1 Автор-составитель: Хамухин Александр Анатольевич, , Хамухин Александр АнатольевичХамухин Александр Анатольевич Информатика для направления «Нефтегазовое дело» (односеместровая программа)

Поиск нефти и газа Разведка нефтегазовых месторождений Проектирование нефтегазопромыслов Разработка месторождений нефти и газа Транспортировка и хранение Переработка нефти и газа На всех этапах нужны Информационные модели (проекты), текущий мониторинг (сбор информации о состоянии объекта). Первые 3 этапа – Первые 3 этапа – чисто информационные, т.е. их результатом д.б. ИНФОРМАЦИЯ, от которой зависят все остальные этапы. Роль информатики в нефтегазовом деле

3 ФГОС по информатике 3-го поколения После изучения дисциплины студент должен знать: основные сведения о дискретных структурах, используемых в ПК, основные алгоритмы типовых численных методов решения задач, один из языков программирования, структуру локальных и глобальных компьютерных сетей; уметь: работать в качестве пользователя ПК, использовать внешние носители информации для обмена данными между устройствами, приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии; владеть: методами поиска и обмена информацией в глобальных и локальных компьютерных сетях, техническими и программными средствами защиты информации при работе с компьютерными системами, включая приемы антивирусной защиты.

4 Федеральный Интернет-экзамен модули ФЭПО ( модули ФЭПО модули ФЭПО 1.Теория информации, общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации 2.Технические средства реализации информационных процессов 3.Программные средства реализации информационных процессов 4.Модели решения функциональных и вычислительных задач 5.Алгоритмизация и программирование на языках высокого уровня; технологии программирования 6.Локальные и глобальные сети ЭВМ; основы защиты информации и сведений, составляющих государственную тайну; методы защиты информации 7.Базы данных

5 Европейский (Международный) стандарт компьютерной грамотности (ECDL) (ECDL (ECDL – Модуль 1 – Основы информационных технологий – Модуль 2 – Работа на компьютере. Основные операции управления файловой системой – Модуль 3 – Обработка текстов – Модуль 4 – Электронные таблицы – Модуль 5 – Базы данных – Модуль 6 – Презентация – Модуль 7 – Информация и коммуникация

6 Введение в теорию информации «Информатика – это наука об информационных процессах и связанных с ними явлениях в природе, обществе и человеческой деятельности» (Nygaard K. An Emergency Toolkit. Ciborra C. The Labirinths of Information. – Oxford University Press, 2002) Данные – это отображенные на некотором носителе свойства объектов, которые могут быть измерены или сопоставлены с определенными эталонами. Информация – осознанные (понятые) субъектом (человеком) данные, которые он может использовать в своей (профессиональной) деятельности. Знания – систематически подтверждаемая опытным или логическим путем информация об объекте.

7 Основные характеристики информационных процессов Получение данных состоит в измерении количественных или сопоставлении образцам качественных свойств некоторых объектов. Основная характеристика этого процесса – погрешность измерения. Переработка (обработка, кодирование) состоит в преобразовании первичных измерений в вид, пригодный для передачи, хранения и использования. Главная характеристика этого процесса – разрядность представления данных. Передача (прием) данных. Главные характеристики– это пропускная способность и помехоустойчивость различных средств связи. Хранение данных. С ним неразрывно связано понятие носителя данных, которые подразделяются по физическим принципам записи на: электрические, магнитные, оптические. Основные характеристики– это ёмкость носителя, или связанная с ней плотность записи, и скорость записи/чтения данных. Использование данных заключается в извлечении информации из данных, с помощью декодирования, визуализации, систематизации, структурирования, статистической (математической) обработки и др. извлечении информации из данныхизвлечении информации из данных

8 Схема взаимодействия данных, информации и знаний при принятии инженерных решений Данные Информация Знания Измерение Систематизация Извлечение Свойства объекта Уровни принятия инженерных решений низкий высокий

9 Основные свойства информации Информация достоверна, если она не искажает истинное состояние наблюдаемых объектов. Информация полна, если ее достаточно для понимания и принятия решений. Неполнота информации сдерживает принятие решений или может повлечь ошибки. Ценность информации зависит от того, какие задачи мы можем решить с ее помощью. При работе в постоянно изменяющихся условиях важно иметь актуальную, т. е. соответствующую текущему моменту, информацию. Информация становится понятной, если она выражена языком, доступным людям, для которых она предназначена. Информация становится полезной, если принимающий ее субъект считает, что может ее где-то использовать, в противном случае это информационный шум или спам.

10 Количество информации По Хартли (для равновероятных событий): По Шеннону (для событий с разной вероятностью) где p j – вероятности отдельных событий, N количество возможных событий, I – количество информации

11 Единицы измерения количества информации 1 бит = двум равновероятным состояниям объекта (РСО, 2 1 ) 1 байт=8 бит (2 8 =256 РСО) 1 слово=2 байта (2 16 =65535 РСО) 1 Кб=1024 байт (~10 3 байт) 1 Мб=1024 Кб (~10 6 байт) Затем: Гигабайт (~10 9 байт), Терабайт (~10 12 байт), Петабайт (~10 15 байт или ~10 6 Гб)

12 Кодировки информации Кодирование – это способ превращения информации в данные с целью ее сохранения, передачи и использования, в том числе – защиты от несанкционированного использования (шифрование) Кодировки, использующие 1 байт: Win- 1251, ISO, KOI8-R, KOI8-U (выбирать с дополнением «кириллица») Кодировки, использующие 2 байта: Unicode (UTF) включают все национальные алфавиты мира

13 Системы счисления Система счисления называется позиционной, если число в ней представлено в виде: где A – само число в p-ичной системе счисления, – базисный коэффициент k-ого разряда числа, – базисный коэффициент k-ого разряда числа, p – основание системы счисления, k – кол-во разрядов числа

14 Двоичная: p=2, a i =0;1 Восьмеричная: p=8, a i =0;1;2;3;4;5;6;7 Шестнадцатеричная: p=16,a i =0;1;2;3;4;5;6;7;8;9;A(10);B(11), C(12);D(13);E(14);F(15) Инверсный двоичный код: все 0 заменяют на 1, а все 1 на 0 Инверсный двоичный код: все 0 заменяют на 1, а все 1 на 0 Дополнительный код для представления отрицательных чисел: перевести число в инверсный код и прибавить 1 к младшему разряду, а перед старшим дописать 1 с точкой. При сложении числа в дополнительном коде получается операция вычитания.

Погрешности – Погрешность измерения – оценка отклонения величины измеренного значения величины от её истинного значения. Поскольку выяснить с абсолютной точностью истинное значение любой величины невозможно, то невозможно и указать величину отклонения измеренного значения от истинного. При этом за истинное значение принимается значение эталонов мер, на практике используются показания эталонных приборов (поверка, тарировка, градуировка). 15

16 Сведения из алгебры логики В 1847 году Джордж Буль опубликовал «Математический анализ логики», в котором сопоставил логику, имеющую два варианта ответов: «Истина» и «Ложь» с алгеброй, имеющей два вида переменных: 1 и 0. Сегодня все цифровые устройства в мире работают на принципах булевой алгебры. Все арифметические операции в современных процессорах реализуются как последовательность логических операций

17 Полная таблица истинности логических функций для двух переменных X10011 X20101 F0(X1,X2)0000Константа "0" F1(X1,X2)0001Конъюнкция ("И") F2(X1,X2)0010Разность Х1-Х2 F3(X1,X2)0011Повторение Х1 F4(X1,X2)0100Разность Х2-Х1 F5(X1,X2)0101Повторение Х2 F6(X1,X2)0110Исключительное "ИЛИ«(сумма по модулю 2) F7(X1,X2)0111Дизъюнкция ("ИЛИ") F8(X1,X2)1000Стрелка Пирса F9(X1,X2)1001Эквивалентность F10(X1,X2)1010Инверсия Х2 F11(X1,X2)1011Импликация Х2 в Х1 F12(X1,X2)1100Инверсия Х1 F13(X1,X2)1101Импликация Х1 в Х2 F14(X1,X2)1110Штрих Шеффера F15(X1,X2)1111Константа "1"

18 Изображение логических элементов на схемах

19 Триод и транзистор Триод – это устройство с тремя выводами, один из которых – сетка – управляющий. Если на него подан разрешающий сигнал, то ток между двумя другими выводами (анодом и катодом) идет (состояние «1»), в противном случае ток не идет (состояние «0). Сконструировал триод Ли де Форест в 1907г, США В полупроводниковом исполнении триод называется транзистором, а выводы: эмиттер, коллектор, база. Создатели: Бардин, Шокли, Браттейн 1947г, США Размер транзистора и потребление энергии служили предметом научных разработок всех последующих лет. В настоящее время переходят к технологическому размеру 30 нм.

20 Триггер и сумматор Триггер – это схема из двух транзисторов, один из которых находится в состоянии «0», другой – в состоянии «1». При поступлении входного сигнала их состояния меняются. Триггер предназначен для хранения 1 разряда двоичного кода и служит минимальной ячейкой оперативной памяти Сумматор – это схема состоящая из нескольких триггеров и логических элементов, их связывающих. Сумматор позволяет осуществлять арифметическое сложение чисел в двоичном коде любой разрядности.

21 15 февраля 1946 г. – состоялась демонстрация работы первой ЭВМ ENIAC, созданной под руководством Маучли и Эккерта в Баллистической лаборатории армии США. Она весила 30 т, потребляла 150 кВт/час и имела 18 тыс. электронных ламп (триодов). 1951г. – под руководством С.А.Лебедева была построена и пущена в эксплуатацию первая Советская ЭВМ МЭСМ. В отличие от американской ЭВМ она работала в двоичной системе с трехадресной системой команд, причем программа вычислений хранилась в запоминающем устройстве оперативного типа.

22 Архитектура ЭВМ фон Неймана

23 Магистрально-модульный принцип современных компьютеров Ц ПОЗУ ВЗУ (винчес тер) Контр оллер ы … Внешние устройст ва

24 Магистраль или системная шина – это набор подсоединенных ко всем устройствам электронных линий, по которым передаются двоичные данные, снабженные адресом устройства-получателя. Подключение различного оборудования к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью устройств, называемых контроллерами, а на программном – обеспечивается специальными программами, называемыми драйверами Подключение различного оборудования к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью устройств, называемых контроллерами, а на программном – обеспечивается специальными программами, называемыми драйверами

25 Суперкомпьютеры Суперкомпьютерами называют компьютеры, состоящие из большого числа процессоров и имеющие высокую производительность. 500 самых мощных суперкомпьютеров в мире ежеквартально публикуются на сайте Флопс (Flops) – это количество операций с плавающей точкой в секунду, которое может выполнить компьютер. Операция с плавающей точкой – это полноразрядная арифметическая операция над вещественными числами. При определении производительности компьютера обычно берется смесь четырех арифметических операций в определенных пропорциях. Производительность оценивается двумя цифрами: пиковая производительность Rpeak (теоретически возможная производительность компьютера) и максимальная реальная производительность Rmax (максимальная производительность компьютера, зафиксированная на реальных тестовых задачах)

26 Тонкие клиенты - «облегченные» персональные компьютеры, работающие в локальной сети целиком на ресурсах сервера. на ресурсах сервера. Рабочие станции - «усиленные» персональные компьютеры, работающие в локальной сети и обслуживаемые сервером, отличающиеся развитой графикой и повышенной производительностью для профессиональной деятельности. Серверы - компьютеры, предназначенные для обслуживания других компьютеров в сети. Они отличаются повышенной мощностью и ресурсами памяти, а также возможностью замены или увеличения ресурсов (масштабирование) в «горячем» режиме (без отключения электропитания). Кластеры - комплекс специальным образом соединенных однородных вычислительных машин, который воспринимается единым целым операционной системой. Мэйнфреймы - многопроцессорные системы с общей памятью, связанных высокоскоростными магистралями передачи данных.

27 Процессором называют вычислительное устройство, выполняющее логические и арифметические операции по заданной в оперативной памяти программе и обеспечивающее функционирование всего компьютера. Линии связи компьютеров состоят из физической среды, по которой передается информационный сигнал и приемопередающей аппаратуры. По физической природе передаваемого сигнала линии связи подразделяют на электрические, оптические и радиочастотные.

28

29

30 Программные средства реализации информационных процессов Операционные системы Инструментальные среды разработки программ Специализированные пакеты программ Прочее программное обеспечение (служебное, сервисное и др.) ПО подразделяют на серверное и клиентское

31 Программные средства в правовом аспекте подразделяются на: Коммерческое ПО: коробочные продукты коробочные продукты с договором установки, обучения пользованию и сопровождением (гарантийным и постгарантийным) с договором установки, обучения пользованию и сопровождением (гарантийным и постгарантийным) Условно-бесплатное ПО: С ограничением по времени использования С ограничением по времени использования С ограничением по функциональным возможностям С ограничением по функциональным возможностям С ограничением по количеству установок в сети С ограничением по количеству установок в сети Свободно распространяемое ПО для некоммерческого использования Свободно распространяемое ПО с отрытым кодом

32 Наиболее распространенные семейства ОС Windows (XP, Vista, 7, Mobile, Server, Cluster) Unix (Солярис) Linux (Ubuntu, Mandriva, АльтЛинукс,…) Mac OS (для ПК фирмы Apple) Прочие (OS2, NetWare, BeOS, Palm OS, Simbian, Cisco IOS и др.).

33 По функциональному признаку ОС различают на: Встроенные (Embedded). Например, Palm OS и Simbian для КПК, Cisco IOS для коммуникационного оборудования. Встроенная операционная система должна отвечать жестким критериям: высокая надежность, сокращенный набор функций, минимальный размер и энергопотребление. Операционные системы для ПК. Эти ОС наиболее подвержены пиратскому копированию, поэтому очередная версия ОС от Microsoft – Windows Vista – содержит средства ограничения функциональности, если обнаружит, что копия нелицензионная Операционные системы для серверов ОС для кластеров и многоядерных процессоров

34 Инструментальные среды разработки программ (IDE) Microsoft Visual Studio (С++) Delphi (Паскаль) C++ Builder (Borland) Java Builder (Borland) JDK (свободно распространяемое) Eclipse (свободно распространяемое) PHP (свободно распространяемое) Microsoft Office (VBA) …

35 Специализированные пакеты программ в нефтегазовом деле HYSYS (Aspentech) PipePhaze (Simscy) (Schlumberger) (Landmark) PlanCAD (Autodesk) Microstation КУБ-1, ГазКондНефть

36

37 Служебное и сервисное ПО Программы для работы с дисками ИнсталляторыАрхиваторы Файловые менеджеры Утилиты Средства мониторинга и диагностики Средства визуализации и воспроизведения Средства коммуникаций Средства обеспечения компьютерной безопасности

38 Технологии программирования Технология (от греч. τέχνη искусство, мастерство, умение; др.- греч. λόγος мысль, причина) комплекс организационных мер, операций и приемов, направленных на изготовление, обслуживание, ремонт и/или эксплуатацию изделия с номинальным качеством и оптимальными затратами. греч.др.- греч.мысль, причинагреч.др.- греч.мысль, причина Процедурное программирование Структурное программирование Объектно-ориентированное программирование: наследование, инкапсуляция, полиморфизм

39 Алгоритмизация и программирование Алгоритмизация – это процесс составления порядка решения целой задачи на основе последовательности решений ее частей. Программирование – кодирование алгоритма на некотором формальном языке для последующего автоматического перевода (трансляции) из этой формы на язык машинных кодов.

40 Алгоритм – заранее заданное понятное и точное предписание возможному исполнителю совершить определенную последовательность действий для получения решения задачи за конечное число шагов. Исполнитель алгоритма – это некоторая абстрактная или реальная (техническая, биологическая или биотехническая) система, способная выполнить действия, предписываемые алгоритмом. Система команд. Каждый исполнитель может выполнять команды только из некоторого строго заданного списка – системы команд исполнителя. Для каждой команды должны быть заданы условия применимости (в каких состояниях среды может быть выполнена команда) и описаны результаты выполнения команды.

41 Свойства алгоритмов Понятность для исполнителя – алгоритм должен содержать только те команды, которые входят в состав системы команд исполнителя Дискретность (прерывность, раздельность) – алгоритм должен представлять процесс решения задачи как последовательное выполнение простых (или ранее определенных) шагов Определенность – каждое правило алгоритма должно быть четким, однозначным и не оставлять места для произвола Результативность (или конечность) состоит в том, что за конечное число шагов алгоритм либо должен приводить к решению задачи, либо останавливаться из-за невозможности получить решение Массовость означает, что алгоритм решения задачи pазpабатывается в общем виде, т.е. он должен быть применим для некоторого класса задач

42 Блок-схемы алгоритмов

43 Языки программирования подразделяются По принципу трансляции – на интерпретаторы (построчная трансляция) и компиляторы (трансляция всей программы). По принципу трансляции – на интерпретаторы (построчная трансляция) и компиляторы (трансляция всей программы). По способу программирования – процедурные и непроцедурные (объектно- ориентированные). По уровню абстракции конструкций – ЯП высокого уровня (полностью независимы от системы команд процессора, на котором будут выполняться) и низкого уровня ( зависят от системы команд конкретного процессора). По принципу выполнения программы – однопоточные и многопоточные ЯП (с возможностью параллельного выполнения программ )

44 Встроенный в Microsoft Office язык программирования VBA Методика программирования на объектно- ориентированном языке, в том числе VBA, состоит в следующем: создание объектов управления и контроля Windows (кнопки, формы, диалоговые окна, пиктограммы, меню); задание свойств созданных и используемых объектов; разработка новых или использование встроенных методов (процедур, функций); написание обработчика тех или иных событий (нажатие на кнопку и т.п.).

45 Топологии локальных и глобальных сетей ЭВМ Точка-точкаЗвездаКольцо Общая шина РешеткаИерархияПолносвязнаяСмешанная

46 Смешанная топология (решетка, общая шина, звезда, точка-точка)

47 Модель ISO/OSI взаимодей ствия процессов на компьюте рах сети

48 Основы защиты информации и сведений, составляющих государственную тайну Угроза – это потенциальная возможность определенным образом нарушить информационную безопасность. Попытка реализации угрозы называется атакой, а тот, кто предпринимает такую попытку, – злоумышленником (хакером). Угроза является следствием наличия уязвимых мест в защите информационных систем (таких, например, как возможность доступа посторонних лиц к критически важному оборудованию или ошибки в программном обеспечении). Промежуток времени от момента, когда появляется возможность использовать слабое место, и до момента, когда пробел ликвидируется, называется окном опасности

49 Основные категории атак: атаки доступа (направлены на нарушение конфиденциальности) атаки модификации (направлены на нарушение целостности информации) атаки на отказ в обслуживании (Denial-of- service, DoS) – не дающие возможности настоящему пользователю обратиться к информационной системе из-за множества фиктивных обращений, которые генерирует злоумышленник) атаки на отказ от обязательств (направлены против возможности идентификации информации, это попытка дать неверную информацию о реальном событии. Эти атаки известны под термином Fishing).

50 Методы защиты информации Законодательные (законы, подзаконные акты, международные соглашения) Административно-организационные (приказы, распоряжения, физическая охрана территории) Технические (аппаратные межсетевые экраны, смарт-карты, ключи, биометрические сканеры ) Программные (антивирусное ПО, программные межсетевые экраны, средства администрирования доступа, аудит). Криптографические (методы шифрования электронная цифровая подпись)

51 «Закон о государственной тайне» (от ФЗ) Закон «О правовой охране программ для электронных вычислительных машин и баз данных» (от I). Закон об охране интеллектуальной собственности входит в часть IV Гражданского кодекса Российской Федерации. Уголовный Кодекс РФ содержит ряд статей, посвященную преступлениям в сфере компьютерной информации. Это: Статья 272. Неправомерный доступ к компьютерной информации, максимальное наказание – до 5 лет лишения свободы; Статья 272. Неправомерный доступ к компьютерной информации, максимальное наказание – до 5 лет лишения свободы; Статья 273. Создание, использование и распространение вредоносных программ для ЭВМ, максимальное наказание – до 7 лет лишения свободы; Статья 273. Создание, использование и распространение вредоносных программ для ЭВМ, максимальное наказание – до 7 лет лишения свободы; Стаья 274. Нарушение правил эксплуатации ЭВМ, системы ЭВМ или их сети, максимальное наказание – до 4 лет лишения свободы. Стаья 274. Нарушение правил эксплуатации ЭВМ, системы ЭВМ или их сети, максимальное наказание – до 4 лет лишения свободы.

52 Базы данных База данных (БД, database) поименованная совокупность структурированных данных, относящихся к определенной предметной области. Предметная область – некоторая часть реально существующей системы, функционирующая как самостоятельная единица. Полная предметная область может представлять собой экономику страны или отрасли, однако на практике для информационных систем наибольшее значение имеет предметная область масштаба отдельного предприятия или корпорации. Система управления базами данных (СУБД) – комплекс программных и языковых средств, необходимых для: добавления, модификации, удаления, поиска и отбора данных, представления данных на экране и в печатном виде, разграничения прав доступа к данным, выполнения других операций с базой данных.

53 Типы баз данных Реляционная БД. Состоит из таблиц – отношений (relations), в которых строка называется кортежем (записью), а столбец называется атрибутом (полем записи). Иерархическая БД. Объектно-ориентированная БД.

54 Ключевой элемент таблицы (ключ, regular key) – такое ее поле (простой ключ) или строковое выражение, образованное из значений нескольких полей (составной ключ), по которому можно определить значения других полей таблицы. Первичный ключ (primary key) – главный ключевой элемент, однозначно идентифицирующий строку в таблице. Могут также существовать альтернативный (candidate key) и уникальный (unique key) ключи, служащие также для идентификации строк в таблице. Внешний ключ (foreign key) – ключевой элемент подчиненной (внешней, дочерней) таблицы, значение которого совпадает со значением первичного ключа главной (родительской) таблицы.

55 В реляционных базах данных между таблицами устанавливаются связи по ключам, один из которых в главной (parent, родительской) таблице – первичный, второй – внешний ключ – во внешней (child, дочерней) таблице, как правило, первичным не является и образует связь «один ко многим» (1:N). В случае первичного внешнего ключа связь между таблицами имеет тип «один к одному» (1:1).

56 Ссылочная целостность данных (referential integrity) – набор правил, обеспечивающих соответствие ключевых значений в связанных таблицах. Репликация базы данных – создание копий базы данных (реплик), которые могут обмениваться обновляемыми данными в результате выполнения процесса синхронизации. Транзакция – изменение информации в базе в результате выполнения одной операции или их последовательности, которое должно быть выполнено полностью или не выполнено вообще.

57 Язык SQL (Structured Query Language) – универсальный язык работы с базами данных, включающий возможности ее создания, модификации структуры, отбора данных по запросам, модификации информации в базе и прочие операции манипулирования базой данных. Нормализация – это формальный метод анализа отношений на основе их первичного ключа и существующих связей. Ее задача – это замена одной схемы (или совокупности отношений) БД другой схемой, в которой отношения имеют более простую и регулярную структуру.

58 Основные этапы разработки БД 1.Разработка информационно- логической модели предметной области (ИЛМ ПО) 2.Определение логической структуры БД 3.Конструирование объектов БД средствами СУБД 4.Заполнение (загрузка) БД с документов-источников 5.Тестирование работы БД

Подготовка к централизованному тестированию -ключ доступа к реальному тестированию: г. ТПУ получил доступ к ТРЕНАЖЕРУ Федерального Интернет-экзамена на весенний семестр 2010г. ТПУ получил доступ к ТРЕНАЖЕРУ Федерального Интернет-экзамена на весенний семестр 2010г. Поготовиться к Интернет-экзамену в режиме обучения можно на сайте Ключ доступа: 41618tt796 Само тестирование в этом году выполняется на сайте Ключ доступа: 43862dt796 Поготовиться к Интернет-экзамену в режиме обучения можно на сайте Ключ доступа: 41618tt796 Само тестирование в этом году выполняется на сайте Ключ доступа: 43862dt796 Вопросы по сравнению с прошлым годом изменились. В сторону современных информационных технологий. 59

60 Модели решения функциональных и вычислительных задач Модель – это объект или описание объекта для замещения (при определенных условиях предложениях, гипотезах) одной системы (оригинала) другой системой (моделью) для лучшего изучения оригинала или воспроизведения каких- либо его свойств. По содержанию модели подразделяются на: эмпирические – созданные на основе экспериментальных фактов, опыта и профессионализма разработчика; эмпирические – созданные на основе экспериментальных фактов, опыта и профессионализма разработчика; теоретические – на основе математических теорий, научных законов; теоретические – на основе математических теорий, научных законов; статистические – на основе накопленных данных об объекте в совокупности со статистическими методами анализа и обработки статистические – на основе накопленных данных об объекте в совокупности со статистическими методами анализа и обработки когнитивные – на основе составления схемы и оценки степени влияния одних параметров на другие когнитивные – на основе составления схемы и оценки степени влияния одних параметров на другие

61 По форме модели подразделяются на: физические – на основе создания подобного объекту уменьшенного (упрощенного) экземпляра физические – на основе создания подобного объекту уменьшенного (упрощенного) экземпляра электрические – на основе подобия процессов в электросхеме и процессов, протекающих в объекте электрические – на основе подобия процессов в электросхеме и процессов, протекающих в объекте математические – на основе математических описаний процессов, протекающих в объекте математические – на основе математических описаний процессов, протекающих в объекте компьютерные – на основе преобразования описаний объекта в программный код компьютерные – на основе преобразования описаний объекта в программный код Любая из моделей может быть реализована в виде компьютерной программы.Любая из моделей может быть реализована в виде компьютерной программы. Наиболее правдоподобные объекту модели называют компьютерными симуляторамиНаиболее правдоподобные объекту модели называют компьютерными симуляторами

62 Основные свойства модели: целенаправленность – модель всегда отображает некоторый объект с определенными целями полнота – в модели должны быть учтены все основные связи и отношения, необходимые для обеспечения цели моделирования упрощенность – модель отображает только существенные стороны объекта, чтобы быть доступной для исследования и воспроизведения адекватность – модель должна успешно описывать моделируемый объект в известных нам состояниях (реперных точках) информативность – модель должна выдавать достаточную новую информацию об объекте (в рамках гипотез, принятых при построении модели) для достижения целей моделирования управляемость – модель должна иметь хотя бы один параметр, изменениями которого можно настраивать поведение модели в соответствии с известным поведением моделируемого объекта в различных условиях.

63 Цифровая модель аналогового сигнала Аналоговый сигнал Квантование по уровню Дискретизация по времени Цифровая модель: 3,4,6,7,8,7,6,5, и т.д.

Интерполяция Аппроксимацией (приближением) функции f(x) называется нахождение такой функции g(x) (аппроксимирующей функции), которая была бы близка заданной. Критерии близости функций f(x) и g(x) могут быть различные. Интерполяция – частный случай аппроксимации, когда критерием близости является точное совпадение g(x) и f(x) в заданных точках, которые называются узлами интерполяции 64

65 Простейшая интерполяция Кусочно-линейная интерполяция

66 Интерполяция полиномом 4-й степени

67 Экстраполяция В отличие от интерполяции, предназначенной для расчета внутренних или промежуточных значений, экстраполяция предназначена для расчета точек, координаты которых выходят за пределы заданного ряда данных. Полином Лагранжа:

68 Аппроксимация Аппроксимацией (приближением) функции y(x) называется нахождение такой функции f(x) (аппроксимирующей функции), которая была бы близка заданной. Критерии близости функций y(x) и f(x) могут быть различные. Критерием близости в методе наименьших квадратов является требование минимальности функционала Ф, являющегося суммой квадратов отклонений аппроксимирующей функции f(x) от экспериментальных точек y i :

69

70 Численное интегрирование Пусть требуется вычислить определенный интеграл на интервале [a,b]. Для численного интегрирования подынтегральную функцию аппроксимируют какой-либо более простой функцией, интеграл от которой может быть вычислен. Обычно в качестве аппроксимирующей функции используют полином. В случае полинома нулевой степени мы получим формулу прямоугольников, в случае полинома первой степени – формулу трапеций, в случае полинома второй степени – формулу Симпсона. Все эти методы являются частными случаями квадратурных формул Ньютона-Котеса.

71

72 Поиск особых точек Одной важных функциональных задач в нефтегазогеологии является поиск так называемых «особых точек» в экспериментальных данных или на моделях. Это могут быть минимумы или максимумы в профилях контуров нефтяных залежей, точки перегиба, точки пересечения различных линий уровня и точки разрыва В качестве «особых точек» мы будем рассматривать только точки пересечения некоторой функцией (заданной таблично или аналитически) оси ОХ (нули функции). К такой постановке могут быть сведены задачи поиска и других видов особых точек В качестве «особых точек» мы будем рассматривать только точки пересечения некоторой функцией (заданной таблично или аналитически) оси ОХ (нули функции). К такой постановке могут быть сведены задачи поиска и других видов особых точек

73 Метод последовательных приближений Метод последовательных приближений (итераций) базируется на известном в математике (теория множеств) принципе сжатых отображений. Этот принцип определяет так называемый оператор сжатия F, для которого выполняется условие: Метод дает только приближенное решение с некоторой погрешностью, которая уменьшается на каждом шаге (итерации), пока в этом уменьшении имеется разумный смысл. Метод дает только приближенное решение с некоторой погрешностью, которая уменьшается на каждом шаге (итерации), пока в этом уменьшении имеется разумный смысл.

74 Сходимость – это свойство алгоритма обеспечивать приближение к точному решению Условия сходимости – это математические соотношения величин, участвующих в итерационном процессе, которые обеспечивают алгоритму свойство сходимости. Скорость сходимости – это степень приближения к точному решению на каждой итерации, обычно она бывает линейной или квадратичной.

75 Метод дихотомии Первым этапом метода дихотомии является табуляция исследуемой функции или разделение ее на такие отрезки, на концах которых ее значения противоположны. Затем каждый из найденных отрезков поочередно подвергается делению пополам. После разделения из двух вновь полученных отрезков выбирается тот, на концах которого значения исследуемой функции противоположны. После разделения из двух вновь полученных отрезков выбирается тот, на концах которого значения исследуемой функции противоположны. Выбранный из двух отрезок вновь делится пополам. Эта процедура повторяется до тех пор, пока значение функции на середине отрезка не станет меньше заранее заданного сколь угодно малого числа.

76

77

78 Метод Ньютона Действительный корень x уравнения f(x) = 0 вычисляется методом Ньютона по итерационному уравнению: x k+1 = x k – f(x k )/f '(x k ). x k+1 = x k – f(x k )/f '(x k ). Недостатком этого метода является необходимость вычислять производную на каждой итерации, поэтому на практике чаще используют модификации этого метода, которые заменяют производную ее разностными приближениями (см. след. слайд)

79 Варианты реализации метода Ньютона Метод хорд Метод секущих

80

81

82

83 Конечно- разностные приближения бесконечно- малых величин

84 Основы компьютерной графики Графические форматы представляют собой способ организации файла для хранения изображения и подразделяются на: растровые, векторные и комплексные. Растровый формат характеризуется тем, что все изображение по вертикали и горизонтали разбивается на достаточно мелкие прямоугольники – так называемые пиксели Минимально возможный размер пикселя называется зерном экрана и измеряется в мм (или в дюймах) максимально возможное количество пикселей по горизонтали на количество пикселей по вертикали экрана называется разрешающей способностью монитора

85 Количество бит видеопамяти, отводимых под хранение каждого пикселя, называется глубиной цвета В черно-белых мониторах достаточно одного бита для хранения цвета пикселя, чтобы отражать на мониторе 256 цветов (если сам монитор это позволяет), уже требуется выделять по 8 бит (2 8 =256 – формула Хартли) для хранения каждого пикселя. В черно-белых мониторах достаточно одного бита для хранения цвета пикселя, чтобы отражать на мониторе 256 цветов (если сам монитор это позволяет), уже требуется выделять по 8 бит (2 8 =256 – формула Хартли) для хранения каждого пикселя. файлы, которые хранят данные в описанном выше виде, имеют формат BMP (Bit MaP). Все остальные графические форматы используют те или иные методы сжатия данных, так как BMP-файлы требуют слишком много памяти для хранения.

86 Цветовые оттенки получают смешением базовых цветов RGB Red = #FF0000 Green = "# Blue = "#0000FF" Blue = "#0000FF" В полиграфии для повышения качества применяют 4 базовых цвета: CMYK Базовые цвета

87 Аппаратно-программная поддержка компьютерной графики Возможности для работы с компьютерной графикой определяются комплексом характеристик, включающим в себя: производительность процессора объем оперативной памяти объем видеопамяти тактовую частоту системной шины характеристики монитора наличие графического ускорителя и специального программного обеспечения. Провал по одной из этих позиций делает невозможным эффективную работу с компьютерной графикой.

88 Графические ускорители – это встраиваемые в видеокарты дополнительные микросхемы, в которых аппаратно реализованы некоторые типовые для 3D-графики функции обработки данных. Графические процессоры – это специализированные процессоры для ускорения компьютерной графики. В качестве примера аппаратной поддержки компьютерной графики можно привести графический ускоритель GV- NX73G128D компании Gigabyte Technology с процессором Nvidia GeForce 7300GS и встроенной памятью 128М, изготовленным по 90-нм технологии (данные 2006 г., в 2009 г. передовые фирмы работали по 45- нм и начали переход на 30-нм, а в Россию разрешили экспорт технологии 130-нм ). В качестве примера аппаратной поддержки компьютерной графики можно привести графический ускоритель GV- NX73G128D компании Gigabyte Technology с процессором Nvidia GeForce 7300GS и встроенной памятью 128М, изготовленным по 90-нм технологии (данные 2006 г., в 2009 г. передовые фирмы работали по 45- нм и начали переход на 30-нм, а в Россию разрешили экспорт технологии 130-нм ).

89 DirectX – это набор дpайвеpов и библиотек программ компании Microsoft, которые предоставляют средства Windows API для работы с аппаpатуpой напрямую или с минимальным количеством «посредников», что ускоряет работу программы. DirectX содержит компоненты для работы с 2D-гpафикой (DirectDraw), 3D-гpафикой (Direct3D), звуком (DirectSound), устройствами управления (DirectInput), сетями (DirectPlay) и т.д. Для написания пpогpамм, использующих DirectX, требуется MS DirectX SDK (для С/С++) или тот же SDK, адаптированный под другие языки. OpenGL – это набор дpайвеpов и библиотек программ компании Silicon Graphics, которые реализованы как аппаратно-независимые, но используют ускорители графики, если они доступны. Большинство графических приложений требуют для своей работы наличие DirectX или OpenGL

90 Основы 3D-графики Пространство на мониторе, предназначенное для размещения трехмерного изображения, называется сценой. Каждая сцена состоит из: набора объектов, набора источников света, набора текстур, набора камер наблюдения(обычно используется одна).

91 Каждый объект задается: набором вершин (вершина определяется своими 3D координатами и соответствующими ей координатами в текстуре), набором граней (грань определяется тремя вершинами и текстурой, кроме текстуры могут быть заданы, например, коэффициенты рассеивания и отражения света), поведением объекта (расположение, то есть смещение, ось поворота, угол поворота, коэффициент масштабирования, и т.д.) в зависимости от номера кадра; обычно задается в нескольких ключевых точках и интерполируется между ними с помощью сплайнов).

92 Каждый источник света должен иметь: положение (координаты на сцене или смещение координат относительно некоторой точки), ориентацию (точка, в которую направлен этот источник, target), тип (фоновый, направленный,ненаправленный), цвет (обычно RGB).

93 Каждая текстура представляет собой прямоугольную 2D картинку, часто бывает фиксированных размеров (например, 64x64, 128x128, 256x256 пикселей).

94 Каждая камера задается следующим: положением (location), направлением (точнее, точкой, в которую направлена эта камера; target), углом зрения (FOV), углом поворота относительно своей оси (roll).

95 Альфа-канал – специальный канал, входящий в описание цвета (RGB), который отвечает за прозрачность данного цвета. Таким образом, цвет с учетом альфа-канала описывается как ARGB. Проецирование – процесс отображение трехмерного объекта на плоскости с точки расположения камеры. Растеризация – разделение объекта на пиксели, то есть представление в виде растрового формата. Рендеринг – процесс воссоздания трехмерного изображения на экране, по его «скелетной» фигуре, требующий больших вычислительных ресурсов. Текстурирование (Texture Mapping) – вычислительный процесс наложения («натягивания») двухмерных текстур на трехмерный объект, для придания ему более реалистичного изображения без больших вычислительных затрат на рендеринг.

96 Интерполяция – математический способ восстановления отсутствующей информации. Например, необходимо увеличить размер изображения в 2 раза, со 100 пикселей до 200. Недостающие пиксели генерируются с помощью интерполяции пикселей, соседних с тем, который необходимо восстановить. После восстановления всех недостающих пикселей получается 200 пикселей вместо 100 существовавших, и таким образом, изображение увеличилось вдвое. Анти-алиасинг (Anti-aliasing) – способ обработки (интерполяции) пикселов для получения более четких краев (границ) изображения. Наиболее часто используемая техника, для создания плавного перехода от цвета линии или края объекта к цвету фона. В некоторых случаях, результатом является смазывание (blurring) краев.

97 Фрейм-буфер – буфер кадра. Специально отведенная область памяти компьютера или отдельной платы для временного хранения данных о пикселях, требуемых для отображения одного кадра (полного изображения) на экране монитора. Емкость буфера кадра определяется количеством битов, задействованных для определения каждого пикселя, который должен отображать изменяемую область или количество цветов и их интенсивность на экране. Z-буфер – часть графической памяти, в которой хранятся расстояния от точки наблюдения до каждого пикселя (значения Z). Z-буфер определяет, какая из многих перекрывающихся точек наиболее близка к плоскости наблюдения. С помощью z-буфера реализуется процедура удаления невидимых поверхностей. Обычно z- буфер имеет не менее 16 бит на пиксель для представления глубины цвета. Аппаратные акселераторы 3D-графики могут иметь собственный z-буфер на графической карте.

98 Триангуляция – процесс деления изображения на более мелкие формы, в частности – треугольники, так как они легче обсчитываются и ими легче манипулировать для преобразования изображения. Спот (Spot) – световой источник, похожий на точечный. Он светит не во всех направлениях, а в пределах некого конуса. Освещаются только объекты, попадающие в этот конус. Ambient – световой источник, который светит одинаково во всех направлениях. Все объекты освещаются с равной интенсивностью.

99 MIP-Mapping – дословно "много в одном". Метод улучшения качества текстурных изображений при помощи использования текстур с разным разрешением для различных объектов одного и того же изображения в зависимости от их размера и глубины. Таким образом, в памяти хранятся несколько копий текстурированного изображения в различных разрешениях. В результате этого изображение остается качественным при приближении к объекту и при удалении от него. При использовании этого метода Вы увидите изображение в высоком разрешении, находясь близко от объекта, и изображение в низком разрешении, при удалении от объекта. MIP- Mapping снижает мерцание и «зашумленность» изображения, возникающие при texture mapping.

100 Bump Texture Mapping – в отличие от texture mapping, технология bump mapping подразумевает использование, как минимум, еще одной (обычно в оттеках серого) текстуры, которая служит в качестве карты для рельефа, который должен проявиться при визуализации. Эта технология разработана для придания дополнительной детализации и объемности объектам без изменения их геометрических размеров. Трассировка лучей (Ray Tracing) – один из самых сложных и качественных методов построения реалистических изображений. Наиболее распространен вариант «обратной трассировки лучей»: от глаза наблюдателя. Через пиксель строящегося изображения, проводят луч и, учитывая все его отражения от объектов, вычисляют цвет этого пикселя.

101 Flat Shading (Flat) – метод затенения, называемый также постоянным затенением. Поверхность объекта, построенного с использованием этого метода, получается наиболее низкого качества, и изображение выглядит как бы поделенным на блоки. Gouraud Shading (Smooth shading) – затенение методом Гуро (или плавное затенение), один из наиболее популярных алгоритмов затенения, который обеспечивает прорисовку плавных теней вокруг изображаемого объекта, что позволяет изображать трехмерные объекты на плоском экране. Gouraud Shading, или цветовая интерполяция – процесс, с помощью которого цветовая информация интерполируется по поверхности многоугольника для определения цветов в каждом пикселе.