Системы компьютерной графики

Принципы формирования изображений на экране

Существует два способа реализации построения изображений на экране дисплея – векторный (функциональный) ирастровый. В первом случае электронный луч пооче­редно рисует на экране различные знаки – элементы изображения. На современных персональных компьютерах чаще используется растровый способ изображения графической информации, в котором изображение представлено прямоугольной матрицей точек(пикселов), имеющих свой цвет из заданного набора цветов (палитры). Графический режим осуществляетвидеоадаптер, управляющий работой электронной трубки ивидеопамятью, в которой запоминается текущее изображение. Адаптер обеспечивает регулярное отображение видеопамяти на экране монитора.

Растровое изображение – это совокупность разноцветных точек. Координаты точек определяются декартовой (прямоугольной) системой с началом координат, как правило, в левом верхнем углу экрана. Абсцисса х точки увеличивается слева направо, ордината у – сверху вниз. Таким образом, любая графическая операция сводится к работе с отдельными точками экрана монитора – пикселами. Существу­ют специальные графические библиотеки программ, которые предназначены для изображения более сложных объектов, являющихся объединением группы пикселов; наиболее употребляемые линии, геометрические фигуры, шрифты и т.п.

В последние годы возрос интерес со стороны пользователей к специальным ин­струментальным программам машинной графики: графическим редакторам, издательским системам и т.п. В них предоставляется удобный интерфейс для пользователей, автоматизируется большое количество разнообразных действий с графической информацией – от построения простейших рисунков до создания мультипликационных (анимационных) роликов.

Изобразительная графика

В изобразительной графике условно можно выделить три направле­ния: художественное, иллюстративное и демонстрационное.

Объектами художественной графики выступают различные узоры, шрифты и другие изображения. При работе с изображениями широко используют простые мотивы и разнообразный геометрический материал. В частности, простые геомет­рические фигуры в различных сочетаниях и способах размещения (вложения, вращения, симметрии) используются в «живых картинках» для получения муарово­го эффекта. Удачное сочетание случайного и упорядоченного в любой пропорции с технологиями расположения графических объектов позволяет создавать художест­венный дизайн.

Подобные технологии широко используют в иллюстративной графике. В на­стоящее времяиллюстративная графика, в первую очередь, связана с изображением графического материала в издательских системах.

Иллюстративный материал – схемы, эскизы, географические карты, чертежи и др. – можно создавать различными графическими редакторами, системами. Здесь важна легкость и быстрота формирования и преобразования графических изображений для тех или иных приложений. В последнее время большой интерес вызывает иллюстра­тивный материал, представленный в демонстрационной, динамической форме.

Демонстрационная графика связана с динамическими объектами. В технологии изображения динамических объектов используют три основных способа: рисование–стирание, смену кадров (страниц), динамические образы.

Создать объекты иллюстративной графики, включая динамические ролики, можно средствами программирования, а также графическими редакторами и системами.

Графический редактор Paint, входящий в комплект стандартных программ Windows 95/98, позволяет, используя манипулятор «мышь», выполнять черно-белые и цветные рисунки, обрамлять их текстом, выводить на печать. В Paint можно рабо­тать с фрагментами графических изображений: копировать, перемещать, поворачи­вать, изменять размеры, записывать на диск и считывать с диска. С помощью Paint можно обрабатывать графические изображения, а также считывать и записывать в файл полностью или частично изображение с дисплея, если монитор работает в графическом режиме.

Деловая графика

Одним из первых приложений компьютерной графики стало отображение дан­ных экономических расчетов. Графические представления расчетных и статистических данных удобно представ­лять в виде схем, диаграмм, гистограмм и графиков. Различают следующие их виды:

 гистограмма – группа столбцов, пропорциональных по высоте определенным числовым значениям;

 круговая диаграмма – секторы круга, углы которых пропорциональны элемен­там данных;

 линейный график – отображение исходных величин в виде точек, соединенных отрезками прямых линий;

 временная диаграмма – последовательность операций или процессов определен­ной длительности (измерение динамических процессов);

 структурная схема – представление сложных объектов в виде дерева;

 круговая гистограмма – представление относительных величин объектов, кото­рым на изображении сопоставляются размеры и расположение кругов в прямо­угольной системе координат.

Из числа средств прикладного программного обеспечения общего назначения графическое представление данных лучше всего развито в электронных таблицах и в СУБД.

Инженерная графика

Компьютеризацию чертежных и конструкторских работ проводят давно, и в на­стоящее время используют различные системы автоматизации проектных работ (САПР). САПР обозначает аппаратно-программный комплекс, под­держивающий процесс проектирования с использованием специальных средств машинной графики, поддерживаемых пакетами программного обеспечения, для решения задач, связанных с проектной деятельностью.

В совокупности развитая САПР представляет собой специализированную информационную систему. Сфера применения САПР охватывает такие области приложения, как архитектура, гражданское строительство, картография, медицина, геофизика, разработка моде­лей одежды, издательское дело, реклама.

Одним из наиболее давних и популярных средств автоматизированного проек­тирования является система АВТОКАД (AutoCad). АВТОКАД – достаточно простая универсальная система. Ее возможности таковы:

 развитая система экранных меню;

 высокая точность графической информации;

 разбивка информации (расслоение);

 прочерчивание на дисплее координатной сетки;

 средство захвата графических объектов;

 мощное редактирование;

 отображение параметров графических характеристик;

 полуавтоматическая и автоматическая простановка размеров;

 штриховка;

 работа с блоками.

Научная графика

Компьютерная графика представляет значительный интерес для научных иссле­дований. В частности, она выступает как средство формирования научной докумен­тации с использованием специальной нотации – математических знаков, индексов, шрифтов и т.п. В последнее время ученые чаще стали обращаться к имитационному моделированию на компьютере.

В компьютерной графике большое значение имеют методы и способыгеометри­ческого моделирования. Модели, геометрические преобразования составляют в настоящее время основу теории компьютерной графики и геометрического модели­рования.Аналитические модели – это набор чисел, логических параметров, играю­щих роль коэффициентов в уравнениях, которые задают графический объект заданной формы.

Координатные модели – это массивы координат точек, принадлежащих объек­там. Например, поверхность задается массивом точек Z = f(x, у) на координатной сетке {х,у}. Если точки в модели расположены в том же порядке, что и на линии образа, то модели называют упорядоченными. Помимо координат в модели могут быть указаны дополнительные характеристики проекции касательных или нор­мальных векторов.

Используя вышеперечисленные геометрические модели, можно создавать различные демонст­рационные картины.

Базы данных и СУБД

Основные понятия

База данных (БД) – поименованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.

Предметная область – часть реального мира, подлежащая изучению для организации управления и, в конечном счете, автоматизации (например, предприятие).

Единицей хранящейся в БД информацией является таблица. Каждая таблица представляет собой совокупность строк и столбцов, где строки соответствуют экземпляру объекта, конкретному событию или явлению, а столбцы — атрибутам (признакам, характеристикам, параметрам) объекта, события, явления. В терминах БД столбцы таблицы называются полями, а ее строки — записями.

В каждой таблице БД может существовать первичный ключ — поле или набор полей, однозначно идентифицирующий запись. Значение первичного ключа в таблице БД должно быть уникальным, то есть в таблице не должно существовать двух или более записей с одинаковым значением первичного ключа.

Вторичные ключи (индексы) устанавливаются по полям, которые часто используются при поиске и сортировке данных: вторичные ключи помогут системе значительно быстрее найти нужные данные. В отличие от первичных ключей поля для индексов могут содержать неуникальные значения — в этом, собственно, и заключается главная разница между первичными и вторичными ключами.

Между отдельными таблицами БД могут существовать связи (отношения). Связанные отношениями таблицы взаимодействуют по принципу главная-подчиненная. Главную таблицу называют родительской, а подчиненную — дочерней. Одна и та же таблица может быть главной по отношению к одной таблице БД и дочерней по отношению к другой.

Базы данных, между отдельными таблицами которых существуют связи, называются реляционными. Кроме того, существуют иерархические базы данных, в которых данные организованы в виде древовидной структуры, и сетевые базы данных, в основу которых положены сетевые структуры.

Система управления базами данных (СУБД) – комплекс программных и языковых средств, предназначенных для создания, ведения и совместного применения баз данных многими пользователями.

Одним из важнейших назначений СУБД является обеспечение независимости данных (независимость данных и использующих их прикладных программ друг от друга в том смысле, что изменение одних не приводит к изменению других). По­добные системы служат для поддержания базы данных в актуальном состоянии и обеспечи­вают эффективный доступ пользователей к содержащимся в ней данным в рамках предоставленных пользователям полномочий.

СУБД предназначена для централизованного управления базой данных в интересах всех работающих в этой системе.

Классификация баз данных

По технологии обработки данных базы данных подразделяются на централизованные и распределенные.

Централизованная база данных – база данных, хранящаяся в памяти одной вычислительной системы. Если эта вычислительная система является компонентом сети ЭВМ, возможен распределенный доступ к такой базе. Такой способ использования баз данных часто приме­няют в локальных сетях ПК.

Распределенная база данных – несколько пересекающихся или даже дублирующих друг друга частей, хранящихся в различных ЭВМ вычислительной сети. Работа с такой базой осуществляется с помощью системы управления распределенной базой данных (СУРБД).

По способу доступа к данным базы данных разделяются на базы данных с локальным доступом и базы данных с удаленным (сетевым) доступом.

Системы централизованных баз данных с сетевым доступом предполагают различные архитектуры подобных систем: файл-сервер и клиент-сервер.

Файл-сервер. Архитектура систем БД с сетевым доступом предполагает выделение одной из машин сети в качестве центральной (сервер файлов). На такой машине хранится совместно используемая централизованная БД. Все другие машины сети выполняют функ­ции рабочих станций, с помощью которых поддерживается доступ пользовательской системы к централизованной базе данных. Файлы базы данных в соответствии с пользова­тельскими запросами передаются на рабочие станции, где в основном и производится обра­ботка.

Клиент-сервер. В этой концепции подразумевается, что помимо хранения централи­зованной базы данных центральная машина (сервер базы данных) должна обеспечивать вы­полнение основного объема обработки данных. Запрос на данные, выдаваемые клиентом (рабочей станцией), порождает поиск и извлечение данных на сервере. Извлеченные данные (но не файлы) транспортируются по сети от сервера к клиенту.

По степени универсальности различают два класса СУБД: системы общего назначения или универсальные СУБД; специализированные системы.

СУБД общего назначения – сложные программные комплексы, предназначенные для выполнения всей совокупности функций, связанных с созданием, обновлением и эксплуатацией базы данных информационной системы.

СУБД общего назначения не ориентированы на какую-либо предметную область или на информационные потребности какой-либо группы пользователей. Каждая система тако­го рода реализуется как программный продукт, способный функционировать на некоторой модели ЭВМ в определенной операционной системе и поставляется многим пользователям как коммерческое изделие. Такие СУБД обладают средствами настройки на работу с кон­кретной базой данных.

Использование СУБД общего назначения в качестве инструменталь­ного средства для создания автоматизированных информационных систем, основанных на технологии баз данных, позволяет существенно сокращать сроки разработки, экономить трудовые ресурсы. Этим СУБД присущи развитые функциональные возможности и даже определенная функциональная избыточность.

Рынок программного обеспечения ПК располагает большим числом разнообразных по своим функциональным возможностям коммерческих систем управления базами данных общего назначения, а также средствами их окружения практически для всех массовых моде­лей машин и для различных операционных систем.

Среди СУБД общего назначения наиболее известными являются:

- Microsoft Access;

- Microsoft Visual FoxPro;

- Paradox;

- IBM DB2 Universal Database;

- Microsoft SQL Server;

- Oracle.

Специализированные СУБД создаются в редких случаях при невозможности или не­целесообразности использования СУБД общего назначения.

Электронные таблицы

Как показала практика, решение многих задач экономического характера на языках высокого уровня с использованием всего арсенала приемов и методов профессионального программирования – сложное и трудоемкое дело. Понадобился принципиально иной подход, и он был найден и воплощен в виде электронных таблиц – инструмента, доступного непрофессионалам.

Основная область примене­ния электронных таблиц – это те сферы человеческой деятельности, где информация представляется в виде прямоугольных таблиц (планово-финансовых и бухгалтер­ских документов, учета материальных ценностей и др.), требующих при обработке проведения математических расчетов, откуда, по-видимому, и возник термин «табличный процессор». Отметим, что реляционные базы данных, также представ­ляемые с помощью таблиц, к расчетам, как правило, не приспособлены.

В настоящее время известно много вариантов электронных таблиц: SuperCalk, QuattroPro, Excel, Lotus 1-2-3 и др. Принципиально все они представляют табличный процессор и разнятся лишь интерфейсом и сервисными возможностями.

Электронная таблица (ЭТ) – это прямоугольная матрица, состоящая из ячеек, каждая из которых имеет свой номер (рис. 2.3).

Рис 2.3. Электронная таблица

Номер ячейки определяется обычным координатным способом, например, ячей­ка ВЗ и т.д.

Группа ячеек (диапазон) задается через двоеточие, например, ВЗ:D4 (или B3..D4) и образует прямоугольник, включающий ячейки ВЗ, СЗ, D3, В4, С4, D4.

В каждую из ячеек можно занести число, формулу (арифметическое выражение) или текст. Если в ячейку ЭТ записана формула, то в исходном состоянии на экране отображается значение этой формулы, а не она сама. Операндами формулы могут быть математические функции, константы, номера ячеек (содержимое ячейки с указанным номером). Ячейка ЭТ имеет сложную «многослойную» структуру, в ней может стоять ссылка на другую ячейку, значение которой является результатом вычислений по другой формуле и т.д.

Примеры функций:

sum(A2:А8) – сумма значений всех ячеек от А2 до А8,

sin(D5) – синус числа из ячейки D5,

cos(F3) – косинус числа из ячейки F3.

Пример формулы:

2.7*A6+cos(sum(D5:F7))

Приведенная формула означает, что мы хотим получить результат следующих вычислений: произведение числа из ячейки А6 на 2.7 сложить с косинусом угла, который является суммой чисел из ячеек D5, Е5, F5, D6, Е6, F6, D7, Е7, F7.

Данные, входящие в таблицы, можно автоматически представлять в виде графи­ков, диаграмм, гистограмм и т.д.

Пользователь работает в диалоге со специальной программой, которая позволя­ет заполнять ячейки нужным ему содержимым (текстами, числами или формулами для расчетов), очищать их, копировать и удалять, сортировать (т.е. располагать клетки, а также строки и столбцы из них в определенном порядке), производить вычисления над всей таблицей или ее частью, сохранять таблицу на диске и распе­чатывать частично или полностью на бумагу и т.д.

Приведем пример, иллюстрирующий возможности ЭТ.

Формирование зарплатной ведомости. Так выглядят исходные данные для заполнения электронной таблицы:

Здесь мы имеем дело с тремя типами содержимого ячеек: текст, число, формула. Ввод исходных данных происходит в командной строке. После заполнения таблицы мы увидим на экране:

Обычно работник бухгалтерии, поправив одну из цифр, вынужден был исправ­лять весь комплект взаимосвязанных документов, куда явно или неявно входил исправленный параметр. С помощью ЭТ такое изменение может быть учтено мгновенно и всюду.

2.8. Офисные программныесредства

Помимо рассмотренных выше программных средств для персонального компь­ютера, исторически появившихся первыми, в последнее время возникло множество трудно классифицируемых программ, которые роднит среда их применения – в делопроизводстве, в различных аспектах управления мелкими и средними предпри­ятиями и учреждениями. Эти программы получили название офисных.

Яркими представителями семейства офисных программ являются:

 средства разработки презентаций (типа Power Point из пакета MS Office);

 электронные организаторы – средства планирования деятельности (типа Lotus Organizer), системы хранения и коллективной разработки документов (Lotus Notes);

 системы складского и бухгалтерского учета (типа 1C:Торговля, 1C:Бухгалте­рия, 1C:Предприятие);

 консультационные юридические системы (типа «Консультант+»).

Рассмотрим подробнее некоторые из этих программ.

2.8.1.Средство разработки презентации Power Point

Программная система Power Point входит в программный пакет Microsoft Office, начиная с самых первых его версий. Программные средства подготовки публикаций типа Power Point не только позволяют оформить представляемую информацию в едином стиле с использованием видеоэффектов, значительно улучшающих ее восприятие, но и помогают разработать само выступление, сильно сокращают время на его подготовку.

Типичная презентация, подготовленная в Power Point, представляет собой по­следовательность слайдов, содержащих план и основные положения выступления, необходимые таблицы, формулы, схемы, диаграммы и рисунки.

Рассмотрим этапы подготовки такой презентации.

При запуске Power Point появляется окно, предлагающее создать новую презентацию в одном из режимов, используя:

 мастер автосодержания;

 шаблон презентации;

 пустую презентацию или открыть существующую презентацию.

Наиболее быстрый способ создания презентации связан с мастером автосодер­жания, который предлагает начать с общей концепции и некоторой стандартной структуры презентации.

Вначале необходимо выбрать наиболее подходящий вид презентации. Пусть, например, это будет описание некоторого проекта. Затем требуется указать способ предъявления информации – предположим, это будет доклад. Формой выдачи презентации выберем презентацию на экране, причем напечатаем ее экземпляр на бумаге для контроля. Затем предлагается ввести данные для титульного слайда: заголовок презентации, имя автора, дополнительные данные для размещения на титульной странице.

Мастер формирует шаблон презентации, предусматривая в ней слайды в по­рядке, отвечающем выбранному ранее виду презентации. После титульного слайда последуют слайды с целями проекта, его описанием, рецензиями и т.д. Можно редактировать все элементы слайдов, наблюдая за внешним видом в окне миниатюры, где он показывается с использованием стандартной цветовой гаммы. Шаблон презентации помогает рационально построить доклад, не забыв при этом никаких важных деталей. Всегда можно удалить лишние слайды, выделив их и нажав на клавиатуре Delete, перенести (или скопировать) с помощью стандартных действий выделения, вырезания (копирования) и вставки, а также вставить чистый слайд, предвари­тельно выбрав его разметку (с помощью меню Вставка). Все эти действия выпол­няются в режиме Структура.

Изменить оформление конкретного слайда можно, перейдя в режим Слайд с по­мощью меню Вид. Для вставки графики в текстовый слайд необходимо изменить его разметку с помощью меню Формат. Следует выбрать разметку слайда в соот­ветствии с требуемым стилем:

 маркированный список;

 текст в две колонки;

 таблица;

 текст и диаграмма;

 текст и графика и т.д.

При этом в слайд внедряется объект, который можно непосредственно редакти­ровать, либо вставить из некоего набора (ClipArt) или файла стандартным для MS Office образом. С помощью меню Формат можно выбрать или изменить цветовую гамму слайда или его оформление, пользуясь набором, разработанным профессио­нальными дизайнерами. Если никакой стандартный вид презентации не подходит, ее можно разработать, создав новую презентацию и добавляя к ней новые слайды, определяя их оформление, содержание и т.д.

Можно просматривать созданную презентацию с помощью меню Показ слайдов и команды Показ. Это же меню позволяет сделать прокрутку презентации автома­тической, определив время показа каждого слайда, внедрить на слайды кнопки навигации, использовать анимационные эффекты.

Сохраняется презентация в файле с расширением .ppt и может быть показана как с помощью самой программы PowerPoint, так и с помощью небольшой программы прокрутки.

Программы-организаторы

Более высокой ступенью компьютеризации работы офиса и автоматизации управления небольшим предприятием являются программные средства-организаторы (средства, облегчающие деловое планирование и выполнение планов), а также средства, обеспечивающие коллективную работу над документами (автоматизирован­ный документооборот учреждения). Типичными представителями данного семейст­ва программ являются программные продукты компании Lotus Development. Рассмотрим некоторые из них.

Широкую известность во всем мире имеет пакет Lotus Smart Suite, являющийся альтернативой MS Office. Этот пакет включает:

 средство управления информацией, Lotus Smart Center, облегчающее запуск остальных приложений и документоориентированную работу в офисе;

 текстовый процессор Lotus Word Pro, более развитый, чем MS Word, в плане верстки оригиналов-макетов сложной структуры и работы с сетью, в том числе Internet и Intranet. Этот текстовый процессор продолжает линию Word Perfect. Представляет интерес наличие средств голосового ввода для Lotus Word Pro, позволяющих вводить текст (на английском языке), произнося его в микрофон;

 табличный процессор Lotus 1-2-3, развиваемый компанией Lotus, начиная с самой первой электронной таблицы для ПК. Lotus 1-2-3 значительно богаче по возможностям и дружественнее MS Excel из пакета MS Office; существенным дополнением являются специальные возможности групповой работы с электронной таблицей, обращение к базам данных для извлечения информации. Данные в электронную таблицу можно загрузить из базы данных в локальной сети или Internet, после обработки таблицу можно отправить членам рабочей группы. Важные функции анализа данных включены в командное меню. Расширены функции оформления таблицы, создания макросов при разработке табличной системы «под ключ» для решения прикладной задачи;

 СУБД Lotus Approach, ориентированная на использование в рабочей группе и работу с данными из различных баз данных. Это весьма мощная СУБД предостав­ляет большие возможности и дружественный интерфейс при работе с базами данных типа ABAST IV. Средствами самой СУДБ легко произвести анализ данных, расчеты, построить диаграмму, сформировать отчет. Однако отсутствие достаточно продвинутого формата базы данных в Approach осложняет работу со сложными базами данных с многими связями между таблицами, и в этом отношении Approach уступает Access;

 средство создания графических презентаций Lotus Freelance Graphics, также являющееся более развитым и дружественным, чем рассмотренный выше MS Power Point, а также средство визуальной разработки и публикации Web-страниц Lotus Fast Site, развивающее возможности MS Front Page, ориентированное на работу в группе. Встроенное во Freelance средство Lotus Screen Cam позволяет фиксировать все действия, выполняющиеся на мониторе, и превращать их в эффектный демонст­рационный ролик;

 средство «управления временем» Lotus Organizer. Запустив Lotus Organizer, мы попадаем в среду ежедневника-организатора. В наиболее подробном режиме ежедневника можно планировать события на любое время вперед. Открыв с помощью календаря ежедневник на нужной дате, можно создать запись в каком-либо его поле расписания (в этом случае можно предусмот­реть и настроить звуковое предупреждение), а также определить связь между делами или событиями, записать дела (с указанием приоритетов, телефонных звонков с указанием номеров для компьютерного дозвона, заметок для разговоров), просто сделать заметки.

Автоматически отслеживаются конфликты между событиями. На других страницах ежедневника можно также описывать события, встречи, телефонные звонки, праздники, делать заметки, и они автоматически будут внесены в расписание. На странице планировщика можно в цвете разметить все дни года по категориям (отдых, обучение, праздники, встречи, конференции, проекты и т.д.).

Lotus Notes позволяет организовать обмен электронной почтой в офисе, вести совместную групповую разработку проектов, получать справочные сведения; предоставляет доступ к информации, обеспечивает возможность вести дискуссии, распределять общие ресурсы, составлять расписания и утверждать документы.