Обзор средств визуализации инженерных и научных расчетов
Описание библиотеки функций Array Visualizer
Разработка программы визуализации
Подпрограммы помощи: Help() и Stat(): в реализации этих подпрограмм нет ничего сложного – они просто выводят информацию с помощью оператора write
Описание интерфейса между программой визуализации и прикладной инженерной программой
Создание интерфейса пользователя
Построение собственных математических моделей
Создание интерфейса пользователя
Оценка конкурентоспособности
Требования к производственному освещению
Электробезопасность
Психофизиологические опасные и вредные производственные факторы
Format (E12.5)
Навигация
Обзор средств визуализации инженерных и научных расчетов
Визуализация инженерных и научных расчетов
112439
знаков
9
таблиц
11
изображений
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.
Российская программа 3DField (field.hypermart.net) имеет аналогичное предназначение, однако меньший набор доступных средств и при этом обладает более приятным интерфейсом. Другая система научной графики TecPlot (http://www.amtec.com/) , имеет широкие возможности визуализации различных (не только двумерных) данных. В частности, система позволяет строить поверхности, векторные поля, визуализировать объекты, заданные в виде конечных элементов. К сожалению, при всех своих достоинствах она имеет явно перегруженный интерфейс. При всей красоте этих систем, следует заметить, что они более полезны для подготовки к печати статьи или отчета, нежели для повседневной работы исследователя. Но работу по представлению данных в виде, готовом для печати, эти системы выполняют на высоком уровне. К сожалению, такие программы рассчитаны на сравнительно небольшие объемы данных, что ограничивает область их применения.
Стоит также упомянуть о такой программе как Origin – она используется для визуализации различных инженерных расчетов, в том числе и расчетов в микроэлектронике.
Хотя в области микроэлектронных технологий большую популярность имеют визуализаторы, интегрированные в САПР для ИМС, такие как Cadence, ISE, но все-таки инженеры часто используют свои программы для моделирования приборов и возникает необходимость в визуализаторах их расчетов. В этом случае можно помимо вышеназванного Origin упомянуть о пакете фирмы Compaq – Array Visualizer. Этот пакет хорош тем, что может быть как интегрированным в среду разработки программ Visual Studio и работать с такими языками как Visual Basic, Visual C++, Compaq Visual Fortran (CVF), так и быть отдельной программой. Помимо этого он включает ActiveX-компоненты, которые могут быть использованы для WIN32 приложений.
Помимо этих – WINDOWS-пакетов, есть еще DOS-пакеты, например Mapple. Так как он является приложением DOS, то имеет недружелюбный интерфейс, однако является достаточно мощным.
Кроме вышеназванных пакетов и программ есть еще множество других средств для визуализации инженерных и научных расчетов – от сложных и универсальных, до простых, узкоспециальных. Но для своих специфических применений разработчики отдельных подсистем САПР разрабатывают свои пакеты или покупают и настраивают уже существующие стандартные пакеты.
1.2 Описание визуализатора Compaq Array Visulizer.
Array Visualizer (AV) фирмы Compaq позволяет наблюдать как данные числовых массивов, так и их графическое представление. AV содержит в качестве ядра графическую библиотеку OpenGL процедуры которой обеспечивают графический вывод. Дополнительно AV позволяет манипулировать графическими данными, предоставляя возможности для перемещения, поворота и масштабирования изображения, а также для изменения способа его представления на экране. AV содержит:
1. автономно запускаемое приложение, выполняющее отображение данных
2. библиотеку Aview процедур, вызываемых из приложений Фортрана и предназначенных для управления ОМ
3. ActiveX-процедуры библиотек Avis2D и AvisGrid
4. дополнительные визуальные средства
Массив, переданный AV, отображается в двух видах:
1. в виде числовой таблицы, выводимой в верхней части окна AV
2. в графическом виде как трехмерное изображение (3D-вид), или как цветовая карта, или как векторные граф, или как рисунок на плоскости.
Процедуры библиотеки Aview позволяют приложениям CVF или Visual C++ отображать (посредством OLE-автоматизации) данные массива, применяя AV. Также данные массива можно сохранить в виде файла, который загружается в AV в процессе его автономного использования.
ActiveX-процедуры (OCX) библиотек Avis2D и AvisGrid могут быть использованы любой поддерживающей автоматизацию средой, например Visual C++, Visual Basic или CVF, для отображения массивов в разнообразных графических видах. Процедуры Avis2D обеспечивают при выполнении графического вывода более 100 свойств, методов и событий; процедуры AvisGrid применяются для создания представляющих массивы таблиц и предоставляют около 30 свойств, методов и событий.
Возможны несколько вариантов употребления AV. Они, а также присущие им преимущества и недостатки перечислены в следующей таблице:
| Вариант | Преимущества | Недостатки |
| Загрузка agl-файла, созданного ранее выполненным приложением | Не требует написания специального кода для вызова AV | Нет возможности автоматизировать изменение отображаемых данных |
| Использование отладчика CVF | Не требует написания специального кода, работает с проектом любого типа | Требует ручного задания свойств массива и настройки AV; не может быть использован в Visual C++ или Visual Basic, а также в Release-режиме CVF. |
| Использование fagl-подпрограмм или в случае С – agl-функций | Небольшое число процедур и , следовательно небольшие затраты на программирование, процедуры работают с проектами любого типа и в Debug-, и в Release-режиме. | Требует ручного задания свойств массива и настройки AV |
| Использование fagl- и fav- подпрограмм или в случае C++ - agl-функций и функций класса CAViewer. | Можно программно задавать свойства массива и выполнять настройки AV; процедуры работают с проектами любого типа; последовательно в одном экземпляре AV можно отображать несколько массивов. | Потребуется освоить большое число процедур (более 100); функции класса CAViewer нельзя применять в C (необходим C++). |
| Использование ActiveX-процедур библиотек Avis2D и/или AvisGrid | Дает возможность выводить создаваемые AV графические образы и таблицы данных без вызова AV; обеспечивает более быстрое | Употребляется только в Windows-приложениях Фортрана или MFC в случае Visual C++. Заметим, что в Visual Basic большинство |
| Воспроизведение образов и больше возможностей для настройки параметров | EXE-проектов могут использовать процедуры библиотек Avis2D и AvisGrid; потребуется освоить большое число Avis2D/AvisGrid-процедур; Avis2D и AvisGrid процедуры не могут отображать HDF и текстовые файлы. |
Отображение массивов.
Массивы отображаются в следующих видах:
1) 3-D вид или Height Plot (рис 1):
 |
рис 1.
1. Растровая карта (контрастная заливка) или Image Map(рис 2):
рис 2.
2.
 |
Векторный граф, или Vector Graph. (В данной работе не используется).
рис. 3
3. График или Plane View (рис 3):
Перечисленные режимы могут быть заданы как в AV непосредственно, так и в программе, из которой AV запускается. В AV переключение режима выполняется либо из меню, либо в результате выбора соответствующей иконки.
Для вращения изображения достаточно разместить мышь на поле графического вывода, нажать левую кнопку мыши и затем, оставаясь на поле вывода, перемещать мышь в произвольном направлении.
Похожие работы
... системам линейных алгебраических уравнений с более чем одной неизвестной; MATLAB решает такие уравнения без вычисле-ния обратной матрицы. Хотя это и не является стандартным математическим обозначением, система MATLAB использует терминологию, связанную с обычным делением в одномерном случае, для описания общего случая решения совместной системы нескольких линейных уравнений. Два символа деления / ...
... концентрических окружностей с уменьшающимся радиусом по мере затухания колебаний скорости и момента. Аналогичная картина наблюдается при ступенчатом набросе нагрузки. 5. РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ НА БАЗЕ ВИРТУАЛЬНОЙ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ Иную возможность анализа АД представляет специализированный раздел по электротехнике Toolbox Power System Block. В его библиотеке имеются блоки ...
... - в группе переменных, «зажатых в кулак», но этот «кулак», как мы уже отмечали, легко разжать, выводя на дисплей найденные значения с «первородной» размерностью массы (kg), длины (m) и времени (sec): пакет MathCAD «разжимает» и сам вектор, м составные размерности, приписывая к числам комбинации основных физических единиц. Но не только этим хороша размерность в задачах. Главное то , что она ...
... де-факто, чему способствовала и их большая универсальность). Таким образом, именно Microsoft Excel был выбран мной для разработки средства автоматизации расчетов в лабораторной работе «Предварительные вычисления в триангуляции». Поэтому другие средства построения электронных таблиц здесь не рассматриваются, но зато уделяестся внимание некоторым специфичным средствам Excel. Возможности EXCEL ...
0 комментариев