Хамухин А.А. Введение в информатику для инженеров нефтегазового дела:

Подождите немного. Документ загружается.

Графические ускорители – это встраиваемые в видеокарты дополнительные

микросхемы, в которых аппаратно реализованы некоторые типовые для 3D-графики

функции обработки данных. Их появление было обусловлено развитием

компьютерных игр и на ускорение работы прочих приложений они особого влияния

не оказывали. Наиболее известные из них – 3Dfx, AGP.

Графические процессоры – это современные аппаратные средства ускорения

компьютерной графики, оказывающие влияние не только на компьютерные игры,

но и на другие приложения, использующие 3D-интерфейс. Так, например, Windows

Vista для своего интерфейса Aero требует от видеокарты полной поддержки DirectX

9 и 128 Мбайт видеопамяти.

В качестве примера современных средств аппаратной поддержки компьютерной

графики можно привести графический ускоритель GV-NX73G128D компании

Gigabyte Technology с процессором Nvidia GeForce 7300GS, изготовленным по

90-нанометровой технологии, и встроенной высокопроизводительной памятью

объемом 128 Мбайт. Новая технология производства графического процессора

позволила увеличить тактовую частоту его ядра до величины – 550 МГц –

обеспечив высокую производительность графического ускорителя GV-NX73G128D

при обработке трехмерной графики. Своими рабочими характеристиками GV-

NX73G128D обязан также фирменной патентованной технологии охлаждения

Screen-Cooling компании Gigabyte, которая обеспечивает бесшумную работу

ускорителя и низкое энергопотребление.

DirectX – это набор дpайвеpов и библиотек компании Microsoft, которые

предоставляют средства Windows API для работы с аппаpатуpой напрямую или с

минимальным количеством «посредников», что ускоряет работу программы. DirectX

содержит компоненты для работы с 2D-гpафикой (DirectDraw), 3D-гpафикой

(Direct3D), звуком (DirectSound), устройствами управления (DirectInput), сетями

(DirectPlay) и т.д. Для написания пpогpамм, использующих DirectX, требуется MS

DirectX SDK (для С/С++) или тот же SDK, адаптированный под другие языки.

OpenGL – это набор дpайвеpов и библиотек компании Silicon Graphics, которые

реализованы как аппаратно-независимые, но используют ускорители графики, если

они доступны.

5.1.3. Основы 3D-графики для пользователя

Создание трехмерных компьютерных изображений довольно сложная задача,

требующая знаний классической инженерной графики, стереометрии, высшей

математики (операции с матрицами) и программирования. Поэтому здесь мы

рассмотрим основные понятия, позволяющие начать изучение специальных пакетов

программ трехмерной графики (например, 3D Studio).

Пространство на мониторе, предназначенное для размещения трехмерного

изображения, называется сценой.

Каждая сцена состоит из:

• набора объектов,

• набора источников света,

• набора текстур,

• набора камер (обычно используется одна).

Каждый объект задается следующим:

141

• набором вершин (вершина определяется своими 3D координатами и

соответствующими ей координатами в текстуре),

• набором граней (грань определяется тремя вершинами и текстурой, кроме

текстуры могут быть заданы, например, коэффициенты рассеивания и отражения

света),

• поведением объекта (расположение (то есть смещение, ось поворота, угол

поворота, коэффициент масштабирования, и т.д.) в зависимости от номера кадра;

обычно задается в нескольких ключевых точках и интерполируется между ними с

помощью сплайнов).

Каждый источник света должен иметь:

• положение,

• ориентацию (точка, в которую направлен этот источник, target),

• тип (фоновый/направленный/ненаправленный),

• цвет (обычно RGB).

Каждая текстура представляет собой прямоугольную 2D картинку, часто

бывает фиксированных размеров (например, 64x64, 128x128, 256x256).

Каждая камера задается следующим:

• положением (location),

• направлением (точнее, точкой, в которую направлена эта камера; target),

• углом зрения (FOV),

• углом поворота относительно своей оси (roll).

RGB – система цветообразования, в которой конечный цвет получается за счет

смешения, с различной интенсивностью, трех основных цветов: красного (Red),

зеленого (Green) и синего (Blue).

Альфа-канал – специальный канал, входящий в описание цвета (RGB), который

отвечает за прозрачность данного цвета. Таким образом, цвет с учетом альфа-канала

описывается как ARGB.

Проецирование – процесс отображение трехмерного объекта на плоскости с

точки расположения камеры.

Растеризация – разделение объекта на пиксели, то есть представление в виде

растрового формата.

Рендеринг – процесс воссоздания трехмерного изображения на экране, по его

«скелетной» фигуре, требующий больших вычислительных ресурсов.

Текстурирование (Texture Mapping) – вычислительный процесс наложения

(«натягивания») двухмерных текстур на трехмерный объект, для придания ему

более реалистичного изображения без больших вычислительных затрат на

рендеринг.

Интерполяция – математический способ восстановления отсутствующей

информации. Например, необходимо увеличить размер изображения в 2 раза, со 100

пикселей до 200. Недостающие пиксели генерируются с помощью интерполяции

пикселей, соседних с тем, который необходимо восстановить. После восстановления

всех недостающих пикселей получается 200 пикселей вместо 100 существовавших,

и таким образом, изображение увеличилось вдвое.

Фрейм-буфер – буфер кадра. Специально отведенная область памяти

компьютера или отдельной платы для временного хранения данных о пикселях,

требуемых для отображения одного кадра (полного изображения) на экране

монитора. Емкость буфера кадра определяется количеством битов, задействованных

142

для определения каждого пикселя, который должен отображать изменяемую

область или количество цветов и их интенсивность на экране.

Z-буфер – часть графической памяти, в которой хранятся расстояния от точки

наблюдения до каждого пикселя (значения Z). Z-буфер определяет, какая из многих

перекрывающихся точек наиболее близка к плоскости наблюдения.

С помощью z-буфера реализуется процедура удаления невидимых поверхностей.

Обычно z-буфер имеет не менее 16 бит на пиксель для представления глубины

цвета. Аппаратные акселераторы 3D-графики могут иметь собственный z-буфер на

графической карте.

Триангуляция – процесс деления изображения на более мелкие формы, в

частности – треугольники, так как они легче обсчитываются и ими легче

манипулировать для преобразования изображения.

Спот (Spot) – световой источник, похожий на точечный. Он светит не во всех

направлениях, а в пределах некого конуса. Освещаются только объекты,

попадающие в этот конус.

Трассировка лучей (Ray Tracing) – один из самых сложных и качественных

методов построения реалистических изображений. Наиболее распространен вариант

«обратной трассировки лучей»: от глаза наблюдателя. Через пиксель строящегося

изображения, проводят луч и, учитывая все его отражения от объектов, вычисляют

цвет этого пикселя.

MIP-Mapping – дословно "много в одном". Метод улучшения качества

текстурных изображений при помощи использования текстур с разным

разрешением для различных объектов одного и того же изображения в зависимости

от их размера и глубины. Таким образом, в памяти хранятся несколько копий

текстурированного изображения в различных разрешениях. В результате этого

изображение остается качественным при приближении к объекту и при удалении от

него. При использовании этого метода Вы увидите изображение в высоком

разрешении, находясь близко от объекта, и изображение в низком разрешении, при

удалении от объекта. MIP-Mapping снижает мерцание и «зашумленность»

изображения, возникающие при texture mapping.

Bump Texture Mapping – в отличие от texture mapping , технология bump

mapping подразумевает использование, как минимум, еще одной (обычно в оттеках

серого) текстуры, которая служит в качестве карты для рельефа, который должен

проявиться при визуализации. Эта технология разработана для придания

дополнительной детализации и объемности объектам без изменения их

геометрических размеров. В случае, если bump map будет не статичной, а

анимированной, то можно достичь эффектов визуального изменения геометрии

объекта во времени.

Ambient – световой источник, который светит одинаково во всех направлениях.

Все объекты освещаются с равной интенсивностью.

Анти-алиасинг (Anti-aliasing) – способ обработки (интерполяции) пикселов для

получения более четких краев (границ) изображения (объекта). Наиболее часто

используемая техника, для создания плавного перехода от цвета линии или края к

цвету фона. В некоторых случаях, результатом является смазывание (blurring)

краев.

Back buffer – вторичный буфер. Область памяти, в которой рассчитываются

объекты трехмерной сцены. Вывод изображения на экран осуществляется через

Front Buffer (первичный буфер). Обычно процесс копирования содержимого

143

вторичного буфера синхронизируется с обратным ходом луча ЭЛТ-монитора. Таким

образом, достигается плавная смена кадров.

Блендинг (Blending) – комбинирование двух или более объектов с

использованием некоторого базиса пикселей.

Flat Shading (Flat) – метод затенения, называемый также постоянным

затенением. Поверхность объекта, построенного с использованием этого метода,

получается наиболее низкого качества, и изображение выглядит как бы поделенным

на блоки. Flat Shading даёт худший результат, чем, допустим, метод Gourad , но в

то же время и работает значительно быстрее.

Gouraud Shading (Smooth shading) – затенение методом Гуро (или плавное

затенение), один из наиболее популярных алгоритмов затенения, который

обеспечивает прорисовку плавных теней вокруг изображаемого объекта, что

позволяет изображать трехмерные объекты на плоском экране. Gouraud Shading,

или цветовая интерполяция – процесс, с помощью которого цветовая информация

интерполируется по поверхности многоугольника для определения цветов в каждом

пикселе. Информация о цвете связывается с каждым пикселем каждого

многоугольника с использованием линейной интерполяции по всему множеству

многоугольников. Этот метод уменьшает «блочность» изображения (смотри Flat

Shading) и в результате действия этого алгоритма, должен создаваться эффект,

заставляющий глаза зрителя экстраполировать информацию о глубине и кривизне

поверхности изображаемого объекта.

5.2. Введение в базы данных

Базы данных, оснащенные средствами картографической визуализации и

навигации на основе компьютерной графики, составляют основу быстро

набирающих популярность в последнее время геоинформационных систем (ГИС).

ГИС все более широко используются на практике, в том числе и в нефтегазовом

деле. Для более подробного изучения работы с различными базами данных

рекомендуется курс ИНТУИТ «Основы работы с базами данных» А.С.Грошев.

Кроме него в разделе «Технологии баз данных» ИНТУИТ имеется еще целый ряд

курсов для фундаментального изучения проектирования баз данных.

5.2.1. Основные определения баз данных

База данных (БД, database) − поименованная совокупность структурированных

данных, относящихся к определенной предметной области.

Предметная область – некоторая часть реально существующей системы,

функционирующая как самостоятельная единица. Полная предметная область

может представлять собой экономику страны или группы союзных государств,

однако на практике для информационных систем наибольшее значение имеет

предметная область масштаба отдельного предприятия или корпорации.

Система управления базами данных (СУБД) – комплекс программных и

языковых средств, необходимых для создания и модификации базы данных,

добавления, модификации, удаления, поиска и отбора информации, представления

информации на экране и в печатном виде, разграничения прав доступа к

информации, выполнения других операций с базой.

144

Реляционная БД – основной тип современных баз данных. Состоит из таблиц,

между которыми могут существовать связи по ключевым значениям. Кроме

реляционных существуют еще иерархические и объектно-ориентированные БД, но

их рассмотрение выходит за рамки настоящего пособия.

Таблица базы данных (table) – регулярная структура, которая состоит из

однотипных строк (записей, records), разбитых на столбцы (поля, fields).

В теории реляционных баз данных синоним таблицы – отношение (relation), в

котором строка называется кортежем, а столбец называется атрибутом.

В концептуальной модели реляционной БД аналогом таблицы является

сущность (entity), с определенным набором свойств – атрибутов, способных

принимать определенные значения (набор допустимых значений – домен).

Ключевой элемент таблицы (ключ, regular key) – такое ее поле (простой ключ)

или строковое выражение, образованное из значений нескольких полей (составной

ключ), по которому можно определить значения других полей для одной или

нескольких записей таблицы. На практике для использования ключей создаются

индексы – служебная информация, содержащая упорядоченные сведения о

ключевых значениях. В реляционной теории и концептуальной модели понятие

«ключ» применяется для атрибутов отношения или сущности.

Первичный ключ (primary key) – главный ключевой элемент, однозначно

идентифицирующий строку в таблице. Могут также существовать альтернативный

(candidate key) и уникальный (unique key) ключи, служащие также для

идентификации строк в таблице.

В реляционной теории первичный ключ – минимальный набор атрибутов,

однозначно идентифицирующий кортеж в отношении.

В концептуальной модели первичный ключ – минимальный набор атрибутов

сущности, однозначно идентифицирующий экземпляр сущности.

Связи – на концептуальном уровне представляют собой простые ассоциации

между сущностями. В реляционных базах данных между таблицами

устанавливаются связи по ключам, один из которых в главной (parent,

родительской) таблице – первичный, второй – внешний ключ – во внешней (child,

дочерней) таблице, как правило, первичным не является и образует связь «один ко

многим» (1:N). В случае первичного внешнего ключа связь между таблицами имеет

тип «один к одному» (1:1). Информация о связях сохраняется в базе данных.

Внешний ключ (foreign key) – ключевой элемент подчиненной (внешней,

дочерней) таблицы, значение которого совпадает со значением первичного ключа

главной (родительской) таблицы.

Ссылочная целостность данных (referential integrity) – набор правил,

обеспечивающих соответствие ключевых значений в связанных таблицах.

Хранимые процедуры (stored procedures) – программные модули, сохраняемые

в базе данных для выполнения определенных операций с информацией базы.

Триггеры (triggers) – хранимые процедуры, обеспечивающие соблюдение

условий ссылочной целостности данных в операциях изменения первичных ключей

(возможно каскадное изменение данных), удалении записей в главной таблице

(каскадное удаление в дочерних таблицах) и добавлении записей или изменении

данных в дочерних таблицах.

Объект (object) – элемент информационной системы, обладающий

определенными свойствами (properties) и определенным образом реагирующий на

внешние события (events).

145

Система – совокупность взаимодействующих между собой и с внешним

окружением объектов.

Репликация базы данных – создание копий базы данных (реплик), которые

могут обмениваться обновляемыми данными или реплицированными формами,

отчетами и другими объектами в результате выполнения процесса синхронизации.

Транзакция – изменение информации в базе в результате выполнения одной

операции или их последовательности, которое должно быть выполнено полностью

или не выполнено вообще. В СУБД существуют специальные механизмы

обеспечения транзакций.

Язык SQL (Structured Query Language) – универсальный язык работы с базами

данных, включающий возможности ее создания, модификации структуры, отбора

данных по запросам, модификации информации в базе и прочие операции

манипулирования базой данных.

По технологии обработки данных базы данных подразделяются на

централизованные и распределенные.

Централизованная база данных хранится в памяти одной вычислительной

системы. Эта вычислительная система может быть мэйнфреймом – тогда доступ к

ней организуется с использованием терминалов – или файловым сервером

локальной сети ПК.

Распределенная база данных состоит из нескольких, возможно,

пересекающихся или даже дублирующих друг друга частей, которые хранятся в

различных ЭВМ вычислительной сети. Работа с такой базой осуществляется с

помощью системы управления распределенной базой данных (СУРБД).

Проектирование схемы БД должно решать задачи минимизации дублирования

данных, упрощения и ускорения процедур их обработки и обновления. При

неправильно спроектированной схеме БД могут возникнуть аномалии модификации

данных. Для решения подобных проблем проводится нормализация отношений.

Нормализация – это формальный метод анализа отношений на основе их

первичного ключа и существующих связей. Ее задача – это замена одной схемы

(или совокупности отношений) БД другой схемой, в которой отношения имеют

более простую и регулярную структуру. При работе с реляционной моделью для

создания отношений приемлемого качества достаточно выполнения требований

первой нормальной формы.

Первая нормальная форма (1НФ) связана с понятиями простого и сложного

атрибутов. Простой атрибут – это атрибут, значения которого атомарны (то есть

неделимы). Сложный атрибут может иметь значение, представляющее собой

объединение нескольких значений одного или разных доменов. В первой

нормальной форме устраняются повторяющиеся атрибуты или группы атрибутов,

т.е. производится выявление неявных сущностей, «замаскированных» под атрибуты.

Отношение приведено к 1НФ, если все его атрибуты простые, то есть

значение атрибута не должно быть множеством или повторяющейся группой. Для

приведения таблиц к 1НФ необходимо разбить сложные атрибуты на простые, а

многозначные атрибуты вынести в отдельные отношения.

В реальном проектировании структуры базы данных применяются другой метод

– так называемое семантическое моделирование. Семантическое моделирование

представляет собой моделирование структуры данных, опирающееся на смысл этих

данных.

146

5.2.2. Основные этапы разработки базы данных

1. Разработка информационно-логической модели предметной области

(ИЛМ ПО)

На этом этапе определяется состав информационных объектов (ИО), данные о

которых должны находиться в базе, а также их структура, необходимая для

обеспечения перечня запросов, который обычно формулируется в техническом

задании на разработку БД. Эти данные представляются в форме реквизитов ИО,

содержащихся в различных документах – источников загрузки БД. На этом этапе

устанавливаются функциональные зависимости и производится нормализация

данных. ИЛМ должна быть представлена в каноническом виде, который отражает

иерархию подчинения нормализованных ИО. Каноническая модель позволяет

реализовать главные принципы БД: однократный ввод данных и целостность базы

при внесении изменений.

2. Определение логической структуры БД

На этом этапе определяются ключевые реквизиты и составляется схема данных.

Если предыдущий этап был выполнен корректно, то данный этап заключается в

формальном применении средств СУБД: выделение ключевого реквизита, протяжка

связей между одноименными реквизитами, входящими в состав разных ИО с

установлением атрибута «обеспечение целостности данных».

3. Конструирование объектов БД средствами СУБД (таблицы, формы,

запросы и т.п.)

Этот и следующий этапы зависят от конкретной СУБД и будут рассмотрены

ниже

4. Заполнение (загрузка) БД с документов-источников и тестирование ее

работы

Для тестирования работы БД производится ее пробное заполнение данными, по

которым результаты запросов заранее известны. Затем эти запросы выполняются, и

результаты сравниваются с образцами. В случае несовпадения производится возврат

на один из предыдущих этапов, и вся процедура повторяется, пока все тесты не

будут выполнены правильно.

Для инженеров нефтегазового дела, как прикладных специалистов, в зону

ответственности попадает в первую очередь первый этап проектирования БД –

разработка модели предметной области. Поэтому рассмотрим два примера на эту

тему.

5.2.3. Пример 1. Контроль успеваемости в вузе

Предметная область: система обучения в вузе.

147

ТЗ: обеспечить запросы по оценкам студентов по предметам, по

преподавателям, по группам, по местопроживанию и по возрасту студентов.

ИЛМ ПО:

В соответствии с ТЗ можно выделить сразу два информационных объекта:

«Успеваемость», содержащий всю информацию об оценках, и «Студенты»,

содержащий всю информацию о студентах. В соответствии с требованием

нормализации, реквизиты ИО должны быть атомарны, т.е.неделимы, потому

выполняем декомпозицию (разделение) двух объявленных объектов и добавляем

следующие ИО: «Группы», содержащий данные по каждой группе,

«Преподаватели» с данными по каждому преподавателю и «Предметы» с данными

по каждому предмету. Результаты представлены в табл. 5.1 и на рис. 5.1.

Таблица 5.1

Состав ИЛМ заданной ПО в соответствии с ТЗ

ИО Реквизиты Условное

обозначение

Номер группы НГ

Количество студентов

в группе

КОЛ

Специальность СПЕЦ

ГРУППЫ

Средняя успеваемость

в группе

СРБАЛ

Номер группы НГ

Номер студента в

группе

НС

ФИО студента ФИО

Дата рождения ДАТР

СТУДЕНТЫ

Адрес

местожительства

АДР

Название предмета НП

Количество часов для

изучения

ЧАС

Номер семестра СЕМ

ПРЕДМЕТЫ

Вид аттестации АТТ

ФИО преподавателя ФИОП

Должность ДОЛЖ

Ученая степень СТ

ПРЕПОДАВАТЕЛИ

Ученое звание ЗВ

Номер группы НГ

Номер студента в

группе

НС

Название предмета НП

ФИО преподавателя ФИОП

УСПЕВАЕМОСТЬ

Оценка ОЦ

148

Рис. 5.1. Схема данных ИЛМ заданной ПО в соответствии с ТЗ

5.2.3. Пример 2. Обломочные горные породы (ОГП)

Предметная область: геология, горные породы.

ТЗ: обеспечить запросы на свойства ОГП по их названиям и наоборот.

ИЛМ ПО:

На первом этапе определяется состав информационных объектов, данные о

которых должны находиться в базе, а также их структура, необходимая для

обеспечения перечня запросов. В качестве исходных данных возьмем обычную

таблицу из учебника геологии. Она представлена в табл. 5.2.

Для того чтобы преобразовать эти данные к виду, принятому в реляционных

базах данных, необходимо выделить минимум два информационных объекта:

таблицу с перечнем свойств обломочных горных пород и таблицу с перечнем

названий обломочных горных пород. Затем необходимо указать связи между

одноименными реквизитами выделенных информационных объектов. Очевидно,

что выделенные атрибуты являются простыми, то есть неделимыми, следовательно,

отношение приведено к 1НФ.

Структуры указанных таблиц и схема данных будут иметь вид, представленный

на рис. 5.2.

149

Таблица 5.2

Осадочные обломочные (терригенные) горные породы

Рыхлые ОГП Сцементированные ОГП

Структура

Подгруппа

пород и

размер

обломков, мм

Обломки

неокатанные

Обломки

окатанные

Обломки

неокатанные

Обломки

окатанные

>200 глыба валуны

глыбовая

брекчия

валунный

конгломерат

10 – 200 щебень галечник брекчия конгломерат

Псефитовая

1(2) – 10 дресва гравий дресвяник гравелит

Псаммитовая 0,1 – 1 песок песчанник

Алевритовая 0,01 – 0,1 алеврит (лесс) алевролит

Пелитовая <0,01 глина аргиллит

Рис. 5.2. ИЛМ данных в соответствии с таблицей 5.2: а – таблица свойств ОГП

150