Методы и средства разработки адаптивных мультиплатформенных систем визуализации научных экспериментов

• Автор: Рябинин, Константин Валентинович
• Шифр специальности: 05.13.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 207 с. : ил.

Содержание
Содержание
Введение

Глава 1. Подходы к разработке систем визуализации научных экспериментов

1.1. Специализированные аппаратные средства визуализации

1.2. Принципы построения систем научной визуализации

1.3. Особенности разработки систем научной визуализации па мобильных платформах

1.4. Краткий обзор систем и инструментов научной визуализации

1.4.1. Приложения для научной визуализации

1.4.2. Библиотеки для научной визуализации

1.4.3. Модули графического расширения

1.4.4. Средства создания графического интерфейса пользователя
1.5. Выводы по главе
Глава 2. Методы и средства разработки адаптивных мультинлатформениых систем научной визуализации
2.1. Описание модели адаптивных систем научной визуализации
2.2. Применение методов онтологического инжиниринга для разработки адаптивных систем научной визуализации
2.3. Методы интеграции со сторонними решателями
2.4. Использование стандарта Dublin Core
2.5. Архитектура систем научной визуализации
2.6. Организация мультиплатформенности
2.7. Описание сервера
2.7.1. Архитектура
2.7.2. Управление решателем
2.7.3. Обработка и визуализация данных
2.7.4. Коммуникация с клиентом
2.8. Описание клиента
2.8.1. Архитектура
2.8.2. Организация графического ин терфейса пользователя
2.8.3. Рендеринг сцены
2.9. Выводы но главе
Глава 3. Адаптивное сглаживание границ и центрирование объектов сцены
3.1. Адаптивное сглаживание границ объектов па изображении
3.1.1. Проблемы системного сглаживания границ
3.1.2. Обзор наиболее распространенных алгоритмов сглаживания границ
3.1.3. Оценка сложности алгоритма визуализации сцены
3.1.4. Предлагаемый метод сглаживания границ
3.2. Центрирование объектов на экране
3.3. Тестирование производительности
3.4. Выводы по главе
Глава 4. Применение разработанной системы для визуализации научных данных различной природы
4.1. Моделирование вращения магнитных моментов наночастиц в магнитном поле
4.2. Мониторинг изменения цен на валютной бирже
4.3. Множественное выравнивание последовательностей ДИК и построение филогенетических деревьев
4.4. Моделирование поведения жидкости в ограниченном объёме
4.5. Измерение колебания кожной температуры человека
4.6. Измерение скорости передачи данных по сети
4.7. Выводы по главе
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Список терминов
Литература
Приложение 1. Копии актов о внедрении результатов диссертационного исследования
Приложение 2. Копии свидетельств регистрации программ для ЭВМ, созданных по материалам
диссертационного исследования
Приложение 3. Документация по языку описания сцен
Приложение 4. Поддерживаемые типы графических сцен
Приложение 5. Поддерживаемые типы диаграмм и графиков
Приложение 6. Документация типов сообщений протокола ЗУТР
Приложение 7. Документация по языку описания графического интерфейса пользователя
Приложение 8. Документация по формату хранения трёхмерных моделей N31)

Введение
В настоящее время объекты исследования естественных и гуманитарных наук становятся всё более сложными и, соответственно, требуют всё более сложных средств для наглядного представления. Традиционные методы отображения данных, такие как построение диаграмм, графиков и таблиц, часто оказываются недостаточными для отражения всех сторон изучаемых объектов, процессов и явлений; более адекватными выступают методы построения специализированных схем или фотореалистичных изображений. Для этого активно используются мультимедийные возможности современных ЭВМ: средства трёхмерной и даже многомерной графики [1], звуковое сопровождение, построение стереоскопических изображений и т. д. в сочетании с использованием современных устройств ввода-вывода (например, шлемами виртуальной реальности и манипуляционными перчатками) и технологиями дополненной реальности.
В современной компьютерной графике выделяется целое направление так называемой «научной визуализации». М. Френдли (М. Friendly) определяет научную визуализацию как «область графики, в первую очередь ориентированную на отображение трёхмерных объектов (из области архитектуры, метеорологии, медицины, биологии и т. д.), при котором основной упор делается на реалистичность рендеринга объёмов, поверхностей, источников света и т. п., часто с наличием динамической (временной) компоненты» [2]. Таким образом, научная визуализация занимается вопросами точного и понятного человеку отображения объектов, процессов и явлений, представляющих научный интерес.
В противоположность «научной компьютерной графике» часто ставят так называемую «игровую компьютерную графику». С точки зрения средств реализации процесса рендеринга такое деление весьма условно, однако мультимедийные системы, предназначенные для развлекательных целей, зачастую оказываются плохо применимыми для отображения результатов научных экспериментов, и наоборот. Это происходит ввиду специфических целей научной

Android WebGL поддерживается только в мобильной версии браузера Google Chrome [72].
Несмотря на это, существуют достаточно перспективные проекты, например MoSync [73], в которых программисту предоставляется возможность создавать интерфейс мобильного приложения на HTML 5, а логику реализовывать на языке C++. Получаемое приложение может выполняться под управлением практически любой из популярных операционных систем для мобильных устройств. При этом, за счёт использования кода на C++, может быть достигнуто высокое быстродействие. Однако в контексте решения задач научной графики критичной является также скорость визуализации. Таким образом, при использовании MoSync (либо иных средств, основанных на HTML 5 или Flash), интерфейс, выполняющийся в браузере, является узким местом. Кроме того, MoSync ориентирован только на мобильные устройства, тогда как для достижения мультиплатформенности на стороне клиента необходима поддержка также и настольных компьютеров.
Для организации эффективного отображения графического интерфейса пользователя совместно со сложным рендерингом научных данных следует ориентироваться на использование модулей, основанных па стандарте OpenGL(ES). Тогда рендеринг сцены и интерфейса будет осуществляться одними и теми же низкоуровневыми средствами, что позволит избежать необходимости переключения между различными API, повысив тем самым эффективность реализации. Существует модуль графического расширения Clutter [74], служащий для создания интерфейсов на основе OpenGLES. Однако этот модуль не является в достаточной степени распространённым (он используется в операционной системе MecGo), и его работоспособность под управлением популярных платформ ограничена.
Результаты сравнительного анализа различных средств создания графического интерфейса пользователя представлены в табл. 4. Использована нотация, аналогичная нотации для табл. 1.