Зачастую результатом научных исследований или необходимым условием для сдачи отчета о работе является наглядное представление накопленных данных. Чтобы решить эту далеко не простую задачу, разработано немало программного обеспечения.


Пожалуй, можно с уверенностью утверждать, что большая часть профессиональных инженерных расчетов выполняется в настоящее время на платформах UNIX, но в нашем обзоре речь пойдет прежде всего о приложениях (или их версиях) для операционных систем Windows 95/98/NT. И вовсе не из-за горячей любви к продукции Microsoft — скорее, это дань некоторым особенностям “национального колорита”. Все бесчисленные программные продукты, тестовые версии и описания которых опубликованы в пространстве Web, можно условно разделить на две категории.

  • “Готовые” программы для визуализации данных.
  • Приложения, позволяющие как самостоятельно представлять данные, так и генерировать автономные модули с определенным набором функциональных возможностей. 

Мы поговорим о приложениях, относящихся к обеим этим категориям.

 

Классика от IBM

 

В компании IBM разработан универсальный пакет для представления и анализа данных Visualization Data Explorer (Data Explorer, или просто DX; см. Web-узел www.ibm.com/dx). Существуют версии DX для платформ UNIX и Windows. Базовая версия пакета стоит $995; версия, с помощью которой можно создавать мини-приложения, — $1495. Пакет “родом” из UNIX, поэтому нет ничего удивительного в том, что для обработки данных используется модель исполнения “клиент/сервер” — для установки версии DX для Windows 95 нам пришлось дополнительно загружать и инсталлировать X-сервер.

 

В комплект “фирменной” поставки Data Explorer на CD-ROM входит Hummingbird Exceed X Server, а для тестовой версии DX можно установить любой другой X-сервер для PC, например, сервер X-WinPro финской компании Labtam Finland Ltd (www.labf.com/xwpweb/index4.htm). Вместе с ним Data Explorer работает под управлением Windows 95 достаточно устойчиво и корректно. Клиентским процессом пакета DX является графическая оболочка пользователя с элементами интерфейса XWindow и Motif, функционирующая на рабочей станции. Серверный процесс, который может быть “расположен” на той же или других рабочих станциях, выполняет все вычисления. Такая архитектура позволяет намного повысить производительность обработки массивов сложных данных большого объема и ускорить обмен данными с клиентской оболочкой на многопроцессорных рабочих станциях IBM, SGI и Sun.

 

Data Explorer позволяет полностью использовать аппаратные средства визуализации трехмерной графики. На рабочих станциях IBM, DEC и Silicon Graphics задействуются API GL или OPENGL, на рабочих станциях Hewlett-Packard — API Starbase, на Sun — API XGL. Пользователю предоставляется возможность выбирать в зависимости от конфигурации рабочей станции и сложности данных режимы программной или аппаратной визуализации, определяя, что важнее — быстрое взаимодействие с оболочкой или качественная визуализация. Не вдаваясь в подробности технологии визуализации трехмерных объектов, скажем лишь, что DX доступны все функциональные возможности 3D-акселератора.

 

Предназначен DX главным образом дл визуализации и анализа накопленных в ходе экспериментов или полученных иным образом данных. Управлять визуализацией можно в самом DX (в том числе и посредством языка сценариев высокого уровня), с помощью заблаговременно созданного “силами” DX мини-приложения или через интерфейс API. Создаваемые в визуальной среде элементы управления мини-приложения автоматически настраиваются на тип данных.

 

Визуальный язык программирования и язык сценариев поддерживают иерархические структуры (макросы) и, следовательно, могут использоваться дл создания автономных приложений. API предоставляет процедуры для манипуляций с данными, обработки ошибок, обращения к инструментам низкого уровня и т. д. Важное свойство DX — его невероятная гибкость. Благодаря универсальной модели данных, которая позволяет абстрагироваться от конкретных дисциплин, пакет очень быстро приспосабливается к новым приложениям и типам данных. Такая особенность модели позволяет описывать и предоставлять стандартные службы доступа к любым данным. DX поддерживает множество различных классов научных данных, которые могут быть описаны:

  • по форме (объему и количеству измерений),
  • по рангу (скаляр, вектор или тензор),
  • по типу (float, integer, byte, комплексное, кватернион),
  • по способу расположения (в текстовом или двоичном файле),
  • по взаимосвязям между категориями данных из одного набора,
  • по атрибутам разбиени на сетку (например, узел или центр ячейки),
  • по агрегации (иерархия, последовательность, сетка) и т. д. 

Это позволяет обрабатывать регулярные и иррегулярные, структурированные и неструктурированные массивы данных. Данные в DX могут быть импортированы в одном из распространенных “научных” форматов (netCDF, CDF и HDF), с помощью созданного пользователем фильтра, или универсального обработчика массивов (general array handler). Последний модуль предоставляет графический инструмент для форматировани и “макетирования” хранящихся на диске данных и преобразования их во внутреннюю модель данных DX для визуализации — так называемый Data Prompter. Кроме того, пользователю предоставляется возможность импортировать и экспортировать графические изображения нескольких форматов (RGB, TIFF, Postscript и т. д.). Из САПР IDL, ARC/Info, FLUENT, RAMPANT и NEKTON данные можно “забирать” непосредственно через буфер обмена, мину этап сохранения их на диске.

 

Data Explorer предоставляет несколько методик для “отображения” данных. Речь идет о представлении скалярных данных в цвете и с разной степенью прозрачности (colour and opacity mapping), о построении контуров и изоповерхностей, гистограмм, о двухи трехмерном представлении данных, о деформации поверхностей и т. д. Дл визуализации векторных данных хорошо подходят методики создания полос (streaklines) и форм (streamlines). К тому же пользователю предоставляется возможность дополнять визуализированные данные различного рода информационными подписями, разметками, условными обозначениями, сетками и диапазонами.

 

В Data Explorer предусмотрены всевозможные режимы манипуляций с данными, построения сеток, разметок и т. д, а также масштабы и точки просмотра. Кроме того, DX выполняет аналитические функции, например определяет тип математического выражения (арифметическое, трансцендентное, булево и т. д.); статистические функции; а также операции с полями и векторами (дивергенция, градиент). “Дискретные” данные могут быть подвергнуты интерполяции или триангуляции. Пользователи по достоинству оценят возможность вычисления длины, площади или объема различных геометрических фигур, созданных при визуализации данных. К недостаткам пакета следует отнести большие требования к объему оперативной памяти (желательно располагать более чем 32 Мб), а также досадные ошибки во входящих в комплект поставки файлах примеров.

 

Скромно и со вкусом

 

В компании Amtec Engineering Com. решили пойти “другим путем” и разработали удобную и компактную утилиту Techplot, тестовую версию которой можно загрузить с Web-узла компании (www.amtec.com/Pages_folder/Product_pages/prod3.html). Полнофункциональная ее версия обойдетс более чем в $1500. Несмотря на компактность Techplot, по возможностям она лишь немногим уступает такому “тяжеловесу”, как Data Explorer. Прекрасно справляясь с “элементарными” задачами, Techplot может также различать типы конечных элементов, строить кривои прямоугольные сетки, интерполировать и триангулировать “дискретные” данные, строить изоповерхности и срезы, а также создавать анимационные фрагменты, иллюстрирующие последовательность изменения визуализируемых данных во времени. Techplot чем-то напоминает приложение для верстки (см. рис.2) — все наборы визуализируемых данных помещаются в кадры (frames), которые затем распределяются по макету (layout). Кроме того, с помощью макросов можно описать необходимые для визуализации и анализа данных действия и намного сократить объем выполняемых рутинных операций. Данные могут попадать в Techplot из обычных текстовых двухмерных файлов с разделенными запятыми или пробелами значениями, из рабочих листов Excel, в форматах DXF, HDF, DEM, PLOT 3D и Gridgen. Созданные в результате анализа данных изображени можно сохранить в форматах TIFF, PostScript, EPS, HP-GL, WMF. Более того, созданные “плоские” и “объемные” сетки можно импортировать в приложение САПР в формате DXF.  


Рис. 1. Некоторые возможности DX


 

Рис. 2. Techplot позволяет визуализировать самые разные данные
 

“Скальпель” для начинающих хирургов

 

Приложение Slicer Dicer (www.slicerdicer.com/download.html) специально разработано в компании Visualogic для ученых, медицинских работников, инженеров и других специалистов, которым по роду деятельности приходитс манипулировать со сложными данными, представленными в трех или четырех измерениях. Его удобно использовать дл анализа, интерпретации и оформления таких данных, однако для этого необходим достаточно производительный процессор. Slicer Dicer версии 3.0 стоит 495 долларов. Название программы точно соответствует ее назначению — нарезать “ломтиками” (англ. slice) и “кубиками” (англ. dice) визуализированные данные, создава произвольной формы сечения, контуры, изоповерхности и объемы (см. рис.3). Slicer Dicer также позволяет создавать анимационные фрагменты, наглядно иллюстрирующие изменение данных во времени. Пользователю предоставляются самые широкие возможности управлять режимом, масштабом и точкой просмотра набора данных. Например, можно “на лету” менять наборы цветов, используемых для представления данных. Удобные условные обозначения, подписи, точная и удобная разметка осей позволяют создать легко понятные изображения, готовые для включения в электронные презентации или раздаточный материал. Замечательно свойство Slicer Dicer работать не только с двоичными данными, но и с графическими изображениями. Обладатели нескольких изображений-сечений могут импортировать их в форматах BMP, CLP, DICOM, DIB, EPS, HDF, JPG, PCT, TIF, WMF и т. д. Помимо двухмерных изображений Slicer Dicer 3.0 позволяет считывать наборы данных с произвольным “числом измерений” и почти в любом формате. Например, “четырехмерные” данные можно сохранить в виде набора трехмерных файлов в формате HDF, каждый из которых соответствует координатам (x, y, z) в определенный момент времени t. Естественно, такие файлы должны содержать массивы данных одинакового объема и ранга. С помощью специальных алгоритмов разработчикам удалось добиться высокой скорости прорисовки и реализма изоповерхностей. Немало усилий они приложили и для того, чтобы предоставить пользователям возможность управлять освещением данных. Можно не только задать расположение источника света, но и определить соотношение рассеянного и направленного “излучения фотонов”.

 

Slicer Dicer не лишен также возможности, свойственной полнофункциональным векторным графическим редакторам. Речь о подстроечном сдвиге (bumping) — возможности смещать выбранные объекты с помощью клавиш управления курсором, используя при этом небольшой шаг перемещения. Конечно, рассмотренное приложение визуализации имеет некоторую “медицинскую” направленность, однако это вовсе не значит, что его нельзя использовать никак иначе. Строить сложные сечения необходимо и геологам, и расчетчикам архитектурных конструкций, и пользователям систем САПР, где применяются модели конечных элементов. 


Рис. 3. "Всепроникающий" Slicer Dicer

 

Рис. 4. Интерфейс Origin очень напоминает Excel


Origin

 

Далеко не всегда данные представлены в таких “научных” форматах, как HDF или netCDF. Нередко накопленная исследователем или инженером информация хранится в текстовом файле или рабочей книге Excel. С задачами визуализации таких “простых” данных прекрасно справляется приложение Origin 5.0, разработанное программистами компании Microcal. С Webузла этой компании (www.microcal.com/www/demo_english/demn.html) можно загрузить тестовую версию Origin, работоспособную в течение 20 суток c момента установки. На приобретение Origin придетс потратить $560. На первый взгляд Origin очень напоминает Excel (точнее, его модуль построения диаграмм), но только на первый. Возможности Excel в визуализации (точнее сказать, иллюстрации) данных и в подметки не годятся Origin.

 

С другой стороны, рассматриваемое приложение выгодно отличается от других аналогичных пакетов понятным интерфейсом и гибкостью при анализе данных. Работа с Origin сводится к выбору необходимых данных в “листе” и щелчку на кнопке, чтобы построить соответствующий график или диаграмму. Помимо текстовых файлов ASCII и рабочих книг Excel поддерживаются форматы Lotus, dBASE, DIF, LabTech, SigmaPlot, Mathematica и Kaleidagraph. Двухмерные данные Origin может визуализировать 34 способами, трехмерные — более чем 10! Трехмерные поверхности можно строить как по матрице данных размерностью 3 ґ 3, так и по двухмерному массиву (x, y), для которого в окне формул задана функция f(x, y). При этом в одном окне можно разместить на различных слоях до 50 графиков. Созданные так изображения, готовые к печати, с помощью технологии OLE можно внедрить в другие приложения. Очень удобное расширение Origin — C-подобный язык программирования Labtalk, предоставляющий доступ ко всем возможностям и функциям приложения. С его помощью можно создать отдельный модуль, функционирующий внутри приложения и выполняющий специфические задачи визуализации, определить макросы, организовать динамический обмен данными (Dynamic Data Exchange, DDE) с другими приложениями Windows и т. д.

 

Мощные средства анализа и обработки данных не позволяют отнести Origin 5.0 к приложениям, предназначенным только для визуализации. В частности, Origin может выполнять быстрое преобразование Фурье, сглаживать графики, осуществлять дифференцирование, интегрирование и фильтрацию данных, проводить их статистическую обработку (суммирование, определение минимумов, максимумов и средних значений, построение гистограмм, тест на соответствие критерию Стьюдента, определение вариации-ковариации) и т. д. Особого упоминания заслуживают средства для генерации выборки данных по необходимому распределению — от нормального или экспоненциального до особых распределений, используемых специалистами в области хроматографии и спектроскопии. Если входящий в комплект поставки набор распределений вас не устраивает, можно сформулировать свой алгоритм для генерации случайных данных.

 

Соответствие накопленных в результате эксперимента данных нормальному распределению можно проверить методом наименьших квадратов — с помощью алгоритма Левенберга-Марквардта (Levenberg-Marquardt). Итак, Origin — это прекрасный пакет для анализа и визуализации научных данных. Поскольку Origin 5.0 предоставляет возможность внедрять в создаваемые графики текст, его с успехом используют дл подготовки отчетов и раздаточных материалов. Все рассмотренные приложени хорошо справляются с визуализацией данных, предоставляя пользователю немало дополнительных функциональных возможностей. Стоимость лицензий на все перечисленные программы превышает $500, поэтому стать зарегистрированными пользователями их смогут только достаточно богатые научные или коммерческие организации. “Домашним” пользователям, по-видимому, придется или мечтать о лучшей доле, или изредка довольствоваться тестовыми версиями.

2004.11.04
19.03.2009
В IV квартале 2008 г. украинский рынок серверов по сравнению с аналогичным периодом прошлого года сократился в денежном выражении на 34% – до $30 млн (в ценах для конечных пользователей), а за весь календарный год – более чем на 5%, до 132 млн долл.


12.03.2009
4 марта в Киеве компания Telco провела конференцию "Инновационные телекоммуникации", посвященную новым эффективным телекоммуникационным технологиям для решения задач современного бизнеса.


05.03.2009
25 февраля в Киеве компания IBM, при информационной поддержке "1С" и Canonical, провела конференцию "Как сохранить деньги в условиях кризиса?"


26.02.2009
18-19 февраля в Киеве прошел юбилейный съезд ИТ-директоров Украины. Участниками данного мероприятия стали ИТ-директора, ИТ-менеджеры, поставщики ИТ-решений из Киева, Николаева, Днепропетровска, Чернигова и других городов Украины...


19.02.2009
10 февраля в Киеве состоялась пресс-конференция, посвященная итогам деятельности компании "DiaWest – Комп’ютерний світ" в 2008 году.


12.02.2009
С 5 февраля 2009 г. в Киеве начали работу учебные курсы по использованию услуг "электронного предприятия/ учреждения" на базе сети информационно-маркетинговых центров (ИМЦ).


04.02.2009
29 января 2009 года в редакции еженедельника "Computer World/Украина" состоялось награждение победителей акции "Оформи подписку – получи приз!".


29.01.2009
22 января в Киеве компания "МУК" и представительство компании Cisco в Украине провели семинар для партнеров "Обзор продуктов и решений Cisco Small Business"

 

 
 
Copyright © 1997-2008 ИД "Комиздат".