учебники / Osnovy_informatsionnoi_biologii

Основы информационной биологии

значения первичного ключа должно иметься одно и только одно значение любого из столбцов данных, и это значение должно относиться к объекту таблицы. Из этого правила следуют два вывода:

1.данные таблицы должны полностью (разумеется, в рамках рассматриваемой проблемы) описывать объект.

2.в таблице не должны присутствовать данные, характеризующие иные объекты.

Независимость полей. Должна иметься возможность изменять значения любого поля таблицы (кроме входящих в первичный ключ) без необходимости одновременно вносить изменения в другие поля. У этого правила имеется два практических следствия:

1.исправление ошибки, как правило, должно повлечь изменение данных лишь в одном поле (столбце).

2.при заполнении строк таблицы данные не приходится многократно дублировать.

Создание связей между таблицами. Одним из требований процедуры нормализации было размещение в разных таблицах данных, характеризующих различные объекты.

Системы управления реляционными базами данных позволяют устанавливать связи между таблицами, тем самым создавая принципиальную возможность объединения данных, например, при выполнении запросов, когда необходимая информация разнесена по нескольким таблицам.

Создание связей между таблицами

Тип связей один-ко-многим. При данном типе отношений одной записи в первой таблице соответствует несколько записей во второй таблице, но одной записи во второй таблице – не более одной в первой.

Запись в первой таблице будет основной, во второй – подчиненной. Это основной тип связей в реляционных базах данных.

Тип связей один-к-одному. При данном типе отношений одной записи в первой таблице соответствует одна запись во второй таблице, и наоборот.

Связи типа “один-к-одному” могут организовываться в специальных целях, то есть преднамеренно, например при создании вспомогательных таблиц. В ином случае следует рассмотреть возможность объединения связанных таким образом таблиц.

Тип связей многие-ко-многим. При данном типе отношений многим записям в первой таблице соответствуют многие записи во второй таблице, и наоборот.

Наличие подобных связей делает невозможным нормальное функционирование реляционной базы данных. Для их устранения необходимо создать дополнительную таблицу пересечения, позволяющую расщепить такие связи на пары связей “один-ко-многим”.

Эффективность связей в реляционных базах данных обеспечивается:

Основы информационной биологии

1.преобладанием связей типа “один-ко-многим”.

2.использованием в качестве связывающих полей “чужих ключей”.

Под “чужими ключами” понимаются поля других таблиц, определенные

там в качестве первичных ключей. Внедрение в таблицу дублирующего поля в статусе подчиненного позволяет связать её с таблицей, содержащей данное поле как ключевое и основное для устанавливаемой связи типа “один-ко- многим”.

Задание условий на значение для таблиц. Данное условие программа будет использовать для проверки каждой заносимой в таблицу записи. Например, может осуществляться сравнение значений каких-либо полей таблицы. При нарушении условия выдается сообщение, заранее сформулированное при задании условия на значение для таблицы.

Тестирование базы данных способно выявить какие-либо упущения или ошибки при ее проектировании и построении. Своевременное их исправление существенно упрощает эту работу, так как при заполненных данными таблицах необходимо проявлять повышенное внимание и соблюсти целый ряд условий, о возможном нарушении которых программа как правило извещает пользователя посредством соответствующих сообщений.

Особого внимания требует изменение типов данных, так как несоблюдение правил конвертации чревато утратой ценной информации.

5.4 Основные принципы работы с базами данных

Для правильного функционирования базы данныхнеобходимо осуществить грамотный ввод информации в таблицы, выбирая наиболее удобный вариант из приведенных:

ввод с клавиатуры;

ввод с использованием иных устройств ввода и указания;

присоединение таблиц (баз данных и иных);

импорт данных из других приложений.

Запрос – объект, который позволяет пользователю извлечь необходимую информацию из одной или ряда таблиц. Запросом называется некоторая последовательность выполняемых системой действий, с помощью которых пользователь может извлечь из таблиц нужные данные. Это может быть как простейший поиск по значению в какой-либо одной таблице, так и сложный процесс преобразования и представления в определенном виде взаимосвязанных между собой данных, извлеченных из нескольких таблиц. Виды запросов:

-простой запрос – запрос на выборку

-запрос на действия

-запрос на удаление

-запрос на обновление

-запрос на создание новой таблицы

Основы информационной биологии

Отчет – объект, предназначенный для создания документов, которые легко поддаются распечатке или включению в документ другого приложения. Виды отчетов:

-простой отчет

-группировка данных и вычисление итогов

-групповые вычисления

-почтовые наклейки

Кроме того, можно организовать слияние с документом MS Word. Форма – объект, облегчающий процедуру ввода данных,

обеспечивающий отображение их на экране в удобном для пользователя виде или управление работой приложений. Из формы вручную или в ответ на определенное событие может быть запущен макрос или процедура обработки данных. Виды форм:

-простая форма

-форма в один столбец

-табличная форма

-составная форма

-диаграмма

Макрос – объект, представляющий собой последовательность макрокоманд и выполняющий таким образом функцию автоматизированного программирования. Создаются данные объекты с помощью встроенного в процессор конструктора макросов. Макросы имеет смысл создавать для часто используемых операций сложной обработки данных. Например, можно запрограммировать запуск макросов нажатием кнопки, размещенной в форме или иным образом.

Кроме рассмотренных выше основных объектов, СУБД предоставляет набор так называемых конструкционных объектов, при помощи которых разрабатывается структура форм и отчетов. К ним относятся:

-текстовые объекты (подписи, заголовки и т.п.);

-графические элементы (линии, фигуры и пр.),

-включая графики и диаграммы;

-поля, в которые заносятся либо отображаются данные;

-встроенные таблицы;

-кнопки; специальные графические образы (создаваемыми вспомогательными файлами соответствующего формата)

-объекты, созданные по технологии OLE, включая изображения и звуковую информацию.

Модуль – объекты, представляющие собой программы, написанные на языке Access Basic. К разработке модулей для приложений, обслуживающих базы биологических данных, как правило, привлекают опытных программистов.

Основы информационной биологии

ТЕМА 6: КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАБОТЫ С ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ДАННЫХ

ПЛАН:

6.1Понятие, задачи и области применения компьютерной графики

6.2Виды компьютерной графики. Растровая графика

6.3Векторная графика

6.4Фрактальная и полигональная графика

6.5Цветовые модели

6.6Форматы графических файлов и программные продукты для работы

сними

6.7Визуализация данных в научных исследованиях и образовании

6.1 Понятие, задачи и области применения компьютерной графики

С появлением и развитием средств электронной вычислительной техники исключительно интенсивно начало развиваться направление компьютерного синтеза изображений. Сформировалась новая отрасль информатики – машинная графика. Ее можно определить как науку о математическом моделировании геометрических форм и облика объектов, а также методов их визуализации.

Интерес к синтезу изображений объясняется высокой информативностью картинки по сравнению с прочими способами восприятия. Информация, содержащаяся в изображении, представлена в наиболее концентрированной форме, и эта информация, как правило, более доступна для анализа: для ее восприятия получателю достаточно иметь относительно небольшой объем специальных знаний.

Стремление визуализировать информацию наблюдается практически во всех сферах человеческой деятельности, поэтому с самого начала использования ЭВМ возникла проблема представления получаемых данных в виде изображения.

Машинная графика – это совокупность методов и средств для преобразования данных в графическую форму представления и из графической формы представления с помощью электронно-вычислительной машины (ЭВМ).

Представление данных на компьютере в графическом виде впервые было реализовано в середине 1950-х годов прошлого столетия. На начальном этапе программными средствами формировались различные символьные изображения: диаграммы, графики, условные схемы, планы и т.п. Вывод такой информации осуществлялся непосредственно через алфавитно-цифровое печатающее устройство (аналогичное электронной печатной машинке).

Формирование машинной графики как самостоятельного направления

Основы информационной биологии

специализированный пакет программного обеспечения компьютерной графики. Компьютерной графикой (КГ) называют область информатики, изучающую методы и средства обработки изображений с помощью программно-аппаратных средств.

Смысловая нагрузка изображения, передаваемые данные и способ их представления для визуальных коммуникаций различного рода могут сильно отличаться. Поэтому в компьютерной графике существует несколько относительно самостоятельных направлений, среди которых традиционно выделяют следующие:

•инженерно-конструкторская графика;

•деловая или коммерческая графика;

•иллюстративная;

•когнитивная (научная).

Компьютерная графика представляет значительный интерес для области научных исследований. В последнее время ученые чаще стали обращаться к имитационному моделированию на компьютере, позволяющему воссоздать в видимой форме то, что иногда в принципе нельзя увидеть глазами: распределение поля температур на поверхности другой планеты, напряжение внутри слитка металла, строение сложной органической молекулы и т.д.

В сфере обучения средствами компьютерной графики реализуется дидактический принцип наглядности – изготавливаются как печатные материалы различного уровня сложности, так и мультимедийная продукция. Кроме того, специальные программы на ПК позволяют создавать тренажеры, способные моделировать не только неподвижный мир, но и изменяющуюся среду, в которой движется автомобиль, самолет и т.п.

6.2 Виды компьютерной графики. Растровая графика

Графическая информация независимо от того, предназначена она для экранной демонстрации, издательской деятельности или для размещения в Интернет, должна определенным образом записываться и храниться в памяти машины. Графическая информация – это информация, представляемая интегрированными наборами точек, линий и полигонов.

Основные виды графики:

Растровая

Векторная

Фрактальная

Полигональная

Растровая графика. Растровые (точечные) изображения состоят из регулярной прямоугольной сетки точек, называемой растром, которая покрывает собой всю плоскость изображения. Регулярность растра означает, что все его ячейки имеют одинаковые форму и размеры. На практике обычно

Основы информационной биологии

используются прямоугольные растровые ячейки, причем в большинстве случаев форма ячейки представляет собой частный случай прямоугольника – квадрат. Часть изображения, размещенная в пределах одной ячейки растра, называется пикселем. Пиксель – это элементарная структурная единица изображения, несущая информацию о цвете данной области. Изображение представляет собой так называемую битовую карту – упорядоченную мозаику пикселей. IBM-совместимые компьютеры последовательно считывают такую карту снизу вверх и справа налево, Apple-Macintosh – слева направо.

Такое представление используется не только для хранения и обработки графического документа в цифровой форме, но и для создания картин мозаичной структуры, например, при выводе изображения на экран телевизора или монитора.

С точечными изображениями приходится иметь дело довольно часто; популярность таких изображений объясняется особенностью физиологии человеческого зрения – смыканием. Она состоит в том, что при рассмотрении двух близко расположенных друг к другу и сильно удаленных от зрителя мелких объектов они сливаются в один. Благодаря смыканию слитными воспринимаются изображения мозаичных картин, картины импрессионистов, фотографии в газетах и телевизионные кадры (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 – Фотография, снятая цифровой фотокамерой, представляющая собой растровое изображение

Таким образом, можно сказать, что работа и монитора, и печатающего устройства основана на обмане зрения. Поскольку точки растра достаточно

Основы информационной биологии

мелкие, глаз не способен воспринимать их по отдельности и для зрителя они сливаются в непрерывный тон.

В цифровой форме каждая точка растра (пиксель) представлена единственным параметром – цветом. Таким образом, значением пикселя является его цвет, а редактирование растрового изображения сводится к изменению цвета отдельных пикселей.

Все растровые устройства ввода используют регулярную прямоугольную растровую сетку, поскольку она проще всего реализуется технически и наиболее удобна при обработке. По этой причине растровые изображения тоже имеют прямоугольную форму. Это дает возможность измерять размер изображения по двум направлениям – высоте и ширине – в пикселях (например, 100х100, 640х480).

Пиксель сам по себе не имеет размеров, это всего лишь часть информационной модели изображения, которой соответствуют координаты определенного положения ячейки внутри растра и числового значения номера цвета. Размеры отдельного пикселя можно определить только после того, как будут назначены размеры растра, т.е. изображения в целом. Однако и в этом случае чаще пользуются не размерами отдельного пикселя, а разрешением.

Под разрешением растрового изображения понимается количество пикселей, приходящихся на единицу длины изображения. Разрешение устанавливается в пикселях (ppi) на дюйм, для устройств ввода используется аналогичный показатель – точки на дюйм (dpi). Для качественного воспроизведения изображений, просматриваемых на экране монитора, в том числе размещаемых в Интернет, достаточно 72 ppi, для распечатки на принтерах – 100-150 ppi, для высококачественной полиграфии – не менее 300 ppi.

Растровое изображение, помимо разрешения, характеризуется также глубиной цвета (числом используемых цветов). Стандартными режимами являются:

•16 цветов

•256 цветов

•16 бит (high color) – миллионы цветов

•32 бит (true color)

6.3Векторная графика

В отличие от растровой графики, в которой основным элементом изображения является точка, в векторной графике базовым элементом является линия – контур (при этом неважно, прямая это линия или кривая). Векторное изображение формируют комплекты линий (наборы векторов), соединяющих опорные точки (узлы).

Разумеется, в растровой графике тоже существуют линии, но там они рассматриваются как комбинации близкорасположенных точек, которые

Основы информационной биологии

составляют линию. В векторной графике объем памяти, занимаемый линией (контуром), не зависит от размеров линии, поскольку линия представляется в виде формулы, а точнее говоря, в виде нескольких параметров. Что бы мы ни делали с этой линией (контуром), меняются только ее параметры, хранящиеся в ячейках памяти. Количество же ячеек остается неизменным для любой линии (контура).

Итак, векторные изображения состоят из контуров. Все, что есть в векторной иллюстрации, состоит из контуров. Из простейших объектов строятся сложные. Контуром называется кривая, имеющая точное математическое описание. Контуры состоят из одного или нескольких криволинейных или прямолинейных сегментов, ограниченных узлами.

Замкнутые (а в некоторых случаях и открытые) контуры могут содержать заливку. Заливкой называют заполнение цветом внутренней части контура. Программы иллюстрирования могут обеспечить не только однородную заливку контура, но и более сложные типы, например, градиентную или узорную заливку.

Все (и замкнутые, и незамкнутые) контуры могут иметь обводку. Обводка представляет собой линию заданного типа, толщины и цвета, проведенную вдоль контура.

С помощью контуров, заливок и обводок в программах иллюстрирования строится векторное изображение.

В основе векторной графики лежат математические представления о свойствах геометрических фигур. Например, кривые второго порядка (эллипсы, параболы, гиперболы) представляются в памяти пятью параметрами. Для кодирования кривой третьего порядка используют 11 параметров. Как правило, для описания контуров в векторных редакторах

На практике для создания изображений используются так называемые «графические примитивы»: прямые, кривые, линии, овалы, прямоугольники и т.п., которые затем подвергаются модификации путем изменения траекторий, а также открытия, разделения, замыкания и объединения элементов. Векторные изображения широко используются при оформлении текстовых документов средствами графических инструментов MS Word (линии, стрелки, прямоугольники, овалы и различные автофигуры), OpenOffice.org Draw, а также стандартного приложения Windows – Paint Brush.

В векторной графике легко решаются вопросы масштабирования. Если, к примеру, для контура задана обводка толщиной 0,15 мм, то при увеличении или уменьшении рисунка эта линия контура будет иметь заданную толщину, поскольку это свойство объекта, жестко за ним закрепленное. Распечатка чертежа на малом или на большом формате листа

Основы информационной биологии

бумаги содержит линии одной и той же толщины. Это свойство векторной графики широко используется в картографии, в конструкторских системах автоматизированного проектирования (САПР) и в автоматизированных системах архитектурного проектирования.

Все компоненты векторного изображения описаны математически, а значит абсолютно точно. При редактировании векторного изображения программа заново рассчитывает координаты узлов, кривизну сегментов, параметры заливок и обводок. Поскольку все эти действия выполняются с геометрическими объектами, любое их преобразование, например, увеличение или уменьшение, выполняется точно и не ухудшает качества изображения.

Чем больше контуров использовано при построении изображения, тем интереснее и богаче будет выглядеть рисунок. Однако большое количество контуров существенно увеличивает объем и время вычислений, необходимые для построения изображения на экране монитора или принтере, ведь графическая программа вынуждена строить заново все изображение всякий раз, когда пользователь изменит масштаб отображения или прокрутит документ.

Ограничение на сложность векторных изображений накладывает не только объем требующихся вычислений, но и то, что построение детализированных векторных изображений требует кропотливого труда художника. Простые же векторные изображения, напротив, используются очень широко, т.к. обладают рядом преимуществ:

возможность масштабирования без ущерба для качества изображения;

малые размеры файлов, созданных средствами редакторов векторной графики.

Для работы в редакторах векторной графики необходимо использовать манипуляторы с высокой точностью позиционирования. Механические манипуляторы типа «мышь» должны быть хорошего качества, и менять их приходится почти ежемесячно. Для создания сложных штриховых рисунков лучше использовать специальные графические планшеты.

Наиболее «мощными» и известными редакторами векторной графики являются: Corel Draw и Adobe Illustrator.

Логотипы фирм, товарные знаки, как правило, являются векторными изображениями. К ним относятся и шрифты. Именно благодаря их векторной природе компьютерные шрифты и логотипы не теряют качества независимо от размера (рисунок 6.2).

Основы информационной биологии

Рисунок 6.2 – Примеры изображений, выполненных в векторном редакторе

Растровые изображения могут быть подвергнуты векторизации. Эта процедура может оказаться весьма полезной для простых по своей структуре изображений без полутонов и градиентных окрасок, так как позволяет существенно уменьшить размеры соответствующих файлов. В первую очередь это относится к штриховым рисункам. Помимо полнофункциональных графических редакторов, такое преобразование («трассировку») можно осуществлять с помощью программных продуктов, например, Adobe StreamLine. Векторизация фотоснимков как правило дает неудовлетворительные результаты – качество изображения существенно ухудшается, тогда как размеры файла значительно возрастают.

В практической работе биологи и экологи редко используют специализированные программы создания векторных изображений, но широко используют инструменты вставки векторных элементов (линии, стрелки, прямоугольники, овалы и различные автофигуры) в текстовые документы и растровые изображения.

6.4 Фрактальная и полигональная графика Фрактальная графика, как и векторная, – вычисляемая, но отличается

от нее тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся. Изображение строится по уравнению (или по системе уравнений), поэтому ничего, кроме формулы, хранить не надо. Изменение коэффициентов в уравнении позволяет получать совершенно другую картину.

Изображение в этом случае формируют фракталы – фигуры с дробной размерностью, а инструментом служат кривые фон Коха. Таким способом обеспечивается возможность создания объектов хаотичной структуры. Один из методов описания и построения фракталов – создание L-систем. Порой он