Государственный комитет РФ по высшему образованию.
Московский Государственный Институт Электронной Техники (Технический Университет).
Факультет ЭКТ.
Кафедра ПКИМС.
на тему
«Визуализация инженерных и научных расчетов»
Москва 2002г.
Оглавление
Введение
Раздел 1. Специальный раздел. Создание средств визуализации научных и инженерных расчетов.
Введение
1.1 Обзор средств визуализации расчетов
1.2 Описание визуализатора CompaqArrayVisualizer
1.3 Описание библиотеки ArrayVisualizer
1.4 Разработка программы визуализации
1.5 Работа программы визуализации
1.6 Описание интерфейса между программой визуализации и прикладной инженерной программой.
1.7 Тестирование программы и результаты тестовых расчетов.
Заключение
Раздел 2. Технологический раздел. Технология создания программного обеспечения для визуализации.
Введение.
2.1 Этапы разработки программного обеспечения для визуализации инженерных расчетов.
2.2 Постановка задачи.
2.3 Создание структуры данных и интерфейса с расчетной программой.
2.4 Построение математической модели отображаемой информации.
2.4.1 Использование готовых библиотек.
2.4.2 Построение собственных математических моделей.
2.5. Создание интерфейса пользователя.
Заключение.
Раздел 3. Организационно-экономический раздел. Оценка целесообразности создания ПО с применением методики оценки конкурентоспособности.
Введение
3.1 Понятие конкурентоспособности.
3.2 Оценка конкурентоспособности.
Заключение.
Раздел 4. Производственно-экологическая безопасность и охрана труда. Анализ нормативных документов при работе с ПК.
Введение
4.1 Требования к производственному освещению
4.2 Защита от излучений
4.3 Электробезопасность
4.4 Пожарная безопасность
4.5 Защита от шума и вибраций.
4.6 Психофизические опасные и вредные производственные факторы.
4.7 Расчет воздухообмена.
Заключение
Литература ПЭБ
Выводы по дипломному проекту.
Используемая литература.
Приложение 1. Листинг программы console.
Введение
Язык Фортран – является одним из первых языков высокого уровня. Изначально он предназначался для инженерных и научных прикладных задач. С его помощью написано множество программ расчетов, решений уравнений и матричных преобразований. Этот язык предоставляет мощные математические средства не только при работе с действительными числами, но при работе с комплексными числами. По этой причине многие инженеры и ученые имеют свои библиотеки программ и подпрограмм на Фортране для решения своих задач. Помимо этого Фортран не стоял все эти годы на месте, а развивался (первая версия языка – Фортран-56, далее Фортран-77 и последняя Фортран-90 разработанная в 1993 году). Однако не смотря на развитие язык остается достаточно бедным в планах графического вывода и организации интерфейса пользователя. Для решения таких вопросов компании выпускающие компиляторы Фортрана создают для него свои графические библиотеки и визуализаторы. Наиболее современной версией Фортрана является CompaqVisualFortranv.6.6. А визуализатором этой среды программирования является отдельный пакет CompaqArrayVisualizerv1.5.
На производственной и преддипломной практике мне была поставлена задача изучить язык программирования Фортран и возможности визуализатора CompaqArrayVisualizer и написать расширение возможностей этого пакета, для его настройки под специфические нужды разработчиков инженерных программ для моделирования работы полупроводниковых приборов. Изначально такое расширение проектировалось как библиотека подпрограмм Фортрана, но в последствии я пришел к выводу, что выгоднее и удобнее седлать отдельную программу. К тому же отдельная программа проектировалась как способная воспринимать не только результаты Фортран-программ, но и результаты C++, Pascal программ.
Второй задачей на дипломный проект было изучение и составление технологии создания визуализаторов. В Разделе 2 представлены этапы разработки программ и их подробное описание.
В организационно-экономическом разделе будет рассмотрена методика оценки конкурентоспосбоности и ее применение к системам и программам визуализации включая созданное программное обеспечение.
В производственно-экологическом разделе рассмотрены нормативы и нормативные документы при работе с персональными компьютерами. Рассмотрены вопросы освещения, защиты от излучений, электро- и пожаробезопасности, защиты от шума и вибрации, психофизические опасные и вредные факторы. Произведен расчет воздухообмена производственного помещения.
В приложении приведен листинг разработанной программы. Комментарии к нему и описание работы с программой приведены в специальном разделе.
Раздел 1.Специальный раздел. Создание средств визуализации научных и инженерных расчетов.
Введение
В наше время невозможно представить себе процесс проектирования без вывода результатов расчетов в графическом виде. Такой вид отображения гораздо более нагляден и удобен чем алфавитно-цифровой. Последние версии всех САПР имеют такую возможность. Но если прибор моделируется не в рамках какой-либо САПР, а собственной программой инженера, то вывод приходится организовывать самому. Работа с графикой, к тому же трехмерной очень сложна и требует специальных навыков, а так же времени создания таких подпрограмм и их тестирования и отладки.
Разрешить эту проблему помогают различные пакеты для графического отображения данных. Одним из таких пакетов является CompaqArrayVisualizerv1.5.(далее AV) Этот пакет удобен в использовании. К тому же имеет ряд преимуществ по быстродействию на слабых машинах (тестирование производилось на P166 с 32Mb ОЗУ) и, в тоже время может работать и с последними технологиями в графических системах, такими как OpenGL.
Однако AV имеет достаточно сложный и развитый API для передачи данных из программы. Это опять же приводит к задаче изучения дополнительных функций. Целью данной дипломной работы является создание программы, использующей AV и данные программы инженера, позволяющее более просто, без дополнительного обучения, просматривать результаты в AV, т.е. организация более простого интерфейса между рассчитывающей программой и графическим пакетом.
К тому же моделирование может иметь много шагов и требовать просмотра полученных данных в разных представлениях. Таким образом созданная программа должна уметь запоминать все шаги и представлять графической оболочке те данные, которые в данный момент необходимы инженеру.
1.1 Обзор средств визуализации инженерных и научных расчетов
Использование вычислительной техники для визуализации и анализа научных данных стало уже традиционным. Это вполне естественно, ведь с задачей наглядного представления и анализа больших массивов числовой информации сталкиваются во многих областях. Это моделирование, обработка результатов экспериментов, анализ данных дистанционного зондирования, решении различных инженерных задач. Многим ученым, студентам и инженерам часто приходится иметь дело с двумерными наборами чисел. Такими наборами могут являться как результаты численного моделирования, так и данные, полученные с различных приборов. Отдельным практически важным примером таких данных являются цифровые изображения. Для получения, обработки и визуализации этих данных на компьютере требуется специальное программное обеспечение.
На сегодняшний день существует довольно большое количество средств обработки и визуализации научных данных, предназначенных для работы под операционными системами семейства UNIX, однако в своем абсолютном большинстве такие программы имеют весьма недружелюбный интерфейс. Несмотря на то, что работа с UNIX – системами очень распространена в научном сообществе, стремление современных пользователей переходить на дружелюбный и интуитивный интерфейс Windows очевидно. Быстрые темпы развития персональных компьютеров обуславливают переход все большего числа ученых и студентов именно на эти системы.
Задача обработки двумерных данных несомненно шире задачи обработки изображений. Трактуя данные в зависимости от их природы различным способом, например как алгебраические матрицы или z=F(x,y), мы можем применять к ним ряд методов алгебры, анализа, математической статистики, решать дифференциальные и интегральные уравнения. Для этих целей можно использовать системы инженерных вычислений. Наиболее мощной из распространенных систем такого рода можно назвать MatLab (http://www.mathworks.com/). У указанных систем есть два ограничения: это низкая скорость, с которой подобные системы ведут свои вычисления, и необходимость писать программу на специализированном внутреннем языке. Написание программы в свою очередь требует не только специальной подготовки, но и довольно большого времени на ее разработку и отладку. Когда же необходимо просто проверить возникшую идею, подготовить промежуточный результат или быстро оформить какую либо несложную работу, желательно иметь более специализированные и мобильные средства.
Более мобильным, но менее функциональным средством является популярный пакет MathCad (http://www.mathsoft.com/).
Он позволяет пользователю проводить достаточно сложные математические расчеты, обрабатывать и визуализировать различные числовые данные и даже писать простые программы на встроенном алгоритмическом языке. Слабость MatCad, в применении к работе с двумерными данными состоит в недостаточно удобных средствах визуализации, низкой скорости, а соответственно в плохой приспособленности к работе с большими объемами информации.
Визуализация двумерных экспериментальных данных часто рассматривается как отдельная задача. Такие данные обычно представляют в виде изображений или поверхностей в перспективной проекции. Описанные выше программы позволяют с определенными ограничениями производить такую визуализацию. Однако для ряда приложений более полезными и удобными оказываются другие системы. Например, во многих науках о Земле возникает задача построения цифровой модели той или иной поверхности, заданной лишь в нескольких точках. При помощи методов интерполяции такие данные переводятся в двумерные наборы чисел - строится так называемая цифровая модель поверхности. Визуально такую поверхность часто представляют либо в виде трехмерного изображения, либо в виде линий уровней. Для решения подобных задач наибольшее распространение получил пакет Surfer (http://www.goldensoftware.com/), который благодаря своей компактности и удобству завоевал симпатии многих исследователей. Основным назначением Surfer является обработка и визуализация двухмерных наборов данных, описываемых функцией типа z=F(x,y) Пакет позволяет строить цифровую модель поверхности, выполнять ряд вспомогательных операций с этой моделью и визуализировать данные различными способами.