生学习过程中的重要环节。在教师的主导作用下，发挥计算机容量大，信息的检索、提供、显示及信息类型的转换方便迅速，信息传播速度快的功能优势，巧妙设计练习，激发学生“乐学乐做”的情感非常重要。因此，在教学中应广泛借助多媒体为学生提供更多的练习素材，更多的练习和表现自己能力与成就的机会。同时，也为教师提供及时获得学生准确、真实的学习成效和学习态度及反馈信息的方法和途径。
如在教学角时，学生最容易犯“角的大小与构成角的两边长短有关”的概念性错误。为了克服学生这一错误的认识，运用多媒体自制一个CAI课件。在讲完角的认识新课后，反馈练习时依次出示一组练习：1）根据屏幕上提供的各种图形（图中有的是角，有的是两条没有相交的射线，摆放的形式多种多样）判断哪些是角哪些不是角，结果98%的学生能准确判断；2）接着出示一组两个大小相等而边的长短不相等的角和两个边的长短相等而大小不等的角的画面，要求学生判断每对角的大小，结果有些学生得到边长的角大这一错误的判断，说明学生没有真正抓住事物的本质；3）为了直观验证他们判断的错误，屏幕上出现一个以黑色为背景的高亮度的角。此时教师提醒学生注意两条边长短变化时这个角的大小有什么变化。学生通过观察屏幕演示自己得出角的大小与边的长短没有关系的结论。
这种非常直观的演示，为学生积极思维提供了丰富的素材，是其他手段所无法比拟的。学生根据观察，抓住解决问题的关键，提高了解决问题的能力，达到巩固新知的目的。由此可见，运用多媒体教学，不但能充分刺激学生的感官，调动他们的积极性，并能激发学生创造性的学习，发展他们的思维，培养运用知识的综合能力。
计算机可视化技术范文4
关键词：高等院校；计算机网络技术；教学做一体化
1 引言
在当前形势下，就业市场竞争日趋激烈，社会对于实践能力强的计算机应用型人才的需求也非常多。然而，当前高等院校计算机的技能型人才培养模式仍然有待改善，课程设置仍然不太合理，传统的教学模式已经不符合社会的需求，这就造成了许多高等院校培养出的人才的技能不能够适应社会的需求，不利于高等院校大学生的就业。基于此，一定要探索更加有效的高等院校计算机教学模式，而高等院校计算机网络技术课程教学做一体化教学模式应运而生并且具备极强的生命力。
2 高等院校计算机网络技术课程教学做一体化教学模式概述
(1) 计算机网络技术课程教学做一体化教学模式的内涵
高等院校计算机网络技术课程教学做一体化教学模式将理论与实际结合起来，坚持以“大学生为主体、教师为主导、能力为主线”的教学理念，具备多样化的评价方式，通过崭新的方式来处理教学或生活中所存在的实际问题，有利于大学生深刻理解教材上的理论知识并且熟练应用到实践当中[1]。
(2) 计算机网络技术课程教学做一体化教学模式的重要意义
在高等院校，通过计算机网络技术课程教学做一体化教学模式，可以有效提高大学生的综合素质。多样化的评价方式也能够促进大学生的发展，能够真正提高大学生的实践能力和分析能力，实现了课堂学习内容和社会需求的相结合，有利于提高高等院校的就业率。
3 高等院校计算机网络技术课程教学做一体化教学模式的具体应用实践
(1) 建立一套完整的计算机网络技术课程教学做一体化教学课程体系
高等院校计算机网络技术课程教学做一体化教学模式非常重视空间和时间的同一性，因此，一定要建立一套完整的计算机网络技术课程教学做一体化教学课程体系。与此同时，当前的教材一般都更加重视理论的全面性和系统性，很难符合教学做一体化教学的需要[2]。为了切实保证教学效果的提高，高等院校应该改变传统的专业教学课程方案，由教师结合具体的教学目标和任务，对于教学内容做出模块化的整合，对于要求大学生掌握的不同的知识点进行分解，形成各种各样的实践训练案例，并将材料发给大学生，从而保证大学生可以按照计划来有针对性地进行学习。
(2) 建立完备的计算机网络技术课程教学做一体化实验室
大学生做计算机网络技术课程实验，首先要有适合于计算机网络技术课程实验的专业机房环境。网络专业实验室包含硬件、软件和通信三个方面的内容，应采用主流厂商设备，定期更新，完善功能，应支持网络设备配置、网络安全分析、网络应用的构建等比较复杂的实验内容。大学生机房应安装服务器类网络操作系统。从计算机网络技术课程实验的教学目的来看，网络专业实验室建设不仅是购买设备，硬件环境建设只占较小的一部分，还有配套的实验课程与教材、实验室管理系统等软环境的建设。
(3) 以能力为导向设计计算机网络技术课程教学做一体化实验
计算机网络技术课程实验的设计要针对网络专业大学生就业能力来设计实验，让大学生清楚是为了将来工作应具备的就业能力而做实验。具体来说，教师在教学的过程中，一定要重视对于教学目标所做的实验案例化分解，在不同的实验案例中，要涵盖不同的知识点[3]。实验案例应该通过专业技能为主线而串起来，同时，所有的案例都必须通过知识点的整合并能够实现一定的教学目标。
(4) 加强计算机网络技术课程教学做一体化教学模式内容的更新
加强计算机网络技术课程教学做一体化教学模式内容的更新是非常重要的。例如：局域网综合实验，让大学生自行设计网络拓扑、划分VLAN、规划IP，然后用实验室现有的路由器、交换机、防火墙等设备组建起来[4]。因为大学生用现有设备规划的网络是各不相同的，自主发挥的余地很大，在教学过程中，处于主动和探索的学习状态，目的明确，独立思考，能激发创造型思维，培养和锻炼大学生设计网络、调试网络、排除故障的综合能力。
(5) 加强计算机网络技术课程教学做一体化教学环节大学生学习效果的监督检查
教学过程中教师应随时抽查各小组的进行情况，按阶段检查大学生的掌握情况，每隔一段时间随机抽取部分同学以检查之前的某个实验，让大学生扎实掌握每一个实验[5]。通过监督检查大学生实验，便于教师及时发现大学生实验存在的问题，促使大学生改进。
4 结束语
综上所述，高等院校计算机网络技术课程教学做一体化的教学模式对于高等院校大学生学习效率的提升是非常重要的，本文结合笔者多年来进行高等院校计算机网络技术课程教学方面工作的实践经验，并且查阅了国内外的大量相关文献，对此进行了探讨。在今后的工作中，仍然还需要相关专家学者持续不断地努力，来探索教学做一体化的教学模式，从而更加有利于培养大学生的计算机操作技能和创新精神，为社会输送更多的综合素质高的人才。
参考文献
[1]孟正大.完善实践教学体系与平台,加强创新和实践能力培养[J].实验室研究与探索,2005(S1).
[2]白日欣.高职院校实践性教学体系的构建与管理初探[J].河北工程技术职业学院学报,2004(3).
[3]文益民,谭爱平.高职“计算机网络技术”课程教学内容项目化研究[J].计算机教育,2010(3).
计算机可视化技术范文5
关键词： DSP （ Digital Signal Processor）数字图像处理器；袖珍读条仪；灰度值；盐酸克伦特罗
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）06-1291-03
The Design of Clenbuterol Test Strip Digital Detector
WANG Yan-hua1， HE Bao-feng2
（1. Henan Information Engineering College，Zhengzhou 450000； 2. Department of Computer Science， Sias University，Zhengzhou 451150， China）
Abstract： [Object] A mini digital detector has been designed to enhance the useful performance of a test strip. [method] A mini digital detector using a digital image sensor and a central processor，gives a relationship between the measured gray value， which is directly proportional to the number of gold particles of the marker and the drug content of samples. [result] The results not only can be divided into positive （ > 3ng / ml ） and negative （ 0 or < 3ng / ml ）， can read content specific numerical. [Conclusion ] the pocket reading meter reading can be used in the scene， will test strip detection performance by improving for qualitative quantitative.
Key word： Digital Signal Processor；mini digital detector；gray value；Clenbuterol
试纸条以价格低廉和简便快捷的特点，广泛地应用于食品安全的检测中。河南省农科院以张改平为首的科研团队针对小分子半抗原免疫原性的关键问题，分析了小分子药物的分子结构，设计了一系列小分子药物半抗原的合成路线，通过偶联位点、连接臂、载体效应、偶联率的筛选试验，建立药物完全抗原的偶联方法，制备了完全抗原。利用胶体金标记抗原和标记抗体两种免疫膜层析技术模式，研制成功了快速检测免疫试纸，成功地发明了检验盐酸克伦特罗（俗称瘦肉精）的试纸条，使用时只需要在试纸条的样品端侵入被测猪的尿液，尿液随着MAX箭头所指的方向沿薄膜流动，几分钟后就会在设定位置出现一条或者两条红线，出现两条线表示样品为阴性，即不含盐酸克伦特罗；出现一条线为阳性，说明被测猪在饲养过程中添加了违禁的盐酸克伦特罗（图1）。
图1 盐酸克伦特罗试纸条及其检测结果
当样本中含有盐酸克伦特罗时，盐酸克伦特罗就会和检测线上的牛血清白蛋白偶连的盐酸克伦特罗竞争性的结合盐酸克伦特罗的金标单抗，盐酸克伦特罗越多，检测线显色越弱。金颗粒沉积的多寡反映了条纹的浓淡，在典型的情况下就是条纹的有和无，容易作出阳性和阴性的判别，在非典型的情况下是条纹的深和浅，用肉眼判别就容易产生歧义。如果我们在试纸条的检测中用仪器读无疑比目测能得到精确得多的结果。例如利用TSR3000读条仪就可以精确分析条纹的光密度，计算各种结果。只是由于价格昂贵，体积庞大（必需与电脑相连）和操作复杂（需专业人员分析）等原因，机读无法应用于现场，在现今的实际应中试纸条检测完全是靠肉眼判读的。
图2 盐酸克伦特罗试纸条数字化检测仪原理图
根据图像分析适当处理，应用微电子技术可以制作一个小巧便于携带专门的盐酸克伦特罗试纸数字化检测仪。它的硬件结构是由图像传感器、液晶屏和ARM主板组成，体积。它从高精度CCD传感器采集到条纹的图像信号，经过A/D模数据转换后送到DSP数字信号处理器进行图像处理，再经CPU微处理器将图像信号进行分析和计算，将结果以文字或图形的形式用LCD液晶显示屏表达出来。它的软件系统是预置于ROM寄存器中的专门程序，开机时自动运行，数据处理中还要用到JPEG图像的压缩处理办法和随时调取寄数据库中的数据。
用该仪器检测沿试样流动方向跨越检测线和质控线检测到的相对灰度图如图三所示，两条曲线分别对应阴性和阳性两种结果。 阴性曲线在检测线位置和质控线位置分别出现了两个比较大的（这里大于5）尖峰，对应这里出现两个看得见的条纹。阳性曲线在质控线位置出现一个很高的峰值，但是在检测线位置的灰度值却很小（这里小于等于1），说明这时质控线仍然明显可见，但检测线则小到几乎不可辨，于是用肉眼判断试纸条上只出现一条条纹。
图3 对应阳性和阴性情况下两条检测曲线的灰度值
在有效检测的条件下，质控线峰总是出现的。于是检测线峰的强弱就成了判别是阳性还是阴性的关键。在我们的实验条件下，在盐酸克伦特罗含量从零到1000ng/ml的变化过程中检测线灰度值的相对变化如图四所示。可以看到，当样品的盐酸克伦特罗含量小时检测线的灰度值较大，试纸的反应等同于样本阴性，肉眼可看到两个明显的条纹；在盐酸克伦特罗含量大（例如当盐酸克伦特罗含量为10ng/ml）时，检测线条纹的灰度值仅为1（从白到黑分为为256份），这时肉眼根本看不出，但用仪器检测则可读出具体的灰度值。我们将阴性定义为盐酸克伦特罗含量为零（0或3ng/ml称为阳性，根据对应曲线还可以由灰度值推断盐酸克伦特罗含量的含量。于是，用该仪器数字化判读就实现了检测的数值化，是对当前试纸条使用的一种拓展和补充。
图4 试纸条检测线峰灰度值的变化曲线
该仪器设置还设计有智能化的人机对话界面（图5），点击触摸屏上的图标，存储在芯片中的程序就会自动运行实现转换，对操作中出现的各种情况会给以提示。由于生产中不同批次的蛋白质的活性有微小差异，金颗粒的大小也会对检测线的灰度值造成影响，故每当使用一个新批次的试纸条时都要先对仪器进行校准。校准的方法是将试纸条滴入生理盐水后放到仪器中观测（这时试纸条应显示阴性结果，即两条条纹）再按调零按钮，仪器会利用预存数据库中的数据自动找到匹配的程序和判别标准。仪器面板还设有切换按钮，除用数据显示结果外，还可以进一步显示条纹的图像和灰度值。该仪器还设置有通讯端口，可供将来对内存的数据库和运行程序进行更新和升级。具有自动运行、表达简捷、结论准确和便于携带等特点，适合现场使用。
图5 试纸条数值化检测仪的人机对话界面
参考文献：
[1] Zhang G P， Li Q M， Yang Y Y， et al. Development of a one-step strip test for the diagnosis of chicken infectious bursal disease. Avian Disease. 2005（49）：177-181.
[2] Zhang G P， Wang X N， Yang J F， et al. Development of an Immuno- chromatographic Lateral Flow Test Strip for Detection of β-Adrenergic Agonist Clenbuterol Residues. J Immunological Method，2006（312）：27-33.
[3] 张改平，李学伍，杨艳艳，等.动物体及其产品中药物残留快速检测试纸条，ZL02115429.2[P].国家发明专利.
[4] 李保安，李行善.基于组件的自动测量系统（ATS）软件体系结构[J].电子测量与仪器学报，2002（4）.
[5] 何玲松，张蓉.基于Web的网络化虚拟仪器技术及应用[J].中国机械工程，2002（9）.
计算机可视化技术范文6
关键词：无线认知网络；多目标优化；自适应克隆；自适应交叉；自适应变异
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)10-2207-05
Resource Parameters Optimization of Wireless Cognitive Network Based on Adaptive Neighbor Selection Cloning Genetic Algorithm
TAO Ying1, CHEN Zhi-kui1, CHENG Chen2,CHEN Long-jiu2
(1. Laboratory of Network Communication & Database Technology ,Dalian University of Technology, Software College, Dalian 116621, China; 2. Dalian University of Technology ,Software College,Dalian 116621,China)
Abstract: The resource parameters optimization of Wireless Cognitive Network (WCN) is not allowed to ignore, which is one of research hot pot in the reasonable use of free spectrum resource. The optimization problem would be a multi-objective optimization problem for the diversity of the resource parameters. In this paper, it’s based on the basic parameter, i.e. the least signal interference noise ratio(SINR), to meet the basic QoS needs of WCN using there related parameters of bandwidth, power consumption and transmission rate. It put forward a kind of adaptive neighbor selection cloning genetic algorithms (ANSCGA) to solve parameter resource allocation problems based on the cognitive node capacity degree, in order to satisfy the target of bandwidth minimization, power consumption minimization and transfer rate maximization in the network. After compared with the classic algorithm NSGA-II, ANSCGA has certain advantages.
Key words: Wireless cognitive networks; Multi-objective optimization; Adaptive clone; Adaptive crossover; Adaptive mutation
1概述
认知无线网络的核心思想是使无线通信设备具有发现空闲频谱并合理利用的能力，从根本上解决目前因频谱的固定分配政策而导致对频谱的不合理应用。该文针对认知无线网络中认知用户网络多目标资源参数优化问题，研究最小信号干扰噪声比值（SINR）关键参数之间的平衡关系，通过克隆及交叉变异算子的设计提出自适应邻域选择克隆遗传算法（Adaptive Neighbor Selection Cloning Genetic Algorithm, ANSCGA），解决多目标优化问题的收敛速度以及种群多样性问题。该文主要优化网络已使用带宽、已使用功率和数据传输速率三项参数，借助优化算法寻找收发节点对的带宽分配和功率控制参数，达到最小化已使用带宽、最小化已使用功率和最大化传输速率的优化目标。
2认知无线网络模型
该文基于IEEE802.22WRAN标准简化的模型，在该协议模型下，当且仅当接收节点在相应传输节点的传输范围且不在其它传输节点的干扰范围之内，信号传输才能成功。该文在针对认知网络用户在接入主网络资源时资源优化问题引用最小信号干扰噪声比值（SINR）来均衡关键目标参数时，同时考虑干扰温度限制因素。
2.1系统QoS需求
考虑一个网络覆盖区域，其中分布着N个认知用户。为描述方便统一将认知用户称为节点。假定从源节点i到接收节点j的信道功率增益为
必须大于某一门限值满足
，故而接收节点j通过CDMA复用方式共享主网络资源时，接收端处的信号干扰噪声比（SINR），故而主要优化参数为使用带宽、消耗功率以及传输速率。为了保证信号干扰噪声比最小，优化问题转化为求解最小化已使用带宽、最小化消耗功率及最大化传输速率。2.2优化目标参数
考虑认知网络中认知用户节点不能干扰主网络用户节点工作，所以定义，具体指网络中各个节点已使用的带宽之和。这里用来评价网络中频谱资源的有效利用率。在传输速率保持不变的情况下，网络中被占用的频谱资源越少，说明该网络中频谱资源有效利用率越高。具体表达式如下：，具体指网络中所有节点功率消耗的总和。对每个节点而言，在确保通信质量的前提下，应将其传输功率控制到最低，以确保网络寿命，当网络中任何节点能量消耗完时，网络寿命终止。具体传输功率表达式如下：表示从节点i到节点j的传输带宽。
2.3系统优化模型
无线认知网络资源参数优化模型可表述为：对于存在N个节点的网络区域，对于节点的带宽和消耗功率进行优化调整，确保整个网络区域在保证传输速率最大化的基础上所有节点使用带宽和消耗功率最小化。
3自适应邻域选择克隆遗传算法
该文基于一种自适应邻域选择克隆遗传算法[3]，针对认知无线网络中认知节点需要感应可使用频段的特性，引入认知容量概念作为克隆适应度成比例计算，确保种群在认知容量高的节点附近进行集中搜索，提高算法速度。同时在进化期间节点根据种群邻域进化情况，随时自适应调整进化策略，确保种群多样性，算法收敛性取决于作为其核心操作的高频变异算子。
3.1抗体适应度
在IEEE802.22WRAN标准下，每个认知传输时帧由感知部分和数据传输部分组成，感知时间越短，用来传输数据的时间就越多，认知容量就会越大，但感知时间太短会造成检测的误差过大，导致对主节点的干扰过大，要做到最大限度不对主节点产生干扰，认知节点必须周期性的快速准确检测主节点的工作情况，这里假定感知存在检测概率为待优化参数[4]。
3.2邻域选择克隆算子
在克隆遗传算法中，克隆的实质是在抗体进化过程中，在每代候选解的附近，根据适应度的大小进行克隆，产生一个变异解的群体，从而扩大搜索范围（即增加抗体的多样性），有助于防止进化早熟和搜索陷于局部极值，同时通过克隆选择来加快收敛速度。
自适应克隆选择算子操作的对象是活跃抗体，每个活跃抗体要进行克隆的抗体的克隆数为抗体种群最差抗体的适应度值。
邻域选择操作作用于活跃抗体节点，本算法根据活跃抗体的认知容量度大小决定在活跃抗体周围搜索抗体的数目，从而形成邻域种群。拥有较大认知容量的活跃抗体有更多机会搜索其自己的邻域抗体。每个活跃抗体的邻域种群抗体的数目为给定的最小变异率[6]。
对于适应度高于平均适应度的抗体，对应于较低的交叉概率和变异概率，使该抗体得以保护进入下一代；而低于平均适应度的抗体，相对应于较高的交叉概率和变异概率，使该抗体被淘汰。抗体会在每次迭代过程中根据认知容量度值自适应地调节变异步长，同时确保在认知容量度高的抗体周围集中搜索提高收敛速度，同时也保持了种群的多样性。
3.4算法伪代码如下
Procedure[P]=ANSCA_OPT(aB,bB,aP,bP,NP,NG,,eps)
Initialize P(NP)//随机生成N对实数编码收发节点(带宽、消耗功率、空闲概率以及工作概率) for k=1:NG//迭代未满足最大次数
for 1：NP//对传输距离内所有收发节点对f
4仿真实验
4.1通信节点路由优化仿真环境
用该文所提算法对无线认知网络节点进行参数优化。抗体对应于问题在给定范围内的可行解，根据抗体的认知容量度来度量抗体的适应度，高适应度的抗体是选择、克隆、搜索、变异和组成最优解的对象。
基于MATLAB仿真环境，在图1网络仿真节点路由分布4.2仿真结果与分析
相应数据是仿真运行78次后的结果，每次算法的进化代数为20，活跃抗体数为20，缩放系数为0.1。
在未进行优化网络中，具体22对收发节点的使用带宽参数与功率控制参数如图2(a)和(b)所示，其中，图2(a)展示的是带宽参数，图2(b)展示的是功率参数，整个网络使用带宽
同时选取经典多目标优化遗传算法NSGA-II对该网络进行优化，其22对收发节点的带宽参数和消耗功率与ANSCGA对比如图2(c)和(d)所示，其中图2(c)展示的是优化后的节点已使用带宽参数，图2(d)为优化后的功率参数，NSGA-II算法优化结果为：已使用带宽
相比之下，该文提出的ANSCGA算法优化结果相对较优，优化后的速率分别比为优化的高出0.026%，比NSGA-II算法优化速率高出0.011%，同时使用带宽和消耗功率也分别是优化后最小的。另一方面，在未优化时，带宽大于40MHz的节点对有8对，功率大于80W的节点对有6对，经ANSCGA优化后，带宽大于40MHz的节点对只有4对，功率大于80W的节点对只有3对，而经过NSGA-II算法优化的节点对带宽大于40MHz的节点对有6对，功率大于80W的节点对有4对。可见本算法在无线认知网络资源参数优化方面存在一定的优越性。
5结论
该文提出了一种ANSCGA用于求解无线认知网络中资源参数分配优化问题，将节点的认知容量度作为算法适应度的一部分，使该算法在搜索部分主要集中在认知容量度高的节点附近进行，提高算法速度，同时通过自适应克隆算子、自适应交叉和变异算子 有效提高了算法性能，保证了节点的多样性，并有效解决了无线认知网络的资源参数优化问题。
参考文献:
[1]Yiping Xing, Chetan N. Mathur, M.A.Haleem, et al. Dynamic Spectrum Access with QoS and Interference Temperature Constraints[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2007, Vol 6. No.4.
[2]杨世恩,陈春梅.认知无线网络中的跨层资源优化[J].计算机工程,2011, 37(15):69-72.
[3]Gong Maoguo, Jiao Licheng, DuHaifeng, et al. Multi-objective Immune Algorithm with Non-dominated Neighbor-based Selection[J]. Evolutionary Computation, 2008, 16(2):225-255.
[4]AYMAN A, EL-SALEH, MAHAMOD I, et al. Comparison between overlay cognitive radio and underlay cognitive ultra wideband radio for wireless communications[C].Langkawi:Proc.Of the Fifth IASTED(AsiaCSN 2008), 2008: 41-45.
