учебники / Osnovy_informatsionnoi_biologii

Основы информационной биологии

описания каждой из трех составляющих нужно указать значение цвета от 0 до 255, т.е. один из 256 возможных вариантов оттенка от черного до основного.

Как уже говорилось, для записи максимального значения полутонового оттенка в двоичном коде потребуется 8 бит памяти. Таким образом, если полутоновых каналов три, то глубина цвета RGB-изображения составляет: 8 бит * 3 = 24 бита.

Если полноцветное изображение будет иметь размеры 100 х 100 пикселей, то для его хранения потребуется: 100 пикселей х 100 пикселей х 24 бит = 240 000 бит –29,3 Кбайт памяти.

Таким образом, для представления цвета изображения в модели RGB используются три полутоновых канала, каждый из которых может описать 256 оттенков базового цвета). Полноцветное RGB-изображение, имеющее те же физические размеры, что и полутоновое (при одинаковом разрешении), займет

впамяти компьютера в три раза больше места.

Впрактике компьютерной графики чаще всего используются растровые изображения с представлением цвета в восьмибитных полутоновых каналах. Однако современные графические редакторы позволяют применять для описания цвета 16-битные каналы.

Изображения в модели CMYK (субтрактивная модель)

Модель CMYK – Cyan/Magenta/Yellow/black – предназначена для описания цвета изображений, выводимых на печать. Цветное растровое изображение сложено из точек, создаваемых в результате наложения голубого (cyan), пурпурного (magenta) и желтого (yellow) монохромных изображений с использованием черного (black) на белом фоне (подложке). Таким способом формируется цветное изображение на белой бумаге при полиграфической и фотопечати, данная модель применяется при подготовке графики, предназначенной для печати на белых носителях.

CMYK можно рассматривать как производную модели CMY, базовые цвета которой называют цветами полиграфической триады. Модель CMY – основная цветовая модель для всех случаев, когда приходится иметь дело с отраженным светом. Она описывает отраженные цвета (краски), которые образуются в результате вычитания из белого части спектра падающего света. Отраженные цвета рождаются следующим образом: свет определенного спектра, например солнечный, попадает на несветящиеся предметы. Затем часть спектра поглощается поверхностью предмета, а оставшаяся часть отражается и улавливается глазом. Таким образом, наложенная на лист бумаги полупрозрачная краска будет вычитать из проходящего света отдельные спектральные компоненты и отражать тот единственный цвет, который и воспринимается зрителем.

Цветовые компоненты модели CMY (базовые цвета) появляются в результате вычитания из белого основных цветов модели RGB:

Основы информационной биологии

Поскольку базовые цвета данной модели являются результатом вычитания, то сама модель носит название субтрактивной. Субтрактивными называются модели, основу которых составляет операция вычитания цветов (субтрактивный синтез).

При смешении субтрактивных цветов в новый тон результат всегда получается темнее обоих исходных, поскольку каждый из цветов поглощает часть спектра.

Пространство модели CMY аналогично цветовому пространству модели RGB, где каждый из оттенков изображения получается смешением компонентов базовых цветов, но в котором перемещено начало координат

(рисунок 6.10).

Рисунок 6.10 – Цветовое пространство модели CMYK

Нулевое значение составляющих соответствует полному отсутствию краски на бумаге, т.е. белому цвету. Смешение максимальных значений всех трех компонентов дает черный цвет. Смешение равных значений базовых цветов создает оттенки серого.

Основы информационной биологии

Развитием модели CMY явилась модель CMYK. Она описывает реальный процесс печати на офсетной машине и цветном принтере. Пурпурная, голубая и желтая краски (полиграфическая триада) последовательно наносятся на бумагу в различных пропорциях и таким способом репродуцируется значительная часть видимого спектра.

Особенность модели CMYK в том, что она полностью ориентирована на процесс печати и именно этим объясняется введение в модель CMY четвертого дополнительного канала черного цвета (К). Введение дополнительного черного канала является теоретически не обоснованным, но необходимым для компенсации недостатков современного печатного оборудования. Проблема в том, что в темных областях при печати триадой красок хорошо видны погрешности совмещения, на больших темных областях возможно переувлажнение бумаги и, кроме того, смесь CMY-красок не дает глубокого черного тона. Все эти неприятности можно устранить заменой в темных областях триадных красок на черную.

Несмотря на увеличение количества базовых цветов в CMYK по сравнению с RGB, стоит отметить, что цветовой охват CMYK значительно меньше цветового охвата RGB, поскольку четырехкрасочная модель описывает не излучаемые, а отраженные цвета, интенсивность которых всегда меньше. В связи с этим изображение, созданное в модели RGB за счет разницы цветовых охватов и характеристик выводящего оборудования, на экране всегда будет смотреться иначе, чем на печати.

Для описания цвета пикселя изображения в модели CMYK нужно указать значение четырех составляющих цвета, каждая из которых может принимать значение от 0 до 255 и занимает 8 бит памяти. Таким образом, глубина цвета CMYK-изображения составляет 8 бит х 4 = 32 бита.

Очевидно, что изображение в модели CMYK при одинаковых физических размерах с изображением в модели RGB будет иметь на четверть больший объем файла.

Профессиональные цветовые модели

HSB – Hue/Saturation/Brightness кодируется до 3 млн. цветов, режим используется при необходимости сохранить при выводе на печать яркие цвета.

Lab – Luminosity/a-channel/b-channel – a-channel содержит цвета от темно-зеленого к розовому, b-channel содержит цвета от светло-синего к яркожелтому используется в спектрофотометрии и денсиометрии.

Черно-белые цветовые режимы:

–Bitmap (битовая карта) – реализован с использованием двух цветов (черного и белого).

–Greyscale (серая шкала) – модель предусматривает использование при построении изображения точек 256 оттенков серого цвета.

Послойная структура. Следует отметить, что любое растровое

изображение может представлять собой композицию из прозрачных,

Основы информационной биологии

полупрозрачных и непрозрачных слоев. По умолчанию площадь каждого слоя равна площади всего изображения. Редакторы растровой графики профессионального уровня позволяют работать с каждым слоем раздельно.

6.6 Форматы графических файлов и программные продукты для работы с ними

Разные форматы обеспечивают различный уровень качества сохраняемых растровых графических изображений в файлах разного размера. Это обуславливает необходимость корректного подбора используемых форматов файлов. Основные форматы графических файлов:

•.psd

•.pdf

•.bmp

•.pcx

•.wmf

•.jpg (.jpeg)

•.gif

•.png

•.tif (.tiff)

•.raw

.psd – PhotoShop Document (специализированный формат графических файлов растрового графического редактора Adobe Photoshop). Изображение подвергается «легкому» сжатию по методу RLE (run length encoding). Позволяет хранить максимум нужной информации, в том числе в дополнительном альфа-канале. Рекомендуется для графики, подготавливаемой для печати.

.pdf – Portable Document Format – универсальный формат для текстовой и графической информации. Используется при подготовке изданий в электронной форме, в том числе размещаемых в Интернет.

.pcx – Personal Computer x. Один из старейших форматов графических файлов. Поддерживается только IBM-совместимыми платформами. Не предусматривает использование цветовой модели CMYk. Не обеспечивает должного качества изображений, предназначенных для печати или размещения в Интернет.

.bmp – Bit Map Picture. Универсальный формат для графики, используемый приложениями Windows. Не обеспечивает должного качества изображений, предназначенных для печати или размещения в Интернет.

.wmf – Windows MetaFile. Специальный формат временных файлов (метафайлов) для графических изображений, помещаемых в буфер обмена Windows. Не способен обеспечивать должное качество изображений, чем определяется желательность отказа от использования буфера обмена при вставке изображений.

Основы информационной биологии

.jpg (.jpeg) – Joint Photographic Expert Group. Один из основных форматов графических файлов. Широко применяется в документах WWW, но не обеспечивает полиграфическое качество изображений. Использует LZWмеханизм сжатия, предполагающий усреднение информации по блокам пикселей, степень которого может быть задана предварительно.

.gif – Graphic Interchange Format. Очень один из самых старых и очень распространенный формат. Широко используется в документах WWW, но не обеспечивает полиграфическое качество изображений. Рисунки этого формата могут быть полупрозрачными. Анимированный вариант предполагает последовательную демонстрацию набора рисунков.

.png – Portable Network Graphics. Современный формат графических файлов, призванный заменить устаревший .gif. Полностью обеспечивает его функциональные возможности. Рекомендуется для документов WWW.

.tif (.tiff) – Tagged Image File Format. Универсальный формат графических файлов. Обеспечивает высокое качество изображений. Возможно использование LZW-, ZIPлибо JPEG-механизмов сжатия, что рекомендуется для подготовки документов для печати полиграфического качества.

.raw – (англ. raw – сырой, необработанный). Универсальный формат графических файлов изображений, считываемых с фотографических матриц.

Для работы с файлами растровой графики применяют следующие

группы программных продуктов:

1)полнофункциональные графические редакторы

2)просмотрщики графических файлов

3)каталогизаторы графических файлов

4)программы захвата статических графических изображений. Основные группы графических редакторов для работы с файлами

растровой графики:

-полнофункциональные графические редакторы

•Adobe Photoshop

•Corel PhotoPaint

•GIMP

•Pixia

-On-line графические редакторы и сервисы

•Picasa

•http://online-fotoshop.ru/

Полнофункциональные графические редакторы предполагают использование таких инструментов, как: Filter(-s) – фильтры и Plug-in(-s) – плагины, их к настоящему времени насчитываются сотни.

Среди других групп программных продуктов, предназначенных для работы с файлами растровой графики выделяют:

-просмотрщики графических файлов

•ACDSee

Основы информационной биологии

•XnView

•Coffee Cup Free Viewer +

•Advanced Viewer

•Irfan View

-каталогизаторы графических файлов

•PhoA

-программы захвата статических графических изображений

•SnagItNow

Для оптимизации полученных фотоизображений используются стандартные процедуры:

•изменение размеров;

•кадрирование;

•контрастирование;

•цветовая коррекция;

•ретуширование

Кроме вышеперечисленных в биологии, медицине и экологии применяются специальные возможности графических редакторов:

1)определение площади объектов с помощью:

-специализированных графических редакторов: lpSquare v1.8, ImageJ

-универсальные графические редакторы: Adobe Photoshop CS Extended,

GIMP

2)подсчет числа однотипных объектов

3)распознавание объектов стандартного облика.

6.7Визуализация данных в научных исследованиях и образовании

Внастоящее время в качестве научных и технологических направлений стремительно развиваются: визуализация информации и визуальная аналитика. Их прикладные приложения активно используются как в научных исследованиях, так и в образовании, социальной и информационной деятельности, маркетинге и других сферах.

Вкачестве научной дисциплины оформилась научная визуализация (scientific visualization). Теоретическая основа методов визуализации информации и визуальной аналитики – методы рисования и визуализации графов. Базовыми для разработок в данной области являются:

• теория графов;

• компьютерная геометрия;

• компьютерная графика;

• теория исчислений

Программные средства визуализации информации:

офисные программные пакеты;

системы управления базами данных;

пакеты статистического анализа данных;

Основы информационной биологии

программы математического моделирования;

системы машинной графики и геометрического моделирования;

программы оптимизации, структурного синтеза и принятия решений;

редакторы компьютерных презентаций;

специализированные программные пакеты научной графики.

Для визуализации научных данных используются следующие основные типы графиков и диаграмм:

-Столбчатые гистограммы. Диаграммы с вертикальным расположением плоских либо объемных столбцов (прямоугольных либо цилиндрических). Подходят для отображения соотношений статичных параметров. Сгруппированные варианты предназначены для отображения относительного вклада компонентов (в абсолютном или процентном выражении).

-Линейчатые гистограммы. Диаграммы с горизонтальным расположением плоских либо объемных столбцов (прямоугольных либо цилиндрических). Подходят для отображения соотношений статичных

параметров. Сгруппированные варианты предназначены для отображения относительного вклада компонентов (в абсолютном или процентном выражении).

-Круговые гистограммы. Предназначены для демонстрации соотношений или вклада компонентов.

-Кольцевые гистограммы. Предназначены для демонстрации соотношений или вклада компонентов.

Существуют варианты для представления нескольких соотношений одновременно:

-Диаграммы с областями. Предназначены для отображения относительных количественных параметров в динамике.

-Лепестковые (радарные) диаграммы. Предназначены для сопоставления значений разнородных параметров, характеризующих несколько объектов.

-XY-точечные диаграммы. Предназначены для демонстрации корреляции между изменяющимися параметрами.

-Графики. Предназначены для демонстрации трендов (тенденций изменений).

-Диаграммы «с усами». Предназначены для демонстрации диапазонов значений параметра. Данные в таблице для каждого варианта диаграммы должны быть соответствующим образом размещены.

-Плоскостные диаграммы. Предназначены для демонстрации соотношений или вклада компонентов.

-Организационные диаграммы. Применяются для демонстрации иерархически организованных структур. Диаграмма создается средствами MS

OrgChart.

Основы информационной биологии

ПЛАН ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ

Тема 1: Введение. Информация и информационные процессы и технологии (4 часа)

Занятие 1. Способы и основные средства поиска информации в сети (2 часа)

Цель: текстовый поиск как основной метод обнаружения научной биологической информации в Интернете.

Материалы и оборудование: персональный компьютер, компьютерные программы, система мультимедиа.

Задания:

1.Используя поисковую систему Google, расшифруйте аббревиатуру в тексте научной статьи (индивидуальное задание будет выдано преподавателем).

2.Как следует составить запрос, чтобы поиск проводился не по всему вебу, а только по заданному сайту?

3.Найдите достоверную информацию о том, кому была присуждена последняя по времени Нобелевская премия по биологии.

4.Найдите первоисточник информации, использованной журналистом для написания научно-популярного сообщения (индивидуальное задание будет выдано преподавателем).

Занятие 2. On-line информационные базы данных (2 часа)

Цель: познакомится с on-line информационными базами данных. Материалы и оборудование: персональный компьютер, компьютерные

программы, система мультимедиа.

Задания:

1.Брусника может храниться долго, и объясняют это тем, что в ней содержится консервант бензойная кислота. Примем, что единственным опасным для организма компонентом брусники является бензойная кислота. Допустимо ли съесть 150 г брусники в один прием? Сделайте оценочный расчет. Где на ваш взгляд следует брать необходимые справочные данные?

2.Определите, в соответствии с каким стандартом в Беларуси следует определять жесткость питьевой воды. Какова доступность этого документа на сайте ТНПА?

Тема 2: Научно-информационная деятельность в биологии (4 часа)

Занятие 1. On-line каталоги публичных и специальных библиотек, их возможности и практическое использование (2 часа)

Основы информационной биологии

Цель: изучить устройство On-line каталогов публичных и специальных библиотек.

Материалы и оборудование: персональный компьютер, компьютерные программы, система мультимедиа.

Задание:

1. Составить аннотированный библиографический обзор по заданной теме (индивидуальное задание будет выдано преподавателем). При выполнении задания в обязательном порядке использовать ресурсы публичных и специальных библиотек.

Занятие 2. Формирование библиографических списков, Mendeley и др. (2 часа)

Цель: изучить работу справочного менеджера Mendeley, который используется для управления и обмена исследовательскими работами, а также для создания библиографий для научных статей.

Материалы и оборудование: персональный компьютер, компьютерные программы, система мультимедиа.

Задание:

1. Составить обзор научной литературы по заданной теме с использованием справочного менеджера Mendeley (индивидуальное задание будет выдано преподавателем).

Тема 3: Информационные подходы к анализу биологических процессов и систем (2 часа)

Занятие 1. Вычислительная экология, основные направления исследований (2 часа)

Цель: ознакомиться с основными направлениями и программным обеспечением в вычислительной экологии.

Материалы и оборудование: персональный компьютер, компьютерные программы, система мультимедиа.

Задание:

1. Найти информацию о современном программном обеспечении в вычислительной экологии по выданной тематике.

Тема 4: Компьютерные технологии работы с текстовой информацией (4 часа)

Занятие 1. Особенности текстового оформления отдельных видов научных работ (2 часа)

Цель: изучить основные этапы подготовки квалификационных (курсовых и дипломных) работ.

Основы информационной биологии

Материалы и оборудование: персональный компьютер, компьютерные программы, система мультимедиа.

Задания:

1.Поиск полнотекстовых научных публикаций (индивидуальное задание будет выдано преподавателем).

2.Подготовка к печати средствами доступного текстового редактора текстового документа, в виде электронного препринта (технический макет) квалификационной (курсовой) работы.

Занятие 2. Работа с файлами формата PDF, конвертация текстовых файлов из формата в формат (2 часа)

Цель: освоить принципы работы с файлами формата PDF и ознакомиться с системами электронного перевода текстовой информации.

Материалы и оборудование: персональный компьютер, компьютерные программы, система мультимедиа.

Задание:

1. Используя системы электронного перевода текстовой информации перевести заданный текст (индивидуальное задание будет выдано преподавателем).

Тема 5: Компьютерные технологии аккумуляции и анализа структурированной информации (10 часов)

Занятие 1. Электронные таблицы: Excel, Google (2 часа)

Цель: создание и редактирование электронных таблиц в Microsoft

Excel.

Материалы и оборудование: персональный компьютер, компьютерные программы, система мультимедиа.

Задание:

1. С помощью программы Microsoft Excel произвести расчеты по выданным вариантам заданий.

Занятие 2. Статистика и работа с пакетами анализа данных в MS Excel (2 часа)

Цель: изучить работу основных статистических пакетов анализа данных.

Материалы и оборудование: персональный компьютер, компьютерные программы, система мультимедиа.

Задание:

1. Рассчитать статистическую достоверность выданных экспериментальных данных и сделать выводы (индивидуальное задание будет выдано преподавателем).