[논문 리뷰] Modern Microscopy with the Web of Things: The OpenFlexure Microscope Software Stack

Joel T. Collins, Joe Knapper외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 04.

Cell Image Analysis Techniques참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 웹 오브 테이츠(Web of Things, WoT) 기반 소프트웨어 스택을 개방형 플렉스처 마이크로스코프에 적용하여 표준화된 HTTP API를 통해 그래픽적 제어와 스크립트 기반 제어를 모두 가능하게 한다. W3C WoT 표준을 활용해 클라이언트와 서버 애플리케이션을 분리함으로써 다중 프로그래밍 언어 스크립팅, 원격 액세스, 동시에 연결된 클라이언트 다수, 확장성 등이 가능해져, 다양한 연구 환경에서 자동화된 현미경 제어를 위한 견고하고 상호운용성 있고 사용자 友好的한 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

Automated and computerised control of scientific instrumentation is almost ubiquitous in the modern laboratory. Most instrumentation is controlled over decades old communication busses or is accessed via proprietary system libraries. This limits which languages and operating systems can be used to control instruments, and poses a significant problem when interfacing multiple instruments into the same experiment. Here we present the OpenFlexure Microscope software stack as an example of how a scientific instrument can be controlled using existing, cross-platform, language-independent, industry-supported standards. We split the control code into client and server applications interfaced via a web API that conforms to the W3C Web of Things standard. This enables simple control of the microscope from multiple languages, provides a modern graphical control interface, and minimises duplicated code. Network control also makes the software stack more robust, allows multiple microscopes to be controlled by one computer, and facilitates sharing of equipment between local or remote users. Using a Web of Things approach in research laboratories has the potential to solve many of the key challenges of experiment integration, using technology that is already well established.

연구 동기 및 목표

• 다양한 기술적 요구사항을 가진 초보자 및 숙련자 사용자가 개방형 소스 자동 현미경을 사용할 수 있도록 지원하는 도전 과제를 해결하기 위해.
• 다양한 프로그래밍 언어와 플랫폼에서 그래픽 인터페이스와 프로그래밍 기반 제어를 원활하게 통합하기 위해.
• 독자적 또는 언어 기반 솔루션이 아닌 표준 웹 프로토콜을 채택함으로써 기기 간 상호운용성을 향상시키고 코드 중복을 줄이기 위해.
• 분산 또는 협업 연구 환경에서 원격으로 네트워크화되고 다중 기기 제어가 가능한 현미경 제어를 지원하기 위해.
• 미래의 새로운 하드웨어 및 자동화 워크플로우 통합을 가능하게 하는 모듈식이고 확장 가능한 소프트웨어 아키텍처를 만들기 위해.

제안 방법

• Raspberry Pi에서 실행되는 독립형 서버 애플리케이션으로 제어 스택을 분해하여 W3C 웹 오브 테이츠(WoT) 아키텍처에 부합하는 표준화된 HTTP API를 노출한다.
• 표준 웹 브라우저를 통한 액세스 또는 크로스 플랫폼 사용을 위한 Electron 데스크톱 앱으로 팩키징된 Vue.js 기반 웹 기반 그래픽 클라이언트를 구현한다.
• 표준 HTTP 요청을 사용하여 Python 및 MATLAB용 언어 독립 클라이언트를 개발함으로써 네트워크 액세스가 가능한 모든 시스템에서 스크립트 기반 자동화를 가능하게 한다.
• OpenAPI 사양을 사용하여 클라이언트 라이브러리와 문서를 자동 생성함으로써 일관성 확보 및 구현 오류 감소를 달성한다.
• 이미지 피드백을 기반으로 한 校정 파이프라인을 구현하여 스테이지 좌표를 카메라 좌표로 매핑함으로써, 폐쇄 루프 동작 제어를 가능하게 하고 기계적 오차를 감소시킨다.
• 플러그인을 통한 확장성 메커니즘을 설계하여 핵심 코드를 수정하지 않고도 사용자가 새로운 하드웨어 제어나 자동화 루틴을 추가할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 통합된 소프트웨어 스택을 설계하여 개방형 마이크로스코프에서 상호작용적 그래픽 제어와 프로그래밍 기반 스크립팅을 동시에 지원할 수 있는가?
• RQ2 표준 웹 프로토콜을 사용할 경우 과학 기기 제어 소프트웨어에서 상호운용성 향상과 코드 중복 감소에 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ3 네트워크 기반, API 중심 아키텍처가 성능이나 사용성에 손해를 입히지 않으면서도 원격, 다중 사용자, 다중 마이크로스코프 제어를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 실시간 이미지 피드백을 활용하여 기계적 오차(예: 역행, 드리프트)를 어떻게 보정할 수 있는가?
• RQ5 오픈소스 과학 소프트웨어에서 확장성과 장기적 유지보수를 가능하게 하는 아키텍처 패턴은 무엇인가?

주요 결과

• WoT 준수 HTTP API는 Python, MATLAB 등 HTTP를 지원하는 모든 프로그래밍 언어에서 커스텀 라이브러리나 프레임워크 없이 OpenFlexure 마이크로스코프 제어를 가능하게 한다.
• 그래픽, 스크립트 기반, 원격 클라이언트가 동시에 동일한 마이크로스코프에 연결 가능하여, 자동화된 프로토콜 실행 중에도 실험의 실시간 모니터링이 가능하다.
• 이미지 기반 피드백을 통한 스테이지 校정 및 폐쇄 루프 동작 제어는 기계적 오차를 크게 감소시키고 대규모 스캔 중 누적 드리프트를 방지한다.
• 소프트웨어 스택은 완전히 오픈소스이며, 허용성 있는 라이선스 하에 배포되며, 모든 소스 코드와 문서는 GitLab과 GitHub에 호스팅되어 있으며, 압축된 릴리스 버전도 포함되어 있다.
• 핵심 소프트웨어 구성 요소인 LabThings Python 라이브러리 등은 마이크로스코프 외부에서도 재사용 가능하며, 다른 WoT 준수 과학 기기의 지원을 위해 설계되어 있다.
• OpenAPI 및 Thing Description 표준을 채택함으로써 자동 문서화 및 클라이언트 코드 생성이 가능해져 개발 오버헤드 감소와 유지보수성 향상에 기여한다.