Структура данных программного комплекса "Q-дерево"

Реферат

Представляемый документ содержит:

52 страницы текста и список из двух источников.

Объектом исследования является структура данных «Q-дерево».

Цель работы состоит в создании программного комплекса, обеспечивающего работу со структурой данных «Q-дерево», представленной в виде модели. Методы, используемые при разработке, – язык программирования высокого уровня Object Pascal. Созданный программный продукт обеспечивает выполнение всех требований технического задания.

Содержание

Введение

1. Техническое задание

1.1 Основание для разработки

1.2 Назначение разработки

1.3 Функциональные требования к программе

1.4 Требования к составу и параметрам технических средств

1.5 Требования к информационной и программной совместимости

1.6 Требования к программной документации

1.7 Порядок контроля и приемки

2. Рабочий проект

2.1 Модуль UnitModel

2.1.1 Назначение

2.1.2 Функциональные требования, реализуемые модулем

2.1.3 Глобальные переменные и константы модуля

2.1.4 Подпрограммы модуля

2.2 Модуль UnitMainForm

2.2.1 Назначение

2.2.2 Функциональные требования, реализуемые модулем

2.2.3 Используемые компоненты

2.2.4 Глобальные переменные и константы модуля

2.2.5 Подпрограммы модуля

Заключение

Список используемых источников

Приложение

Введение

Цель данной курсовой работы – разработка программного продукта, предназначенного для работы со структурой данных «Q-дерево». Существует множество различных структур данных, предназначенных для работы с множествами: деревья, массивы и так далее. Среди них есть Q-деревья, позволяющие хранить множества точек и обеспечивать к ним быстрый и удобный доступ. Практическое значение. Программный продукт позволяет пользоваться Q-деревьями. Актуальность разработки программного продукта состоит в увеличении скорости работы с множествами. Программный продукт должен быть разработан на языке программирования высокого уровня Object Pascal, использовать принципы объектно-ориентированного программирования и структурный подход к решению поставленных задач.

Результатом выполнения курсовой работы должен стать готовый программный продукт, отвечающий всем требованиям технического задания.

1. Техническое задание

 

1.1 Основание для разработки

Основанием для разработки программного продукта служит задание на курсовую работу “Q-дерево точек”.

1.2 Назначение разработки

Программный продукт разрабатывается для работы с Q-деревьями точек.

1.3 Функциональные требования к программе

1.         Возможность добавления элементов в дерево

2.         Удаление элементов из дерева

3.         Очистка дерева

4.         Подсчет количества элементов

5.         Отображение элементов дерева в виде точек на карте

6.         Поиск точек в заданной прямоугольной области карты

7.         Возможность выбора области карты для просмотра содержащихся в ней точек

8.         Отображение точек заданной области карты в отдельном окне просмотра

9.         Отображение координат выбранных точек

1.4 Требования к составу и параметрам технических средств

Программный комплекс должен корректно работать на компьютере со следующими техническими характеристиками:

−    процессор Intel® Celeron® CPU 2.40 ГГц;

−             оперативная память объемом 512 Мб;

−             жесткий диск Seagate ST380011A, объемом 80 Гб;

−             видеоадаптер AGP 8X;

−             клавиатура;

−             манипулятор типа “мышь”.

1.5 Требования к информационной и программной совместимости

Для работы программы необходима операционная система Microsoft Windows XP Professional 2002 (SP1-2).

1.6 Требования к программной документации

Программная документация должна включать следующие документы:

·  техническое задание;

·  рабочий проект.

В приложении к документу "Рабочий проект" должен быть приведен листинг исходных текстов программного изделия.

1.7 Порядок контроля и приемки 1.7.1 Возможность добавления элементов в дерево, подсчет количества элементов

Добавление элементов в дерево производится щелчком левой кнопкой мыши по точке с нужными координатами в окне просмотра (рис. 1)

Рис. 1

Результат: добавление точки в дерево и его перерисовка; увеличение количества точек в дереве на единицу.

1.7.2 Удаление элементов из дерева, подсчет количества элементов

Удаление элемента производится путем выделения точки с помощью мыши в окне просмотра в режиме выделения точек и щелчка по кнопке «Удалить точку» (рис. 2)

Рис. 2

Результат: удаление точки из дерева и его перерисовка; уменьшение количества точек в дереве на единицу.

1.7.3 Очистка дерева

Очистка дерева (удаление всех элементов) производится щелчком по кнопке «Удалить все» (рис. 3)

Рис. 3

Результат: удаление всех элементов дерева и соответствующая перерисовка изображений

1.7.4 Возможность выбора прямоугольной области карты для просмотра содержащихся в ней точек, поиск точек в заданной прямоугольной области карты

Выбор области просмотра осуществляется перемещением окна выделения с помощью мыши или клавиш (рис. 4)

Рис. 4

Результат: перемещение окна выделения, поиск и отрисовка точек, находящихся в выделенной области карты.

  1.7.5 Отображение элементов дерева в виде точек на карте, отображение координат выбираемых точек

Выбор точки производится с помощью щелчка левой кнопкой мыши по точке с нужными координатами в режиме выбора точек (рис. 5)

Рис. 5

Результат: отображение координат выбранной точки в строке состояния; перерисовка соответствующим цветом ее изображения в окне просмотра.

1.7.6 Отображение точек заданной области карты в отдельном окне просмотра, отображение координат выбираемых точек

Для получения координат точки без ее выделения достаточно навести указатель мыши на ее изображение в окне просмотра (рис. 6)

Рис. 6

Результат: отображение координат точки в строке состояния без ее выбора; перерисовка соответствующим цветом ее изображения в окне просмотра.

2. Рабочий проект 2.1 Модуль UnitModel 2.1.1 Назначение

Данный модуль представляет собой реализацию модели структуры данных «Q-дерево точек».

2.1.2 Функциональные требования, реализуемые модулем

·   Возможность добавления элементов в дерево

·   Удаление элементов из дерева

·   Очистка дерева

·   Поиск точек в заданной прямоугольной области карты.

2.1.3 Глобальные переменные и константы модуля

Константы

·           М = 3 – максимальное число точек в листе;

-        тип – целый;

-        область видимости – внутри и вне модуля;

-        используется в операциях вставки и удаления элементов дерева для проверки числа точек в листьях.

2.1.4 Подпрограммы модуля

 

2.1.4.1 Функция InsertPoint

·              Функция предназначена для вставки нового элемента в Q-дерево

·              Параметры

-              выходной параметр – указатель на узел дерева, в которое вставляется элемент (тип PNode);

-              входной параметр – границы этого узла (тип TRect);

-              входной параметр – координаты вставляемой точки (тип TPoint);

·              Функция возвращает логическое значение (тип boolean), указывающее на изменение количества элементов в дереве

·              Локальные переменные

-              CurNode – текущий квадрант (тип PNode);

-              DopArray – дополнительный массив, необходимый при делении листа на новые узлы (тип TArrayOfPoints);

-              midX, midY – координаты середины узла (тип real);

-              NewBounds – границы нового узла, передаваемые в качестве параметра в рекурсивном вызове функции (тип TRect);

-              i – счетчик цикла (тип integer).

·              Словесный алгоритм

В начале своей работы функция проверяет, не является ли пустым параметр-указатель; если да, то для него выделяется память, устанавливаются начальные значения полей и вставляется новый элемент. Если он не является листом, осуществляется цикл переходов к листу с нужными границами. Далее проверяется число элементов в листе, и, если оно меньше допустимого, туда вставляется новая точка; иначе этот лист разделяется на 4 новых, его точки рекурсивно распределяются по новым листам и затем – вставка новой точки.

  2.1.4.2 Процедура DeletePoint

·        Процедура предназначена для удаления элемента из Q-дерева

·        Параметры

-        выходной параметр – указатель на корневой узел дерева, из которого удаляется элемент (тип PNode);

-        входной параметр – границы этого узла (тип TRect);

-        входной параметр – координаты вставляемой точки (тип TPoint);

·     Предусловия

Указатель на дерево не должен быть пустым

·     Локальные переменные

-        CurNode – текущий квадрант (тип PNode);

-        ParentNode – родительский узел листа с удаляемой точкой;

-        DopArray – дополнительный массив, необходимый при делении листа на новые узлы (тип TArrayOfPoints);

-        midX, midY – координаты середины узла (тип real);

-        PointsInNodes, numSZ, numSV, numYZ, numYV – переменные, использующиеся при подсчете числа точек в листах (тип real);

-        there – индикатор наличия точки в дереве (тип boolean);

-        N – число точек в листе (тип integer);

-        i – счетчик цикла (тип integer).

·        Словесный алгоритм

В начале своей работы функция проверяет, не является ли пустым параметр-указатель; если да – выход из подпрограммы. Если он не является листом, осуществляется цикл переходов к листу с нужными границами. Далее проверяется наличие точки в листе, и, если она там не обнаружена, процедура заканчивает свою работу; иначе происходит удаление точки из листа и последующая проверка общего числа точек в соседних листах. Если появилась возможность, соседние листы объединяются в один, старые удаляются.

2.1.4.3 Процедура ClearTree

·        Процедура предназначена для удаления всех элементов Q-дерева

·        Параметры

-        выходной параметр – указатель на узел дерева (тип PNode);

·        Предусловия

Указатель на дерево не должен быть пустым

·     Словесный алгоритм

В начале своей работы функция проверяет, не является ли пустым параметр-указатель; если да – выход из подпрограммы. Если он не является листом, осуществляются рекурсивные вызовы подпрограммы для каждого из его дочерних узлов; если параметр-указатель является листом, подпрограмма освобождает занятую им память и завершает свою работу.

2.1.4.4 Функция Find

·     Функция предназначена для поиска элементов Q-дерева, расположенных в заданной области карты

·     Параметры

-     входной параметр – указатель на узел дерева (тип PNode);

-     параметр-константа – границы этого узла (тип TRect);

-     параметр-константа – границы заданной области карты (тип TRect);

·     Функция возвращает список (тип TList) элементов дерева, расположенных в заданной области

·     Предусловия

Указатель на дерево не должен быть пустым

·     Локальные переменные

-     NewBounds – границы нового узла, передаваемые в качестве параметра в рекурсивном вызове функции (тип TRect);

-     i – счетчик цикла (тип integer).

·     Словесный алгоритм

В начале своей работы функция проверяет, не является ли пустым параметр-указатель; если да – выход из подпрограммы. Если часть площади узла находится в заданной области, осуществляются рекурсивные вызовы подпрограммы для каждого из его дочерних узлов. Для достигнутых таким образом листьев происходит проверка точек на принадлежность заданной области.

2.1.4.5 Процедура SetProperties

·     Процедура предназначена для выделения памяти и установки начальных характеристик для нового узла

·     Параметры

-     выходной параметр – указатель на узел дерева (тип PNode);

·     Словесный алгоритм

Для нового узла, переданного в качестве параметра, выделяется память, устанавливаются начальные характеристики: тип узла (лист) и количество точек в нем (0).

·     Подпрограмма используется функцией вставки точек в дерево при разделении листа на 4 новых.

2.1.4.6 Процедура CopyPoints

·     Процедура предназначена для копирования точек из листа в дополнительный массив

·     Параметры

-     входной параметр – указатель на узел дерева, из которого происходит копирование (тип PNode);

-     выходной параметр – дополнительный массив, необходимый при делении листа на новые узлы (тип TArrayOfPoints);

-     выходной параметр – счетчик элементов в дополнительном массиве (тип integer).

·     Локальные переменные

-     j – счетчик цикла (тип integer).

·     Словесный алгоритм

Подпрограмма копирует значения точек из данного листа в дополнительный массив, одновременно увеличивая число его элементов, передаваемое в качестве параметра.

·     Подпрограмма используется функцией удаления точек из дерева при объединении 4-х листов в один.

2.2 Модуль UnitMainForm 2.2.1 Назначение

В данном модуле описаны методы работы с Q-деревом точек

2.2.2 Функциональные требования, реализуемые модулем

·           Подсчет количества элементов в дереве

·           Отображение элементов дерева в виде точек на карте

·           Возможность выбора области карты для просмотра содержащихся в ней точек

·           Отображение точек заданной области карты в отдельном окне просмотра

·           Отображение координат выбранных точек

2.2.3 Используемые компоненты

№	Имя компонента	Класс	Настраиваемые свойства		Значения	Обработанные события
1	MainForm	TMainForm	BorderStyle		bsSingle	OnCreate; OnKeyDown
			Caption		Q-дерево
			KeyPreview		True
2	MaxImage	TImage	–		–	OnCreate; OnMouseMove
3	MinImage	TImage	–		–	–
4	ShapeView	TShape	Brush	Style	bsClear	OnMouseDown; OnMouseMove; OnMouseUp
			Pen	Color	clRed

№	Имя компонента	Класс	Настраиваемые свойства	Значения	Обработанные события
5	SBtnCursor	TSpeedButton	Down	True	–
			GroupIndex	1
6	SBtnPoints	TSpeedButton	GroupIndex	1	–
7	ButtonDelete	TBitBtn	Caption	Удалить точку	OnClick
			Enabled	False
			ShowHint	True
			Hint	Удалить выбранную точку
8	ButtonClear	TBitBtn	Caption	Удалить все	OnClick
			ShowHint	True
			Hint	Удалить все точки дерева
9	StatusBar	TStatusBar	–	–	–

 

2.2.4 Глобальные переменные и константы модуля

Константы

·           Xmax = 1024 – ширина всего квадрата, отведенного под Q-дерево;

-        тип – целый;

-        область видимости – внутри и вне модуля;

-        используется в операциях вставки и удаления элементов для задания границ главного квадранта

·           K = 10.56 – отношение длины стороны окна выделения к длине стороны окна просмотра;

-     тип – вещественный;

-     область видимости – внутри модуля;

-     используется при выводе на карту изображений точек

·           R = 3 – радиус точки, изображенной на карте;

-     тип – целый;

-     область видимости – внутри модуля;

-     используется при выводе изображений точек

·           LightColor = clYellow – цвет подсветки точек;

-          тип – TColor;

-          область видимости – внутри модуля;

-          используется при выводе изображений точек

·           SelectColor = clRed – цвет выделенной точки;

-     тип – TColor;

-     область видимости – внутри модуля;

-     используется при выводе изображений точек

·           BackColor = clBtnFace – цвет фона карты;

-     тип – TColor;

-     область видимости – внутри модуля;

-     используется при выводе изображений точек.

Переменные

·           Tree – указатель на корневой узел дерева;

-     тип – PNode;

-     область видимости – внутри модуля;

-     используется в подпрограммах, работающих с деревом.

·           X0, Y0 – начальные координаты указателя мыши при перемещении окна выделения;

-        тип – целый;

-        область видимости – внутри модуля;

-        используются при определении координат просматриваемой области карты

·           drag = false – индикатор перетаскивания окна выделения;

-        тип – логический;

-        область видимости – внутри модуля;

-        используется при определении координат просматриваемой области карты

·           PointCount = 0 – количество точек в дереве;

-        тип – целый;

-        область видимости – внутри модуля;

-        используется для определения числа точек в дереве

·           mainBounds, Query – координаты соответственно главного квадранта и выделенной области;

-        тип – TRect;

-        область видимости – внутри модуля;

-        используются при поиске и выводе изображений точек просматриваемой области

·           LightPoint, SelectedPoint – соответственно текущая и выделенная точки;

-        тип – TPoint;

-        область видимости – внутри модуля;

-        используются для выбора и удаления точек.

2.2.5 Подпрограммы модуля 2.2.5.1 Процедура DrawPoint

·              Процедура предназначена для вывода изображений точек на карту

·              Процедура является методом класса TMainForm

·              Параметры

-              параметр-константа – точка (тип TPoint);

-              входной параметр – цвет изображенной точки (тип TColor);

·              Локальные переменные

-                    dopX, dopY – координаты точки относительно окна просмотра (тип integer).

·              Словесный алгоритм

Процедура вычисляет координаты отображаемой точки для каждой из карт (большой и малой) и рисует точку в виде эллипса радиусом R.

2.2.5.2 Процедура ClearBackground

·        Процедура стирает предыдущее изображение на карте

·        Процедура является методом класса TMainForm

·        Параметры

-        входной параметр – компонент-карта (тип TImage);

·        Словесный алгоритм

Процедура закрашивает поверхность карты цветом фона BackColor.

2.2.5.3 Процедура DrawRegion

·              Процедура предназначена для поиска и вывода изображений точек дерева в заданной области карты

·              Процедура является методом класса TMainForm

·              Параметры

-              параметр-константа – указатель на узел дерева (тип PNode);

-              параметр-константа – границы заданной области (тип  TRect);

·              Локальные переменные

-           FindedPoints – список найденных точек (тип TList);

-           dopPoint – точка из списка (тип TPoint);

-           i – счетчик цикла (тип integer).

·              Словесный алгоритм

Процедура создает пустой список, копирует туда точки дерева, найденные в заданной области, и выводит их изображения на карты.

2.2.5.4 Процедура FormCreate

·     Процедура предназначена для задания начальных координат областей и точек

·     Процедура является методом класса TMainForm

·     Параметры

-     входной параметр – объект, сгенерировавший событие (тип TObject)

·              Словесный алгоритм

Процедура устанавливает границы главного квадранта и выделенной области, начальные координаты для текущей и выбранной точек.

2.2.5.5 Процедура ShapeViewMouseDown

·     Процедура предназначена для получения начальных координат указателя мыши перед началом перетаскивания выделяющего окна

·     Процедура является методом класса TMainForm

·     Параметры

-        входной параметр – объект, сгенерировавший событие (тип TObject);

-        входной параметр – индикатор нажатой кнопки мыши (тип TMouseButton);

-        входной параметр – индикатор нажатой клавиши (тип TShiftState);

-        входные параметры – координаты указателя мыши (тип integer)

·        Словесный алгоритм

Координаты указателя записываются в глобальные переменные X0 и Y0. Индикатору перетаскивания drag присваивается true.

  2.1.5.6 Процедура ShapeViewMouseUp

·              Процедура предназначена для установки значения соответствующего индикатора при окончании перетаскивания окна выделения

·              Процедура является методом класса TMainForm

·              Параметры

-     входной параметр – объект, сгенерировавший событие (тип TObject);

-     входной параметр – индикатор нажатой кнопки мыши (тип TMouseButton);

-     входной параметр – индикатор нажатой клавиши (тип TShiftState);

-     входные параметры – координаты указателя мыши (тип integer)

·              Словесный алгоритм

Индикатору перетаскивания drag присваивается false.

2.1.5.7 Процедура ShapeViewMouseMove

·     Процедура предназначена для перемещения окна выделения по малой карте и вывода на карту изображений точек из выделенной области

·     Процедура является методом класса TMainForm

·     Параметры

-     входной параметр – объект, сгенерировавший событие (тип TObject);

-     входной параметр – индикатор нажатой клавиши (тип TShiftState)

-     входные параметры – координаты указателя мыши (тип integer)

·              Предусловия

Индикатор перетаскивания должен быть равен true.

·     Локальные переменные

-     newLeft, newTop – новые координаты окна выделения (тип integer)

·              Словесный алгоритм

Процедура вычисляет новые координаты окна выделения и области просмотра с использованием глобальных переменных X0 и Y0; затем осуществляет поиск и вывод на карту изображений точек из новой области с помощью процедуры DrawRegion.

2.1.5.8 Процедура MaxImageMouseMove

·              Процедура предназначена для отображения координат выделяемых точек в строке состояния и выделения их изображений на карте

·              Процедура является методом класса TMainForm

·              Параметры

-              входной параметр – объект, сгенерировавший событие (тип TObject);

-              входной параметр – индикатор нажатой клавиши (тип TShiftState);

-              входные параметры – координаты указателя мыши (тип integer)

·              Локальные переменные

-              Point – выделенная точка (тип TPoint);

-              Rect – область поиска точки в дереве (тип TRect);

-              str – строка с координатами выбранной точки (тип string);

-              List – список точек, найденных в области вблизи указателя мыши

·              Словесный алгоритм

Подпрограмма выводит в строку состояния координаты движущегося указателя мыши и осуществляет проверку того, наведен ли он на точку, путем поиска точек дерева в области вокруг указателя. Если таковые имеются, изображение первой из них перерисовывается соответствующим цветом.

2.1.5.9 Процедура MaxImageClick

·              Процедура предназначена для добавления точки в дерево и «запоминания» координат выбранной точки

·              Процедура является методом класса TMainForm

·              Параметры

-        входной параметр – объект, сгенерировавший событие (тип TObject)

·        Локальные переменные

-        Point – новая либо выбранная точка (тип TPoint);

-        str – строка с координатами выбранной точки (тип string);

-        i, j – координаты точки относительно окна просмотра (тип integer)

·     Словесный алгоритм

Подпрограмма получает координаты новой (или выбранной) точки из строки состояния. Затем, если программа находится в режиме добавления точек, вставляет в дерево новую точку; в зависимости от результата функции вставки, увеличивает счетчик точек на единицу и перерисовывает изображение. В режиме выбора точек процедура записывает в глобальную переменную координаты выбранной точки и перекрашивает ее на карте соответствующим цветом. Координаты выбранной точки выводятся в строку состояния.

2.1.5.10 Процедура ButtonDeleteClick

·     Процедура предназначена для удаления выбранной точки из дерева

·     Процедура является методом класса TMainForm

·     Параметры

-     входной параметр – объект, сгенерировавший событие (тип TObject)

·     Словесный алгоритм

Подпрограмма удаляет выбранную точку из дерева; затем, если необходимо, перерисовывает просматриваемую область карты.

2.1.5.11 Процедура ButtonClearClick

·              Процедура предназначена для удаления всех точек из дерева

·              Процедура является методом класса TMainForm

·              Параметры

-           входной параметр – объект, сгенерировавший событие (тип TObject)

·           Словесный алгоритм

Подпрограмма удаляет все точки из дерева, «стирает» изображение с карты и устанавливает «пустые » координаты для выбранной и текущей точек.

2.1.5.12 Процедура FormKeyDown

·     Процедура осуществляет перемещение окна выделения при нажатии клавиш

·     Процедура является методом класса TMainForm

·     Параметры

-     входной параметр – объект, сгенерировавший событие (тип TObject);

-     выходной параметр – индикатор нажатой клавиши (тип word);

-     входной параметр – индикатор нажатой клавиши (тип TShiftState)

·     Локальные константы

– dif = 4 – число пикселей, на которое перемещается окно выделения

·        Словесный алгоритм

Подпрограмма вызывает перемещающую окно выделения процедуру ShapeViewMouseMove, передавая ей разные параметры в зависимости от нажатой клавиши.

Заключение

Разработанный программный продукт обеспечивает выполнение всех требований, предъявленных к нему в техническом задании.

Программный продукт рекомендован к использованию для широкого круга пользователей. Использование программного продукта позволяет существенно облегчить работу с множествами и ускорить их обработку.

Список используемых источников