Исследование процессов программного управления оптическим микроскопом через Интернет

Автоматизация проектирования элементов технологических систем и процессов

УДК 004.771; 681.723.22

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИМ МИКРОСКОПОМ ЧЕРЕЗ ИНТЕРНЕТ

Р.А. Филиппов, Л.Б. Филиппова, В.И. Аверченков

Рассмотрены вопросы организации проведения лабораторных исследований с помощью оптического микроскопа LEICA DM IRM с использованием глобальной сети Интернет. Освещены моменты выбора программного обеспечения для всех компонентов разрабатываемого интерфейса доступа к удаленному оборудованию. Предложена структурная схема программного комплекса и описаны основные моменты удаленного управления фотоаппаратом Olympus 5050-C. Рассмотрены основные компоненты таблиц баз данных, а также представлены общий вид и структура веб-интерфейса удаленного управления лабораторией микроскопического анализа.

Ключевые слова: удаленное управление, веб-сервис, микроскоп, база данных.

Вопросы автоматизации процесса проведения лабораторных исследований являются наиболее актуальными при использовании дорогостоящего уникального оборудования. Также актуальным является вопрос предоставления удаленного доступа к высокотехнологичному оборудованию. Такой доступ может быть осуществлен как посредством локальной вычислительной сети, так и через глобальную сеть Интернет. Для предоставления автоматизированного удаленного доступа, в том числе и через Интернет, к такому оборудованию необходимо создавать специализированное программное обеспечение, позволяющее работать с удаленным оборудованием. Специальный графический интерфейс должен выполнять роль органов управления и реализовываться на основе имитационной модели основных узлов реального прибора в виде графических объектов на экране монитора [1].

Разработана система управления лабораторией микроскопического анализа, которая состоит из сложного программно-технического комплекса, в состав которого входят микроскоп Leica DMIRM с системой видеофиксации фотоаппарата Olympus 5050-C и системой управления двухкоор-динатным столом микроскопа и изменения фокуса, камерой, показывающей процесс проведения исследования. Для управления данным оборудованием используется программный комплекс, объединённый единым веб-интерфейсом.

Для управления процессом исследования на рассматриваемом комплексе были разработаны зависимости для определения управляющих параметров перемещения по основным осям.

Минимальное перемещение по осям X,Y,Z

^min =~ КдрU редUв.п,

Pв

где Рдв - число шагов двигателя на один оборот; Кф - коэффициент дробления шага (1/2,....); иред - передаточное отношение редуктора;

Uвп - передаточное отношение механизма преобразования вращательного движения в поступательное.

Масштаб перемещения (количество шагов (микрошагов), совершаемых двигателем при перемещении столика на 1 мм) можно определить по формуле

Sc = U-U-РдвКдр

U в.пи ред

Цена одного импульса (град/шаг) по углу поворота блока объективов [2]

фимп = т; 7~т -Кдриред.

Рдви вп

Число импульсов (шагов), необходимых для углового перемещения объектива в рабочую позицию, при пяти объективах в головке определяется по формуле

3600

поб = --.

5фимп

В процессе удаленного доступа к комплексу пользователь имеет возможность работать с микроскопом аналогично исследователю, работающему непосредственно на самом оборудовании. Данная схема позволит проводить научные исследования в области микроструктурного и микрогеометрического анализа различных образцов и деталей в условиях дистанционного доступа, что значительно повысит эффективность использования дорогостоящего научного оборудования.

Программный комплекс системы управления лабораторией микроскопического анализа разделен на две части: серверную часть, через которую осуществляется взаимодействие конечных пользователей с лабораторией, и программный комплекс, расположенный непосредственно в самой лаборатории. Структура программного комплекса представлена на рис. 1.

На данной схеме показаны основные элементы, посредством которых возможна реализация управления лабораторией микроскопического анализа.

В программный комплекс управления лабораторией входят серверная часть программного обеспечения и программное обеспечение, установленное на компьютере, непосредственно управляющее элементами технического обеспечения лаборатории, такими, как двухкоординатный стол и блок настройки четкости микроскопа Leica DMIRM посредством шаговых электродвигателей, фотоаппарат Olimpus 5050-C.

Такое разделение позволяет при необходимости оставаться рассматриваемой лаборатории полностью автономной и не нести на себе нагрузки самого сервера, а также обеспечивать функционирование сервера в качестве справочно-информационного сервиса во время отключения физического оборудования лаборатории.

Сервер

Программное обеспечение лаборатории микроскопического анализа

USB порт

Рис. 1. Структурная схема программного комплекса управления виртуальной лаборатории микроскопического анализа

На компьютере, управляющем микроскопом, также установлено программное обеспечение для захвата видео с веб-камеры и трансляции его в сеть.

При разработке веб-сервиса были задействованы следующие программные и лингвистические средства, позволяющие обеспечить его функционал и интерактивность при использовании:

Html - язык описания гипертекстового документа;

CSS - язык описания документа, стилизующий его внешнее представление;

PHP - кроссплатформенный язык написания сайтов;

AJAX (doc) - технология, которая делает сайт более динамичным в использовании;

бесплатная версия плеера flowplayer-3.2.7;

Delphi 7 - среда для создания CGI приложений;

ManyCam;

VLC-player.

Для передачи видеопотока с фотоаппарата был проведен анализ различных вариантов решения данной задачи, таких, как VLC-плеер, ManyCam, написание собственного приложения. Наиболее быстрым и качест-

173

венным решением стало написание собственного приложения для захвата видео и передачи его по сети. Захват видео осуществляется посредством модуля DSPack Delphi, осуществляющего взаимодействие с DirectShow [3]. Передача видео на сервер осуществляется путем захвата изображений видеопотока и их последующей трансляции через клиент сокет, подключающийся к порту открытому на сервере. Затем подпрограмма прописанная на странице эксперимента производит обновление изображения на странице. Для осуществления настройки видео захвата картой оцифровки видео разработан программный модуль на основе Software Development Kit (SDK).

Также одной из решаемых задач при создании программного комплекса явилось осуществление удаленного управления функциями фотоаппарата Olympus 5050-C.

Для управления настройками фотоаппарата и удаленного получения фото был создан распределенный программный комплекс, где часть модулей располагается на компьютере, к которому подключен микроскоп, а вторая часть модулей расположена на удаленном компьютере. Такой подход позволяет минимально загружать лабораторную установку с подключенным к ней компьютером в процессе создания комплекса и разработки внешнего вида интерфейса управления.

Модуль, отвечающий за фотографирование и передачу изображения микроструктур, располагается на компьютере, к которому подключена камера, и содержит в себе описание всех команд и настроек для управления фотоаппаратом. Программирование взаимодействия программы с камерой осуществляется посредством SDK, предоставленного разработчиками данной камеры.

Для получения фотоизображения с камеры необходимо осуществить ряд действий посредством выполнения команд. Сначала необходимо осуществить инициацию камеры, выполнив команду «RyeNVControll. InitControl», где RyeNVControll - это модуль SDK. Затем после успешной инициации камеры можно соединяться с ней посредством команды RyeNVControll.connect(O), 0 в скобках отвечает за номер камеры, к которой будет произведено подключение в случае, если их больше l, после того, как произошло соединение с камерой, можно выполнять фотографирование RyeNVControll.Capture (nCamNum, bImmediate). Фотографирование по умолчанию производится на Flash-карту фотоаппарата.

Затем необходимо получить номер полученного изображения. Для этого определяется общее количество изображений на карте памяти, фотоаппарат по умолчанию добавляет новое изображение в конец списка. Затем осуществляется работа с этим изображением: получается его размер, он необходим для создания буфера. Так как в команде GetPicture (nCamNum, imageSize, pic) получения изображений переменная pic должна быть oleVa-riant, в связи с чем не происходит автоматического выделения памяти, то перед этой командой необходимо переменной pic выделить место вручную, что осуществляется путем присвоения переменной pic буфера. Далее

изображение сохраняется в файле на жестком диске и отображается в поле Image. После того, как фото успешно отображено и сохранено на жестком диске, происходит его удаление из flash-памяти фотоаппарата.

Также в рамках комплекса предусмотрена возможность настроек параметров фотоаппарата, таких, как баланс белого, включение-выключение вспышки, параметры сжатия изображения, управление оптическим увеличением.

Для хранения всех необходимых настроек, а также для обеспечения сохранности всех проведенных экспериментов необходимым явилась разработка базы данных, позволяющей хранить следующие данные [5]: ФИО зарегистрированного пользователя; название организации, в которой он работает; электронный адрес пользователя;

пароль пользователя, для возможности осуществления авторизации и получения доступа к информации закрытой для гостевого входа; уровень доступа пользователя; название проводимого эксперимента; результаты эксперимента;

исходная информация для проведения эксперимента. Также для авторизации пользователей предусмотрены следующие уникальные поля: имя (name); фамилия (last_name); отчество (middle_name); nick_name - Ник ; почта (email); пароль (password); уровень доступа (level).

Веб-интерфейс управления лабораторией микроскопического анализа представлен на рис. 2.

Интерфейс можно разделить на 5 функциональных блоков. Первый блок представляет собой горизонтальное меню, оно позволяет оставить запрос на доступ к элементам управления, осуществить навигацию по информационным и программным разделам данного комплекса [6].

Второй блок представляет собой плеер, получающий видео, транслируемое из лаборатории. Плеер позволяет прервать трансляцию и возобновить ее в нужный момент. В третьем блоке отображается видео, получаемое из камеры, установленной на микроскопе, что в совокупности с блоком 5, отвечающим за управление двух координатным столом, осуществляет выбор необходимого ракурса для получения фотографии микроструктуры. Фото микроструктуры получается нажатием на изображение фотоаппарата в блоке 4. Там же будет отображено полученное изображение.

Выделим следующие основные группы пользователей разработанным интерфейсом:

учебная группа (школьники, студенты, аспиранты); научная группа (преподаватели вузов, научные работники); производственная группа (представители предприятий).

Рис. 2. Веб-интерфейс удаленного управления лабораторией микроскопического анализа

Все эти группы пользователей, используя механизмы аутентификации и идентификации, могут получить доступ и беспрепятственно проводить исследования.

Использование комплекса в учебном процессе, а также при проведении научных исследований позволит повысить качество и эффективность образования, необходимую информационную научных разработок в области компьютерной микроскопии. В процессе удаленного доступа к комплексу авторизованный пользователь сможет работать с микроскопом аналогично исследователю, работающему непосредственно на самом оборудовании.

Данная схема позволит проводить научные исследования в области микроструктурного и микрогеометрического анализа различных образцов и деталей в условиях дистанционного доступа, что значительно повысит эффективность использования дорогостоящего научного оборудования.

Список литературы

1. Аверченков В.И., Филиппов Р.А., Программно-аппаратный комплекс виртуальной лаборатории для микроструктурного и микрогеометрического анализа // Вестник БГТУ. Вып. 3. Брянск: Изд-во БГТУ, 2010. С. 78 - 83.

2. Павлов А. CGI-программирование: учебный курс. СПБ.: Питер, 2001. 416 с.

3. Аверченков В.И., Аверченков А.В., Беспалов В. А. Инновационные центры высоких технологий в машиностроении: монография/ под общ. ред. В.И. Аверченкова, А.В. Аверченкова. Брянск: Изд-во БГТУ, 2009. 180 с.

4. Патент 110842 РФ на полезную модель. Аппаратно-программный комплекс для управления удаленным оптическим микроскопом / А.В. Аверченков, В.И. Аверченков, Р. А. Филиппов, Д.В. Чмыхов Опубл. 27.11.11.

5. Gibbon G.A. Brief History of LIMS // Laboratory Automatiion and Information Management issue. V. 32. 1996.

6. Pars R., Moroney L., Grieb J. Pro ASP.NET 3.5 Server Controls and AJAX Components. 2009 г.

Филиппов Родион Алексеевич, канд. техн. наук, доц., aver@tu-bryansk.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет,

Филиппова Людмила Борисовна, канд. техн. наук, доц., aver@ tu-bryansk.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет,

Аверченков Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., aver@ tu-bryansk.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет

RESEARCH OF PROCESSES OF PROGRAMMED CONTROL BY AN OPTICAL MICROSCOPE THROUGH THE INTERNET

R.A. Filippov, L.B. Filippova, V.I. Averchenkov

Questions of the organization of carrying out of laboratory researches by means of optical microscope LEICA DM IRM with use of a global network the Internet are considered. The moments of a choice of the software for all components of the developed interface of access to the remote equipment are shined, the block diagram of a program complex is offered and high lights of remote management by camera Olympus 5050-C are described. Within the limits of article the basic components of tables of databases are considered and also the general view and structure of the web interface of remote management is presented by laboratory of the microscopic analysis.

Key words: Remote control, web service, microscope, database.

Filippov Rodion Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, aver a /ii-bryansk.ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,

Filippova Lyudmila Borisovna, candidate of technical sciences, docent, aver@tu-bryansk.ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,

Averchenkov Vladimir Ivanivich, doctor of technical sciences, professor, averatu-bryansk.ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University