Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Виртуальные лаборатории математического моделирования в среде интернет 15
1.1. Обзор виртуальных лабораторий удаленного доступа 15
1.2. Тенденции разработки виртуальных лабораторий удаленного доступа 19
1.2.1. Веб-сервисы специализированных математических пакетов 20
1.2.2. Java-технология 22
1.2.3. Программное обеспечение для сопряжения специализированных математических пакетов с Java 27
1.3. Способы визуализации в виртуальных лабораториях удаленного доступа 29
1.4. Требования к виртуальным лабораториям удаленного доступа 32
1.5. Общая концепция предлагаемого метода 34
Основные результаты и выводы 37
Глава 2. Применение модельно-ориентированного подхода для обработки и визуализации данных в среде интернет 38
2.1. Подходы к разработке пользовательского интерфейса и программного кода 38
2.2. Применение модельно-ориентированного подхода к визуализации данных 40
2.2.1. Модель обмена и визуализации данных 40
2.2.2. Модель представления результатов математического моделирования 44
2.2.3. Язык реализации модели 45
2.2.4. Формат реализации модели представления результатов математического моделирования 48
2.3. Применение модельно-ориентированного подхода к обработке структурированных данных, хранящихся в СУБД 52
2.3.1. Модель обработки и представления структурированных данных, хранящихся в СУБД 53
2.3.2. Алгоритмы, реализующие систему обработки структурированных данных, хранящихся в СУБД 60
Основные результаты и выводы 66
Глава 3. Программный комплекс для визуализации данных VS-SCI 67
3 .1. Обзор возможностей VS-Sci. Структурно-функциональная модель 61
3.2. Техническая реализация VS-Sci 70
3.2.1. Чтение удаленных данных 70
3.2.2. Повторное использование результатов вычислений 73
3.2.3. Генерация веб-интерфейса 75
3.3. Визуализационный модуль 76
3.3.1. Структура визуализационного модуля 78
3.3.2. Анализ XML-представления результатов математического моделирования 82
3.3.3. Генерация графики 84
Основные результаты и выводы 90
ГЛАВА 4. Интерактивная визуализация расчетов с помощью программного комплекса VS-SCI 91
4.1. Визуализация моделей нелинейной динамики 91
4.1.1. Модель механической системы 91
4.1.2. Параметрические колебания математического маятника 98
4.1.3. Динамический хаос в простой механической системе 102
4.1.4. Колебания двух связанных осцилляторов 109
Основные результаты и выводы 115
Заключение 116
Приложения 119
Публикации автора по теме диссертации 156
Список использованной литературы
- Веб-сервисы специализированных математических пакетов
- Применение модельно-ориентированного подхода к визуализации данных
- Применение модельно-ориентированного подхода к обработке структурированных данных, хранящихся в СУБД
- Анализ XML-представления результатов математического моделирования
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время одной из перспективных форм организации и проведения совместных научных исследований и реализации дистанционного обучения естественным наукам является создание информационно-вычислительных веб-ресурсов и виртуальных лабораторий (ВЛ) удаленного доступа, т.к. Интернет занял прочные позиции в современном научном сообществе и является важным средством коммуникации, обмена научной информацией и публикации научных результатов.
Благодаря развитию вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий, виртуальные лаборатории получили возможность выйти на новый уровень. При переходе от локальных версий к распределенным комплексам качественно изменяются функциональные возможности лабораторий: интернет-приложения осуществляют оперативный обмен информацией между исследователями, предоставляют доступ к распределенным базам данных (БД), высокопроизводительным вычислительным ресурсам и проблемно-ориентированному программному обеспечению (ПО), обеспечивают проведение тематических телеконференций [1, 2], [Al, А2]. Организация распределенных лабораторий требует проработки сетевых аспектов её работы, связанных с предоставлением удаленного доступа к системе, поддержкой распределенных данных и объединением сетевых ресурсов для решения стоящих перед системой задач.
Предпосылками для появления в глобальном сетевом пространстве виртуальных лабораторий математического моделирования явились современные достижения компьютерной и телекоммуникационной индустрии, а также новые программные средства визуализации научных данных. В настоящее время рядом отечественных и зарубежных авторов ведутся работы по исследованию возможных путей эффективной разработки и поддержки информационно-вычислительных Интернет-систем с гибкими возможностя ми обработки и визуализации данных [A3], [3, 4]. До сих пор на рынке не представлено технологий обработки и визуализации научных данных, которые бы полностью соответствовали особенностям сети Интернет, применение уже существующих средств зачастую бывает затруднено или неэффективно.
Проблема более усугубляется в связи с растущим использованием специализированных математических пакетов для решения научных задач и их веб-серверов. Однако графическое представление результатов вычислений с их стороны не предполагает интерактивного пользовательского взаимодействия и дополнительных возможностей работы с изображением. Визуализация математических моделей сложных систем сопряжена с большой нагрузкой на сеть и ресурсы конечного пользователя. Указанная проблема связана с" тем, что не существует инструмента, позволяющего максимально просто представлять в сети объекты, созданные при помощи стандартных пакетов математического моделирования, либо полученные с различных источников.
Использование существующих технологий для создания систем визуализации данных не отвечают всем потребностям разработчика и конечного пользователя. Как показывает практика, наиболее эффективным и оптимальным является использование технологии «клиент-сервер», что, в первую очередь, связано с проблемой интерпретации и визуализации данных со стороны математического пакета и одновременно «бедностью» встроенного математического аппарата языка Java. Графическое представление данных со стороны веб-сервисов математических пакетов не позволяет проводить качественную динамическую визуализацию хотя бы с минимальной долей интерактивности. Возможность создания серии растровых изображений для анимиро-ванного представления явления, к примеру, в форме цветовых распределений или функциональных зависимостей, при использовании веб-сервисов стандартных математических пакетов для обработки больших массивов данных, с которыми приходится иметь дело при численном моделировании, становится бессмысленной вследствие существенного увеличения нагрузки на сеть и процессор компьютера конечного пользователя.
Существующие решения для сопряжения указанных технологий привязаны к конкретному математическому ПО и не могут быть использованы вне его рамок, к примеру, для авторских пакетов численного моделирования.
Несмотря на значительное количество работ, посвященных разработке инновационных технологий визуализации, рынок интернет-технологий визуализации находится ещё в стадии становления. Существующие решения не предоставляют необходимый уровень интерактивности и требуют передачи большого объема данных по сети, что приводит к значительному увеличению периода ожидания загрузки веб-страниц, так как в большинстве случаев весь процесс визуализации сводится к выводу растровых изображений. Суммарный объем графического представления числовых данных может во много раз превосходить объем исходной числовой информации: Включение дополнительных элементов в изображение с целью повышения его наглядности увеличивает размер конечного графического файла [5]. В связи с этим необходима технология, позволяющая отображать данные в векторном формате, в том числе и анимацию, с возможностями интерактивного взаимодействия пользователя с изображением.
В Астраханском государственном университете ведется разработка информационно-компьютерных технологий нового поколения, которые обеспечивают эффективную разработку информационно-вычислительных систем, решают широкий комплекс проблем компьютерного анализа и моделирования сложных, в том числе, живых, систем и покрывают указанные выше недостатки.
Разработка технологий получила финансовую поддержку Российского фонда фундаментальных исследований (проект РФФИ № 07-07-00128-а), Фонда содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере (проект У.М.Н.И.К. «Интернет-ориентированная кроссплатформенная система визуализации данных для сопряжения со специализированными пакетами научного программного обеспечения и базами данных»).
Целью диссертационной работы является разработка и программная реализация комплекса моделей обработки и визуализации данных в среде Интернет при проведении компьютерного моделирования сложных динамических систем.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
1. Провести анализ представленных в сети Интернет виртуальных лабораторий математического моделирования, выявить недостатки.
2. Разработать концепцию разделения вычислительных и визуализаци-онных процессов в системе «клиент-сервер».
3. Разработать модель обмена и визуализации данных и модель представления результатов математического моделирования.
4. Разработать модель обработки структурированных данных, хранящихся в системах управления базами данных (СУБД) и модель представления данных, хранящихся в СУБД.
5. Создать программное обеспечение (ПО), реализующее предлагаемую концепцию, для проведения фундаментальных исследований в области математического моделирования.
6. Провести апробацию концепции и её программную реализацию на примере распределенной системы для математического моделирования сложных систем.
Методологической и теоретической основой диссертационной работы явились исследования российских и зарубежных ученых в области ин тернет-технологий, математического и компьютерного моделирования, теории машинной графики, аналитической геометрии.
Методы исследования. В работе применялись общенаучные методы и приемы исследования: системный подход, сравнительный анализ, синтез, классификация и структуризация. Проведенные в работе исследования базируются на объектной модели данных и используют методы математического моделирования. Для решения поставленных задач применялись методы системного, модульного и объектно-ориентированного программирования, а также средства UML-моделирования.
Научная новизна работы. Соискателем получены и выдвигаются на защиту следующие основные положения:
1. Для обработки и визуализации данных в среде Интернет разработан комплекс моделей, включающий: модель вариантов использования, модель обмена и визуализации, модель обработки и представления структурированных данных, хранящихся в СУБД, модель представления результатов математического моделирования, модель классов, интерфейсов, сценариев.
2. Разработан файловый формат для хранения и распространения в сети Интернет результатов математического моделирования, основанный на предложенной модели.
3. Разработан алгоритм автоматической генерации визуализации на основе модели представления результатов математического моделирования.
4. Разработан алгоритм автоматической генерации веб-интерфейса, содержащего параметры математической модели (ММ).
5. Разработан алгоритм автоматической генерации веб-интерфейса и SQL-запросов на основе модели представления данных, хранящихся в СУБД.
Степень научной разработки проблемы. Вопросам компьютерного моделирования и визуализации посвящены работы Siddharth Samsi, Ashok Krishmmurthy, Stanley Ahalt, John Nehrbass, Marlon Pierce и др.
Проблемой автоматической генерации интерфейса и программного кода занимаются отечественные и зарубежные ученые: А.Н. Иванов, В.В. Грибова, Т.А. Гаврилова, О.Л. Перевозчикова, Э.В. Попов, П.И. Соснин, В.Ф. Хорошевский, Л.Л. Вышинский, P. Castells, J. Foley, М. Ivory, С. Janssen, J. Lowgren, В. Myers, A. Puerta, G. Singh, P. Sukaviriya, P. Szekely и др.
Практическая значимость исследования и внедрения
1. Предложенная модель визуализации расчетов, выполненных специализированными математическим пакетами, более эффективна по сравнению со стандартными подходами (см. Приложение 7) и существенно сокращает временные задержки при моделировании в режиме «клиент-сервер». Объем пересылаемой информации сокращается на порядок, что позволяет существенно снизить нагрузку на сеть.
2. Автоматизированная интеграция вычислительных систем с виртуальными лабораториями является трудно реализуемой задачей с использованием стандартных средств разработки. В работе предложено более эффективное решение, имеющее практическую реализацию.
3. Использованные в исследовании технологии и методы визуализации способствуют повышению эффективности применения математических моделей, созданных средствами стандартных математических пакетов, в среде Интернет при ограничениях, обусловленных её особенностями.
4. Разработанные модели и ПО на их основе предоставляют возможности по ускорению информационных потоков, путем значительного уменьшения количества необходимой для передачи информации. При этом уменьшается время ожидания загрузки веб-страниц без увеличения пропускной способности каналов связи.
5. Разработан программный комплекс в виде Интернет-ориентированной кроссплатформенной системы визуализации данных для сопряжения со специализированными математическими пакетами VS-Sci.
Программный комплекс внедрен и активно используется в Астраханском государственном университете.
6. Разработан программный комплекс в виде автоматизированной системы управления содержимым Интернет-ресурсов CMSLaps. Программный комплекс применяется при решении научно-образовательных и промышленных задач.
Публикации. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 17 печатных работах, в том числе в 3 журналах, рекомендованных ВАК.
Разработанное программное обеспечение зарегистрировано в Отраслевом фонде алгоритмов и программ (ОФАП), получены свидетельства о государственной регистрации в Роспатенте.
Апробация диссертации. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы опубликованы в материалах V Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2004» (Санкт-Петербург), итоговой научной конференции АГУ «Физика. Математика. Информатика» (Астрахань, 2004), XIII международной конференции «Математика. Экономика. Образование» (Ростов н/Д, 2005), Международной научно-практической конференции (студентов и молодых ученых) «Электронный университет как условие устойчивого развития региона» (Астрахань, 2005), Международной научно-практической конференции «Информатизация образования - 2005» (Елец), Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании и науке» (Москва, 2006), Международной научной конференции, посвященной памяти профессора A.M. Богомолова «Компьютерные науки и информационные технологии» (Саратов, 2007), IX Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2008» (Санкт-Петербург), «Телематика 2008» (Санкт-Петербург), а также представлены на выставке «Московский салон инноваций и инвестиций» (Москва, ВВЦ, 2006-2007 гг.).
Разработанные модели, технологии, алгоритмы и инструменты внедрены в производство программных продуктов в 2006-2008 гг.:
1. Сайт совместной лаборатории Института математических проблем биологии Российской академии наук и Астраханского государственного университета «Математическое моделирование и информационные технологии в науке и образовании» (http://mathmod.aspu.ru).
2. Портал русского языка «ЯРУС» (http://yaras.aspu.ru).
3. Интернет-мониторинг мероприятий, проводимых к празднованию 450-летия г. Астрахани (http://450.aspu.ru).
4. Агропромышленный портал Астраханской области (http://agro-portal.aspu.ru).
5. Официальный сайт Астраханского государственного университета (http://aspu.ru).
Личный вклад автора. Все исследования, изложенные в диссертационной работе, проведены лично соискателем в процессе научной деятельности. Все результаты, выносимые на защиту, получены автором лично.
Из совместных публикаций включен лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю, заимствованный материал обозначен в работе ссылками.
Структура диссертации обусловлена целью исследования, определена логикой рассмотрения взаимосвязанных вопросов и совокупностью решаемых задач. Диссертация изложена на 166 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.
Список литературы содержит 63 наименования. Работа иллюстрирована 38 рисунками и содержит 3 таблицы.
Краткая характеристика содержания работы
Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы цели работы, задачи и методы исследования, научная новизна, практическая значимость.
В главе 1 проанализированы опубликованные в сети Интернет виртуальные лаборатории математического моделирования. Выявлены недостатки виртуальных лабораторий: длительная загрузка веб-страниц, содержащих результаты математического моделирования, и бедные возможности визуализации, отсутствие возможности пользовательского взаимодействия. В ходе проведенного анализа выявлены две тенденции разработки ВЛ для сети Интернет: первая связана с использованием веб-сервисов специализированных математических пакетов, вторая — с использованием технологий на стороне клиента (Java). Указаны особенности данных технологий, преимущества и недостатки по отношению к разработке ВЛ.
Определены требования к удаленным ВЛ. Показано, что необходим новый подход к визуализации данных в удаленных ВЛ, способный избавить авторов от рутинного ручного кодирования повторяющихся операций.
Акцент на взаимодополняемости технологий, используемых для создания ВЛ, определил основной принцип решения проблемы: отделение вычисления от визуализации путем использования специализированных математических пакетов только для проведения расчетов, а клиентских технологий для визуализации результатов моделирования. Описана общая идеология предлагаемого метода, приведена модель вариантов использования разрабатываемой системы.
В главе 2 описана технология создания программного обеспечения на основе модельно-ориентированного подхода. Выбор данного подхода связан со свойством типичности операций программного обеспечения по визуализации и обработке данных.
В главе описываются разработанные соискателем модель обмена и визуализации данных и модель представления результатов математического моделирования. Обоснован выбор языка XML для реализации моделей. Для распространения результатов математического моделирования в сети Интернет реализован файловый формат с использованием XML на основе одноименной модели представления.
Рассматриваются разработанные модели обработки и представления структурированных данных, хранящихся в СУБД, и алгоритм генерации веб-интерфейса и SQL-запросов к данным.
В главе 3 приводится описание разработанной системы визуализации, модели ее классов и возможностей. В первом разделе главы детально рассматривается общая структура программного комплекса с учетом требований, сформулированным в п. 1.4 главы 1. Раскрывается принцип работы программы. В последующих разделах детально рассмотрены серверные и клиентские компоненты системы, раскрывается принцип работы визуализационного модуля. Описаны важные технические решения, предложенные и реализованные лично соискателем. Рассмотренные в главе важные аспекты технической реализации VS-Sci покрывают недостатки ВЛ, рассмотренных в главе 1.
В главе 4 рассмотрены примеры использования системы VS-Sci для визуализации моделей нелинейной динамики. Разработанный программный комплекс для визуализации данных, полученных от специализированных математических пакетов, был апробирован на виртуальной лаборатории нелинейной динамики. Детально рассмотрены этапы работы вычислительных модулей и их выходные данные. Показано, что использование разработанной системы существенно эффективнее по сравнению со стандартными методами.
Заключение посвящено основным выводам, конкретным научным и практическим результатам работы.
В приложениях приводится дополнительная информация (фрагменты исходных кодов программного продукта и копии документов, подтверждающих внедрение разработанной технологии и программного продукта).
Веб-сервисы специализированных математических пакетов
Веб-сервисы специализированных пакетов математического моделирования (MATLAB Web Server [6], MapleNet [7], webMathematica [8], Mathcad Application Server [9]) позволяют развернуть приложение в сети, используя стандартные веб-технологии, тем самым добавив вычисления и визуализацию полученных результатов на веб-сайт. Для работы с пакетами не требуется установка программного комплекса на стороне конечного пользователя: клиент взаимодействует с программой посредством стандартного обозревателя, команды которого обрабатываются запущенной на стороне сервера сессией математического пакета (MATLAB, Maple, Mathematica, Mathcad, соответственно) [A2, A3].
Особенности использования веб-сервисов математических пакетов для разработки ВЛ удаленного доступа: 1. Обладают всеми возможностями математического пакета (численные и аналитические расчеты). 2. Пользователям не требуется глубоких знаний математического пакета или лицензии на его использование для запуска на своих машинах. 3. Содержат средства обработки HTML-форм (чтение данных, возврат полученных данных в форму). 4. Веб-приложения работают на сервере, обеспечивая конфиденциальность и защиту приложения. Пользователи взаимодействуют с приложением на клиентской машине посредством обозревателя (Microsoft Internet Explorer, Opera, Netscape Navigator и т.д.). 5. Используют специфику языка разметки HTML. 6. Веб-приложения могут генерировать статичные графики в виде растровых изображений (2D, 3D графика).
При использовании веб-сервисов математических пакетов для разработки ВЛ главным достоинством, вероятно, является то, что конечный поль зователь получает в свое распоряжение всю мощь встроенных численных методов [А4].
Основные недостатки в использовании веб-сервисов математических пакетов:
1. Возможности визуализации, в основном, определяются не возможностью самого математического пакета, а возможностями веб-интерфейса. Рассматриваемые системы обладают мощными средствами визуализации, однако на веб-страницу создаваемые с помощью них объекты будут поступать в виде растровых изображений. Конечно, можно и при таком подходе добавить интерактивность изучению модели с помощью внедрения JavaScript-сценариев, реагирующих на пользовательские запросы. Но при каждом запросе будет происходить обращение к серверу с установленным математическим пакетом. Отсюда, как следствие, — существенная потеря времени. Ведь даже при стандартных манипуляциях с изображениями (например, масштабирование) потребуется вызов серверного приложения.
2. Производительность работы с программой во многом определяется пропускной способностью сети, т.к. в процессе работы происходит обмен данными между клиентским компьютером и сервером.
Современным средством разработки ВЛ для Интернет является Java — технология от Sim Microsystems, достоинством которой являются ее платформенная независимость и сетевая направленность. Она позволяет создавать апплеты — приложения, встраиваемые в веб-документы. Java API (Application Program Interface) дает программисту независимый от операционной среды доступ к необходимым для создания сложных интернет-приложений средствам, таким как сетевые сокеты, потоки и графическая оконная система и др.
Объектно-ориентированный Java был разработан для того, чтобы облегчить работу на компьютерах в WWW посредством веб-обозревателей. Выполнение апплета на компьютере пользователя осуществляется за счет виртуальной Java машины (VJM, Virtual Java Machine), встроенной в обозреватель. Плюс апплетов — работа в программе осуществляется непосредственно на том компьютере, где нужны результаты выполнения этой программы, что значительно сокращает трафик в сети.
Язык программирования Java пользуется большой популярностью среди разработчиков виртуальных лабораторий, что видно из раздела 1.1. Java постоянно развивается, и новые версии данного языка предоставляют всё более богатые возможности. Изначально Java создавался как средство для реализации небольших программ и встроенных приложений. Разработчики языка попытались упростить сложные структуры данных и алгоритмы, типичные для языка C++. В настоящее время Java используется в самых различных областях: в производстве, банковской сфере, коммерческой деятельности и научных исследованиях.
Главным достоинством Java является то, что все вычисления происходят на компьютере конечного пользователя (на стороне клиента) и после первоначальной загрузки апплета он работает в автономном режиме. Существенным преимуществом является возможность разработки полноценных интерактивных программ, встраиваемых в веб-страницу [А2]. Особенности Java-технологии отражены в следующем определении: Java — простой, объектно-ориентированный, распределенный, интерпретируемый, безопасный, кроссплатформенный, быстродействующий и динамический язык [13]. Преимущества использования Java-апплетов по отношению к другим технологиям создания ВЛ: Скорость. Java-апплеты работают на стороне клиента, следовательно, быстрее серверных приложений.
Способность к взаимодействию. В Java-апплетах реализована возможность интеграции с различными мультимедиа форматами (текст, графика, мультипликация и звук) и языками программирования (JavaScript, VRML). Апплеты могут также взаимодействовать с другими апплетами, с программами на сервере и с HTML/XML документами.
Пользовательский интерфейс. В отличие от Java, HTML обладает ограниченным набором элементов графического пользовательского интерфейса (GUI). С помощью внедрения Java-апплетов на HTML-страницу обеспечивается более эффективное взаимодействие с пользователем.
Применение модельно-ориентированного подхода к визуализации данных
Системам визуализации присущи свойства типичности пользовательского взаимодействия с данными (импорт данных, экспорт данных, пользовательский визуальный запрос и т.д.) и построения на экране непосредственно изображения и анимации. Поэтому представляется оправданным разработать модель взаимодействия математического пакета с системой визуализации и модель представления результатов математического моделирования и использовать в системе декларативное описание объектов для их визуализации. Применение предлагаемого подхода позволит разработанной на основе модели программе автоматически визуализировать результаты математического моделирования, в том числе анимацию, исходя из приведенных в модели представления результатов правил.
Соискателем была разработана модель обмена и визуализации данных в виртуальных лабораториях, которая представлена на Рис. 6 в виде диаграммы деятельности на языке UML. За основу разработки модели взята модель вариантов использования (см. раздел 1.4. Главы 1). Соответственно, модель распределена между тремя участниками процесса - удаленный пользователь, специализированный математический пакет, специализированная система визуализации данных. Источником данных может быть не только расчетная программа, но и база данных, и реально существующая установка. Поэтому основной принцип разработки модели - независимость визуализации от источника данных.
Удаленный пользователь, запрашивая результаты математического моделирования в зависимости от интересующих его параметров, в конечном итоге получает визуализацию результата, работающую в автономном режиме. Так как все результаты моделирования сохраняются на жестком диске сервера, то это предоставляет возможность использования данных в других системах визуализации. Интересующие параметры пользователь указывает посредством веб-интерфейса, который автоматически создается по своей модели представления (Рис. 5).
Система визуализации работает автономно, независимо от математического пакета, находится в режиме ожидания до поступления команды на визуализацию данных.
Математический пакет также работает независимо от остальных компонентов системы до поступления запроса системы на выполнение расчета.
Вызов математического пакета производится не удаленным пользователем непосредственно, а программой, автоматически составляющей запрос к системе математического моделирования.
Как видно из UML-представления предлагаемой модели, источником данных может выступать не только специализированная система математического моделирования, но и удаленная реально существующая установка, данные из СУБД или же композиция данных этих источников.
Для реализации системы с использованием предложенной модели необходима разработка модели представления результатов вычислений, по которой станет возможным восстановление сцен на стороне пользователя.
Основой модели представления результатов математического моделирования является совокупность различных визуализируемых объектов, для которых выполняется расчет координат в вычислительной системе, с присущими им атрибутами (цвет, форма, размер и т.д.). Интеграция всех описанных объектов с типом графического отображения даст визуализацию исследуемого процесса. Объектом верхнего уровня является математическая модель, включающая в себя одну или несколько групп объектов. Массивы данных предназначены для хранения координат объектов. Для составления сцены объекты математической модели объединяются в наборы данных, которые визуализируются в разных окнах. Группа представляет собой множество поименованных объектов. Любой объект может входить в состав произвольного числа групп.
Изображение является иерархической структурой и состоит из следующих базовых элементов изображения: многоугольников, ломаных линий, секторов эллипсов, растровых изображений.
Каждый объект, входящий в состав математической модели, имеет первичный ключ, или уникальный идентификатор, который необходим для генерации графического представления и обработки пользовательских запросов. Значение идентификатора задается в декларативном описании объекта. Также заранее определяются координаты каждого объекта в определенный момент времени, параметры его маркера и соединительной линии с другими объектами. Если некоторый объект связан с другим объектом, то ссылка на объект представляется дополнительным атрибутом в модели, который по своему смыслу является вторичным ключом. Непосредственно для совокупности объектов в составе исследуемого процесса определяются параметры визуализации и параметры генератора для последующего к нему обращения.
Применение модельно-ориентированного подхода к обработке структурированных данных, хранящихся в СУБД
Для обработки данной формы на сервер программой передаётся ассоциированный массив с именами элементов, соответствующих именам переменных html-формы и со значениями, соответствующими значениям элементов той же формы. Анализируя данный массив (либо HTTP_POST_VARS, либо HTTP_GET_VARS, в зависимости от метода, указанного в заголовке формы), можно автоматически создать SQL-запрос к БД, используя только переданную информацию. Реализуя цикл по HTTP_POST_VARS или HTTPGETJVARS, необходимо выделить из имён его элементов названия таблиц БД и полей, сохранить их в соответствующих массивах. Анализируя дополнительные параметры, переданные через html-форму, возможно определить тип операции с данными. Так как ключи в массивах уникальные, то можно сформировать непосредственно SQL-запрос, в соответствии с его син таксисом. Далее приводится алгоритм автоматического формирования SQL-запроса к БД для модифицирования существующей записи: 1. Передача данных html-формы на сервер в виде ассоциированного массива. 2. Переменная query строкового типа, содержащая SQL-запрос, сначала равна «Update». 3. Формирование переменной queryWhere, содержащей идентификатор редактируемой записи, из соответствующих элементов ассоциированного массива html-формы. 4. Инициализация массива с именами таблиц tables. 5. Инициализация массива с именами полей таблиц fields. 6. Цикл по всему ассоциированному массиву с переменными формы. Исследование имени переменной массива и выделение из неё имени таблицы имени поля таблицы (соответствующая функция в PHP - explode([строка], [разделитель])). 7. Занесение в массив tables нового значения. 8. Занесение в массив fields нового значения вида {имя_поля}={значение}. 9. Делаем массив tables уникальным. Формируем переменную строкового типа tablesStr посредством соединения всех элементов массива tables строковым разделителем (соответствующая функция в РНР -implode([Maccue_cmpoK], [разделитель])). 10.Формируем переменную строкового типа fieldsStr посредством соединения всех элементов массива fields строковым разделителем (соответствующая функция в РНР — implode([массив_строк], [разделитель])). 11.Формирование запроса к БД вида query=query+ tablesStr. " SET ".fieldsStr: " WHERE ".queryWhere; 12. Выполнение запроса и исследование его на ошибки. 1. Для реализации изложенной концепции выбран модельно-ориентированный подход вследствие типичности операций по визуализации данных и работе пользователя с графикой. 2. Выбранный подход в наибольшей степени удовлетворяет сформулированным в Главе 1 требованиям, позволяет свести к минимуму процесс кодирования и сократить общее врем разработки программного продукта и его последующую модификацию. 3. Разработана модель обмена данными между математическим пакетом и клиентом. 4. Разработана модель представления результатов математического моделирования. 5. Разработана модель обработки структурированных данных, хранящихся в СУБД. 6. Разработана модель представления структурированных данных, хранящихся в СУБД, для их обработки в среде Интернет. 7. Язык реализации разработанных моделей представления выбран XML. 8. С использованием выбранного языка был разработаны форматы файлов, реализующие разработанные модели представления.
Анализ XML-представления результатов математического моделирования
Как было описано в разделе 3.2.1, апплет самостоятельно связывается с удаленным источником и считывает с него данные посредством проверки цифровой подписи (если данные загружаются не с того сервера, с которого был загружен сам апплет).
Подготовкой данных для визуализации занимается адаптер данных. Апплет получает данные в текстовом формате (XML и CSV), разбирает их и создает необходимые Java-объекты в соответствии с этими данными. Адаптер извлекает из файлов требуемые компоненты и делает их доступными для модуля визуализации.
Разбор CSV данных возложен на класс CsvParse.java из пакета Data и его реализация не представляет собой никакой сложности, поэтому подробнее остановимся на разборе XML-данных.
Для разбора XML-данных в системе используется свободно распространяемый парсер xmlparsertip [56], доступный по адресу http://www.iavaworld.eom/j avaworld/j avatips/j avatip 12 8/xmlparsertip.zip, который так же, как и SAX-napcep [57], основан на событиях, но менее функционален. Данному парсеру соответствует Java-пакет системы Utils.xmlparsertip.
Разбор XML-конфигурации модели происходит по следующему принципу: встречая новый тэг, программа анализирует его имя и атрибуты и, в зависимости от полученной информации, выполняет те или иные действия (создание нового объекта, добавление параметров к объекту и т.д.). Вызывается разбор XML методом parseModel, единственным параметром которого является сам текст XML-данных. public static void parseModel(String xml) { newModelQ;
Основой модуля отображения двумерной графики является высокоуровневая библиотека Graph2D фирмы Sun. Выбор этой библиотеки позволил значительно уменьшить время, затраченное на разработку. Библиотека является кроссплатформенной, что значительно расширяет круг пользователей системы и делает возможным ее использование через Интернет.
Выделенные наборы и сгенерированные на их основе Java-объекты посредством адаптера данных передаются затем в генератор вазуализаг ии. Генератор создает изображение в зависимости от параметров модели и собственно координат объектов.
Сформированное изображение добавляется к основной сетке и отображается средствами графической библиотеки. Если определена анимация, то генерируется соответствующая последовательность изображений, которая воспроизводится по запросу пользователя. Следует отметить, что каждый набор данных отображается посредством индивидуального потока, что позволяет включать и выключать визуализацию отдельных элементов независимо. Все графические изображение выводятся на сетке, реализуемой классом AxesXYExtended. В данном классе реализованы обработчики событий, поступающих от мыши и с клавиатуры.
Рис. 26. Модель класса AxesXYExtended В системе реализована возможность создания анимации. Ведь качество следования модели напрямую зависит от организации ее наглядного представления [58]. Хотя популярные математические пакеты и наделены возможностью создания анимации, но генерируемая ими анимированная визуализация не отвечает требованиям, описанным в разделе 1.4. Главы 1. Анимация результатов вычислений в VS-Sci возможна в двух вариантах: 1. Вывод текущего кадра с удалением с холста всех предыдущих (используется для создания демонстрации процесса). 2. Вывод текущего кадра и всех предыдущих (используется для создания графиков зависимостей).
Анимация в VS-Sci построена по стандартному принципу, используемому в большинстве программных продуктов: программа поочередно выводит на экран серию изображений, следующее из которых стирает предыдущее. Для последовательного вывода анимационных последовательностей в программу добавлен объект типа Tmer из пакета javax.swing.Timer. Для работы с таймером класс должен реализовать интерфейс ActionListener и соответствующие данному интерфейсу события. Стартует анимация выполнением метода start() из класса videoTimeLine. public void start() { if (trus.getVideoPanels()!=Tiull && this.getVideoPanels().size() 0) { stopO;
this.setTimer(new Timer(20, this)); this.setlndexVideo(O); this .getTimer() start(); }
В методе actionPerformed, являющимся обработчиком событий, поступающих от различных элементов, в том числе и таймера, указываем что должна делать программа после каждого «тика» таймера: вызывать перерисовку анимационного холста.
Похожие диссертации на Обработка и визуализация данных в виртуальных лабораториях удаленного доступа на основе модельно-ориентированного подхода
