МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Национальный исследовательский университет ИТМО»
Факультет фотоники и оптоинформатики
Курсовая работа
по дисциплине: «Основы оптоинформатики»
«Разработка 3D-моделей лиофилизованной крови и моделирование траекторий движения её компонентов под влиянием ТГц излучения»
Выполнил
студент гр. V3401
Небогатикова А.Д.
Проверила
Иванова А. Е.
Санкт-Петербург
2020
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ГРАФИЧЕСКИХ РЕДАКТОРОВ
1.1 Общие характеристики графических редакторов
1.2 3Ds MAX: основные характеристики и преимущества
ГЛАВА 2. ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГЛИКИРОВАНИЯ И ЛИОФИЛИЗАЦИИ
2.1 Гликирование: суть процесса и описание
2.2 Лиофилизация: суть процесса и описание
ГЛАВА 3. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИЗУЧЕНИЯ ГРАФИЧЕСКОГО РЕДАКТОРА 3Ds MAX
3.1 Использование 3D моделей в науке: актуальность и характеристики
3.2 Практическое использование 3Ds MAX при моделировании
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день очень актуальным является вопрос моделирования биохимических и иных процессов в рамках программной среды. Зачастую для формирования полной картины понимания того или иного процесса необходимо смоделировать объект, чтобы подробно представлять его не только в вербальном формате, но и в трехмерном. Кроме того, использование специальных продуктов для моделирования объектов позволяет всесторонне изучить и отобразить процессы и взаимосвязи внутри конкретных явлений.
Целью работы является изучение программных продуктов, в рамках функционала которых можно смоделировать биохимические процессы и объекты.
Были выделены следующие задачи:
1) провести сравнительный анализ существующих графических редакторов
2) определить наиболее удобный для целей исследования редактор
3) дать краткую характеристику процессам гликирования и лиофилизации
4) изучить практические аспекты использования графических редакторов на примере 3Ds MAX
Объект исследования: графический редактор 3Ds MAX
Предмет исследования: моделирование биохимических процессов
Методы исследования: анализ, синтез, литературный обзор, моделирование.
Структурно работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.
ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ГРАФИЧЕСКИХ РЕДАКТОРОВ
1.1 Общие характеристики графических редакторов
Графическим редактором называется специализированная программа, при помощи которой пользователь может создать какое-либо изображение или отредактировать существующее, сохранив его для последующего использования в виде единого файла.
Классификацию графических редакторов в упрощенном виде можно представить в виде деления на 3 группы: растровые, векторные и редакторы трехмерной графики [1].
Растровые применяются в основном для ретуши и обработки изображений. Самым известным редакторов данного типа является Adobe Photoshop.
Векторные предназначены для создания новых изображений, особую популярность они имеют в сфере полиграфических услуг. Самыми известными из векторных редакторов являются Adobe Illustrator и CorelDraw.
Редакторы трехмерной графики или, как их еще называют, 3D редакторы, позволяют создавать трехмерные изображения.
В целях нашего исследования мы подробнее остановимся на описательных характеристиках самых популярных редакторов, рассмотрим их основные характеристики, преимущества и недостатки.
Первым на очереди становится CorelDraw []. Полный пакет данной программы включает в себя несколько подпрограмм для растровой графики, трассировщики и поисковики шрифтов.
Данная программа может выполнять большой комплекс задач по работе с изображениями: обработка фото, создание графики, анимирование. При помощи данной программы пользователь может производить различные действия в одном редакторе.
CorelDraw имеет как свои плюсы, так и недостатки. На Рисунке 1 представлена схема, иллюстрирующая успешные характеристики редактора.
Рисунок 1 - Преимущества редактора CorelDraw[2]
Однако при всех плюсах, у программы имеются и свои недостатки. В ней очень сложно переделать растр в вектор, отсутствует возможность применения обширного сборника эффектов. Также неопытному пользователю сложно освоиться в перегруженных функционалом панелях, и нет инструментов, которые позволяли бы быстро и легко создавать графики и диаграммы.
Также популярной программой является Inkscape [3]. Данный редактор позволяет создавать и обрабатывать векторные изображения, также открывать и сохранять графику в форматах разного типа, например, gzip. Явным преимуществом является тот факт, что в редакторе можно использовать язык программирования Python, что способствует созданию кривых.
Однако редактор имеет свои недостатки: нельзя работать с цветовой моделью CMYK, графика может быть создана только для экранной визуализации, встречаются проблемы во время импорта файлов и замедляется использование процессора ввиду высокого уровня ресурсного потребления во время работы с редактором.
Плюсы программы представлены на Рисунке 2.
Рисунок 2 - Преимущества редактора Inkscape [3]
Cinema 4D - один их самых интересных редакторов для моделирования трехмерных объектов. У него очень мощный функционал, позволяющий моделировать объекты, создавать анимацию. Очень широко данный редактор распространен в дизайне и моушен-индустрии [1].
Из минусов редактора можно отметить неотлаженную систему перехода между версиями и незначительную перегруженность панели задач. Но эти немногочисленные минусы легко перекрываются преимуществами программы, перечисленными на Рисунке 3:
Рисунок 3 - Преимущества редактора Cinema 4D [1]
Похожим инструментом считается MODO, преимущества которого представлены на Рисунке 4. Помимо анимации и рисования содержит в себе элементы скульптуринга, что способствует более качественной визуализации моделирования объектов. Данный редактор является мощным инструментов с высоким уровнем производительности. Из недостатков можно отметить отсутствие обширной информации, что представляет сложность для работы в программе новичкам и обозревателям.
Рисунок 4 - Преимущества редактора MODO [1]
Однако все вышеперечисленные редакторы, при всех своих явных преимуществах не являются столь удобными для моделирования и отрисовки молекул, экспериментальных схем, биомолекул, как программа 3Ds MAX. В целях более подробного изучения ее особенностей, преимуществ и актуальности в рамках данной работы мы отдельно рассмотрим наполнение данного инструмента.
1.2 3Ds MAX: основные характеристики и преимущества
3Ds MAX является одним из наиболее традиционных и популярных инструментов среди всех прочих графических редакторов. Он не так прост в освоении, однако, у него огромный функционал и множество обучающей информации. Также присутствует бесплатная версия со всеми полноценными расширениями.
Основные возможности данного редактора включают в себя как создание, так и редактирование 3D графики. При всем при этом в пакете программ включено полигональное моделирование, которое может использоваться для разработки моделей различной сложности. Также 3Ds MAX содержит множество примитивных инструментов с различными модификаторами [4].
Также редактор позволяет моделировать на основе сплайнов. Этот традиционный способ является одним из самых базовых при создании трехмерных моделей. Применяются в нем и NURBS-кривые, которые считаются идеальным инструментов для моделирования органики и объектов, имеющих гладкую поверхность. Также, благодаря поверхностям Безье, на модели можно растягивать поверхность в любых направлениях.
Качественная анимация позволяет детально точно воспроизводить эффекты движения частиц, что также актуально для микробиологии, химии и других естественных наук.
Также в качестве безусловных положительных характеристик программы выделяются качества, представленные на Рисунке 5:
Рисунок 5 - Преимущества редактора 3Ds MAX [4]
ГЛАВА 2. ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГЛИКИРОВАНИЯ И ЛИОФИЛИЗАЦИИ
2.1 Гликирование: суть процесса и описание
Для того, чтобы охарактеризовать процесс гликирования, необходимо дать определение самому понятию.
Гликирование - это неферментативный процесс образования конечных продуктов гликозилирования, происходящий в условиях среды, насыщенной глюкозой, в результате реакции Мейяра через образование промежуточных продуктов - оснований Шиффа и продуктов Амадори [5, c. 112]. Проще говоря, гликирование - это частный случай реакции Мейяра.
Неферментативное гликозилирование белков - ключевой механизм повреждения тканей во время таких болезней как сахарный диабет, галактомезия, атеросклероз и другие [6]. Гликирование многих белков нарушает их функционал, что может приводить к патологиям.
В организме человека большинство белков подвержены данному процессу. Данный процесс по структуре можно разделить на две части:
Ферментативная
Неферментативная
Ферментативный процесс протекает в эндоплазме с участием определенных ферментов, служащих катализаторами наращивания олигосахаридов на молекуле белка. Продуктом данного процесса является гликопротеин [5, c. 116].
Неферментативный - это реакция конденсации белка и моносахарида с дальнейшими трансформациями данного соединения. Химическая конденсация - реакция соединения амина и альдегида [6, c. 211].
Реакция гликирования содержит в себе несколько этапов [7, c. 230]:
Конденсация. Сущность - это реакция дегидратации сахара с появлением воды, которая впоследствии испаряется из продукта. Процесс представлен на Рисунке 6:
Рисунок 6 - Конденсация [7]
Перегруппировка Амадори. В ходе данного процесса формируется кетозамин, продукт - монофруктозаглицерин. Процесс представлен на Рисунке 7:
Рисунок 7 - Перегруппировка Амадори [7]
Разложение Стреккера (представлено на Рисунке 8) - окисление аминокислот с выделением CO2 с образованием альдегидов.
Рисунок 8 - Реакция Стреккера [8]
4. Полимеризация и потемнение характеризуется образованием темного пигмента и запаха «жареного», как итог - образование меланоидинов Процесс представлен на Рисунке 9: [8].
Рисунок 9 - Полимеризация и потемнение [8]
2.2 Лиофилизация: суть процесса и описание
Для того чтобы охарактеризовать процесс лиофилизации, необходимо дать определение термину.
Лиофилизация - это процесс мягкой сушки веществ, в рамках которого продукт сначала замораживается, а затем перемещается в вакуум, в котором производится сублимационный процесс [8, c. 322].
Данный процесс высушивания имеет как свои преимущества, так и недостатки.
Явными преимуществами можно считать следующие [9, c. 469]:
Отсутствие воздействия высоких температур
Сохранение дисперсной фазы
Использование летучих растворителей
То есть, в ходе использования данного метода можно получить в качестве продукта сухие вещества без изменения их структуры и целостности. Также в процессе лиофилизации большинство белков не подвержены денатурации и могут сохраняться при умеренном охлаждении. Проще говоря, данный процесс дает нам возможность сушить вещество, не подвергая его биологическим и физическим изменениям как внешне, так и структурно.
Недостатком же данного процесса можно назвать высокую энерго- и трудозатратность: задолго до реализации необходимо подготовить максимально стерильный вакуум, тщательно подготавливать вещество для сушки, которая, в свою очередь, является очень длительной.
Лиофилизация разделяется на 4 этапа, представленных на Рисунке 10 [9, c. 453]:
Предварительная обработка. Данный этап может содержать в себе концентрацию, модификацию состава, уменьшение процента растворителя или увеличение площади поверхности вещества.
Замораживание - обычно производится простым путем: продукт помещается в колбу и начинает вращение. Положение колбы напрямую существует в зависимости с временем вращения. Такой способ ускоряет процесс лиофилизации, однако не подходит для крупных объектов. При масштабной лиофилизации замораживание происходит внутри лиофильной сушилки. Стоит отметить, что данный этап - один из самых важных, если технологический процесс будет нарушен, то продукт испортится.
Первичная сушка. На данном этапе очень сильно понижают давление и добавляют тепловые потоки, вследствие чего достигается сублимация 95 процентов воды. Вакуум ускоряет данный процесс.