Лекция 3. Компьютерные технологии визуализация данных

У практики отображения информации в графическом виде много синонимов, но чаще всего используются два — визуализация данных и инфографика. Визуализация – это процесс представления данных в виде изображения с целью максимального удобства их понимания; придание зримой формы любому мыслимому объекту, субъекту, процессу, как реально существующих, так и созданных в сознании автора, при помощи технических устройств.

Основные способы визуализации: графическое изображение, изображение при помощи различных технических устройств, включая компьютерное изображение и др. Техническая визуализация – проектирование и генерация изображений на устройствах отображения на основе исходных данных.

Компьютерная визуализация

В приборостроении особое значение имеет компьютерная визуализация – разновидность технической визуализации, основанная на возможностях компьютерной графики и информационных технологиях. Она применяется:

• в системах сбора и обработки данных для отображения сигналов и процессов в реальном масштабе времени, например, в цифровых осциллографах,

• в средствах измерений с регистрацией данных,

• в средах графического программирования, например, LabVIEW для визуализации данных и результатов их обработки (включая 3D-модели);

• в системах автоматизированного проектирования, например, AutoCAD;

• при имитационном моделировании устройств, процессов, явлений;

• в научно-технической документации (отчетах, презентациях).

Виды данных при компьютерной визуализации. Средства визуализации работают со следующими видами данных:

• одномерные данные - одномерные массивы, временные ряды и т.п.

• двумерные данные – двумерные массивы, координаты и т.п.;

• многомерные данные – многомерные массивы, результаты эксперимента;

• тексты и гипертексты –статьи, отчеты, Web -документы и т.п.;

• иерархические и связанные данные – структура подчинённости в организации, электронная переписка людей, гиперссылки документов и т.п.;

• алгоритмы, программы, информационные потоки и т.п.

Для визуализации перечисленных типов данных используются различные визуальные образы, методы их создания, программные продукты.

Виды визуализации

Можно сопоставить виды визуализации с различными областями применения.

Виды визуализации	Область применения
1. Иллюстрации	Показать существующий зрительный ряд
2. Образы	Вызвать отношение, эмоцию, ассоциацию
3. Схемы, графики, диаграммы, алгоритмы	Показать количественные и качественные связи, структуру объектов
4. Таблицы	Структурировать информацию
5. Выделение объектов	Сфокусировать внимание

Программное обеспечение визуализации

При визуальном представлении научно-технической информации используются различное программное обеспечение: пакеты семейства редакторов фирмы Adobe; графические редакторы (CorelDraw, Adobe PhotoShop, Paint, PhotoEditor, 3D Studio и др.); табличные процессоры (Excel и др.); пакеты программ Matlab и Mathcad (создание интерактивных документы с вычислениями и визуальным сопровождением); LabVIEW (обработка и визуализация данных).

На этапах проектирования изделий приборостроения оформляется различная конструкторская документация: чертежи, рисунки, принципиальные схемы и т.д. Указанные виды работ могут быть автоматизированы на основе применения САПР, которые служат для выполнения почти всех работ с двумерными чертежами, имеют набор функций по трехмерному моделированию (AutoCAD, Компас), обеспечивают оформление документации для принципиальных схем и печатных плат (P-CAD).

Примеры визуального представления данных

В научно-технической документации применяются различные виды визуализации (ниже приведены примеры визуализации данных и их описание)..

Иллюстрация – это представление реально существующего зрительного ряда. Самое бесспорно необходимое использование визуализации. Сравните полноту и точность информации, полученной из текста и из иллюстрации. Например, физическое явление – интерференция (рис.1), спектр сигнала (рис.2).

Диаграммы визуализируют количественные и качественные связи. Разные виды диаграмм используют для демонстрации данных, качественных и количественных связей, включают в работу над информацией пространственное мышление в дополнение к логическому.

Качественные диаграммы

Качественные диаграммы показывают структуру набора данных и взаимосвязи между его элементами.

Сетевая диаграмма. Такой вид диаграмм используется для демонстрации качественных связей (рис.3).

Формализованная блок-схема (block diagram) (Рис.4). Показывает ключевые шаги, которые проходит процесс, в виде связанных друг с другом однонаправленными стрелками блоков.

Диаграммы визуализации процесса. Показывают процесс, состоящий из последовательности действий, включает один или несколько сценариев развития. Например, диаграмма циклического процесса (рис.5). Показывает ключевые шаги процесса, который содержит набор повторяющихся действий.

Граф и дерево (graph, tree) (рис. 6). Показывает иерархию набора данных, соподчиненных друг с другом, в виде соединенных линиями узлов либо сверху вниз, либо из центра композиции.

Таблица (matrix). Показывает набор данных в виде заполненных его значениями ячеек, которые образуют собой строки и столбцы. Каждому столбцу и строке соответствует параметр, определяющий ячейку для значения.

Диаграммы связей. Показывают связи внутри набора данных, как правило, достаточно большого.

Круговая диаграмма связей (network diagram, arc diagram). Показывает связи внутри набора данных в виде кольца, на котором расставлены значения. Значения связаны дугами или линиями, находящимися во внутренней области круга. При большом количестве значений они могут находиться и внутри кольца, хотя это менее наглядно. Связи также могут иметь направление.

Количественная диаграмма

Это — изображение, рисунок, чертёж (графическое представление данных), позволяющее быстро оценить соотношение нескольких величин. Представляет собой геометрическое символьное изображение информации с применением различных приёмов техники визуализации.

Графики (рис 7) — это тип диаграмм, на которых полученные данные изображаются в виде точек, соединённых прямыми линиями. Точки могут быть как видимыми, так и невидимыми (ломаныелинии). Также могут изображаться точки без линий (точечные диаграммы, рис. 8). Для построения диаграмм-линий применяют прямоугольную систему координат. На осях наносятмасштабы.Как правило, графики представляют собой двухмерные линейные графики одной или многих переменных.

Гистограммы (рис. 9) позволяют увидеть, как распределены значения переменных по интервалам группировки, то есть, как часто переменные принимают значения из различных интервалов. Таким образом, гистограмма представляет собой графическое изображение зависимости частоты попадания элементов массива числовых данных от соответствующего интервала группировки. Гистограмма представлена в виде прямоугольников, высота которых пропорциональна частоте, а ширину прямоугольников (интервал группировки) обычно для удобства восприятия берут одинаковую. Особенно полезна гистограмма для большого числа данных, например, больше 100.На простой гистограмме отображаются частоты значений одной переменной, а на составной можно отобразить одновременно частоты нескольких переменных.

Столбчатая диаграмма (рис. 10) - используется для демонстрации количественных показателей переменных. Столбчатая диаграмма изображает статистические данные в виде вертикальных прямоугольников или трёхмерных прямоугольных столбиков. Каждый столбик изображает величину уровня данного статистического ряда. Все показатели выражены одной единицей измерения для сравнения показателей данного ряда.

Разновидностями столбчатых диаграмм являются линейные (полосовые) диаграммы (рис.11). Они отличаются горизонтальным расположением столбиков. Столбчатые и линейные диаграммы взаимозаменяемы. Столбчатые диаграммы могут изображаться и группами (одновременно расположенными на одной горизонтальной оси с разной размерностью варьирующих признаков). Образующие поверхности столбчатых и линейных диаграмм могут представлять собой не только прямоугольники, но и квадраты, треугольники и т. д.

Диаграммы рассеяния. Двухмерные диаграммы рассеяния используются для визуального исследования зависимости между двумя переменными X и Y (например, весом и ростом человека, рекламой и объемом продаж и т. д.).

Круговые диаграммы (рис.12) используются для демонстрации количественных показателей. Лучше других показывает долю, участие параметров в общем «пироге», так как идея целого очень наглядно выражается кругом, который представляет всю совокупность. Относительная величина каждого значения изображается в виде сектора круга, площадь которого соответствует вкладу этого значения в сумму значений. Этот вид графиков удобно использовать, когда нужно показать долю каждой величины в общем объёме.

Примеры визуального представления данных

Рис.1. Интерференция	Рис.2. Спектр сигнала	Рис.3. Сетевая диаграмма
Рис.4. Блок схема процесса	Рис. 5 Диаграмма цикли- ческого процесса	Рис.6. Граф и дерево
Рис. 7. График	Рис.8. График рассеивания	Рис.9. Гистограмма
Рис. 10. Столбчатая диаграмма	Рис. 11. Столбчатая диаграмма	Рис. 12 .Круговая диаграмма
Рис. 13. Радиальная диаграмма	Рис. 14. Тепловая диаграмма	Рис. 15. Трехмерная диаграмма

Радиальные диаграммы (рис. 13) - используются при наличии множества факторов и при циклических закономерностях. В отличие от линейных диаграмм, в радиальных или сетчатых диаграммах более двух осей. По каждой из них производится отсчёт от начала координат, находящегося в центре. Для каждого типа полученных значений создаётся своя ось, которая исходит из центра диаграммы. Эти диаграммы напоминают сетку или паутину, их называют еще сетчатыми. Преимущество радиальных диаграмм отображают одновременно несколько независимых величин, которые характеризуют общее состояние структуры статистических совокупностей. Если отсчёт производить не с центра круга, а с окружности, то такая диаграмма называется спиральной.

Тепловая диаграмма (heat map) (рис. 14) - сравнивает значения внутри набора данных, закрашивая их одним из цветов в заранее выбранном спектре. Основой является изображение или другая диаграмма, на которой расставлены значения. Цвет зависит от величины параметра и накладывается в виде пятен.

Трехмерные диаграммы (рис.15)- используется трёхмерная визуализация, спроецированная на плоскость, что придаёт ей отличительные черты или позволяет иметь общее представление об области, в которой она применяется

Лекция 4. Визуализация при отображении изменяющихся во времени сигналов

В современных системах сбора и обработки информации измерение входных сигналов осуществляется не непрерывно, а только в дискретные моменты времени и при представлении результатов измерения возникает проблема - необходимо максимально точно отобразить результаты измерений, при этом трудно воспринять форму сигнала, изображённого набором значений.

П

То

ри отображении сигналаХ(t) представим его значения (выборки) в моменты времени iTo (рис. 1), (To - шаг дискретизации), которые преобразуются в численные значения (коды) N(iTo). В итоге получим представление Х(t) массивом чисел {N(iTo)}, где N – коды значений сигнала в моменты времени iTo.

а)

б)

Рис. 1. Исходный сигнал (а) и восстановленный путем интерполяции сигнал (б).

Способы восстановления сигналов - следующие способы восстановления сигнала: cтупенчатая экстраполяция, линейная интерполяция и др.

Погрешность восстановления сигналов включает две составляющие: погрешность восстановления сигнала по его дискретным отсчетам и погрешность квантования сигнала при представлении отсчета сигнала его численным значением. Погрешность восстановления обычно является превалирующей.

При визуализации линейная интерполяции более эффективна: для ступенчатой аппроксимации синусоиды при погрешности восстановления 1 % требуется 600 выборок на период сигнала, а при интерполяции всего – 20.

Цифровые осциллографы

Одним из направлений развития приборостроения является создание приборов на основе объединения достижений современной микроэлектроники и информационных технологий. Особенное развитие получило устройств на основе современных аппаратно-программных средств. Указанные средства обладают следующими преимуществами:

• обработка результатов измерений, повышение точности, быстродействия;

• отображение результатов измерения с использованием возможностей современных графических редакторов.

В качестве примера рассмотрим цифровые осциллографы (ЦО) – представляющие собой аппаратно-программные средства с очень высокими характеристиками. По возможностям обработки сигналов и быстродействию ЦО приближаются к специализированным сигнальным процессорам, а по возможностям отображения результатов обработки превосходят их. Внешний вид осциллографа представлен ниже.

Структура и принцип действия цифрового осциллографа

На рис. 2 в упрощенном виде показана структурная схема ЦО.

Рис. 2. Упрощенная структурная схема цифрового осциллографа (ЦО). МУ – масштабирующее устройство; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; МК – микроконтроллер; ЗУ – запоминающее устройство; Э – экран; ОУ – органы управления (кнопки, ручки).

МК управляет согласованной работой отдельных узлов ЦО: задает коэффициенты деления или усиления МУ, выдает команды на запуск АЦП, выдает команду на перезапись содержимого ячеек ОЗУ в память ЗУ.

Пройдя через МУ, входное напряжение u(t) преобразуется АЦП в дискретную последовательность кодов N_i, отображающих мгновенные значения U_i этого напряжения. Запуск АЦП осуществляется по сигналам запуска от МК, следующим с частотой дискретизации F_д. Эта частота является основным параметром ЦО и задает шаг дискретизации To = 1/ F_д. входного сигнала.

Каждое новое кодовое слово записывается в ОЗУ (регистр сдвига). При этом все предыдущие записанные отсчёты сдвигаются на одну ячейку, а самый первый N₁ исчезает, как бы «выталкивается». Если ОЗУ состоит из М ячеек, то в нём, постоянно обновляясь, содержится М последних, кодовых слов. Так продолжается до тех пор, пока не будет выполнено некое заданное условие, например, когда какое-либо значение кода Ni, отображающее значение сигнала Ui_i впервые превысит заданный оператором уровень («запуск по уровню»). После этого содержимое некоторого количества ячеек ОЗУ по команде от МК переписывается в запоминающее устройство ЗУ, входящее в состав МК. Тем самым осуществляется привязка отображаемых на экране значений сигнала к определенным моментам времени, т.е. синхронизация в ЦО

Отображение значений сигнала на экране ЦО. Каждой ячейке ЗУ соответствует точка на экране по цвету отличающаяся от фона. Её абсциссу определяет номер ячейки, а ординату кодовое слово N_i, находящееся в этой ячейке. При выводе изображения на экран используется графический редактор, осуществляющий линейную интерполяцию по выборкам сигнала.

Для хорошего изображения сигнала на экране достаточно 2 точки на 1 мм. Средних размеров экран имеет высоту 100 мм и ширину 120 мм. Следовательно, на экране должны располагаться 200 × 240 = 48 000 точек или более. Для формирования хорошего изображения АЦП должен иметь не менее 8 двоичных разрядов (256 точек по вертикали) и ЗУ должно содержать 256 ячеек.

Недостатком всех ЦО является, то, что они работают не в реальном масштабе времени, т.к. сначала данные заносятся в ОЗУ, а затем порциями выводятся на экран.

Характеристики ЦО

Частота дискретизации сигналов для цифровых осциллографов. Качество изображения зависит от частоты дискретизации. Частота дискретизации характеризует число отсчетов сигнала, которое берется за 1 секунду. Для ЦО максимальная частота выборки значений сигнала достигает 100Мв/с (мега выборок в сек) на однократной развертке и 25 Гв/с (гигавыборок в сек-25 миллиардов выборок в сек). Это означает, что отсчеты сигнала берутся с шагом дискретизации 0.04 нс. Столь высокая частота недостижима простыми аппаратными средствами и является в какой-то мере виртуальной величиной. Сверхвысокая частота дискретизации обеспечивается только для периодических сигналов путем накопления числа отсчетов.

Для отображения одного периода синусоиды, как отмечалось выше, достаточно 20 точек. На рис 3 для примера представлено отображение сигнала частотой 30 МГц при частоте дискретизации 100 Мв/c. При этом на один период синусоиды приходится 3 выборки, в результате отчетливо видны существенные искажения сигнала. На рис 4 сигнал частотой 5 МГц, на период приходится 20 выборок и искажения отсутствуют. Частоту дискретизации можно изменять в широких пределах, что соответствует изменению масштаба по горизонтали и аналогично изменению скорости развёртки в аналоговых осциллографах.

Рис. 3

Рис. 4

Коэффициент развертки К_р. Диапазон изменения К_р характеризует возможности ЦО по отображению сигналов различной длительности и равен отношению длительности сигнала, отображаемого на экране, к длине экрана по горизонтали в делениях. При частоте дискретизации F_д = 1/ То, (Tо – шаг дискретизации сигнала) К_р =(MТо)/Lx = M/(LxF_д), где M – объем памяти ОЗУ для хранения массива выборок сигнала равный числу точек по ширине экрана (обычно256); Lx – ширина экрана делений.

Чем выше F_д, тем короче временные интервалы сигнала, отображаемые на экране, т.е. более быстроменяющиеся сигналы можно отображать на экране ЦО. Обычно M = 2⁸. За счет изменения F_д можно изменять К_р в широких пределах, обычно для ЦО К_р меняется от 1нс/дел до 50с/дел.

Коэффициент отклонения Ко. Диапазон изменения Ко характеризует возможности отображения сигналов различной амплитуды. Коэффициента отклонения Ко равен отношению полного размаха амплитуды сигнала, отображаемого на экране, к длине экрана по вертикали в делениях. Величина Ко зависит от коэффициента усиления или деления масштабирующего устройства МУ (см. рис.2) и лежит в диапазоне 0.1мВ/дел до 10 В/дел.

Длина памяти. Чем больше внутренняя память ЦО, тем более "длинную" часть входного сигнала она позволяет записать и соответственно исследовать ее без потери полезной информации. При записи отсчетов сигнала во внутреннюю память его можно как бы растянуть в тысячи раз и после исследовать его участки просто перемещая по оси времени. ЦО используют длину памяти от 2.5К до 125К. Наличие большого объема внутренней памяти и применение передовых принципов обработки сигнала позволяет получить эквивалентную частоту дискретизации периодических сигналов до 25 Гв/c.

Функциональные возможности цифровых осциллографов

Запись двух осциллограмм во внутреннюю память. Эта возможность является в настоящий момент стандартной для всех ЦО и позволяет записывать в память до двух осциллограмм и впоследствии выводить их на экран.

Математические функции с входными сигналами. Помимо стандартных для двухканального осциллографа режимов сложения и вычитания сигналов, ЦО могут производить усреднение входного сигнала за количество периодов 2,4,8…256, что позволяет исследовать сигналы искаженные шумом.

Автоматические и маркерные измерения. Одна из наиболее используемых функций ЦО - это автоматические измерения (вид экрана ЦО показан на рис. 5), что позволяет одним ЦО заменить вольтметр, частотомер, измеритель временных интервалов и измерить до 15 параметров сигнала. Это:

• Временные параметры -частоту (F), период (Т), время нарастания, время спада, скважность импульсов, длительность импульса.

• Амплитудные параметры - максимальное и минимальное значение; размах от пика до пика; средневыпрямленное, среднеквадратичное, амплитудное значения. Одновременно возможно выводить до 5 измеряемых параметров по обоим каналам, т. е. одновременно выводятся 10 результатов измерений.

Маркерные (курсорные) измерения. Эти измерения проводятся с помощью специального режима, позволяющего проводить измерения с помощью наведения курсоров на определенные места изображения сигнала на экране. Маркерные измерения (вид экрана ЦО показан на рис. 6) позволяют проводить Δ-измерения (измерение разности значений), измерение пиковых значений, определять экстремумы, проводить точные амплитудные и частотные измерения.

Быстрое преобразование Фурье (БПФ). Применение встроенного микропроцессора с высоким быстродействием позволяет реализовать БПФ ( рис.7) и позволяет оперативно отобразить спектр сигнала присутствующего в настоящий момент на экране осциллографа, измерить параметры всех его гармоник.

Рис.5

Рис.6

Рис.7

Лекция 5. Технологии информационного обеспечения жизненного цикла изделий приборостроения

CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life cycle Support — непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделий (маркетинга, проектирования, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), подготовки производства, производства (изготовления), реализации, эксплуатации, утилизации)). Цель применения CALS - повышение эффективности взаимодействия участников создания, производства и дальнейшего использования продукта.

ИПИ (информационная поддержка процессов жизненного цикла изделий) — русскоязычный аналог понятия CALS. На рис. 1 показано аппаратно-программное и информационное обеспечение CALS.

Рис.1. Информационная поддержка процессов жизненного цикла изделий приборостроения на основе CALS.

CALS – это автоматизированная система управления, интегрирующая информационные процессы и ресурсы между участниками жизненного цикла изделий в едином информационном пространстве, и управляющая их интегрированным информационным обеспечением.

Использование сетевых технологий позволяет организовать процессы проектирования изделий, разработки технологических процессов производства путем взаимодействия распределенных в пространстве аппаратно-программных средств, что можно рассматривать как виртуальное производство при участии организаций различных стран и регионов.

Для эффективного взаимодействия участников жизненного цикла изделий на основе CALS структура проектной, технологической, эксплуатационной документации, понятийный аппарат и языки представления данных должны быть стандартизованы. В России ведется работа по созданию национальных CALS-стандартов - разработан ряд стандартов серии ГОСТ Р ИСО 10303, являющихся аутентичными переводами соответствующих международных стандартов STEP (Standard for Exchange of Product Data - стандарт для обмена данными о промышленной продукции).

Виды обеспечения cals-технологии

В составе CALS различают лингвистическое, информационное, математическое, программное, методическое, техническое и организационное обеспечение системы.

Лингвистическое обеспечение составляют языки и форматы данных о промышленных изделиях и процессах, используемые для представления и обмена информацией на всех этапах жизненного цикла изделий.

Информационное обеспечение составляют базы данных, содержащие сведения о промышленных изделиях, используемые различными системами в процессе проектирования, производства, эксплуатации и утилизации изделий. В состав информационного обеспечения входят также серии международных и национальных CALS-стандартов и спецификаций.

Математическое обеспечение включает, модели и алгоритмы взаимодействия различных систем и их компонентов в CALS. К этим моделям относятся методы структурного и имитационного моделирования, методы планирования и управления процессами, распределения ресурсов.

Программное обеспечение представлено программными комплексами, предназначенными для поддержки единого информационного пространства на всех этапах жизненного цикла изделий. Это системы управления документами и документооборотом, управления проектными данными, взаимодействия предприятий в электронном бизнесе, подготовки интерактивных электронных технических руководств и некоторые другие.

Методическое обеспечение представлено методиками выполнения таких процессов, как структурирование сложных объектов, их функциональное и информационное моделирование, параллельное (совмещенное) проектирование и производство, объектно-ориентированное проектирование, создание онтологии приложений.

Техническое обеспечение включает аппаратные средства получения, хранения, обработки и визуализации данных при информационном сопровождении изделий. Взаимодействие частей виртуальных предприятий, систем, поддерживающих разные этапы жизненного цикла изделий, происходит через линии передачи данных и сетевое коммутирующее оборудование.

Организационное обеспечение представлено различного рода документами, совокупностью соглашений и инструкций, регламентирующих роли и обязанности участников жизненного цикла изделий.