Визуализация инженерных и научных расчетов (стр. 6 из 12)
Этот этап очень важен. От структуры данных зависит быстродействие создаваемого ПО, компактность кода и файлов, в которых хранятся результаты расчетов.
Интерфейс с рассчитывающей программой может быть совершенно различным. Информация может передаваться через оперативную память (ОЗУ), через файловую систему в виде бинарных файлов или, более объемных, текстовых файлов. Файлы могут быть компрессированы или нет. Какой из способов выбирать зависит от нескольких факторов:
1. Скорость выполнения расчета – если рассчитывающая программа проводит быстрый анализ, то, возможно, целесообразнее не создавать лишних файлов на внешнем носителе и использовать ОЗУ.
2. Частота изменения входных данных – при частой смене входных данных для расчетов намного эффективнее будет применение передачи результатов через ОЗУ, с вызовом программы визуализации как подпрограммы.
По этим двум факторам можно сказать еще следующее: если программа выполняет расчеты долго, или входные данные не меняются (используется итеративный процесс) целесообразней будет использование файловой системы для долгосрочного хранения.
3. Объем передаваемой информации – если объем очень большой, то эффективнее будет хранить его в виде файла.
Выбор вида файла (бинарный или текстовый) зависит от языка программирования. Однако следует учесть, что бинарный файл меньше по объему.
Компрессировать или нет файл с результатами определяется следующим фактором: если вы пишете ПО для большой САПР и программисты, принимающие участие в этом проекте используют одну и ту же подпрограмму компрессии, то в этом случае следует выбрать сжатый файл. Если же вы пишите университетскую программу или программу для предприятия, на которой будут смотреть результаты своих программ инженеры вашего коллектива, то в этом случае, для упрощения процесса написания рассчитывающих программ следует выбрать не сжатые файлы.
В структуру данных также включается управляющая информация для ПО. Она может включать в себя различные параметры как-то: границы массивов данных, значения или шаги по осям, виды представления. При выборе файлового интерфейса ее можно хранить либо отдельно от основных данных, либо вместе с ними. Это уже зависит от вкуса программиста.
2.4 Построение математической модели отображаемой информации.
2.4.1 Использование готовых библиотек
В наше время, как отмечалось выше, большинство разработчиков программного обеспечения, связанного с графикой, используют стандартные библиотеки от крупных производителей программ (Microsoft, SiliconGraphics, 3Dfx). Этими библиотеками являются: OpenGL, DirectX, DirectDraw. Их использование ускоряет процесс разработки программы, к тому же они в полной мере задействуют графический и математический сопроцессоры, что увеличивает производительность. Эти библиотеки включают в себя и аппроксимацию и методы работы с двухмерными и трехмерными объектами, такие как аффинные преобразования и методы скрытия невидимых линий, т. е. Так же исчезает необходимость в затратах на сложный процесс математического моделирования.
Помимо этого, некоторые производители компиляторов поставляют пакеты обработки результатов математического анализа для отображения в графическом виде. Обычно эти пакеты поставляются в виде компонентов ActiveX (для Windows-платформ). Реже поставляются готовые универсальные оболочки. Программы, написанные для них не нуждаются в разработке интерфейса пользователя большой сложности, что, например, для языка VisualFortran, использующего толькоWIN32 API, заметно сокращает время и затраты на создание ПО для визуализации. Частным примером такого пакета является рассматриваемый в данной дипломной работе CompaqArrayVisualizer (версия 1.5), включающий в себя компоненты ActiveX: Avis2D (для отображения двумерных массивов данных) и AvisGrid (для отображения числовых данных в виде таблицы).
Использование таких компонент и пакетов еще больше ускоряет процесс разработки (хотя, вследствие дороговизны пакетов не дает более экономически выгодных результатов). К преимуществам разработки на готовых универсальных оболочках является стандартизация, т.е. пользователю или инженеру нет необходимости изучать новые программы и их системы интерфейсов и меню. Таким образом, недостающего экономического эффекта можно достигать путем сокращения расходов на обучение персонала.
Негативная сторона заключается в затратах на обучение программистов, а так же в затратах на оболочки визуализации. Помимо этого библиотеки, а тем более оболочки, могут не иметь нужных вам функций (например: неудобно выводить данные в логарифмическом масштабе при использовании Avis2D). Кроме того, для использования данного подхода, так как в этом случае крупные производители ПО не применяют технологию “открытого кода”, практически невозможно учесть ошибки, содержащиеся в коде скомпилированных библиотек и оболочек. Такие ошибки обнаруживаются только в процессе использования программы. Но, по сравнению с исправлением программы с собственной математической моделью, это занимает гораздо меньшее время, так как там ошибки могут содержаться не только в коде, но и в модели.
2.5 Построение собственных математических моделей
При разработке своей математической модели (далее: модели) необходимо учитывать быстродействие машин, на которых должна исполнятся программа. Таким образом можно пропустить некоторые из описанных ниже математических и алгоритмических методов.
Интерполяция.
Результаты вычисляемые рассчитывающей программой представлены в табличном виде. Для сглаживания графиков и поверхностей необходима интерполяция данных. Существует множество алгоритмов и методов интерполяции. Наиболее быстрым и часто применяемым методом является сплайн-интерполяция, которую мы рассмотрим более подробно.
Кусочно-полиномиальная интерполяция заключается в том, что между любыми соседними узлами сетки функция интерполируется кубическим полиномом (кубическая сплайн-интерполяция). Его коэффициенты на каждом интервале определяются из условий сопряжения в узлах:
fi=yi
f’(xi-0)=f’(xi+0)
f’’(xi-0)=f’’(xi+0)
Кроме того, на границе, при x=x0 и x=xn ставятся условия:
f'’(x0)=0 и f``(xn)=0 (1)
Будем искать кубический полином в виде:
 |
f(x)=ai+bi(x -–xi-1)+ci(x-xi-1)2+di(x-xi-1)3, (2)
Из условия fi=yiимеем:
f(xi-1)=ai=yi-1
f(xi)=ai+bihi+ciIi2+dihi3=yi. (3)
hi=xi-xi-1, i=1,2,…,n-1
Вычислим производные:
f’(x)=bi+2ci(x-xi-1)+3di(x-xi-1),
f’’(x)=2ci+6di(x-xi-1),
И потребуем их непрерывности при x=xi:
bi+1=bi+2cihi+3dihi2,
ci+1=ci+3dihi, i=1,2,…,n-1 (4)
Общее число неизвестных коэффициентов, очевидно, равно 4n, число уравнений (3) и (4) равно 4n-2. Недостающие два уравнения получаем из условий (1) при x=x0 и x=xn;
ci=0, cn+3dnhn=0.
 |
Выражая из (4) di=(ci+1-ci)/3hi, подставляя это значение в (3) и исключая
ai=yi-1, получим:
i=1,2,…,n-1,
 |
Подставив теперь выражения для bi, bi+1 и di в первую формулу (4),
после несложных преобразований получаем для определения ci разностное уравнение второго порядка.
i=1,2,…,n-1. (5)
C краевыми условиями:
c1=0, cn+1=0. (6)
Условие cn+1=0 эквивалентно условию cn+3dnhn=0 и уравнению ci+1=ci+dihi. Разностное уравнение (5) с условиями (6) решается методом прогонки.
Можно ввести понятие сплайна порядка mкак функции, которая является полиномом степени m на каждом их отрезков сетки и во всех внутренних узлах сетки удовлетворяет условиям непрерывности функции и производной порядка m-1 включительно. Обычно для интерполяции используются случаи m=3 (рассмотренный выше кубический сплайн) и m=1 (линейный сплайн, соответствующий аппроксимации графика функции y(x) ломаной, проходящей через точки (xi,yi)).
Работа с трехмерными изображениями.
После проведения интерполяции уже можно построить графики для одномерных случаев. Но двумерные случаи (поверхности) требуют дополнительных математических и алгоритмических методов.
Изображение пространственных объектов на экранной плоскости не возможно без операции проектирования. Видов такого проектирования существует довольно много. Мы остановимся на описании проектирования пучком прямолинейных лучей. Различают два типа таких пучков: пучок лучей, исходящих из одной точки и пучок лучей, параллельный заданному направлению. Для получения проекции заданного объекта на плоскость необходимо провести через каждую его точку прямую из проектирующего пучка и затем найти координаты точек пересечения этих прямых с плоскостью изображения.
В зависимости от взаимного расположения плоскости изображения и направления пучка параллельных прямых, осуществляющих проектирование, различают несколько случаев. Самым простым является тот, когда прямые перпендикулярны плоскости изображения, а сама эта плоскость является одной из координатных плоскостей или параллельна ей.
 |
Для описания преобразований проектирования также удобно пользоваться матрицами. Например, матрица проектирования на плоскость