Министерство внутренних делРоссийской федерации
Краснодарский университет
И.Н. Старостенко, Ю.Н. Сопильняк, М.В. Шарпан
ИНФОРМАТИКА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИВ ЮРИДИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Курс лекций
КраснодарКрУ МВД России
2012
ББК 32.81 И 74
Рецензенты:В.О. Осипян, доктор физико-математических наук, доцент (Кубанский
государственный университет).С.А. Вызулин, доктор физико-математических наук, профессор
(Краснодарский университет МВД России).
И 74Информатика и информационные технологии в
профессиональной деятельности: курс лекций / сост. И.Н. Старостенко, Ю.Н. Сопильняк, М.В. Шарпан. – Краснодар: Краснодарский университет МВД России, 2012. – 298 с.
В курсе лекций рассматриваются вопросы введения в профессиональные информационные технологии, базовые офисные технологии и основы электронного документооборота в профессиональной деятельности, а также телекоммуникационные технологии, как основа инфраструктуры единого информационного пространства профессиональной деятельности.
Курс лекций предназначен для курсантов и слушателей Краснодарского университета МВД России.
ББК 32.81
© Краснодарский университет МВД России, 2012
СОДЕРЖАНИЕ
Содержание....................................................................................................................................3
Раздел 1. Введение в профессиональные информационные технологии.................................7
Тема 1. Основы профессиональных информационных технологий......................................71. Понятие информационных технологий. Терминология и объект информатики...........72. Количественная мера информации...................................................................................183. Понятие энтропии...............................................................................................................234. Современные информационные технологи в деятельности МВД России....................28
Тема 2. Вычислительные основы информационных технологий........................................321. Информационные процессы и их особенности...............................................................322. Кодирование информации.................................................................................................343. Логические основы вычислений в компьютерных системах.........................................43
Тема 3. Технические аспекты реализации информационных технологий..........................541. Эволюция и тенденции развития технического обеспечения компьютерных систем.542. Внешние устройства персонального компьютера...........................................................762.1. Системный блок...............................................................................................................772.2. Монитор............................................................................................................................782.3. Клавиатура........................................................................................................................802.4. Компьютерная мышь.......................................................................................................813. Внутренние устройства персонального компьютера......................................................833.1. Системная плата...............................................................................................................833.2. Компьютерная шина........................................................................................................863.3. Процессор.........................................................................................................................913.4. Внутренняя память..........................................................................................................953.5. Видеокарта........................................................................................................................973.6. Жесткий диск..................................................................................................................1003.7. Оптические приводы.....................................................................................................103
Тема 4. Программное обеспечение информационных технологий....................................1051. Системное программное обеспечение............................................................................1052. Прикладное программное обеспечение..........................................................................1173. Инструментальное программное обеспечение..............................................................132
Раздел 2. Базовые офисные технологии как основа электронного документооборота в
профессиональной деятельности.............................................................................................140
Тема 5. Основы электронного документооборота в профессиональной деятельности. .1401. Понятие электронного документооборота.....................................................................1402. Реализация электронного документооборота................................................................1443. Автоматизация обмена документами.............................................................................1484. Электронно-цифровая подпись электронного документа............................................1515. Инвестирование электронного документооборота........................................................154
Тема 6. Обработка текстовых электронных документов....................................................1601. Назначение и классификация текстовых редакторов....................................................1602. Типовая структура интерфейса текстовых редакторов.................................................1663. Возможности текстового редактора Microsoft Notepad................................................1684. Возможности текстового редактора WordPad...............................................................1715. Характеристики и возможности MS Office Word 2007.................................................175
Тема 7. Обработка табличных электронных документов...................................................1891. Основные элементы электронной таблицы....................................................................1892. История Excel....................................................................................................................1983. Работа в Microsoft Excel...................................................................................................200
3
Тема 8 Проектирование и обработка баз данных................................................................2161. История возникновения баз данных (БД).......................................................................2162. Основные понятия и классификация баз данных (БД).................................................2182.1. Основные понятия БД...................................................................................................2182.2. Классификация БД.........................................................................................................2203. Реляционная модель данных............................................................................................2223.1. Базовые понятия реляционной модели данных..........................................................2223.2. Типы связей между данными........................................................................................2273.3. Понятие нормализации отношений.............................................................................2273.4. Обзор и возможности систем управления базами данных (СУБД)..........................2283.5. Режимы работы с базами данных.................................................................................2293.6. Технология работы с СУБД..........................................................................................2304. Основные принципы работы в СУБД MS Access..........................................................2324.1. Рабочая среда MS Access..............................................................................................2334.2. Работа с таблицами........................................................................................................2344.3. Определение полей........................................................................................................2344.4. Определение ключевых полей......................................................................................2364.5. Создание и использование индексов...........................................................................2364.6. Связывание таблиц на схеме данных...........................................................................2374.7. Обеспечение целостности данных...............................................................................2374.8. Контроль и проверка введенных данных....................................................................238
Раздел 3. Телекоммуникационные технологии, как основа инфраструктуры единого
информационного пространства профессиональной деятельности.....................................240
Тема 9 Основы телекоммуникационных технологий и локальные сети в профессиональной деятельности...........................................................................................240
1. Информационные сети. Основные понятия...................................................................2401.1. Базовая модель OSI взаимодействия открытых систем.............................................2401.2. Связь компьютеров с помощью модемов....................................................................2422. Локальные вычислительные сети (ЛВС)........................................................................2442.1. Основные понятия и важнейшие характеристики ЛВС.............................................2442.2. Компоненты локальных вычислительных сетей........................................................2452.3. Классификация локальных вычислительных сетей...................................................2482.4. Способы и методы передачи данных в локальных вычислительных сетях.............2492.5. Метод управления средой передачи данных...............................................................2512.6. Топология локальных вычислительных сетей............................................................2532.7. Общесистемные средства создания ЛВС....................................................................2553. Объединение вычислительных сетей..............................................................................2563.1. Мосты между локальными вычислительными сетями..............................................2563.2. Межсетевое взаимодействие (Internet)........................................................................2583.3. Интеграция ЛВС с помощью электронной почты......................................................2583.4. Общедоступные сети передачи данных.......................................................................2594. Перспективы создания и развития информационно-вычислительных сетей органов внутренних дел......................................................................................................................2614.1. Цель и назначение разработки ИВС ОВД России......................................................2614.2. Выбор состава технических средств ИВС ОВД России............................................2644.3. Обеспечение надежности ИВС ОВД России..............................................................2644.4. Этапы разработки ИВС ОВД России...........................................................................265
Тема 10 Интернет - технологии.............................................................................................2671. История создания сети Internet........................................................................................2672. Основные понятия............................................................................................................2683. Адресация в Интернет......................................................................................................269
4
3.1. Универсальный адрес сетевого ресурса......................................................................2693.2. Схемы адресации сетевых ресурсов............................................................................2713.3.Регистрация имени домена............................................................................................2743.4. Семейство протоколов TCP/IP.....................................................................................2753.5. Сетевое взаимодействие «клиент-сервер»..................................................................2773.6. Недостатки протоколов.................................................................................................2783.7. Программное обеспечение для работы в сети............................................................2804. Основные службы Internet................................................................................................2814.1. Электронная почта.........................................................................................................2844.2. Дистанционное обучение через Internet......................................................................2854.3. Internet как средство массовой информации...............................................................2864.4. Internet-магазины...........................................................................................................2874.5. Internet-игры...................................................................................................................287
Тема 11. Единая информационная телекоммуникационная система.................................2891. Основные понятия ЕИТКС..............................................................................................2892. История создания ЕИТКС................................................................................................2893. Состав ЕИТКС...................................................................................................................2914. Назначения и возможности ЕИТКС................................................................................293
Раздел 4. Мультимедийные технологии в профессиональной деятельности......................296
Тема 12. Использование компьютерной графики в профессиональной деятельности...2961. Компьютерная графика....................................................................................................2962. Описание видов компьютерной графики.......................................................................3033. Цветовые модели и форматы графических изображений.............................................3284. Графические редакторы...................................................................................................3385. Использование компьютерной графики в профессиональной деятельности.............342
Тема 13. Аудио и видеотехнологии в правоохранительной деятельности........................3451. Обработка аудио-видео информации. Аналого-цифровое преобразование...............3452. Информационные кросс - технологии............................................................................3533. Геоинформационные технологии....................................................................................3624. Использование видео и аудио технологий в профессиональной деятельности.........365
Раздел 5. Автоматизированные информационные системы в профессиональной
деятельности...............................................................................................................................375
Тема 14. Информационные системы как центры сбора, хранения и обработки служебной информации в профессиональной деятельности.................................................................375
1. История возникновения информационных систем.......................................................3752. Понятие автоматизированной информационной системы...........................................3773. Этапы развития информационных систем.....................................................................3784. Принципы проектирования АИС....................................................................................3825. Этапы проектирования информационных систем.........................................................3836. Структура автоматизированных информационных систем.........................................3837. Обеспечение АИС.............................................................................................................385
Тема 15. Документальные информационные системы в профессиональной деятельности...................................................................................................................................................387
1. Классификации информационных систем.....................................................................3872. Характерные особенности документальных информационных систем (ДИС)..........3933. Использование документальных информационных систем (ДИС) в профессиональной деятельности сотрудника ОВД...........................................................398
Тема 16. Фактографические информационные системы в профессиональной деятельности............................................................................................................................403
1. Характерные особенности фактографических информационных систем (ФИС)......403
5
2. Использование фактографических информационных систем (ФИС) в профессиональной деятельности сотрудника ОВД...........................................................403
Тема 17. Интеллектуальные информационные системы, как системы поддержки принятия решений в профессиональной деятельности.......................................................410
1. Характерные особенности интеллектуальных информационных систем (ИИС)......4102. Использование интеллектуальных информационных систем (ИИС) в профессиональной деятельности сотрудника ОВД...........................................................416
Тема 18. Автоматизированные рабочие места сотрудников, как узловые центры единого
информационного пространства профессиональной деятельности.....................................421
1. Общая характеристика АРМ............................................................................................4212. Принципы создания АРМ................................................................................................4223. Составляющие АРМ и их характеристика.....................................................................4234. Классификация АРМ........................................................................................................4245. Применение АРМ в работе правоохранительных органов...........................................425
Литература..................................................................................................................................441
6
РАЗДЕЛ 1. ВВЕДЕНИЕ В ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЕ
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Тема 1. Основы профессиональных информационных технологий
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Понятие информационных технологий. Терминология и объект
информатики.
2. Количественная мера информации.
3. Понятие энтропии.
4. Современные информационные технологии в деятельности МВД
России.
1. Понятие информационных технологий. Терминология и объект
информатики
Информационные технологии являются важнейшей составляющей
информационных отношений и представляют собой процессы, методы
поиска, сбора, хранения, обработки, предоставления, распространения
информации и способы осуществления таких процессов и методов.
В соответствии с определением ЮНЕСКО, под информационными
технологиями понимается комплекс взаимосвязанных, научных,
технологических, инженерных дисциплин, изучающих методы эффективной
организации труда людей, занятых обработкой и хранением информации.
Целью информационных технологий является производство
информации для ее анализа человеком и принятия на ее основе какого-либо
решения. Результат применения информационных технологий выражается в
использовании информационных продуктов. Примерами информационных
продуктов являются программные продукты, банки и базы данных.
Под профессиональными информационными технологиями будем
понимать совокупность методов и средств получения, обработки,
представления информации, направленных на изменение ее состояния,
свойств, формы, содержания и осуществляемых в интересах сотрудников
органов внутренних дел.
7
степень централизации
технологического
процесса
тип предметной области
степеньохвата задач управления
класс реализуемых
технологических операций
тип пользователь
ского интерфейса
способ построения
сети
КЛАССИФИКАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Информационные технологии реализуются в автоматизированном и
традиционном (ручном) видах. Автоматизированные информационные
технологии – это технологии, в которых для сбора, передачи, хранения и
обработки данных используются методы и средства вычислительной техники
и систем связи.
Рассмотрим классификацию информационных технологий.
Классификацию систематизируем по следующим признакам (рис. 1):
Рис. 1. Классификация информационных технологий
По степени централизации технологического процесса
информационные технологии делят на централизованные,
децентрализованные и комбинированные технологии. Централизованные
технологии характеризуются тем, что обработка информации производится
на основном сервере организации, либо в отраслевом или территориальном
информационно-вычислительном центре. Децентрализованные технологии
основываются на локальном применении средств вычислительной техники,
установленных на рабочих местах пользователей для решения конкретной
задачи. Децентрализованные технологии не имеют централизованного
автоматизированного хранилища данных, но обеспечивают пользователей
средствами коммуникации для обмена данными между узлами сети.
Комбинированные технологии характеризуются интеграцией процессов
решения функциональных задач на местах, с использованием совместных баз
данных и концентрацией всей информации в автоматизированном банке
данных.
8
Тип предметной области выделяет функциональные классы задач
соответствующих организаций, решение которых производится с
использованием современных автоматизированных систем.
По степени охвата автоматизированных информационных технологий
выделим автоматизированную обработку данных; автоматизацию функций
управления; поддержку принятия решений, предусматривающая применение
математических методов и моделей для аналитической работы и
формирования прогнозов; электронный офис, как программно-аппаратный
комплекс для автоматизации и решения офисных задач; экспертную
поддержку, основанную на использовании экспертных систем и баз знаний
конкретной предметной области.
По классам реализуемых технологических операций информационные
технологии рассматриваются в соответствии с решением задач прикладного
характера:
- работа с текстовыми редакторами;
- работа с табличными процессорами;
- работа с системами управления базами данных;
- работа с графическими объектами;
- мультимедийные системы;
- гипертекстовые системы.
По типу пользовательского интерфейса:
- пакетные: пользователь не влияет на обработку данных;
- диалоговые: пользователь взаимодействует с вычислительной
системой в интерактивном режиме;
- сетевые: предоставляют пользователю телекоммуникационные
средства доступа к территориально удаленным информационным
и вычислительным ресурсам.
Способ построения сети:
- локальные;
9
- многоуровневые (иерархические);
- распределенные.
Информационные технологии можно представить совокупностью трех
основных способов преобразования информации: хранения, обработки и
передачи. История становления информационных технологий неразрывно
связана со становлением и развитием этих трех способов. Эволюция
информационных технологий продолжает естественную эволюцию
человечества. Освоение каменных орудий помогло сформироваться
человеческому интеллекту. Металлические орудия повысили
производительность физического труда. Машины механизировали
физический труд. На этом пути развития информационные технологии
освобождают человека от рутинного умственного труда, усиливают его
творческие возможности. Рассмотрим этапы эволюции информационных
технологий.
На раннем этапе развития общества профессиональные навыки
передавались в основном посредством ритуальных танцев, обрядовых песен,
устных преданий и т.д.
Первый этап развития информационных технологий связан с
открытием способов длительного хранения информации на материальном
носителе. Примерами таких носителей является пещерная живопись,
гравировка по кости, числовые нарезки для измерения. Способы хранения
информации подвергались совершенствованию, а период до появления
инструментов для обработки материальных объектов и регистрации
информационных образов на материальном носителе составил около 1
миллиона лет.
Второй этап развития информационных технологий связан с
появлением письменности (примерно 6 тысяч лет назад). Эра письменности
характеризуется появлением новых способов регистрации на материальном
носителе символьной информации. Применение этих технологий позволило
осуществлять накопление и длительное хранений знаний. Примерами
10
носителей информации на втором этапе развития информационных
технологий являются: камень, дерево, глина, папирус, щелк, бумага. На
данном этапе накопление знаний происходит достаточно медленно и связано
с трудностями получения доступа к информации.
Начало третьего этапа развития информационных технологий – первая
информационная революция – датируется 1445 годом, когда Иоганн
Гуттенберг изобрел печатный станок и, тем самым, подвел итог становлению
способов регистрации информации. Появление книг открыло доступ к
информации широкому кругу людей и интенсифицировало процесс
накопления систематизированных по отраслям знаний.
В 1946 году начинается четвертый этап развития информационных
технологий, который обусловлен появлением электронной вычислительной
машины (ЭВМ) для обработки информации. Именно по этой причине
четвертый этап называют второй информационной революцией.
Характерным признаком второй информационной революции является
появление впервые за всю историю развития человечества усилителя
интеллекта – ЭВМ.
Пятый этап развития информационных технологий связан с развитием
способов передачи информации – появление компьютерных сетей. В 1983
году Международная организация по стандартизации разработала систему
стандартных протоколов, получившую название модели взаимодействия
открытых систем (OSI). Модель OSI представляет собой абстрактную
сетевую модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов.
Предлагает взгляд на компьютерную сеть с точки зрения измерений. Каждое
измерение обслуживает свою часть процесса взаимодействия. Благодаря
такой структуре совместная работа сетевого оборудования и программного
обеспечения становится гораздо проще и прозрачнее.
Характерным признаком третьей информационной революции является
то, что некоторые авторы, анализируя информационные технологии, которые
используются в сети Интернет, сравнивают его с нейронной сетью и
11
обсуждают вопрос о возникновении и развитии нейронной сети планеты и
становлении планетарного разума.
В Российском законодательстве отношения, возникающие при
формировании информационных ресурсов на основе создания, сбора,
обработки, накопления, хранения, поиска, распространения информации, при
создании и использовании информационных технологий, систем и средств их
обеспечения, защите информации регулирует Федеральный закон «Об
информации, информационных технологиях и о защите информации» от
27.07.2006 N 149-ФЗ. В данном законе раскрываются различные формы
использования современных информационных технологий, таких как
информационные системы, информационно-телекоммуникационные сети. В
этой связи использование понятия «информационные технологии» в
названии нормативного документа будем считать целесообразным и
приоритетным по сравнению с применением такого неопределенного
понятия, как «информатизация».
Центральное место Федерального закона в системе информационного
законодательства Российской Федерации определяет его приоритетную роль
в вопросах регулирования информационных отношений и позволяет
обеспечить единообразное, системное и обоснованное регулирование
информационной сферы, а также создавать правовую основу для реализации
государственных задач, связанных с построением в России информационного
общества и обеспечением вхождения страны в мировое информационное
пространство.
Мы рассмотрели информационные технологии с точки зрения понятия
«технология». Теперь обсудим информационные технологии с точки зрения
понятия «информации». Начнем с определения информатики.
Информатика (от французского information – информация и
automatioque – автоматика) – это отрасль науки, изучающая структуру и
общие свойства информации, а также вопросы, связанные с ее сбором,
12
хранением, переработкой, преобразованием, распространением и
использованием в различных сферах деятельности.
В широком смысле, информатика (в англоязычном варианте computer
science – наука о средствах вычислительной техники) – наука о вычислениях,
хранении и обработке информации. Она включает дисциплины, так или
иначе относящиеся к вычислительным машинам: как абстрактные, например,
анализ алгоритмов, так и довольно конкретные – разработка языков
программирования.
Согласно тезису Черча – Тьюринга (утверждение было высказано
Алонзо Черчем и Аланом Тьюрингом в середине 1930-х годов), все
известные типы вычислительных машин качественно эквивалентны в своих
возможностях: любое действие, выполнимое на одной вычислительной
машине, также выполнимо и на другой. Данный тезис является
фундаментальным эвристическим утверждением, существенным для многих
областей науки. Иногда его преподносят как фундаментальный принцип
информатики, обращая особое внимание на машину Тьюринга и машину
фон-неймановской архитектуры, поскольку они имеют явное сходство с
большинством из современных компьютеров. В рамках современной
информатики ученые изучают также и другие типы машин, не только
практически осуществимые, но и абстрактные математические модели.
Приоритетными направлениями исследований в информатике
являются: что можно, что нельзя реализовать в программах (теория
вычислимости и искусственный интеллект), каким образом можно решать
специфические задачи с максимальной эффективностью (алгоритмы), в
каком виде следует хранить и восстанавливать информацию специфического
вида (структуры данных), как программы и люди должны взаимодействовать
друг с другом (пользовательский интерфейс и языки программирования) и
т.п.
Отдельной наукой информатика была признана лишь в 1970-х; до этого
она развивалась в составе математики, электроники и других технических
13
наук. Некоторые начала информатики можно обнаружить даже в
лингвистике. С момента своего признания отдельной наукой информатика
разработала собственные методы и терминологию.
Первый факультет информатики был основан в 1962 году в
университете Пердью (Purdue University). Сегодня факультеты и кафедры
информатики имеются в большинстве университетов мира.
Высшей наградой за заслуги в области информатики является премия
Тьюринга.
Основная задача информатики заключается в определении общих
закономерностей, в соответствии с которыми происходит создание научной
информации, ее преобразование, передача и использование в различных
сферах деятельности человека. Прикладные задачи заключаются в разработке
более эффективных методов и средств осуществления информационных
процессов, в определении способов оптимальной научной коммуникации с
широким применением технических средств.
Информатика разделяется на две части: теоретическую и прикладную.
Теоретическая информатика рассматривает формы и способы
получения и использования информационных ресурсов (ИР), его законы и
проблемы, изучает общие свойства, присущие всем разновидностям
конкретных информационных технологий (ИТ) и сред их протекания.
Необходимо отметить, что теоретическая информатика включает ряд
самостоятельных направлений, которые, по степени близости решаемых
задач, можно условно разделить на пять классов:
• Математическая логика
• Программирование
• Теория информации
• Системный анализ
• Теория принятия решений
Высшим результатом развития теоретической информатики является
создание искусственного интеллекта.
14
Прикладная информатика изучает конкретные разновидности ИТ,
определяя для них общие и различные черты. При этом появляются новые
ветви прикладной информатики: экспертные системы, диагностические
комплексы, управляющие системы и др.
Результатом деятельности прикладной информатики является создание
ИТ различного назначения.
Каждая наука имеет свой предмет для изучения. Предметом изучения
информатики является информация и автоматизированные технологии
использования информационного ресурса в многогранной деятельности
людей.
Термин «информация» происходит от латинского слова «informatio»,
что означает сведения, разъяснения, изложение. Несмотря на широкое
распространение, понятие информации является одним из самых
дискуссионных в науке. В настоящее время наука пытается найти общие
свойства и закономерности, присущие многогранному понятию информация,
но пока оно во многом остается интуитивным и получает различные
смысловые наполнения в различных отраслях человеческой деятельности.
Существование множества определений информации обусловлено
сложностью, специфичностью и многообразием подходов к толкованию
сущности этого понятия. Существуют 3 наиболее распространенные
концепции информации, каждая из которых по-своему объясняет ее
сущность.
Первая концепция – концепция К. Шеннона – отражая количественно-
информационный подход, определяет информацию как меру
неопределенности (энтропия) события. Количество информации в том или
ином случае зависит от вероятности его получения: чем более вероятным
является сообщение, тем меньше информации содержится в нем. Этот
подход, хоть и не учитывает смысловую сторону информации, оказался
весьма полезным в технике связи и вычислительной технике и послужил
основой для измерения информации и оптимального кодирования
15
сообщений. Кроме того, он представляется удобным для иллюстрации такого
важного свойства информации, как новизна, неожиданность сообщений.
При таком понимании информация – это снятая неопределенность, или
результат выбора из набора возможных альтернатив.
Вторая концепция рассматривает информацию как свойство материи.
Ее появление связано с развитием кибернетики и основано на утверждении,
что информацию содержат любые сообщения, воспринимаемые человеком
или приборами. Наиболее ярко и образно эта концепция информации
выражена академиком В.М. Глушковым. Он писал, что «информацию несут
не только испещренные буквами листы книги или человеческая речь, но и
солнечный свет, складки горного хребта, шум водопада, шелест травы».
То есть, информация как свойство материи создает представление о ее
природе и структуре, упорядоченности и разнообразии. Она не может
существовать вне материи, а значит, она существовала и будет существовать
вечно, ее можно накапливать, хранить и перерабатывать.
Третья концепция основана на логико-семантическом подходе, при
котором информация трактуется как знание, причем не любое знание, а та
его часть, которая используется для ориентирования, активного действия,
управления и самоуправления.
Иными словами, информация – это действующая, полезная часть
знаний. Представитель этой концепции В.Г. Афанасьев, развивая логико-
семантический подход, дает определение социальной информации:
«Информация, циркулирующая в обществе, используемая в управлении
социальными процессами, является социальной информацией. Она
представляет собой знания, сообщения, сведения о социальной форме
движения материи и о всех других формах в той мере, в какой она
используется обществом...».
Для современного понятия информации характерен содержательный
подход. Такой подход к понятию информации впервые появился в
фундаментальных работах основоположника кибернетики Н. Винера.
16
Согласно современным представлениям, информация есть некая форма
отражения или отображения внешней среды, имеющей одну физическую
форму, в так называемое информационное сообщение или модель, имеющие
другую физическую форму. Так, например, все многообразие окружающего
нас реального мира (вода, земля и т.д.) отражается в мозге человека с
помощью одной физической формы, а именно, с помощью
электрохимических потенциалов. В компьютере подобное многообразие
может быть отражено с помощью высокого и низкого потенциала (нулей и
единиц).
Рассмотренные подходы в определенной мере дополняют друг друга,
освещают различные стороны сущности понятия информации и облегчают
тем самым систематизацию ее основных свойств. Обобщив данные подходы,
можно дать следующее определение информации:
Информация – это сведения об объектах и явлениях окружающего мира
(их параметрах, свойствах и состоянии), которые воспринимаются,
обрабатываются и при этом обязательно уменьшают имеющуюся о них
степень неопределенности или неполноты знаний о них.
Информацию, представленную в форме, которая позволяет
осуществлять ее преобразование с целью передачи, обработки
практического использования, называют сообщением.
Всякое сообщение является совокупностью сведений о состоянии
какой-либо материальной системы, которые передаются человеком (или
устройством), наблюдающим эту систему, другому человеку (или
устройству), не имеющему возможностей получить эти сведения из
непосредственных наблюдений. Наблюдаемая материальная система вместе с
наблюдателем представляет собой источник информации, а человек или
устройство, которому предназначаются результаты наблюдения – получатель
информации.
Источник информации может вырабатывать непрерывное или
дискретное сообщения. Передача сообщений на расстояние осуществляется с
17
Свойства информации
Атрибутивные свойства Прагматические свойства Динамические свойства
помощью какого-либо материального носителя (бумажный носитель,
электронный носитель) или физического процесса (звуковых или
электромагнитных волн, тока и т.п.).
Физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое
сообщение, называется сигналом. Сигналы формируются путем изменения
тех или иных параметров физического носителя по закону передаваемых
сообщений. Этот процесс изменения параметров сигнала в соответствии с
передаваемым сообщением называется модуляцией и осуществляется в
системах связи с помощью модулятора.
Информация является объективно существующей реальностью
окружающего нас мира и как любой другой объект обладает рядом свойств,
позволяющих отличать один информационный объект от другого. Приведем
общую классификацию свойств информации (рис. 2).
Рис. 2. Свойства информации
К атрибутивным относятся свойства, без которых информация не
может существовать. Например, неотрывность информации от физического
носителя и языковая природа информации, дискретность, непрерывность.
Под прагматическими будем понимать те свойства, которые
проявляются в процессе использования информации и характеризующие
степень ее полезности для пользователя. К прагматическим свойствам
информации относятся: смысл и новизна, полезность, ценность,
кумулятивность, полнота, достоверность, адекватность и другие.
Динамические свойства характеризуют изменение информации во
времени. Например, к динамическим свойствам информации относятся рост
информации и старение.
18
2. Количественная мера информации
Количество информации – число, адекватно характеризующее
разнообразие (структурированность, определенность, выбор состояний и т.д.)
в оцениваемой системе.
Классическая количественная теория информации состояла и ныне
состоит из двух частей: теории преобразования сообщений и сигналов
(сущность теории заключается в рассмотрении вопросов кодирования и
декодирования информации) и теории передачи сообщений и сигналов без
шумов и с шумами в канале связи.
Трактовка информации как меры уменьшения неопределенности
некоторого случайного процесса дает возможность, используя
математический аппарат теории вероятностей и математической статистики,
ввести единицу измерения информации и понятие количественной меры
информации. Это весьма важно с точки зрения практического использования
для понимания процессов передачи и хранения информации. Необходимо
отметить, что вероятность конкретного исхода некоторого события
непосредственно связана с количеством информации, содержащемся в
сообщении об этом исходе.
Считается, что чем более вероятен конкретный исход события, тем
меньше информации несет сообщение об этом исходе. Математическая
запись данного тезиса выглядит следующим образом:
I i=log21pi
=−log2 pi (i=1...n), (1)
где Ii – количество информации, содержащееся в сообщении об i-ом
исходе события, pi – вероятность исхода i-го события.
Из формулы (1) видно, чем выше значение вероятности pi исхода
конкретного события, тем меньше будет величина log2(1/pi) и, следовательно,
тем меньшее количество информации будет содержаться в информации об
исходе данного события.
19
Введем в рассмотрение случайную величину I, представляющую собой
количество информации, содержащееся в сообщении о конкретном исходе
того или иного события. В соответствии с формулой (1) данная случайная
величина может быть задана следующей таблицей (табл.1):
Таблица 1.
I log2 1/p1 log2 1/p2 … log2 1/pn
Р p1 p2 … pn
Поскольку случайная величина I может принимать множество
значений в зависимости от того или иного исхода события, то для ее
числовой характеристики (количества информации I в произвольном
сообщении об исходе случайного события) принимается ее математическое
ожидание или среднее значение:
I=∑i=1
n
pi I i (2)
подставляя формулу (1) в формулу (2) получим:
I=∑i=1
n
pi log 21pi
=−∑i=1
n
p i log2 pi (3)
Данная формула была предложена К. Шенноном для определения
количества информации в сообщении об исходе случайного события.
Для определения количества информации, содержащемся в сообщении
об исходе случайного события в случае, когда все исходы равновероятны, т.е.
р1= р2=…= рn формула (3) принимает вид:
I=log2 n (4)
Эта формула была выведена в 1928 г. американским инженером
Р. Хартли и носит его имя.
В качестве единицы количества информации, подсчитываемой по
формуле (4), принят 1 бит. Бит – минимально возможное количество
информации содержится в сообщении об исходе случайного события с двумя
20
равновероятными исходами. Так, полагая в формуле (4) n=2 и р1=р2=0,5
получим:
I=log2 2=1 (бит).
Проиллюстрируем это на следующих примерах.
Бросание одной монеты. До момента бросания монеты имеется
неопределенность исхода данного события, смысл которой заключается в
том, что потенциально возможны два варианта исходов бросания, т.е. n=2
(табл. 2):
Таблица 2
Вариант Исход
бросания
Код
сообщения
1 «орел» 1
2 «решка» 0
Закодированное информационное сообщение представляет собой
последовательность из одного двоичного символа (табл. 2). В этом случае
любое из этих двух сообщений (0 или 1) уменьшает неопределенность ровно
в два раза. Применяя для данного примера формулу Хартли, получим:
I=log2 2=1 (бит).
Таким образом, сообщение об исходе бросания одной монеты несет в
себе количество информации равное 1 бит. Иными словами, 1 бит есть та
минимальная порция информации, которая уменьшает исходную
неопределенность в два раза в линейном масштабе.
Бросание одновременно трех монет. До момента бросания монет
имеется неопределенность исхода данного события, смысл которой
заключается в том, что потенциально возможны восемь вариантов исходов
бросания, т.е. n=8 (табл. 3).
В этом случае закодированное информационное сообщение
представляет собой последовательность из трех двоичных символов (табл. 3).
Применяя для рассматриваемого примера формулу (4), получим:
21
I=log2 8=3 (бит)
Таблица 3
Вариант 1-ая монета 2-ая монета 3-я монетаКод
сообщения1 «орел» «орел» «орел» 111
2 «решка» «решка» «решка» 000
3 «орел» «решка» «решка» 100
4 «орел» «орел» «решка» 110
5 «орел» «решка» «орел» 101
6 «решка» «орел» «орел» 011
7 «решка» «решка» «орел» 001
8 «решка» «орел» «решка» 010
Таким образом, любое сообщение об исходе бросания трех монет несет
в себе количество информации, равное трем битам, т.е. уменьшает
неопределенность об исходе данного события ровно в восемь раз (в
линейном масштабе).
Интересно, что согласно классической теории информации, сообщение
об исходе бросания одновременно трех монет несет в себе в три раза больше
информации (в логарифмическом масштабе), чем сообщение об исходе
бросания одной монеты (3 бита и 1 бит).
Следует отметить, что в компьютерной технике при передаче
сообщений по линиям связи в качестве случайных событий выступают
передаваемые последовательности нулей и единиц, представляющие собой
закодированные (т.е. представленные в цифровой форме) текстовые,
числовые, графические, звуковые и другие сообщения. Данные
последовательности имеют различную (случайную) длину и различный
(случайный) характер чередования нулей и единиц.
Если под исходом случайного события понимать конкретный вид
последовательности нулей и единиц в передаваемом сообщении, то данные
22
исходы не являются равновероятными и, следовательно, для определения
количества содержащейся в них информации нельзя использовать формулу
Хартли. Как следствие, в этом случае нельзя использовать в качестве
единицы информации 1 бит.
Таким образом, единица измерения 1 бит малопригодна на практике
для определения количества информации, содержащейся в сообщении в
классическом понимании этого термина (мера уменьшения
неопределенности). Гораздо чаще, если не всегда, в компьютерной технике
бит выступает в качестве элементарной единицы количества или объема
хранимой (или передаваемой) информации безотносительно к ее
содержательному смыслу.
Количество информации в 1 бит является слишком малой величиной,
поэтому наряду с единицей измерения информации 1 бит, используется более
крупные единицы:
1байт=23 бит=8 бит.
1 килобайт (1 Кбайт) = 210 байт = 1024 байт,
1 мегабайт (1 Мбайт) = 210 Кбайт = 1024 Кбайт,
1 гигабайт (1 Гбайт) = 210 Мбайт=1024 Мбайт,
1 терабайт (1 Тбайт) = 210 Гбайт (1024 Гбайт),
1 петабайт (1 Пбайт) = 210 Тбайт (1024 Тбайт).
В компьютерной и телекоммуникационной технике в битах, байтах,
килобайтах, мегабайтах и т.д. измеряется также потенциальная
информационная емкость оперативной памяти и внешних запоминающих
устройств, предназначенных для хранения данных (жесткие диски, дискеты,
CD-ROM и т.д.).
3. Понятие энтропии
В 1948 году, исследуя проблему рациональной передачи информации
через зашумленный коммуникационный канал, Клод Шеннон предложил
революционный вероятностный подход к пониманию коммуникаций и
создал первую, истинно математическую, теорию энтропии. Его
23
сенсационные идеи быстро послужили основой разработки двух основных
направлений: теории информации, которая использует понятие вероятности
и эргодическую теорию для изучения статистических характеристик данных
и коммуникационных систем, и теории кодирования, в которой используются
главным образом алгебраические и геометрические инструменты для
разработки эффективных шифров.
Понятие энтропии, как меры случайности, введено Шенноном в его
статье «A Mathematical Theory of Communication», опубликованной в двух
частях в Bell System Technical Journal в 1948 году.
Энтропия (от греч. поворот, превращение) – понятие, впервые
возникшее в термодинамике как мера необратимого рассеяния энергии;
широко применяется в других областях: в статистической механике – как
мера вероятности осуществления состояния системы; в теории информации –
как мера неопределенности сообщений; в теории вероятностей – как мера
неопределенности опыта, испытания с различными исходами; ее
альтернативные трактовки имеют глубокую внутреннюю связь: например из
вероятностных представлений об информации можно вывести все
важнейшие положения статистической механики.
В термодинамике понятие энтропии было введено немецким физиком
Р. Клаузисом (1865), когда он показал, что процесс превращения теплоты в
работу подчиняется закономерности – второму началу термодинамики,
которое формулируется строго математически, если ввести функцию
состояния системы – энтропию. Клаузис также показал важность понятия
энтропии для анализа необратимых (неравновесных) процессов, если
отклонения от термодинамики равновесия невелики и можно ввести
представление о локальном термодинамическом равновесии в малых, но еще
макроскопических объемах. В целом энтропия неравновесной системы равна
сумме энтропий ее частей, находящихся в локальном равновесии.
24
Статистическая механика связывает энтропию с вероятностью
осуществления макроскопического состояния системы знаменитым
соотношением Больцмана «энтропия – вероятность»
S=kB ln W (5)
где W – термодинамическая вероятность осуществления данного
состояния (число способов реализации состояния), а kB – постоянная
Больцмана.
В отличие от термодинамики статистическая механика рассматривает
специальный класс процессов – флуктуации, при которых система переходит
из более вероятных состояний в менее вероятные и вследствие этого ее
энтропия уменьшается. Наличие флуктуаций показывает, что закон
возрастания энтропии выполняется только статистически: в среднем для
большого промежутка времени.
Понятие энтропии распределения в теории вероятностей
математически совпадает с понятием информационной энтропии. Из
вероятностной трактовки энтропии выводятся основные распределения
статистической механики: каноническое распределение Гиббса, которое
соответствует максимальному значению информационной энтропии при
заданной средней энергии; и большое каноническое распределение Гиббса –
при заданной средней энергии и количестве частиц в системе.
Энтропия в теории информации – мера хаотичности информации,
неопределенность появления какого-либо символа первичного алфавита. При
отсутствии информационных потерь энтропия численно равна количеству
информации на символ передаваемого сообщения.
Концепции информации и энтропии имеют глубокие связи друг с
другом, но, несмотря на это, разработка теорий в статистической механике и
теории информации заняла много лет, чтобы сделать их соответствующими
друг другу.
Энтропия независимых случайных событий x с n возможными
состояниями (от 1 до n) рассчитывается по формуле:
25
H ( x )=−∑i=1
n
p i log2 pi (6)
Эта величина также называется средней энтропией сообщения.
Величина log 2
1pi называется частной энтропией, характеризующей только i-
e состояние.
Таким образом, энтропия события x является суммой с
противоположным знаком всех произведений относительных частот
появления события i, умноженных на их же двоичные логарифмы. Это
определение для дискретных случайных событий можно расширить для
функции распределения вероятностей.
Шеннон вывел это определение энтропии из следующих
предположений:
мера должна быть непрерывной; т.е. изменение значения величины
вероятности на малую величину должно вызывать малое результирующее
изменение энтропии;
в случае, когда все варианты равновероятны, увеличение количества
вариантов должно всегда увеличивать полную энтропию;
должна существовать возможность сделать выбор в два шага, в
которых энтропия конечного результата должна будет являться суммой
энтропий промежуточных результатов.
Шеннон показал, что любое определение энтропии, удовлетворяющее
этим предположениям, должно быть в форме:
−K ∑i=1
n
pi log2 pi (7)
где K – константа (в действительности нужна только для выбора
единиц измерения).
Шеннон определил, что измерение энтропии (
H ( x )=−p1 log2 p1−. . .−pn log2 pn ), применяемое к источнику информации,
26
может определить требования к минимальной пропускной способности
канала, требуемой для надежной передачи информации в виде
закодированных двоичных чисел. Для вывода формулы Шеннона
необходимо вычислить математическое ожидания «количества
информации», содержащегося в цифре из источника информации. Мера
энтропии Шеннона выражает неуверенность реализации случайной
переменной. Таким образом, энтропия является разницей между
информацией, содержащейся в сообщении, и той частью информации,
которая точно известна (или хорошо предсказуема) в сообщении. Примером
этого является избыточность языка – имеются явные статистические
закономерности в появлении букв, пар последовательных букв, троек и т.д.
В общем случае b-арная энтропия (где b равно 2, 3 ,...) источника с
исходным алфавитом и дискретным распределением вероятности
определяется формулой:
Hb=−∑i=1
n
pi logb pi (8)
Пример 1. Определить энтропию источника сообщений, если он может
выдавать n=5 знаков с вероятностями p1=0,4; p2=0,1; p3=0,2; p4=0,1; p5=0,2.
(Сумма всех pi=1).
Решение:
H ( x )=−∑i=1
n
p i log2 pi=−(0,4 log2 0,4+0,1 log2 0,1+0,2 log2 0,2+
+0,1 log2 0,1+0,2 log2 0,2)=2,12 бит / знак .
Пример 2. Определить энтропию источника сообщений при условии
одинаковой вероятности появления каждого из пяти знаков: p(xi)=0,2.
Решение:
H ( x )=−∑i=1
n
p i log2 pi=−5⋅0,2 log2 0,2=2 ,32 бит /знак .
naaS ,...,1
nppP ,...,1
27
Называя функцию Н «энтропия множества вероятностей», Шеннон
комментировал это следующим образом: «Меня больше всего беспокоило,
как назвать эту величину. Я думал назвать ее «информацией», но это слово
слишком перегружено, поэтому я решил остановиться на
«неопределенности». Когда я обсуждал все это с Джоном фон Нейманом, тот
предложил лучшую идею. Фон Нейман сказал мне: «Вам следует назвать ее
энтропией по двум причинам. Во-первых, ваша функция неопределенности
использовалась в статистической механике под этим названием, так что у нее
уже есть имя. Во-вторых, и это важнее, никто не знает, что же такое эта
энтропия на самом деле, поэтому в споре преимущество всегда будет на
вашей стороне».
4. Современные информационные технологи в деятельности
МВД России
В Министерстве внутренних дел Российской Федерации вопросами
формирования современной информационной и телекоммуникационной
инфраструктуры занимается созданный в марте 2011 года Департамент
информационных технологий, связи и защиты информации МВД России.
Одной из приоритетных задач данного подразделения является
создание на принципиально новом техническом уровне единой системы
информационно-аналитического обеспечения деятельности МВД России –
ИСОД.
ИСОД должна быть создана на базе единой информационно-
телекоммуникационной системы (ЕИТКС). В данную систему уже заложены
основы ведомственной инфраструктуры и обеспечен базовый уровень
технического оснащения подразделений органов внутренних дел Российской
Федерации. Так, в настоящее время более 5000 объектов органов внутренних
дел подключены к единой интегрированной мультисервисной сети и
обеспечены стандартным комплексом современных услуг связи и доступом к
ведомственным информационным системам. Необходимо отметить, что
созданию ИСОД послужило ряд причин. Во-первых, это отсутствие единых
28
архитектурных решений и системного подхода к внедрению
автоматизированных систем, что привело к тому, что на рабочих местах
сотрудников органов внутренних дел Российской Федерации используются
разные программы, порой несовместимые между собой. Во-вторых, ЕИТКС
создавалась без учета современных тенденций, их использование
предполагало установку программ непосредственно на рабочих местах
пользователей и серверах локальных сетей, а также создание отдельных
центров обработки данных на территориальном и региональном уровнях, что
влечет за собой высокую стоимость обслуживания, низкую надежность и
недостаточную производительность.
Среди первоочередных задач создания ИСОД является разработка
комплексной программы создания ведомственной системы информационно-
аналитического обеспечения деятельности органов внутренних дел на 2012-
2014 годы; введение в опытную эксплуатацию первой очереди единой
информационной системы централизованной обработки данных и реализация
на ее базе системы ведомственного электронного документооборота и
обмена сообщениями электронной почты.
Кроме того, в настоящее время продолжается разработка типового
программно-технического решения на базе единого интегрированного банка
данных, которое будет обеспечивать автоматизацию повседневных
функциональных обязанностей сотрудников органов внутренних дел. Эта
программа должна обеспечить унификацию экранных форм, форм отчетов,
интеграцию учетов, доступ сотрудников органов внутренних дел к
информации и т.д.
В настоящее время одним из важнейших модернизационных проектов
государства является переход с 1 октября 2011 года федеральных органов
исполнительной власти на межведомственное электронное взаимодействие
при предоставлении государственных услуг (функций). Всего по линии МВД
России в Сводный реестр включено 48 государственных услуг (функций), 11
из которых требуют межведомственного электронного взаимодействия.
29
Еще одним крупным телекоммуникационным проектом, в реализации
которого с 2004 года принимает участие Министерство, является создание и
развитие государственной системы изготовления, оформления и контроля
паспортно – визовых документов нового поколения (Система). В рамках
создания системы в 2011 проведены работы по оснащению программно –
техническими средствами наиболее значимых объектов первой очереди
системы с интенсивным транспортным и пассажирским потоком. В том
числе для проведения олимпийских игр 2014 года, летней универсиады 2013
года, саммита АТЭС в 2012 году.
Также продолжается работа по внедрению цифровых технологий в
ведомственных сетях радиосвязи. В 2011 году проведены мероприятия по
дооснащению цифровых систем подвижной радиосвязи органов внутренних
дел в Казани, Владивостоке, Ярославле, а также развертыванию цифровых
систем подвижной радиосвязи в Нижнем Новгороде, Самаре, Сочи.
Кроме этого проводятся работы в части, касающейся создания и
развития крупных государственных информационных систем – Система-112
и «ГЛОНАСС», а также аппаратно–программных комплексов «Безопасный
город».
Система-112 предназначена для обеспечения оказания экстренной
помощи населению при угрозах для жизни и здоровья, а также для
уменьшения материального ущерба при несчастных случаях, авариях,
пожарах, нарушениях общественного порядка и при других чрезвычайных
происшествиях и чрезвычайных ситуациях, а также для информационного
обеспечения единых дежурно-диспетчерских служб, дежурно-диспетчерских
служб экстренных оперативных служб.
Использование «ГЛОНАСС» предоставляет принципиально новые
возможности для решения задач в сфере обороны и безопасности, позволяет
контролировать маршруты патрулирования в реальном времени, оперативно
принимать решения по направлению к месту совершения преступления
30
ближайших нарядов, сопровождать перевозки особо опасных и ценных
грузов, а также пассажиров и спецконтингент.
Анализ принимаемых мер по внедрению в охрану общественного
порядка АПК «Безопасный город» свидетельствует о повышении
эффективности управления силами и средствами, координации деятельности
нарядов на территории обслуживания, а также организации мониторинга
обстановки, что положительно влияет на оперативную обстановку в целом по
стране.
Нормативной базой для проведения крупномасштабных работ по
компьютеризации ОВД является Концепция информатизации органов
внутренних дел Российской Федерации и внутренних войск МВД России до
2012 года, которая определяет цели, задачи, принципы и основные
направления в области информатизации органов внутренних дел и
внутренних войск МВД России, учитывает тенденции развития
информационных технологий как в Российской Федерации, так и за рубежом,
особенности и возможности их применения в деятельности МВД России.
Целью Концепции является определение основных направлений
совершенствования информационно-аналитического обеспечения
деятельности органов внутренних дел Российской Федерации и внутренних
войск Министерства внутренних дел Российской Федерации до 2012 года,
повышающих эффективность оперативно-служебной, служебно-боевой и
административно-хозяйственной деятельности на основе применения
современных информационных технологий и систем.
При реализации Концепции используется системный подход к
разработке и эффективному использованию информационных технологий и
систем в интересах подразделений системы Министерства на основе
выработки и реализации единой научно-технической политики. На основе
создаваемых автоматизированных информационных систем и
специализированных территориально-распределенных автоматизированных
систем формируются информационные ресурсы специального назначения,
31
ориентированные на использование в подразделениях органов внутренних
дел по направлениям оперативно-служебной деятельности ОВД.
32
Тема 2. Вычислительные основы информационных технологий
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Информационные процессы и их особенности.
2. Кодирование информации.
3. Логические основы вычислений в компьютерных системах.
1. Информационные процессы и их особенности
Информационные технологии основаны на реализации
информационных процессов, разнообразие которых требует выделения
базовых. К ним можно отнести извлечение, транспортирование, обработку,
хранение, представление и использование информации. На логическом уровне
должны быть построены математические модели, обеспечивающие
параметрическую и критериальную совместимость информационных
процессов в системе информационных технологий.
Извлечение информации – это задача автоматического извлечения
(построения) структурированных данных из неструктурированных или
слабоструктурированных документов.
Извлечение информации является разновидностью информационного
поиска, связанного с обработкой текста на естественном языке. Главная цель
такого преобразования – возможность анализа изначально «хаотичной»
информации с помощью стандартных методов обработки данных. Более
узкой целью может служить, например, задача выявить логические
закономерности в описанных в тексте событиях.
В современных информационных технологиях роль такой процедуры,
как извлечение информации, все больше возрастает – из-за стремительного
увеличения количества неструктурированной информации, в частности, в
Интернете. Эта информация может быть сделана более структурированной
посредством преобразования в реляционную форму. При мониторинге
новостных лент с помощью интеллектуальных агентов как раз и потребуются
методы извлечения информации и преобразования ее в такую форму, с
которой будет удобнее работать позже.
33
Основным физическим способом реализации операции
транспортировки является использование локальных сетей и сетей передачи
данных. При разработке и использовании сетей для обеспечения
совместимости используется ряд стандартов, объединенных в
семиуровневую модель открытых систем, принятую во всем мире и
определяющую правила взаимодействия компонентов сети на данном уровне
(протокол уровня) и правила взаимодействия компонентов различных
уровней (межуровневый интерфейс). Международные стандарты в области
сетевого информационного обмена нашли отражение в эталонной
семиуровневой модели, известной как модель OSI. Большинство
производителей сетевых программно-аппаратных средств стремятся
придерживаться модели OSI. Но в целом добиться полной совместимости
пока не удается.
Обработка информации – получение одних информационных объектов
из других информационных объектов путем выполнения некоторых
алгоритмов и является одной из основных операций, осуществляемых над
информацией, и главным средством увеличения ее объема и разнообразия.
На самом верхнем уровне можно выделить числовую и нечисловую
обработку. При числовой обработке используются такие объекты, как
переменные, векторы, матрицы, многомерные массивы, константы и т.д. При
нечисловой обработке объектами могут быть файлы, записи, поля, иерархии,
сети, отношения и т.д. Другое отличие заключается в том, что при числовой
обработке содержание данных не имеет большого значения, в то время как
при нечисловой обработке нас интересуют непосредственные сведения об
объектах, а не их совокупность в целом.
С точки зрения реализации на основе современных достижений
вычислительной техники выделяют следующие виды обработки
информации:
последовательная обработка, применяемая в традиционной фон-
неймановской архитектуре ЭВМ, располагающей одним процессором;
34
параллельная обработка, применяемая при наличии нескольких
процессоров в ЭВМ;
конвейерная обработка, связанная с использованием в архитектуре
ЭВМ одних и тех же ресурсов для решения разных задач, Причем если эти
задачи тождественны, то это последовательный конвейер, если задачи
одинаковые – векторный конвейер.
Хранение информации – это способ распространения информации в
пространстве и времени. Хранение информации (данных) не является
самостоятельной фазой в информационном процессе, а входит в состав фазы
обработки.
Различают структурированные данные, в которых отражаются
отдельные факты предметной области и неструктурированные, произвольные
по форме, включающие и тексты, и графику, и прочие данные.
Организация того или иного вида хранения данных
(структурированных или неструктурированных) связана с обеспечением
доступа к самим данным. Под доступом понимается возможность выделения
элемента данных (или множества элементов) среди других элементов по
каким-либо признакам с целью выполнения некоторых действий над
элементом. При этом под элементом понимается как запись файла (в случае
структурированных данных), так и сам файл (в случае неструктурированных
данных).
Для данных любого вида доступ осуществляется с помощью
специальных данных, которые называются ключевыми (ключами). Для
структурированных данных такие ключи входят в состав записей файлов в
качестве отдельных полей записей. Для неструктурированных поисковые
слова или выражения входят, как правило, в искомый текст. С помощью
ключей выполняется идентификация требуемых элементов в
информационном массиве (массиве хранения данных).
35
2. Кодирование информации
Представление информации происходит в различных формах в
процессе восприятия окружающей среды живыми организмами и человеком,
в процессах обмена информацией между человеком и человеком, человеком
и компьютером и так далее. Преобразование информации из одной формы
представления (знаковой системы) в другую называется кодированием.
Средством кодирования служит таблица соответствия знаковых систем,
которая устанавливает взаимно однозначное соответствие между знаками
или группами знаков двух различных знаковых систем. В более узком
смысле под термином «кодирование» часто понимают переход от одной
формы представления информации к другой, более удобной для хранения,
передачи или обработки. При вводе знака алфавита в компьютер путем
нажатия соответствующей клавиши на клавиатуре происходит кодирование
знака, то есть преобразование его в компьютерный код. При выводе знака на
экран монитора или принтер происходит обратный процесс – декодирование,
когда из компьютерного кода знак преобразуется в его графическое
изображение.
Само по себе понятие кодирования информации может быть отнесено к
области абстрактных категорий подобно математическим формулам, что
позволяет строить формальные правила кодообразования.
Задачи кодирования информации решались задолго до появления
компьютеров. Коды, как средство тайнописи появились в глубокой
древности. Да и сами древние алфавиты по сути – средства кодирования.
При любых видах работы с информацией всегда идет речь о ее
представлении в виде определенных символьных структур. Наиболее
распространены одномерные представления информации, при которых
сообщения имеют вид последовательностей символов. Так информация
представляется в письменных текстах, при передаче по каналам связи, в
памяти ЭВМ. Однако широко используются и многомерные представления
информации, причем под многомерностью понимают расположение
36
элементов информации на плоскости или в пространстве (в виде рисунков,
схем, графов, объемных макетов и т.д.). Например, информацию могут нести
не только значения букв и цифр, но и их цвет, размер, вид шрифта.
Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную
в числовой форме. Вся другая информация (звуки, изображения, показания
приборов и т. д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в
числовую форму. Например, чтобы перевести в числовую форму
музыкальный звук, можно через небольшие промежутки времени измерять
интенсивность звука на определенных частотах, представляя результаты
каждого измерения в числовой форме. Аналогично на компьютере можно
обрабатывать текстовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква
кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства
(экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся
изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется
кодировкой символов.
Как правило, все числа в компьютере представляются с помощью
нулей и единиц. Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичной
системе счисления, поскольку при этом устройства для их обработки
получаются значительно более простыми.
Любой способ кодирования характеризуется наличием основы
(алфавит, спектр цветности, система координат, основание системы
счисления и т.д.) и правил конструирования информационных образов на
этой основе.
Кодирование числовой информации осуществляется с помощью
системы счисления. Под системой счисления будем понимать совокупность
символов и правил для обозначения чисел. Разделяют системы счисления
позиционные и непозиционные.
В позиционных системах счисления один и тот же числовой знак
(цифра) в записи числа имеет различные значения в зависимости от того
места (разряда), где он расположен. Изобретение позиционной нумерации,
37
основанной на поместном значении цифр, приписывается шумерам и
вавилонянам; развита была такая нумерация индусами и имела неоценимые
последствия в истории человеческой цивилизации. К числу таких систем
относится современная десятичная система счисления, возникновение
которой связано со счетом на пальцах. В средневековой Европе она
появилась через итальянских купцов, в свою очередь заимствовавших ее у
мусульман.
Позиционная система счисления характеризуется основанием и тем,
что числа, как правило, представляются несколькими разрядами (являются
многоразрядными), а вес любого разряда определяется его позицией в числе.
Основание позиционной системы счисления определяет количество
различных цифр (символов), допустимое в системе счисления. Это же число
определяет, во сколько раз вес цифры данного разряда меньше веса цифры
соседнего старшего разряда. Так двоичная система счисления имеет
основание 2, и, следовательно, две разных цифры – 0 и 1; восьмеричная –
восемь разных цифр – 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7; десятичная – десять цифр – 0, 1, 2,
3, 4, 5, 6, 7, 8, 9; шестнадцатеричная – шестнадцать цифр – десять арабских
цифр от 0 до 9 и еще шесть символов – А (цифра десять), В (цифра
одиннадцать), С (цифра двенадцать), D (цифра тринадцать), E (цифра
четырнадцать), F (цифра пятнадцать).
В непозиционных системах счисления величина, которую обозначает
цифра, не зависит от положения в числе. При этом система может
накладывать ограничения на положение цифр, например, чтобы они были
расположены в порядке убывания.
Примером непозиционной системы является римская система
счисления. В ней для записи чисел используются буквы латинского
алфавита. При этом буква I всегда означает единицу, буква - V пять, X -
десять, L - пятьдесят, C - сто, D - пятьсот, M - тысячу и т.д. Например, число
264 записывается в виде CCLXIV. При записи чисел в римской системе
счисления значением числа является алгебраическая сумма цифр, в него
38
входящих. При этом цифры в записи числа следуют, как правило, в порядке
убывания их значений, и не разрешается записывать рядом более трех
одинаковых цифр. В том случае, когда за цифрой с большим значением
следует цифра с меньшим, ее вклад в значение числа в целом является
отрицательным. Недостатком римской системы является отсутствие
формальных правил записи чисел и, соответственно, арифметических
действий с многозначными числами. По причине неудобства и большой
сложности в настоящее время римская система счисления используется там,
где это действительно удобно: в литературе (нумерация глав), в оформлении
документов (серия паспорта, ценных бумаг и др.), в декоративных целях на
циферблате часов и в ряде других случаев.
Для того чтобы лучше понять процесс хранения, обработки и
отображения числовой информация в компьютере, необходимо уметь
переводить числа из произвольной системы счисления в двоичную и
наоборот, т.е. кодировать и декодировать числовую информацию.
Например, пусть необходимо получить двоичный код десятичного
числа 18810 (здесь и в дальнейшем нижний индекс у числа обозначает
основание системы счисления). Процедура получения двоичного кода этого
числа заключается в последовательном делении на 2 этого числа, a затем всех
частных от его деления:
1. Делим число 188 на 2. Остатком является 0. Это будет первая справа
цифра (младший разряд) искомого двоичного числа.
2. Полученное частное 94 снова разделим на 2. Получаем снова остаток
0. Это будет вторая справа цифра искомого двоичного числа, и т.д.,
3. Наконец, предпоследнее частное, равное 1, разделим на 2, получим
остаток 1. На этом процесс деления прекращаем, т.к. получили частное,
равное нулю.
4. Последний остаток, равный 1, будет первой слева цифрой (старшим
разрядом) искомого двоичного числа.
188 2
39
188 94 2
0 94 47 2
0 46 23 2
1 22 11 2
1 10 5 2
1 4 2 2
1 2 1 2
0 0 0
1 (старший разряд)
188 (10) = 10111100 (2)
Рис. 3. Процедура перевода десятичного числа в двоичный код
С целью упрощения процедуры перевода десятичных чисел в двоичные
и для удобства восприятия полученного результата, целесообразнее исходное
десятичное число перевести вначале в число, записанное в системе счисления
с основанием, являющимся степенью числа 2 и наиболее близком к числу 10,
а затем полученное число перевести в двоичное с помощью, очень простой
процедуры. Такими системами счисления являются восьмеричная и
шестнадцатеричная (23<10<24).
Таким образом, десятичное число вначале переводят в восьмеричную
или шестнадцатеричную систему счисления, а затем полученное
восьмеричное или шестнадцатеричное число – в двоичное. Такая процедура
приводит к существенному уменьшению требуемых для кодирования
операций деления.
В общем случае для перевода целых десятичных чисел в любую
другую систему счисления используется метод последовательного деления
исходного числа на основание системы счисления, в которую переводится
число. Полученный остаток после первого деления является младшим
разрядом нового числа. Образовавшееся частное снова делится на это
основание. Из остатка получаем следующий разряд нового числа и т.д. до тех
40
пор, пока частное не станет равным нулю. Последний остаток от деления
будет старшим разрядом искомого числа.
Приведем пример перевода числа 18810 в восьмеричную систему
счисления:
188 8
184 23 8
4 16 2 8
7 0 0
2 Старший разряд
188 (10) = 274 (8)
Рис. 4 Процедура перевода десятичного числа в восьмеричную форму
Перевод целых чисел из любой системы счисления с основанием q в
десятичную осуществляется достаточно просто. Для этого надо записать
исходное число в виде суммы степеней q и произвести указанные действия в
десятичной системе счисления:
an−1 an−2 . ..a1 a0=
¿an−1 qn−1+an−2qn−2+. ..+a1 q1+a0 q0=
¿ ∑i=n−1
0
a i qi
(1)
Так, применяя формулу (1.5) для перевода восьмеричного числа 4038, в
десятичную систему счисления, получим (q=8):
4038=4∙82+0∙81+3∙80=25910,
для перевода шестнадцатеричного числа 14B16 в десятичную систему
получим (q=16):
14B16=1∙162+4∙161+B∙160= 1∙162+4∙161+11∙160=33110,
двоичное число 100010102 запишется в десятичной системе так (q=2):
41
-
100010102=1∙27+0∙26+0∙25+0∙24+1∙23+0∙22+1∙21+0∙20 =13810.
Арифметические операции во всех позиционных системах счисления
выполняются по аналогичным правилам. Поэтому сложение двух чисел,
например, в двоичной системе счисления, можно выполнять столбиком,
начиная с младшего разряда и учитывая перенос единицы в старший разряд
(12+12=102), например:
100101
1001111001100
Вычитание чисел в двоичной системе счисления выполняется также
аналогично десятичной – столбиком, при этом надо занимать один разряд из
следующего старшего разряда, если это необходимо (эта занимаемая единица
в данном случае равна двум единицам данного разряда).
1010001
101000101001
Применение двоичной системы счисления в компьютере позволяет не
только использовать простейшие устройства для представления информации,
но и упростить схемы устройств, в которых выполняются арифметические
операции (арифметические устройства) благодаря простоте правил двоичной
арифметики.
Кодирование текстовой информации. Если каждому символу
алфавита сопоставить определенное целое число (например, порядковый
номер), то с помощью двоичного кода можно кодировать и текстовую
информацию. Восьми двоичных разрядов достаточно для кодирования 256
различных символов. Этого хватит, чтобы выразить различными
комбинациями восьми битов все символы английского и русского языков,
как строчные, так и прописные, а также знаки препинания, символы
основных арифметических действий и некоторые общепринятые
специальные символы.
42
+
Кодирование заключается в том, что каждому символу ставится в
соответствие уникальный десятичный код от 0 до 255 или соответствующий
ему двоичный код от 00000000 до 11111111. Таким образом, человек
различает символы по их начертанию, а компьютер – по их коду.
Важно, что присвоение символу конкретного кода – это вопрос
соглашения, которое фиксируется в кодовой таблице. Кодирование текстовой
информации с помощью байтов опирается на несколько различных
стандартов, но первоосновой для всех стал стандарт ASCII (American Standart
Code for Information Interchange), разработанный в США в Национальном
институте ANSI (American National Standarts Institute). В системе ASCII
закреплены две таблицы кодирования – базовая и расширенная. Базовая
таблица закрепляет значения кодов от 0 до 127, а расширенная относится к
символам с номерами от 128 до 255.
Первые 33 кода (с 0 до 32) соответствуют не символам, а операциям
(перевод строки, ввод пробела и т. д.).
Коды с 33 по 127 являются интернациональными и соответствуют
символам латинского алфавита, цифрам, знакам арифметических операций и
знакам препинания.
Коды с 128 по 255 являются национальными, т.е. в национальных
кодировках одному и тому же коду соответствуют различные символы. В
настоящее время существует много различных кодовых таблиц для русских
букв (КОИ-8, СР1251, СР866, Mac, ISO), поэтому тексты, созданные в одной
кодировке, могут не правильно отображаться в другой.
Кодирование изображений и звука. Информация, в том числе
графическая и звуковая, может быть представлена в аналоговой или
дискретной форме. При аналоговом представлении физическая величина
принимает бесконечное множество значений, причем ее значения
изменяются непрерывно. При дискретном представлении физическая
величина принимает конечное множество значений, причем ее величина
изменяется скачкообразно. Примером аналогового представления
43
графической информации может служить, скажем, живописное полотно, цвет
которого изменяется непрерывно, а дискретного – изображение,
напечатанное с помощью струйного принтера и состоящее из отдельных
точек разного цвета. Примером аналогового хранения звуковой информации
является виниловая пластинка (звуковая дорожка изменяет свою форму
непрерывно), а дискретного – аудиокомпакт-диск (звуковая дорожка
которого содержит участки с различной отражающей способностью).
Графическая и звуковая информация из аналоговой формы в дискретную
преобразуется путем дискретизации, т.е. разбиения непрерывного
графического изображения и непрерывного (аналогового) звукового сигнала
на отдельные элементы. В процессе дискретизации производится
кодирование, т.е. присвоение каждому элементу конкретного значения в
форме кода.
Дискретизация – это преобразование непрерывных изображений и
звука в набор дискретных значений, каждому из которых присваивается
значение его кода.
3. Логические основы вычислений в компьютерных системах
Логика – это наука, изучающая формы и законы мышления,
закономерности мыслительного процесса.
Логика изучает мышление как средство познания объективного мира.
Законы логики отражают в сознании человека свойства, связи и отношения
объектов окружающего мира.
Формальная логика связана с анализом наших обычных
содержательных умозаключений, выражаемых разговорным языком.
Математическая логика изучает только умозаключения со строго
определенными объектами и суждениями, для которых можно однозначно
решить, истинны они или ложны.
Идеи и аппарат логики используется в кибернетике, вычислительной
технике и электротехнике. Построение компьютеров также основано на
законах математической логики.
44
В основе логических схем и устройств персонального компьютера
лежит специальный математический аппарат, использующий законы логики.
Математическая логика изучает вопросы применения математических
методов для решения логических задач и построения логических схем.
Знание логики необходимо при разработке алгоритмов и программ, так как в
большинстве языков программирования есть логические операции.
Рассмотрим основные положения алгебры логики.
Алгебра логики – раздел математической логики, в котором изучаются
логические операции над высказываниями. Высказыванием называется
всякое утверждение, про которое всегда определенно и объективно можно
сказать, является ли оно истинным или ложным. Высказывания могут быть
простыми и сложными. Высказывание считается простым, если никакую его
часть нельзя рассматривать как отдельное высказывание. Высказывание,
которое можно разложить на части, будем называть сложным.
Алгебру логику называют также алгеброй Буля или булевой алгеброй,
по имени английского математика Джорджа Буля, разработавшего в XIX веке
ее основные положения. В булевой алгебре высказывания принято
обозначать прописными буквами латинского алфавита. В алгебре Буля
введены три основные логические операции с высказываниями: сложение,
умножение, отрицание. Определены аксиомы (законы) алгебры логики для
выполнения этих операций. Действия, которые производятся над
высказываниями, записываются в виде логических выражений.
В качестве основных логических операций в сложных логических
выражениях используются следующие:
• НЕ (логическое отрицание, инверсия);
• ИЛИ (логическое сложение, дизъюнкция);
• И (логическое умножение, конъюнкция).
Логическое отрицание является одноместной операцией, так как в ней
участвует одно высказывание. Логическое сложение и умножение –
двуместные операции, в них участвует два высказывания. Существуют и
45
другие операции, например операции следования и эквивалентности, правило
работы которых можно получить на основании основных операций.
Все операции алгебры логики определяются таблицами истинности
значений. Таблица истинности определяет результат выполнения операции
для всех возможных логических значений исходных высказываний.
Количество вариантов, отражающих результат применения операций, будет
зависеть от количества высказываний в логическом выражении:
таблица истинности одноместной логической операции состоит из
двух строк: два различных значения аргумента – «истина» (1) и «ложь» (0) и
два соответствующих им значения функции;
в таблице истинности двуместной логической операции – четыре
строки: 4 различных сочетания значений аргументов – 00, 01, 10 и 11 и 4
соответствующих им значения функции;
если число высказываний в логическом выражении N, то таблица
истинности будет содержать 2N строк, так как существует 2N различных
комбинаций возможных значений аргументов.
Логическая операция «Инверсия» (отрицание; логическое «не»).
Высказывание Ā (Ø A) называется отрицанием высказывания А, если оно
истинно, когда А ложно, и ложно, когда А истинно.
Таблица истинности
А Ā
1 0
0 1
Логическая операция «Дизъюнкция» (логическое «или»). Дизъюнкция
АÚВ (A+B) – сложное высказывание, которое ложно тогда и только тогда,
когда оба высказывания А и В одновременно ложны.
Таблица истинности
А В AÚB
1 1 1
46
1 0 1
0 1 1
0 0 0
Логическая операция «Конъюнкция» (логическое «и»). Конъюнкция АÙВ
(A&B) – сложное высказывание, которое истинно тогда и только тогда, когда
оба высказывания А и В одновременно истинны.
Таблица истинности
А В AÙB
1 1 1
1 0 0
0 1 0
0 0 0
Логическая операция «Импликация». Импликация высказываний А и В
(А®В) – сложное высказывание, которое истинно всегда, кроме случая когда
А – истинно, а В – ложно.
Таблица истинности
А В A→B
1 1 1
1 0 0
0 1 1
0 0 1
Логическая операция «Эквивалентность» (двойная импликация).
Эквивалентность высказываний А и В (А«В) – сложное высказывание,
которое истинно, когда А и В одновременно либо истинны либо ложны и
ложно во всех других случаях.
Таблица истинности
А В A→B
1 1 1
47
1 0 0
0 1 0
0 0 1
Логические элементы. Логические элементы – устройства,
предназначенные для обработки информации в цифровой форме
(последовательности сигналов высокого – «1» и низкого – «0» уровней в
двоичной логике, последовательность «0», «1» и «2» в троичной логике,
последовательности «0», «1», «2», «3», «4», «5», «6», «7», «8» и «9» в
десятичной логике). Физически логические элементы могут быть выполнены
механическими, электромеханическими (на электромагнитных реле),
электронными (на диодах и транзисторах), пневматическими,
гидравлическими, оптическими и др.
С развитием электротехники от механических логических элементов
перешли к электромеханическим логическим элементам (на
электромагнитных реле), а затем к электронным логическим элементам на
электронных лампах, позже – на транзисторах. После доказательства в
1946 г. теоремы Джона фон Неймана об экономичности показательных
позиционных систем счисления стало известно о преимуществах двоичной и
троичной систем счисления по сравнению с десятичной системой счисления.
От десятичных логических элементов перешли к двоичным логическим
элементам. Двоичность и троичность позволяет значительно сократить
количество операций и элементов, выполняющих эту обработку, по
сравнению с десятичными логическими элементами. Рассмотрим логические
элементы.
Логический элемент НЕ (инвертор). Простейшим логическим
элементом является инвертор, выполняющий функцию отрицания
(инверсию). У этого элемента один вход и один выход. На функциональных
схемах он обозначается:
48
Если на вход поступает сигнал, соответствующий 1, то на выходе будет
0. И наоборот.
входвход выходвыход
11 00
00 11
Логический элемент ИЛИ (дизъюнктор). Логический элемент,
выполняющий логическое сложение, называется дизъюнктор. Он имеет, как
минимум, два входа. На функциональных схемах он обозначается:
Если хотя бы на один вход поступает сигнал 1, то на выходе будет
сигнал 1.
вход 1вход 2 выход
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
Логический элемент И (конъюнктор). Логический элемент,
выполняющий логическое умножение, называется конъюнктор. Он имеет,
как минимум, два входа. На функциональных схемах он обозначается:
49
На выходе этого элемента будет сигнал 1 только в том случае, когда на
все входы поступает сигнал 1. Когда хотя бы на одном входе будет ноль, на
выходе также будет ноль.
вход
1
вход
2
выход
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Другие логические элементы построены из трех рассмотренных нами
базовых элементов и выполняют более сложные логические преобразования
информации. Рассмотрим примеры таких элементов.
Логический элемент И-НЕ. Логический элемент И-НЕ выполняет
логическую функцию штрих Шеффера (И-НЕ). Имеет, как минимум, два
входа. На функциональных схемах обозначается:
вход 1 вход 2 выход
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Логический элемент ИЛИ-НЕ. Логический элемент ИЛИ-НЕ
выполняет логическую функцию стрелка Пирса (И-НЕ). Имеет, как
минимум, два входа. На функциональных схемах обозначается:
50
вход 1 вход 2 выход
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
Сигнал, выработанный одним логическим элементом, можно подавать
на вход другого элемента, это дает возможность образовывать цепочки из
отдельных логических элементов – функциональные схемы. Рассмотрим
пример.
Задача 1. Записать логическую формулу для следующей
функциональной схемы:
1. Инверсия ¬А: .
2. Логическое умножение значений ¬А и В: .
3. Инверсия : .
Таким образом, структурной формулой данной функциональной схемы
является формула:
.
Задача 2. Составить таблицу истинности для логической схемы:
Рассмотрим первый вариант входных сигналов: А=0, В=0. Проследим
по схеме, как проходят и преобразуются входные сигналы.
51
Рассмотрим второй вариант входных сигналов: А=0, В=1. Проследим
по схеме, как проходят и преобразуются входные сигналы.
Рассмотрим третий вариант входных сигналов: А=1, В=0. Проследим
по схеме, как проходят и преобразуются входные сигналы.
В результате получаем таблицу истинности данной логической схемы:
А
(вход 1)
В
(вход 2)
С
(выход)
0 0 1
0 1 0
1 0 1
1 1 1
Обработка любой информации на компьютере сводится к выполнению
процессором различных арифметических и логических операций. Для этого в
состав процессора входит арифметико-логическое устройство (АЛУ). Оно
состоит из ряда устройств, построенных на рассмотренных выше логических
элементах. Важнейшими из таких устройств являются триггеры,
полусумматоры, сумматоры, шифраторы, дешифраторы, счетчики, регистры.
52
Алгоритм конструирования логического устройства выглядит
следующим образом:
1. Построение таблицы истинности по заданным условиям работы
проектируемого узла (т.е. по соответствию его входных и выходных
сигналов).
2. Конструирование логической функции данного узла по таблице
истинности, ее преобразование (упрощение), если это возможно и
необходимо.
3. Составление функциональной схемы проектируемого узла по
формуле логической функции.
Триггер (от английского слова trigger – защелка, спусковой крючок) –
это электронное устройство, которое может находиться в одном из двух
устойчивых состояний (1 или 0). Это означает, что триггер может хранить
1 бит информации.
Воздействуя на входы триггера, его переводят в одно из двух
возможных состояний (0 или 1). С поступлением сигналов на входы триггера
в зависимости от его состояния либо происходит переключение, либо
исходное состояние сохраняется. При отсутствии входных сигналов триггер
сохраняет свое состояние сколь угодно долго.
Полусумматор – логическая схема, имеющая два входа и два выхода
(двухразрядный сумматор, бинарный сумматор). Полусумматор используется
для построения двоичных сумматоров. Сумматор – это электронная
логическая схема, выполняющая суммирование двоичных чисел
поразрядным сложением. Сумматор является центральным узлом
арифметико-логического устройства процессора. Находит он применение и в
других устройствах компьютера. Сумматор выполняет сложение
многозначных двоичных чисел. Он представляет собой последовательное
соединение одноразрядных двоичных сумматоров, каждый из которых
осуществляет сложение в одном разряде. Если при этом возникает
53
переполнение разряда, то перенос суммируется с содержимым старшего
соседнего разряда.
Шифратор (кодер) – это логическое устройство, которое преобразует
единичный сигнал на одном из входов в n-разрядный двоичный код.
Наибольшее применение он находит в устройствах ввода информации для
преобразования десятичных чисел в двоичную систему счисления.
Дешифратор (декодер) – это логическое устройство, преобразующее
двоичный код, поступающий на его входы, в сигнал только на одном из его
выходов. Дешифраторы широко применяются в устройствах управления, в
системах цифровой индикации с газоразрядными индикаторами, для
построения распределителей импульсов по различным цепям и т.д. Схема
используется для перевода двоичных цифр в десятичные.
Функциональная схема компьютера, состоящая из триггеров,
предназначенная для запоминания многоразрядных кодов и выполнения над
ними некоторых логических преобразований называется регистром.
Упрощенно регистр можно представить как совокупность ячеек, в
каждой из которых может быть записано одно из двух значений: 0 или 1, то
есть один разряд двоичного числа.
С помощью регистров можно выполнять следующие операции:
установку, сдвиг, преобразование. Основными типами регистров являются
параллельные и последовательные (сдвигающие).
Совокупность регистров, используемых ЭВМ для запоминания
программы работы, исходных и промежуточных результатов называется
оперативной памятью.
Регистры содержатся в различных вычислительных узлах компьютера
– процессоре, периферийных устройствах и т.д.
Таким образом, регистр – это устройство, предназначенное для
хранения многоразрядного двоичного числового кода, которым можно
представлять и адрес, и команду, и данные.
54
Существует несколько типов регистров, отличающихся видом
выполняемых операций.
Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:
сдвиговый регистр – предназначен для выполнения операции сдвига;
счетчики – схемы, способные считать поступающие на вход импульсы.
К ним относятся Т-триггеры (название от англ. tumble – опрокидываться).
Этот триггер имеет один счетный вход и два выхода. Под действием
сигналов триггер меняет свое состояние с нулевого на единичное и наоборот.
Число перебрасываний соответствует числу поступивших сигналов;
счетчик команд – регистр устройства управления процессора (УУ),
содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой
команды; служит для автоматической выборки программы из
последовательных ячеек памяти;
регистр команд – регистр УУ для хранения кода команды на период
времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется
для хранения кода операции, остальные – для хранения кодов адресов
операндов.
Тема 3. Технические аспекты реализации информационных технологий
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:1. Эволюция и тенденции развития технического обеспечения компьютерных систем.
2. Внешние устройства персонального компьютера.
2.1 Системный блок.
2.2 Монитор.
2.3 Клавиатура.
2.4 Компьютерная мышь.
3. Внутренние устройства персонального компьютера.
3.1 Системная плата.
3.2 Компьютерная шина.
3.3 Процессор.
3.4 Внутренняя память.
55
3.5 Видеокарта.
3.6 Жесткий диск.
3.7 Оптические приводы.
1. Эволюция и тенденции развития технического обеспечения
компьютерных систем
Анализируя раннюю историю вычислительной техники, некоторые
зарубежные исследователи нередко в качестве древнего предшественника
компьютера называют механическое счетное устройство абак.
Древнегреческий абак представлял собой посыпанную морским песком
дощечку. На песке проводились бороздки, на которых камешками
обозначались числа. Римляне усовершенствовали абак (рис. 1), перейдя от
деревянных досок, песка и камешков к мраморным доскам с выточенными
желобками и мраморными шариками.
Абак или в дальнейшем счеты сохранились до эпохи Возрождения, а в
видоизмененном виде, сначала как «дощатый счет» и как русские счеты – до
наших дней. Абак удобно использовать для выполнения операций сложения
и вычитания, умножение и деление выполнять при помощи абака гораздо
сложнее.
Подход «от абака» свидетельствует о глубоком методическом
заблуждении, поскольку абак не обладает свойством автоматического
выполнения вычислений, а для компьютера оно определяющее.
В то же время хорошо знаком другой прибор, способный
автоматически выполнять вычисления – часы. Независимо от принципа
действия, все виды часов (песочные, водяные, механические, электрические,
электронные и др.) обладают способностью генерировать через равные
промежутки времени перемещения или сигналы и регистрировать
возникающие при этом изменения, то есть выполнять автоматическое
суммирование сигналов или перемещений.
56
В основе любого современного компьютера, как и в электронных часах,
лежит тактовый генератор, вырабатывающий через равные интервалы
времени электрические сигналы, которые используются для приведения в
действие всех устройств компьютерной системы. Управление компьютером
фактически сводится к управлению распределением сигналов между
устройствами. Такое управление может производиться автоматически (в этом
случае говорят о программном управлении) или вручную с помощью
внешних органов управления – кнопок, переключателей, перемычек и т.п. (в
ранних моделях). В современных компьютерах внешнее управление в
значительной степени автоматизировано с помощью специальных аппаратно-
логических интерфейсов, к которым подключаются устройства управления и
ввода данных (клавиатура, мышь, джойстик и другие). В отличие от
программного управления такое управление называют интерактивным.
Революцию в области механизации умножения и деления, и
соответственно в области ИТ обработки информации, совершил
шотландский математик Джон Непер. В 1617 году Джон Непер создал
деревянную машину для умножения с использованием логарифмов (рис. 2).
Особенно интересно изобретение Непером счетной доски для
умножения, деления, возведения в квадрат, извлечения квадратного корня в
двоичной системе счисления. В 1622 году, используя принцип действия этого
устройства, Вильям Оугтред разработал логарифмическую линейку, которая
в 19-20 веках стала основным инструментом инженеров.
Первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции
сложения было создано на базе механических часов. В 1623 году его
разработал Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в
университете Тьюбингена (Германия). Причиной, побудившей Шиккарда
разработать счетную машину для суммирования и умножения
шестиразрядных десятичных чисел, было его знакомство с польским
астрономом И. Кеплером. Ознакомившись с работой великого астронома,
57
связанной в основном с вычислениями, Шиккард загорелся идеей оказать ему
помощь в нелегком труде. В письме на его имя, отправленном в 1623 г., он
приводит рисунок машины (рис. 3) и рассказывает, что она устроена на базе
шестиразрядного десятичного вычислителя, состоявшего также из зубчатых
колес, рассчитанного на выполнение сложения, вычитания, а также
табличного умножения и деления.
В наши дни рабочая модель устройства была воспроизведена по
чертежам и подтвердила свою работоспособность. Сам изобретатель в
письмах называл машину «суммирующими часами».
В 1642 году французский механик Блез Паскаль (1623-1662) разработал
более компактное суммирующее устройство (рис. 4), которое стало первым в
мире механическим калькулятором, выпускавшимся серийно (главным
образом для нужд парижских ростовщиков и менял).
В 1673 г. другой великий европеец, немецкий ученый Вильгельм
Готфрид Лейбниц (1646-1716), создает счетную машину для сложения и
умножения двенадцатиразрядных десятичных чисел (рис. 5). К зубчатым
колесам он добавил ступенчатый валик, позволяющий осуществлять
умножение и деление.
Первый коммерческий механический калькулятор был создан
Чарльзом Томасом – в 1820 году. Она выполняла операции сложения,
вычитания, умножения и деления.
На протяжении XVIII века, известного как эпоха Просвещения,
появились новые, более совершенные модели, но принцип механического
управления вычислительными операциями оставался тем же. Идея
программирования вычислительных операций пришла из той же часовой
промышленности. Старинные монастырские башенные часы были настроены
58
так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой
колоколов. Такое программирование было жестким – одна и та же операция
выполнялась в одно и то же время. Идея гибкого программирования
механических устройств с помощью перфорированной бумажной ленты
впервые была реализована в 1804 году в ткацком станке Жаккарда, после
чего оставался только один шаг до программного управления
вычислительными операциями.
Этот шаг был сделан выдающимся английским математиками
изобретателем Чарльзом Бэббиджем (1792-1871).
Именно профессора математики Кембриджского университета Чарльза
Бэббиджа считают первым ученым предложившим использовать принцип
программного управления для автоматического выполнения арифметических
вычислений. Разочарованный большим количеством ошибок в вычислениях
Королевского Астрономического Общества, Бэббидж пришел к мысли о
необходимости автоматизации вычислений. Первая попытка реализации
такой машины была предпринята Бэббиджем в 1822 г., когда он создал
машину, предназначенную для решения дифференциальных уравнений,
названную “разностной машиной”.
Работа модели основывалась на принципе, известном в математике как
«метод конечных разностей». Аналитическая машина (так назвал ее
Бэббидж) (рис.7) явилась механическим прототипом появившихся спустя
столетие ЭВМ. В ней предполагалось иметь те же, что и в ЭВМ, пять
основных устройств: арифметическое, памяти, управления, ввода, вывода.
Для арифметического устройства Ч. Бэббидж использовал зубчатые колеса,
подобные тем, что использовались ранее. На них же Ч. Бэббидж намеревался
построить устройство памяти из 1000 50-разрядных регистров (по 50 колес в
каждом). Программа выполнения вычислений записывалась на перфокартах
(пробивками), на них же записывались исходные данные и результаты
вычислений. В число операций, помимо четырех арифметических, была
включена операция условного перехода и операции с кодами команд.
59
Автоматическое выполнение программы вычислений обеспечивалось
устройством управления. Время сложения двух 50-разрядных десятичных
чисел составляло, по расчетам ученого, 1 с., умножения – 1 мин. Движение
механических частей машины должен был осуществлять паровой двигатель.
Большая, как локомотив, машина должна была автоматически выполнять
вычисления и печатать результаты. Программы вычислений на машине
Беббиджа, составленные дочерью Байрона Адой Августой Лавлейс (1815-
1852), поразительно схожи с программами, составленными впоследствии для
первых ЭВМ. Не случайно именем этой замечательной женщины назвали
одну из первых систем программирования. Большая разностная машина так и
не была построена до конца. В 1871 году Бэббидж изготовил опытный
образец арифметического устройства («завода») аналитической машины и
принтера. Технические трудности, с которыми пришлось встретиться при
реализации, не позволили осуществить проект, поэтому Бэббидж не
опубликовал проект полностью, а ограничился описанием его в своих
лекциях, чертежах и рисунках.
Первым электронным компьютером (рис.8) можно назвать систему,
созданную в 1942 году Джоном В. Атанасовым в колледже штата Айова. Эта
машина была специализированной и предназначалась для решения задач
математической физики.
В ходе разработок Атанасов создал и запатентовал первые электронные
устройства, которые впоследствии применялись довольно широко в первых
компьютерах. Атанасов сформулировал, а в 1939 году опубликовал
окончательный вариант своей концепции современной вычислительной
машины.
Для военных целей требовались более совершенные вычислительные
системы. В 1943 г американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на
основе техники XX в – электромеханических реле – смог построить на одном
60
из предприятий фирмы IBM такую машину под названием “Марк-1” (рис. 9).
«Марк-1» имел в длину 15 метров и в высоту 2,5 метра, содержал 800 тысяч
деталей, располагал 60 регистрами для констант, 72 запоминающими
регистрами для сложения, центральным блоком умножения и деления, мог
вычислять элементарные трансцендентные функции.
Еще раньше идеи Бэббиджа были переоткрыты немецким инженером
Конрадом Цузе, который в 1941 г. построил аналогичную машину. К этому
времени потребность в автоматизации вычислений (в том числе для военных
нужд – баллистики, криптографии и т.д.) стала настолько велика, что над
созданием машин типа построенных Эйкеном и Цузе одновременно работало
несколько групп исследователей. Начиная с 1943 г., группа специалистов под
руководством Джона Моучли и Преспера Экерта в США начала
конструировать подобную машину уже на основе электронных ламп, а не
реле. Их машина, названная ENIAC, работала в тысячу раз быстрее, чем
Марк-1. ENIAC содержал 18 тысяч вакуумных ламп, занимал площадь 9x15
метров, весил 30 тонн и потреблял мощность 150 киловатт. ENIAC имел и
существенный недостаток – управление им осуществлялось с помощью
коммутационной панели, у него отсутствовала память, и для того чтобы
задать программу приходилось в течение нескольких часов или даже дней
подсоединять нужным образом провода. Худшим из всех недостатков была
ужасающая ненадежность компьютера, так как за день работы успевало
выйти из строя около десятка вакуумных ламп. Чтобы упростить процесс
задания программ, Моучли и Экерт стали конструировав новую машину,
которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945 г к работе был
привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил
доклад об этой машине. Доклад был разослан многим ученым и получил
широкую известность, поскольку в нем фон Нейман ясно и просто
сформулировал общие принципы функционирования универсальных
вычислительных устройств.
61
1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа
состоит из набора команд, которые выполняются процессором
автоматически друг за другом в определенной последовательности.
Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика
команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в
нем адрес очередной команды на длину команды.
Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то
тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно
расположенных ячеек памяти.
Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а
к какой-либо другой, используются команды условного или безусловного
переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти,
содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается
после достижения и выполнения команды “стоп”.
Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без
вмешательства человека.
2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в
одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в
данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно
выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд
возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также
может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе
правила получения некоторых ее частей. Более того, команды одной
программы могут быть получены как результаты исполнения другой
программы.
3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из
перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени
доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям
памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было
62
впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с
использованием присвоенных имен.
ENIAC стал первым представителем 1-го поколения компьютеров.
Любая классификация условна, но большинство специалистов согласилось с
тем, что различать поколения следует исходя из той элементной базы, на
основе которой строятся машины. Таким образом, первое поколение
представлено ламповыми машинами.
В 1946 г. фон Нейман начинает разработку новой машины, и в 1949 г.
была построена электронная машина по обработке дискретных переменных
«EDVAC» (рис. 10), которая впоследствии была признана первым
компьютером.
Машина на электронных лампах работала значительно быстрее, чем на
электромеханических реле, но сами электронные лампы были ненадежны.
Они часто выходили из строя. Для их замены в 1947 году Джон Бардин,
Уолтер Браттейн и Уильям Шокли предложили использовать изобретенные
ими переключающие полупроводниковые элементы – транзисторы.
Совершенствование первых образцов вычислительных машин привело
в 1951 году к созданию компьютера UNIVAC (рис. 11), предназначенного
для коммерческого использования. Он стал первым серийно выпускаемым
компьютером.
В 1950-х годах было создано второе поколение компьютеров,
выполненных на транзисторах. В результате быстродействие машин возросло
в 10 раз, а размеры и вес значительно уменьшились. Стали применять
запоминающие устройства на магнитных ферритовых сердечниках,
способные хранить информацию неограниченное время даже при
отключении компьютеров. Их разработал Джой Форрестер в 1951-1953
годах. Большие объемы информации хранились на внешнем носителе,
например на магнитной ленте или на магнитном барабане.
63
Рейнольд Б. Джонсон, сотрудник IBM, разработал устройство IBM 305
RAMAC (контрольно-считывающее устройство по методу случайного
доступа) (рис. 12).
Устройство состояло из 50 вращающихся магнитных дисков диаметром
60 см, которые были расположены один над другим. Механизм считывания и
записи перемещался между дисками, обеспечивая более быстрый доступ к
данным, чем магнитная лента. После того как возможности устройства были
продемонстрированы на Всемирной ярмарке в Брюсселе в 1958-м, от
носителей на магнитных лентах отказались.
В 1959 году Д. Килби, Д. Херни, К. Леховец и Р. Нойс изобрели
интегральные микросхемы (чипы), ставшие элементной базой ЭВМ третьего
поколения, в которых все электронные компоненты вместе с проводниками
помещались внутри кремниевой пластинки. Применение чипов в
компьютерах позволило сократить пути прохождения тока при
переключениях. Скорость вычислений при этом увеличилась в десятки раз.
Существенно уменьшились и габариты машин. Появление чипа позволило
создать третье поколение компьютеров. И в 1964 году фирма IBM начинает
выпуск компьютеров IBM-360 (рис. 13) на интегральных микросхемах.
Начало 70-х годов знаменует переход к компьютерам четвертого
поколения – на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Другим
признаком ЭВМ нового поколения являются резкие изменения в
архитектуре.
Техника четвертого поколения породила качественно новый элемент
ЭВМ – микропроцессор или чип. В 1971 году пришли к идее ограничить
возможности процессора, заложив в него небольшой набор операций,
микропрограммы которых должны быть заранее введены в постоянную
память. Оценки показали, что применение постоянного запоминающего
устройства в 16 килобит позволит исключить 100-200 обычных интегральных
64
схем. Так возникла идея микропроцессора, который можно реализовать даже
на одном кристалле, а программу в его память записать навсегда.
В 1965 году Дуглас Энгелбарт создал первую «мышь» (рис. 14) –
компьютерный ручной манипулятор. Впервые она была применена в
персональном компьютере Apple фирмы Macintosh, выпущенном позднее, в
1976 году.
В 1967 году компания IBM начала производить дискету для
компьютера, изобретенную Йосиро Накамацу – съемный гибкий магнитный
диск («флоппи-диск») для постоянного хранения информации.
Первоначально дискета была гибкой, имела диаметр 8 дюймов и емкость 80
Кбайт, затем – 5 дюймов. Современная дискета емкостью 1,44 Мбайта,
впервые выпущенная фирмой Sony в 1982 году, заключена в жесткий
пластмассовый корпус и имеет диаметр 3,5 дюйма.
В 1969 году в США началось создание оборонной компьютерной сети –
прародителя современной всемирной сети Internet.
В 1970-е годы были разработаны матричные принтеры,
предназначенные для распечатки информации на выходе из компьютеров.
К середине 70-х годов положение на компьютерном рынке резко и
непредвиденно стало изменяться. Четко выделились две концепции развития
ЭВМ. Воплощением первой концепции стали суперкомпьютеры, а второй –
персональные ЭВМ. Из больших компьютеров четвертого поколения на
сверхбольших интегральных схемах особенно выделялись американские
машины «Крей-1» (рис. 15) и «Крей-2» (рис. 16), а также советские модели
«Эльбрус-1» (рис. 17) и «Эльбрус-2» (рис. 18). Первые их образцы появились
примерно в одно и то же время – в 1976 году. Все они относятся к категории
суперкомпьютеров, так как имеют предельно достижимые для своего
времени характеристики и очень высокую стоимость.
65
Величиной, используемой для измерения производительности
компьютеров, показывающей, какое количество операций с плавающей
запятой в секунду выполняет данная вычислительная система является флопс
(акроним от англ. Floating point Operations Per Second). Как и большинство
других показателей производительности, данная величина определяется
путем запуска на испытуемом компьютере тестовой программы, которая
решает задачу с известным количеством операций и подсчитывает время, за
которое она была решена. Одним из важнейших достоинств показателя
флопс является то, что он до некоторых пределов может быть
интерпретирован как абсолютная величина и вычислен теоретически, в то
время как большинство других популярных мер являются относительными и
позволяют оценить испытуемую систему лишь в сравнении с рядом других.
Эта особенность дает возможность использовать для оценки результаты
работы различных алгоритмов, а также оценить производительность
вычислительных систем, которые еще не существуют или находятся в
разработке. Следующие по возрастанию единицы измерения: килофлопсы,
мегафлопсы, гигафлопсы, терафлопсы, петафлопсы. Терафлопс (TFLOPS,
Тфлопс) – величина, используемая для измерения производительности
суперкомпьютеров. 1 терафлопс = 1 триллион операций в секунду = 1000
миллиардов операций в секунду.
Примеры: компьютер ЭНИАК, построенный в 1946 году, при массе 27
т и энергопотреблении 150 кВт, обеспечивал производительность в 300
флопс. БЭСМ-6 (1968) – 1 Мфлопс, Cray-1 (1974) – 160 Мфлопс, Эльбрус-2
(1984) – 125 Мфлопс, Cray Y-MP (1988) – 2,3 Гфлопс, суперкомпьютер
СКИФ МГУ (2008) – 60 Тфлопс, суперкомпьютер Blue Gene/L (2006) – 478,2
Тфлопс, суперкомпьютер IBM Roadrunner (2008) – 1,105 Пфлопс,
суперкомпьютер Jaguar (2008) – 1,64 Пфлопс.
В 1971 году сотрудник компании Intel Эдвард Хофф создал первый
микропроцессор 4004 (рис. 19), разместив несколько интегральных
микросхем на одном кремниевом кристалле. Хотя первоначально он
66
предназначался для использования в калькуляторах, по существу он
представлял собой законченный микрокомпьютер. Это революционное
изобретение кардинально перевернуло представление о компьютерах как о
громоздких, тяжеловесных монстрах. Микропроцессор дал возможность
создать компьютеры четвертого поколения, которые помещались на
письменном столе пользователя.
19 апреля 1965 года, в журнале Electronics вышла знаменитая статья
Гордона Мура «Переполнение числа элементов на интегральных схемах», в
которой будущий сооснователь корпорации Intel дал прогноз развития
микроэлектроники на ближайшие десять лет, предсказав, что количество
элементов на кристаллах электронных микросхем будет и далее удваиваться
каждый год.
Вскоре после выхода статьи эта эмпирически подмеченная
закономерность получила название закона Мура (рис. 20) и стала, пожалуй,
самым знаменитым законом в компьютерной области и полупроводниковой
индустрии, задав некий фундаментальный вектор развития технологии. И
хотя закон Мура не принадлежит к числу «научных» – физических или
математических – законов, на базе которых строятся современные
представления о природе и протекающих в ней процессах, а является просто
метко подмеченным эмпирическим правилом, отражающим
экспоненциальный характер развития одной из многочисленных тенденций в
современном человеческом обществе, он оказался очень удобным для
описания определенных вещей и весьма полезным для прогнозирования
деятельности компаний в этой области.
Закон Мура стал синонимом технологической эволюции. «Закон Мура
– основной лейтмотив нашей деятельности в области конвергенции
вычислительных и коммуникационных возможностей, – заявил глава
корпорации Intel Крейг Барретт на открытии одного из форумов Intel для
разработчиков. – Приверженность корпорации Intel закону Мура позволяет
67
нам создавать интегрированные платформы, которые предоставляют
широкий диапазон возможностей для отдельных людей и организаций,
использующих эти технологии».
В середине 1970-х годов начинают предприниматься попытки создания
персонального компьютера (ПК) – вычислительной машины,
предназначенной для частного пользователя.
В 1974 году Эдвард Робертс создал первый персональный компьютер
"Altair" (рис. 21) на основе микропроцессора 8080 фирмы "Intel" (рис. 22).
В 1975 году о создании ПК Altair узнали два студента Гарвардского
университета Билл Гейтс и Пол Аллен. Они первыми поняли насущную
необходимость написания программного обеспечения для персональных
компьютеров и в течение месяца создали его для ПК Altair на основе языка
Бейсик. В том же году они основали компанию Microsoft, быстро
завоевавшую лидерство в создании программного обеспечения для
персональных компьютеров и ставшую богатейшей компанией во всем мире.
Первые микрокомпьютеры Altair-8800 представляли собой только
набор деталей, которые нужно было еще собирать. Кроме того, пользоваться
ими было крайне неудобно: они не имели ни монитора, ни клавиатуры, ни
мыши. Ввод информации в них осуществлялся с помощью переключателей
на передней панели, а результаты отображались с помощью светодиодных
индикаторов. Позднее стали выводить результаты с помощью телетайпа –
телеграфного аппарата с клавиатурой.
Следующий персональный компьютер был создан в буквальном
смысле в гараже двумя молодыми американцами С. Возняком и С. Джобсом
в 1976 г. Он получил название Apple-1 (рис. 23). 1 апреля 1976 года они
основали компанию Apple, и в январе 1977 года официально
зарегистрировали ее.
Весной 1977 г. Возняком и Джобсом был изготовлен относительно
дешевый и вместе с тем вполне законченный персональный компьютер
68
Apple-II (рис. 24). Основное достоинство Apple II заключалось в
возможности расширения его оперативной памяти до 48 Кбайт и
использования 8 разъемов для подключения дополнительных устройств.
Благодаря использованию цветной графики его можно было использовать
для самых различных игр. Благодаря своим возможностям Apple II завоевал
популярность среди людей самых различных профессий. От его
пользователей не требовалось знания электроники и языков
программирования.
В 1981 году появился персональный компьютер IBM PC (рис. 25),
который вскоре стал стандартом компьютерной индустрии и вытеснил с
рынка почти все конкурирующие модели персональных компьютеров.
Исключение составил только Apple.
В 1984 году был создан Apple Macintosh (рис. 26) – первый компьютер
с графическим интерфейсом, управляемый мышью. Благодаря его
преимуществам фирме Apple удалось удержаться на рынке персональных
компьютеров. Сегодня фирма Apple контролирует 8-10% мирового рынка
персональных компьютеров, остальные 90% – IBM-совместимые
персональные компьютеры. Большая часть компьютеров Macintosh
находится у пользователей в США.
В IBM PC был применен принцип открытой архитектуры, позволивший
вносить усовершенствования и дополнения в существующие конструкции
ПК. Этот принцип означает применение в конструкции при сборке
компьютера готовых блоков и устройств, а также стандартизацию способов
соединения компьютерных устройств.
Принцип открытой архитектуры способствовал широкому
распространению IBM PC-совместимых микрокомпьютеров-клонов. Их
сборкой из готовых блоков и устройств занялось большое число фирм во
69
всем мире. Пользователи, в свою очередь, получили возможность
самостоятельно модернизировать свои микрокомпьютеры и оснащать их
дополнительными устройствами сотен производителей.
В конце 1990-х годов IBM PC-совместимые компьютеры составили
90% рынка персональных компьютеров.
В 1983 году был создан усовершенствованный персональный
компьютер IBM PC/XT (рис. 27).
В 1990-2000 годах, в дополнение к настольным персональным
компьютерам, были выпущены ПК "ноутбук" и еще более миниатюрные
карманные "палмтоп" (наладонники) – как следует из их названия,
помещающиеся в кармане и на ладони. Ноутбуки снабжены
жидкокристаллическим экраном, размещенным в откидной крышке, а у
палмтопов – на передней панели корпуса.
Кроме портативных персональных компьютеров, создавались и
создаются суперкомпьютеры для решения сложных задач в науке и технике –
прогнозов погоды и землетрясений, расчетов ракет и самолетов, ядерных
реакций, расшифровки генетического кода человека. В них используются от
нескольких до нескольких десятков микропроцессоров, осуществляющих
параллельные вычисления. Первый суперкомпьютер разработал Сеймур
Крей в 1976 году.
В 2002 году в Японии был построен суперкомпьютер NEC Earth
Simulator (рис. 28), выполняющий 35,6 триллионов операций в секунду.
В 2005 году компания IBM разработала суперкомпьютер Blue Gene
(рис. 29) производительностью свыше 30 триллионов операций в секунду. Он
содержит 12000 процессоров и обладает в тысячу раз большей мощностью,
чем знаменитый Deep Blue, с которым в 1997 году играл в шахматы чемпион
мира Гарри Каспаров. Компания IBM и исследователи из Швейцарского
70
политехнического института в Лозанне впервые предприняли попытку
моделирования человеческого мозга.
Дальнейшее развитие вычислительной техники многие специалисты
связывают с квантовой механикой и квантовым компьютером.
Необходимо отметить, что сверхъестественный мир квантовой
механики не подчиняется законам общей классической физики. Квантовый
бит или кубит (qubit) не существует в типичных 0 или 1-бинарных формах
сегодняшних компьютеров – квантовый бит может существовать в одной из
них или же в обеих системах одновременно. N кубит могут, как и N бит,
иметь 2N возможных состояний, однако принципиальное отличие состоит в
том, что кубиты могут находиться в суперпозиции этих состояний и быть при
этом запутанными между собой. Это значит, что система из нескольких
кубитов (квантовый регистр) находится в каждом из состояний с некоторой
вероятностью, а самое главное, это значит, что за счет запутанности можно
изменить сразу все 2N состояний. В классическом компьютере такая операция
потребовала бы 2N шагов. Это обеспечивает беспрецедентный параллелизм
вычислений, и именно это является основой мощности квантовых
компьютеров. В классическом компьютере за один такт процессор может
изменить одно состояние, которое хранят N бит памяти. В квантовом
компьютере за один такт можно изменить N кубит, которые находятся в
состоянии, являющемся суперпозицией всех базовых состояний, а
следовательно, все 2N базовых состояний.
2. Внешние устройства персонального компьютера
Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его
конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере
необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации,
которую считают типовой. В базовую конфигурацию входят следующие
аппаратные комплектующие:
• системный блок;
71
• монитор;
• клавиатура;
• компьютерная мышь.
Рассмотрим их более подробно.
2.1. Системный блок
Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого и
располагаются наиболее важные компоненты. Устройства находящиеся
внутри системного блока называют внутренними, устройства подключаемые
к нему снаружи называют внешними. Внешние дополнительные устройства,
предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также
называют периферийными.
По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса.
Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop)
и вертикальном (tower) исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное
исполнение, различают по габаритам: корпус сервера (file server),
полноразмерный (big tower), среднеразмерный (midi tower) и малоразмерный
(mini tower). Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение,
выделяют плоские и особо плоские (slim). Чем больше размер корпуса, тем
легче обеспечить охлаждение за счет большего объема циркулирующего
внутри компьютера воздуха. Основным параметром, определяющим качество
корпуса, является толщина металла несущей рамы, шасси системной платы,
стенок корпуса. При использовании достаточно толстого металла снижается
уровень излучаемого шума и вибрации. Такие качества обеспечивает корпуса
с толщиной металла не менее 0,8 мм.
Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-
фактором. От него зависят требования к размещаемым устройствам. Форм-
фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором
системной (материнской) платы компьютера.
На лицевой стороне корпуса находятся как минимум 2 кнопки:
включения питания (POWER) и перезагрузки (RESET), ряд сигнальных
72
лампочек и панели управления различных дисковых устройств. На задней
панели находятся стандартные разъемы для крепления дополнительных
устройств и устройств ввода-вывода. Все внутреннее устройство системного
блока основано на креплении различных плат к стандартным стойкам и
разъемам. Такая схема (характерно для IBM PC) позволяет собирать
компьютер из различных стандартно оформленных устройств.
В современных корпусах часто выделяют специальное место для
установки дополнительного вентилятора охлаждения (основным является
вентилятор, встроенный в блок питания).
2.2. Монитор
Монитор (дисплей) – устройство визуализации текстовой или
графической информации без ее долговременной фиксации. По типу
отображаемой информации мониторы делят на алфавитно-цифровые (в
настоящее время не используются) и графические. По способу формирования
изображения графические дисплеи делят на векторные (не используются в
ПК) и растровые. В векторном дисплее изображение строится из
элементарных отрезков векторов (в случае ЭЛТ – электронный луч
непрерывно "вырисовывает" контур изображения, собирая его из этих
векторов). В растровых дисплеях изображение получают с помощью
матрицы точек (в случае ЭЛТ – электронные лучи пробегают по строкам
экрана, подсвечивая требуемые точки своим цветом). Наиболее широкое
распространение получили мониторы на базе электронно-лучевых трубок
(ЭЛТ) и на основе жидких кристаллов (ЖК).
Принцип действия ЭЛТ-мониторов заключается в том, что
испускаемый электродом (электронной пушкой) пучок электронов, попадая
на экран, покрытый люминофором, вызывает его свечение. На пути пучка
электронов находятся дополнительные электроды: отклоняющая система
(определяет направление пучка) и модулятор (регулирует яркость
получаемого изображения). В случае цветного монитора имеются три
электронных пушки с отдельными схемами управления, а на поверхность
73
экрана нанесен люминофор трех основных цветов: R (red) – красный, G
(green) – зеленый, B (blue) – синий. Чтобы каждая пушка попадала только по
люминофору своего цвета, используется теневая маска. Электронный луч
периодически сканирует весь экран, образуя близкорасположенные строки
развертки. По мере движения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на
модулятор, изменяет яркость определенных пикселей, образуя видимое
изображение. В цикле сканирования луч движется по зигзагообразной
траектории от левого верхнего угла экрана к нижнему правому. Прямой ход
луча по горизонтали осуществляется сигналом строчной (горизонтальной)
развертки, а по вертикали – сигналом кадровой (вертикальной) развертки.
Наиболее важными параметрами для монитора являются частота
кадровой развертки, частота строчной развертки и полоса пропускания
видеосигнала. Частота кадровой развертки во многом определяет
устойчивость изображения (отсутствие мерцаний). Ассоциация VESA
рекомендует использовать для разрешений 800х600 частоту кадровой
развертки не ниже 72 Гц, а для разрешения 1024х768 – не ниже 70 Гц.
Частота строчной развертки определяется произведением частоты
вертикальной развертки на количество выводимых строк в одном кадре с
учетом обратного хода (разрешение по вертикали), типичное значение – 30-
64 кГц (отражает количество строк, которое монитор может воспроизвести за
одну секунду). Полоса видеосигнала определяется произведением
разрешения по горизонтали с учетом обратного хода на частоту строчной
развертки (отражает число точек в строке, которое монитор может
воспроизвести за одну секунду). К важным факторам, определяющим
четкость изображения, относят также размеры точек люминофора, а точнее –
расстояние между ними (dot pitch), типичное значение – 0,25-0,28 мм.
Работа ЖК-мониторов основана на свойстве некоторых веществ
проявлять анизотропию в текучем («жидком») состоянии. Первый ЖК-
монитор был продемонстрирован американской фирмой RCA в 1966 году.
Для изготовления ЖК-мониторов используют так называемые нематические
74
кристаллы, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых
пластинок. В отсутствии электрического поля молекулы этого вещества
образуют скрученные спирали (обычно 90º). В результате такой ориентации
молекул плоскость поляризации проходящего света поворачивается. Если же
к прозрачным электродам приложено напряжение, спираль молекул
распрямляется (они ориентируются вдоль поля), при этом поворота
плоскости поляризации проходящего света не происходит. Используя
подходящим образом ориентированный пленочный поляризатор, можно
добиться, чтобы в первом случае ЖК-элемент пропускал проходящий свет, а
во втором – нет.
Таким образом, каждая точка изображения на ЖК-мониторе
представляет из себя соответствующий TSTN – элемент, а весь экран –
матрицу этих элементов. Для адресации ЖК-элементов можно использовать
два метода: прямой (пассивный) и косвенный (активный). При прямой
адресации элементов каждая выбираемая точка изображения активируется
подачей напряжения на соответствующий проводник-электрод для строки
(общий для целой строки) и на проводник-электрод для столбца (общий для
всего столбца). Матрицы с пассивным управлением («пассивные матрицы»)
имеют недостаточный контраст изображения, т.к. электрическое поле
возникает не только в точке пересечения адресных проводников, но и на всем
пути распространения тока. Эта проблема решается при использовании так
называемых активных матриц, когда каждой точкой изображения управляет
свой независимый электронный переключатель (как правило, TFT).
При применении активных матриц большое значение имеют такие
параметры, как малое время отклика (типичное значение – 10-25 мкс) и
большой угол зрения (75º-120º).
При подключении мониторов к видеокарте используются в основном
два типа разъемов: разъем DB-15 с аналоговым видеосигналом и
опционально с цифровым интерфейсом DDC и разъем DVI (Digital Visual
75
Interface), позволяющий передавать как аналоговый видеосигнал, так и
цифровой.
2.3. Клавиатура
Основным устройством ввода информации в компьютер является
клавиатура, которая представляет собой совокупность механических
датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих тем или
иным образом определенную электрическую цепь. В настоящее время
распространены два типа клавиатур: с механическими или с мембранными
переключателями. В первом случае датчик представляет собой
традиционный механизм с контактами из специального сплава. Во втором
случае переключатель состоит из двух мембран: верхней – активной, нижней
– пассивной, разделенных третьей мембраной-прокладкой.
Как правило, внутри корпуса любой клавиатуры, кроме датчиков
клавиш, расположены электронные схемы дешифрации и микроконтроллер.
Обмен информации между клавиатурой и системной платой осуществляется
по специальному последовательному интерфейсу 11-битовыми блоками.
Основной принцип работы клавиатуры заключается в сканировании
переключателей клавиш. Замыканию и размыканию любого из этих
переключателей соответствует уникальный цифровой код – скан-код. В
случае, когда клавиша отпускается, клавиатура IBM PC AT предваряет скан-
код кодом F016. Когда контроллер клавиатуры фиксирует нажатие или
отпускание клавиши, он инициирует аппаратное прерывание IRQ1. Если в
клавиатурах компьютеров типа IBM PC XT передача данных может
осуществляться только в одном направлении, то в клавиатурах типа IBM PC
AT подобная связь возможна уже в двух направлениях, т.е. клавиатура может
принимать специальные команды (установки параметров задержки
автоповтора и частоты автоповтора). Подключение клавиатуры к системной
плате выполняется посредством электрически идентичных разъемов 5 DIN
(DIN (Deutsche Idustrie Norm) – немецкий промышленный стандарт) или 6
mini-DIN, последний впервые был представлен в IBM PS/2, откуда и
76
унаследовал свое "жаргонное" название. Для обеспечения двунаправленного
обмена используется единственная линия данных, требующая, однако,
выводов с открытым коллектором.
2.4. Компьютерная мышь
Компьютерная мышь – устройство управления манипуляторного типа.
Первую компьютерную мышь создал Дуглас Энгелбарт в 1963 году в
Стэндфордском исследовательском центре. Распространение мыши получили
благодаря росту популярности программных систем с графическим
интерфейсом пользователя. Мышь делает удобным манипулирование такими
широко распространенными в графических пакетах объектами, как окна,
меню, кнопки, пиктограммы и т.д.
Первая мышь при движении вращала два колеса, которые были
связаны с осями переменных резисторов. Перемещение курсора такой мыши
вызывалось изменением сопротивления переменных резисторов.
Современные мыши имеют оптическую конструкцию. С помощью
светодиода и системы линз, фокусирующих его свет, под мышью
подсвечивается участок поверхности. Отраженный от этой поверхности свет,
в свою очередь, собирается другой линзой и попадает на приемный сенсор
микросхемы процессора обработки изображений. Этот чип делает снимки
поверхности под мышью с высокой частотой и обрабатывает их. На
основании анализа череды последовательных снимков, представляющих
собой квадратную матрицу из пикселей разной яркости, интегрированный
DSP-процессор высчитывает результирующие показатели,
свидетельствующие о направлении перемещения мыши вдоль осей Х и Y, и
передает результаты своей работы на периферийный интерфейс. Основные
характеристики, обеспечивающие надежность работы оптических мышей,
определяются техническими параметрами применяемых сенсоров
Первые мыши подключались к ПК через специальную плату-адаптер
(мыши с шинным интерфейсом – bus mouse). Затем большое
распространение получил способ подключения мыши через
77
последовательный интерфейс RS-232C. Мыши с последовательным
интерфейсом для передачи данных чаще всего работают с разработанным
Microsoft протоколом. Кроме протокола Microsoft, распространены также
протокол Logitech (отличается от протокола Microsoft способом передачи
информации о средней кнопке) и протокол Mouse Systems (5-байтовый,
передается информация о «старом» и «новом» положении мыши).
В 1987 году компания IBM выпустила серию персональных
компьютеров PS/2, в котором был представлен выделенный
последовательный интерфейс для подключения мыши с разъемом 6 mini-
DIN. Одним из преимуществ новых портов по сравнению с
последовательным было низкое напряжение питания – 5 В вместо 12 В, а
также независимость от других устройств, в то время как последовательные
мыши нередко мешали внутренним модемам, поскольку четыре COM-порта
ПК делили всего два IRQ. Необходимо отметить также недостатки этого
интерфейса. Наиболее существенным является более высокий риск вывода из
строя порта при подключении или отключении мыши при работающем
компьютере. Хотя последовательные порты мыши и клавиатуры в PS/2
имеют сходный электрический интерфейс и даже одинаковые разъемы,
материнская плата не опознает мышь и клавиатуру, если их подключить не в
«свой» порт, т.к. протоколы передачи данных отличаются, а, кроме того,
линия данных в порту клавиатуры – двунаправленная. В спецификации
Microsoft PC 97 предлагается единая цветовая маркировка этих портов: для
клавиатуры – фиолетовая, для мыши – зеленая. Широкое распространение
портов PS/2 произошло с внедрением в 1997 г. фирмой Intel стандарта ATX.
А уже в 2002 году в спецификации Microsoft PC 2002 было предложено
отказаться от этих портов в пользу универсального интерфейса USB.
3. Внутренние устройства персонального компьютера
3.1. Системная плата
Важнейшим узлом компьютера является системная плата (systemboard),
которую также называют материнской (motherboard), основной или главной
78
платой (mainboard). Системная плата – центральная комплексная плата,
предоставляющая электронную и логическую связь между всеми
устройствами, входящими в состав персонального компьютера.
На материнской плате размещаются:
• микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем,
управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих
основные функциональные возможности материнской платы;
• процессор (CPU – central processing unit) – устройство, отвечающее за
выполнение арифметических, логических операций и операций управления,
записанных в машинном коде и реализованное в виде одной микросхемы или
комплекта из нескольких специализированных микросхем;
• шины – наборы проводников, по которым происходит обмен
сигналами между внутренними устройствами компьютера;
• оперативное запоминающее устройство (оперативная память), ОЗУ
– часть системы памяти ЭВМ предназначенная для временного хранения
данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций;
• постоянное запоминающее устройство, ПЗУ – энергонезависимая
память, используется для хранения массива неизменяемых данных;
• разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).
Материнские платы, кроме функциональности, отличаются друг от
друга размерами. Эти размеры стандартизированы и называются
формфакторами (таблица 1).
Основой любой материнской платы является набор ключевых
микросхем, также называемый набором логики или чипсетом. Разработкой
таких наборов занимаются несколько крупнейших мировых компаний: Intel,
NVIDIA, AMD, VIA, SIS. То, какой чипсет положен в основу материнской
платы, определяет, какой процессор, какую оперативную память и в каком
объеме можно установить, сколько устройств можно подключить и как
быстро все это будет работать.
79
Чипсет состоит из интегральных микросхем, называемых мостами.
Чаще всего встречаются двухкомпонентные чипсеты, состоящие из
северного и южного мостов. Северный мост (Northbridge или MCH, Memory
Controller Hub) обеспечивает взаимосвязь между процессором, оперативной
памятью и специализированными шинами (PCI, PCI Express и т.п.). Именно
возможности северного моста определяют, какую оперативную память
(SDRAM, DDR, DDR2, DDR3) можно установить в материнскую плату,
какой максимальный объем можно установить, в каких режимах она может
работать.
Северный мост соединен с южным мостом посредством специальной
шины или через несколько каналов из шины PCI Express. Задачей южного
моста является предоставление интерфейсов ввода-вывода для устройств
компьютера. К устройствам, встроенным в южный мост, относятся
контроллер DMA (Direct Memory Access), контроллер прерываний,
контроллеры устройств хранения данных (IDE и SATA-жестких дисков и
оптических приводов), контроллер питания и другие. Кроме того,
современные южные мосты чаще всего содержат встроенные звуковые,
сетевые, USB, RAID-контроллеры. К функциям южного моста также
относится работа часов (Real Time Clock, RTC), специальной шины I2C,
позволяющей оперативное управление настройками платы, доступ к
информации BIOS – базовой системы ввода-вывода. BIOS фактически
является микропрограммой, позволяющей материнской плате обращаться к
своим подсистемам и работать так, как нужно.
Интерфейсы для подключения Floppy, мыши и клавиатуры чаще всего
не включаются в состав южного моста, эти функции осуществляются
специальным контроллером, называемым SuperI/O. Кроме того, он следит за
температурами, напряжениями и скоростями вращения вентиляторов.
Часто дополнительные, так называемые периферийные контроллеры,
встроенные в южный мост, требуют дополнения в виде еще одного чипа,
чаще всего это контроллеры USB, FireWire, звука, сети.
80
Иногда встречаются чипсеты, состоящие только из одного чипа. Чаще
всего это чипсеты для платформы AMD Athlon64. Это объясняется тем, что
основная часть северного моста – контроллер памяти – перенесена в сам
процессор.
Важнейшим разъемом на плате является сокет процессора. Он
представляет собой специальное устройство, состоящее из большого
количества контактов, расположенных в определенном порядке,
определяющем правильное расположение процессора.
Ниже процессорного сокета чаще всего расположен один или два
специализированных разъема для установки видеокарты и слоты PCI для
подключения карт расширения, они стандартизированы и позволяют
подключить практически все возможные контроллеры.
Правее, с краю платы, обычно расположены разъемы для подключения
накопителей – жестких дисков и оптических приводов (лидирующую
позицию среди разъемов занимает интерфейс Serial ATA, вытеснивший
старый IDE), разъем Floppy (дисковода 3,5”-носителей). Все эти накопители
подключаются к материнской плате с помощью специальных кабелей,
называемых шлейфами.
Любая материнская плата оборудована разъемами для подключения
вентиляторов. Количество их может быть разным, от двух-трех до шести-
восьми. Некоторые из этих разъемов позволяют управление скоростями
вращения вентиляторов.
На плате также располагается батарейка, обеспечивающая питание
микросхемы памяти, в которой содержится прошивка BIOS, и
поддерживающая работу системных часов. BIOS хранится в чипе памяти,
который чаще всего устанавливается в специальную «кроватку», но может
быть и впаян на плату. Иногда бывает, что традиционный чип Flash ROM
заменяют на чипы других типов.
В итоге с помощью всех этих встроенных в чипсет технологий,
разъемов, дополнительных контроллеров материнская плата фактически
81
объединяет абсолютно все устройства, входящие в состав компьютера в
целостную систему. Напрямую к ней подключаются процессор, оперативная
память, видеокарта, накопители и карты расширения, а через них – все
остальные комплектующие, начиная от монитора и заканчивая сканером или
спутниковой антенной.
3.2. Компьютерная шина
Компьютерная шина (магистраль передачи данных между отдельными
функциональными блоками компьютера) – совокупность сигнальных линий,
объединенных по их назначению (данные, адреса, управление), которые
имеют определенные электрические характеристики и протоколы передачи
информации. Шины отличаются разрядностью, способом передачи сигнала
(последовательные или параллельные), пропускной способностью,
количеством и типами поддерживаемых устройств, протоколом работы,
назначением (внутренняя, интерфейсная).
В параллельных шинах понятие «ширина шины» соответствует ее
разрядности – количеству сигнальных линий, или, другими словами,
количеству одновременно передаваемых битов информации. Сигналом для
старта и завершения цикла приема/передачи данных служит внешний
синхросигнал. В последовательных же каналах передачи используется одна
сигнальная линия (возможно использование двух отдельных каналов для
разделения потоков приема-передачи). Соответственно, информационные
биты здесь передаются последовательно. Данные для передачи через
последовательную шину облекаются в пакеты (пакет – единица информации,
передаваемая как целое между двумя устройствами), в которые, помимо
собственно полезных данных, включается некоторое количество служебной
информации: старт-биты, заголовки пакетов, синхросигналы, биты четности
или контрольные суммы, стоп-биты и т.п.
Шины могут быть синхронными (осуществляющими передачу данных
только по тактовым импульсам) и асинхронными (осуществляющими
передачу данных в произвольные моменты времени), а также могут
82
использовать мультиплексирование (передачу адреса и данных по одним и
тем же линиям) и различные схемы арбитража (то есть способа совместного
использования шины несколькими устройствами).
Процессорная шина. Любой процессор архитектуры x86CPU
обязательно оснащен процессорной шиной. Эта шина служит каналом связи
между процессором и всеми остальными устройствами в компьютере:
памятью, видеокартой, жестким диском и так далее. Так, классическая схема
организации внешнего интерфейса процессора предполагает, что
параллельная мультиплексированная процессорная шина, которую принято
называть FSB (Front Side Bus), соединяет процессор (иногда два процессора
или даже больше) и северный мост, обеспечивающий доступ к оперативной
памяти и внешним устройствам.
В архитектуре AMD64, используемой компанией AMD в своих
процессорах линеек Athlon 64/Sempron/Opteron, применен революционно
новый подход к организации интерфейса центрального процессора – здесь
имеет место наличие в самом процессоре нескольких отдельных шин. Одна
(или две – в случае двухканального контроллера памяти) шина служит для
непосредственной связи процессора с памятью, а вместо процессорной шины
FSB и для сообщения с другими процессорами используются
высокоскоростные шины HyperTransport. Преимуществом данной схемы
является уменьшение задержек (латентности) при обращении процессора к
оперативной памяти, ведь из пути следования данных по маршруту
«процессор – ОЗУ» (и обратно) исключаются такие весьма загруженные
элементы, как интерфейсная шина и контроллер северного моста.
Шина PCI. Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, с англ.
взаимосвязь периферийных компонентов) – шина для подключения
периферийных устройств к системной плате компьютера – несмотря на
моральное устаревание и уже недостаточную пропускную способность,
является одной из основных шин для подключения к системе внешних
устройств.
83
В 1991 году компания Intel представила первую спецификацию
системной шины PCI. В 1993 году уже началось активное продвижение на
рынок шины PCI 2.0, которая дала толчок увеличению числа
ориентированных на нее продуктов и довольно быстро вытеснила изрядно
устаревшие к тому времени шины ISA и EISA.
Причины успеха PCI – это гораздо более высокая скорость и
возможность динамического конфигурирования периферийных устройств,
подключенных к PCI (чего не было в ISA), то есть распределения ресурсов
между периферийными устройствами наиболее приемлемым в данный
момент времени образом и без постороннего вмешательства.
Основные тактико-технические характеристики PCI 2.0:
частота шины – 33,33 МГц,
передача синхронная разрядность шины – 32 бит
пиковая пропускная способность – 133 Мбит/с
адресное пространство памяти – 32 бит (4 Гбайт)
адресное пространство портов ввода-вывода – 32 бит (4 Гбайт)
количество подключаемых устройств – до четырех (для увеличения
их количества используется мост PCI-to-PCI)
конфигурационное адресное пространство (для одной функции) 256
байт
напряжение 3,3 или 5 В.
Еще большее распространение получил стандарт 2.2.
Отличия PCI 2.2 от 2.0:
возможность одновременной работы нескольких устройств bus-
master (так называемый конкурентный режим);
появление универсальных карт расширения, способных работать как
в слотах 5 В, так и в 3,3 В;
появились расширения PCI66 и PCI64 (ширина шины может быть
увеличена до 64 бит, а также допускается разгон тактовой частоты до 66 МГц
– вдвое по сравнению с PCI 2.0);
84
карты расширения, удовлетворяющие этим стандартам имеют
универсальный разъем и способны работать практически во всех более
поздних разновидностях слотов шины PCI, а также, в некоторых случаях, и в
слотах 2.1.
Существует множество вариаций на тему PCI 2.Х, наиболее
распространенные из которых:
AGP – разработана на базе PCI 2.1 и предназначена для
использования с графическими адаптерами, характеризуется отсутствием
арбитража интерфейса, то есть допускается подключение к этой шине только
одного устройства;
PCI-X – ускоренная до 133 МГц (также выпускались варианты с 266
и 533 МГц) шина PCI 2.2 с обязательно 64-битной разрядностью интерфейса;
Compact-PCI – системная шина, широко используемая в
промышленной автоматике. Электрически шина соответствует обычной PCI
и обычно использует тот же набор микросхем, но физически разъем
выполнен по-другому, что позволяет использовать «горячее» подключение
плат;
mini-PCI – применяется в портативных компьютерах;
Card Bus (32-разрядная версия стандарта PCMCIA, допускающая
«горячее» подключение).
Шина PCI-Express. Анонс первой базовой спецификации PCI-Express
состоялся в июле 2002 года, когда уже стало ясно, что PCI-Express – это
последовательный интерфейс, нацеленный на использование в качестве
локальной шины и имеющий много общего с сетевой организацией обмена
данными, в частности, топологию типа «звезда» и стек протоколов. Для
взаимодействия с остальными узлами ПК, которые так или иначе обходятся
собственными шинами, основной связующий компонент системной платы –
Root Complex Hub (узел, являющийся перекрестком процессорной шины,
шины памяти и PCI-Express) – предусматривает систему мостов и свитчей.
Логика всей структуры такова, что любые межкомпонентные соединения
85
непременно оказываются построенными по принципу «точка-точка», свитчи-
коммутаторы выполняют однозначную маршрутизацию пакета от
отправителя к получателю. Соединение между двумя устройствами PCI
Express называется link и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких
(2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) двунаправленных последовательных соединений
lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x. В
спецификации PCI-Express 2.0 планируется увеличить пропускную
способность lane до 5 Гбит/с при сохранении совместимости с PCI-Express
1.1. Кроме всего прочего, PCI Express предлагает:
стек протоколов, каждый уровень которого может быть
усовершенствован, упрощен или заменен, не влияя на остальные. Например:
может быть использован иной носитель сигнала – или может быть
упразднена маршрутизация в случае выделенного канала только для одного
устройства (как в случае PCI Express x16 для графики);
возможности «горячей» замены карт (заложены в спецификации,
опционально реализуются в серверных системах);
возможности создания виртуальных каналов, гарантирования
пропускной полосы и времени отклика, сбора статистики QoS (Quality of
Service – качество обслуживания);
возможности контроля целостности передаваемых данных (CRC);
поддержка технологий энергосбережения (ACPI).
USB (Universal Serial Bus). Стандарт универсальной последовательной
шины определяет новый способ взаимодействия компьютера с
периферийным оборудованием. Он разрешает подключать до 256 разных
устройств с последовательным интерфейсом, причем устройства могут
подсоединяться цепочкой. Производительность шины USB относительно
небольшая и составляет 1,55 Мбит/с. Среди преимуществ этого стандарта
следует отметить возможность подключать и отключать устройства в
"горячем режиме" (то есть без перезагрузки компьютера), а также
86
возможность объединения нескольких компьютеров в простую сеть без
использования специального аппаратного и программного обеспечения.
3.3. Процессор
Процессор – главное устройство компьютера, основными функциями
которого являются действия по обработке данных и управление
последовательностью выполнения таких действий. Конструктивно процессор
состоит из ячеек, в которых данные могут не только храниться, но и
изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно
отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не
как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других
регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости
от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким
образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно
управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.
С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с
оперативной памятью, процессор связан шинами. Основных шин три: шина
данных, адресная тина и командная шина.
Адресная шина. Шина адреса представляет собой набор проводников,
по которым происходит передача двоичных чисел в электронной форме.
Двоичные числа, передаваемые по адресной шине, представляют собой адрес
ячейки памяти или порта ввода вывода, к которому в данный момент
обращается процессор.
Шина данных. Шина предназначена для передачи данных от
процессора к периферийным устройствам, а так же в обратном направлении.
Разрядность шины данных определяется типом применяемого процессора.
Количество разрядов всегда кратно восьми.
Шина команд. Шина не имеет такой же четкой структуры, как шина
данных или шина адреса. В шину команд условно объединяют набор линий,
передающих различные управляющие сигналы от процессора на все
периферийные устройства и обратно.
87
Основными параметрами процессоров являются:
тактовая частота,
разрядность,
рабочее напряжение,
коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты,
размер кэш памяти.
Тактовая частота определяет количество элементарных операций
(тактов), выполняемых процессором за единицу времени. Тактовая частота
современных процессоров измеряется в ГГц. Чем выше тактовая частота, тем
больше команд может выполнить процессор, и тем выше его
производительность. Первые процессоры, которые использовались в ПК
работали на частоте 4,77 МГц, сегодня рабочие частоты современных
процессоров достигают отметки выше 3 ГГц.
Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может
принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность
процессора определяется разрядностью командной шины, то есть
количеством проводников в шине, по которой передаются команды.
Рабочее напряжение процессора обеспечивается материнской платой,
поэтому разным маркам процессоров отвечают разные материнские платы.
Рабочее напряжение процессоров не превышает 3 В. Снижение рабочего
напряжения разрешает уменьшить размеры процессоров, а также уменьшить
тепловыделение в процессоре, что разрешает увеличить его
производительность без угрозы перегрева.
Коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты – это
коэффициент, на который следует умножить тактовую частоту материнской
платы, для достижения частоты процессора. Тактовые сигналы процессор
получает от материнской платы, которая из чисто физических причин не
может работать на таких высоких частотах, как процессор.
Кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит намного
быстрее, чем обмен данными между процессором и оперативной памятью.
88
Поэтому, для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной
памяти, внутри процессора создают так называемую сверхоперативную или
кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-
памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит
обращение к оперативной памяти. Чем больше размер кэш-памяти, тем выше
вероятность, что необходимые данные находятся там. Поэтому
высокопроизводительные процессоры имеют повышенные объемы кэш-
памяти.
Различают кэш-память первого уровня (выполняется на одном
кристалле с процессором), второго уровня (выполняется на отдельном
кристалле, но в границах процессора) и третьего уровня (выполняется на
отдельных быстродействующих микросхемах с расположением на
материнской плате).
В процессе работы процессор обрабатывает данные, находящиеся в его
регистрах, оперативной памяти и внешних портах процессора. Часть данных
интерпретируется как собственно данные, часть данных – как адресные
данные, а часть – как команды. Совокупность разнообразных команд,
которые может выполнить процессор над данными, образовывает систему
команд процессора. Чем больше набор команд процессора, тем сложнее его
архитектура, тем длиннее запись команд в байтах и тем дольше средняя
продолжительность выполнения команд.
Совместимость процессоров. Если два процессора имеют одинаковую
систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это
означает, что программа, написанная для одного процессора, может
исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы
команд, как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на
программном уровне.
Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость,
рассматривают как семейства процессоров. Так, например, все процессоры
Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86. Родоначальником
89
этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086, на базе которого
собиралась первая модель компьютера IBM PC. Впоследствии выпускались
процессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium
60,66,75,90,100,133; несколько моделей процессоров Intel Pentium MMX,
модели Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pen-
tium III, Intel Pentium 4, модели AMD, Cyrex и другие. Все эти модели, и не
только они, а также многие модели процессоров компаний AMD и Cyrix
относятся к семейству х86 и обладают совместимостью по принципу «сверху
вниз».
3.4. Внутренняя память
Под внутренней памятью понимают все виды запоминающих
устройств, расположенные на материнской плате. К ним относятся
оперативная память, постоянная память и энергонезависимая память.
Оперативная память (RAM – Random AccessMemory) – память с
произвольным доступом – массив кристаллических ячеек, способных
хранить данные.
В оперативной памяти хранятся данные и команды, которые в
ближайшее время могут понадобиться для вычислений процессору или
ожидают передачи другим подсистемам компьютера (видеокарте, жесткому
диску и т.п.). Оперативная память передает информацию на порядки быстрее,
чем накопители (жесткие диски или оптические накопители), и нужна для
обеспечения непрерывности вычислений без задержек на получение данных.
Без оперативной памяти современный компьютер также неработоспособен
(ранние модели персональных компьютеров могли содержать чипы
оперативной памяти прямо на материнской плате), как и без остальных
основных комплектующих.
Физически оперативная память представляет собой линейный носитель
информации. Под линейностью подразумевается то, что байты памяти
пронумерованы, начиная с нуля, и для доступа к каждому байту процессору
необходимо указать его порядковый номер. Этот номер называется адресом.
90
Обмен информацией между процессором и памятью происходит следующим
образом: на шине адреса процессор выставляет адрес, затем – если
происходит операция чтения из памяти – на шине данных появляются
данные, выставленные оперативной памятью, если же происходит запись –
процессор сам выставляет на шину данных новое значение.
По физическому принципу действия различают динамическую память
DRAM и статическую память SRAM. Ячейки динамической памяти можно
представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать
электрический заряд. Недостатки памяти DRAM: более медленная запись и
чтение данных, требует постоянной подзарядки. Преимущества: простота
реализации и низкая стоимость.
Ячейки статической памяти можно представить как электронные
микроэлементы – триггеры, состоящие из транзисторов. В триггере
сохраняется не заряд, а состояние (включенный/выключенный).
Преимущества памяти SRAM: значительно большее быстродействие.
Недостатки: технологически более сложный процесс изготовления, и
соответственно, большая стоимость.
Микросхемы динамической памяти используются как основная
оперативная память, а микросхемы статической – для кэш-памяти.
Оперативная память в компьютере размещается на стандартных
панелях, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в
соответствующие разъемы на материнской плате.
В момент включения компьютера в его оперативной памяти
отсутствуют любые данные, поскольку оперативная память не может
сохранять данные при отключенном компьютере. Но процессору
необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому
процессор обращается по специальному стартовому адресу за своей первой
командой. Этот адрес указывает на память, которую принято называть
постоянной памятью ROM или постоянным запоминающим устройством
(ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна продолжительное время сохранять
91
информацию, даже при отключенном компьютере. Комплект программ,
находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic
Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в
том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и
обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и
дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют
наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск
компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.
Работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может
обслуживаться программами BIOS, но такими средствами невозможно
обеспечить роботу со всеми возможными устройствами (в связи с их
огромным разнообразием и наличием большого количества разных
параметров). Но для своей работы BIOS требует всю информацию о текущей
конфигурации системы. По очевидной причине эту информацию нельзя
сохранять ни в оперативной памяти, ни в постоянной. Специально для этих
целей на материнской плате есть микросхема энергонезависимой памяти,
которая называется CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что
ее содержимое не исчезает при отключении компьютера, а от постоянной
памяти она отличается тем, что данные можно заносить туда и изменять
самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав
системы.
Микросхема памяти CMOS постоянно питается от небольшой
батарейки, расположенной на материнской плате. В этой памяти
сохраняются данные о гибких и жестких дисках, процессоре и т.д. Тот факт,
что компьютер четко отслеживает дату и время, также связан с тем, что эта
информация постоянно хранится (и обновляется) в памяти CMOS. Таким
образом, программы BIOS считывают данные о составе компьютерной
системы из микросхемы CMOS, после чего они могут осуществлять
обращение к другим устройствам компьютера.
92
3.5. Видеокарта
Видеокарта представляет собой устройство, предназначенное для
обработки и вывода графической информации (интерфейса операционной
системы и программ, видео и т.д.) на устройство отображения (монитор).
Размеры видеокарт зависят от того класса, к которому они относятся: карты
начального – Low-End – класса имеют длину около 15-18 см, Middle-End – 20
см, длина High-End достигает 25-27 см. Печатная плата видеоадаптера
состоит из нескольких слоев, каждый из которых содержит тонкие
токопроводящие дорожки. Дорожки на плате объединяют между собой
графическое ядро (GPU – графический процессор, видеоядро), видеопамять,
раздельные подсистемы питания ядра и памяти, интерфейсный разъем для
подключения к материнской плате, а также разъемы для подключения
мониторов и телевизора.
Ключевым компонентом любой современной видеокарты является
графический процессор, который занимается расчетами выводимой на экран
информации и трехмерных сцен. Графический процессор представляет собой
чип расположенный на плате, кристалл которого содержит сотни миллионов
транзисторов. Каждый такой чип состоит из вычислительных блоков,
контроллеров шины и памяти, блоков для вывода видеоинформации
(RAMDAC). Вся эта структура определяется архитектурой ядра, которая
вначале разрабатывается для самого мощного видеоадаптера в семействе-
поколении, затем такое ядро упрощается для менее производительных
решений методом исключения определенных блоков. Частота графического
процессора задается, исходя из возможностей чипа или маркетинговых
соображений разработчиков.
В зависимости от того, какое графическое ядро положено в основу
видеокарты, определяются ее характеристики: поддержка тех или иных
технологий визуализации и рендеринга, тип памяти и ширина ее шины. На
данный момент ведущими разработчиками графических процессоров
93
являются компании NVIDIA, с серией видеокарт GeForce, и AMD с ее
линейкой Radeon.
На видеокарте, как и на материнской плате, имеется микросхема BIOS,
в которой хранится информация о видеоадаптере, экранные шрифты и так
далее, но в отличие от материнской платы в BIOS видеоадаптера зайти
практически нельзя, его можно лишь сохранить, изменить и затем прошить
заново.
Для хранения изображений, текстур и другой необходимой
информации на плате видеокарты установлены чипы памяти, соединенные с
графическим процессором специальной шиной, ширина которой
определяется в битах: 64, 128, 256, 320, 384, 512. Необходимая разрядность
шины, поддерживаемая видеопроцессором, получается путем установки
определенного количества микросхем с интерфейсом 16 или 32 бит. Шиной в
16 бит снабжены чипы первого стандарта графической памяти GDDR и
второго поколения – GDDR2, шиной в 32 бит снабжены чипы как первого
поколения, так и третьего – GDDR3, а также вышедшего совсем недавно
четвертого – GDDR4. Чем больше общая ширина шины, тем выше
пропускная способность памяти, а это, в свою очередь, влияет на
производительность.
Чипы памяти располагаются возле графического процессора на
лицевой стороне платы, но в зависимости от объема, типа памяти шины
также могут быть расположены и на обратной стороне. Объем каждого чипа
в отдельности измеряется в мегабитах, и после установки производителем на
видеокарту определенного количества микросхем получается необходимый
объем памяти: 128, 256, 512, 1024 и т.д. МБайт. Чем больше объем, тем
больше можно хранить необходимой информации, а значит, качественнее
можно будет выставить настройки графики.
Следующий пункт, отвечающий за характеристики видеопамяти, – ее
рабочая частота, влияющая на пропускную способность. Так как современная
память использует технологию DDR (Double Data Rate – удвоенная скорость
94
передачи данных), то в качестве значений может указываться как реальная
частота, так и эффективная, то есть равная удвоенной реальной. Реальную
частоту памяти можно вычислить по времени доступа, указанному в
маркировке чипов. Например, в видеокарте Chaintech GeForce 7600GT
установлены чипы со временем доступа 1,2 нс, тогда реальная частота равна
1000/1,2=833 МГц или округленно 800 МГц, а эффективная будет
800*2=1600 МГц. Иногда производители устанавливают более скоростную
память, но работающую на меньшей, чем положено, частоте, тем самым
оставляя возможность для разгона. На видеокартах с памятью GDDR и
GDDR2 эффективные частоты могут достигать 1000 МГц, на картах с
GDDR3 частоты достигают 2200 МГц, а с GDDR4 – более 2 ГГц.
Каждая видеокарта имеет разъемы для подключения мониторов и
телевизора. Обычные ЭЛТ и TFT-мониторы подключаются к VGA-разъему –
D-Sub, через который вся информация передается в аналоговом виде.
Недостатком такого метода является малая помехозащищенность, появление
артефактов и замыливание изображения, так как в видеокарте картинка
формируется в цифровом виде, потом в специальном блоке – RAMDAC
(RAM – память произвольного доступа и DAC – цифро-аналоговый
преобразователь) преобразуется в аналоговый вид, и уже в мониторе
операция повторяется в обратном порядке.
Для повышения качества передаваемого сигнала предназначен
цифровой интерфейс – DVI, информация по которому передается в цифровом
виде, без потерь. Подобные интерфейсы устанавливаются в TFT-мониторах,
проекторах и в каждой современной видеокарте.
ТВ-выход S-Video позволяет вывести видеосигнал на телевизор или
другое устройство, оборудованное соответствующим входом.
3.6. Жесткий диск
Жесткий диск (винчестер) представляет собой сложное устройство для
хранения данных, в основу которого положен принцип магнитной записи
электрических сигналов.
95
Винчестеры используют одну или несколько магнитных пластин, на
которые нанесены концентрические дорожки. Запись и хранение
информации на этих пластинах происходит за счет преобразования
электрических сигналов в определенные изменения магнитного поля с
последующим воздействием этим полем на магнитную пластину. Благодаря
явлению остаточного магнетизма следы от этих воздействий сохраняются в
магнитном материале на длительный срок. Считывание информации, то есть
воспроизведение электрических сигналов, происходит точно так же, только в
обратном направлении.
Магнитные домены или битовые ячейки представляют собой
чередующиеся участки с различным направлением намагниченности.
Плотность магнитной пластины определяется размерами ячеек: чем они
меньше, тем выше плотность записи информации.
Битовые ячейки формируют секторы, которые впоследствии
определяют минимальную логическую единицу хранения данных – кластер.
Размер кластера меняется в зависимости от использования файловой системы
– NTFS или FAT32. В конечном итоге кластеры образуют те самые
пресловутые мегабайты, которые определяют емкость жесткого диска.
Для считывания и записи информации используются так называемые
головки, которые собраны на механическом перемещающемся приводе,
предназначенном для позиционирования. Количество головок зависит от
количества пластин. Для каждой магнитной пластины применяется по две
головки – при условии, что используются обе ее стороны.
На производительность жесткого диска влияют несколько параметров:
скорость вращения шпинделя, время доступа, плотность записи, формфактор,
интерфейс, объем кэш-памяти, диаметр и количество пластин.
Скорость вращения шпинделя является одним из ключевых
параметров, определяющих быстродействие накопителя на жестких дисках.
Данный параметр измеряется в оборотах в минуту (RPM или
RotatePerMinute) и напрямую связан с линейной скоростью головок
96
чтения/записи. Большинство жестких дисков, рассчитанных на установку в
настольные ПК, имеют скорость вращения шпинделя 7200 об./мин.,
накопители в ноутбуках – 5400 об./мин., старые мобильные накопители –
4200 об./мин. Серверные решения имеют более внушительные
характеристики – 10000 или 15000 об./мин.
Другой параметр – время доступа представляет собой временной
промежуток, который требуется на ожидание подхода требуемого сектора,
когда головки встанут на нужную дорожку. Очевидно, что время доступа
напрямую связано со скоростью вращения шпинделя: чем быстрее пластина
докрутится до необходимого ожидаемого сектора, тем быстрее головка
считает его.
Емкость жесткого диска напрямую связана с плотностью и
количеством пластин: чем больше плотность и количество пластин – тем
больше объем жесткого диска. Однако повышать емкость исключительно за
счет увеличения количества пластин бессмысленно. Во-первых, корпус
обыкновенного 3,5-дюймового винчестера способен уместить максимум 5
пластин и 10 головок. Во-вторых, большое количество пластин и головок
увеличивает энергопотребление и тепловыделение, что повышает риск
аппаратного сбоя из-за большого числа подвижных элементов.
Одним из основополагающих моментов типа жесткого диска является
его формфактор, который, в свою очередь, определяется диаметром пластин.
Обычные десктопные жесткие диски используют 3,5-дюймовые пластины и
предназначены для установки в соответствующие отсеки корпусов
настольных ПК. Магнитные пластины диаметром 2,5 дюйма используются в
мобильных жестких дисках, которые широко применяются в ноутбуках и
внешних портативных накопителях. Есть и устройства, использующие
пластины диаметром 1,8", 1" и 0,8". Как правило, такие жесткие диски
используются в ультрапортативных ноутбуках, MP3-плеерах и других
ультрамобильных устройствах.
97
На сегодняшний день большинство жестких дисков выпускается для
двух интерфейсов – SATA и PATA. Их пропускная способность составляет
300 Мбит/с (Serial ATA II) и 133 Мбит/с соответственно. Использование
интерфейса Serial ATA предпочтительнее: большая пропускная способность,
а также конструктивное преимущество в виде тонкого шлейфа, который
удобнее прокладывать в корпусе, чтобы он не мешал циркуляции воздушных
потоков.
Объем кэш-памяти большинства современных жестких дисков
составляет 8 и 16 Мбайт. В теории, чем больше объем кэш-памяти, тем выше
скорость работы жесткого диска. Однако на практике оказывается, что
жесткий диск с 16 Мбайт кэш-памяти не имеет какого-либо существенного
выигрыша в скорости по сравнению с аналогичной моделью, оснащенной 8
Мбайт.
Диаметр пластин также влияет на производительность накопителя на
жестких дисках. Необходимо отметить, что винчестеры с одинаковой
скоростью вращения шпинделя имеют и одинаковую угловую скорость.
Расстояние, которое за секунду проходят головки на внешних и внутренних
дорожках, разное, в последнем случае оно меньше. Соответственно,
линейная скорость на внутренних дорожках, которые ближе к центру
пластины, гораздо меньше, чем на внешних, расположенных ближе к ее
краям.
Надежность жестких дисков измеряется временем наработки на отказ
(Mean Time Between Failures). Параметр MTBF для каждой модели
винчестера можно найти на сайте производителя. Как правило, большинство
жестких дисков имеют сопоставимый уровень MTBF, исключение
составляют серверные решения.
3.7. Оптические приводы
Оптический привод представляет собой устройство хранения данных с
оптическим принципом считывания и записи. В качестве носителей
оптический привод использует плоские многослойные диски диаметром 8
98
или 12 мм. Среди приводов можно выделить несколько основных типов
данных устройств: CD-ROM, CD-RW, DVD-ROM, CD-RW-DVD, DVD-RW.
CD-ROM – самое простое из устройств подобного типа. Данный
привод способен читать только обычные CD. Максимальная емкость данного
типа носителя составляет 700 Мбайт. Скорость большинства «современных»
CD-ROM достигает 52х (скорость одного икса составляет 150 кбайт/с), реже
максимальных для данного типа устройств 56х. На сегодняшний день привод
CD-ROM морально устарел и представляет интерес в самых исключительных
случаях.
CD-RW – следующий этап развития оптических приводов. CD-RW
позволяет не только считывать информацию с обычных компакт-дисков, но и
записывать ее на матрицы CD-R и CD-RW. Актуальность CD-RW в
настоящее время также под большим вопросом.
DVD-ROM – устройство, способное читать не только обычные CD-
диски, но и компакт-диски DVD. Такие носители встречаются как
однослойные, так и двухслойные и отличаются емкостью: 4,7 Гбайт
(однослойные) и 8,5 Гбайт (двухслойные). Скоростная формула DVD-ROM
выглядит следующим образом: 16х (скорость одного икса составляет 1,385
Мбайт/с) для DVD и 52х для CD.
DVD-CD-RW Combo – так называемый Combo-драйв, который
сочетает в себе функции таких устройств, как DVD-ROM и CD-RW и,
соответственно, может записывать диски CD-R и CD-RW, считывать как
обычные CD, так и DVD.
DVD-RW – несомненный лидер рынка оптических приводов на
сегодняшний день. DVD-RW позволяет не только читать диски CD/DVD, но
и записывать как обычные CD-R/CD-RW-носители, так и более емкие DVD-
R/DVD-RW/DVD+R/DVD+RW.
Оптические приводы выпускаются в нескольких формфакторах. На
информационном рынке можно встретить данные устройства как во
внутреннем исполнении, так и во внешнем.
99
Наиболее распространенными являются внутренние приводы, которые
устанавливаются в 5,25-дюймовый отсек корпуса системного блока. Среди
таких устройств можно выделить два так называемых подтипа, которые
характеризуются по возможности загрузки: лоточный и щелевой. В первом
случае компакт-диск укладывается в выезжающий лоток, во втором просто
засовывается в щель, и устройство забирает его.
В случае использования внешнего оптического привода, устройство
подключается к персональному компьютеру посредством интерфейса USB
или FireWire. Дизайн таких устройств достаточно разнообразен – есть
большие, угловатые модели с внешним блоком питания, требующие
дополнительного питания от сети, есть и очень стильные Slim-модели,
которые способны работать без дополнительного питания.
100
Тема 4. Программное обеспечение информационных технологий
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Системное программное обеспечение.
2. Прикладное программное обеспечение.
3. Инструментальное программное обеспечение.
1. Системное программное обеспечение
Основой функционирования любого компьютера является принцип
программного управления, который заключается в том, что автоматическое
решение поставленной задачи реализуется в полном соответствии с той
программой, которая введена в память машины. Именно программа
определяет для компьютера то, какие операции ему необходимо выполнить,
над какими данными и в какой последовательности. Поэтому для обработки
данных на компьютере необходимо иметь не только аппаратное обеспечение
(hardware), но и программное обеспечение (software). В этом случае
компьютер можно рассматривать как комплекс аппаратных и программных
средств, обеспечивающих универсальность ее применения при решении
различных задач.
Совокупность необходимых программ, систем обработки информации
и программных документов, необходимых для эксплуатации этих программ
составляет программное обеспечение (ПО) компьютерной системы.
При построении классификации ПО нужно учитывать тот факт, что
стремительное развитие вычислительной техники и расширение сферы
приложения компьютеров резко ускорили процесс эволюции программного
обеспечения. Если раньше были основные категории ПО – операционные
системы, трансляторы, пакеты прикладных программ, то сейчас ситуация
коренным образом изменилась. Развитие ПО пошло как вглубь (появились
новые подходы к построению операционных систем, языков
программирования и т.д.), так и вширь (прикладные программы перестали
быть прикладными и приобрели самостоятельную ценность). Классические
программные продукты, такие, как операционные системы, непрерывно
101
развиваются и наделяются интеллектуальными функциями, многие из
которых ранее относились только к интеллектуальным возможностям
человека. Кроме того, появились нетрадиционные программы,
классифицировать которые по устоявшимся критериям очень трудно, а то и
просто невозможно, как, например, программа – электронный собеседник.
Различают три класса программного обеспечения:
системное программное обеспечение (системные программы),
выполняющее различные системные функции (управление работой
аппаратных средств компьютера, проверку работоспособности компьютера,
архивирование файлов, защиту данных и т.д.);
прикладное программное обеспечение (прикладные программы),
обеспечивающее выполнение задач, определяемых пользователем
(редактирование текстовой и графической информации, выполнение
расчетов, обработку информационных массивов и др.);
инструментальное программное обеспечение (инструментальные
программы или системы программирования), обеспечивающее создание
новых программ;
Системное программное обеспечение – это программы общего
пользования не связаны с конкретным применением ПК и выполняют
традиционные функции: планирование и управление задачами, управления
вводом-выводом и т.д.
Другими словами, системные программы выполняют различные
вспомогательные функции, например, создание копий используемой
информации, выдачу справочной информации о компьютере, проверку
работоспособности устройств компьютера и т.п.
К системному ПО относятся:
операционные системы (эта программа загружается в ОЗУ при
включении компьютера)
102
программы – оболочки (обеспечивают более удобный и наглядный
способ общения с компьютером, чем с помощью командной строки DOS,
например, Norton Commander)
операционные оболочки – интерфейсные системы, которые
используются для создания графических интерфейсов,
мультипрограммирования и.т.
драйверы (программы, предназначенные для управления портами
периферийных устройств, обычно загружаются в оперативную память при
запуске компьютера)
утилиты (вспомогательные или служебные программы, которые
представляют пользователю ряд дополнительных услуг)
Необходимо отметить, что часть утилит входит в состав операционной
системы, а другая часть функционирует автономно. Большая часть общего
(системного) ПО входит в состав ОС. Часть общего ПО входит в состав
самого компьютера (часть программ ОС и контролирующих тестов записана
в ПЗУ или ППЗУ, установленных на системной плате). Часть общего ПО
относится к автономными программам и поставляется отдельно.
Частью программного обеспечения, наиболее тесно
взаимодействующей с аппаратной частью компьютера, является системное
программное обеспечение и, прежде всего операционная система.
Операционная система играет роль посредника между пользователем,
программами и оборудованием компьютера. Она обеспечивает возможность
запуска программ, поддерживает работоспособность устройств,
предоставляет средства проверки и настройки различных компонентов. Чем
гибче и многофункциональнее операционная система, тем больше
возможностей она предоставляет, тем удобнее работать с компьютером.
Операционная система (ОС) – это комплекс (набор) программ, который
обеспечивает взаимодействие всех устройств ЭВМ и позволяет пользователю
осуществлять общее управление ЭВМ .
103
Главное назначение ОС – управление ресурсами, а главные ресурсы,
которыми она управляет, – это аппаратное обеспечение компьютера. ОС
управляет вычислительным процессом и информационным обменом между
процессором, памятью, внешними устройствами. Поскольку все устройства
компьютера работают одновременно, ОС обеспечивает разделение ресурсов,
предотвращая тем самым опасность возникновения конфликтных ситуаций
между компонентами вычислительной системы, способных привести к сбою
в работе, потере или искажении информации.
ОС реализует много различных функций, в том числе:
создает рабочую среду и поддерживает пользовательский интерфейс;
обеспечивает выполнение команд пользователя и программных
инструкций;
управляет аппаратными средствами компьютера;
обеспечивает разделение аппаратных ресурсов между программами;
планирует доступ пользователей к общим ресурсам;
обеспечивает выполнение операций ввода – вывода, хранения
информации и управление файловой системой;
осуществляет восстановление информации в случае аппаратных сбоев
и программных ошибок.
Развитие операционных систем всегда следовало за развитием
аппаратного обеспечения.
Операционную систему составляют:
управляющая программы;
набор утилит, необходимых для эксплуатации операционной системы.
Операционная система обычно хранится во внешней памяти
компьютера – на диске. При включении компьютера она считывается с
дисковой памяти и размещается в ОЗУ. Этот процесс называется загрузкой
операционной системы.
Операционную систему можно назвать программным продолжением
устройства управления компьютера. Операционная система скрывает от
104
пользователя сложные ненужные подробности взаимодействия с аппаратной
частью компьютера.
Требования к современным операционным системам:
совместимость – ОС должна включать средства для выполнения
приложений, подготовленных для других ОС;
переносимость – обеспечение возможности переноса ОС с одной
аппаратной платформы на другую;
надежность и отказоустойчивость – предполагает защиту ОС от
внутренних и внешних ошибок, сбоев отказов;
безопасность – ОС должна содержать средства защиты ресурсов одних
пользователей от других;
расширяемость – ОС должна обеспечивать удобство внесения
последующих изменений и дополнений;
производительность – система должна обладать достаточным
быстродействием.
По числу одновременно выполняемых задач выделяют ОС:
однозадачные (MS DOS, ранние версии PS DOS);
многозадачные (OS/2, UNIX, Windows)
Многозадачность бывает:
невытесняющая (Net Ware, Windows), когда активный процесс по
окончании сам передает управление ОС для выбора из очереди другого
процесса;
вытесняющая (Windows NT, OS/2, UNIX) – решение о переключении
процессора с одного процесса на другой принимает ОС.
По числу одновременно работающих пользователей ОС делят:
однопользовательские (MS DOS, Windows 3х, ранние версии OS/2)
многопользовательские (UNIX, Windows 2000, NT, XP, Vista). В
многопользовательских системах присутствуют средства защиты
информации пользователей от несанкционированного доступа.
Различают четыре основных класса операционных систем:
105
однопользовательские однозадачные, которые поддерживают одну
клавиатуру и могут работать только с одной (в данный момент) задачей;
однопользовательские однозадачные с фоновой печатью, которые
позволяют помимо основной задачи запускать одну дополнительную задачу,
ориентированную, как правило, на вывод информации на печать. Это
ускоряет работу при выдаче больших объемов информации на печать;
однопользовательские многозадачные, которые обеспечивают одному
пользователю параллельную обработку нескольких задач. Например, к
одному компьютеру можно подключить несколько принтеров, каждый из
которых будет работать на "свою" задачу;
многопользовательские многозадачные, позволяющие на одном
компьютере запускать несколько задач нескольким пользователям. Эти ОС
очень сложны и требуют значительных машинных ресурсов.
Операционная система для персонального компьютера,
ориентированного на профессиональное применение, должна содержать
следующие основные компоненты:
программы управления вводом/выводом;
программы, управляющие файловой системой и планирующие задания
для компьютера;
процессор командного языка, который принимает, анализирует и
выполняет команды, адресованные операционной системе.
Каждая операционная система имеет свой командный язык, который
позволяет пользователю выполнять те или иные действия:
обращаться к каталогу;
выполнять разметку внешних носителей;
запускать программы;
другие действия.
Анализ и исполнение команд пользователя, включая загрузку готовых
программ из файлов в оперативную память и их запуск, осуществляет
командный процессор операционной системы.
106
Для управления внешними устройствами компьютера используются
специальные системные программы – драйверы. Драйверы стандартных
устройств образуют в совокупности базовую систему ввода–вывода (BIOS),
которая обычно заносится в постоянное ЗУ компьютера.
Безусловно, развитие ОС тесно связано с развитием самих ЭВМ.
Ранние ЭВМ не предусматривали операционных систем, поэтому все
процессы запуска и остановки программ, подсоединение внешних устройств
производились вручную. Программирование велось исключительно на
машинном языке. В то время машины использовались скорее для научно-
исследовательских целей, а не для решения конкретных практических задач.
К началу 50-х годов с изобретением перфокарт – специальных карт, на
которые переносился алгоритм выполнения программы – ситуация несколько
изменилась, но в целом обслуживание и использование ЭВМ оставалось
недопустимо сложным.
Первый шаг к облегчению общения с машиной был сделан в конце 50-х
годов с изобретением пакетной обработки данных. Идея заключалась в том,
чтобы собрать полный пакет заданий (колоду перфокарт), перенести их на
магнитную ленту, а затем с помощью специальной программы (прообраза
современных ОС) последовательно запустить их на выполнение уже без
участия оператора. Такая обработка заданий значительно сократила время на
вспомогательные действия организации самого процесса вычисления. Людям
теперь не приходилось бегать по залу, чтобы передать результаты обработки
данных: они теперь выводились на принтер в автономном режиме (т.е. без
связи с главным компьютером). Однако имелся и существенный минус: из–за
того, что программисты лишились непосредственного доступа к ЭВМ,
времени на исправление ошибок в программах уходило гораздо больше.
Следующим шагом на пути к современным ОС было изобретение
принципа многозадачности. Раньше главный процессор мог простаивать
большую часть времени, ожидая команды ввода-вывода с магнитной ленты
или другого устройства. Естественно, это было очень неудобно, и при
107
коммерческой обработке информации такой простой мог занимать 80%
рабочего времени. Решением проблемы стало разбиение памяти на несколько
частей, каждой из которых давалось отдельное задание. Теперь процессор не
ждал завершения операции ввода–вывода, а переключался на уже готовую к
выполнению программу.
Вслед за многозадачностью появился режим разделения времени. Этот
режим был рассчитан на многотерминальные системы, когда каждый
пользователь мог работать за своим терминалом.
Все эти новшества, естественно, потребовали написание ОС, которые
могли бы использоваться как на больших, так и на малых машинах, как с
большим количеством периферийных устройств, так и с малым, в
коммерческой области и в области научных исследований. Соблюсти все эти
требования было очень непросто. Написанные тогда ОС содержали
миллионы строк, были очень сложными и содержали тысячи ошибок. Однако
и они внесли свой вклад в развитие ОС: некоторые технические приемы,
которые использовались в первых операционных системах, до сих пор живы
и присутствуют в современных ОС.
К середине 70-х годов широкое распространение получают мини-
компьютеры. Их архитектура была значительно упрощена, а ресурсы
ограничены. Все это нашло отражение и в ОС для таких компьютеров. Они
стали более компактными и значительно приблизились к понятиям о
современных ОС. Самой распространенной операционной системой того
времени была UNIX.
Настоящей революцией было изобретение в начале 80-х годов
кремниевых микросхем и как следствие появление первых персональных
компьютеров (ПК). С точки зрения архитектуры ПК ничем не отличались от
мини-компьютеров, но стоимость их была намного ниже. Это позволило
приобретать их не только университетам, предприятиям или
правительственным структурам, но и обычным людям. Популярная тогда ОС
UNIX была чересчур сложна для использования непрофессионалами. Стояла
108
задача создания дружественного интерфейса, т.е. предназначенного для
пользователя ничего не знающего и не желающего что-либо узнать. Тут-то и
появилась всем известная MS–DOS (MicroSoft Disk Operating System).
Следует отметить, что изначально MS–DOS имела интерфейс командной
строки, который был не слишком удобен. И уже много позже была создана
графическая среда для MS–DOS, названная Windows, которая впоследствии
сформировалась в самостоятельную ОС. Она – то и воплотила идею
графического интерфейса, состоящего из окон, значков, различных меню и
мыши.
Из истории развития ОС видно, что главной задачей операционной
системы всегда оставалось обеспечение удобного взаимодействия человека с
компьютером. Из года в год появляются все новые версии ОС, более
совершенные и с новыми возможностями, и история развития операционных
систем получает все новое и новое продолжение.
Файловый менеджер (англ. file mannager) – компьютерная программа,
предоставляющая интерфейс пользователя для работы с файловой системой
и файлами. Файловый менеджер позволяет выполнять наиболее частые
операции
– копирования, переноса, удаления, редактирования текстовых файлов,
гибкого запуска программ для работы с этими файлами…
Помимо основных функций, многие файловые менеджеры включают
ряд дополнительных возможностей, например, таких как работа с сетью
(через FTP, NFS и т. п.), резервное копирование, управление принтерами и
пр.
Существует два вида файловых менеджеров – навигационные и
ортодоксальные. Основное отличие – в последних имеется две панели,
реализована соответствующая модель работы.
Наиболее известные ортодоксальные файловые менеджеры: Norton
Commander, Dos Navigator, Volkov Commander, PIE Commander, FAR Man-
109
ager, Total Commander, POSIX (Linux, BSD и т. д.), Midnight Commander, Kru-
sader, GNOME Commander.
Навигационные файловые менеджеры: проводник Windows (англ.
Windows Explorer) – встроен в Windows, Mac OS X, Finder, Path Finder,
POSIX (Linux, BSD и т.д.), Konqueror – поставляется с KDE, Nautilus
(файловый менеджер) – поставляется с GNOME
Современный файловый менеджер должен: обеспечивать удобную
возможность работы с файлами, копировать, удалять, перемещать, создавать
редактировать текстовые файлы, запускать внешние программы для работы с
разными типами файлов, позволять с легкостью и удобством работать как
клавиатурой, так и с помощью мышки, поддерживать технологию плагинов и
настройку цветовых схем.
Утилита (англ. utility или tool) – компьютерная программа,
расширяющая стандартные возможности оборудования и операционных
систем, выполняющая узкий круг специфических задач.
Утилиты предоставляют доступ к возможностям (параметрам,
настройкам, установкам), недоступным без их применения, либо делают
процесс изменения некоторых параметров проще (автоматизируют его).
Утилиты зачастую входят в состав операционных систем или идут в
комплекте со специализированным оборудованием.
Функции утилит:
Мониторинг показателей датчиков и производительности
оборудования – мониторинг температур процессора, видоеадаптера; чтение
S.M.A.R.T. жестких дисков; бенчмарки.
Управление параметрами оборудования – ограничение максимальной
скорости вращения CD–привода; изменение скорости вращения кулеров.
Контроль показателей – проверка ссылочной целостности;
правильности записи данных.
Расширение возможностей – форматирование и/или переразметка
диска с сохранением данных, удаление без возможности восстановления.
110
Дисковые утилиты:
– проверка диска – поиск неправильно записанных либо поврежденных
различным путем файлов и участков диска и их последующее удаление для
эффективного использования дискового пространства. (CHKDSK, fsck,
Scandisk)
– очистка диска – удаление временных файлов, ненужных файлов,
чистка «корзины». (Очистка диска, CCleaner)
– разметка диска – деление диска на логические диски, которые могут
иметь различные файловые системы и восприниматься операционной
системой как несколько различных дисков.(PartitionMagic, GParted, fdisk)
– резервное копирование – создание резервных копий целых дисков и
отдельных файлов, а также восстановление из этих копий.
– сжатие дисков – сжатие информации на дисках для увеличения
вместимости жестких дисков.
Менеджеры процессов
AnVir Task Manager
Утилиты работы с реестром
CCleaner
Reg Organizer
Утилиты мониторинга оборудования и бенчмарки
SpeedFan
Тесты оборудования
Примеры:
Microsoft Scandisk – утилита компании Microsoft, с помощью которой
можно исправлять ошибки в структуре жесткого диска, искать и помечать
«испорченные» блоки, преобразовывать в файлы, или удалять «потерянные»
кластеры.
CCleaner (ранее известная как Crap Cleaner) – это бесплатная утилита,
которая удаляет неиспользуемые и ненужные, а также временные файлы
Интернета, созданные всеми известными браузерами. Утилита также находит
111
и исправляет проблемы, такие, как неиспользуемых расширений файлов и
применение путей в реестре Windows, а также очистки временных файлов,
которые Windows использует. Программа способна проводить надежное
многопроходное удаление файлов из корзины.
Архивные файлы – это документы, рисунки и др. файлы, которые
специально сжаты (упакованы) с целью более рационального размещения на
диске или для передачи по электронной почте через интернет. При этом
архивный файл занимает в несколько раз меньше места и может быть
свободно размещен на диске или более быстро отправлен по электронной
почте.
Архивные файлы широко используются для передачи информации в
Интернете и по электронной почте, причем благодаря сжатию информации
повышается скорость ее передачи.
Архиваторы – это специальные программы, которые позволяют
работать с архивными файлами, т.е. запаковывать и распаковывать архивные
файлы.
Необходимость архивации связана также с необходимостью резервного
копирования информации на диски с целью сохранения ценной информации
и программного обеспечения компьютера для защиты от повреждения и
уничтожения (умышленного или случайного, под действием компьютерного
вируса).
Архиваторы позволяют сжимать информацию в памяти компьютера
при помощи специальных математических методов. При этом создается
копия файла меньшего размера. В одном архиве может хранится сразу
несколько файлов или даже несколько папок. Это дает возможность
разместить больше информации на диске.
Коэффициент сжатия характеризует процентное отношение сжатого
(архивного) файла по отношению к исходному. Однако удобнее использовать
обратное отношение, которое показывает во сколько раз архивный файл
меньше исходного.
112
В файловой системе компьютера архивные файлы имеют строго
заданный тип (расширение). Так, наиболее часто встречающиеся архивы
имеют тип: ZIP, RAR, ARJ. Кроме них на компьютерах используются
архивы: CAB, LZH, TAR, GZ, UUE, BZ2, ISO и др.
2. Прикладное программное обеспечение
Прикладные программы могут использоваться автономно или в составе
программных комплексов или пакетов. Прикладное ПО – программы,
непосредственно обеспечивающие выполнение необходимых работ на ПК:
редактирование текстовых документов, создание рисунков или картинок,
создание электронных таблиц и т.д.
Пакеты прикладных программ – это система программ, которые по
сфере применения делятся на проблемно – ориентированные, пакеты общего
назначения и интегрированные пакеты. Современные интегрированные
пакеты содержат до пяти функциональных компонентов: тестовый и
табличный процессор, СУБД, графический редактор, телекоммуникационные
средства.
К прикладному ПО, например, относятся:
o Комплект офисных приложений MS OFFICE
o Бухгалтерские системы
o Финансовые аналитические системы
o Интегрированные пакеты делопроизводства
o CAD – системы (системы автоматизированного
проектирования)
o Редакторы HTML или Web – редакторы
o Браузеры – средства просмотра Web – страниц
o Графические редакторы
o Экспертные системы и так далее.
Пакеты прикладных программ (ППП) – это специальным образом
организованные программные комплексы, рассчитанные на общее
113
применение в определенной проблемной области и дополненные
соответствующей технической документацией.
В зависимости от характера решаемых задач различают следующие
разновидности ППП:
пакеты для решения типовых инженерных, планово–экономических,
общенаучных задач;
пакеты системных программ;
пакеты для обеспечения систем автоматизированного проектирования
и систем автоматизации научных исследований;
пакеты педагогических программных средств и другие.
Чтобы пользователь мог применить ППП для решения конкретной
задачи, пакет должен обладать средствами настройки.
Каждый ППП обладает обычно рядом возможностей по методам
обработки данных и формам их представления, полноте диагностики, что
дает возможность пользователю выбрать подходящий для конкретных
условий вариант.
ППП обеспечивают значительное снижение требований к уровню
профессиональной подготовки пользователей в области программирования,
вплоть до возможности эксплуатации пакета без программиста.
Часто пакеты прикладных программ располагают базами данных для
хранения данных и передачи их прикладным программам.
Интегрированные пакеты представляют собой набор нескольких
программных продуктов, объединенных в единый удобный инструмент.
Наиболее развитые из них включают в себя текстовый редактор, органайзер,
электронную таблицу, СУБД, средства поддержки электронной почты,
программу создания презентационной графики.
Результаты, полученные отдельными подпрограммами, могут быть
объединены в окончательный документ, содержащий табличный,
графический и текстовый материал.
114
Интегрированные пакеты, как правило, содержат некоторое ядро,
обеспечивающее возможность тесного взаимодействия между
составляющими.
Электронные записные книжки, текстовые редакторы, текстовые
процессоры, редакционно–издательские системы, программы–переводчики,
программы автореферирования текста, программы и программные модули
проверки орфографии, подбора синонимов, лингвистические корректоры,
системы, осуществляющие интеллектуальный поиск и обработку текстов,
размещенных в сетях и др.
Текстовый редактор – это программа, используемая специально для
ввода и редактирования текстовых данных.
Основными функции этого класса прикладных программ заключаются
в вводе и редактировании текстовых данных. Дополнительные функции
состоят в автоматизации процессов ввода и редактирования.
Основные функции текстового редактора:
обеспечение ввода текста с клавиатуры или из существующего файла;
редактирование текста (добавление, изменение, удаление или
копирование фрагментов текста и т.д.);
оформление текста (выбор шрифта, выравнивания, установление
межстрочного, межабзацного интервалов и т.п.);
размещение текста на странице (установка размера страницы, полей,
отступов; разбиение на колонки и пр.)
сохранение текста в файле на внешнем носителе или получение
твердой копии (печать текста);
проверка орфографии, подбор синонимов, поиск и замена;
система подсказок и т.д.
Наиболее распространенные текстовые редакторы: Лексикон, Edit,
Слово и дело, Ched, NotePad, Write, Word Pad, Блокнот.
Текстовый процессор отличается от текстового редактора более
широкими функциональными возможностями, а именно:
115
настраиваемое пользователем меню;
использование контекстного меню;
сопровождение текста таблицами и проведение в них простейших
расчетов;
вставка графических объектов или создание рисунков с помощью
встроенных инструментов;
вставка формул, графиков, диаграмм;
оформление текста списками, буквицами;
использование инструмента автокоррекции текста и его
автореферирования;
фоновая проверка орфографии, синтаксиса и др.
Наиболее распространенные текстовые процессоры: Word (Microsoft
Office), Word Pro (Lotus SmartSuite), WordPerfect (Perfect Office),
WordExpress, Accent, StratusPad – это коммерческие продукты. Существует
также альтернативное свободное программное обеспечение для работы с
текстом: Emacs, Vim, OpenOffice.org Writer, PolyEdit, Angel Writer и др.
Редакционно–издательские системы (верстка) должны обеспечивать
все функции текстового процессора, а также:
воспринимать тексты, созданные в различных текстовых редакторах;
воспринимать отсканированные или нарисованные в графических
редакторах иллюстрации, созданные на разных платформах ПК, и
корректировать их цвета;
иметь больший набор шрифтов и возможность их графического
преобразования (сжатие, растяжение);
возможность для различного "обтекания" рисунка текстом;
обеспечивать автоматическое составление оглавления текста,
автоматическое оптимальное размещение текста на странице;
обеспечивать адаптацию к различным печатающим устройствам и т.д.
Полнофункциональные издательские системы – Microsoft Publisher,
Corel Ventura и Adobe PageMaker, FrameMaker, QuarkXPress, Ventura
116
Publisher. Издательские системы незаменимы для компьютерной верстки и
графики.
Электронные таблицы, пакеты прикладных программ (ППП) для
статистической обработки данных, специализированные математические
ППП. Электронные таблицы (SuperCalc, Excel, Lotus, Quattro Pro, SDSS
Spreadsheet, VistaCalc, GS–Calc и др.) относятся к классу систем обработки
числовой информации, называемых Spreadsheet. Буквальный перевод
термина "spreadsheet" c английского языка означает "расстеленный лист
(бумаги)". Области применения электронных таблиц: бухгалтерский и
банковский учет; планирование распределения ресурсов; проектно–сметные
работы; инженерно–технические расчеты; статистическая обработка
больших массивов информации; исследование динамических процессов.
Табличный процессор – это комплекс взаимосвязанных программ,
предназначенный для обработки электронных таблиц.
Электронная таблица – это компьютерный эквивалент обычной
таблицы, состоящей из строк и граф, на пересечении которых располагаются
ячейки, в которых содержится числовая информация, формулы или текст.
Электронные таблицы представляют комплексные средства для
хранения типов данных и их обработки. В некоторой степени они
аналогичны системам управления базами данных, но основной акцент
смещен не на хранение массивов данных и обеспечение к ним доступа, а на
преобразование данных, причем в соответствии с их внутренним
содержанием.
В отличие от баз данных, которые обычно содержат широких спектр
типов данных (от числовых и текстовых до мультимедийных), для
электронных таблиц характерна повышенная сосредоточенность на числовых
данных.
Основное свойство электронных таблиц состоит в том, что при
изменении содержания любых ячеек таблицы может происходить
автоматическое изменение содержания во всех прочих ячейках, связанных с
117
изменениями соотношением заданным математическими или логическими
выражениями (формулами). Простота и удобство работы с электронными
таблицами снискали им широкое применение в сфере бухгалтерского учета, в
качестве универсальных инструментов анализа финансовых, сырьевых и
товарных рынков, доступных средств обработки результатов технических
испытаний, то есть всюду, где необходимо автоматизировать регулярно
повторяющиеся вычисления достаточно больших объемов числовых данных.
Основные возможности электронных таблиц: решение расчетных
задач, проведение вычислений по формулам, заданным пользователем;
решение оптимизационных задач; анализ и моделирование на основе
результатов вычислений; оформление таблиц, отчетов; построение диаграмм
требуемого вида; распространение и просмотр электронных таблиц всеми
участниками рабочей группы и другое.
Преимущества использования ЭТ при решении задач:
решение задач с помощью электронных таблиц освобождает от
составления подробного алгоритма решения задачи и отладки
соответствующей программы.
при использовании однотипных формул используется копирование
формулы в нужные ячейки.
изменение содержимого любой ячейки приводит к автоматическому
пересчету значений всех ячеек таблицы, в которых есть ссылки на данную.
исходные данные и результаты расчетов можно анализировать как в
числовом виде, так и представить их с помощью деловой графики.
Изменение данных, по которым строились графики, автоматически отразится
в изменении графического образа.
Пакеты статистической обработки (Systat, Statistica, Stadia и др.)
предназначены, как это ясно из названия, для проведения статистической
обработки больших массивов данных. Многие электронные таблицы
позволяют пользователю рассчитать не только простые статистические
показатели, но и произвести более сложные расчеты с использованием
118
встроенных статистических функций: вычисление коэффициентов
корреляции, характеризующих степень сходства результатов разных
измерений, ранг числа в списке чисел, коэффициенты функций
распределения данных и многое другое. Пакеты статистической обработки
имеют развитые средства графического представления исходных данных и
результатов расчета. Это не только двумерные диаграммы и графики, но и
многомерные изображения.
Универсальные пакеты содержат такие разделы математической
статистики, как описательная статистика, парные категории, анализ
факторных эффектов, анализ временных рядов, многомерные методы,
методы контроля качества и др. Парные критерии оценивают различия
между двумя совокупностями данных. Многомерные методы
(дискриминантный, кластерный) позволяют по экономическим показателям
выделить группы сходных предприятий.
Математические пакеты (Eureka, Mathcad, Mathcad Professional, Matlab,
Maple, Mathematica и др.) позволяют решить практически любую
математическую задачу и представить результаты расчетов в табличном или
графическом виде. Многие математические пакеты имеют развитые средства
построения трехмерных поверхностей, задаваемых с помощью функций.
Программные средства работы с графикой – это обширный класс
программ, предназначенных для воздания и (или) обработки графических
изображений: графические редакторы, графические процессоры, аниматоры;
программные средства для работы с трехмерной графикой; средства деловой
графики; средства для создания презентаций, средства моделирования и
проектирования.
По своему "профессиональному" назначению средства компьютерной
графики и анимации можно подразделить на следующие группы:
пакеты компьютерной графики для полиграфии – позволяют дополнять
текст иллюстрациями разного происхождения, создавать дизайн страниц и
выводить полиграфическую продукцию на печать с высоким качеством;
119
программы двумерной компьютерной живописи – графические
редакторы;
презентационные пакеты, используемые как средства создания
разнообразных слайдов для сопровождения докладов, выступлений,
рекламных акций;
программы двумерной анимации, используемые для создания
динамических изображений и спецэффектов в кино;
программы для двумерного и трехмерного моделирования,
применяемые для дизайнерских и инженерных разработок;
пакеты трехмерной анимации, используемые для создания рекламных и
музыкальных клипов и кинофильмов;
комплексы для обработки видеоизображений, необходимые для
наложения анимационных спецэффектов на видеозапись;
программы для научной визуализации.
Графические редакторы (Painter, Corel Draw, FreeHand, Picture Man и
др.) предназначены преимущественно для просмотра, создания и
редактирования плоскостных (двумерных) статичных изображений.
Графические процессоры (Adobe Photoshop, Adobe Illustrator)
предназначены не столько для создания, сколько для преобразования
существующих изображений, полученных путем сканирования, цифровой
фотографии и т.д. Они включают в себя в качестве инструментов для
обработки изображений разнообразные эффекты.
Графический редактор – это программа, предназначенная для
автоматизации процессов построения на экране дисплея графических
изображений. Предоставляет возможности рисования линий, кривых,
раскраски областей экрана, создания надписей различными шрифтами и т.д.
В данном классе различают следующие категории:
растровые редакторы,
векторные редакторы
3D – редакторы – программные средства для создания и обработки
120
трехмерной графики.
Растровые редакторы применяют в тех случаях, когда графический
объект представлен в виде комбинации точек, образующих растр и
обладающий свойствами яркости и цвета. Такой подход эффективен в тех
случаях, когда графическое изображение имеет много полутонов и
информация о цвете элементов, составляющих объект, важнее, чем
информация об их форме. Это характерно для фотографических и
полиграфических изображений. Растровые редакторы широко применяют
для обработки изображений, их ретуши, создания фотоэффектов и
художественных композиций (коллажей).
Возможности создания новых изображений средствами растровых
редакторов ограничены и не всегда удобны. В большинстве случаев
художники предпочитают пользоваться традиционными инструментами,
после чего вводить рисунок в компьютер с помощью специальных
аппаратных средств (сканеров) и завершать работу с помощью растрового
редактора путем применения спецэффектов.
Векторные редакторы отличаются от растровых способом
представления данных об изображении. Элементарным объектом векторного
изображения является не точка, а линия. Такой подход характерен для
чертежно–графических работ, в которых форма линий имеет большее
значение, чем информация о цвете отдельных точек, составляющих ее. В
векторных редакторах каждая линия рассматривается как математическая
кривая третьего порядка и, соответственно, представляется не комбинацией
точек, а математической формулой (в компьютере хранятся числовые
коэффициенты этой формулы). Такое представление намного компактнее,
чем растровое, соответственно данные занимают много меньше места,
однако построение любого объекта выполняется не простым отображением
точек на экране, а сопровождается непрерывным пересчетом параметров
кривой в координаты экранного или печатного изображения.
121
Соответственно, работа с векторной графикой требует более
производительных вычислительных систем.
Из элементарных объектов (линий) создаются простейшие
геометрические объекты (примитивы) из которых, в свою очередь,
составляются законченные композиции. Художественная иллюстрация,
выполненная средствами векторной графики, может содержать десятки
тысяч простейших объектов, взаимодействующих друг с другом.
Векторные редакторы удобны для создания изображений, но
практически не используются для обработки готовых рисунков. Нашли
широкое применение в рекламном бизнесе, их применяют для оформления
обложек полиграфических изданий и всюду, где стиль художественной
работы близок к чертежному.
Редакторы трехмерной графики используют для создания трехмерных
композиций. Имеют 2 характерные особенности:
во–первых, они позволяют гибко управлять взаимодействием свойств
поверхности изображаемых объектов со свойствами источников освещения;
во–вторых, позволяют создавать трехмерную анимацию.
Поэтому редакторы трехмерной графики нередко называют также 3D–
аниматорами.
Программы аниматоры (Animator Pro, PowerAnimator, Animation Works
Interactive, Animo и др.) могут создавать и работать как с двумерными, так и
с трехмерными изображениями. В отличие от традиционной анимации, где
каждый кадр рисуется вручную, в компьютерной двумерной анимации
значительную часть рутинной работы берет на себя программа. Используя
специальные инструменты пользовательского меню таких программ, можно
задать движение по определенной траектории (автоматически будут созданы
соответствующие промежуточные кадры) или плавно изменить палитру в
течение нескольких кадров (например, постепенно затемнить изображение
или убрать часть цветов).
122
Программы двумерного и трехмерного моделирования (AutoCAD,
Sketch, Ray Dream Designer, Crystal 3D Designer, AutoStudio и др.)
применяются для дизайнерских и инженерных разработок инженерами–
конструкторами, архитекторами, технологами и др.
Программы для научной визуализации (Surfer, Grapher, IRIS Explorer,
PV–Wave, Khronos, Data Visualizer, MapViewer и др.) могут быть
предназначены для различных целей – от решения проблем муниципального
планирования до визуализации солнечных взрывов.
Музыкальные редакторы, синтезаторы звуков, в частности,
синтезаторы речи, системы автоматического распознавания речи, звуковые
редакторы, голосовые навигаторы, позволяющие реализовать речевой
интерфейс пользователя, программы диктовки, позволяющие
преобразовывать речь в "письменный" текст, программы для улучшения
качества фонограмм и др.
С появлением в 1989 г. звуковых карт, перед пользователями
открылись новые возможности. И дело даже не в том, что на порядок
улучшилось качество звука. Появилась звуковая подсистема – комплекс
программно–аппаратных средств, предназначенный для:
записи звуковых сигналов, поступающих от внешних источников. В
процессе записи входные аналоговые звуковые сигналы преобразуются в
цифровые и далее могут быть сохранены на винчестере ПК;
воспроизведения записанных ранее звуковых данных с помощью
внешней акустической системы или головных телефонов (наушников),
воспроизведения звуковых компакт–дисков;
обработки звуковых сигналов: редактирования, объединения или
разделения фрагментов сигнала, фильтрации, изменения его уровня и т.п.;
генерирования с помощью синтезатора звучания музыкальных
инструментов (мелодичных и ударных), а также человеческой речи и любых
других звуков;
123
микширования (смешивания) при записи или воспроизведении
сигналов от нескольких источников;
управления панорамой стереофонического звукового сигнала
(кажущимся расположением источников звука) и уровнем сигнала в каждом
канале при записи и воспроизведении;
управления работой внешних электронных музыкальных инструментов
через специальный интерфейс MIDI (Musical Instrument Device Interface);
управление компьютером и ввод текста с помощью микрофона.
К программным средствам ввода и обработки звуковой информации
относятся в основном музыкальные редакторы, синтезаторы звуков, в
частности, синтезаторы речи, программы для распознавания речи, редакторы
оцифровок реальных звуков (самплов), звуковые редакторы, генераторы
стилей звучания музыкальных инструментов, программы для улучшения
качества фонограмм и др.
Наиболее популярными программными средствами для синтеза,
обработки и воспроизведения звука являются Adagio, TiMidity, Playmidi,
Tracker, Gmod, MikMod, XAudio, S3mod, Nspmod, Yampmod и др.
Обpаботка звука обычно направлена на получение новых звуков из уже
существующих (например, голос робота), либо придание им дополнительных
качеств или устранение существующих (например, добавление эффекта хора,
удаление шума или щелчков).
Программы обработки цифрового звука (Cool Editor, Sound Forge,
Samplitude, Software Audio Workshop) дают возможность прослушивать
выбранные участки, делать вырезки и вставки, амплитудные и частотные
преобразования, звуковые эффекты (эхо, реверберацию, фленжеp, дистошн),
наложение других оцифровок, изменение частоты оцифровки, генерировать
различные виды шумов, синтезировать звук.
Монтаж и редактирование. Состоит в вырезании из записи одних
участков, вставке других, их замене, размножении и т.п. Практически
каждый музыкальный редактор имеет такие возможности редактирования.
124
Все современные звуко– и видеозаписи в той или иной мере подвергаются
монтажу.
Амплитудные преобразования, например, усиление или ослабление
звука.
Частотные (спектральные) преобразования, например, фильтрация –
усиление или ослабление определенных полос частот.
Фазовые преобразования. Слуховой аппарат человека использует фазу
для определения направления на источник звука. Фазовые преобразования
стереозвука позволяют получить эффекты вращающегося звука,
движущегося источника звука и им подобные.
Временные преобразования. Заключаются в добавлении к основному
сигналу его копий, сдвинутых во времени на различные величины. При
небольших сдвигах – это дает эффект размножения источника звука, при
больших – эффект эха.
Формантные преобразования оперируют с формантами – характерными
полосами частот, встречающимися в звуках, произносимых человеком.
Каждому звуку соответствует свое соотношение амплитуд и частот
нескольких формант, которое определяет тембр и разборчивость голоса.
Обработка речевой информации включает в себя синтез речи и
автоматическое распознавание речи.
В настоящее время сфера применения синтезаторов речи непрерывно
расширяется: используются различные автоматизированные
информационно–справочные системы, системы автоматизированного
контроля, способные голосом предупредить человека о состоянии
контролируемого объекта, другие системы.
Разработаны устройства, позволяющие преобразовать письменный
текст в соответствующее ему фонемное представление, что позволяет
воспроизводить в виде речи произвольный текст, хранящийся в памяти
компьютера. Немало усилий было положено на то, чтобы снабдить
программы и операционные системы графическим интерфейсом
125
пользователя. Сейчас развивается новое направление – речевой интерфейс
пользователя. Голосовые навигаторы (PilotVoice, Listen, Just Voice, Speech
Recognizer, QwickSwitchBitWare) управляют программами, в какой–то мере
заменяя клавиатуру и мышь.
Растет популярность средств автоматического распознавания речи
(Automated Speech Recognition, ASR). Системы ASR (программы диктовки
DragonDictate, Office TalkKolvox Communication) преобразуют речь в
закодированный "письменный" текст. Для этого производится спектральный
анализ оцифрованной речи и определяются при помощи специальных
математических методов минимальные звуковые единицы языка – фонемы.
Деятельность человека постоянно связана с накоплением информации
об окружающей среде, ее отбором и хранением при решении различных
задач. Информационные системы, основное назначение которых –
информационное обеспечение пользователя, т.е. предоставление ему
необходимых сведений из определенной предметной области, помогают
человеку решать задачи быстрее и качественнее.
Любая информационная система предназначена для решения
некоторого класса задач, включает в себя как хранилище данных, так и
средства для реализации информационных процедур. Данные, хранящиеся в
запоминающих устройствах, структурированные таким образом, чтобы их
могли использовать различные программы, получили название баз данных
(БД). Средства создания и управления этими данными получили название
систем управления базами данных (СУБД).
База данных – множество данных, организованных для быстрого и
удобного способа поиска и извлечения.
Система управления базами данных – совокупность программ и
языковых средств, предназначенных для создания, ведения и использования
баз данных.
В состав СУБД входят:
126
управляющие программы, обеспечивающие взаимосвязь с ОС,
обработку команд пользователя, очередность их выполнения, контроль
завершения операций и пр.;
обрабатывающие программы, включая трансляторы с языков описания
данных, языков запросов и языков программирования, редакторы, отладчики;
сервисные программы, обеспечивающие удобный для пользователя
интерфейс;
прикладные программы, выполняющие обработку найденных системой
данных, вычисления, формирование выходных документов по заданной
форме и пр.
Банки данных хранят сведения из самых разных областей человеческой
деятельности: это библиотечное и банковское дело, образование и медицина,
управление предприятием и государством, право, экология, транспорт,
туризм и многое другое. Количество информации, содержащейся в
некоторых банках данных, измеряется миллиардами байт. Internet можно
рассматривать как гигантский банк данных.
База данных может входить в банк данных, а может использоваться
автономно. База данных может содержать информацию практически любого
типа. Данные в одной базе данных обычно относятся к какой–либо одной
предметной области. Более точно можно сказать, что информация об объекте
или отношениях объектов, выраженная в знаковой форме, образует данные.
Для любой базы данных можно говорить о ее логической организации
и о ее физической организации.
Физическая организация – это способ представления, размещения и
хранения данных на носителе.
Логическая организация представляет собой модель структуры всей
совокупности данных. По сути, это способ объединения данных в записи, это
"взгляд" на данные с точки зрения их использования в прикладных
программах.
127
Наиболее распространенными способами логической организации
данных в БД являются табличный, древовидный, сетевой. Каждый способ
имеет свои преимущества и недостатки. Выбор способа представления
данных зависит от особенностей предметной области и тех задач, которые
предполагается решать с помощью этих данных.
Системы управления базами данных обычно поддерживают какую–
нибудь одну из моделей организации данных, т.е. с их помощью можно
создать базу данных вполне определенного типа. Наиболее распространены
реляционные СУБД. Это такие известные программные средства, как dBASE,
Ребус, Lotus, FoxPro, Clipper, Access, Paradox и многие другие.
К СУБД иерархического типа можно отнести многие системы
управления файлами, в частности Norton Commander, Far Manager, Диспетчер
файлов и пр. Большинство СУБД, предназначенных для создания и ведения
библиотечных баз данных, также иерархического типа.
СУБД сетевого типа используются преимущественно в
автоматизированных системах управления и системах управления
корпоративными бизнес–процессами.
3. Инструментальное программное обеспечение
Инструментальное ПО или системы программирования – это системы
для автоматизации разработки новых программ на языке программирования.
В самом общем случае для создания программы на выбранном языке
программирования (языке системного программирования) нужно иметь
следующие компоненты:
1. Текстовый редактор для создания файла с исходным текстом
программы.
2. Компилятор или интерпретатор. Исходный текст с помощью
программы–компилятора переводится в промежуточный объектный код.
Исходный текст большой программы состоит из нескольких модулей
(файлов с исходными текстами). Каждый модуль компилируется в отдельный
файл с объектным кодом, которые затем надо объединить в одно целое.
128
3. Редактор связей или сборщик, который выполняет связывание
объектных модулей и формирует на выходе работоспособное приложение –
исполнимый код.
Исполнимый код – это законченная программа, которую можно
запустить на любом компьютере, где установлена операционная система, для
которой эта программа создавалась. Как правило, итоговый файл имеет
расширение .ЕХЕ или .СОМ.
4. В последнее время получили распространение визуальный методы
программирования (с помощью языков описания сценариев),
ориентированные на создание Windows–приложений. Этот процесс
автоматизирован в средах быстрого проектирования. При этом используются
готовые визуальные компоненты, которые настраиваются с помощью
специальных редакторов.
Наиболее популярные редакторы (системы программирования
программ с использованием визуальных средств) визуального
проектирования:
Borland Delphi – предназначен для решения практически любых задачи
прикладного программирования.
Borland C++ Builder – это отличное средство для разработки DOS и
Windows приложений.
Microsoft Visual Basic – это популярный инструмент для создания
Windows–программ.
Microsoft Visual C++ – это средство позволяет разрабатывать любые
приложения, выполняющиеся в среде ОС типа Microsoft Windows.
В настоящее время в мире существует несколько сотен реально
используемых языков программирования, для каждого из которых
существует своя область применения. В зависимости от степени детализации
предписаний обычно определяется уровень языка программирования – чем
меньше детализация, тем выше уровень языка. По этому критерию можно
выделить следующие уровни языков программирования:
129
машинные;
машинно–ориентированные (ассемблеры);
машинно–независимые (языки высокого уровня).
Машинные языки и машинно–ориентированные языки – это языки
низкого уровня, требующие указания мелких деталей процесса обработки
данных.
Языки же высокого уровня имитируют естественные языки, используя
некоторые слова разговорного языка и общепринятые математические
символы. Эти языки более удобны для человека.
Языки высокого уровня делятся на:
алгоритмические (Basic, Рascal, C и др.), которые предназначены для
однозначного описания алгоритмов;
логические (Рrolog, Lisр и др.), которые ориентированы не на
разработку алгоритма решения задачи, а на систематическое и
формализованное описание задачи с тем, чтобы решение следовало из
составленного описания.
объектно–ориентированные (Object Рascal, C++, Java и др.), в основе
которых лежит понятие объекта, сочетающего в себе данные и действия над
нами. Программа на объектно–ориентированном языке, решая некоторую
задачу, по сути описывает часть мира, относящуюся к этой задаче. Описание
действительности в форме системы взаимодействующих объектов
естественнее, чем в форме взаимодействующих процедур.
Каждый компьютер имеет свой машинный язык, то есть свою
совокупность машинных команд, которая отличается количеством адресов в
команде, назначением информации, задаваемой в адресах, набором операций,
которые может выполнить машина и др.
При программировании на машинном языке программист может
держать под своим контролем каждую команду и каждую ячейку памяти,
использовать все возможности имеющихся машинных операций.
130
Процесс написания программы на машинном языке очень трудоемкий
и утомительный. Программа получается громоздкой, труднообозримой, ее
трудно отлаживать, изменять и развивать. В случае, когда нужно иметь
эффективную программу, в максимальной степени учитывающую специфику
конкретного компьютера, вместо машинных языков используют близкие к
ним машинно–ориентированные языки (ассемблеры).
Язык Ассемблера – это система обозначений, используемая для
представления в удобочитаемой форме программ, записанных в машинном
коде.
Он позволяет программисту пользоваться текстовыми мнемоническими
(то есть легко запоминаемыми человеком) кодами, по своему усмотрению
присваивать символические имена регистрам компьютера и памяти, а также
задавать удобные для себя способы адресации. Кроме того, он позволяет
использовать различные системы счисления (например, десятичную или
шестнадцатеричную) для представления числовых констант, использовать в
программе комментарии и др. Перевод программы с языка ассемблера на
машинный язык осуществляется специальной программой, которая также
называется ассемблером и является, по сути, простейшим транслятором.
Транслятор (англ. translator – переводчик) – это программа–переводчик,
которая преобразует программу, написанную на одном из языков высокого
уровня, в программу, состоящую из машинных команд .
Трансляторы реализуются в виде компиляторов или интерпретаторов.
С точки зрения выполнения работы компилятор и интерпретатор
существенно различаются.
С помощью языка программирования создается не готовая программа,
а только ее текст, описывающий ранее разработанный алгоритм. Чтобы
получить работающую программу, надо этот текст либо автоматически
перевести в машинный код (для этого служат программы–компиляторы) и
затем использовать отдельно от исходного текста, либо сразу выполнять
131
команды языка, указанные в тексте программы (этим занимаются
программы–интерпретаторы).
Компилятор (англ. compiler – составитель, собиратель) читает всю
программу целиком, делает ее перевод и создает законченный вариант
программы на машинном языке, который затем и выполняется .
Компилятор полностью обрабатывает весь текст программы (он иногда
называется исходный код), просматривая его в поисках синтаксических
ошибок (иногда несколько раз), выполняет определенный смысловой анализ
и затем автоматически переводит (транслирует) на машинный язык –
генерирует машинный код. Нередко при этом выполняется оптимизация с
помощью набора методов, позволяющих повысить быстродействие
программы (например, с помощью инструкций, ориентированных на
конкретный процессор, путем исключения ненужных команд,
промежуточных вычислений и т.д.). В результате законченная программа
получается компактной и эффективной, работает в сотни раз быстрее
программы, выполняемой с помощью интерпретатора, и может быть
перенесена на другие компьютеры с процессором, поддерживающим
соответствующий машинный код.
Основной недостаток компиляторов – трудоемкость трансляции языков
программирования, ориентированных на обработку данных сложной
структуры, часто заранее неизвестной или динамически меняющейся во
время работы программы. Тогда в машинный код приходится вставлять
множество дополнительных проверок, анализировать наличие ресурсов
операционной системы, динамически их захватывать и освобождать,
формировать и обрабатывать в памяти компьютера сложные объекты, что на
уровне жестко заданных машинных инструкций осуществить довольно
трудно, а для ряда задач практически невозможно.
Интерпретатор (англ. interpreter – истолкователь, устный переводчик)
переводит и выполняет программу строка за строкой.
132
Интерпретатор берет очередной оператор языка их текста программы,
анализирует его структуру и затем сразу исполняет (обычно после анализа
оператор транслируется в некоторое промежуточное представление или даже
машинный код для более эффективного дальнейшего исполнения). Только
после того как текущий оператор успешно выполнен, интерпретатор
перейдет к следующему. При этом, если один и тот же оператор должен
выполняться в программе многократно, интерпретатор всякий раз будет
выполнять его так, как будто встретил впервые. Вследствие этого,
программы, в которых требуется осуществить большой объем
повторяющихся вычислений, могут работать медленно. Кроме того, для
выполнения такой программы на другом компьютере там также должен быть
установлен интерпретатор – ведь без него текст программы является просто
набором символов.
По–другому, можно сказать, что интерпретатор моделирует некую
виртуальную вычислительную машину, для которой базовыми инструкциями
служат не элементарные команды процессора, а операторы языка
программирования.
С помощью интерпретатора допустимо в любой момент остановить
работу программы, исследовать содержимое памяти, организовать диалог с
пользователем, выполнить сколь угодно сложные преобразования данных и
при этом постоянно контролировать состояние окружающей программно–
аппаратной среды, благодаря чему достигается высокая надежность работы.
Интерпретатор при выполнении каждого оператора проверяет множество
характеристик операционной системы и при необходимости максимально
подробно информирует разработчика о возникающих проблемах. Кроме того,
интерпретатор удобен для использования в качестве инструмента изучения
программирования, так как позволяет понять принципы работы любого
отдельного оператора языка.
После того, как программа откомпилирована, ни сама исходная
программа, ни компилятор больше не нужны. В то же время программа,
133
обрабатываемая интерпретатором, должна заново переводиться на
машинный язык при каждом очередном запуске программы.
Откомпилированные программы работают быстрее, но
интерпретируемые проще исправлять и изменять.
Каждый конкретный язык ориентирован либо на компиляцию, либо на
интерпретацию – в зависимости от того, для каких целей он создавался.
Иногда для одного языка имеется и компилятор, и интерпретатор. В
этом случае для разработки и тестирования программы можно
воспользоваться интерпретатором, а затем откомпилировать отлаженную
программу, чтобы повысить скорость ее выполнения.
В реальных системах программирования перемешаны технологии и
компиляции, и интерпретации. В процессе отладки программа может
выполняться по шагам, а результирующий код не обязательно будет
машинным – он даже может быть исходным кодом, написанным на другом
языке программирования (это существенно упрощает процесс трансляции, но
требует компилятора для конечного языка), или промежуточным
машиннонезависимым кодом абстрактного процессора, который в различных
компьютерных архитектурах станет выполняться с помощью интерпретатора
и компилироваться в соответствующий машинный код.
Система программирования – это система для разработки новых
программ на конкретном языке программирования
Современные системы программирования обычно предоставляют
пользователям мощные и удобные средства разработки программ. В них
входят:
компилятор или интерпретатор;
интегрированная среда разработки;
средства создания и редактирования текстов программ;
обширные библиотеки стандартных программ и функций;
отладочные программы, т.е. программы, помогающие находить и
устранять ошибки в программе;
134
"дружественная" к пользователю диалоговая среда;
многооконный режим работы;
мощные графические библиотеки; утилиты для работы с библиотеками
встроенный ассемблер;
встроенная справочная служба;
другие специфические особенности.
Популярные системы программирования – Turbo Basic, Quick Basic,
Turbo Pascal, Turbo C.
В последнее время получили распространение системы
программирования, ориентированные на создание Windows–приложений:
пакет Borland Delphi (Дельфи) – блестящий наследник семейства
компиляторов Borland Pascal, предоставляющий качественные и очень
удобные средства визуальной разработки. Его исключительно быстрый
компилятор позволяет эффективно и быстро решать практически любые
задачи прикладного программирования.
пакет Microsoft Visual Basic – удобный и популярный инструмент для
создания Windows–программ с использованием визуальных средств.
Содержит инструментарий для создания диаграмм и презентаций.
пакет Borland C++ – одно из самых распространенных средств для
разработки DOS и Windows приложений.
система программирования на Java, позволяющая компилировать
программы для компьютерной платформы, на которой она стоит в том же
ключе как и любая другая,. В этом случае главными отличиями Java–
программ или Java–applications является использование библиотеки Java–
классов, которые обеспечивают разработку безопасных, распределенных
систем. Язык Java предназначен для составления программ, которые
работают в сетях. Программы, написанные на языке Java, часто используются
для создания динамической рекламы в глобальной сети, которые
«оживляют» статические картинки Web–страниц и тем самым привлекают
внимание пользователей. Достоинством языка является то, что он независим
135
от конкретной архитектуры ЭВМ, и Java–приложения могут работать на
различных типах ЭВМ, под управлением различных операционных систем.
При работе интерпретатора языка Java исходные тексты транслируются в
псевдокод виртуальной Java–машины, который чаще всего называют байт –
кодом.
136
РАЗДЕЛ 2. БАЗОВЫЕ ОФИСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
КАК ОСНОВА ЭЛЕКТРОННОГО ДОКУМЕНТООБОРОТА
В ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Тема 5. Основы электронного документооборота
в профессиональной деятельности
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Понятие электронного документооборота.
2. Реализация электронного документооборота.
3. Автоматизация обмена документами.
4. Электронно-цифровая подпись электронного документа.
5. Инвестирование электронного документа.
1. Понятие электронного документооборота
Вопрос о необходимости автоматизации управления
документооборотом давно перешел в практическую плоскость, и все больше
российских предприятий и учреждений внедряют у себя системы
электронного документооборота, позволяя организациям уже на собственном
опыте оценить преимущества новой технологии работы с документами.
Однако и для тех немногих, кто считает автоматизацию документооборота
пройденным этапом, возможно, в скором времени потребуется
переосмыслить сделанный выбор и вновь погрузиться в проблему
повышения эффективности управления документооборотом. Это
обусловливается, в частности, изменением рыночной ситуации, ростом
организаций, создающих кризисы «переходного возраста» и приводящим к
необходимости реструктуризации, а также развитием информационно-
коммуникационных технологий, с одной стороны, предоставляющих новые
возможности для ведения бизнеса, с другой – заставляющих идти в ногу со
временем, чтобы не отстать от конкурентов.
Необходимость в автоматизации управления документооборотом
разные организации сегодня видят по-разному: одни – в повышении
137
эффективности организационно-распорядительного документооборота,
другие – в повышении эффективности работы функциональных
специалистов, создающих документы и использующих их в повседневной
работе, и лишь немногие уделяют внимание обоим аспектам. Такое
разделение точек зрения в вопросах документооборота определяется разной
ролью и значимостью самих документов в деятельности организации, что
зависит от размера организации, стиля управления, отрасли производства,
общего уровня технологической зрелости и многих других факторов.
Поэтому для одних документ может быть, например, базовым инструментом
управления, а для других – средством и продуктом производства.
Электронный обмен данными – это реальность, с которой сегодня
сталкивается практически каждый. Он осуществляется посредством
информационных систем, компьютерных сетей, интернета, электронной
почты и множеством других средств.
В последнее десятилетие появились и получили распространение
новые инструментальные средства эффективного обеспечения
управленческих процессов. В том числе речь идет о программном
обеспечении, предназначенном для обработки управленческих документов. В
частности появились такие понятия как электронный документ, электронно-
цифровая подпись, системы электронного документооборота.
Документооборот – движение документов в организации с момента их
создания или получения до завершения исполнения или отправления.
Комплекс работ с документами: прием, регистрация, рассылка, контроль
исполнения, формирование дел, хранение и повторное использование
документации, справочная работа.
Электронный документооборот (ЭДО) представляет собой единый
механизм по работе с документами, представленными в электронном виде, с
реализацией концепции «безбумажного делопроизводства».
Документ, представленный в электронном виде, или электронный
документ (ЭД) – документ, созданный с помощью средств компьютерной
138
обработки информации, который может быть подписан электронной
цифровой подписью и сохранен на машинном носителе в виде файла
соответствующего формата.
Электронная цифровая подпись (ЭЦП) – аналог собственноручной
подписи, являющийся средством защиты информации, обеспечивающим
возможность контроля целостности и подтверждения подлинности
электронных документов.
Аналогично тому, как бит является единицей информации в
кибернетике, документ является единицей информации в системах
документооборота. Системы документооборота хранят документы, ведут их
историю, обеспечивают их движение по организации, позволяют
отслеживать выполнение тех процессов, к которым эти документы имеют
отношение. В организации, где внедрена система документооборота,
документ является базовым инструментом управления. Здесь нет просто
решений, поручений или приказов – есть документы, содержащие эти самые
приказы, решения, поручения и т. д.: все управление в организации
осуществляется через документы.
Большинство организаций признают достоинства электронного
документооборота, который имеет следующие преимущества:
многокритериальный поиск документов;
контроль исполнения документов;
регистрация документов;
ввод резолюций к документам;
распределенная обработка документов в сети;
распределение прав доступа к различным документам и функциям
системы;
ведение нескольких картотек документов;
работа с проектами документов;
139
распределение находящихся на исполнении документов по
«папкам» в зависимости от стадии исполнения документа: поступившие, на
исполнении, на контроле и другие;
формирование стандартных отчетов;
обмен документами по электронной почте;
списание документов в дело;
отслеживание перемещений бумажных оригиналов и копий
документов, ведение реестров внутренней передачи документов;
ведение пользовательских списков должностных лиц, организаций,
тематических рубрик, групп документов;
редактирование шаблонов выходных печатных форм.
Введение электронного документооборота позволяет снизить
количество служб, занятых работой с документами (курьеров, канцелярских
работников и т. п.).
В условиях электронного документооборота требуется гораздо меньше
затрат на перестройку документооборота при изменении внешних условий,
например требований по изменению формы отчетности.
Существуют общие практически для любых организаций проблемы,
которые приходится решать при реализации, внедрении и сопровождении
систем электронного документооборота. Ниже перечислены основные из
них:
Консерватизм персонала, низкая образованность, нежелание
обучаться и переобучаться. Боязнь прозрачности собственной деятельности
для руководства, которая возникает после внедрения системы электронного
документооборота.
Фактор директора – нежелание непосредственно работать с
компьютером, просматривать и редактировать документы.
Постоянные структурные изменения в организации.
140
Необходимость обеспечения юридической силы документов (после
принятия закона об электронной подписи этот фактор начнет терять свою
значимость).
Необходимость взаимодействовать с внешним «бумажным» миром,
в особенности, если это касается параллельных структур в ассоциированных
организациях или ведомствах, с которыми идет постоянная работа.
2. Реализация электронного документооборота
Электронный документооборот – высокотехнологичный и
прогрессивный подход к существенному повышению эффективности работы
органов государственной власти и местного самоуправления.
Залогом успешной работы всегда является эффективная деятельность
служащих. Но для качественного обслуживания потребностей граждан
вчерашние методы обработки информации уже не являются наилучшими.
Сегодня необходимо иметь доступ к информационным ресурсам и сократить
временные затраты на решение задач, не связанных с обслуживанием
граждан.
Отсутствие необходимости вручную размножать документы,
отслеживать перемещение бумажных документов внутри организации,
контролировать порядок передачи конфиденциальных сведений
существеннейшим образом снижает трудозатраты делопроизводителей.
Сквозной автоматический контроль исполнения на всех этапах работы с
документами кардинально повышает качество работы исполнителей, делает
сроки подготовки документов более прогнозируемыми и управляемыми.
Совместное использование систем электронного делопроизводства и
хранилищ информации позволяет систематизировать и объединять
информацию, что облегчает ее анализ и составление отчетов. Для поиска
скрытых закономерностей в больших массивах данных можно принимать
более эффективные решения и действия, основанные на соответствующих
технологиях извлечения информации из данных.
141
Все это возможно только в системе управления, построенной на основе
полностью электронного документооборота.
Информационные безбумажные технологии облегчают процесс
управления знаниями. Они образуют основу решений, которые обеспечивают
автоматизированный и централизованный обмен знаниями и извлекают лишь
необходимую информацию из всех доступных источников.
Системы электронного делопроизводства и документооборота могут
способствовать созданию новой организационной культуры, сделав работу
служащих более легкой, интересной и значимой. Информационные
технологии позволяют служащим трудиться не только над выполнением
внутриведомственных задач, но и совместными усилиями решать более
широкий спектр проблем. Информационные технологии могут также
выступать в качестве катализатора, благодаря которому органы власти
перейдут на новый уровень взаимоотношений с населением, когда
государственные служащие будут напрямую отвечать на запросы граждан.
Электронный документооборот – это совокупность технологий, не
только значительно оптимизирующих, но и существенным образом
изменяющих работу. И совершенно очевидно, что система подобного
масштаба не может быть внедрена «с нуля», поскольку, затронув почти все
основные стороны деятельности, внедрение может вызвать долговременный
паралич в деятельности. Таким образом, перед развертыванием системы
электронного документооборота и делопроизводства нужно взвешенно
оценить готовность всех к качественно новым технологиям.
Внедрение электронного документооборота требует для всех
служащих, участвующих в работе с документами, наличия:
средств вычислительной техники, адекватных по
производительности внедряемому ПО документооборота;
обязательна стопроцентная оснащенность персональными
компьютерами всех работников органа власти, работающих с документами;
142
средств связи адекватной пропускной способности между всеми
рабочими местами;
автоматизированной системы делопроизводства, использующей
программное обеспечение, допускающее переход к электронному
документообороту;
психологической готовности руководителей к использованию
электронных аналогов собственноручной подписи на документе;
служб и технических возможностей перевода входящих
бумажных документов в электронную форму.
Всегда следует помнить, что при развертывании электронного
документооборота все служащие, по тем или иным причинам не имеющие
постоянного доступа к электронным документам при помощи используемых
средств вычислительной техники, фактически перестают принимать какое-
либо участие в работе. Все служащие, до которых документы будут доходить
в неэлектронном виде, смогут с ними лишь ознакомиться. Какое-либо
участие в работе над документами, даже простое визирование или
обсуждение, автоматически будет требовать наличия персонального средства
вычислительной техники, имеющего доступ к системе ЭДД.
Комплексные информационные системы всегда внедряют по частям,
последовательно автоматизируя относительно замкнутые области
деятельности, впоследствии объединяя их интеграционной системой.
С технологической точки зрения система электронного
документооборота представляет собой интеграционную систему,
охватывающую делопроизводство и подготовку документов и связывающую
их с внешней средой электронного обмена. Таким образом, для повышения
шансов завершения автоматизации в нужные сроки необходимо
предварительное внедрение систем автоматизированного делопроизводства и
средств организации коллективной работы при подготовке документов.
Предварительное внедрение и эксплуатация системы автоматизации
делопроизводства и электронного документооборота позволит не только
143
облегчить технологическое внедрение электронного документооборота и
делопроизводства, но и познакомит на практике служащих с понятием
электронного документа, пересылки электронных документов и
автоматическими системами контроля исполнения. Зачастую
психологическая готовность оказывается важнее наличия необходимого
технического обеспечения. Технологически же использование в обеих
системах родственного современного универсального программного
обеспечения от одного производителя позволит более качественно перенести
бизнес-процессы документооборота в полностью электронную форму.
Основной технологической проблемой для служащих при переходе к
электронному документообороту является использование электронного
аналога собственноручной подписи на документах. Без понимания и
внедрения этой технологии невозможно перейти на полностью безбумажную
обработку.
Полного перевода приема входящих и рассылки исходящих
документов на безбумажную технологию не требуется. Подобное
ограничение может являться нарушением прав отдельных граждан, не
имеющих доступа к средствам вычислительной техники и Интернету.
Классические функции регистрации входящих бумажных документов с
традиционными подписями заявителей также являются атрибутами системы
электронного документооборота.
Отличие процессов подготовки текстов документов для
автоматизированного документооборота от этих же процессов в электронном
документообороте, невелико. В описании решения по автоматизации
документооборота говорилось, что в большинстве реальная работа по
созданию документов уже ведется в электронной форме. Такой порядок
работы стал привычным для служащих, и цель решения – предложить более
современные средства организации работы.
Поскольку в автоматизированном документообороте используются
наиболее современные решения и критерием отбора является лишь их
144
сочетаемость с бумажным документооборотом, то ничего преимущественно
нового в электронном документообороте не содержится.
Весьма важным преимуществом технологии подготовки документов,
используемой в электронном документообороте и делопроизводстве,
является возможность автоматизации всего процесса согласования и
утверждения документа, в том числе и с использованием электронных
аналогов собственноручной подписи.
Кроме того, система ЭДД позволяет работать с единым хранилищем
объектов, в котором содержатся как неофициальные данные, так и
документы, обрабатываемые «официальным» документооборотом и
архивным делом.
Все это позволяет существенно повысить эффективность труда при
подготовке документов, поскольку единым инструментам поиска и анализа
данных доступно все информационное пространство. В подготовке новых
документов могут легко использоваться не только личные или коллективные
наработки служащих, но и фрагменты или аналитические материалы,
полученные на основе исследования всех (при безусловном контроле прав
доступа к информации) имеющихся документов. Это существеннейшим
образом повышает эффективность труда и качество подготавливаемых
документов. Только технология ЭДД позволяет сформировать и успешно
эксплуатировать единую базу знаний в полном соответствии с
представлением этого термина в концепции «управления знаниями».
3. Автоматизация обмена документами
Обмен электронными документами должен быть надлежащим образом
защищен. Документы должны быть снабжены электронной подписью,
гарантирующей авторство и неизменность содержания документа, а в
отдельных случаях и закрыты криптографическими средствами от
несанкционированного доступа.
У каждой организации имеется много организаций-корреспондентов, с
которыми идет обмен документами, и у всех могут быть различные форматы
145
сообщений, и даже сети. Нагружать системы отдельных организаций
функцией постоянной поддержки служебной информации, необходимой для
организации обмена, нецелесообразно.
Обмен документами логично строить не по принципу «каждый с
каждым», а по принципу «звезды» – на базе Центров обмена документами
(ЦОД).
ЦОД могут выполнять следующий набор функций:
преобразование и согласование форматов входящих-исходящих
документов;
поддержка адресных баз и вычисление маршрутов доставки
документов;
гарантированная доставка документов;
дополнительное архивирование документов;
поддержка и синхронизация справочников.
Центры обмена сообщениями могут также принимать на себя роль
удостоверяющих центров, поддерживающих инфраструктуру закрытых и
открытых ключей, процедуры аутентификации для организаций – участников
обмена.
Одна из основных задач ЦОД – синхронизация форматов документов
между различными системами. Наиболее логичным подходом является
разработка некоторого универсального расширяемого XML-представления
типовых документов, используемого как промежуточный формат, и набора
конверторов для этого формата для каждой из присоединяемых систем.
Если набор реквизитов документов у подключаемой системы
оказывается шире, чем предусмотрено в универсальном формате, то
возможно либо расширение формата, либо отражение этих реквизитов с
помощью механизма специфических для конкретных адресатов тегов.
Преобразование форматов документов должно сохранять весь набор
реквизитов входящих документов. Для исходящих документов в формате
146
XML дополнительные реквизиты также должны сохраняться – особенности
XML позволяют игнорировать «чужие» реквизиты. Для других форматов
документов состав реквизитов может быть урезан. При этом может
передаваться дополнительный файл согласованного с получателем формата с
расширенным или полным реквизитным составом документа.
Кроме реквизитного состава документов, ЦОД должен обеспечивать
передачу собственно файлов документов. В отдельных случаях может
обеспечиваться преобразование форматов документов.
Задача ЦОД – в любом случае добиться передачи документа
принимающей стороне и получения от нее уведомления о получении –
квитанции (передача документа «под роспись»). При этом ЦОД может
использовать различные механизмы напоминания и уведомления – через
электронную почту и другие каналы.
Все интегрируемые с ЦОД системы должны обладать возможностями
уведомления ЦОД о том, что документ зарегистрирован. Это не обязательно
автоматизировать – сотрудник канцелярии может отправить подтверждение
вручную.
Важнейшим аспектом при организации обмена документами является
обеспечение аутентичности документов и конфиденциальности их передачи.
Он предусматривает создание так называемых удостоверяющих
центров, осуществляющих деятельность по генерации открытых и закрытых
ключей, хранению и удостоверению открытых ключей лиц – участников
электронного документооборота.
Используемые для этого программные средства должны быть
сертифицированы, а сам удостоверяющий центр – лицензирован на
осуществление этой деятельности уполномоченным органом.
Логичным является организационное и программно-техническое
совмещение ЦОД и удостоверяющих центров, поскольку те и другие должны
являться центральными элементами инфраструктуры обмена информацией
между одним и тем же кругом участников.
147
4. Электронно-цифровая подпись электронного документа
Электронно-цифровая подпись – атрибут электронного документа,
используемый для защиты информации от несанкционированного
использования и подделки. Электронно-цифровая подпись формируется
путем криптографического преобразования информации с закрытым ключом,
что позволяет определить владельца сертификата ключа подписи и
обеспечить неотказуемость подписавшегося от документа, а также проверить
полученную информацию на отсутствие ошибок и неточностей.
Электронный документ – это документ, подготовленный с использованием
системы электронного документооборота, зафиксированный на
материальном носителе в виде объекта СЭД и снабженный реквизитами, с
помощью которых можно идентифицировать место, время создания и автора
документа.
Чаще всего цифровые подписи используются для подтверждения
имени отправителя, основываясь на том, что лишь он один владеет
уникальным закрытым ключом, которому соответствует полученный
открытый ключ. Также электронная подпись иногда используется для
датирования документа с помощью штампа времени: доверенная сторона
подписывает документ штампом времени с помощью своего специального
закрытого ключа, подтверждая существование документа в данный момент,
обозначенный в цифровой подписи.
В случае если электронно-цифровая подпись ставится для
удостоверения личности отправителя: сторона, которой доверяют априори,
предоставляет открытый ключ и информацию о владельце закрытого ключа
получателю документа - получается иерархия доверия. Доверие
подписывающей стороне строится на безоговорочном доверии третей
стороне, также подписавшей документ. Есть специализированные
государственные агентства по сертификации, у которых небольшое
количество корневых ключей сети. В распределенной же инфраструктуре нет
необходимости владеть универсальными для всех корневыми ключами, и
148
каждая из сторон может доверять своему набору корневых ключей. Такой
способ организации иерархии доверия называется сеть доверия, это принцип
используется в PGP.
Электронно-цифровая подпись используется для:
удостоверения источника документа (в зависимости от деталей
определения документа могут быть подписаны такие поля, как «автор»,
«внесенные изменения», «метка времени» и т. д.) ;
защиты от изменений документа (при любом случайном или
преднамеренном изменении документа (или подписи) изменится хэш,
следовательно, подпись станет недействительной);
невозможности отказа от авторства (так как создать корректную
подпись можно лишь, зная закрытый ключ, а он известен только владельцу,
то владелец не может отказаться от своей подписи под документом);
сдачи финансовой отчетности в государственные учреждения в
электронном виде для предприятий и коммерческих организаций;
организацию юридически значимого электронного
документооборота;
создания цифровой подписи используется так называемый
дайджест, который генерируется непосредственно из самого документа и уже
непосредственно к нему добавляется информация о стороне подписывающей
документ, штамп времени и прочее. Затем полученную информацию
кодируют с помощью специального закрытого ключа с использованием того
или иного алгоритма, получившийся набор бит и есть электронно-цифровая
подпись к которой прилагается открытый ключ подписавшегося.
с помощью сети доверия пользователь решает доверяет он или
нет что открытый ключ принадлежит именно этому отправителю либо нет,
затем сообщение дешифруется приложенным открытым ключом. В случае
если документ дешифровался без ошибок, информация об отправителе
соответствует заявленному и т.д., то документ принято считать
подтвержденным. Существуют следующие угрозы цифровой подписи:
149
попытка подделать подпись для выбранного им документа;
подбор документа к данной подписи, чтобы подпись к нему
подходила.
однако электронно-цифровая подпись генерируется именно
таким образом, что каждому документу соответствует единственная подпись.
Это обуславливается тем что: документ должен представлять собой
осмысленный текст, у текста документа есть строгие правила оформления,
чаще всего документы оформляются в формате DOC или HTML, гораздо
реже в Plain Text.
для того чтобы обеспечить ключи от подмены используют
сертификаты, которые позволяют убедиться в достоверности полученных
данных о владельце открытого ключа. Для централизованного
подтверждения используют центры сертификации, которые поддерживаются
доверенными организациями. Если же система децентрализованная
используют для подтверждения перекрестное подписание сертификатов
доверенных людей, каждым пользователем строится сеть доверия.
для управления ключами созданы специальные центры
распространения сертификатов, которые предоставляют информацию о том,
отозван тот или иной открытый ключ, а также пользователь может получить
сертификат от другого пользователя. многие внутренние документы организации можно перевести в электронный
вид (например, служебные записки, заявки на выделение денежных средств, различные
внутренние отчеты, поручения и т. п.). Необходимо разработать нормативно-
правовую базу организации, регламентирующую применение ЭЦП. Такой
регламент обеспечит электронным документам юридическую силу –
возможность представлять их в суде в качестве доказательства. Безусловно,
небольшая правоприменительная практика вносит некоторые ограничения в
применение ЭЦП, но не является принципиальным барьером для построения
в отдельной компании внутреннего юридически значимого электронного
документооборота.
150
5. Инвестирование электронного документооборота
Пик развития ЭД пришелся на 2005-2006 год. Российский рынок СЭД и
сейчас находится в стадии роста. Три года назад он рос на 20-25 % в год,
сейчас наступил период некоторого насыщения и темпы роста немного
снизились.
В корпоративном секторе растет как число проектов по внедрению
СЭД, так и их масштабы. Заказчики усиливают требования к
функциональности решений, их масштабируемости, интеграционным
возможностям. В наибольшей степени заметен спрос на интеграцию СЭД с
ERP, CRM и HR-системами.
По данным исследования DSS Consulting, на сегодняшний день СЭД
наиболее востребованы в российском финансовом секторе (24 % внедрений).
На государственный сектор приходилось наибольшее количество внедрений.
Значительное количество проектов было реализовано также в
машиностроительной и телекоммуникационной отраслях.
В том или ином виде системы электронного документооборота
внедрены в 90 % крупных российских компаний. Правда, чаще всего эти
решения охватывают ограниченное число подразделений и автоматизируют
лишь несколько процессов, например, документационное обеспечение
управления и управление организационно-распорядительными документами.
Только 10-15 % заказчиков внедрили или внедряют централизованные
системы электронного документооборота, позволяющие решать большую
часть задач в области управления документами.
Все чаще решения по автоматизации документооборота приобретают
территориально распределенные холдинги. Причем если раньше речь шла
только о внедрении СЭД в головном офисе, то сегодня компании чаще
решаются на создание систем, охватывающих региональные филиалы.
В контур электронного документооборота сегодня вовлекаются не
десятки а сотни и тысячи пользователей. С точки зрения тенденций также
151
следует отметить возрастающую глубину сопряжения сервисов систем
электронного документооборота с сервисами, поддерживающими основной
бизнес заказчиков. Теперь при внедрении СЭД в первую очередь
автоматизируются не только чисто делопроизводственные процессы, но и
бизнес-процессы, связанные с реализацией базовых деловых миссий
компаний.
В DSS Consulting отмечают, что большая часть компаний, внедривших
СЭД за последнее время, располагаются в Центральном и Северо-Западном
регионах, активность в Сибири и на Урале несколько снизилась.
Значительный интерес к автоматизации документооборота по-
прежнему демонстрируют компании крупного и среднего бизнеса,
работающие в различных отраслях экономики. В то же время, активность
начинают проявлять и предприятия СМБ, «доросшие» до упорядочивания
бизнес-процессов.
Доля компаний и организаций, внедривших промышленные СЭД,
сравнительно не велика. При этом резервы роста рынка – это не только
увеличение этой доли, но и расширение масштабов проектов в компаниях,
уже внедривших СЭД.
В целом в России отмечают постепенный рост доли документов,
которые обрабатываются в электронной форме. Увеличивается спрос
заказчиков на специализированные решения, растет интерес крупных
организаций к созданию «внутренних» удостоверяющих центров и
корпоративных порталов.
Растет интерес отечественных заказчиков в большей степени к
платформам западных производителей, несмотря на то, что их стоимость
значительно превосходит стоимость отечественных разработок. Появляются
новые задачи, решить которые можно только с помощью таких платформ.
Аналитики DSS Consulting отмечают, что наибольшее число внедрений в
152
России в сегменте систем делопроизводства наблюдалось у компаний,
внедряющих систему «Дело». В сегменте систем управления электронным
документооборотом доминировала система DocsVision, а среди продуктов
группы «система-надстройка на платформе/конструктор» - решения на базе
Documentum.
Если рассматривать игроков с точки зрения финансовых показателей,
то лидером в России является Documentum, за ним с небольшим отрывом
следует целая группа компаний («Ланит», «ЭОС», «АйТи», «Интертраст).
Многие игроки рынка отмечают, что ситуация с организацией электронного
документооборота в России достаточно плачевная. Ежегодный объем
документации составляет порядка 250 миллиардов листов в год. Если ничего
не менять, он ежегодно будет увеличиваться на 8-15 %, что продолжит
существенно тормозить процессы управления во всех сферах.
Пока далеко не все заказчики обладают достаточно производительной
инфраструктурой для внедрения систем электронного документооборота.
Большой проблемой в нашей стране остаются каналы связи, это особенно
актуально для территориально распределенных компаний. Многие
предприятия сейчас автоматизируют основные бизнес-процессы путем
внедрения систем класса ERP.
Развитие информационно-коммуникационных технологий постепенно
отодвигает бумажный документ на второй план, существенно повышая роль
электронного документа. По консервативным оценкам, количество
бумажных документов будет увеличиваться на 7 % ежегодно, а электронных
– на 20 %. Эта тенденция обостряет необходимость учета не только
бумажных документов, но и электронных, благодаря чему САДД плавно
переориентировались на работу с электронными документами, став
системами электронного документооборота и делопроизводства.
Действительно, хотя при традиционном делопроизводстве первоочередным
153
объектом автоматизации является ведение картотек, то ничто не мешает
включить в автоматизированную систему возможность связи карточки с
электронным образом документа (текстом, графическим изображением,
аудио- или видеозаписью).
В свою очередь, накопленные бумажные архивы, при помощи систем
потокового ввода бумажных документов, могут быть переведены в
электронные архивы. В результате высвобождается пространство,
упрощается управляемость архива, повышается доступность хранимой
информации для всех заинтересованных пользователей, снижается риск в
следствие пожара или других форс-мажорных обстоятельств. Разумеется,
полностью избавиться от бумаги в этом случае не удается, поскольку
юридически значимой формой документа по-прежнему считается бумажная.
Но процент таких документов в общем объеме относительно невелик, а
перевод их в электронную форму как минимум многократно ускорит их
поиск и повысит доступность в тех случаях, когда электронной копии для
работы достаточно. Более того, многие производители программного
обеспечения постепенно забывают о настольных клиентах и разрабатывают
ИС только с веб-клиентом. Такой подход на первый взгляд сулит множество
преимуществ перед настольными клиентами: веб-клиент предоставляет
универсальный интерфейс для всех категорий пользователей, независимо от
их роли и географического местоположения, что упрощает настройку
системы и техническую поддержку пользователей. Однако без настольных
интеграционных компонентов, устанавливаемых на рабочих местах, не
может быть и речи об организации единого хранилища документов и
повышении эффективности работы пользователей. Поэтому портальные
технологии СЭУД должны использоваться скорее только для привлечения к
бизнес-процессам внешних пользователей, которых невозможно или
нецелесообразно включать в корпоративную сеть.
Разумеется, использование корпоративных информационных порталов
не ограничивается применением их в рамках управления
154
документооборотом. Современные порталы интересны и как
самостоятельные информационные системы, позволяющие организовать
единый персонализированный безопасный доступ ко всем бизнес-
приложениям и корпоративной информации.
Современные порталы позволяют организовать доступ к
корпоративным ресурсам не только с подключенных к интернету рабочих
станций, но и с портативных устройств, таких как сотовые телефоны,
смартфоны, карманные.
155
Тема 6. Обработка текстовых электронных документов
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Назначение и классификация текстовых редакторов.
2. Типовая структура интерфейса текстовых редакторов.
3. Возможности текстового редактора Microsoft Notepad.
4. Возможности текстового редактора WordPad.
5. Характеристики и возможности MS Office Word 2007.
1. Назначение и классификация текстовых редакторов
Несмотря на широкие возможности использования компьютеров для
обработки самой разной информации, самыми популярными по-прежнему
остаются программы, предназначенные для работы с текстом.
Инструментальные программы для подготовки текстов программ,
документов, описаний называются текстовыми редакторами (text-editor),
мощные текстовые редакторы с расширенным спектром функций называют
также текстовыми процессорами (word-processor). Некоторые текстовые
процессоры могут работать не только с текстами, но и с изображениями,
например редактировать иллюстрированные документы.
Современные текстовые редакторы предоставляют широкие
возможности по подготовке документов. Это и функции редактирования,
допускающие возможность любого изменения, вставки, замены, копирования
и перемещения фрагментов в рамках одного документа и между различными
документами, контекстного поиска, функции форматирования символов,
абзацев, страниц, разделов документа, верстки, проверки грамматики и
орфографии, использования наряду с простыми текстовыми элементами
списков, таблиц, рисунков, графиков и диаграмм.
Значительное сокращение времени подготовки документов
обеспечивают такие средства автоматизации набора текста, как автотекст и
автозамена, использование форм, шаблонов и мастеров типовых документов.
Работа с текстами – важная составная часть деятельности людей
многих профессий. Обработка текстов, подготовка различного вида
156
документов составляют значительную часть работ, выполняемых в
настоящее время на ПК.
В состав подготавливаемых на ПК документов могут входить
текстовые данные, таблицы, математические формулы, графические объекты
и т.д. Главная задача любого текстового редактора заключается в
обеспечении оптимальных условий по созданию и обработке документов.
Современный текстовый редактор представляет собой программный
продукт, обеспечивающий пользователя ПК средствами создания, обработки
и хранения документов различной степени сложности. В последнее время
текстовые редакторы вытесняются текстовыми процессорами, которые
позволяют не только набирать «чистый», неформатированный текст, но и
оформлять его: произвольно размещать на странице, выделять шрифтами,
цветом и т.д. Однако без ущерба для понимания можно в равной степени
использовать оба термина.
Текстовый редактор позволяет делать все то, что может делать
машинистка с помощью хорошей пишущей машинки. Но кроме
традиционных возможностей ПК позволяет осуществлять качественно новые
способы обработки текстовых документов: вставку повторяющихся
фрагментов, изменение длины строк, автоматический перенос слов,
выделение нужных частей текста нестандартным шрифтом при печати и
другие.
Ошибка при подготовке документа на ПК не влечет за собой больших
переделок, так как автоматическое выполнение рутинных работ облегчает
изменение и перемещение фрагментов текста. Возможность
предварительного просмотра полученного документа на экране дисплея
помогает избежать непроизводительных затрат труда и бумаги при печати.
Обилие различных типов документов привело к многообразию
существующих текстовых редакторов. В качестве классифицирующего
признака, с помощью которого можно разделить все множество текстовых
редакторов на группы, тип обрабатываемого документа.
157
Редакторы текстов – предназначены для создания и редактирования
несложных текстов и текстов программ (Brief, Norton Editor, Quick).
Редакторы документов – предназначены для работы с документами,
структурно состоящими из вложенных разделов, страниц, абзацев и т.д.
В структуру документа могут входить таблицы, графические образы,
которые могут создаваться в других приложениях. Среди редакторов,
предназначенных для работы с текстовыми документами, можно выделить
Microsoft Word, Word Perfect, AmiPro, MultiEdit. При подготовке текстовых
документов на компьютере используются три основные группы операций:
Операции ввода позволяют перенести исходный текст из его внешней
формы в электронный вид, то есть в файл, хранящийся на компьютере. Ввод
может осуществляться не только набором с помощью клавиатуры, но и путем
сканирования бумажного оригинала и последующего перевода документа из
графического формата в текстовый (распознавание).
Операции редактирования (правки) позволяют изменить уже
существующий электронный документ путем добавления или удаления его
фрагментов, перестановки частей документа, слияния нескольких файлов,
разбиения единого документа на несколько более мелких и т.д.
Ввод и редактирование при работе над текстом часто выполняются
параллельно. При вводе и редактировании формируется содержание
текстового документа.
Оформление документа задают операциями форматирования. Команды
форматирования позволяют точно определить, как будет выглядеть текст на
экране монитора или на бумаге после печати на принтере.
Программы, предназначенные для обработки текстовой информации,
называют текстовыми редакторами.
Текстовой редактор используют как для изготовления готовых
документов, так и для подготовки текста для передачи в другие программы
(например, издательскую систему или в интерпретатор языка
программирования).
158
Оформление документа включает в себя форматирование текста,
вставку и форматирование внешних объектов (к примеру, математических
формул, графиков, иллюстраций), задание свойств страницы.
Под форматированием текста понимают задание его параметров (таких
как размер, шрифт, выравнивание и т.д.). Под форматированием внешних
объектов понимают задание размера внешнего объекта, его расположения.
Форматирование внешних объектов осуществляется при помощи других
программ, с помощью которых эти объекты были созданы.
Инструментальные программы для подготовки текстов программ,
документов, описаний называются текстовыми редакторами (text-editor),
мощные текстовые редакторы с расширенным спектром функций называют
также текстовыми процессорами (word-processor). Некоторые текстовые
процессоры могут работать не только с текстами, но и с изображениями,
например редактировать иллюстрированные документы.
Основные функции текстовых редакторов и процессоров:
– работа с файлами – сохранение текста на магнитном диске в виде
файла, считывание текста (файла) с диска, копирование в редактируемый
текст любого количества строк из другого файла, имеющегося на диске. Для
надежности редактируемый файл должен периодически записываться на
диск по команде пользователя или автоматически;
– показ текста на экране – текст или его фрагмент можно показывать в
специальном окне объемом 15–25 строк, организованном на экране
монитора. Текст на экране можно передвигать вверх-вниз, влево-вправо с
помощью клавиш, помеченных стрелками, а также быстро заменять
фрагмент текста на другой фрагмент по номеру строки. Некоторые
редакторы позволяют организовывать на экране несколько окон с
различными файлами или с различными частями одного файла;
– вывод на печать. Обычно в редакторы, работающие со многими
шрифтами и алфавитами, встроена функция вывода на печать, хотя
некоторые простые редакторы сами на печать не выводят и требуется
159
сначала записать текст на магнитный диск, выйти из редактора и вывести
файл на печать средствами операционной системы;
– вставка символов и строк в места, указанные курсором. При этом
текст раздвигается;
– перемещение части текста, помеченного соответствующим образом,
на другое место, указанное курсором, или дублирование части текста в
другом месте;
– удаление символов и строк, указанных курсором и помеченных
соответствующим образом. При этом текст сжимается. Обычно редакторы
позволяют также восстанавливать ошибочно удаленные фрагменты текста;
– контекстный поиск – поиск строки по заданному фрагменту текста;
– выравнивание ширины – выравниваются правый край, левый край
или «по центру строки» путем вставки дополнительных пробелов. Переносы
слов при этом не делаются;
– перенос слов. Простейшие редакторы не используют перенос слов и
если слово не помещается в строке, то оно целиком переносится на
следующую строку. Более мощные редакторы, «понимающие» грамматику
языка текста, могут выполнять переносы слов. Это удобно при подготовке
текста к типографской печати. Некоторые редакторы можно «обучать»
переносу слов;
– резка и склейка строк. Можно отделить часть строки и перенести в
следующую строку и, наоборот, строку «подклеить» к предыдущей строке;
– замена одного фрагмента на другой. Можно произвести замену
одного фрагмента на другой, например «обучающий» заменить во всем
тексте на «студент», автоматически или полуавтоматически (с контролем);
можно заменить прописные буквы на строчные, один год на другой и т.п.;
– вставка заготовок. Можно вставлять заранее заготовленные
фрагменты в предварительно помеченные места текста;
– орфографический и синтаксический контроль текста с указанием
цветом или подчеркиванием мест ошибок или непонятных редактору слов и
160
выражений. «Обучаемые» редакторы можно научить понимать эти слова и
выражения в дальнейшем.
Текстовые редакторы различаются по возможностям форматирования
текста и внешних объектов.
Все многообразие современных текстовых редакторов условно можно
разбить на три основные группы:
К первой относятся простейшие текстовые редакторы, обладающие
минимумом возможностей и способные работать с документами в обычном
текстовом формате .txt, который, как известно, при всей своей простоте и
всеобщей поддержке совершенно не позволяет более или менее прилично
форматировать текст. К этой группе редакторов можно отнести как входящие
в комплект поставки ОС семейства Windows редакторы WordPad и совсем
малофункциональный Notepad (Блокнот) под MS Windows, SimpleText
(ПростоТекст) под MacOS, Edit под MS DOS.
Промежуточный класс текстовых редакторов включает в себя
достаточно широкие возможности по части оформления документов. Они
работают со всеми стандартными текстовыми файлами (TXT, RTF, DOC). К
таким программам можно отнести Microsoft Works, Лексикон под MS DOS,
WordPad под MS Windows, ClarisWorks под MacOS.
К третьей группе относятся мощные текстовые процессоры, такие, как
Microsoft Word или StarOffice Writer. Они выполняют практически все
операции с текстом. Большинство пользователей использует именно эти
редакторы в повседневной работе.
Также практически все текстовые процессоры обладают следующими
функциями:
поддержка различных форматов документов;
многооконность, т.е. возможность работы с несколькими
документами одновременно;
вставка и редактирование формул;
автоматическое сохранение редактируемого документа;
161
работа с многоколоночным текстом;
возможность работы с различными стилями форматирования;
создание шаблонов документов;
анализ статистической информации.
Сегодня практически все мощные текстовые редакторы входят в состав
интегрированных программных пакетов, предназначенных для нужд
современного офиса. Так, например, Microsoft Word входит в состав самого
популярного офисного пакета Microsoft Office.
Аналогичные MS Office программы – OpenOffice.org Writer, StarOffice
Writer, Corel WordPerfect, Apple Pages.
2. Типовая структура интерфейса текстовых редакторов
Строка меню содержит имена групп команд, объединенных по
функциональному признаку. Строка меню находится в верхней части экрана.
Выбор режима из строки меню открывает соответствующее подменю, а
выбор определенной опции в нем обеспечивает доступ к меню более низкого
уровня. Такая система вложенных (ниспадающих) меню составляет основу
интерфейса текстового процессора. Команды меню выбираются с помощью
мыши, клавиш управления курсором или комбинаций нажатия определенных
клавиш («горячих клавиш»).
Строка состояния (статуса) содержит имя редактируемого документа и
определяет текущее положение курсора в этом документе. В строке
выводится справочная информация.
Строка подсказки содержит информацию о возможных действиях
пользователя в текущий момент.
Рабочее поле – это пространство на экране дисплея для создания
документа и работы с ним. Максимальный размер рабочего поля
определяется стандартными параметрами монитора и составляет 25 строк по
80 знаков каждая.
Координатная линейка определяет границы документа и позиции
табуляции. Различают вертикальную и горизонтальную линейки. По
162
умолчанию координатная линейка градуирована в сантиметрах. Нулевая
точка координатной линейки выровнена по первому абзацу текста.
Линейка прокрутки служит для перемещения текста документа в
рабочем поле окна Линейка, обеспечивающая вертикальное перемещение
текста, называется вертикальной линейкой прокрутки, а горизонтальное
перемещение – горизонтальной линейкой прокрутки.
Курсор – короткая, как правило, мигающая линия, показывает позицию
рабочего поля, в которую будет помещен вводимый символ или элемент
текста. В текстовом режиме курсор горизонтальный, находящийся внизу
знакоместа, на которое показывает. В графическом режиме – вертикальный,
находится левее места вставки очередного символа. Каждый текстовый
процессор имеет свои возможности для обеспечения движения курсора (как и
управления интерфейсом вообще). Управление интерфейсом осуществляют
при помощи клавиатуры и мыши. В режиме управления интерфейсом при
помощи клавиатуры четыре клавиши управления курсором передвигают
курсор на одну позицию в направлении стрелки. Клавиши и перемещают
курсор в начало и конец текста соответственно. Клавиши и перемещают
текст на одну страницу (экран) вверх или вниз.
Часто современные текстовые процессоры, используя различные
комбинации функциональных и обычных клавиш, дают возможность
перемещать курсор на одно слово, предложение или абзац, направлять его в
начало или конец строки.
В режиме использования мыши перемещение по документу
осуществляется щелчком по соответствующей стрелке на линейках
прокрутки или щелчком по самой линейке прокрутки, а также
перетаскиванием мышью движка по линейке прокрутки.
Индикаторы – знаки или символы, отражающие соответствующие
режимы работы Программы или компьютера Индикаторы в строке состояния
– это символы или служебные (ключевые) слова, отражающие режимы
163
работы программы Индикаторы на клавиатуре отражают режим работы
переключателей клавиатуры, их три NumLock, CapsLock, ScrollLock.
Переключатель – элемент экранного интерфейса или команда,
используемая для включения или выключения того или иного режима
Индикатор может оказаться и переключателем, если по нему щелкнуть
мышью.
3. Возможности текстового редактора Microsoft Notepad
Поставляемая в комплекте операционной системы Windows программа
Блокнот (Microsoft Notepad) является простейшим текстовым редактором,
предназначенным для редактирования стандартных текстовых файлов
Microsoft Windows, имеющих расширение .txt. Блокнот поддерживает только
простейшие режимы форматирования текста, вследствие чего является
идеальным средством для создания и обработки файлов, содержащих код
различных интерпретируемых языков, например HTML-документов, файлов
CSS, PHP, PERL (при подготовке подобных программ и скриптов избыточное
форматирование, которое могут внести в текстовый файл
«профессиональные» редакторы, отрицательно сказывается на
работоспособности кода).
Созданные при помощи Блокнота файлы можно сохранять в
кодировках Windows-1251, Unicode (UTF-8) и ANSI, что придает работе с
текстом значительно большую гибкость и мобильность.
Основное пространство рабочего окна редактора занимает область
набора текста, в которой отображается мигающий курсор. Сразу после
загрузки Блокнот автоматически создает пустой текстовый документ,
имеющий по умолчанию название Безымянный (Untitled). Можно открыть
для редактирования уже существующий текстовый файл, воспользовавшись
пунктом Открыть (Open) меню Файл (File).
Навигация по дискам и папкам в окне Открытие файла редактора
Блокнот осуществляется так же, как и в программе, Проводник, с помощью
164
расположенных в верхней части окна кнопок навигации и меню Папка. По
умолчанию в данном окне отображаются только текстовые файлы с
расширением .txt. Чтобы открыть в текстовом режиме любой другой файл,
например документ HTML, используется пункт Все файлы (All Files) в меню
Тип файлов (Files of type).
Редактор дает возможность записать редактируемый файл на диск под
прежним названием либо, если файл еще ни разу не был сохранен, поместить
его в любую папку на диске как текстовый документ с расширением .txt,
выбрав пункт Сохранить (Save) в командном меню Файл (File). Чтобы
сохранить текущий файл с указанным именем и произвольным расширением,
используется команда Файл>Сохранить как (File->Save As).
Новый файл создается командой Файл>Создать (File->New).
Программа Блокнот не поддерживает редактирование нескольких текстовых
документов в одном рабочем окне, поэтому при создании пустого файла или
открытии существующего содержимое старого, не сохраненного на диске
файла, открытого в окне Блокнота в данный момент, уничтожается.
Меню Вид (View) редактора Блокнот содержит только один пункт:
Строка состояния (Status Bar). Если рядом с ним установлен флажок, в
нижней части окна текстового редактора будет отображаться панель
состояния, а на ней – количество строк в редактируемом документе и
количество символов в каждой строке. По умолчанию текст компонуется в
одну строку, которая переносится только по нажатию клавиши Enter. Для
автоматического переноса текста в новую строку по словам в соответствии с
шириной экрана, необходимо установить флажок напротив пункта Перенос
по словам (Word Wrap) в меню Формат (Format).
Текстовый редактор Блокнот не поддерживает оформление текстовых
документов с применением шрифтовых выделений, а также форматирование
текстовых блоков, однако можете изменить параметры базового шрифта,
используемого в программе Блокнот по умолчанию.
165
В процессе редактирования текстовых документов пользователю
довольно часто приходится работать с буфером обмена, копируя из одной
программы в другую различные фрагменты текста. Для работы с буфером
обмена Windows в Блокноте предусмотрен специальный набор команд,
содержащихся в меню Правка (Edit).
Функции поиска фрагмента текста по введенному пользователем
образцу и замены одного фрагмента другим по всему документу значительно
облегчают подготовку текстовых файлов. Для поиска какого-либо слова или
фразы в редактируемом документе служит окно Найти (Find),
открывающееся при выборе пункта Найти (Find) в меню Правка (Edit).
Образец для поиска соответствующего ему текста в редактируемом
документе вводится в поле Что (Find what). Направление поиска – вверх или
вниз от текущей позиции курсора – устанавливается при помощи
переключателя Вверх (Up) и Вниз (Down). Можно организовать поиск с
учетом регистра, установив флажок напротив функции С учетом регистра
(Match case). Процедура поиска запускается нажатием кнопки Найти далее
(Find Next).
Для автоматической замены одного текстового фрагмента другим в
командном меню Правка (Edit) предусмотрена функция Заменить (Replace).
Так же как и в предыдущем случае, в поле Что (Find what) вводится образец
поиска, а в поле Чем (Replace with) – текст, на который следует заменить
обнаруженные вхождения. По нажатию на кнопку Заменить (Replace)
редактор Блокнот заменяет первый совпадающий с образцом текстовый
фрагмент. Для автоматической замены в документе всех аналогичных
вхождений необходимо нажать кнопку Заменить все (Replace All).
Окно функции Перейти (Go to Line), появляющееся на экране при
выборе пункта Правка->Перейти (Edit->Go to), служит для быстрого
перехода к строке текстового документа по ее номеру, который вы укажете в
соответствующем поле данного окна. Эта возможность Блокнота может быть
166
крайне полезна при разработке программ и исполняемых скриптов, если в
процессе отладки выявлена ошибка в одной из строк кода.
Редактор позволяет в редактируемый документ вставить текущие дату
и время. Для этого выполните следующие действия достаточно поместить
курсор в ту позицию в документе, в которую необходимо вставить дату и
время и в командном меню Правка (Edit) выбрать пункт Время и дата (Date
and time) либо нажать клавишу F5.
Notepad включает в себя богатые возможности по редактированию
текста, такие как изменение шрифта (применияется только к текущей
запущенной версии Notepad'а), копирование, вставка, вырезание, печать,
клик, дабл клик. Также в Notepadе присутствует развитая система помощи,
которая вызывается по нажатию на клавишу F1.
4. Возможности текстового редактора WordPad
Текстовый редактор Microsoft WordPad является специализированной
программой для создания и обработки текстов, содержащих сложное
стилевое и шрифтовое форматирование, гиперссылки и графические
иллюстрации. Документы, редактируемые в WordPad, могут быть сохранены
в форматах Document Word, RTF, а также в форматах текстовых файлов
Windows, MS-DOS и Unicode. Чтобы запустить текстовый редактор WordPad,
необходимо выполнить следующие команды: Пуск->Все программы-
>Стандартные->WordPad. Интерфейс Microsoft WordPad показан на рис. 2.
На панели инструментов редактора WordPad расположены практически
все кнопки управления редактируемым файлом.
Все операции по форматированию текста в программе WordPad
выполняются с помощью кнопок и меню Панели форматирования.
В текстовом редакторе WordPad имеется встроенный механизм
автоматического переноса слов на новую строку для русского и английского
языков. Если данная функция включена, слово, не умещающееся в
167
горизонтальные границы рабочей области редактора WordPad, будет
автоматически перенесено на новую строку.
Так же как и текстовый редактор Блокнот, WordPad включает
специальные функции поиска и замены слов по заданному пользователем
шаблону. Чтобы вызвать на экран окно поиска текста по ключевым словам.
Маркированный список в текстовом документе WordPad может быть задан
как с использованием специальной кнопки, расположенной на панели
инструментов, так и при помощи командного меню.
Текстовый редактор WordPad предоставляет широчайшие возможности
для выделения части текста различными способами.
Для того чтобы отметить какое-либо слово, предложение или абзац
начертанием, отличным от начертания основного текста, необходимо
выделить данный текст при помощи мыши, установив курсор в начало
выделяемого участка текста, нажав левую клавишу мыши и переместив
курсор к окончанию выделяемого абзаца. Аналогичным образом можно
осуществлять выделение посредством клавиатуры. Для этого нужно
установить курсор в начало или конец выделяемого текстового блока, после
чего последовательно нажимать клавиши управления курсором, удерживая
при этом в нажатом положении клавишу Shift.
Выделив текст, достаточно нажать соответствующую кнопку в панели
инструментов редактора. Всего таких кнопок три:
кнопка Ж (в английской версии она имеет обозначение B, от англ.
Bold) отображает выделенный участок текста жирным начертанием;
кнопка К (в английской версии она имеет обозначение I, от англ. Italic)
отображает выделенный участок текста курсивным начертанием;
кнопка Ч (в английской версии она имеет обозначение U, от англ.
Underline) отмечает выделенный текст подчеркиванием.
Гарнитура шрифта – это признак начертания символов, с помощью
которых в окне редактора WordPad отображается введенный вами текст.
168
Количество доступных для работы гарнитур зависит от ассортимента
шрифтов, установленных в операционной системе.
Кегль шрифта – это вертикальный размер символов отображаемого
посредством данного шрифта текста. Изменение вертикального размера
шрифта в текстовом редакторе WordPad осуществляется с использованием
соответствующего меню, расположенного в панели форматирования.
WordPad позволяет помещать в редактируемый документ ряд
специальных объектов, таких как графические иллюстрации, звуковые
файлы, гиперссылки или другие текстовые файлы. Для этого поместите
курсор в ту позицию, куда вы хотите вставить объект, после чего выберите
пункт Объект (Object) в командном меню Вставка (Insert). На экране
появится диалоговое окно Вставка объекта (Insert Object).
Для того чтобы создать в редактируемом документе новый
специальный объект, в окне Вставка объекта (Insert Object) следует
установить переключатель в позицию Создать новый (Create New), после
чего выбрать в меню Тип объекта (Object Type) тип объекта. К числу
стандартных типов объектов относятся:
Точечный рисунок (Bitmap Image) – графический файл BMP;
Звукозапись (Media Clip) – звуковой файл;
Клип мультимедиа (Microsoft Clip Gallery) – графический, звуковой или
видеофайл из комплекта Microsoft Clipart;
Набор команд MIDI (MIDI Sequence) – звуковой файл в формате MIDI;
Пакет (Package) – архив программы Microsoft Object Packager;
Рисунок Paintbrush (Paintbrush Picture) – рисунок, созданный в
графическом редакторе Paintbrush;
Видеоклип (Video Clip) – видеоклип;
Документ WordPad (WordPad Document) – другой документ Microsoft
WordPad.
169
После выбора типа импортируемого в документ объекта Windows
автоматически запустит соответствующую программу, в которой вы сможете
подготовить объект.
Так же как и текстовый редактор Блокнот, программа WordPad
позволяет автоматически помещать в редактируемый документ текущие дату
и время по часам компьютера. Для этого необходимо выбрать пункт Дата и
время (Date and Time) в командном меню Вставка (Insert). На экране появится
диалоговое окно, в котором можно выбрать формат вставляемой даты.
Выделяется требуемый вариант щелчком мыши и подтверждается кнопкой
ОК.
Большинство современных текстовых редакторов, таких как, например,
Microsoft Word из комплекта поставки Microsoft Office или WordPad из
базового комплекта Windows, допускают обмен данными путем
непосредственного перетаскивания отдельных фрагментов текста из одного
окна в другое. При этом возможен импорт и экспорт текста не только между
несколькими окнами одной программы, но также между различными
текстовыми редакторами, например, перемещение текстовых блоков из
Microsoft Word в WordPad и обратно. Единственным текстовым редактором в
Windows, не поддерживающим функцию обмена текста путем
перетаскивания, является Блокнот (Notepad).
5. Характеристики и возможности MS Office Word 2007
Пакет офисных приложений Microsoft Office 2007 состоит из
множества прикладных программ, основными из которых являются: Word,
Excel, PowerPoint, Access. Графические интерфейсы этих приложений
значительно отличаются от аналогичных приложений Office 97–2003.
Отличие состоит в том, что графические интерфейсы приложений Office 2007
(и Office 2010) не содержат меню и панелей инструментов (за исключением
кнопки Office и панели быстрого доступа) как это организовано в окнах
приложений Office 97–2003.
170
Основным средством для работы с содержимым документа в окнах
приложений Microsoft Office 2007 является Лента. Это новый принцип
организации графического интерфейса приложений Microsoft Office, который
предполагает новую логику работы с приложениями. Пользовательский
интерфейс Office 2007, который интуитивно более понятный, чем меню и
панели инструментов, обеспечивает быстрый доступ к командам через такие
средства, как Лента с вкладками, где команды организованы в группы по
выполняемым действиям.
Команды для работы с содержимым документа, которые необходимы в
данный момент времени, помещены на Ленте в виде пиктограмм.
Необходимо отметить, что в приложениях Office 2007 не предусмотрена
настройка Ленты (удалять или добавлять команды), но ее можно свернуть,
используя кнопку Настройка панели быстрого доступа.
Лента является основным элементом графических интерфейсов
офисных приложений Microsoft Office 2007 и Office 2010. Лента – это
область окна приложения, расположенная между строкой заголовка и окном
редактирования документа, на которой размещены команды (пиктограммы)
необходимые для работы с содержимым документа. Слева над Лентой
размещена Кнопка Office (меню Файл) предназначенная для управления
файлом (документом в целом) и Панель быстрого доступа, на которую
пользователь может поместить команды необходимые для работы с
документом.
Графический интерфейс Office Word 2007 представлен на Рис. 1.
Основу среды Word 2007 составляют визуальные средства (команды в виде
кнопок, полей для ввода информации или меню), расположенные на Ленте,
для управления содержимым документа в процессе его создания и обработки.
Среда Word 2007 разработана с учетом всех этапов процесса создания
документа: ввода текста, редактирования, форматирования и так далее, что
обеспечивает эффективную работу с приложением. Лента состоит из
171
вкладок, которые содержат такие элементы управления пользовательским
интерфейсом как группы и команды.
Необходимо отметить, что Лента состоит из 9 стандартных встроенных
вкладок, корешки которых отображаются в окне приложения Word 2007:
Главная, Вставка, Разметка страницы, Ссылки, Рассылки, Рецензирование,
Вид, Разработчик и Надстройка. По умолчанию открывается только 7
встроенных вкладок. Дополнительно можно активизировать встроенную
вкладку «Разработчик». Для этого необходимо щелкнуть на кнопке
«Настройка панели быстрого доступа» расположенной справа от панели.
В открывшемся меню надо выбрать «Другие команды», откроется окно
«По умолчанию для шаблона», в котором, щелкнув на команде Основные,
можно установить флажок: Показывать вкладку «Разработчик» на ленте. Еще
одна вкладка «Надстройка» появляется на ленте лишь после загрузки
надстройки прежних версий Word.
Кроме того, в Word 2007 применяются контекстные группы вкладок,
которые появляются на Ленте при работе с определенным объектом в
документе, например, при работе с рисунками, таблицами и т.д.
На ленту можно также добавить свою (пользовательскую) вкладку с
группой команд или создать собственную ленту с вкладками. Для этого
необходимы знания основ языка программирования VBA и разметки XML.
Запустить приложение Word 2007 можно одним из способов:
щелкнуть на кнопке Пуск и в главном меню выбрать команду
Microsoft Office Word 2007;
щелкнуть на пиктограмме Microsoft Office Word 2007,
размещенной на панели быстрого запуска;
дважды щелкнуть на ярлыке приложения Microsoft Office Word
2007 на рабочем столе.
Кроме того, запустить Word 2007 можно, открыв один из
документов (файлов) Word 2007.
172
Можно применить один из двух цветовых вариантов – голубой (в стиле
XP) и черно-белый (Vista)
- строка инструментов Quick Access Toolbar находится в верхней части
экрана, справа от кнопки File (но эту строку можно переместить и ниже
панели Ribbon). Сюда помещаются наиболее часто используемые
пиктограммы-команды (их допускается добавлять или удалять двумя
щелчками мыши);
– «ленточная» панель Ribbon (все, что располагается над окном
документа). Это основной пульт управления приложением, который заменил
собой старое меню и набор панелей инструментов.;
– панель управления видом раскладки документа переместилась в
нижнюю часть окна, в строку состояния;
– управление масштабом – этот элемент находится также внизу. Очень
удобная вещь – теперь выбирать масштаб можно с помощью «аналогового
бегунка», перемещая который сразу видишь изменение масштаба документа.
Инструменты, доступные в области Ribbon, организованы в логические
группы, размещенные на отдельных вкладках с соответствующими
ярлычками. Каждая вкладка предназначена для выполнения определенных
задач (например, форматирования или рецензирования). Чтобы не
загромождать пространство окна, некоторые вкладки отображаются только
при необходимости, в случае выделения определенного типа объекта.
Достаточно навести указатель мыши на возможный вариант
форматирования, представленный в галерее, чтобы документ отобразился в
новом виде оформления.
Названия групп команд отображаются в нижней части Ленты.
Например, в окне приложения Word 2007 на вкладке Главная отображаются
группы команд: Буфер обмена, Шрифт, Абзац, Стили, Редактирование. На
Ленте активны только кнопки (команды), которые могут быть применены к
выделенному элементу документа.
173
Для управления документом в целом (для управления файлом)
применяются команды собранные в меню Файл (рис. 2), которое открывается
щелчком на кнопке Office (кнопка с логотипом Microsoft Office).
Структура и функциональность меню Office 2007 отличается от меню
Файл предыдущих версий Microsoft Office (см. приложение). Меню состоит
из двух панелей, на левой панели отображаются группы команд для работы с
файлами, а на правой панели – список команд, содержащихся в выделенной
группе команд. В нижней области меню расположена кнопка Параметры для
настройки приложения.
Кроме того, в приложениях Office 2007 применяются такие наборы
команд как контекстные инструменты, вкладки которых появляются на
Ленте при работе с определенным объектом в документе. Так, например,
если вставить и выделить объект Фигура в документе Word 2007, то появятся
контекстные инструменты, называемые Средства рисования, и вкладка
Формат на Ленте, представленные на рис.
В новом пользовательском интерфейсе системы Microsoft Office
предусмотрены галереи – наборы схематических изображений возможных
результатов, среди которых выбирается наиболее подходящий для
достижения желаемого эффекта. Галереи упрощают процесс
профессионального оформления документов. Однако по-прежнему остаются
доступными традиционные диалоговые окна.
Говоря о новшествах пользовательского интерфейса Office 2007,
следует также сказать о функции предварительного просмотра на лету (Live
Preview), которая позволяет увидеть, как будет выглядеть
отформатированный или отредактированный документ до выполнения этих
операций.
Переработка пользовательского интерфейса корпорацией Майкрософт
была вызвана все возрастающим увеличением функциональности
приложений, например, в Microsoft Office Word 2003 насчитывается более
174
1500 команд, для полноценного использования которых необходимо
предварительное обучение. Основная цель нового интерфейса Microsoft
Office – облегчение поиска и применения функций вышеперечисленных
приложений, а также создание эффективного рабочего пространства с
минимумом отвлекающих деталей, что позволяет сосредоточиться на работе
с инструментами приложений системы Microsoft Office.
Для изменения форматирования раньше использовались сложные
диалоговые окна с множеством параметров.
Новая технология предварительного просмотра (Live Preview) в
Microsoft Office 2007 позволяет увидеть результат операции правки или
изменения форматирования до выполнения самой операции.
Быстрый предварительный просмотр ускоряет процесс макетирования,
правки и форматирования документов, повышая эффективность работы с
ними. Всплывающие подсказки также усовершенствованы: они содержат
больше иллюстраций и текста, благодаря чему пользователю стало легче
находить новые функции, помогающие ускорить выполнение работы. В них
также содержатся ссылки на вспомогательную информацию, например
обучающие или справочные материалы, отображающиеся при наведении
указателя мыши на ту или иную команду.
Поскольку команды структурированы по направлениям работы с ними,
можно легко найти и применить новые функции системы Microsoft Office
2007. Усовершенствованный внешний вид и динамические галереи
интерфейса позволяют сократить затраты времени на освоение
функциональности приложений и уделить больше внимания содержанию
документов и анализу данных.
Новый интерфейс приложения обеспечивает быстрое стилевое
форматирование документа, что позволяет сэкономить время при задании
формата текста и таблиц. Темы документов предоставляют возможность
оформлять документы с использованием одних и тех же цветов, шрифтов и
эффектов для достижения общего единства оформления. Возможность
175
добавлять стандартные блоки готовых данных (Building Blocks) в Office Word
2007 сокращает количество ошибок, связанных с копированием и вставкой
часто используемой информации, причем данные блоки легко обновлять и
применять при групповой работе. Для вставки стандартной информации
достаточно выбрать нужное содержимое в меню Building Blocks и поместить
его в документ. Добавление в документ цитат и ссылок можно осуществить
одним щелчком мыши, выполняя поиск по базам данных готовых ссылок.
Новая функция сравнения документов дает возможность более
тщательно производить сравнение двух версий, включая выполненные
перемещения текста и внесенные изменения, в том числе и в таблицах. Это
может быть крайне важным при поиске в документе изменений. При
сравнении можно также использовать новую панель обзора, состоящую из
трех областей, две из которых отображают два сравниваемых документа, а
третья – конечный документ, объединяющий изменения из первых двух
документов. При этом одновременная прокрутка всех трех областей
облегчает систематическое отслеживание изменений.
Новая функция проверки документов (Document Inspector) помогает
перед их распространением выявлять и удалять из них нежелательные
комментарии, персонально идентифицируемую информацию, скрытый текст
и другие конфиденциальные данные. А снабдив документ цифровой
подписью, вы подтвердите, что его содержимое с момента публикации не
было изменено, и позволите другим пользователям убедиться в этом.
Новая функция связывания данных в Office Word 2007 предоставляет
возможность динамического отображения сведений, хранящихся в
информационных системах. Использование новых форматов Word XML
позволяет легко обновлять хранилище данных в формате XML, находящееся
внутри файла Office Word, обеспечивая тем самым своевременное
обновление содержимого документа. Интеграция XML-документов путем
связывания данных с источниками деловой информации позволяет
организациям создавать и развертывать структурированные шаблоны
176
документов, помогающие пользователям обеспечить достоверность
информации в своих документах, не прибегая к обширному поиску во
внешних приложениях, а используя элементы управления документами и
связанными данными.
Элементы управления документами позволяют структурировать
процесс их составления, устанавливая как обязательные конкретные типы
информационных данных или добавляя разделы, не допускающие правки или
изменения форматирования. Постоянный подсчет слов в реальном времени
отслеживает их количество в документе прямо в процессе набора текста, а
контекстная проверка орфографии помогает избежать неправильного
словоупотребления. При этом стало проще получить статистические данные
о документе.
Программа текстового редактора Microsoft Office Word 2007 содержит
встроенное средство для записи и редактирования формул. Это средство не
является самостоятельным приложением, это компонент текстового
редактора Word 2007.
Новое средство ввода формул (рис. 5) позволяет конструировать
математические выражения с использованием реальных математических
символов, готовых выражений и автоматического форматирования, что
особенно удобно при написании научных статей и документов.
Строка Формула группы Сервис позволит пользователю создать новую
формулу или выбрать уже имеющуюся формулу из коллекции (рис. 6).
При открытии в редакторе Word 2007 документа, созданного с
помощью более ранних версий текстового редактора, включается режим
совместимости, в строке заголовка окна документа отображается надпись
Режим ограниченной функциональности. В этом режиме новые возможности
редактора Word 2007 недоступны. Находясь в этом режиме, можно
редактировать формулу средствами приложения Microsoft Equation 3.0.
177
Применить новые возможности текстового редактора Word 2007,
расположенные на панели Работа с формулами, для редактирования
формулы, созданной средствами приложения Microsoft Equation 3.0
возможно после преобразования к новому формату редактора Word 2007.
Новые возможности построения диаграмм и графиков, включающие
трехмерные формы, прозрачность, тени и другие эффекты, позволяют быстро
создавать графику для документов на профессиональном уровне. С помощью
экспресс-стилей и тем документов можно с легкостью изменять внешний вид
текста, таблиц и графиков в документе в соответствии с предпочтительным
стилем или цветовой схемой. Поскольку функции приложения Word 2007
доступны в средстве подготовки презентаций Microsoft Office PowerPoint
2007 и электронной таблице Microsoft Office Excel 2007, пользователь может
работать с одинаковыми диаграммами и графиками во всех трех
приложениях и без труда обновлять их.
Некоторые сведения в документах всегда остаются неизменными
независимо от типа создаваемого документа. Раньше пользователю
приходилось тратить много времени на поиск и повторный ввод такой
информации, как контактные данные организаций, биографии сотрудников,
гарантийные условия или текст стандартных предложений.
Новая возможность программы Word 2007 – библиотека содержимого.
Смысл ее очень простой: возможность сохранения любой части документа
(текст, таблицы, картинки) в эту библиотеку и использовать в других
документах.
Благодаря функции стандартных блоков, (рис. 8) можно сэкономить
время и уменьшить количество ошибок путем создания блоков часто
используемой информации, которые можно обновлять. Для ввода
стандартной информации достаточно выбрать необходимое содержимое из
меню стандартных блоков и вставить его в документ.
Сохранение документов в формате PDF или XML
178
По-умолчанию в программе Word 2007 (входит во все комплекты
Office) все документы сохраняются в новом формате docx.
Иногда документ текстового редактора Word необходимо сохранить в
«фиксированном» формате, для того чтобы пользователи, на компьютерах
которых не установлен редактор Word, могли просмотреть этот документ.
Теперь текстовый редактор Word поддерживает сохранение документов в
формате PDF. Это дает пользователям возможность публиковать свои
документы в Интернете и использовать их совместно с коллегами, с
уверенностью, что любой из них сможет просмотреть документы независимо
от типа компьютера или установленных приложений.
При создании документов для Интернета или печати, например
бюллетеней или рекламных объявлений, возможность их предварительного
преобразования в формат PDF позволяет создать готовый продукт на
профессиональном уровне. Многие коммерческие типографии также
предпочитают получать заказы на печать в формате PDF.
Формат XML текстового редактора Microsoft Office Word позволяет
существенно уменьшить размеры файлов, а также обеспечивает
дополнительные возможности по восстановлению поврежденных файлов.
Если пользователь часто работает с большими файлами, новый формат
позволит существенно сэкономить пространство на диске и системные
ресурсы.
При совместной работе сотрудников с документами иногда бывает
сложно определить, были ли эти документы изменены. Новая функция
сравнения документов позволяет осуществлять более тщательный просмотр
путем сравнения двух версий документа, включая перемещенный текст и
изменения в таблицах, даже если пользователь не знает, кто внес изменения.
В то же время тройная панель просмотра облегчает обнаружение
мельчайших различий между двумя версиями документа при сравнении или
совмещении изменений в двух программах просмотра.
179
Когда пользователь готов отправить документ покупателю или
клиенту, «Инспектор документов» помогает найти и удалить из документа
комментарии, личную информацию, скрытый текст или другие сведения, к
которым желательно ограничить доступ.
В Microsoft Office 2007 значительно улучшена система защиты
документов. Существенно изменен формат файлов: теперь вместо OLE-
контейнеров применяется легко читаемый формат XML. Однако если файл
защищен паролем «на открытие», документ представляет собой OLE-
контейнер, в котором находится информация о шифровании и сам
зашифрованный документ. Для шифрования применяется широко известный
и очень криптостойкий алгоритм AES. Длина ключа всегда 128 бит, что
исключает возможность прямого перебора ключей. При формировании
ключа происходит 50 тыс. преобразований по алгоритму SHA-1, исходными
данными для которых являются пароль и число, уникальное для каждого
документа. При этом скорость прямого перебора паролей значительно
уменьшается и, по предварительным оценкам, составит около 500 паролей в
секунду на современных процессорах Intel Core 2 Duo. Следовательно,
стойкий пароль к документу Office 2007 восстановить практически
невозможно. Единственным препятствием к использованию данной защиты
является новый формат файлов, который пока не очень распространен. Если
же сохранять документы в старых форматах – защита будет более слабой.
Функции защиты в MS Word обеспечивается средством Office «Подготовить»
(рис. 9).
Возможности текстового редактора Word 2007 позволяют защищать
документы с помощью цифровой подписи или помечать их как
окончательные, чтобы нельзя было вносить изменения.
Благодаря новому пользовательскому интерфейсу, позволяющему
быстро находить нужные функции и создавать документы
180
профессионального уровня, один только текстовый редактор Word 2007
является достаточным основанием для обновления до пакета Microsoft Office
Small Business Edition 2007.
181
Тема 7. Обработка табличных электронных документов
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Основные элементы электронной таблицы.
2. История Excel.
3. Работа в Microsoft Excel.
1. Основные элементы электронной таблицы
Электронная таблица – компьютерный эквивалент обычной таблицы, в
клетках (ячейках) которой записаны данные различных типов: тексты, даты,
формулы, числа.
Результат вычисления формулы в клетке является изображением этой
клетки. Числовые данные и даты могут рассматриваться как частный случай
формул. Для управления электронной таблицей используется специальный
комплекс программ – табличный процессор.
Главное достоинство электронной таблицы – это возможность
мгновенного пересчета всех данных, связанных формульными
зависимостями при изменении значения любого операнда.
Рабочая область электронной таблицы состоит из строк и столбцов,
имеющих свои имена. Имена строк – это их номера. Нумерация строк
начинается с 1 и заканчивается максимальным числом, установленным для
данной программы. Имена столбцов – это буквы латинского алфавита
сначала от А до Z , затем от АА до AZ , ВА до BZ и т. д.
Максимальное количество строк и столбцов определяется
особенностями используемой программы и объемом памяти компьютера,
Современные программы дают возможность создавать электронные таблицы,
содержащие более 1 млн. ячеек, хотя для практических целей в большинстве
случаев этого не требуется.
Пересечение строки и столбца образует ячейку таблицы, имеющую
свой уникальный адрес. Для указания адресов ячеек в формулах
используются ссылки.
182
Ячейка – область, определяемая пересечением столбца и строки
электронной таблицы.
Адрес ячейки – определяется названием (номером) столбца и номером
строки.
Ссылка – способ (формат) указания адреса ячейки.
В электронной таблице существует понятие диапазона ячеек, также
имеющего свой уникальный адрес. В качестве блока ячеек может
рассматриваться строка или часть строки, столбец или часть столбца, а также
прямоугольник, состоящий из нескольких строк и столбцов или их частей.
Адрес блока ячеек задается указанием ссылок первой и последней его ячеек,
между которыми, например, ставится разделительный символ – двоеточие
<:> или две точки подряд <..>.
Каждая команда электронной таблицы требует указания блока
(диапазона) ячеек, в отношении которых она должна быть выполнена.
Блок используемых ячеек может быть указан двумя путями: либо
непосредственным набором с клавиатуры начального и конечного адресов
ячеек, формирующих диапазон, либо выделением соответствующей части
таблицы при помощи клавиш управления курсором. Удобнее задавать
диапазон выделением ячеек.
Типичными установками, принимаемыми по умолчанию на уровне
всех ячеек таблицы, являются: ширина ячейки в 9 разрядов, левое
выравнивание для символьных данных и основной формат для цифровых
данных с выравниванием вправо.
Блок ячеек – группа последовательных ячеек. Блок ячеек может
состоять из одной ячейки, строки (или ее части), столбца (или его части), а
также последовательности строк или столбцов (или их частей).
При работе с электронной таблицей на экран выводятся рабочее поле
таблицы и панель управления. Панель управления обычно включает: Главное
меню, вспомогательную область управления, строку ввода и строку
183
подсказки. Расположение этих областей на экране может быть произвольным
и зависит от особенностей конкретного табличного процессора.
Строка главного меню содержит имена меню основных режимов
программы. Выбрав один из них, пользователь получает доступ к
ниспадающему меню, содержащему перечень входящих в него команд.
После выбора некоторых команд ниспадающего меню появляются
дополнительные подменю.
Вспомогательная область управления включает:
∙ строку состояния;
∙ панели инструментов;
∙ вертикальную и горизонтальную линейки прокрутки.
В строке состояния пользователь найдет сведения о текущем режиме
работы программы, имени файла текущей электронной таблицы, номере
текущего окна и т.п. Панель инструментов (пиктографическое меню)
содержит определенное количество кнопок (пиктограмм), предназначенных
для быстрой активизации выполнения определенных команд меню и
функций программы. Чтобы вызвать на экран те области таблицы, которые
на нем в настоящий момент не отображены, используются вертикальная и
горизонтальная линейки прокрутки . Бегунки линеек прокрутки показывают
относительную позицию активной ячейки в таблице и используются для
быстрого перемещения по ней. В некоторых табличных процессорах на
экране образуются специальные зоны быстрого вызова. При щелчке мыши в
такой зоне вызывается соответствующая функция. Например, при щелчке
мыши на координатной линейке вызывается диалог задания параметров
страницы.
Строка ввода отображает вводимые в ячейку данные. В ней
пользователь может просматривать или редактировать содержимое текущей
ячейки. Особенность строки ввода – возможность видеть содержащуюся в
текущей ячейке формулу или функцию, a не ее результат. Строку ввода
удобно использовать для просмотра или редактирования текстовых данных.
184
Строка подсказки предназначена для выдачи сообщений пользователю
относительно его возможных действий в данный момент.
Приведенная структура интерфейса является типичной для табличных
процессоров, предназначенных для работы в среде Windows.
Рабочее поле – пространство электронной таблицы, состоящее из ячеек,
названий столбцов и строк.
Панель управления – часть экрана, дающая пользователю информацию
об активной ячейке и ее содержимом, меню и режиме работы.
Текущей (активной) называется ячейка электронной таблицы, в
которой в данный момент находится курсор. Адрес и содержимое текущей
ячейки выводятся в строке ввода электронной таблицы. Перемещение
курсора как по строке ввода, так и по экрану осуществляется при помощи
клавиш движения курсора.
Возможности экрана монитора не позволяют показать всю
электронную таблицу. Мы можем рассматривать различные части
электронной таблицы, перемещаясь по ней при помощи клавиш управления
курсором. При таком перемещении по таблице новые строки (столбцы)
автоматически появляются на экране взамен тех, от которых мы уходим.
Часть электронной таблицы, которую мы видим на экране монитора,
называется текущим (активным) экраном.
Основные объекты обработки информации – электронные таблицы –
размещаются табличным процессором в самостоятельных окнах, и открытие
или закрытие этих таблиц есть, по сути, открытие или закрытие окон, в
которых они размещены. Табличный процессор дает возможность открывать
одновременно множество окон, организуя тем самым «многооконный
режим» работы. Существуют специальные команды, позволяющие изменять
взаимное расположение и размеры окон на экране. Окна, которые в
настоящий момент на экране, называются текущими (активными).
Рабочая книга представляет собой документ, содержащий несколько
листов, а которые могут входить таблицы, диаграммы или макросы. Можно
185
создать книгу для совместного хранения в памяти интересующих листов и
указать, какое количество листов она должна содержать. Все листы рабочей
книги сохраняются в одном файле. Заметим, что, термин «рабочая книга» не
является стандартным. Так, например, табличный процессор Framework
вместо него использует понятие Frame (рамка).
В каждую ячейку пользователь может ввести данные одного из
следующих возможных видов: символьные, числовые, формулы и функции, а
также даты.
Символьные (текстовые) данные имеют описательный характер. Они
могут включать в себя алфавитные, числовые и специальные символы. В
качестве их первого символа часто используется апостроф, а иногда –
кавычки или пробел.
Числовые данные не могут содержать алфавитных и специальных
символов, поскольку с ними производятся математические операции.
Единственными исключениями являются десятичная точка (запятая) и знак
числа, стоящий перед ним.
Формулы. Видимое на экране содержимое ячейки, возможно, –
результат вычислений, произведенных по имеющейся, но не видимой в ней
формуле. Формула может включать ряд арифметических, логических и
прочих действий, производимых с данными из других ячеек.
Функции. Функция представляет собой программу с уникальным
именем, для которой пользователь должен задать конкретные значения
аргументов функции, стоящих в скобках после ее имени. Функцию (так же,
как и число) можно считать частным случаем формулы. Различают
статистические, логические, финансовые и другие функции.
Даты. Особым типом входных данных являются даты. Этот тип
данных обеспечивает выполнение таких функций, как добавление к дате
числа (пересчет даты вперед и назад) или вычисление разности двух дат
(длительности периода). Даты имеют внутренний (например, дата может
выражаться количеством дней от начала 1900 года или порядковым номером
186
дня по Юлианскому календарю) и внешний формат. Внешний формат
используется для ввода и отображения дат.
Тип входных данных, содержащихся в каждой ячейке, определяется
первым символом, который должен трактоваться не как часть данных, а как
команда переключения режима:
если в ячейке содержатся числа, то первый их символ является либо
цифрой, либо десятичной точкой, либо знаком числа (плюсом или минусом);
если в ячейке содержится формула, то первый ее символ должен быть
выбран определенным образом в соответствии со спецификой конкретного
табличного процессора. Для этого часто используются левая круглая скобка,
знак числа (плюс или минус), знак равенства и т.п.;
ячейка, содержащая функцию, всегда использует в качестве первого
специальный символ;
если ячейка содержит символьные данные, ее первым символом может
быть одинарная (апостроф) или двойная кавычка, а также пробел.
Логические данные используется в логических формулах и функциях.
Данные этого типа отображаются в текущей ячейке следующим образом:
если вводится любой отличное от нуля число (целое или дробное), то после
нажатия клавиши <Enter> в этой ячейке будет выведено «Истина». Ноль
отображается в соответствующей ячейке как «Ложь».
Это представление данных связано с понятием логической переменной,
которая используется в алгебре логики. Одна служит для описания
высказываний, которые могут принимать одно из двух возможных значений:
«истина» (логическая единица) либо «ложь» (логический нуль).
Можно использовать различные форматы представления числовых
данных в рамках одной и той же электронной таблицы. По умолчанию числа
располагаются в ячейке, выравниваясь по правому краю. В некоторых
электронных таблицах предусмотрено изменение этого правила. Рассмотрим
наиболее распространенные форматы представления числовых данных.
187
Основной формат используется по умолчанию, обеспечивая запись
числовых данных в ячейках в том же виде, как они вводятся или
вычисляются.
Формат с фиксированным количеством десятичных знаков
обеспечивает представление чисел в ячейках с заданной точностью,
определяемой установленным пользователем количеством десятичных
знаков после запятой (десятичной точки).
Процентный формат обеспечивает представление введенных данных в
форме процентов со знаком % (в соответствии с установленным количеством
десятичных знаков).
Денежный формат обеспечивает такое представление чисел, где
каждые три разряда разделены запятой. При этом пользователем может быть
установлена определенная точность представления (с округлением до целого
числа или в два десятичных знака).
Научный формат, используемый для представления очень больших
или очень маленьких чисел, обеспечивает представление вводимых чисел в
виде двух компонентов:
– мантиссы, имеющей один десятичный разряд слева от десятичной
точки, и некоторого (определяемого точностью, заданной пользователем)
количества десятичных знаков справа от нее;
– порядка числа.
Вычисления в таблицах производятся с помощью формул. Результат
вычисления помещается в ячейку, в которой находится формула.
При вычислениях с помощью формул соблюдается принятый в
математике порядок выполнения арифметических операций.
Формулы состоят из операторов и операндов, расположенных в
определенном порядке. В качестве операндов используются данные, а также
ссылки отдельных ячеек или блоков ячеек. Операторы в формулах
обозначают действия, производимые с операндами. В зависимости от
188
используемых операторов различают арифметические (алгебраические) и
логические формулы.
В арифметических формулах используются следующие операторы
арифметических действий:
+ сложение,
– вычитание,
* умножение,
/ деление,
^ возведение в степень.
Каждая формула в электронной таблице содержит несколько
арифметических действий с ее компонентами. Установлена
последовательность выполнения арифметических операций. Сначала
выполняется возведение в степень, затем – умножение и деление и только
после этого – вычитание и сложение. Если вы выбираете между операциями
одного уровня (например, между умножением и делением), то следует
выполнять их слева направо. Нормальный порядок выполнения операций
изменяют введением скобок. Операции в скобках выполняются первыми.
Арифметические формулы могут также содержать операторы
сравнения: равно (=), не равно (< >), больше (>), меньше (<), не более (<=), не
менее (>=). Результатом вычисления арифметической формулы является
число.
Логические формулы могут содержать указанные операторы
сравнения, а также специальные логические операторы:
– логическое отрицание «НЕ»,
– логическое «И»,
– логическое «ИЛИ».
Логические формулы определяют, выражение истинно или ложно.
Истинным выражениям присваивается численная величина 1, а ложным – 0.
Таким образом, вычисление логической формулы заканчивается получением
оценки «Истинно» (1) или «Ложно» (0).
189
По умолчанию электронная таблица вычисляет формулы при их вводе,
пересчитывает их повторно при каждом изменении входящих в них
исходных данных, формулы могут включать функции.
Под функцией понимают зависимость одной переменной (у) от одной
(х) или нескольких переменных (х1, х2, ..., xn). Причем каждому набору
значений переменных х1, х2, ..., xn будет соответствовать единственное
значение определенного типа зависимой переменной y. Функции вводят в
таблицу в составе формул либо отдельно. В электронных таблицах могут
быть представлены следующие виды функций:
математические;
статистические;
текстовые;
логические;
финансовые;
функции даты и времени и др.
Математические функции выполняют различные математические
операции, например, вычисление логарифмов, тригонометрических функций,
преобразование радиан в градусы и т. п.
Статистические функции выполняют операции по вычислению
параметров случайных величин или их распределений, представленных
множеством чисел, например, стандартного отклонения, среднего значения,
медианы и т. п.
Текстовые функции выполняют операции над текстовыми строками
или последовательностью символов, вычисляя длину строки, преобразовывая
заглавные буквы в строчные и т.п.
Логические функции используются для построения логических
выражений, результат которых зависит от истинности проверяемого условия.
Финансовые функции используются в сложных финансовых расчетах,
например определение нормы дисконта, размера ежемесячных выплат для
погашения кредита, определение амортизационных отчислений и др.
190
Все функции имеют одинаковый формат записи и включают имя
функции и находящийся в круглых скобках перечень аргументов,
разделенных запятыми.
Современные табличные процессоры позволяют применять
многочисленные средства автоматизации решения задач, так что возможным
стало даже написание конкретных приложений на их основе. Кроме того, они
обладают широкими графическими возможностями. Табличные процессоры
особенно широко используются в аналитической деятельности, а также для
подготовки документов сложной формы.
Основное назначение табличного процессора – автоматизация Расчетов
в табличной форме.
По сравнению с бумажной предшественницей электронная т. к. лица
предоставляет пользователю гораздо больше возможностей для работы. В
ячейках таблицы могут записываться различные числа, даты, тексты,
логические величины, функции, формулы. Формулы позволяют практически
мгновенно производить пересчет и выводить в соответствующей ячейке
новый результат при изменении исходных данных. Эта возможность
позволяет активно использовать электронные таблицы:
для автоматизации вычислений;
для представления результатов вычислений в виде диаграмм;
для моделирования, когда исследуется влияние различных значений
параметров.
Табличный процессор получил широкое распространение во всей
экономической системе: в бухгалтериях фирм и предприятий, в
экономических отделах, в коммерческих банках и других организациях, что
связано с большим количеством экономических операций и их
универсальностью.
Табличный процессор является неотъемлемой частью прикладного
программного обеспечения АРМ экономиста, что связано с его
функциональными возможностями.
191
2. История Excel
В 1982 году Microsoft запустила на рынок первый электронный
табличный процессор Multiplan, который был очень популярен на CP/M
системах, но на MS-DOS системах он уступал Lotus 1-2-3. Первая версия Ex-
cel предназначалась для Mac и была выпущена в 1985 году, а первая версия
для Windows была выпущена в ноябре 1987 года. Lotus не торопилась
выпускать 1-2-3 под Windows, и Excel с 1988 года начала обходить по
продажам 1-2-3, что в конечном итоге помогло Microsoft достичь позиций
ведущего разработчика программного обеспечения. Microsoft укрепляла свое
преимущество с выпуском каждой новой версии, что имело место примерно
каждые два года. Текущая версия для платформы Windows - Excel 14, также
известная как Microsoft Office Excel 2010. Текущая версия для платформы
Mac OS X - Microsoft Excel 2011.
В начале своего пути Excel стал причиной иска о товарном знаке от
другой компании, уже продававшей пакет программ под названием «Excel».
В результате спора Microsoft была обязана использовать название «Microsoft
Excel» во всех своих официальных пресс-релизах и юридических
документах. Однако со временем эта практика была позабыта, и Microsoft
окончательно устранила проблему, приобретя товарный знак другой
программы. Microsoft также решила использовать буквы XL как сокращенное
название программы: иконка Windows-программы состоит из стилизованного
изображения этих двух букв, а расширение файлов по умолчанию в Excel
- .xls. В сравнении с первыми табличными процессорами Excel представляет
множество новых функций пользовательского интерфейса, но суть остается
прежней: как и в программе-родоначальнике, VisiCalc, ячейки расставляются
в строки и столбцы и могут содержать данные или формулы с
относительными или абсолютными ссылками на другие клетки.
Excel был первым табличным процессором, позволявшим
пользователю менять внешний вид таблицы (шрифты, символы и внешний
вид ячеек). Он также первым представил метод умного пересчета ячеек,
192
когда обновляются только те ячейки, которые зависят от измененных ячеек
(раньше табличные процессоры либо постоянно пересчитывали все ячейки
или ждали команды пользователя).
Будучи впервые объединенными в Microsoft Office в 1993 году,
Microsoft Word и Microsoft PowerPoint получили новый графический
интерфейс для соответствия Excel, главного стимула модернизации ПК в то
время.
Начиная с 1993 года, в состав Excel входит Visual Basic для
приложений (VBA), язык программирования, основанный на Visual Basic,
позволяющий автоматизировать задачи Excel. VBA является мощным
дополнением к приложению и в более поздних версиях Excel доступна
полнофункциональная интегрированная среда разработки. Можно создать
VBA-код, повторяющий действия пользователя и таким образом
автоматизировать простые задачи. VBA позволяет создавать формы для
общения с пользователем. Язык поддерживает использование (но не
создание) DLL от ActiveX; более поздние версии позволяют использовать
элементы объектно-ориентированного программирования.
Функциональность VBA делала Excel легкой мишенью для
макровирусов. И это было серьезной проблемой до тех пор, пока
антивирусные продукты не научились обнаруживать их. Фирма Microsoft, с
опозданием приняв меры для уменьшения риска, добавила возможность
выбора режима безопасности:
полностью отключить макросы
включить макросы при открытии документа
доверять всем макросам, подписанным с использованием надежных
сертификатов.
3. Работа в Microsoft Excel
Область применения Excel широка:
благодаря тому, что лист Excel представляет из себя готовую таблицу,
Excel часто используют для создания документов без всяческих расчетов,
193
просто имеющих табличное представление (например, прайс-листы в
магазинах, расписания);
в Excel легко можно создавать различные виды графиков и диаграмм,
которые берут данные для построения из ячеек таблиц (график снижения
веса тела за указанный период от начала занятий спортом);
его могут использовать обычные пользователи для элементарных
расчетов (сколько потратил за этот месяц, что/кому/когда дал/взял);
Excel содержит многие математические и статистические функции,
благодаря чему его могут использовать для расчетов курсовых,
лабораторных работ;
Excel интенсивно используется в бухгалтерии - в фирмах это
инструмент для оформления документов, расчетов и создания диаграмм.
Естественно, он имеет в себе соответствующие функции;
Excel может даже работать как база данных. Хотя, конечно, до
полноценной базы данных ему далеко;
Excel можно использовать в качестве формы для представления
обработанных данных.
Предварительные настройки и рекомендации
Всегда должны быть включены панели инструментов "Стандартная" и
"Форматирование". Включить их можно в меню "Вид" -> "Панели
инструментов". Также в меню "Вид" включите панели "Строка формул" и
"Строка состояния";
После установки по умолчанию установлен режим, в котором панели
инструментов отображаются в одной строке, при этом не поместившиеся
кнопки скрыты от пользователя.
По умолчанию в главном меню программы отображаются только часто
используемые пункты, остальные скрыты. Включите их в меню "Сервис" ->
"Настройка..." -> закладка "Параметры" -> галочка "Всегда показывать
полные меню". Там же поставьте галочку "Отображать подсказки для
кнопок".
194
Интерфейс программы Microsoft Excel
Документ Excel имеет расширение "*.xls" ("*.xlsx" в Microsoft Office
Excel 2007) и называется рабочая книга. Рабочая книга состоит из листов. По
умолчанию их создается три. Переключаться между листами можно,
используя закладки (ярлычки) в нижней части окна "Лист 1" и т.д.
Каждый лист представляет собой таблицу. Таблица состоит из
столбцов и строк. Столбцов в листе 256 (2 в 8 степени), а строк 65536 (2 в 16
степени). Столбцы обозначаются буквами латинского алфавита (в обычном
режиме) от "A" до "Z", затем идет "AA-AZ", "BA-BZ" и т.п. до "IV" (256).
Строки обозначаются обычными арабскими числами.
На пересечении столбца и строки находится ячейка. Каждая ячейка
имеет свой уникальный (в пределах данного листа) адрес, который
составляется из буквы столбца (в обычном режиме) и номера строки
(например "A1"). Адрес ячейки (ссылка на ячейку) используется в расчетах
(и не только) для того, чтобы данные из этой ячейки использовать в формуле.
Только одна из ячеек листа в текущий момент времени является
активной. Вокруг активной ячейки видна жирная черная рамка с квадратиком
в нижнем правом углу (маркером автозаполнения). Даже если выделен
диапазон ячеек, все равно одна из выделенных ячеек будет иметь белый цвет.
Это не значит, что она не выделена, это значит, что в выделенном диапазоне
она активная - именно в нее будет вводится набираемый с клавиатуры текст.
Операции над листами (ярлычками) рабочей книги
С использованием левой кнопки мыши:
щелчок левой кнопкой по закладке (ярлычку) - переключение на
соответствующее окно (либо использовать сочетание клавиш Ctrl + PageUp/
Ctrl + PageDown);
перетаскивание левой кнопкой мыши - изменение порядка
расположения листов;
Ctrl + перетаскивание левой кнопкой мыши - создание копии листа;
195
Ctrl + последовательные щелчки по ярлычкам - выделение нескольких
листов;
Shift + щелчок на начальном и конечном ярлычке - выделение
диапазона листов;
двойной щелчок по ярлычку - переименование листа. Нажать "Enter"
для завершения.
По нажатию правой кнопки мыши над ярлычком открывается
контекстное меню, в котором доступны следующие команды:
"Добавить...". Открывается окно, в котором выбираем, что добавить:
новый лист, диаграмму, готовый шаблон и т.д.;
"Удалить".
"Переименовать".
"Переместить/Скопировать...":
в выпадающем списке "в книгу:" выбираем, куда надо копировать лист:
в один из открытых документов или в новую книгу;
В списке "перед листом:" будут отображены листы выбранной книги.
Выбираем, переместить лист в конец или перед каким листом вставить;
Если не устанавливать галочку "Создавать копию", лист будет
перемещен в выбранную книгу, если установить - в выбранной книге будет
создана копия этого листа.
"Выделить все листы".
"Цвет ярлычка...".
"Исходный текст".
Перемещение по таблице (активация нужной ячейки)
Самый простой способ - щелкнуть левой кнопкой на нужной ячейке.
С помощью клавиш управления курсором (стрелочек) можно
переместить "курсор" (рамку) на ячейку вверх/вниз/вправо/влево.
Excel - одна из немногих программ, где работает клавиша "Scroll Lock",
причем так же, как в MS-DOS.
196
Нажатие клавиши "Tab" приводит к перемещению в следующую
(справа) ячейку в строке, а "Shift+Tab" - в предыдущую. Нажатие клавиши
"Enter" приводит к перемещению на ячейку вниз, а "Shift+Enter" - вверх.
Если нажать несколько раз "Tab", затем нажать "Enter", курсор
перейдет под ту ячейку, в которой в первый раз нажали "Tab". Это удобно в
тех случаях, когда заполняется таблица построчно.
Нажатие сочетаний клавиш "Ctrl + клавиши управления курсором"
приводит к переходу курсора к ближайшей ячейке, где имеются какие-то
данные. Если же таких ячеек на пути не встречается, курсор переходит к
одному из краев таблицы.
Если выделен диапазон ячеек, одна из них все равно остается белой,
"невыделенной". При этом нажатие клавиш "Tab", "Enter" [+Shift] приведет к
циклическому перемещению активной ячейки. В процессе этого можно
вводить данные, выделение не снимется. Если в процессе перемещения
активной ячейки нажать "Ctrl+Enter" (не выходя из режима редактирования),
значение из этой ячейки скопируется во все ячейки выделенного диапазона;
Нажатие клавиш "Page Up" / "Page Down" приводит к перемещению на
страницу вниз / вверх;
При наведении курсора мыши на границу между двумя строками или
столбцами (в "шапке" таблицы), курсор изменяет форму. Если зажать левую
кнопку мыши и, не отпуская ее, переместить курсор, будет изменяться
ширина столбца или высота строки. При этом появится всплывающая
подсказка, в которой будет отображаться числовое значение ширины
(высоты).
При изменении ширины столбцов, первое число будет означает,
сколько символов шрифта текущего размера поместится в этой ячейке. Число
в скобках показывает ширину в пикселях.
При изменении высоты строк, первое число показывает, какого
максимального размера (шрифта) текст поместится в эту ячейку. Число в
скобках показывает ширину в пикселях.
197
Если выделить несколько столбцов (строк), затем изменить ширину
(высоту) одной из них, все выделенные столбцы (строки) станут такой же
ширины (высоты).
Если сделать ширину (высоту) отрицательной, выделенные столбцы
(строки) исчезнут. В 2007 нельзя сделать ширину отрицательной,
перетаскиванием границы.
Если выполнить двойной щелчок левой кнопкой мыши на правой
границе столбца (нижней границе строки), то ширина столбца (высота
строки) подгонится под содержимое (под самый "длинный" ("высокий")
элемент. Аналогично, если выделены несколько столбцов (строк), то двойной
щелчок на правой (нижней) границе любого из них подгонит все выделенные
столбцы (строки) под содержимое;
Если щелкнуть правой кнопкой на заголовке столбцы (строки), в
контекстном меню появятся команды "Ширина столбца..." ("Высота строки").
После выбора одной из них откроется окно "Ширина столбца" ("Высота
строки"), в котором пользователь может ввести числовое значение ширины
(высоты) в количестве символов (размер шрифта).
Для ввода данных в одну ячейку достаточно сделать ее активной и
начать набирать текст. Для выхода из режима редактирования нужно нажать
"Enter" или "Tab" ([+Shift]). Если до этого в ячейке были данные, они
сотрутся;
Для ввода одинаковых данных во многие ячейки, выделяем нужные
ячейки, пишем текст, и, не выходя из режима редактирования, нажимаем
"Ctrl+Enter";
Для изменения данных в ячейке, делаем ее активной, щелкаем в строке
формул, и в ней изменяем содержимое ячейки, для завершения нажимаем
"Enter", либо зеленую галочку слева.
Для принудительного ввода разрыва строки достаточно в нужном месте
текста ячейки нажать "Alt+Enter"
Для вставки примечания:
198
Щелкаем правой кнопкой в нужный ячейке → "Добавить примечание"
→ Пишем текст примечания и оформляем → щелкаем за пределами
примечания для завершения;
В верхнем правом углу ячейки с примечанием появится красный
треугольник. При наведении мыши на эту ячейку появится примечание:
К тексту примечания применимы некоторые приемы форматирования
(размер, вид шрифта и др.)
По умолчанию, текст выравнивается по левому краю (по горизонтали),
а числа - по правому (по горизонтали). По вертикали данные выровнены по
нижнему краю. Выравнивание по горизонтали можно поменять с помощью
кнопок на панели инструментов "Форматирование" которую можно вызвать
сочетанием кнопок ctrl+1:
Здесь (слева направо) кнопки: по левому краю, по центру и по правому
краю.
Выравнивание по вертикали изменяется с помощью окна "Формат
ячеек", закладка "Выравнивание"
Возникает необходимость создать одну ячейку, которая находится на
пересечении нескольких столбцов и нескольких строк
Это можно сделать двумя способами:
кнопка "Объединить и поместить в центре" на панели инструментов
"Форматирование";
199
галочка "объединение ячеек" в окне "Формат ячеек", закладка
"Выравнивание".
Сначала выделяем ячейки, которые необходимо объединить, затем
выполняем одно из вышеуказанных действий. Если в выделенном диапазоне
была (одна) ячейка с текстом, текст выровняется по центру объединенной
ячейки (только по горизонтали). Если в выделенном диапазоне было
несколько ячеек с текстом, то сохранится только значение, которое было
верхним левым и тоже выровняется.
Адресом объединенной ячейки станет адрес верхней левой ячейки,
остальные ячейки выделенного диапазона Excel будет рассматривать как
пустые.
Лист Excel по умолчанию представляет из себя таблицу. Однако сетка
таблицы не выводится на печать. Существует три способа добавить границы
к выделенным ячейкам:
Кнопка "Границы" на панели инструментов "Форматирование";
Окно "Граница", вызываемое из кнопки "Границы" -> "Нарисовать
границы..."
По умолчанию после создания документа все ячейки находятся в
формате "Общий":
числа выравниваются по правому краю, а текст - по левому;
если, изменяя ширину столбца, сделать ее меньше определенной, то
число в ячейках заменяется на символы "#". Это не ошибка. Это означает, что
нужно сделать столбец пошире;
если число очень большое ("6000000000000") или очень маленькое
("0,00000000000001"), оно автоматически преобразуется в экспоненциальный
(научный) формат ("6E+12" и "1E-14" соответственно);
200
при изменении ширины столбца округляются десятичные дроби.
Например, если написать "3,1415", затем изменить ширину так, чтобы "5"
перестала помещаться, в ячейке отобразится "3,142".
Часто нужно к числу в ячейке добавить обозначение денежной
единицы, знак процента, выставить количество знаков после запятой,
представить дату в определенном формате и т.п.
Есть 3 способа изменить формат представления данных в ячейках:
автоматически после ввода определенных данных в ячейку Excel сам
сменит формат ячейки;
с помощью кнопок на панели инструментов "Форматирование".
с помощью окна "Формат ячеек";
Автоматическое изменение формата ячейки после ввода данных
После ввода определенных последовательностей символов, Excel
автоматически изменяет формат ячейки. После этого все в дальнейшем
вводимые в эту ячейку числа Excel пытается преобразовать в этот формат.
В окне "Формат ячеек", в закладке "Число", можно выбрать один из
нескольких предопределенных в Excel форматов, настроить их, а также
создать свой формат, используя специальный язык описания форматов.
Условное форматирование .Имеется возможность указать Excel, чтобы
при вводе данных, соответствующих определенному условию, он изменял
оформление ячейки: заливку, границы, шрифт. Сделать это можно с
помощью окна "Условное форматирование".
В этом окне можно задать до 3-х способов автоматического
оформления ячеек в зависимости от условия. Добавить новое условие можно,
нажав кнопку "А также >>". Нажав кнопку "Формат", можно настроить
параметры шрифта, границы и заливки для ячеек, значения в которых
201
удовлетворяют заданному условию. Значения в ячейках, не содержащих
данных, Excel считает равным нулю.
В условном форматировании можно использовать значения ячеек в
формулах, и в зависимости от результата вычисления формулы изменять
оформление.
В нижнем правом углу выделенной (активной) ячейки или выделенного
диапазона ячеек можно видеть небольшой квадратик - маркер
автозаполнения.
При наведении на него, указатель становится тонким крестиком, за
который можно взять левой или правой кнопкой мыши и потащить вниз,
вверх, вправо или влево. Это может использоваться в разных целях:
Копирование данных 1 в 1 в другие ячейки (чисел, текста, формул);
Создание арифметических и геометрических прогрессий;
Создание различных встроенных в Excel последовательностей
(названия месяцев, дней недели, даты, время);
Продолжение пользовательских настраеваемых последовательностей;
Копирование оформления ячеек.
Если потянуть за маркер правой кнопкой, после ее отпускания
откроется контекстное меню, в котором можно найти дополнительные
команды для копирования оформления ячеек, создания прогрессий и
последовательностей дат:
Если протянуть маркер автозаполнения через ячейки, в которых уже
есть какие-то данные, данные будут перезаписаны.
Ссылка в Microsoft Excel - адрес ячейки или связного диапазона ячеек.
Стиль ссылок R1C1 (здесь R - row (строка), C - column (столбец)).
Если включен классический вид и в ячейке с адресом A1 находится
формула «=B3» (B3 - относительная ссылка), то после переключения в вид
R1C1 она примет вид «=R[2]C[1]». В режиме R1C1 в квадратных скобках
202
указывается относительное смещение. В скобках после R указано смещение в
строках (row) - две строки вниз (вниз, потому что число положительное, если
бы стояло «R[-2]» - было бы вверх). В скобках после C указано смещение в
столбцах - 1 столбец вправо (если бы было C[-1] - влево). В общем случае
направления вниз и вправо считаются положительными, вверх и влево -
отрицательными.
Если включен классический вид и в ячейке с адресом A1 находится
формула «=$B$3» ($B$3 - абсолютная ссылка), то после переключения в вид
R1C1 она примет вид «=R3C2». Квадратных скобок нет, то есть указано не
относительно смещение по отношению к положению формула, а абсолютное
смещение по отношению к всему листу.
Ссылки в Excel бывают 3-х типов:
Относительные ссылки (пример: A1);
Абсолютные ссылки (пример: $A$1);
Смешанные ссылки (пример: $A1 или A$1, они наполовину
относительные, наполовину абсолютные).
Знак $ это способ указать Excel тип ссылки. Различия между разными
типами ссылок можно увидеть, если потянуть за маркер автозаполнения
активной ячейки или диапазона ячеек, содержащих формулу со ссылками.
Если ставить в какой то ячейке знак "=", затем щелкать левой кнопкой
мыши на какой то ячейке, Excel подставляет после "=" относительную
ссылку на эту ячейку. Эта ссылка "запоминает", на каком расстоянии (в
строках и столбцах) положения ячейки, где поставили "=" (смещение в
строках и столбцах). Если после нажатия Enter потянуть вниз за маркер
автозаполнения, эта формула скопируется во все ячейки. И в каждой ячейке
эта ссылка будет указывать на ячейку, расположенную на 3 столбца влево и 2
строки вверх относительно положения ссылки.
Абсолютная ссылка всегда указывают на одну и ту же ячейку.Чтобы
сделать относительную ссылку абсолютной, достаточно поставить знак «$»
перед буквой столбца и адресом строки, например $A$1. Более быстрый
203
способ - выделить относительную ссылку и нажать один раз клавишу «F4»,
при этом Excel сам проставит знак «$». Если второй раз нажать «F4», ссылка
станет смешанной такого типа A$1, если третий раз - такого $A1, если в
четвертый раз - ссылка опять станет относительной.
Смешанные ссылки являются наполовину абсолютными и наполовину
относительными. Знак доллара в них стоит или перед буквой столбца или
перед номером строки.
Для упрощения работы с ячейками или диапазоном ячеек можно дать
ей/им имя, и затем обращаться к ячейке или диапазону не по его адресу, а по
символьному имени. Именованные ячейки можно использовать везде, где
можно использовать то значение, на которое указывает ссылка.
Именованные ячейки по умолчанию являются абсолютными ссылками.
Для создания именованной ячейки нужно выделить нужную ячейку
или диапазон, затем щелкнуть в текстовое поле ввести свое имя и нажать En-
ter. Можно использовать русские имена. Имя не может содержать пробелов и
начинаться с цифры. Именованная ячейка может ссылаться на несвязный
диапазон ячеек (выделенный с "Ctrl").
Для того что бы убрать имя именованной ячейки (например: чтобы
присвоить другой ячейке это имя) - Вставка/имя/присвоить/удалить
Формулы в Microsoft Excel
Excel - программируемый табличный калькулятор. Все расчеты в Excel
выполняют формулы. Формулой Excel считает все, что начинается со знака
"=". Если в ячейке написать просто "2+2", Excel не будет вычислять это
выражение. Однако, если написать "=2+2" и нажать Enter, в ячейке появится
результат вычисления выражения - число 4. После нажатия Enter формула не
пропадает, ее можно увидеть снова, если сделать двойной щелчок по ячейке,
или если выделить ее и нажать F2 или просто нажать Ctrl+Апостроф. Также
ее можно увидеть в панели инструментов «Строка формул», если выделить
ячейку.
204
В формуле можно использовать различные типы операторов
(арифметические и т. п.), текст, ссылки на ячейку или диапазон ячеек,
круглые скобки, именованные диапазоны. В формулах соблюдается
приоритет выполнения операций.
Если в формуле используется текст, то он обязательно должен быть
заключен в двойные кавычки. Если написать формулу «=мама», Excel выдаст
ошибку, а если написать «="мама"» - корректная формула.
Если в формуле используется несколько ссылок, то каждой из них Ex-
cel дает свой цвет.
Операторы в Excel бывают бинарные и унарные. Бинарные операторы
работают 2 значениями. Унарные операторы оперируют одним значением.
Оператор «&» (амперсанд) служит для «склеивания» между собой двух
текстовых строк.
Двоеточие ставится между ссылками на первую и последнюю ячейку
диапазона. Такое сочетание является ссылкой на диапазон (A1:A15);
Точка с запятой объединяет несколько ссылок в одну ссылку
(СУММ(A1:A15;B1:B15));
Пробел оператор пересечения множеств. Служит для ссылки на общие
ячейки двух диапазонов (B7:D7 C6:C8).
В формулах Microsoft Excel можно использовать функции. Сам термин
«функция» здесь используется в том же значении, что и «функция» в
программировании. Функция представляет собой готовый блок (кода),
предназначенный для решения каких-то задач.
Все функции в Excel характеризуются:
Названием;
Предназначением (что, собственно, она делает);
Количеством аргументов (параметров);
Типом аргументов (параметров);
Типом возвращаемого значения.
Общий синтаксис записи любой функции в Excel:
205
имя_функции([аргумент_1; аргумент_2; … ; аргумент_N])
Список аргументов заключен в квадратные скобки, что говорит о том,
что это необязательная часть. Некоторые функции вообще не принимают
аргументов. Однако, даже если функция не принимает аргументов, пустые
круглые скобки писать обязательно, иначе Excel выдаст ошибку.
В общем случае, аргументами функции могут быть константы (числа,
введенные вручную), ссылки на ячейки, ссылки на диапазон ячеек,
именованные ссылки и другие функции (вложенные функции).
При написании сложных формул, особенно использующих вложенные
функции, использование мастера функций.
206
Тема 8 Проектирование и обработка баз данных
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. История возникновения баз данных (БД).
2. Основные понятия и классификация баз данных.
3. Реляционная модель данных.
4. Основные принципы работы в СУБД MS Access.
1. История возникновения баз данных (БД)
Различные источники рассматривают историю возникновения баз
данных, начиная с древних времен и всех тех подручных средств, при
помощи которых хранились и обрабатывались данные. Так, к первичным
базам данных причисляются: узелковая письменность инков или средства
хранения и учета казны у Шумеров.
Официально годом возникновения баз данных принято считать 1955
год, когда появилось программное оборудование обработки записей, а также
поддерживалась модель обработки записей на основе файлов, а все данные
хранились на перфокартах. Впервые термин «базы данных» (database) был
введен на симпозиуме, организованном фирмой System Development
Corporation (SDC).
При этом история активного развития баз данных начинается с одного
из самых значительных событий: полета на Луну. Для участия в проекте
Apollo правительством США была привлечена компания Rockwell. Для того
чтобы построить космический корабль, необходимо собрать несколько
миллионов деталей. И в те далекие времена была создана система управления
файлами, которая отслеживала информацию о каждой детали. Но когда
решили проверить эту систему, то обнаружили, что данные в ней
повторяются по нескольку раз. Налицо была огромная избыточность. К
сотрудничеству была привлечена IBM, и в 1968 году была разработана
автоматизированная система заказов (Information Management System - IMS),
которая и заложила основную концепцию СУБД. Кардинальным
207
нововведением было разделение функций деловой логики и данных, т.е.
программисты смогли работать с информацией на логическом уровне, при
этом база данных выполняла функцию физического хранения. Это позволило
существенно повысить производительность труда.
Эта СУБД существует и до сих пор, в ней реализована иерархическая
модель данных. Такая модель данных имеет только один путь от корня к
каждой ветви (записи). Она не только стала основой для систем управления
данными, но и в последующем послужила причиной многих
усовершенствований ввиду своей ограниченности.
Следующий большой шаг в истории развития баз данных сделал
доктор Эдгар Кодд (Edgar Codd) - научный сотрудник все IBM. В 1970 году
он опубликовал свою работу «Реляционная модель для больших банков
совместно используемых данных», которая в корне изменила теорию баз
данных. А еще принесла доктору Кодду премию Тьюринга. В реляционной
модели, придуманной Коддом, данные можно было свободно описывать в их
естественном виде, без каких-либо ограничений, которые накладываются
средой физического хранения. Это позволило создать язык высокого уровня,
который может работать с данными вне зависимости от того, как именно они
хранятся. Первыми СУБД с реализацией реляционного модуля стали System
R от IBM и Ingres от Калифорнийского университета.
2. Основные понятия и классификация баз данных (БД)
2.1. Основные понятия БД
Прежде чем приступать к подробному изучению баз данных,
определим основные понятия, с ними связанные. Существуют различные
определения базы данных. Рассмотрим некоторые из них.
С точки зрения ст. 1260 ГК РФ, база данных – это представленная в
объективной форме совокупность самостоятельных материалов (статей,
расчетов, нормативных актов, судебных решений и иных подобных
материалов), систематизированных таким образом, чтобы эти материалы
208
могли быть найдены и обработаны с помощью электронной вычислительной
машины (ЭВМ).
С точки зрения ГОСТ Р ИСО МЭК ТО 10032-2007: Эталонная модель
управления данными (идентичен с ISO/IEC TR 10032:2003 Information
technology – Reference model of data management), база данных – это
совокупность данных, хранимых в соответствии со схемой данных,
манипулирование которыми выполняют в соответствии с правилами средств
моделирования данных.
Существует множество и других определений, отражающих скорее
субъективное мнение различных авторов, однако общепризнанная единая
формулировка отсутствует.
В общем смысле определим это понятие следующим образом, база
данных – это совокупность взаимосвязанных данных на машинных
носителях, предназначенных для использования в интерактивном режиме
доступа и в программных приложениях. Обычно БД создается для хранения
и доступа к данным из некоторой предметной области, то есть представляет
собой информационную модель класса объектов.
Рассмотрим также и другие термины и понятия в рамках указанной
темы.
Предметная область – часть окружающего мира, подлежащая
изучению для решения конкретной задачи автоматизации (например,
предприятие, ВУЗ, множество преступников и т.д.).
Структурирование – ведение соглашений о способах представления
данных.
Система управления базой данных (СУБД) – это комплекс
программных и языковых средств, необходимых для создания баз данных,
поддержания их в актуальном состоянии и организации поиска в них
необходимой информации.
Физическое описание данных – это способы представление
информации на машинных носителях.
209
Логическое описание данных – это представление информации с точки
зрения пользователя, причем логическое представление данных, не всегда
строго соответствует физическому.
Физическая независимость данных – возможность изменения
физического размещения данных без изменения их логической структуры и
прикладных программ.
Логическая независимость данных – возможность изменения
логической структуры данных (добавление новых полей, изменение порядка
полей и их размерности) с сохранением работоспособности приложений,
использующих прежнее представление.
Администратор БД – это человека или группу лиц, ответственных за
обслуживание БД. Администратор распределяет права доступа к
информации, вносит изменения в структуру БД, отвечает за сохранность
данных и их восстановление в случае сбоев, модернизирует программное
обеспечение по мере появления новых версий. Администратор должен
обладать квалификацией системного программиста и в то же время четко
представлять проблемы пользователей.
2.2. Классификация БД
В настоящее время существует огромное множество разновидностей
баз данных, отличающихся по различным критериям, мы рассмотрим лишь
некоторые из них.
Классификация по модели данных:
иерархическая – представление базы данных в виде древовидной
структуры, состоящей из объектов (данных) различных уровней;
Рис. 2 Графическое изображение иерархической структуры БД
210
сетевая – в отличие от иерархической состоит из набора
экземпляров определенного типа записи и набора экземпляров
определенного типа связей между этими записями;
Рис. 3 Графическое изображение сетевой структуры БД
реляционная – база данных, основанная на реляционной модели
данных (этой модели в дальнейшем будет посвящен целый раздел);
объектная и объектно-ориентированная – базы данных, в которых
данные моделируются в виде объектов, их атрибутов, методов и классов;
функциональная.
Классификация по технологии обработки:
централизованные базы – хранятся в памяти одного компьютера,
если это автономный компьютер, то способ доступа к таким базам –
локальный, если этот компьютер является компонентом вычислительной
сети, то возможен сетевой доступ;
распределенные базы – состоят из нескольких, возможно
пересекающихся или даже дублирующих друг друга частей, хранимых на
разных компьютерах вычислительной сети. Работа с такими базами
осуществляется с помощью системы управления распределенной базой
данных (СУРБД).
Классификация по архитектуре:
файл-серверные – архитектура БД с сетевым доступом
предполагает выделение одной из машин сети в качестве сервера файлов. На
такой машине и хранится совместно используемая пользователями сети
211
централизованная база данных. Все другие компьютеры сети выполняют
функции рабочих станций, с помощью которых осуществляется доступ
пользователей к базе данных. Файлы базы данных в соответствии с
пользовательскими запросами передаются на рабочие станции, где и
производится их обработка. То есть поиск нужной информации в общей
совокупности данных осуществляется на пользовательских компьютерах.
При большой интенсивности доступа к данным производительность системы
резко падает за счет передачи по сети больших объемов информации;
клиент-серверные – в этой концепции подразумевается, что
помимо хранения централизованной базы данных центральная машина
(сервер базы данных) должна обеспечивать выполнение основного объема
обработки информации. Запрос на данные, поступающий от клиента,
инициирует поиск и извлечение данных на сервере. Извлеченные данные
передаются по сети от сервера к рабочей станции пользователя. В этом
случае объем передаваемой по сети информации существенно уменьшается,
так как передаются на рабочие станции не полные наборы данных, а только
результаты поиска. Спецификой архитектуры клиент-сервер является
использование языка запросов SQL.
Классификация по способу доступа к данным:
с локальным доступом;
с сетевым доступом.
3. Реляционная модель данных
3.1. Базовые понятия реляционной модели данных
Реляционная модель представляет собой совокупность данных,
состоящую из набора двумерных таблиц. В теории множеств таблице
соответствует термин отношение (relation), физическим представлением
которого является таблица, отсюда и название модели – реляционная.
Реляционная модель является удобной и наиболее привычной формой
представления данных.
212
При табличной организации данных отсутствует иерархия элементов.
Строки и столбцы могут быть просмотрены в любом порядке, поэтому
высока гибкость выбора любого подмножества элементов в строках и
столбцах.
Любая таблица в реляционной базе состоит из строк, которые называют
записями, и столбцов, которые называют полями. На пересечении строк и
столбцов находятся конкретные значения данных. Для каждого поля
определяется множество его значений, например, поле «Месяц» может иметь
двенадцать значений.
Структура таблицы в реляционной базе характеризуется следующим:
она состоит из совокупности столбцов;
каждый столбец имеет уникальное, то есть не повторяющееся
в других столбцах, имя;
последовательность столбцов в таблице не существенна;
все строки таблицы организованы по одинаковой структуре,
то есть имеют одно и то же количество реквизитов и имеют одинаковую
длину;
в таблице нет одинаковых строк;
количество строк в таблице практически не ограничено;
последовательность строк в таблице не существенна;
при выполнении манипуляций с таблицей все строки и
столбцы могут просматриваться в произвольном порядке безотносительно к
их содержанию и смыслу.
Для этого типа модели имеется развитый математический аппарат –
реляционная алгебра. В реляционной алгебре поименованный столбец
отношения называется атрибутом, а множество всех возможных значений
конкретного атрибута – доменом. Строки таблицы со значениями разных
атрибутов называют кортежами. Количество атрибутов, содержащихся в
отношении, определяет его степень, а количество кортежей –
кардинальность отношения.
213
Один или несколько атрибутов, значения которых однозначно
определяют кортеж отношения, называется его ключом, или первичным
ключом, или ключевым полем. То есть ключевое поле – это такое поле,
значения которого в данной таблице не повторяется.
Записи в таблице хранятся упорядоченными по ключу. Ключ может
быть простым, состоящим из одного поля, и сложным, состоящим из
нескольких полей. Сложный ключ выбирается в тех случаях, когда ни одно
поле таблицы однозначно не определяет запись.
Кроме первичного ключа в таблице могут быть вторичные ключи,
называемые еще внешними ключами, или индексами. Индекс – это поле или
совокупность полей, чьи значения имеются в нескольких таблицах и которое
является первичным ключом в одной из них. Значения индекса могут
повторяться в некоторой таблице. Индекс обеспечивает логическую
последовательность записей в таблице, а также прямой доступ к записи.
По первичному ключу всегда отыскивается только одна строка, а по
вторичному – может отыскиваться группа строк с одинаковыми значениями
первичного ключа. Ключи нужны для однозначной идентификации и
упорядочения записей таблицы, а индексы для упорядочения и ускорения
поиска.
Индексы можно создавать и удалять, оставляя неизменным содержание
записей реляционной таблицы. Количество индексов, имена индексов,
соответствие индексов полям таблицы определяется при создании схемы
таблицы.
Индексы позволяют эффективно реализовать поиск и обработку
данных, формирую дополнительные индексные файлы. При корректировке
данных автоматически упорядочиваются индексы, изменяется
местоположение каждого индекса согласно принятому условию
(возрастанию или убыванию значений). Сами же записи реляционной
214
таблицы не перемещаются при удалении или включении новых экземпляров
записей, изменении значений их ключевых полей.
С помощью индексов и ключей устанавливаются связи между
таблицами. Связь устанавливается путем присвоения значений внешнего
ключа одной таблицы значениям первичного ключа другой. Группа
связанных таблиц называется схемой данных. Информация о таблицах, их
полях, ключах и т.п. называется метаданными.
Первичный ключ любой таблицы должен содержать уникальные (не
повторяющиеся) непустые значения для данной таблицы. Система
управления базой данных должна контролировать уникальность первичных
ключей. При попытке присвоить первичному ключу значение, уже
имеющееся в другой записи таблицы, выдается сообщение об ошибке
первичного ключа.
С появлением ПЭВМ реляционные системы стали доминировать среди
систем баз данных. Быстрому распространению реляционных моделей
способствовало три фактора.
Во-первых, в реляционной системе данные представляются в виде
таблиц (отношений), встречающихся в повседневной практике. Поиск и
обработка данных в этих таблицах не зависит от их организации и хранения в
памяти машины.
Во-вторых, с математической точки зрения реляционная база – это
конечный набор отношений. Таким образом, теория реляционных баз данных
становится областью математической логики и реляционной алгебры.
В-третьих, множество объектов реляционной модели данных
однородно – структура данных определяется только в терминах отношений.
Основная единица обработки в операциях реляционной модели данных не
запись (как в сетевых и иерархических моделях данных), а множество
записей, то есть отношение.
В нереляционных базах данных сложно передать все имеющиеся
зависимости, то есть связать друг с другом данные из различных таблиц.
215
Реляционная база данных выполняет все эти действия достаточно просто.
Благодаря имеющимся связям в реляционных базах удается избежать
дублирования информации, что облегчает работу и позволяет избежать
ошибок. В реляционных базах данных также удается легко избежать
установления ошибочных связей между различными таблицами данных.
В реляционных базах данных легко производить изменения. Например,
если в таблице клиентов изменить адрес конкретного клиента, то
соответствующая информация автоматически поступит в другие таблицы,
связанные с таблицей клиентов.
Таким образом, достоинства реляционных баз данных можно
сформулировать так:
упрощенная схема представления данных – в виде таблицы;
простота инструментальных средств поддержки реляционной
модели;
оптимизация доступа к базе данных, поскольку системы сами
выбирают наиболее эффективную последовательность действий;
улучшение целостности и защиты, поскольку реляционная
модель позволяет улучшить выражение требований целостности путем
использования языка высокого уровня;
возможности различных применений, в том числе и
рассчитанных на не специалистов в области программирования;
обеспечение пользователя языками высокого уровня при
работе с базой данных;
обеспечение методологического подхода, поскольку главной
целью модели базы данных является возможность описания реального мира,
что проще всего осуществляется в реляционной модели.
В качестве недостатка реляционной модели можно отметить жесткость
структуры данных, например, невозможно задать строку таблицы
произвольной длины, а также сложность описания иерархических и сетевых
связей.
216
3.2. Типы связей между данными
Все информационные объекты предметной области связаны между
собой. Различаются связи нескольких типов, для которых введены
следующие обозначения:
один к одному (1 : 1);
один ко многим (1 : М);
многие ко многим (М : М).
Связь один к одному (1 : 1) предполагает, что в каждый момент
времени одному экземпляру информационного объекта А соответствует не
более одного экземпляра информационного объекта В и наоборот.
При связи один ко многим (1 : М) одному экземпляру
информационного объекта А соответствует 0, 1 или более экземпляров
объекта В, но каждый экземпляр объекта В связан не более чем с 1
экземпляром объекта А.
Связь многие ко многим (М:М) предполагает, что в каждый момент
времени одному экземпляру информационного объекта А соответствует 0, 1
или более экземпляров объекта В и наоборот.
3.3. Понятие нормализации отношений
Одни и те же данные могут группироваться в таблицы (отношения)
различными способами, т.е. возможна организация различных наборов
отношений взаимосвязанных информационных объектов. Группировка
атрибутов в отношениях должна быть рациональной, т.е. минимизирующей
дублирование данных и упрощающей процедуры их обработки и обновления.
Определенный набор отношений обладает лучшими свойствами при
включении, модификации, удалении данных, чем все остальные возможные
наборы отношений, если он отвечает требованиям нормализации отношений.
Нормализация отношений — формальный аппарат ограничений на
формирование отношений (таблиц), который позволяет устранить
дублирование, обеспечивает непротиворечивость хранимых в базе данных,
уменьшает трудозатраты на ведение (ввод, корректировку) базы данных.
217
Е. Коддом выделены три нормальные формы отношений и
предложен механизм, позволяющий любое отношение преобразовать к
третьей (самой совершенной) нормальной форме.
3.4. Обзор и возможности систем управления базами данных
(СУБД)
Системой управления базами данных называют программную
систему, предназначенную для создания на ЭВМ общей базы данных,
используемой для решения множества задач. Подобные системы служат для
поддержания базы данных в актуальном состоянии и обеспечивают
эффективный доступ пользователей к содержащимся в ней данным в рамках
предоставленных пользователям полномочий. СУБД предназначена для
централизованного управления базой данных в интересах всех работающих в
этой системе.
По степени универсальности различают два класса СУБД:
системы общего назначения;
специализированные системы.
СУБД общего назначения не ориентированы на какую-либо
предметную область или на информационные потребности какой-либо
группы пользователей. Каждая система такого рода реализуется как
программный продукт, способный функционировать на некоторой модели
ЭВМ в определенной операционной системе и поставляется многим
пользователям как коммерческое изделие. Такие СУБД обладают средствами
настройки на работу с конкретной базой данных. Использование СУБД
общего назначения в качестве инструментального средства для создания
автоматизированных информационных систем, основанных на технологии
баз данных, позволяет существенно сокращать сроки разработки, экономить
трудовые ресурсы. Этим СУБД присущи развитые функциональные
возможности, и даже определенная функциональная избыточность.
218
Специализированные СУБД используются в редких случаях при
невозможности или нецелесообразности использования СУБД общего
назначения.
СУБД общего назначения — это сложные программные комплексы,
предназначенные для выполнения всей совокупности функций, связанных с
созданием и эксплуатацией базы данных информационной системы.
Рынок программного обеспечения ПК располагает большим числом
разнообразных по своим функциональным возможностям коммерческих
систему управления базами данных общего назначения, а также средствами
их окружения практически для всех массовых моделей машин и для
различных операционных систем.
Наиболее популярными СУБД являются:
dBase;
Microsoft Access;
Microsoft FoxPro;
Paradox;
Informix и др.
Основные характеристики СУБД:
производительность;
обеспечение целостности данных;
обеспечение безопасности данных;
работа в многопользовательских средах.
На производительность СУБД оказывают влияние два фактора:
СУБД, которые следят за соблюдением целостности данных,
несут дополнительную нагрузку, которую не испытывают другие
программы;
производительность собственных прикладных программ
сильно зависит от правильного проектирования и построения базы данных.
219
3.5. Режимы работы с базами данных
Обычно с базами данных работают две категории исполнителей.
Первая категория — проектировщики. Их задача состоит в разработке
структуры таблиц базы данных и согласовании ее с заказчиком. Кроме
таблиц проектировщики разрабатывают и другие объекты базы данных,
предназначенные, с одной стороны, для автоматизации работы с базой, а с
другой стороны — для ограничения функциональных возможностей работы с
базой (если это необходимо из соображений безопасности). Проектировщики
не наполняют базу конкретными данными (заказчик может считать их
конфиденциальными и не предоставлять посторонним лицам). Исключение
составляет экспериментальное наполнение модельными данными на этапе
отладки объектов базы.
Вторая категория исполнителей, работающих с базами данных, -
пользователи. Они получают исходную базу данных от проектировщиков и
занимаются ее наполнением и обслуживанием. В общем случае пользователи
не имеют средств доступа к управлению структурой базы — только к
данным, да и то не ко всем, а к тем, работа с которыми предусмотрена на
конкретном рабочем месте.
Соответственно, система управления базами данных имеет два режима
работы: проектировочный и пользовательский. Первый режим
предназначен для создания или изменения структуры базы и создания ее
объектов. Во втором режиме происходит использование ранее
подготовленных объектов для наполнения базы или получения данных из
нее.
3.6. Технология работы с СУБД
Создание структуры таблиц базы данных: практически все
используемые СУБД хранят данные следующих типов: текстовый
(символьный), числовой, календарный, логический, примечание. Некоторые
220
СУБД формируют поля специального типа, содержащие уникальные номера
записей и используемые для определения ключа.
Если обрабатываемая база данных включает несколько
взаимосвязанных таблиц, то необходимо определение ключевого поля в
каждой таблице, а также полей, с помощью которых будет организована
связь между таблицами.
Создание структуры таблицы не связано с заполнением таблиц
данными, поэтому эти две операции можно разнести во времени.
Ввод и редактирование данных: заполнение таблиц данными
возможно как непосредственным вводом данных, так и в результате
выполнения программ и запросов.
Практически все СУБД позволяют вводить и корректировать данные в
таблицах двумя способами:
с помощью, предоставляемой по умолчанию стандартной
формы в виде таблицы;
с помощью экранных форм, специально созданных для этого
пользователем.
Обработка данных, содержащихся в таблицах: обрабатывать
информацию, содержащуюся в таблицах базы данных, можно путем
использования запросов или в процессе выполнения специально
разработанной программы.
Конечный пользователь получает при работе с СУБД такое удобное
средство обработки информации, как запросы. Запрос представляет собой
инструкцию на отбор записей. Большинство СУБД разрешают использовать
запросы следующих типов:
запрос-выборка, предназначенный для отбора данных,
хранящихся в таблицах, и не изменяющий эти данные;
запрос-изменение, предназначенный для изменения или
перемещения данных; к этому типу запросов относятся: запрос на
221
добавление записей, запрос на удаление записей, запрос на создание
таблицы, запрос на обновление;
запрос с параметром, позволяющий определить одно или
несколько условий отбора во время выполнения запроса.
На основе запроса можно построить отчет или форму.
Вывод информации из базы данных: практически любая СУБД
позволяет вывести на экран и принтер информацию, содержащуюся в базе
данных, из режимов таблицы или формы. Такой порядок вывода данных
может использоваться только как черновой вариант, так как позволяет
выводить данные только точно в таком же виде, в каком они содержатся в
таблице или форме.
Каждый пользователь, работающий с СУБД, используя специальные
средства создания отчетов, получает дополнительные возможности вывода
данных:
включать в отчет выборочную информацию из таблиц базы
данных;
добавлять информацию, не содержащуюся в базе данных;
при необходимости выводить итоговые данные на основе
информации базы данных;
располагать выводимую в отчете информацию в любом,
удобном для пользователя виде (вертикальное или горизонтальное
расположение полей);
включать в отчет информацию из разных связанных таблиц
базы данных.
4. Основные принципы работы в СУБД MS Access
Microsoft Access – программное обеспечение, относящееся к системам
управления базами данных. MS Access позволяет использовать электронные
таблицы и таблицы из других настольных и серверных баз данных для
хранения информации, необходимой приложению. При этом и другие
222
пользователи могут продолжать работать с этими данными в той среде, в
которой они были созданы.
MS Access является настольной СУБД реляционного, которая имеет все
необходимые средства для выполнения перечисленных выше функций.
Достоинством MS Access является то, что она имеет очень простой
графический интерфейс, который позволяет не только создавать собственную
базу данных, но и разрабатывать простые и сложные приложения.
В отличие от других настольных СУБД, MS Access хранит все данные в
одном файле, хотя и распределяет их по разным таблицам.
4.1. Рабочая среда MS Access
При открытии уже существующей базы данных MS Access на экране
будут располагаться: строка заголовка, строка меню, панели инструментов, в
нижней части - строка состояния. Наиболее важным элементом интерфейса в
среде MS Access является окно базы данных (рис. 7). Это контейнер,
содержащий все объекты базы данных.
В левой части окна базы данных находится панель объектов, которая
содержит ярлыки для каждого из объектов Access: Таблицы, Запросы,
Формы, Отчеты, Страницы, Макросы, Модули.
4.2. Работа с таблицами
Основным объектом MS Access являются таблицы. Список таблиц,
составляющих базу данных приложения, появляется в окне базы данных при
первом открытии приложения. Кроме этого, MS Access создает системные
таблицы, в которых хранится информация обо всех объектах приложения, и
эти таблицы при необходимости также могут отображаться в окне базы
данных.
В MS Access используются три способа создания таблиц: путем ввода
данных, с помощью Конструктора таблиц и с помощью Мастера создания
таблиц. Для каждого из этих способов существует специальный ярлык новых
объектов в списке таблиц.
223
Для создания новой таблицы можно воспользоваться любым из
описанных способов. После указанных действий в списке таблиц в окне базы
данных появятся имя и значок новой таблицы
4.3. Определение полей
При создании таблиц необходимо придерживаться ряда правил.
имена полей в таблице не должны повторяться, т. е. должны
быть уникальными;
имена полей могут содержать не более 64 символов, включая
пробелы;
желательно избегать употребления имен полей, совпадающих
с именами встроенных функций или свойств MS Access;
имя поля не должно начинаться с пробела или управляющего
символа;
имена полей могут содержать любые символы, включая
буквы, цифры, пробелы, специальные символы, за исключением точки (.),
восклицательного знака (!), апострофа (') и квадратных скобок ([), (]).
После ввода имени поля необходимо задать тип данных, которые будут
находиться в этом поле. В MS Access имеются следующие типы данных:
Текстовый – символьные или числовые данные, не
требующие вычислений. Поле данного типа может содержать до 255
символов.
Поле MEMO – поле MEMO предназначено для ввода
текстовой информации, по объему до 65 535 символов.
Числовой – числовой тип применяется для хранения
числовых данных, используемых в математических расчетах. Обычно по
умолчанию используется подтип Длинное целое, который представляет
собой число в пределах от -2 147 483 648 до +2 147 483 647.
Дата/Время – тип для представления даты и времени.
Позволяет вводить даты с 100 по 9999 год.
224
Денежный – тип данных, предназначенный для хранения
данных, точность представления которых колеблется от 1 до 4 десятичных
знаков.
Счетчик – поле содержит 4-байтный уникальный номер,
определяемый Microsoft Access автоматически для каждой новой записи либо
случайным образом, либо путем увеличения предыдущего значения на 1.
Логический – логическое поле, которое может содержать
только два значения, интерпретируемых как Да/Нет, Истина/Ложь,
Включено/Выключено. Поля логического типа не могут быть ключевыми, но
их можно индексировать.
Поле объекта OLE – содержит ссылку на OLE-объект (лист
Microsoft Excel, документ Microsoft Word, звук, рисунок и т. п.). В поле
объекта OLE могут храниться произвольные данные, в том числе и данные
нескольких типов.
Гиперссылка – дает возможность хранить в поле ссылку, с
помощью которой можно ссылаться на произвольный фрагмент данных
внутри файла или Web-страницы на том же компьютере или в Интернете.
Поле типа Гиперссылка не может быть ключевым или индексированным.
4.4. Определение ключевых полей
Ключевое поле - это одно или несколько полей, комбинация значений
которых однозначно определяет каждую запись в таблице. Если для таблицы
определены ключевые поля, то MS Access предотвращает дублирование или
ввод пустых значений в ключевое поле. Ключевые поля используются для
быстрого поиска и связи данных из разных таблиц при помощи запросов,
форм и отчетов.
В MS Access можно выделить три типа ключевых полей: счетчик,
простой ключ и составной ключ.
Для создания простого ключа достаточно иметь поле, которое
содержит уникальные значения. Если выбранное поле содержит
повторяющиеся или пустые значения, его нельзя определить как ключевое.
225
Составной ключ необходим в случае, если невозможно гарантировать
уникальность записи с помощью одного поля. Он представляет собой
комбинацию нескольких полей.
4.5. Создание и использование индексов
С целью ускорения поиска и сортировки данных в любой СУБД
используются индексы. Индекс является средством, которое обеспечивает
быстрый доступ к данным в таблице на основе значений одного или
нескольких столбцов. Индекс представляет собой упорядоченный список
значений и ссылок на те записи, в которых хранятся эти значения. Чтобы
найти нужные записи, СУБД сначала ищет требуемое значение в индексе, а
затем по ссылкам быстро отбирает соответствующие записи. Индексы
бывают двух типов: простые и составные. Простые индексы представляют
собой индексы, созданные по одному столбцу. Индекс, построенный по
нескольким столбцам, называется составным. Индексы обычно
рекомендуется создавать только для тех столбцов таблицы, по которым
наиболее часто выполняется поиск записей. Индексировать можно любые
поля, кроме МЕМО-полей, полей типа Гиперссылка и объектов OLE.
4.6. Связывание таблиц на схеме данных
Для того чтобы было удобно просматривать, создавать, удалять и
модифицировать связи между таблицами, в MS Access используется схема
данных (рис. 9).
4.7. Обеспечение целостности данных
В MS Access обеспечивается возможность автоматической проверки
целостности данных в связанных полях. Целостность данных означает
систему правил, используемых для поддержания связей между записями в
связанных таблицах, а также для обеспечения защиты от случайного
удаления или изменения связанных данных. Установить проверку
целостности данных можно, если выполнены следующие условия:
связанное поле главной таблицы является ключевым полем
226
или имеет уникальный индекс;
связанные поля имеют один тип данных. Здесь существует два
исключения. Поле счетчика может быть связано с числовым полем, если в
последнем поле в свойстве Размер поля указано значение Длинное целое,
или в обоих полях свойство Размер поля имеет значение Код репликации;
обе таблицы принадлежат одной базе данных Microsoft
Access.
Чтобы обеспечить целостность, работа с данными должна
производиться с учетом ниже перечисленных правил.
Невозможно ввести в связанное поле подчиненной таблицы
значение, отсутствующее в связанном поле главной таблицы. Однако можно
ввести пустое значение, показывающее, что для данной записи связь
отсутствует.
Не допускается удаление записи из главной таблицы, если
существуют связанные с ней записи в подчиненной таблице.
Невозможно изменить значение ключевого поля в главной
таблице, если существуют записи, связанные с данной таблицей.
4.8. Контроль и проверка введенных данных
MS Access может осуществлять проверку данных, вводимых в поле или
запись таблицы. В MS Access существует два типа условий назначение:
условия назначение поля;
условия назначения записи.
Очень важно, что оба типа условий вводятся в систему на уровне
таблицы. Это означает, что проверка вводимых данных на соответствие этим
условиям будет выполняться независимо от способа ввода данных, будь то
прямое редактирование записей в режиме Таблицы, или импорт из другой
таблицы, или редактирование записи в форме. Это позволяет надежно
защищать данные от ошибок ввода.
Условие назначение поля позволяет обеспечить ввод корректных
данных в поле записи. Проверка введенного значения осуществляется при
227
переходе к другому полю или другой записи. Если введенное значение не
соответствует заданному условию, на экран выводится сообщение, указанное
пользователем, или стандартное сообщение, если пользователь не определил
свое.
Если условие назначение накладывается на поле, которое уже содержит
данные, то при сохранении таблицы MS Access выдаст вопрос, нужно ли
применять новое условие к существующим данным.
Условия назначение записи отличаются от условий назначение поля
тем, что в условиях назначение записи допускаются ссылки на разные поля.
Это позволяет использовать такие условия для сравнения значений,
введенных в разные поля таблицы. Условия назначение записи проверяются
при сохранении записи.
Значение поля может оказаться недопустимым по следующим
причинам.
значение несовместимо с типом данных поля;
данные нарушают условие назначение, заданное в свойстве
Условие назначение этого поля;
в поле необходимо ввести данные, а они не были введены.
Данные проверяются также при переходе на другую запись. Перед
сохранением записи MS Access проверяет все условия, заданные в свойстве
Условие назначение записи. Если запись нельзя сохранить, необходимо
внести требуемые изменения или нажать кнопку Отменить для отмены всех
изменений, внесенных в запись.
228
РАЗДЕЛ 3. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, КАК
ОСНОВА ИНФРАСТРУКТУРЫ ЕДИНОГО ИНФОРМАЦИОННОГО
ПРОСТРАНСТВА ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Тема 9 Основы телекоммуникационных технологий
и локальные сети в профессиональной деятельности
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Информационные сети. Основные понятия.
2. Локальные вычислительные сети.
3. Объединение вычислительных сетей.
4. Перспективы создания и развития информационно-вычислительных
сетей органов внутренних дел.
1. Информационные сети. Основные понятия
1.1. Базовая модель OSI взаимодействия открытых систем
Развитие вычислительных сетей и мировая практика их создания
привели к необходимости разработки стандартов по всему комплексу
вопросов организации сетевых систем. Для единого представления данных в
линиях связи, по которым передается информация, в 1979 г. Комитетом по
вычислительной технике и обработке информации Международной
организацией по стандартизации (англ. ISO - International Standarts
Organization) была предложена эталонная модель взаимодействия
открытых систем OSI (Open System Interconnection), обычно называемая
«семиуровневой моделью». В настоящее время эта модель получила широкое
распространение и признание, поскольку дает основу как для анализа
существующих, так и для определения новых систем и стандартов.
Эти уровни, которые в полном или частичном (совмещенном) составе
присутствуют, как правило, в любой вычислительной сети и
взаимодействуют на строго иерархической основе, т.е. каждый уровень
обслуживает уровень, расположенный выше, и в свою очередь пользуется
услугами нижнего уровня. Стандартизация интерфейсов между уровнями не
229
предполагалась; стандартизация должна была распространяться только на
протоколы связи соответствующих уровней взаимодействующих устройств.
ISO планирует разработать архитектуру открытых сетей, в которой для
каждого уровня предусматривается один или несколько протоколов.
Физический уровень 1 обеспечивает интерфейс между ЭВМ и средой
передачи дискретных сигналов. На физическом уровне через абонентские
каналы передаются последовательности бит.
Уровень 2 (уровень управления линией передачи данных или
канальный) формирует из данных, передаваемых уровнем 1, так называемые
«кадры» и их последовательность. Здесь также осуществляется управление
доступом к передающей среде, обнаруживаются и исправляются ошибки.
При возникновении ошибок автоматически выполняется повторная посылка
кадра.
Сетевой уровень 3 реализует дополнительно функции маршрутизации,
для того чтобы кадры уровня 2, здесь уже называемые «пакетами», могли
передаваться через несколько каналов по одной или нескольким сетям.
Транспортный протокол (уровень 4) занимает центральное место в
иерархии уровней сетей. На этом уровне может выполняться разделение
передаваемых сообщений на пакеты на передающем конце и сборку на
приемном конце.
На транспортном уровне может выполняться согласование сетевых
уровней различных несовместимых между собой сетей через специальные
шлюзы. Например, такое согласование потребуется для объединения
локальных сетей в глобальные сети.
Задачей уровня 5 - уровня сеансового протокола - является обеспечение
обмена блоками данных между объектами прикладного уровня, т.е.
поддержание диалога между процессами определенного типа. С этой целью
сеансовый протокол выполняет большое число функций (десять - по
организации передачи данных и три - по синхронизации процедур
взаимодействия).
230
На уровне 6 представления данных осуществляется интерпретация
передаваемых во время диалога данных. На этом уровне анализируются
представление символов, формат страниц и графическое кодирование вместе
с различными правилами шифрования.
Прикладной уровень 7 определен в наименьшей степени, поскольку
реализует все функции, которые не могут быть приписаны нижним уровням.
На этом уровне ISO в первую очередь рассматривает протоколы передачи и
управления файлами; передачи и обработки заданий и виртуального
терминального сервиса.
После того как определено полное множество протоколов, любые два
устройства сети при условии их точной реализации могут взаимодействовать,
несмотря на различия в конструкции, производительности, месте
изготовления, функциональном назначении или внутренних интерфейсах.
Таким образом, взаимодействие становится возможным для различных
моделей и классов ЭВМ.
1.2. Связь компьютеров с помощью модемов
Вычислительные сети делятся на глобальные и локальные.
Каналами связи в глобальных сетях служат в основном телефонные
линии связи. Так как по телефонным линиям могут передаваться только
сигналы с частотой звукового диапазона, необходимо обеспечить
преобразование цифровых сигналов (логические уровни 0 и 1) в сигналы
звуковой частоты. Преобразование цифровой информации в аналоговую
форму производится специальным устройством, называемым модулятором.
Обратное преобразование, которое производится при приеме на другом
конце линии, т.е. восстановление информации в ее первоначальной цифровой
форме, осуществляется другим устройством, называемым демодулятором.
Объединение компьютеров через телефонную линию отличается от
простого кабельного соединения. Поскольку телефонная сеть предназначена
для передачи только звуковых сигналов, то передавать по ней цифровые
импульсы не удается. Чтобы передавать данные, эти импульсы нужно
231
промодулировать, т.е. преобразовать их колебания звуковой частотой
соответственно битовым посылкам. На приемном конце пинии звуковые
сигналы следует демодулировать в цифровую форму. Такая модуляция и
демодуляция производятся устройством, которое называется модемом. В
настоящее время существует три типа модемов: акустический модем,
внешний модем прямого включения и внутренний модем прямого
включения.
Ключевую роль в процессе обмена информацией между компьютерами
играет программное обеспечение модемной связи. Если пользователь
находится на приемном конце линии, то программа связи позволяет записать
полученные данные на диск, вынести их на принтер либо просто просмотреть
на экране. При передачи данных большинство программ связи позволяет
сделать выбор между посылкой их из файла на диске и вводом
непосредственно с клавиатуры.
Программное обеспечение для коммуникации позволяет также хранить
телефонные номера, команды управления модемом и другие необходимые
параметры. Обычно эти параметры постоянно хранятся в специальном
списке абонентов сети. поэтому нет необходимости вводить их повторно
всякий раз, когда нужно подключиться к удаленной системе. Хорошо
разработанная программа связи позволяет легко выбрать из этого списка
параметры удаленной системы и начать процесс установления связи.
Фирма Bell Telephone выпустила несколько стандартов,
регламентирующих связь модемов по телефонным каналам. Большинство
модемов, используемых для ПК, отвечает требованиям этих стандартов.
Существуют стандарты для модемов, работающих со скоростями 1 10, 300 и
300/1200 бод. Передача файла объемом 10 Кбайт с помощью модема,
работающего со скоростью 300 бод, потребует 5-6 мин. Для нормальной
передачи файлов необходим более дорогой модем, рассчитанный на скорость
передачи 1200 или 2400 бод.
232
2. Локальные вычислительные сети (ЛВС)
2.1. Основные понятия и важнейшие характеристики ЛВС
Под локальной вычислительной сетью понимают совместное
подключение нескольких отдельных компьютерных рабочих мест (рабочих
станций) к единому каналу передачи данных.
Локальная вычислительная сеть (ЛВС) связывает ряд ЭВМ, в частности
ПЭВМ, находящихся в одной локальной зоне, ограниченной, например,
одним или несколькими рядом расположенными зданиями, каким-либо
радиусом или одной организацией. Существенное отличие ЛВС от
глобальной сети состоит в том, что при передаче информации не требуется
преобразование из цифровой формы ее представления в аналоговую и
наоборот. Т.е. информация между ПЭВМ передается непосредственно в
цифровом виде по кабелям. Длина кабелей может достигать нескольких
километров. Линии связи ЛВС обладают гораздо большей пропускной
способностью по сравнению с телефонными линиями. ПЭВМ подключаются
к сети обычно через адаптер последовательного интерфейса RS232C.
Целесообразность использования ЛВС объясняется тем, что
персональный помощник человека, работающего в коллективе, должен
входить в “коллектив” помощников. В данном случае немаловажное
значение имеет электронная почта. Совместное использование ресурсов
сохраняет свое значение. Например, одному пользователю слишком дорого
обойдется наличие в ПЭВМ НЖМД емкостью 1 Гбайт, высококачественного
лазерного принтера и высокоточного графопостроителя. Коллектив же
пользователей может и должен позволить себе такую роскошь, обеспечив
доступ к этим ресурсам каждого своего члена.
К числу важнейших характеристик ЛВС относятся:
1) топология сети,
2) количество ПЭВМ, способных работать в сети;
3) максимально допустимое удаление ПЭВМ друг от друга;
233
4) типы ПЭВМ, входящих в сеть (в зависимости от этого различают
однородные и неоднородные ЛВС);
5) используемое программное обеспечение.
6) надежность ЛВС, определяемая ее способностью сохранять
работоспособность при выходе из строя отдельных ПЭВМ и линий связи, что
во многом зависит от топологии сети и ПО;
7) передающая среда, под которой понимают физическую среду,
обеспечивающую передачу информации с помощью электрических или
световых сигналов;
8) метод доступа, представляющий собой по сути дела совокупность
принципов функционирования ЛВС, выбор которого определяется
топологией сети;
9) протокол, являющийся совокупностью правил, регламентирующих
формат и процедуры обмена информацией между узлами сети.
При помощи общего канала связи ЛВС могут объединять от десятков
до сотен абонентских узлов, включающих персональные компьютеры (ПК),
внешние запоминающие устройства (ЗУ), дисплеи, печатающие и
копирующие устройства, интерфейсные схемы и др. ЛВС могут
подключаться к другим локальным и большим (региональным, глобальным)
сетям ЭВМ с помощью специальных шлюзов, мостов и маршрутизаторов,
реализуемых на специализированных устройствах или на ПК с
соответствующим программным обеспечением.
2.2. Компоненты локальных вычислительных сетей
Анализируя работу локальных вычислительных сетей в самом общем
виде, можно сказать, что каждая ЛВС состоит из сетевого программного
обеспечения, компьютеров и коммуникационного оборудования.
Компьютеры, с которыми непосредственно общаются пользователи и
которые включены в структуру ЛВС, носят название рабочих станций.
Строго говоря, рабочей станцией называется станция (аппаратура) обработки
данных, действующая под управлением человека и расположенная, как
234
правило, в конечном узле. В большинстве случаев на базе каждой рабочей
станции создается автоматизированное рабочее место (АРМ) пользователя,
ориентированное на служебной профессиональные особенности
деятельности человека (АРМ следователя, АРМ инспектора ГАИ, АРМ
руководителя ГРОВД и т.д.).
Во многих случаях в составе локальной вычислительной сети помимо
рабочих станций, то есть компьютеров, с которыми непосредственно
общаются пользователи, выделяются специальные компьютеры, называемые
серверами, от английского to serve - обслуживать. Задачей сервера является
обслуживание рабочих станций, предоставление им своих ресурсов, которые
обычно существенно больше, чем ресурсы рабочей станции.
В общем случае, сервер - это станция, обслуживающая другие станции
локальной сети. Их взаимодействие можно представить следующим образом.
По мере необходимости рабочая станция отправляет серверу запрос на
выполнение каких-либо действий: прочитать данные, напечатать документ,
передать электронное письмо или максимальное сообщение и т.п. Сервер
выполняет затребованные действия и выдает подтверждение, то есть
своеобразный "отчет о выполненной работе". В зависимости от вида работы,
для которой предназначен сервер, он носит соответствующие названия:
файловый сервер, если он выполняет простые операции чтения, записи
данных, DB-сервер, если он выполняет сложные операции поиска и
извлечения данных из базы данных, принт-сервер, если он выполняет
операции печати и так далее.
В тех случаях, когда выделенные сетевые серверы в составе ЛВС
отсутствуют, функции рабочей станции и сервера совмещаются на каждом
автоматизированном рабочем месте. При этом каждый компьютер
одновременно может быть и сервером и рабочей станцией: предоставлять
одной рабочей станции свои ресурсы и запрашивать у другой ее ресурсы.
Одно из преимуществ автономного автоматизированного рабочего
места, как известно, состоит в том, что влияние его поломки или сбоя
235
ограничено: остальные работы в организации не прерываются. ЛВС также
должна сохранять такую надежность: отказ какого-либо компьютера не
только не должен прекращать работу системы, но и обеспечивать
возможность передачи функций отказавшего АРМ на другой компьютер
сети.
Удовлетворение перечисленных требований достигается модульной
организацией ЛВС, которая позволяет строить компьютерные сети различной
конфигурации и различных возможностей. Итак, основными аппаратными
компонентами ЛВС являются; кабели (передающие среды), рабочие станции,
платы интерфейса сети, серверы сети.
Каждое из устройств ЛВС подключено к кабелю передачи данных, что
позволяет им взаимодействовать. Устройства сети соединяются кабелями с
помощью интерфейсных плат - сетевых адаптеров.
Одним из основных понятий разработки и функционирования ЛВС
является понятие вычислительного процесса или информационного
процесса. Это понятие непосредственно связано и отражает
последовательность выполнения множества определенных функциональных
задач, отражающих специфику профессиональной деятельности
пользователей.
Такие территориально рассредоточенные и взаимодействующие
процессы в ЛВС могут быть реализованы на основе двух глобальных
концепций: первая устанавливает произвольные связи между процессами без
функциональной среды между ними, вторая определяет связь только через
функциональную среду. В первом случае процесс А пользователя отвечает за
правильность понимания действий другого процесса В, связанного в данный
момент времени с процессом А. Обеспечение правильности понимания,
например, диктует необходимость иметь в составе операционных систем
средств теледоступа в каждом из соединяемых процессов, достаточные для
взаимодействия процессов А и В. Поскольку предусмотреть такие средства
на все виды процессов нереально, то процессы в локальных и иных
236
вычислительных сетях объединяются с помощью функциональной среды,
обеспечивающей выполнение определенного свода правил - протоколов
связи процессов.
Реализация протоколов связи процессов ЛВС, как правило,
предполагает использование принципа пакетной коммуникации для обмена
информацией между взаимодействующими процессами. При пакетной
коммуникации информация перед передачей разбивается на сегменты
(блоки), которые представляются в виде пакетов определенной длины,
содержащих кроме информации пользователя некоторую служебную
информацию, позволяющую различать пакеты и выявлять возникающие при
передаче ошибки.
2.3. Классификация локальных вычислительных сетей
Сейчас в мире насчитываются десятки тысяч различных ЛВС (в 1978 г.
их было всего 5), и для их рассмотрения полезно иметь систему
классификации. Установившейся классификации ЛВС пока не существует,
однако можно выявить определенные классификационные признаки ЛВС. К
ним следует отнести классификацию по назначению, типам используемых
ЭВМ, организации передачи информации, по топологическим признакам,
способам передачи данных, управлению доступом к физической передающей
среде и др.
Проанализируем ЛВС с точки зрения их основных характеристик. По
назначению ЛВС можно разделить на следующие:
управляющие организационными, административными,
технологическими и другими процессами),
информационные (информационно-поисковые),
расчетные,
информационно-расчетные,
обработки документальной информации и др.
По типам используемых в сети ЭВМ их можно разделить на
однородные и неоднородные. Примером однородной ЛВС служит сеть
237
DECNET, в которую входят ЭВМ только фирмы DEC. Часто однородные
ЛВС характеризуются и однотипным составом абонентских средств,
например, только комплексами машинной графики или только дисплеями и
т.п. Неоднородные ЛВС содержат различные классы (микро, мини, большие)
и модели (внутри классов) ЭВМ, а также различное абонентское
оборудование.
По организации передачи информации ЛВС делятся на сети с
маршрутизацией информации и селекцией информации. Взаимодействие
абонентских систем маршрутизацией информации обеспечивается
определением путей Передачи блоков данных по адресам их назначения.
Этот процесс выполняется коммуникационными системами, имеющимися в
сети. При этом абонентские системы могут взаимодействовать по различным
путям (маршрутам) передачи блоков данных и для сокращения времени;
передачи осуществляется поиск кратчайшего (по времени) маршрута.
В сетях с селекцией информации взаимодействие абонентских систем
производится выбором (селекцией) адресованных им блоков данных. При
этом всем абонентским системам доступны все блоки данных, передаваемые
в сети.
2.4. Способы и методы передачи данных в локальных
вычислительных сетях
Перед рассмотрением способов передачи данных в ЛВС остановимся
на понятии "физическая среда передачи данных".
Простейшей физической средой является витая пара. Их использование
снижает стоимость ЛВС, во-первых, по причине дешевизны самого носителя,
а во-вторых, благодаря наличию на многих объектах резервных пар в
телефонных кабелях, которые могут быть выделены для передачи данных. К
недостатком витой пары как среды передачи данных относится плохая
защищенность от электрических помех, простота несанкционированного
подключения, ограничения на дальность (сотни метров) и скорость передачи
данных (несколько сотен килобит в секунду). Наиболее распространенной
238
средой передачи данных в современных ЛВС является коаксиальный кабель.
Он прост по конфигурации, имеет небольшую массу и умеренную стоимость
и в тоже время обладает хорошей электрической изоляцией, допускает
работу на больших расстояниях (сотни метров - километры) и высоких
скоростях (десятки мегабит в секунду).
В последнее время все большее применение находят оптоволоконные
кабели (световоды), которые обладают рядом преимуществ.
Они имеют небольшую массу, способны передавать информацию с
очень высокой скоростью (свыше 1 Мбит/с), невосприимчивы к
электрическим помехам, сложны для несанкционированного подключения и
полностью пожаро- и взрывобезопасны. В тоже время с ними связан ряд
проблем: сложность технологии сращивания, возможность передачи данных
только по одному направлению, высокая стоимость модемов, ослабление
сигнала при подключении ответвителей и др.
Важными классификационными характеристиками ЛВС являются
способ передачи данных и метод управления средой передачи данных.
Информация, обрабатываемая вычислительной машиной, имеет
цифровую форму представления. При передаче эта информация
преобразуется в электрические прямоугольные импульсы. Отсюда следует,
что задача передачи данных в распознаваемой форме оказывается подобной
задачам связанным с передачей периодических прямоугольных колебаний.
Искажения информации, возникающие при передаче по каналам связи, могут
быть настолько сильными, что невозможно различить нуль и единицу, если
не принять специальных мер.
Для передачи данных в ЛВС применяются два основных способа:
- прямая передача закодированных цифровых сигналов;
- передача аналоговых модулированных сигналов в широкой полосе.
Первый способ наиболее широко, применяется в ЛВС. Преимущества
первого способа:
- высокая скорость передачи;
239
- невысокие требования к аппаратуре модуляции/демодуляции;
- простота аппаратурной реализации.
Недостатком является малое расстояние передачи (десятки метров).
Второй способ применяется для передачи информации в среде, имеющей
очень широкую (300 - 600 МГц) полосу пропускания. Преимущества второго
способа:
- возможность создания поликанальных сетей для передачи различных
видов информации;
- перекрытие ЛС больших расстояний ( до нескольких десятков
километров).
Недостатки второго способа являются:
- большая аппаратурная сложность и стоимость радиочастотных
модемов ЛВС и других компонентов ЛВС;
- невозможность подключения новых абонентских систем в
производимых местах сети;
- использование только качественного коаксиального кабеля или
волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).
2.5. Метод управления средой передачи данных
Одной из наиболее важных характеристик сети являющей
используемый в ней метод доступа. Обычно он реализуется программно и
аппаратно в специальном устройстве.
В рамках рассмотренных видов топологий ЛВС используются
различные конкретные методы доступа.
Метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружение
конфликтов CSMA/CD широко используется в сетях с топологией "общая
шина", например, Enternet. В литературе его часто так и называют - метод
доступа Enternet.
Это метод доступа, разработанный фирмой Xerox в 1975 г., пользуется
наибольшей популярностью. Он обеспечивает высокую скорость передачи
данных и надежность. Сообщение, отправляемое одной рабочей станцией,
240
принимается одновременно всеми остальными станциями, подключенными к
общей шине. При этом сообщение, предназначено только для одной станции:
оно включает в себя адрес станция назначения и адрес отправителя. Та
станция, которой предназначено сообщение, принимает его, остальные -
игнорируют.
Перед началом передачи рабочая станция определяет, свободен канал
или занят. Если канал свободен, станция начинает передачу.
Метод Ethernet не исключает возможности одновременной передачи
сообщений двумя или несколькими станциями. Аппаратура автоматически
распознает такие конфликты, называемые коллизиями:
После обнаружения конфликта станции задерживают передачу на
некоторое время. Это время небольшое и для каждой станции свое. После
задержки передача возобновляется.
Реально конфликты приводят к уменьшению быстродействия сети
только в том случае, если работает порядка 80-100 станций.
Метод доступа "маркерная шина" или метод Arcnet. Этот метод
разработан фирмой Dalapoint Corp. Он тоже получил широкое
распространение, в основном благодаря тому, что ее оборудование дешевле,
чем оборудование Ethernet.
Arcnet используется в локальных сетях с топологией "звезда".
Если станция желает передать сообщение другой станции, она должна
дождаться маркера и добавить, к нему сообщение, дополненное адресами
отправителя и назначения. Когда пакет дойдет до станции назначения,
сообщение будет "отцеплено" от маркера и передано станции.
Метод доступа "маркерное кольцо" - метод Token-Ring. Метод доступа
Token-Ring был разработан фирмой IBM и рассчитана кольцевую топологию
сети. Этот метод напоминает Arcnet. так как тоже использует маркер,
передаваемый от одной станции к другой. В отличии от Arcnet при методе
доступа Token-Ring имеется возможность начать разные приоритеты разным
станциям.
241
Механизм передачи данных, допустимый в той или иной ЛВС, во
многом определяется топологией сети.
2.6. Топология локальных вычислительных сетей
Топология, то есть конфигурация соединения элементов в ЛВС,
привлекает к себе внимание в большей степени, чем другие характеристики
сети. Это связано с тем, что именно топология во многом определяет многие
важные свойства сети, например такие, как надежность (живучесть),
производительность и др.
Существуют разные подходы к классификации топологий ЛВС.
Согласно одному из них конфигурации локальных сетей делятся на два
основных класса: широковещательные и последовательные. В
широковещательных конфигурациях каждый ПК передает сигналы, которые
могут быть восприняты остальными ПК. К таким конфигурациям относятся
общая шина, дерево, звезда. В последовательных конфигурациях каждый
физический подуровень передает информацию только одному ПК таким
конфигурациям относится "кольцо". Отсюда ясно, что широковещательные
конфигурации - это, как правило, ЛВС с селекцией информации, а
последовательные - ЛВС с маршрутизацией информации.
В широковещательных конфигурациях должны применяться
сравнительно мощные приемники и передатчики, которые могут работать с
сигналами в большом диапазоне уровней. Это проблема частично решается
введением ограничений на длину кабельного сегмента и на число
подключении или использованием цифровых повторителей (аналоговых
усилителей). Поскольку в широковещательной ЛВС в любой момент времени
может работать только одна - станция (абонентская система), передаваемая
служебная информация используется для установления контроля станции над
сетью на время распространения сигнала по сети, его обработки в самой
удаленной станции и получения ответа.
242
Основной тип широковещательной конфигурации - общая шина. Она
позволяет значительно упростить логическую и программную структуру
ЛВС.
Преимуществами шинной топологии являются:
- большая скорость передачи без повторной генерации сигнала в
линию;
- меньшая (в сравнении с другими топологиями) расход
соединительного кабеля;
- возможность распределенного управления сетью;
- возможность безразрывного наращивания и реконфигурации сети;
- обеспечение непосредственного межсетевого взаимодействия ЛВС;
- сохранение работоспособности сети при выхода из строя одного или
нескольких узлов.
Реализации шинной топологии имеет и недостатки, такие как:
- высокая сложность аппаратурной и программной реализации;
- высокая удельная стоимость подключения одной рабочей станции;
- высокая сложность сетевых протоколов.
«Дерево». Древовидная топология по существу является вариантом
шинной топологии с ее преимуществами и недостатками, частично
компенсируемыми.
«Звезда». Преимущество звездообразной топологии особенно ярко
проявляются в случае создания ЛС на базе учрежденческих АТС (УАТС) в
случаях, когда затруднена или невозможна прокладка новых специальных
соединительных линий локальной сети и для этих целей используется
существующая сеть АТС, кроме того, упрощается локализация
неисправности сегмента сети.
Недостатками данной топологии являются:
- пониженная надежность сети, вызванная наличием одного
центрального управляющего узла;
243
- отсутствие прямого взаимодействия абонентов (взаимодействие
только через центральный узел);
- большая длина кабелей и наличие только централизованного
управления.
При решении практических задач построения ЛВС часто используется
смешанные топологии, совмещающие в себе шинные, звездообразные и
кольцевые элементы.
2.7. Общесистемные средства создания ЛВС
К общесистемным программным средствам относится специальное
программное обеспечение, называемое сетевой операционной системой или
сетевой оболочкой. Это обеспечение работает совместно с той операционной
системой, которая используется для данной рабочей станции - MS-DOS, OS/2
и т.д.
Среди сетевых операционных систем, ориентированных на сети
централизованным управлением, самая известная - Novell NetWare.
Операционные системы NetWare разработаны таким образом, чтобы
оптимизировать ключевые параметры функционирования сети, включающие
производительность, надежность, степень защиты информации и поддержку
нескольких сетевых стандартов. Они наиболее полно удовлетворяют
потребности органов внутренних дел на районом и городском уровнях.
Продукты семейства NetWare могут быть классифицированы по
предоставляемым им средствам и функциональным возможностям.
NetWare - многопользовательская (multiuser) и многозадачная
(multitasking) операционная система. Она позволяет выполнять одновременно
несколько задач нескольких сетевых пользователей. Операционные системы
NetWare совместимы с DOS 2.х, 3.х, 4.х. Windows/386, OS/2.
Фирма Microsoft предложила собственный вариант организации
одноранговой локальной сети на базе своей системы Windows for Workgroups
версии 3.11. Эта операционная среда является как бы переходным этапом
между Windows 3.1 и сетевой системой Windows NT.
244
Windows for Workgroups представляет исключительно удобные
средства для интегрирования рабочих станций, основанные на понятном для
пользователя графическом интерфейсе Windows. Простым нажатием кнопки
мыши Вы можете отдать свой диск или принтер в коллективное пользование.
3. Объединение вычислительных сетей
3.1. Мосты между локальными вычислительными сетями
Под мостом понимают аппаратно-программный блок, который
обеспечивает "прозрачное" соединение нескольких локальных сетей либо
нескольких сегментов одной и той же локальной сети, имеющих различные
протоколы. Внутренние мосты соединяют большинство ЛВС с помощью
сетевых плат в файловом сервере.
В одном файловом сервере можно установить несколько разнотипных
интерфейсных плат, но не более четырех. Эти интерфейсные платы со
специальным программным обеспечением называют внутренним мостом. Их
устанавливают для соединения между локальными сетями Novell NetWare,
использующими адаптеры типа Ethernet, ArcNet, Token Ring, Orchid или
другими (возможно, что все четыре или несколько адаптеров будут одного
типа).
При внешнем мосте используется рабочая станция в роли сервисного
компьютера с двумя сетевыми адаптерами от двух различных, однако
однородных вычислительных сетей. Соединение с другими ЛВС
осуществляется для всех подключенных рабочих станций через этот
сервисный компьютер, называемый мостом. Мост является внутренним или
внешним в зависимости от компьютера, управляющего несколькими сетями
и выступающего, следовательно, либо в роли рабочей станции либо
файлового сервера. Пользователь видит только логическую связь. Топология,
а именно тип и способ соединения друг с другом отдельных рабочих
станций, не играет роли и пользователю не известна.
Внешние мосты не используются файловыми серверами, а только лишь
относящимися к ним рабочими станциями. В соответствии с выполняемой
245
работой для внешнего моста можно использовать рабочую станцию как
выделенный (dedicated) мост или как невыделенный мост (non-dedicated).
Рабочая станция в режиме выделенного моста работает исключительно
только в этой функции. Поэтому она не может быть использована как
обычная рабочая станция прикладными программами. Персональный
компьютер, находящийся в режиме невыделенного моста, занимается как
пересылкой файлов между локальными вычислительными сетями, так и
выполнением пользовательских программ как обычная рабочая станция.
Недостаток такой работы заключается в незащищенности моста: любой сбой
или неверное функционирование пользовательской программы может
вызвать разрушение моста. Вследствие этого может быть парализована
работа всех подключенных к нему ЛВС. Кроме того, программное
обеспечение моста занимает довольно большой объем памяти и это
ограничивает использование ПК как рабочей станции. Поэтому всегда
следует подумать, следует ли использовать ПК как рабочую станцию, в
которой установлен мост.
Для того чтобы соединить две ЛВС с наибольшим удалением,
необходимо применить телекоммуникационные средства передачи
информации (через модем и телефонную линию), т.е. удаленный мост
(remote bridge). С помощью удаленных мостов осуществляют повсеместное
объединение локальных вычислительных сетей в глобальные.
Так как большинство ЛВС посредством мостов будут интегрированы в
одну общую систему вычислительных сетей, возникнет иерархическая
структура сетей, названная базовой.
Межсетевые шлюзы — соединение между различными компьютерами
мира
С помощью межсетевого шлюза связываются между собой системы, не
являющиеся однородными, т.е. использующие различные операционные
среды и протоколы высоких уровней. Межсетевой шлюз служит для
соединения большой ЭВМ, систем на основе мини-ЭВМ, подчиненных
246
периферийных устройств и общедоступных сетей в единую вычислительную
систему в виде ЛВС. В отличие от мостов, межсетевые шлюзы являются
таким аппаратно-программным решением, при котором различные
операционные системы, протоколы передачи данных, несогласованные
скорости передачи информации, управление мониторами и используемые
коды ''например, код EBCDIC для больших ЭВМ, код ASCII для ПК)
согласуются друг с другом для передачи информации.
3.2. Межсетевое взаимодействие (Internet)
Мосты и шлюзы предоставляют возможность одновременной связи
между двумя различными вычислительными сетями, например, между
сетями, имеющими несовместимые коммуникационные протоколы. Связь
одновременно распространяется и на подчиненные коммуникации,
следовательно, информация предоставляется в распоряжение другим
вычислительным сетям и всем рабочим станциям.
Межсетевое соединение — это соединение вычислительных сетей,
которое посредством определенных связей предоставляется в распоряжение
таким образом, что ресурсы любой из вычислительных сетей могут быть
использованы другой вычислительной сетью и любой рабочей станцией,
подключенной к межсетевому соединению. Связь между сетями называют
"прозрачной" (англ. transparent), и, следовательно, каждый пользователь,
располагающий межсетевой связью, принимает соединение как единую,
большую вычислительную сеть.
Межсетевое взаимодействие может быть организовано как
посредством обычного мостового, т.е. между вычислительными сетями с
одинаковой структурой протокола, так и посредством шлюзов для
вычислительных сетей, имеющих несовместимые структуры протокола
обмена информацией.
3.3. Интеграция ЛВС с помощью электронной почты
В настоящее время электронная почта становится неотъемлемой
частью всех организаций, имеющих ЛВС. Большинство из них пользуются
247
электронной почтой в случаях, когда неудобно звонить по телефону, однако
у этого вида связи есть и другие возможности. Например, очень часто
обнаруживается, что координировать работу в рамках больших систем, к
каким относятся органы внутренних дел, когда завязано много людей и
ресурсов, гораздо легче с помощью электронной почты, которая оказывается
эффективнее даже личных встреч.
Современные системы электронной почты уже не ограничиваются
рамками одной ЛВС. При установке соответствующего программного шлюза
любой персональный компьютер одной ЛВС может обмениваться
сообщениями с любым персональным компьютером другой ЛВС, используя
для этого обычный телефонный канал. Обмен может осуществляться по
расписанию, при накоплении определенного объема почты для отправки или
в соответствии с приоритетами.
Современные пакеты электронной почты способны работать в любой
операционной среде и на любой кабельной системе ЛВС, хотя определенные
функции административного управления, реализуемые некоторыми пакетами
в среде NetWare, при переходе в другую сетевую среду могут быть потеряны.
Поскольку к любому сообщению электронной почты можно привязать
двоичный файл данных, постольку электронная почта становится
превосходным средством обмена информации между удаленными друг от
друга ЛВС.
В то же время этот процесс не является до конца автоматизированным,
так как для привязки файла к сообщению и сохранения этого файла на
приемной стороне необходимо выполнять определенные действия, однако
это довольно простые операции и они не отнимают много времени.
3.4. Общедоступные сети передачи данных
Общедоступные - сети передачи данных предлагают многим
организациям экономный способ обеспечения связи между участниками их
локальных сетей, особенно эффективный в случае необходимости обмена
сообщениями между тремя и более пунктами. В настоящее время в мире
248
действует большое количество компьютерных сетей. Среди наиболее
известных зарубежных сетей укажем следующее: Ethernet - всемирная
компьютерная сеть, объединяющая многие сети. Была создана в 19969 году
первоначально как экспериментальная компьютерная сеть ARPANET.
Проект финансировался Министерством обороны США и предназначался
для объединения вычислительных ресурсов и обслуживания пользователей,
распределенных географически на очень большой территории.
В настоящее время сеть Ethernet имеет связь с региональными или
национальными сетями болев чем 150 стран. Более 50 тысяч компьютерных
сетей ( международных, национальных, отраслевых, городских)
зарегистрированы в Ethernet как самостоятельные подсети со своими
сетевыми адресами. Миллионы компьютеров могу обмениваться через сеть
Ethernet информацией и получать доступ к тысячам архивов, баз данных и
электронных журналов.
Среди отечественных сетей наибольшее внимание заслуживает сеть
RELCOM - система передачи сообщений, объединяющая компьютеры в
основном на территории бывшего Советского Союза. На правах
национальной сети RELСОМ является частью европейской сети Eunet,
поэтому на абонентов сети RELCOM распространяются соглашения об
обмене почтовыми сообщениями, существующие между сетью Eunet и
другими глобальными сетями (Ethernet, Uunet, BITNET и др.).
Сеть состоит из нескольких основных компонентов. Конечный
пользователь имеет компьютер и специальное программное обеспечение,
позволяющее ему через модем передавать сообщения на узловую машину.
Это первый элемент системы.
Пользовательские машины связаны с региональным узлом при помощи
модемов по обычным телефонным линиям. Пользователь со своего
компьютера может о любое время позвонить на узловую машину, получить
адресованные ему сообщения, хранящиеся на ней, и отправить свои.
249
Узловые машины, расположенные в крупных городах, обеспечивают
обмен письмами и распространение телеконференции в своих телефонных
регионах. Региональные центры RELCOM соединяются выделенными
каналами связи или используют каналы специализированной телефонной
сети, что, в комплексе с использованием высокоскоростных модемов,
обеспечивает возможность быстрой передачи больших объемов информации
между узлами. В качестве узловых обычно используются мощные мини
ЭВМ, работающие под управлением операционной системы класса UNIX.
Узловые компьютеры работают круглосуточно, в итоге пользователь
оказывается свободен в выборе времени работы с узлом.
Абонент сети RELCOM может пользоваться электронной почтой для
обмена сообщениями не только с абонентами RELCOM, но и с людьми,
работающими на других сетях. Кроме того, существует возможность
получать сообщения телеконференции по интересующим его темам и
отправлять свои собственные смещения в телеконференцию, есть доступ к
публичным архивам, существующим на больших машинах как в RELCOM,
так и в других связанных с ней сетях всем мире.
4. Перспективы создания и развития информационно-
вычислительных сетей органов внутренних дел
4.1. Цель и назначение разработки ИВС ОВД России
Система информационного обеспечения органов внутренних дел в виде
информационно-вычислительной сети (ИВС) формируется в соответствии с
организационной структурой системы органов и учреждений МВД РФ и
представляет собой совокупность связанных линиями связи информационно-
вычислительных центров (районов, округов, крупных городов, областей,
экономических зон, республики в целом) с подключенными к ним
персональными ЭВМ и терминалами.
На логическом уровне отраслевая ИВС включает в себя следующие
составные части:
- ИВС интегрированного банка данных (ИБД ОВД):
250
- специализированные территориально-распределенные
автоматизированные системы (СТРАС);
- средства поддержки электронной почты.
ИВС интегрированного банка данных - это автоматизированная
информационная система централизованного хранения и коллективного
использования данных. В состав ИБД входят базы данных, справочники,
система управления базами данных, библиотеки запросов и прикладных
программ, а также электронная почта. Для служб и подразделений
центрального аппарата МВД (ГУУР, Штаб. ГУЭП, ГУООП и др.)
организуются специализированные территориально - распределенные
автоматизированные системы (СТРАС). Необходимость их создания
определяется спецификой деятельности названных органов, которая
характеризуется:
- определенной независимостью своих информационных потоков
(остальные службы могут обойтись без информации этих служб):
- закрытостью информации (не желателен несанкционированный
доступ к этой информации других служб).
В то же время, пользователи ведомственной СТРАС могут обращаться
за интересующей их информацией в интегрированный банк данных в
пределах отведенного им уровня доступа к данным.
Выделяется несколько уровней ИВС:
а) центрального республиканского уровня;
б) социально-экономического района (зоны);
в) регионального (областного) центра и крупного города. В рамках
информационно-вычислительной сети МВД России планируется
функционирование автоматизированных информационных систем
оперативно-розыскного, справочно-информационного, производственно-
экономического, управленческого и экспертно-аналитического назначения.
Все вышесказанные системы будут функционировать на различных
уровнях управления органами внутренних дел, а также на уровне
251
межведомственного взаимодействия законодательных,
правоприменительных и правоохранительных органов Российской
Федерации.
Кроме того, на уровне региональных ИВС предполагается единый
интерфейс с ИВС других отраслей народного хозяйства.
Основными составными частями программного обеспечения ИВС (для
каждого уровня ИВС со своими особенностями) являются:
- система управления базами данных интегрированного банка данных;
- прикладное программное обеспечение интегрированного банка
данных;
- программное обеспечение, реализующее технологию "клиент-сервер";
- сетевое общесистемное и проблемно-ориентированное
математическое обеспечение для ПЭВМ;
- программное обеспечение электронной почты;
- дактилоскопические системы;
- обучающие системы;
- программное обеспечение ведомственных СТРАС;
- административно-управленческие системы;
- комплексы АСУ;
- пакеты прикладных программ;
- математическое обеспечение локальных АБД для ПЭВМ.
Первые семь наименований программного обеспечения составляют
основу ИВС и реализуются в первую очередь. На каждую из приведенных
составляющих программного обеспечения оформляется отдельное частное
техническое задание.
Отраслевая информационно-вычислительная сеть (ИВС) МВД
Российской Федерации создается в целях существенного улучшения качества
информационного обеспечения всех сфер деятельности органов внутренних
дел и повышения эффективности борьбы с преступностью, раскрытия и
предотвращения преступлений.
252
Основными задачами создания ИВС являются:
- интеграция баз данных и вычислительных ресурсов, формирование и
сопровождение проблемно-ориентированных банков данных служебного
пользования по всем направлениям деятельности органов внутренних дел;
- обеспечение оперативного доступа пользователей к базам данных
различного назначения независимо от удаленности их рабочего места
относительно места концентрации данных;
- широкое внедрение математических методов и моделей для
комплексного анализа информации, выявления закономерностей и
прогнозирования развития событий, количественного обоснования
управленческих решений;
- выдача с ЭВМ на места рекомендаций надзорно-профилактического,
оперативно-розыскного, директивного и сигнального характера;
- внедрение безбумажной информационной технологии на всех уровнях
функционирования органов внутренних дел;
- обеспечение информационного взаимодействия с базами данных
суверенных государств и международных полицейских организаций, а также
с отраслевыми информационными системами государственного управления
России.
4.2. Выбор состава технических средств ИВС ОВД России
При определении состава технических средств ИВС ОВД РФ
учитывались следующие факторы:
- объективные тенденции развития информационной службы органов
внутренних дел России;
- выбранное решение основывается на максимальном использовании
новейшей технологии даже в тех случаях, когда западный опыт в 15 тыс.
готовых программных продуктов, и их число постоянно возрастает.
Характер предлагаемого решения делает его в достаточной степени
гибким для обеспечения соответствия существующей инфраструктуре и
наращивания функциональных возможностей по мере развития последней.
253
Предусматривая возможность использования сетей пакетной коммутации,
высокоскоростных цифровых каналов и т.д., предлагаемая система в то же
время способна на начальном этапе обходиться коммутируемыми
телефонными линиями и скоростями передачи данных в 1200 бод и ниже.
4.3. Обеспечение надежности ИВС ОВД России
Основные принципы поддержания надежности определяют
возможности поддержки доступа к информации при отказе тех или иных
центральных вычислительных комплексов (ЦВК) в информационно-
вычислительной сети:
- дублирование информации о криминальных фактах на вышестоящий
уровень;
- доступ к интегрированной БД через электронную почту при
локальном отказе специализированной сети (ИВС).
При разработке ИВС ОВД РФ прорабатывались два основных аспекта
надежности: корректность и доступность. Система гарантирует
непротиворечивость базы данных. Отказы могут на время приводить к
несогласованности данных, но тогда алгоритмы восстановления возвращают
БД в корректное состояние. Результаты корректировки базы данных должны
«выживать», иными словами, отказы не должны приводить к «потере»
данных. Отказы приводят к недоступности некоторых частей БД, однако,
дублируя данные в независимых узлах вычислительной сети, можно
минимизировать (или даже совсем исключить) влияние отказов отдельных
узлов. Цель здесь состоит в построении системы, которая обеспечивает
быстрое и правильное выполнение работы в условиях отказа сразу
нескольких узлов.
При проектировании системы предусматривалась минимизация
стоимости средств поддержания надежности, которые составили не более 5%
от вычислительной мощности системы.
254
При разработке системы исследованы и реализованы средства защиты
информации, используемые для предотвращения несанкционированного
раскрытия, модификации или уничтожения данных для всех уровней ИВС.
4.4. Этапы разработки ИВС ОВД России
Развертывание работ по созданию информационно-вычислительной
сети органов внутренних дел РФ планируется проводить в три этапа. Первый
этап: в девятнадцати базовых центрах развертываются работы по созданию
региональных ИВС, а в г. Санкт-Петербурге и г. Новосибирске - зонального
банка данных, включающего базы данных областного характера для этого
центра, а также создается база данных самого социально-экономического
района (сначала только на данных области, в которой находится ИВС).
Одновременно в остальных региональных центрах на имеющейся технике
продолжаются или развертываются работы по созданию интегрированного
банка данных и наращивается число удаленных пользователей. При этом
основной объем работ по актуализации и пополнению данных
интегрированного БД ложится не на персонал ВЦ, а на пользователей БД.
При поставке новой техники БД будет конвертирован на новую технику. В
связи с этим, региональным центрам, еще не имеющим интегрированного
БД, рекомендуется использовать один из уже созданных (в рамках ОВД
России) интегрированных БД с целью минимизации затрат на создание
самого интегрированного БД и программ конвертирования информации при
переходе на новую технику.
Предусматривается использование складывающейся при работе с
интегрированным БД инфраструктуры ИЦ, которая в сжатые сроки
обеспечивает эффективное использование новой техники и технологий.
Второй этап: создание региональных и межрегиональных ИВС в
опорных зональных центрах.
Третий этап: создание ИВС ОВД РФ всех уровней на территории
Российской Федерации.
255
Тема 10 Интернет - технологии
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. История создания сети Internet.
2. Основные понятия.
3. Адресация в Интернет.
4. Основные службы Internet.
1. История создания сети Internet
Родиной сети Internet являются США. Прародительницей выступила
сеть ARPAnet (Advanced Research Project Agency net — сеть Управления
перспективных исследований), разработанная и развернутая еще в 1969 г. по
заказу Министерства обороны США. Будучи экспериментальной, ARPAnet
создавалась для поддержки научных исследований в военно-промышленной
сфере. В частности, изучались методы построения сетей, которые были бы
устойчивы к частичным повреждениям, например, при бомбардировке
авиацией и сохраняли бы способность нормально функционировать в столь
экстремальных условиях.
Модель ARPAnet предусматривала постоянную связь между
компьютером-источником и компьютером-приемником, такая сеть была
очень ненадежной, всякая часть ее могла исчезнуть в любой момент. Не
только на сеть в целом, но и на связывающиеся компьютеры возлагалась
ответственность обеспечивать налаживание и поддержание связи. Основной
принцип состоял в том, что любой компьютер мог связаться как равный с
равным с любым другим компьютером, подключенным к сети.
По мере роста ARPAnet развивались и другие сети, для связи между
которыми задействовали так называемые шлюзы, которые позволяли
информации беспрепятственно попадать из одной сети в другую.
Стандарт, согласно которому могла развиваться сеть Internet,
установили в 1983 г. И с этого момента стало возможно добавлять шлюзы и
подсоединять к ней новые сети, в то время как первоначальное ядро
оставалось неизменным. Большинство аналитиков считают, что именно
256
1983 г. - настоящая дата возникновения Internet, когда изначальная ARPAnet
была разделена на сеть MILNET предназначавшуюся для использования в
военных целях, и собственно ARPAnet, ориентированную на продолжение
исследований в сетевой области. Сама ARPAnet прекратила свое
существование в июне 1990 г., а ее функции постепенно перешли к более
разветвленной структуре Internet. Может быть, именно тогда удалось
впервые продемонстрировать надежность Internet как средства
коммуникации, поскольку закрытие и соответственно выключение ARPAnet
никак не сказалось на работе сети в целом. В 1985 г. количество
подключенных к Internet сетей приблизилось к сотне, к 1987 г. их число
удвоилось, а в 1989-м - достигло пятисот. На сегодняшний день Internet
состоит из более чем 13 тыс. объединенных между собой сетей.
2. Основные понятия
Internet поддерживает единый протокол TCP/IP (Transmission Control
Protocol/Internet Protocol).
Протоколом называют набор соглашений о правилах формирования и
форматах сообщений Internet, о способах обмена информацией между
абонентами сети.
Различают два типа протоколов Internet:
базовые протоколы, отвечающие за физическую пересылку
электронных сообщений любого типа между компьютерами Internet;
прикладные протоколы более высокого уровня,
отвечающие за функционирование специализированных служб Internet.
Каждый компьютер, подключенный к Internet, имеет уникальный
физический адрес (IP – адрес), составленный из четырех десятичных чисел,
разделенных точками, например, 192.168.42.2. Однако запомнить эти
физические адреса очень сложно, поэтому стали применять осмысленные
буквенные обозначение, разделенные точками, например www.armavir.ru
(буквенная запись физического IP-адреса).
257
3. Адресация в Интернет
3.1. Универсальный адрес сетевого ресурса
Широкое использование компьютерных сетей неспециалистами на
сегодня стало возможно благодаря разработке простых в применении средств
доступа к многообразным ресурсам Интернет. В первую очередь это
относится к появлению специальных программ-клиентов WWW, называемых
браузерами, обладающих “дружественным” графическим интерфейсом (т.е.
способом взаимодействия пользователя с программой).
Схема адресации в иерархически организованной файловой системе,
характерной для таких популярных операционных систем, как DOS и Unix,
позволяет однозначно идентифицировать заданный файл путем указания его
времени и уникального адресного пути к нему.
Пример:
В DOS C:\DOS\PROGR\
FILE1.TXT
(Запись с именем file1.txt расположена в корне
на диске C, в директории DOS, поддиректории
PROGR)
В Unix
/users/data/Letters.html
(Запись с именем Letters.html расположена в
корне, в директории users, поддиректории data)
Важная для избежания ошибок при организации доступа к файлам
разница в этих схемах состоит в использовании разных слэшей - прямого (/) в
Unix и обратного (\) в DOS, а также чувствительность к верхнему и нижнему
регистру, свойственная только Unix. За основу схемы адресации ресурсов в
Сети принята нотация Unix, которая претерпела естественные расширения за
счет приписывания к существующей схеме слева имени протокола доступа к
заданному ресурсу, где расположен ресурс; а справа после служебных
символов (#, ?) имени метки внутри файла или элементов поискового
ресурса. В примерах
http://www.dvgu.ru/users/data/Lessons.htm#Page1
http://www.dvgu.ru/cgi-bin/proc?corn
258
содержится обращение по протоколу http к компьютеру с доменным
именем www.dvgu.ru с попыткой доступа в первом случае к области файла
Lessons.htm с меткой Page1, а во втором – реализация поискового запроса к
программе proc с термином для поиска "corn" на том же сервере.
Отметим, что именно в таком виде и вводятся строки запроса на
ресурсе в специально отведенном поле браузера, после чего нажатием
клавиши Enter инициируется соединение и загрузка.
Итак, в основу построения адреса ресурса в Сети оказались заложены
следующие понятия и принципы:
Расширяемость - новые адресные схемы должны были легко
вписываться в существующий синтаксис URI (Uniform Resource Identifier -
универсальный индикатор ресурса).
Полнота - по возможности, любая из существующих схем должна
описываться посредством URI.
Читаемость - адрес должен быть легко читаем человеком, что вообще
характерно для технологии WWW.
Расширяемость была достигнута за счет выбора определенного порядка
интерпретации адресов, который базируется на понятии “адресная схема”.
Идентификатор схемы стоит перед остатком адреса, отделен от него
двоеточием и определяет порядок интерпретации остатка.
Полнота и читаемость порождали коллизию, связанную с тем, что в
некоторых схемах используется двоичная информация. Эта проблема была
решена за счет формы предоставления такой информации. Символы, которые
несут служебные функции, и двоичные данные отображаются в URI в
шестнадцатеричном коде и предваряются символом "%".
Прежде, чем рассмотреть различные схемы представления адресов,
приведем еще один пример простого адреса URI:
http://lemoi.phys.dvgu.ru/wst/index.html
Перед двоеточием стоит идентификатор схемы адреса - "http". Это имя
отделено двоеточием от остатка URI, который называется "путем". В данном
259
случае путь состоит из доменного адреса машины, на которой установлен
сервер HTTP, и пути от корня дерева сервера к файлу "index.html".
Кроме представленной выше полной записи URI существует
упрощенная. Она предполагает, что к моменту ее использования многие
параметры адреса ресурса уже определены (протокол, адрес машины в Сети,
некоторые элементы пути).
При таких предположениях автор гипертекстовых страниц может
указывать только относительный адрес ресурса, т.е. адрес относительно
определенных базовых ресурсов.
3.2. Схемы адресации сетевых ресурсов
В RFC-1630 (Request for Comment - документы с таким названием
содержат в себе материалы по Интернет-технологии, которые доведены до
уровня стандарта или близки к этому уровню) рассмотрено восемь схем
адресации Интернет и указаны две, синтаксис которых находится в стадии
обсуждения.
Схема HTTP. Это основная схема для WWW. В схеме указываются ее
идентификатор, адрес машины, TCR-порт, путь в директории сервера,
поисковый критерий и метка.
Следует отличать понятие TCR-порта от физического разъема на
задней стенке системного блока компьютера. В Интернет принято
идентифицировать конкретную прикладную программу с определенным
числом, или портом (это понятие абсолютно не связано с названием
физического устройства ввода-вывода компьютера). Всякий раз
передаваемый по сети от одного компьютера к другому пакет данных
содержит информацию о том, какой именно протокол содержит информацию
о том, какой именно протокол используется и с какой прикладной
программой машины пытается установить связь. Номер порта и обозначает
эту прикладную программу.
Приведем несколько примеров URI для схемы HTTP:
http://lemoi.phys.dvgu.ru/wst/test.html
260
Это наиболее распространенный вид URI, применяемые в документах
WWW. Вслед за именем схемы (http) следует путь, состоящий из доменного
адреса машины и полного адреса HTML-документа в дереве сервера HTTP.
В качестве адреса машины допустимо использование и IP-адреса:
http://144.206.160.40/test/test.html
Если сервер протокола HTTP запущен на другой, отличный от 80 порт
TCP, то это отражается в адресе:
http://l44.206.130.137:8080/primorye/index.html
При указании адреса ресурса возможна ссылка на точку внутри файла
HTML. Для этого вслед за его именем может быть указана метка внутри
документа:
http://lemoi.phys.dvgu.ru/wst/test.html#first
Символ # отделяет имя документа от имени метки. Другая возможность
схемы HTTP – дача параметров. Первоначально предполагалось, что в
качестве параметров будут передаваться ключевые слова, но по мере
развития механизма сервисных программ (скриптов) в качестве параметров
стала передаваться и другая информация.
http://lemoi.phys.dvgu.ru/wst/isindex.html?keyword1+keyword2
В данном примере предполагается, что документ "isindex.html" -
документ с возможностью поиска по ключевым словам. При этом в
зависимости от поисковой машины (программы, реализующей поиск) знак
"+" будет интерпретироваться либо как "AND", либо как "OR". Вообще
говоря, "+" заменяет " " (пробел) и относится к классу неотображаемых
символов. Если необходимо передать такой символ в строке параметров, то
следует передавать в шестнадцатеричном виде его ASCII-код.
Схема FTP. Данная схема позволяет адресовать файловые архивы FTP
из программ-клиентов World Wide Web. При этом программа должна
поддерживать протокол FTP. В данной схеме возможно указание не только
имени схемы, адреса FTP-архива, но и идентификатора пользователя и даже
261
его пароля. Наиболее часто используется для доступа к публичным архивам
FTP:
ftp://dvo.ru/pub/movie.avi
В этом случае записана ссылка на архив "dvo.ru" с идентификатором
"anonymous" или "ftp" (анонимный доступ). Если есть необходимость указать
идентификатор пользователя и его пароль, то можно это сделать перед
адресом машины:
ftp://nobody:[email protected]/users/local/pub
Здесь параметры отделены от адреса машины символом "@", а друг от
друга – двоеточием. В некоторых системах можно указать и тип
передаваемой информации, но данная возможность не стандартизирована.
Следует также учитывать, что употребление идентификатора пользователя и
его пароля не рекомендовано, так как данные передаются
незашифрованными и могут быть перехвачены. Реальная защита в WWW
осуществляется другими средствами и построена на других принципах.
Схема Gopher. Данная схема используется для ссылки на ресурсы
распределенной информационной системы Gopher. Схема состоит из
идентификатора и пути, в котором указывается адрес Gopher-сервера, тип
ресурса и команда Gopher:
gopher://gopher.dvgu.ru:70:/7/kuku
В этом примере осуществляется доступ к gopher-серверу gopher.dvgu.ru
через порт 70 для поиска (тип 7) слова "kuku". Следует заметить, что gopher-
тип, в данном случае 7, передается не перед командой, а вслед за ней.
Схема MAILTO. Данная схема предназначена для отправки почты по
стандарту RFC-822 (стандарт почтового сообщения). Общий вид схемы
выглядит так:
mailto:[email protected]
Схема TELNET. По этой схеме осуществляется доступ к ресурсу в
режиме удаленного терминала. Обычно клиент вызывает дополнительную
программу для работы по протоколу telnet. При использовании этой схемы
262
необходимо указывать идентификатор пользователя, допускается
использование пароля. Реально доступ осуществляется к публичным
ресурсам, и идентификатор и пароль являются общеизвестными, например
их можно узнать в базах данных Hytelnet.
telnet://guest:[email protected]
Схема FILE. WWW-технология используется как в сетевом, так и в
локальном режимах. Для локального режима используют схему FILE.
file:///C/text/html/index.htm
В данном примере приведено обращение к локальному документу на
персональном компьютере MS-DOS или MS-Windows.
Существует еще несколько схем, которые на практике используются
редко или находятся в стадии разработки, поэтому останавливаться на них не
будем.
Из приведенных выше примеров видно, что спецификация адресов
ресурсов URI является довольно общей и позволяет адресовать практически
любой ресурс Интернет. При этом число ресурсов может расширяться за счет
создания новых схем. Они могут быть похожими на существующие, а могут
и отличаться от них. Реальный механизм интерпретации идентификатора
ресурса, опирающийся на URI, называется URL (Uniform Resource Locator), и
пользователи WWW имеют дело именно с ним.
3.3.Регистрация имени домена
Домены в различаются различаются по уровням иерархии, например в
“lemoi.phys.dvgu.ru” lemoi – домен третьего уровня, phys – второго, dvgu –
первого, а ru - верхнего. Создавая домен, необходимо зарегистрировать его в
руководящей организации, тогда имя домена будет включено в имя ее
домена. Домены верхнего уровня классифицируют организации по типам
(используется в США): gov (government - государственные), edu (educational -
образовательные), org (organization - организации), net (главные центры
поддержки сети), mil (военные группы), int (международные), com
263
(commercial - коммерческие), <country code> (любая страна, географическая
единица). В 2004 году были приняты новые типы доменов верхнего уровня:
biz – домен для крупных и средних компаний, продвигающих свой
бизнес;
info – информационный домен, который может быть использован для
представления своей продукции или услуги в Интернет;
name – индивидуальный домен для представления персоналий в
Интернете;
coop – домен для организаций стремящихся к кооперации;
aero – домен для авиакомпаний;
museum – домен для музеев.
Чтобы присоединиться ко всем, кроме государственного домена,
необходимо иметь аргументы, соответствующие предъявляемым строгим
требованиям. Включение в домен com гораздо проще, однако все-таки нужно
правильно определить, к какому из доменов верхнего уровня относится
организация.
Имя домена должно иметь смысл, легко запоминаться и вводиться с
клавиатуры, а также не использоваться другой организацией в Интернете.
Выбранное подходящее имя регистрируется. Обычно для этого из
области Registration Web-страницы InterNIC (http://www.internic.net/)
получают текстовый бланк и заполняют его в любом редакторе или
текстовом процессоре или заполняют форму WWW, используя программу
просмотра Web.
Необходимо сообщить InterNIC о себе некоторые данные. Во-первых,
кто будет контактировать с ней по административным, техническим или
финансовым вопросам, касающимся домена. Во-вторых, имена и IP-адреса
серверов DNS (Domain Name Service), поддерживающих домен.
Заполненная форма отсылается электронной почтой в InterNIC. Через
некоторое время поступают два ответа: первый - подтверждение получения
запроса, второй - разрешение на использование имени домена.
264
3.4. Семейство протоколов TCP/IP
Протокол в сетевых технологиях определяется как четко
регламентированный свод правил, которые одинаково применимы для
различных систем (программ, шлюзов, пакетов данных и др.), участвующих в
передаче информации. Благодаря протоколам, взаимодействие этих систем
происходит по заранее установленному сценарию.
По мере движения пакета данных по сети на разных последовательных
этапах его взаимодействия с другими сетевыми элементами отрабатывают
протоколы разных уровней. Полная совокупность таких протоколов,
используемых для успешного взаимодействия разных элементов в рамках
сети данного типа, называют семейством или стеком. Интернет работает под
семейством протоколов TCP/IP, которое имеет многоуровневую структуру.
TCP/IP расшифровывается как Transmission Control Protocol/Интернет Proto-
col (Протокол управления передачей данных/Протокол Интернет).
Так как стек TCP/IP существует достаточно давно, то он включает в
себя большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня.
Наиболее важными и популярными являются следующие протоколы:
протокол передачи файлов FTP, протокол Telnet, протокол Gopher для
доступа к ресурсам всемирного пространства GopherSpace, и самый
известный протокол HTTP для доступа к удаленным гипертекстовым базам
данных во всемирный паутине.
Классифицируем протоколы по характеру выполняемых задач.
Транспортные протоколы предназначены для управления передачей
данных между двумя машинами:
TCP (Transmission Control Protocol). Этот протокол
поддерживает передачу данных, которая основана на логическом соединении
между передающим и принимающим компьютерами.
UDP (User Datagram Protocol). Этот протокол
обеспечивает передачу данных без установления логического соединения.
265
Другими словами данные отправляются без предварительно установленного
соединения между компьютерами получателя и отправителя.
Протоколы маршрутизации предназначены для обрабатки адресов
данных и определения наилучших путей до адресата. Кроме того, они
обеспечивают разбиение больших сообщений на несколько маленьких
сообщений, которые затем передаются последовательной цепочкой и
компонуются в единое целое на компьютере-получателе:
IP (Internet Protocol). Протокол обеспечивает
фактическую передачу данных.
ICMP (Internet Control Message Protocol). Протокол
обрабатывает сообщения состояния для IP протокола, например, ошибки и
изменения в сетевых аппаратных средствах, которые влияют на
маршрутизацию.
RIP (Routing Information Protocol). Один из нескольких
протоколов для определения наилучшего маршрута доставки сообщения.
OSPF (Open Shortest Path First). Альтернативный
протокол для определения маршрутов.
Протоколы поддержки сетевого адреса используются для
идентификации машины с уникальным номером и именем.
ARP (Address Resolution Protocol). Протокол
определяет уникальные числовые адреса машин в сети.
DNS (Domain Name System). Протокол для определения
числовых адресов по именам машин.
RARP (Reverse Address Resolution Protocol). Протокол
для определения адреса машин в сети, но способом, обратным ARP.
Прикладные сервисы представляют собой пользоватеьские программы,
которые используются для получения доступа к различным услугам.
ВООТР (Boot Protocol). Протокол загружает сетевую
машину, читая информацию для начальной загрузки с сервера.
266
FTP (File Transfer Protocol). Протокол передачи файлов
между компьютерами.
3.5. Сетевое взаимодействие «клиент-сервер»
В основу взаимодействия компонентов информационных сервисов
Сети в большинстве случаев положена модель «клиент-сервер». Как правило,
в качестве клиента выступает программа, которая установлена на
компьютере пользователя, а в качестве сервера - программа, установленная у
провайдера. В данном контексте под провайдером понимаем организацию
или частное лицо, которые ведут (поддерживают) информационные ресурсы.
При этом возможны два варианта организации самой информационной
системы, которая обеспечивает доступ к информационному ресурсу.
Большинство систем Интернет построены по принципу взаимодействия
"каждый с каждым", например система World Wide Wed, т.е. каждый
пользователь может напрямую взаимодействовать с каждым сервером без
посредников. Такой подход позволяет упростить всю технологическую схему
построения системы, однако приводит к порождению большого трафика в
Сети. Альтернативный вариант построения системы, например системы
Usenet, когда пользователь может взаимодействовать только со «своим»
сервером и не может обратиться к произвольному серверу в Сети. Однако
доступ он получает ко всей информации, которая присутствует в данной
информационной системе, так как серверы обмениваются ею между собой.
В ряде случаев возможен выбор между первым способом реализации
информационного обслуживания и вторым, например, это возможно в
службе доменных имен DNS. Администратор сервера может настроить его
для работы через другой сервер или непосредственно с программами-
клиентами. Аналогично настраиваются и специальные серверы-посредники
для различных информационных серверов Интернет. Несколько таких схем
показано на рис.12.
Принципиальным различием между схемой с посредником и схемой
Usenet является то, что при посреднике работа по доступу к ресурсу
267
перекладывается на его плечи. При этом он будет устанавливать соединение
с каждым сервером в сети. По схеме Usenet это делать не обязательно, так
как информацию в принципе можно получить с любого сервера.
3.6. Недостатки протоколов
Проблемы защиты информации являются "врожденными" практически
для всех протоколов и служб Интернет.
Система имен доменов (Domain Name System - DNS) представляет
собой распределенную базу данных, которая преобразует имена
пользователей и хостов в IP-адреса и наоборот. DNS также хранит
информацию о структуре сети компании, например количестве компьютеров
с IP-адресами в каждом домене. Одной из проблем DNS является то, что эту
базу данных очень трудно "скрыть" от неавторизованных пользователей. В
результате, DNS часто используется хакерами как источник информации об
именах доверенных хостов.
FTP (File Transfer Protocol) обеспечивает передачу текстовых и
двоичных файлов, поэтому его часто используют в Интернет для
организации совместного доступа к информации. На FTP-серверах хранятся
документы, программы, графика и любые другие виды информации.
Некоторые FTP-серверы ограничивают доступ пользователей к своим
архивам данных с помощью пароля, другие же предоставляют свободный
доступ (так называемый анонимный FTP-сервис). Если вы используете
опцию анонимного FTP для своего сервера, то должны быть уверены, что на
нем хранятся только файлы, предназначенные для свободного
распространения.
Sendmail - популярная в Интернет программа электронной почты,
использующая для своей работы некоторую сетевую информацию, такую как
IP-адрес отправителя. Перехватывая сообщения, отправляемые с помощью
Sendmail, хакеры могут использовать эту информацию для нападений,
например для спуфинга (подмены адресов).
268
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - протокол, позволяющий
осуществлять почтовую транспортную службу Интернет. Одна из проблем
безопасности, связанная с этим протоколом, состоит в том, что пользователь
не может проверить адрес отправителя в заголовке сообщения электронной
почты. В результате хакер может послать в вашу сеть большое количество
почтовых сообщений, что приведет к перегрузке и блокированию работы
вашего почтового сервера.
Telnet - сервис Интернет, при осуществлении которого пользователи
должны регистрироваться на сервере Telnet, вводя свое имя и пароль. После
аутентификации пользователя его рабочая станция функционирует в режиме
«тупого» терминала, подключенного к внешнему хосту. С этого терминала
пользователь может вводить команды, которые обеспечивают ему доступ к
файлам и возможность запуска программ. Подключившись к серверу Telnet,
хакер может сконфигурировать его программу таким образом, чтобы она
записывала имена и пароли пользователей.
Как уже говорилось, стек TCP/IP представляет собой набор
протоколов, которые используются в Интернет и интрасетях для передачи
пакетов между компьютерами. При передаче информация заголовков пакетов
может подвергнуться нападению хакеров. Например, хакеры могут
подменить адрес отправителя в своих пакетах, после чего они будут
смотреться как пакеты, передаваемые авторизованным клиентом.
3.7. Программное обеспечение для работы в сети
Для использования информационных ресурсов Интернета необходимо
определенное программное обеспечение. Для просмотра html-документов
необходима программа, динамически обрабатывающая код HTML и
отображающая web-страницы. Такая программа называется браузером (от
англ. browser). Выделяют два основных класса браузеров: браузеры с
поддержкой отображения графических элементов web-страниц и браузеры
без такой поддержки. Большинство современных браузеров работают с
графикой, включая flash анимацию и видео.
269
Самыми популярными браузерами являются Microsoft Internet Explorer
и Netscape Navigator, предназначенные для работы в среде Microsoft
Windows. Менее распространены Opera, Arache (работает под управлением
DOS) и текстовый браузер для UNIX-совместимых платформ под названием
Lynx.
Следует отметить, что браузеры имеют разные встроенные
интерпретаторы HTML, из-за чего один и тот же html-документ может
отображаться в них по-разному. Ощутимые различия наблюдаются не только
между клиентским программным обеспечением разных производителей, но и
между двумя версиями одной и той же программы. Самые существенные
расхождения в алгоритмах обработки кода HTML имеются в двух наиболее
популярных браузерах, созданных компаниями, которые никак не могут
договориться между собой, чтобы достичь соответствия в отображении их
продукцией интернетовских web-страниц. Речь об Интернет Explorer и
Netscape Navigator.
4. Основные службы Internet
Telnet – протокол и программы, которые обслуживают удаленный
доступ клиента к компьютерному серверу. После установления связи,
пользователь может управлять компьютером сервера, как своим и наоборот,
управление может производиться с компьютера сервера.
FTP – протокол и программы передачи файлов, которые обслуживают
работу с каталогами и файлами удаленной машины. Данный протокол
позволяет «перекачивать» программы, игры, документы, музыку,
видеоизображения, фотографии с сервера на компьютер пользователя или
наоборот.
Gopher – протокол или программы, которые обеспечивают более
развитые (по сравнению с FTP) средства поиска и извлечения информации с
помощью многоуровневых меню, справочных книг и т.п.
Archie – специальные серверы, которые собирают и хранят поисковую
информацию о содержимом FTP-серверов на узлах Internet. если вы ищете
270
какой-либо файл или документ, имя которого (или его часть) вам известна, то
Archie укажет вам адреса соответствующих FTP-серверов, на которых
находятся файлы, соответствующие вашему запросу.
WAIS (Wide Area Information Servers) – распределенная
информационная система (базы данных и программное обеспечение),
которая обслуживает поиск информации в сетевых базах данных и
библиотеках.
E-mail - электронная почта. Посредством ее люди, живущие на разных
континентах электронными сообщениями и файлами.
Usenet – телеконференции, группы новостей, дискуссионные клубы и
т.п. Все участники телеконференции имеют равные права при обсуждении
того или иного вопроса. Каждая телеконференция имеет свой адрес и
посвящена какой-либо теме (науке, искусству, спорту, отдыху и т.п.), причем
круг обсуждаемых вопросов может быть самым разнообразным – от очень
широкого до очень узкого. Современные технологии позволяют проводить
телеконференции с передачей не только текстовой информации, но также
использовать изображение и речь собеседников в реальном времени.
IRC – одна из разновидностей телеконференций, иначе ее называют
«болтовней» в реальном времени. Эта телеконференция позволяет
осуществлять в режиме реального времени текстовое общение между
совершенно незнакомыми людьми с возможностью графических вставок.
Служит в основном для проведения досугов, поскольку здесь, как правило,
не решаются такие серьезные вопросы, как, например, в Usenet.
IP-телефония – голосовая связь. Человеческая речь преобразуется в
звуковой файл и передается по сети в реальном времени. Единственное
преимущество перед обычной телефонной связью состоит в необычайной
дешевизне в расчете на минуту разговора.
WWW (World Wide Web или «Всемирная паутина») - гипертекстовая
информационно-поисковая система Internet. Блоки данных WWW
размещаются на отдельных компьютерах, называемых WWW-серверами
271
(Web-серверами) и принадлежат отдельным организациям или частным
лицам. С помощью гипертекстовых ссылок, встроенных в документы WWW,
пользователь может переходить от одного документа к другому.
В основе WWW лежит протокол передачи гипертекстовых сообщений
HTTP (Hypertext Transfer Protocol), а сами страницы формируются с
помощью специального гипертекстового языка описания документов HTML
(Hypertext Markup Language).
Для работы с WWW используются специальные программы – браузеры
(browsers), например, Microsoft Internet Explorer, Netscape Navigator, Opera и
т.д.
WWW и ее программное обеспечение – наиболее мощные и
перспективные инструменты Internet. Они обеспечивают доступ
пользователей ко всем ресурсам перечисленным выше (FTP, Usenet, Gopher и
т.д.).
Чтобы получить какую либо информацию или услугу в WWW, их надо,
прежде всего, разыскать, а поиск информации – непростая задача.
Разумеется, рост Web-пространства в геометрической прогрессии не будет
продолжаться вечно. Когда-то наступит момент насыщения. Можно
предположить, что темпы развития замедлятся на рубеже 3-4 млрд. b-
страниц. Одной из причин замедления, в частности, станет ограниченность
поля IP-адресов.
Для поиска информации используются специальные поисковые
службы. Обычно поисковая служба - это компания, имеющая свой сервер, на
котором работает некая поисковая система. Услуги абсолютного
большинства поисковых служб бесплатны, но, тем не менее, по темпам роста
сегодня это самый эффективный бизнес в мире. Всего за несколько лет такие
службы как Yahoo!, Alta Vista, Inktomi и некоторые другие развились от
лабораторных проектов с бюджетом в десяток-другой тысяч долларов до
компаний, стоимость которых составляет 10-15 миллиардов долларов. Такого
272
темпа приращения капитала мир еще не знал, особенно для бесплатных для
конечного пользователя услуг.
Лучшие поисковые системы в ответ на запрос пользователя (например,
вам необходимо найти какую-то книгу, вы в строке поиска вводите ее
название и (или) автора, просматривают индексы за десятые доли секунды и
немедленно выводят списки ссылок, ведущих к затребованным ресурсам.
Качество поиска зависит всего от двух факторов: коэффициента попадания и
коэффициента охвата. Первый показывает, какой процент ссылок, выданных
поисковой системой, действительно относится к той теме, которая
интересует клиента. Коэффициент охвата показывает, насколько база данных
поисковой системы отражает истинное количество информации, имеющейся
по данной теме в мире.
Без данных систем вообще трудно представить себе работу в Internet.
4.1. Электронная почта
Исторически первый и наиболее распространенный вид работы в
телекоммуникационных сетях – межперсональный обмен текстовыми
сообщениями, известный под названием «электронной почты» (E-mail). Как и
при обычной почтовой связи, здесь происходит обмен сообщениями, но не на
бумаге, а в виде файлов.
Преимущества электронной почты заключаются в следующем:
большая скорость доставки информации;
компьютерная подготовка и возможность дальнейшего
редактирования письма даже получателем;
низкая стоимость услуги по сравнению с обычной почтой;
возможность отправки одного и того же письма
одновременно нескольким адресатам.
Система электронной почты организуется как совокупность
региональных узлов станций, периодически связывающихся друг с другом
для обмена корреспонденцией.
273
В состав электронного письма входит непосредственный текст,
графические, видео и звуковые вставки, а также возможные любые
привязанные файлы (документы, программы, вирусы и т.д.), отправляемые
вместе с письмом. Кроме того, письмо содержит адресата, дату и время
отправления, обратный адрес, при необходимости указывается тема письма.
В отличие от длинного адреса, который необходимо писать при
отправке обычного письма, электронный адрес намного короче и более легок
в запоминании. Например, рассмотрим некоторый электронный адрес
почтового ящика: [email protected] Он состоит из адреса машины и имени
адресата, которое отделено знаком @ («собака»). Слева от этого знака стоит
имя адресата, а точнее имя файла – почтового ящика, из которого он забирает
свои письма. Часть, находящаяся справа от знака @ называется доменом и
описывает местонахождение этого почтового ящика, поскольку он находится
обычно не на компьютере получателя. Рассматривая домен, справа налево и
разбив его точками на отдельные слова, получим поддомены, поочередно
уточняющие, где искать этот почтовый ящик. Самый правый поддомен (в
нашем случае ru) называется доменом верхнего уровня и чаще всего
обозначает код страны, в которой находится адресат. Однако домен верхнего
уровня - не всегда код страны. Во всем мире используются такие верхние
домены как, edu - научные и учебные организации, gov – правительственные
учреждения, com – коммерческие организации и т.д.
Как правило, поддомены, расположенные левее домена верхнего
уровня указывают на более точное расположение адресата внутри этого
домена.
В последнее время в Internet появилась новая возможность –
передавать и получать факсы по сети с использованием компьютера. Можно
послать заказ на посылку или прием факса. Составляется обычное
электронное письмо, оформленное должным образом, и посылается на адрес
компьютерного узла, занимающегося факсимильными операциями. Текст
274
этого письма в виде факса будет доставлен на факсимильный аппарат
адресата.
Программное обеспечение для работы с факсимильными сообщениями
позволяет преобразовывать данные в различных форматах к формату
факсимильных аппаратов.
Кроме того, в настоящее время, посредством Internet, можно абсолютно
бесплатно отправить сообщение на любой мобильный телефон или пейджер.
4.2. Дистанционное обучение через Internet
Международная сеть Internet предоставляет большие возможности для
учреждений образования. Internet предоставляет несколько типов сервисов,
на базе которых имеется возможность установки системы поддержки
дистанционного обучения.
Наиболее подходящей для организации дистанционного обучения
является система WWW.
WWW позволяет создавать следующий спектр учебных систем с
доступом через Internet:
Интерактивные учебники и учебные пособия;
Анонимные квалификационные и пробные тесты;
Тесты и экзамены для студентов дистанционного обучения;
Организация обратной связи преподаватель - студент.
WWW позволяет комбинировать текстовый, графический, звуковой и
видеоматериалы. Использование языков Java и Java-script позволяет
создавать приложения, загружаемые по сети, что снимает проблему
обновления программного обеспечения. Переносимость Java обеспечивает
корректную работу учебных программ на различных платформах без
внесения изменения в исходный код.
Вообще, Web предоставляет практически уникальные возможности
творческого подхода к оформлению документов. Может быть выбрана любая
удобная форма представления материала читателю. Это могут быть
фотографии, графики, рисунки, текст, видеофрагменты и т.д.
275
В настоящее время в Сети появились целые виртуальные
университеты и колледжи и всем им необходимы специальные электронные
учебные материалы с новыми техническими возможностями.
4.3. Internet как средство массовой информации
Сегодня уже ни у кого не вызывает сомнения, что электронные
цифровые технологии в сочетании с Internet (и технологиями следующего
поколения информационных сетей) определяют будущее коммуникаций.
Естественно, что традиционные поставщики информационных продуктов,
начиная с компаний, выпускающих словари и энциклопедии и заканчивая
масс-медиа, не хотят смириться с тем, что их время прошло, и делают все для
того, чтобы наверстать упущенное.
С точки зрения динамики рынка информационных продуктов на
цифровых носителях и on-line, безусловно, заслуживает внимания факт
перехода большей части энциклопедических словарей в электронный
формат. Этот процесс начался в 1992 году с покупки компанией
"Майкрософт" аутсайдера энциклопедического рынка «Энциклопедии Функа
и Уогнеллса», которая была отредактирована, дополнена, свежей
информацией и иллюстрациями, после чего стала одним из наиболее
продаваемых изданий на CD-ROM под названием «Майкрософт-Энкарта».
Internet уверенно отвоевывает себе жизненное пространство у других
средств распространения и обмена информацией. В возникшей ситуации
многим газетам и журналам приходится срочно делать выбор: размещать
свое издание в сети Internet или нет.
4.4. Internet-магазины
В настоящий момент в России официально работают более тысячи In-
ternet-магазинов, несмотря на то, что по статистике только около 500 тысяч
россиян могут позволить купить себе товар в «виртуальном» магазине.
Новейшие компьютерные технологии позволяют не рассмотреть товар со
всех сторон максимально приблизив его так, чтобы можно было прочитать
даже мелкий текст на его упаковке. Для занятых людей или очень ленивых
276
людей это один из способов экономии времени. Нет необходимости стоять в
длинных очередях и не надо беспокоиться о наличии какого-либо товара.
Причем, в Internet-магазинах можно приобрести все, начиная от книг,
компакт-дисков, радиодеталей и заканчивая машинами и недвижимостью.
Заказав товар, вы оговариваете с менеджером условие и время
доставки, возможную упаковку товара и его стоимость. Оплата проводится
или через вашу кредитную карту, либо через банковский счет или по
наличному расчету.
4.5. Internet-игры
В Internet очень развита система досуга. Одним из его проявления
служат Internet-игры. Они происходят в реальном времени, несколько
человек с любой точки земного шара запускают понравившуюся им игру и
сражаются друг против друга или вместе против компьютера. Обычна эта
услуга совершенно бесплатно, вы платите только за то время, которое вы
находитесь непосредственно в Internet.
Ушедший в историю XX век, незадолго до своего окончания, все
называли космическим и ядерным. Но, когда люди перешагнули его порог, у
них сложилось другое мнение о его статусе. Основными достижениями века
признали не освоение космоса и атома, а именно появление Internet.
277
Тема 11. Единая информационная телекоммуникационная система
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Основные понятия.
2. История создания ЕИТКС.
3. Состав ЕИТКС.
4. Назначения и возможности ЕИТКС.
1. Основные понятия ЕИТКС
От оперативности, согласованности и точности действий сотрудников
Министерства внутренних дел России зависит благополучие, а иногда и
жизнь каждого гражданина страны. Рассмотрим, какие решения в области
сбора, обработки и передачи информации применяются в этом ведомстве уже
сегодня, каковы перспективы дальнейшего использования информационных
технологий в крупнейшем ведомстве России.
Единая информационная телекоммуникационная система (ЕИТКС) -
информационно-телекоммуникационная система, основанная на
интегрированной транспортной среде органов внутренних дел,
обеспечивающей взаимодействие с телекоммуникационной системой
внутренних войск МВД России, телекоммуникационными системами органов
государственной власти, включая правоохранительные органы, а также
доступ сотрудников внутренних дел к услугам публичных и специальных
федеральных информационно-телекоммуникационных систем и состоящая
из автоматизированных банков данных общего пользования на базе
унифицированных программно-технических комплексов информационно-
аналитических и экспертно-криминалистических центров органов
внутренних дел.
2. История создания ЕИТКС
Ключевую роль в создании единой информационно-
телекоммуникационной системы (ЕИТКС) МВД России играет Главный
информационно-аналитический центр (ГИАЦ) МВД России.
278
В период 2002-2004 годов МВД России в рамках финансовых средств,
выделяемых на основную деятельность, реализовывались мероприятия,
направленные на повышение эффективности использования существующих в
МВД России информационных ресурсов. Были разработаны проекты
создания отдельных телекоммуникационных и информационных фрагментов
информационно-вычислительной системы органов внутренних дел. Они
прошли опытную эксплуатацию и были рекомендованы руководством
Министерства к внедрению в промышленную эксплуатацию.
Таких массивов и такой системы сбора дактоинформации нет ни в
одной стране мира.
С 2005 года началась реализация программы МВД России «Создание
единой информационно-телекоммуникационной системы органов
внутренних дел». В рамках реализации одной из ее подпрограмм
«Реконструкция и техническое перевооружение информационных центров
МВД, ГУВД, УВД субъектов Российской Федерации, УВДТ» в 2005-2006
годах полностью оснащены типовыми программно-техническими
комплексами (ПТК) «ИБД-Регион» 82 региональных информационных
центра, которые обеспечивают автоматизированное формирование и
использование оперативно-справочных, розыскных и криминалистических
учетов.
С 2002 года создается многоуровневая система автоматизированных
дактилоскопических учетов органов внутренних дел, включающая в себя
федеральный уровень, уровень федеральных округов (межрегиональные
АДИС) и региональный уровень.
В 2006 году завершилось создание федеральной АДИС ГИАЦ, объем
базы данных, которой превышает 32 млн. дактилокарт, что позволяет в
настоящий момент идентифицировать каждый 6 след, изъятый с мест
нераскрытых преступлений, каждый 4 неопознанный труп, каждое 14-е лицо
с искаженными паспортными данными.
279
В 2002 году приказом МВД России была утверждена «Концепция
развития информационно-вычислительной системы МВД России на 2002-
2006 годы». В 2004 году в рамках положений Концепции разработана
Программа МВД России «Создание единой информационно-
телекоммуникационной системы органов внутренних дел» (ЕИТКС),
рассчитанная на 2005-2008 годы.
Но жизнь не стоит на месте. Информационные технологии в мире
развиваются очень быстро. Поэтому в настоящее время ведется разработка
«Концепции информатизации МВД России на 2008-2012 годы», где будут
использованы современные ИТ-технологии.
Одним из основополагающих документов МВД России, определившим
направление информатизации органов внутренних дел (ОВД), являлась
«Концепция развития информационно-вычислительной системы МВД
России на 2002-2006 годы».
3. Состав ЕИТКС
В состав ЕИТКС включаются региональные ИМТС (интегрированные
мультисервисные телекоммуникационные системы). ИМТС соединяются
друг с другом и включаются в ЕИТКС по протоколу TCP/IP по собственным
или арендованным каналам связи.
Типовая ИМТС состоит из следующих компонент:
телекоммуникационные шкафы и стойки;
УАТС;
система маршрутизации данных;
стык с местным оператором связи;
ЛВС;
система мультиплексирования — в случае, если узел стыкуется с
нижестоящими подразделениями;
инженерные компоненты.
Ниже подробней рассмотрим некоторые компоненты.
280
Офисная АТС (офисная автоматическая телефонная станция,
учрежденческая АТС (УАТС), мини-АТС) — АТС, предназначенная для
использования внутри организации. От АТС, которые используются
операторами связи, в первую очередь отличается ориентированностью на
малое количество обслуживаемых номеров (обычно меньше 100-200),
разделением телефонной сети на «внутреннюю» и «внешнюю». В
зависимости от типа, АТС может принимать от телефонных операторов
цифровой поток, аналоговые линии или через коммутируемые сети (IP-
телефония). Абонентские устройства — обычно аналоговые телефоны,
цифровые или IP-телефоны. Использование УАТС позволяет отказаться от
подключения каждого абонентского устройства (телефонного аппарата,
модема, факса) организации к телефонной сети общего пользования, что
привело бы к выделению каждому абонентскому устройству отдельной
линии (обычно оплачиваемой помесячно), и все «внутренние» вызовы
проходили бы через АТС оператора связи.
Оборудование УАТС обычно устанавливается в помещении
организации и коммутирует вызовы между внутренними абонентскими
линиями. Дополнительно, для внешних входящих и исходящих вызовов
обычно доступно ограниченное количество соединительных линий (транков)
к телефонной сети общего пользования. Организации, располагающиеся в
нескольких зданиях, могут использовать соединительные линии для
соединения собственных УАТС. Иногда для обозначения УАТС используется
английская аббревиатура PBX (от Private branch exchange или Private business
exchange).
Выделим основные отличия профессиональной УАТС от городской
телефонной станции:
возможность обеспечения полнодоступных схем
коммутации трафика (связь без блокировок);
интеллектуальные системы распределения вызовов по
абонентам или операторам;
281
громадный объем предоставляемого абонентского сервиса;
поддержка встроенных CRM подсистем и развитые
системы SDK для встраивания телефонного абонентского сервиса в
автоматизированные системы;
обеспечение предоставления пакетов абонентского сервиса
независимо от местоположения абонента и способа его подключения к
телефонной сети;
высокая надежность и гибкая система резервирования,
обеспечивающая 100% непрерывность телефонной связи.
УАТС позволяет сэкономить средства организации и снизить расходы
на связь, так как при применении УАТС внутренние звонки внутри
организации являются бесплатными, время установления соединения крайне
мало, так как используется обычно трехзначная нумерация, и каждая
организация может запрограммировать свою УАТС под свои нужды.
На базе УАТС строятся большие сети корпоративной телефонной связи
для государственных и финансовых учреждений, систем управления
транспортом, медицинских учреждений и т. д. Программирование офисной
АТС осуществляется с помощью системного телефона, либо средствами
специальной программы, подключаемой через порт (интерфейс): RS-232;
USB; 10BASE-T. На вход в режим программирования обычно можно
установить пароль, чтобы посторонние лица не могли изменить заданный
алгоритм работы мини-АТС (УАТС). Возможности УАТС определяются ее
конфигурацией. У разных производителей мини-АТС конфигурации станций
могут сильно отличаться.
Локальная вычислительная сеть (ЛВС, локальная сеть, англ. Local Area
Network, LAN) — компьютерная сеть, покрывающая обычно относительно
небольшую территорию или небольшую группу зданий (дом, офис, фирму,
институт). Подробно этот вопрос был рассмотрен в Теме№9.
Мультиплексор — устройство, имеющее несколько сигнальных входов,
один или более управляющих входов и один выход. Мультиплексор
282
позволяет передать сигнал с одного из входов на выход; при этом выбор
желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации
управляющих сигналов.
4. Назначения и возможности ЕИТКС
Программа ЕИТКС является тактическим мероприятием МВД России
по исполнению Концепции информационно-вычислительной системы. В ней
заложены конкретные мероприятия с технико-экономическим обоснованием
их исполнения, определением сроков исполнения и требуемого
финансирования по каждому мероприятию на каждый год.
Целью Программы является создание единой информационно-
телекоммуникационной системы органов внутренних дел для повышения
эффективности деятельности ОВД путем совершенствования
информационного обеспечения, посредством реконструкции и оборудования
объектов новыми и перспективными телекоммуникационными и
программно-техническими комплексами с использованием современных
телекоммуникационных, информационных и биометрических технологий.
Реализация программы позволит повысить уровень безопасности
общества и государства, уменьшить потери общества от преступлений,
оптимизировать затраты на предупреждение, пресечение и раскрытие
преступлений, уменьшить потери государства от проявлений
террористического характера, обеспечить требуемый уровень контроля за
миграционными процессами в стране, повысить уровень доверия населения к
органам внутренних дел, снизить уровень социальной напряженности,
снизить уровень вовлеченности финансовых ресурсов государства и
населения в противоправную деятельность, в том числе террористическую
деятельность банд и группировок; повысить уровень инвестиционной
привлекательности российской экономики; обеспечить выполнение
государством международных обязательств.
283
Начата серьезная работа по созданию автоматизированной
информационно-поисковой системы биометрической идентификации
личности по изображению лица.
Необходимо объединить имеющиеся на вооружении информационные
потоки, максимально обеспечить необходимой информацией (оперативной,
криминалистической, справочной и т.п.) всех сотрудников органов
внутренних дел, решающих задачи борьбы с преступностью, охраны
общественного порядка, профилактики правонарушений и др.
В ЕИТКС решаются вопросы создания единой целостной системы
информационной безопасности. Сертифицированные программно-
аппаратные средства будут внедрены во всех органах внутренних дел при
работе с любой информационной системой. Кроме этого, будет обеспечена
их защита как с использованием системных средств (ОС, сетевые ОС, СУБД
Oracle), так и специально разработанного ППО, учитывающего специфику
работы конкретного подразделения.
В настоящее время создается целостная система информационной
безопасности ЕИТКС с разработкой моделей угроз и моделей нарушителя.
284
РАЗДЕЛ 4. МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В
ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Тема 12. Использование компьютерной графики
в профессиональной деятельности
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Компьютерная графика.
2. Виды компьютерной графики.
3. Форматы графических изображений.
4. Графические редакторы
5. Использование компьютерной графики в профессиональной деятельности.
1. Компьютерная графикаНа современном этапе развитии общества словосочетание «компьютерная
графика» стало естественным для любого человека, начиная с самого раннего детства.
Данное словосочетание на первый взгляд является простым и понятным. Однако
необходимо отметить, что единого универсального определения данного термина не
существует. Применительно к различным областям деятельности человека данное понятие
трактуется, как правило, схожим образом, но отличия все же присутствуют.
Так, например, в Википедии компьютерная графика – это область деятельности, в
которой компьютеры используются в качестве инструмента, как для синтеза (создания)
изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального
мира.
В научно-техническом энциклопедическом словаре под компьютерной графикой
понимаются иллюстрации, полученные при помощи компьютера. Простые фигуры и
графики можно выполнить, пользуясь клавиатурой. Для сложных изображений нужна
мышь или аналогичное устройство ввода, например, графический планшет, и
соответствующее программное обеспечение для цветного или черно-белого рисования.
Иногда требуется и специальное аппаратное оборудование.
Энциклопедия «Техника» дает следующее определение: «Компьютерная графика –
это ввод, вывод, отображение, преобразование и редактирование графических объектов
под управлением компьютера».
В полиграфии под компьютерной графикой понимают создание при помощи
аппаратных и программных средств компьютерной техники новых шрифтов, штриховых
(графических) изображений (как черно-белых, так и цветных), мультипликационных
285
изображений, сложных изобразительных монтажей, применяемых в полиграфии в
качестве электронных оригиналов. (Краткий толковый словарь по полиграфии.)
Обобщая приведенные выше определения, отметим, что компьютерная графика –
это область деятельности, предназначенная для создания как простых изображений, фигур
и графиков, так и более сложных графических объектов, в том числе объектов,
полученных из реального мира. Основным инструментом для создания и обработки этих
объектов служат аппаратные и программные средства компьютерной техники.
Появление компьютерной графики и ее дальнейшее развитие связано с эволюцией
компьютерной техники.
Историческая справка развития графики
История развития компьютерной графики началось еще в 20 веке и
продолжается сегодня. Всем известно, что именно графика способствует
быстрому росту быстродействия компьютера.
1940-1970гг. – время больших компьютеров (эра до персональных
компьютеров). Графикой занимались только при выводе на принтер. В этот
период были заложены математические основы(чего?).
Особенности: пользователь не имел доступа к монитору, графика
развивалась на математическом уровне и выводилась в виде текста,
напоминающего на большом расстоянии изображение. Графопостроители
появились в конце 60-х годов и практически были не известны.
1971-1985гг. – появились персональные компьютеры, т.е. появился
доступ пользователя к дисплеям. Роль графики резко возросла, но
наблюдалось очень низкое быстродействие компьютера. Программы
писались на ассемблере. Появилось цветное изображение (256).
Особенности: этот период характеризовался зарождением реальной
графики.
1986-1990гг. – появление технологии Multimedia (Мультимедиа). К
графике добавились обработка звука и видеоизображения, общение
пользователя с компьютером расширилось.
286
Особенности: появление диалога пользователя с персональным
компьютером; появление анимации и возможности выводить цветное
изображение.
1991-по настоящее время – появление графики нашего дня Virtual
Reality. Появились датчики перемещения, благодаря которым компьютер
меняет изображения при помощи сигналов посылаемых на него. Появление
стереоочков (монитор на каждый глаз), благодаря высокому быстродействию
которых, производится имитация реального мира. Замедление развития этой
технологии из-за опасения медиков, т.к. благодаря Virtual Reality можно
очень сильно нарушить психику человека, благодаря мощному воздействию
цвета на неё.
Особое внимание необходимо уделить периоду с 1960г. по 1970 г. т.к.
здесь зарождалась первая графика. Вот некоторые факты из данного периода.
1961 год. Программист С. Рассел возглавляет проект по созданию
первой компьютерной игры с графикой. Создание игры «Звездные войны»
заняло около 200 человеко-часов и предназначалась для машины PDP-1.
1963 год. Американский учёный Айвен Сазерленд создал программно-
аппаратный комплекс Sketchpad, который позволял рисовать точки, линии и
окружности на трубке цифровым пером. Поддерживались базовые действия с
примитивами: перемещение, копирование и др. По сути, это был первый
векторный редактор, реализованный на компьютере. Также программу
можно назвать первым графическим интерфейсом, причём она являлась
таковой ещё до появления самого термина.
середина 1960-х гг. Появились разработки в промышленных
приложениях компьютерной графики. Так, под руководством Т. Мофетта и
Н. Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертёжную
машину. В 1964 году General Motors представила систему
автоматизированного проектирования DAC-1, разработанную совместно с
IBM.
287
1964 год. Группой под руководством Н. Н. Константинова была
создана компьютерная математическая модель движения кошки. Машина
БЭСМ-4, выполняя написанную программу решения дифференциальных
уравнений, рисовала мультфильм «Кошечка», который для своего времени
являлся прорывом. Для визуализации использовался алфавитно-цифровой
принтер.
1968 год. Существенный прогресс компьютерная графика испытала с
появлением возможности запоминать изображения и выводить их на
компьютерном дисплее, электронно-лучевой трубке.
Классификация компьютерной графики
Первым классификационным признаком является количество
измерений, используемых при создании и обработке изображения. По этому
признаку вся компьютерная графика делится на два класса: плоская или
двухмерная графика, при работе с которой любое изображение имеет лишь
два измерения – ширину и высоту, и объемная или трехмерная (3D) графика,
которая характеризуется тремя пространственными измерениями – шириной,
высотой и глубиной. Наличие у трехмерных изображений координаты
глубины дает возможность взглянуть на них с другого ракурса, не
перерисовывая при этом самих изображений. Современные производители
игр ведут разработку и создание 4D графики.
Вторым классификационным признаком является способ
формирования изображений, по которому компьютерная графика может быть
разделена на растровую, векторную и фрактальную. Основным элементом
растровой графики является точка, совокупность точек образует
изображение. Векторная графика работает с линиями, которые описываются
математически как единый объект. Фрактальная графика, как и векторная,
основана на математических вычислениях, однако базовым элементом
является сама математическая формула.
Третьим признаком является способность динамического изменения
изображения. По данному признаку можно выделить два класса: статическая
288
графика и интерактивная (анимационная) графика. Под интерактивной
компьютерной графикой понимают раздел компьютерной графики,
изучающий вопросы динамического управления со стороны пользователя
содержанием изображения, его формой, размерами и цветом на экране с
помощью интерактивных устройств взаимодействия.
Четвертым признаком может служить специализация компьютерной
графики в отдельных областях. Так, можно выделить инженерную графику,
дизайн-графику, Web-графику и другие области.
В результате развития современных информационных технологий и
посредством объединения компьютерных, телевизионных и кинотехнологий
сформировалась относительно новая область компьютерной графики –
интерактивная (анимационная) графика.
Под интерактивной компьютерной графикой понимают раздел
компьютерной графики, изучающий вопросы динамического управления со
стороны пользователя содержанием изображения, его формой, размерами и
цветом на экране с помощью интерактивных устройств взаимодействия.В зависимости от сфер применения существуют следующие виды компьютерной
графики.
1. Научная графика. Первые компьютеры использовались для решения научных и
производственных задач. Но существовала необходимость в наглядности полученных
результатов, поэтому производили их графическую обработку, строили графики,
диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций. Первые графики получали в режиме
символьной печати. Затем появились специальные устройства – графопостроители
(плоттеры) для вычерчивания чертежей и графиков чернильным пером на бумаге.
Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить
вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов.
2. Деловая графика. Область компьютерной графики, предназначенная для
наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые
показатели, отчетная документация, статистические сводки и др. это те объекты, для
которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы.
Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц.
289
3. Конструкторская графика. Используется в работе инженеров-конструкторов,
архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является
обязательным элементом систем автоматизации проектирования (САПР). Средствами
конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения),
так и пространственные трехмерные изображения (Рис.3).
4. Иллюстративная графика. Любые рисунки и чертежи сделанные на экране.
Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению
общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики
называются графическими редакторами.
5. Художественная и рекламная графика. Развитие это вида графики связывается с
телевидением. С помощью компьютера создаются рекламные ролики,
мультипликационные фильмы, компьютерные игры, видеоуроки, видеопрезентации.
Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по
быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов
является возможность создания реалистических изображений и «движущихся картинок».
Получение изображений, трехмерных объектов, их повороты, приближения, удаления,
деформации связано с большим объемом вычислений. Передача освещенности объекта в
зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры
поверхности, требует расчетов, учитывающих законы оптики (рис.5).
6. Компьютерная анимация. Заключается в получении движущихся изображений
на экране монитора. Художник создает рисунки начального и конечного положения
движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает
компьютер, выполняя расчеты, опирающиеся на математическое описание данного вида
движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определенной
частотой, создают иллюзию движения.
7. Мультимедиа. Объединение высококачественного изображения на экране
компьютера со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы
мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений.
290
8. Графика для Интернета. Появление глобальной сети Интернет привело к тому,
что компьютерная графика стала занимать важное место в ней. Все больше
совершенствуются способы передачи визуальной информации, разрабатываются более
совершенные графические форматы, использование трехмерной графики, анимации, всего
спектра мультимедиа.
2. Описание видов компьютерной графикиРастровая графика
Компьютерное растровое изображение представляется в виде прямоугольной
матрицы, каждая ячейка которой представлена цветной точкой.
Основой растрового представления графики является пиксель с указанием ее цвета.
Изображение представляется в виде большого количества точек – чем их больше, тем
визуально качественнее изображение и больше размер файла. Одна и тоже изображение
может быть представлена с лучшим или худшим качеством в соответствии с количеством
точек на единицу длины – разрешением (обычно, точек на дюйм – dpi или пикселей на
дюйм – ppi).
Растровые изображения напоминают лист клетчатой бумаги, на котором любая
клетка закрашена либо черным, либо белым цветом, образуя в совокупности рисунок.
Пиксель – основной элемент растровых изображений. Именно из таких элементов состоит
растровое изображение, т.е. растровая графика описывает изображения с использованием
цветных точек (пикселей), расположенных на сетке.
При редактировании растровой графики редактируются пиксели, а не линии.
Растровая графика зависит от разрешения, поскольку информация, описывающая
изображение, прикреплена к сетке определенного размера. При редактировании растровой
графики, качество ее представления может измениться. Качество характеризуется и
количеством цветов, и оттенков, которые может принимать каждая точка изображения.
Чем большим количеством оттенков характеризуется изображения, тем большее
количество разрядов требуется для их описания. Красный может быть цветом номер 001, а
может и – 00000001. Таким образом, чем качественнее изображение, тем больше размер
файла.
Растровое представление обычно используют для изображений фотографического
типа с большим количеством деталей или оттенков, но масштабирование таких картинок в
любую сторону обычно ухудшает качество. При уменьшении количества точек теряются
мелкие детали и деформируются надписи, добавление пикселей приводит к ухудшению
291
резкости и яркости изображения, т.к. новым точкам приходится давать оттенки, средние
между двумя и более граничащими цветами.
С помощью растровой графики можно отразить и передать всю гамму оттенков и
тонких эффектов, присущих реальному изображению. Растровое изображение ближе к
фотографии, оно позволяет более точно воспроизводить основные характеристики
фотографии: освещенность, прозрачность и глубину резкости.
Чаще всего растровые изображения получают с помощью сканирования
фотографий и других изображений, с помощью цифровой фотокамеры или путем
"захвата" кадра видеосъемки. Растровые изображения можно получить и непосредственно
в программах растровой или векторной графики путем преобразовании векторных
изображений. Распространённые форматы .tif, .gif, .jpg, .png, .bmp, .pcx и др
Цифровое изображение – это совокупность пикселей. Каждый пиксел растрового
изображения характеризуется координатами x и y и яркостью V(x,y). Поскольку пиксели
имеют дискретный характер, то их координаты – это дискретные величины, обычно целые
или рациональные числа. В случае цветного изображения, каждый пиксель
характеризуется координатами x и y, и тремя яркостями: яркостью красного, яркостью
синего и яркостью зеленого цветов (VR, VB, VG). Комбинируя данные три цвета можно
получить большое количество различных оттенков.
Если одна из характеристик изображения не является числом, то изображение
относится к виду аналоговых. Примерами аналоговых изображений могут служить
голограммы и фотографии. Для работы с такими изображениями существуют
специальные методы, в частности, оптические преобразования. В ряде случаев аналоговые
изображения переводят в цифровой вид.
Цвет любого пикселя растрового изображения запоминается с помощью
комбинации битов. Чем больше битов для этого используется, тем больше оттенков
цветов можно получить. Под градацию яркости обычно отводится 1 байт (256 градаций),
причем 0 – черный цвет, а 255 – белый (максимальная интенсивность). В случае цветного
изображения отводится по байту на градации яркостей всех трех цветов. Возможно
кодирование градаций яркости другим количеством битов (4 или 12), но человеческий
глаз способен различать только 8 бит градаций на каждый цвет, хотя специальная
аппаратура может потребовать и более точную передачу цветов. Цвета, описываемые 24
битами, обеспечивают более 16 миллионов доступных цветов и их часто называют
естественными цветами.
292
В цветовых палитрах каждый пиксель описан кодом. Поддерживается связь этого
кода с таблицей цветов, состоящей из 256 ячеек. Разрядность каждой ячейки – 24 разряда.
На выходе каждой ячейки по 8 разрядов для красного, зеленого и синего цветов.
Растр – это порядок расположения точек (растровых элементов). На рис. 7
изображен растр, элементами которого являются квадраты, такой растр называется
прямоугольным, именно такие растры наиболее часто используются.
Рис. 7. Прямоугольный растр
Кроме прямоугольного растра используются другие формы: треугольника,
шестиугольника, соответствующего следующим требованиям:
− все фигуры должны быть одинаковые;
− должны полностью покрывать плоскость без накладывания и зазоров.
В качестве растрового элемента возможно использование равностороннего
треугольника рис. 8, правильного шестиугольника (гексаэдра) рис. 9. Можно строить
растры, используя неправильные многоугольники, но практический смысл в подобных
растрах отсутствует.n
m
Рис. 8. Треугольный растр
Рассмотрим способы построения линий в прямоугольном и гексагональном растре.
293
n
m
Рис. 9. «Гексагональный растр»
В прямоугольном растре построение линии осуществляется двумя способами:
1) Результат – восьмисвязная линия. Соседние пиксели линии могут находится
в одном из восьми возможных (см. рис. 10а) положениях. Недостаток – слишком тонкая
линия при угле 45°.
2) Результат – четырехсвязная линия. Соседние пиксели линии могут
находится в одном из четырех возможных (см. рис. 10б) положениях. Недостаток –
избыточно толстая линия при угле 45°.
a б
Рис. 10. Построение линии в прямоугольном растре
В гексагональном растре линии шестисвязные (см. рис. 11) такие линии более
стабильны по ширине, т.е. дисперсия ширины линии меньше, чем в квадратном растре.
Рис. 11. Построение линии в гексагональном растре
Одним из способов оценки растра является передача по каналу связи
кодированного, с учетом используемого растра, изображения с последующим
восстановлением и визуальным анализом достигнутого качества. Экспериментально и
294
математически доказано, что гексагональный растр лучше, т.к. обеспечивает наименьшее
отклонение от оригинала. Но разница не велика.
Моделирование гексагонального растра возможно на основе квадратного. Для
этого гексаугольник представляют в виде прямоугольника.
Файлы растровой графики занимают большое количество памяти компьютера.
Некоторые картинки занимают большой объем памяти из-за большого количества
пикселей, любой из которых занимает некоторую часть памяти. Наибольшее влияние на
количество памяти занимаемой растровым изображением оказывают три факта:
− размер изображения;
− битовая глубина цвета;
− формат файла, используемого для хранения изображения.
Существует прямая зависимость размера файла растрового изображения. Чем
больше в изображении пикселей, тем больше размер файла. Разрешающая способность
изображения на величину файла никак не влияет. Разрешающая способность оказывает
эффект на размер файла только при сканировании или редактировании изображений.
Связь между битовой глубиной и размером файла непосредственная. Чем больше
битов используется в пикселе, тем больше будет файл. Размер файла растровой графики
сильно зависит от формата, выбранного для хранения изображения. При прочих равных
условиях, таких как размеры изображения и битовая глубина существенное значение
имеет схема сжатия изображения. Например, BMP файл имеет, как правило, большие
размеры, по сравнению с файлами PCX и GIF, которые в свою очередь больше JPEG
файла.
Многие файлы изображений обладают собственными схемами сжатия, также могут
содержать дополнительные данные краткого описания изображения для предварительного
просмотра.
Достоинства:
Растровая графика эффективно представляет реальные образы. Реальный мир
состоит из миллиардов мельчайших объектов и человеческий глаз как раз приспособлен
для восприятия огромного набора дискретных элементов, образующих предметы. На
своем высшем уровне качества – изображение выглядят вполне реально подобно тому, как
выглядят фотографии в сравнении с рисунками. Это верно только для очень
детализированных изображений, обычно получаемых сканированием фотографий.
Помимо естественного вида растровые изображения имеют другие преимущества.
Устройства вывода, такие как лазерные принтеры, для создания изображений используют
наборы точек. Растровые изображения могут быть очень легко распечатаны на таких
295
принтерах, потому что компьютерам легко управлять устройством вывода для
представления отдельных пикселей с помощью точек.
Недостатки:
Растровые изображения занимают большое количество памяти. Существует так же
проблема редактирования растровых изображений, так как большие растровые
изображения занимают значительные массивы памяти, то для обеспечения работы
функций редактирования таких изображений потребляются так же значительные массивы
памяти и другие ресурсы компьютера.
Иногда характеристики растрового изображения записывают в такой форме:
1024x768x24. Это означает, что ширина изображения равна 1024 пикселям, высота – 768 и
глубина цвета равна 24. Размер несжатого изображения с такими параметрами будет равен
1024*768*24 = 18874368 байт. Это более 18 мегабайт – большой объем для одного
изображения, особенно если требуется хранить несколько тысяч таких изображений – это
не так уж много по компьютерным меркам. Вот почему компьютерную графику
используют почти всегда в сжатом виде.
RLE (Run Length Encoding) – метод сжатия, заключающийся в поиске
последовательностей одинаковых пикселей в сточках растрового изображения («красный,
красный, ..., красный» записывается как «N красных»).
LZW (Lempel–Ziv–Welch) – более сложный метод, ищет повторяющиеся фразы –
одинаковые последовательности пикселей разного цвета. Каждой фразе ставится в
соответствие некоторый код, при расшифровке файла код замещается исходной фразой.
При сжатии файлов формата JPEG (с потерей качества) изображение разбивается
на участки 8x8 пикселей, и в каждом участке их значение усредняется. Усреднённое
значение располагается в левом верхнем углу блока, остальное место занимается
меньшими по яркости пикселями. Затем большинство пикселей обнуляются. При
расшифровке нулевые пиксели получают одинаковый цвет. Затем к изображению
применяется алгоритм Хаффмана.
Алгоритм Хаффмана основан на теории вероятности. Сначала элементы
изображения (пиксели) сортируются по частоте встречаемости. Затем из них строится
кодовое дерево Хаффмана. Каждому элементу сопоставляется кодовое слово. При
стремлении размера изображения к бесконечности достигается максимальность сжатия.
Этот алгоритм также используется в архиваторах.
Сжатие применяется и для векторной графики, но здесь уже нет таких простых
закономерностей, так как форматы векторных файлов достаточно сильно различаются по
содержанию.
296
Для растровых изображений, состоящих из точек, особую важность имеет понятие
разрешения, выражающее количество точек, приходящихся на единицу длины. При этом
следует различать:
– разрешение оригинала;
– разрешение экранного изображения;
– разрешение печатного изображения.
Разрешение оригинала измеряется в точках на дюйм (dots per inch – dpi) и зависит
от требований к качеству изображения и размеру файла, способу оцифровки и создания
исходной иллюстрации, избранному формату файла и другим параметрам. В общем
случае действует правило: чем выше требование к качеству, тем выше должно быть
разрешение оригинала.
Для экранных копий изображения элементарную точку растра принято называть
пикселем. Размер пикселя варьируется в зависимости от выбранного экранного
разрешения (из диапазона стандартных значений), разрешение оригинала и масштаб
отображения.
Для экранной копии достаточно разрешения 72 dpi, для распечатки на цветном или
лазерном принтере 150–200 dpi, для вывода на фотоэкспонирующем устройстве 200–300
dpi. Установлено эмпирическое правило, что при распечатке величина разрешения
оригинала должна быть в 1,5 раза больше, чем линиатура растра устройства вывода. В
случае, если твердая копия будет увеличена по сравнению с оригиналом, эти величины
следует умножить на коэффициент масштабирования.
Размер точки растрового изображения как на твердой копии (бумага, пленка и т.
д.), так и на экране зависит от примененного метода и параметров растрирования
оригинала. При растрировании на оригинал как бы накладывается сетка линий, ячейки
которой образуют элемент растра. Частота сетки растра измеряется числом линий на
дюйм (lines per inch – Ipi) и называется линиатурой.
Размер точки растра рассчитывается для каждого элемента и зависит от
интенсивности тона в данной ячейке. Чем больше интенсивность, тем плотнее
заполняется элемент растра. То есть, если в ячейку попал абсолютно черный цвет, размер
точки растра совпадет с размером элемента растра. В этом случае говорят о 100%
заполняемости. Для абсолютно белого цвета значение заполняемости составит 0%. На
практике заполняемость элемента на отпечатке обычно составляет от 3 до 98%. При этом
все точки растра имеют одинаковую оптическую плотность, в идеале приближающуюся к
абсолютно черному цвету. Иллюзия более темного тона создается за счет увеличения
размеров точек и, как следствие, сокращения пробельного поля между ними при
297
одинаковом расстоянии между центрами элементов растра. Такой метод называют
растрированием с амплитудной модуляцией (AM).
Таким образом, разрешающая способность характеризует расстояние между
соседними пикселями (рис. 12.). Разрешающую способность измеряют количеством
пикселей на единицу длины. Наиболее популярной единицей измерения является dpi (dots
per inch) – количество пикселей в одном дюйме длины (2.54 см). Не следует
отождествлять шаг с размерами пикселей – размер пикселей может быть равен шагу, а
может быть как меньше, так и больше, чем шаг.
Рис. 1. Растр.
Размер растра обычно измеряется количеством пикселов по горизонтали и
вертикали. Можно сказать, что для компьютерной графики зачастую наиболее удобен
растр с одинаковым шагом для обеих осей, то есть dpi Х = dpi У. Это удобно для многих
алгоритмов вывода графических объектов.
Форма пикселя растра определяется особенностями устройства графического
вывода (рис. 13). Например, пиксели могут иметь форму прямоугольника или квадрата,
которые по размерам равны шагу растра (дисплей на жидких кристаллах); пиксели
круглой формы, которые по размерам могут и не равняться шагу растра (принтеры).
Рис. 2. Изображение на различных растрах
Интенсивность тона принято подразделять на 256 уровней. Большее число
градаций не воспринимается зрением человека и является избыточным. Меньшее число
ухудшает восприятие изображения (минимально допустимым для качественной
полутоновой иллюстрации принято значение 150 уровней). Для воспроизведения 256
уровней тона достаточно иметь размер ячейки растра 256 = 16 х 16 точек.
298
При выводе копии изображения на принтере или полиграфическом оборудовании
линиатуру растра выбирают, исходя из компромисса между требуемым качеством,
возможностями аппаратуры и параметрами печатных материалов.
Качество воспроизведения тоновых изображений принято оценивать динамическим
диапазоном (D). Это оптическая плотность, численно равная десятичному логарифму
величины, обратной коэффициенту пропускания или коэффициенту отражения.
Для оптических сред, пропускающих свет, динамический диапазон лежит в
пределах от 0 до 4. Для поверхностей, отражающих свет, значение динамического
диапазона составляет от 0 до 2. Чем выше динамический диапазон, тем большее число
полутонов присутствует в изображении и тем лучше качество его восприятия.
В цифровом мире компьютерных изображений термином пиксель обозначают
несколько разных понятий. Это может быть отдельная точка экрана компьютера,
отдельная точка, напечатанная на лазерном принтере или отдельный элемент растрового
изображения. Эти понятия не одно и то же, поэтому чтобы избежать путаницы следует
называть их следующим образом: видео пиксель при ссылке на изображение экрана
компьютера; точка при ссылке на отдельную точку, создаваемую лазерным принтером.
Существует коэффициент прямоугольности изображения, который введен специально для
изображения количества пикселей матрицы рисунка по горизонтали и по вертикали.
Существует такое понятие как коэффициент прямоугольности пикселей. В отличие
от коэффициента прямоугольности изображения он относится к реальным размерам видео
пикселя и является отношением реальной ширины к реальной высоте. Данный
коэффициент зависит от размера дисплея и текущего разрешения, и поэтому на разных
компьютерных системах принимает различные значения. Цвет любого пикселя растрового
изображения запоминается в компьютере с помощью комбинации битов. Чем больше
битов для этого используется, тем больше оттенков цветов можно получить. Число битов,
используемых компьютером для любого пикселя, называется битовой глубиной пикселя.
Наиболее простое растровое изображение состоит из пикселей, имеющих только два
возможных цвета черный и белый, и поэтому изображения, состоящие из пикселей этого
вида, называются однобитовыми изображениями. Число доступных цветов или градаций
серого цвета равно 2 в степени равной количеству битов в пикселе.
Цвета, описываемые 24 битами, обеспечивают более 16 миллионов доступных
цветов и их часто называют естественными цветами. Растровые изображения обладают
множеством характеристик, которые должны быть организованы и фиксированы
компьютером.
299
Размеры изображения и расположение пикселей в нем это две основных
характеристики, которые файл растровых изображений должен сохранить, чтобы создать
картинку. Даже если испорчена информация о цвете любого пикселя и любых других
характеристиках компьютер все равно сможет воссоздать версию рисунка, если будет
знать, как расположены все его пиксели. Пиксель сам по себе не обладает никаким
размером, он всего лишь область памяти компьютера, хранящая информацию о цвете,
поэтому коэффициент прямоугольности изображения не соответствует никакой реальной
размерности. Зная только коэффициент прямоугольности изображения с некоторой
разрешающей способностью можно определить настоящие размеры рисунка. Поскольку
размеры изображения хранятся отдельно, пиксели запоминаются один за другим, как
обычный блок данных. Компьютеру не приходится сохранять отдельные позиции, он
всего лишь создает сетку по размерам заданным коэффициентом прямоугольности
изображения, а затем заполняет ее пиксель за пикселем.
Количество цветов (глубина цвета) – также одна из важнейших характеристик
растра. Количество цветов является важной характеристикой для любого изображения, а
не только растрового.
Классифицируем изображения следующим образом:
– Двухцветные (бинарные) – 1 бит на пиксель. Среди двухцветных чаще всего
встречаются черно–белые изображения.
– Полутоновые – градации серого или иного цвета. Например, 256 градаций (1
байт на пиксель).
– Цветные изображения . От 2 бит на пиксел и выше. Глубина цвета 16 бит на
пиксель (65 536 цветов) получила название High Со1оr, 24 бит на пиксель (16,7 млн
цветов) – True Со1оr. В компьютерных графических системах используют и большую
глубину цвета – 32, 48 и более бит на пиксель.
Векторная графика
Векторная графика описывает изображения с использованием прямых и изогнутых
линий, называемых векторами, а также параметров, описывающих цвета и расположение.
Например, изображение древесного листа (см. рис. 1.) описывается точками, через
которые проходит линия, создавая тем самым контур листа. Цвет листа задается цветом
контура и области внутри этого контура.
В отличие от растровой графики в векторной графике изображение строится с
помощью математических описаний объектов, окружностей и линий.
300
Ключевым моментом векторной графики является то, что она использует
комбинацию компьютерных команд и математических формул для объекта. Это позволяет
компьютерным устройствам вычислять и помещать в нужном месте реальные точки при
рисовании этих объектов. Такая особенность векторной графики дает ей ряд преимуществ
перед растровой графикой, но в тоже время является причиной ее недостатков.
Векторную графику часто называют объектно-ориентированной графикой или
чертежной графикой. Простые объекты, такие как окружности, линии, сферы, кубы и тому
подобное называется примитивами, и используются при создании более сложных
объектов. В векторной графике объекты создаются путем комбинации различных
объектов.
Для создания векторных рисунков необходимо использовать один из
многочисленных иллюстрационных пакетов. Достоинство векторной графики в том, что
описание является простым и занимает мало памяти компьютера. Однако недостатком
является то, что детальный векторный объект может оказаться слишком сложным.
При редактировании элементов векторной графики изменяются параметры прямых
и изогнутых линий, описывающих форму этих элементов. Можно переносить элементы,
менять их размер, форму и цвет, но это не отразится на качестве их визуального
представления. Векторная графика не зависит от разрешения, т.е. может быть показана в
разнообразных выходных устройствах с различным разрешением без потери качества.
Векторное представление заключается в описании элементов изображения
математическими кривыми с указанием их цветов и заполняемости.
Еще одно преимущество – качественное масштабирование в любую сторону.
Увеличение или уменьшение объектов производится увеличением или уменьшением
соответствующих коэффициентов в математических формулах. Векторный формат
становится неудобным при передаче изображений с большим количеством оттенков или
мелких деталей (например, фотографий). Ведь каждый мельчайший блик в этом случае
будет представляться не совокупностью одноцветных точек, а сложнейшей
математической формулой или совокупностью графических примитивов, каждый из
которых, является формулой. Это приводит к утяжелению файла. Кроме того, перевод
изображения из растрового в векторный формат (например, программой Adobe Strime Line
или Corel OCR–TRACE) приводит к наследованию последним невозможности
корректного масштабирования в большую сторону. От увеличения линейных размеров
количество деталей или оттенков на единицу площади больше не становится. Это
ограничение накладывается разрешением вводных устройств (сканеров, цифровых
фотокамер и др.).
301
Элементы (объекты) векторной графики. Объекты и их атрибуты
Основным логическим элементом векторной графики является геометрический
объект. В качестве объекта принимаются простые геометрические фигуры (так
называемые примитивы – прямоугольник, окружность, эллипс, линия), составные фигуры
или фигуры, построенные из примитивов, цветовые заливки, в том числе градиенты.
Важным объектом векторной графики является сплайн. Сплайн – это кривая,
посредством которой описывается та или иная геометрическая фигура. На сплайнах
построены современные шрифты TryeType и PostScript.
Объекты векторной графики легко трансформируются и модифицируются, что не
оказывает практически никакого влияния на качество изображения. Масштабирование,
поворот, искривление могут быть сведены к паре–тройке элементарных преобразований
над векторами.
Если в растровой графике базовым элементом изображения является точка, то в
векторной графике – линия. Линия описывается математически как единый объект, и
потому объем данных для отображения объекта средствами векторной графики
существенно меньше, чем в растровой графике.
Линия – элементарный объект векторной графики. Как и любой объект, линия
обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной, цветом, начертанием
(сплошная, пунктирная). Замкнутые линии приобретают свойство заполнения.
Охватываемое ими пространство может быть заполнено другими объектами (текстуры,
карты) или выбранным цветом. Простейшая незамкнутая линия ограничена двумя
точками, именуемыми узлами. Узлы также имеют свойства, параметры которых влияют
на форму конца линии и характер сопряжения с другими объектами. Все прочие объекты
векторной графики составляются из линий. Например, куб можно составить из шести
связанных прямоугольников, каждый из которых, в свою очередь, образован четырьмя
связанными линиями.
Цвет в векторной графике
Различные векторные форматы обладают различными цветовыми возможностями.
Простейшие форматы, которые могут не содержать вообще никакой информации о цвете,
используют цвет по умолчанию тех устройств, на которые они выводятся, другие
форматы способны сохранять данные о полном тридцати двух битном цвете. Какую бы
цветовую модель не применял бы векторный формат, на размер файла он не влияет, кроме
тех случаев, когда файл содержит растровые образы. В обычных векторных объектах
302
значение цвета относится ко всему объекту в целом. Цвет объекта хранится в виде части
его векторного описания. Некоторые векторные файлы могут создать растровый эскиз
изображений хранящихся в них. Эти растровые картинки, иногда называемые краткими
описаниями изображений, обычно представляют собой эскизы векторных рисунков в
целом. Краткое описание изображения, особенно полезно в ситуациях, когда вы не хотите
открывать весь файл, чтобы посмотреть, что в нем хранится или когда вы не можете
видеть векторный рисунок во время его использования.
Первая ситуация возникает, когда вам необходимо найти файл с помощью одной из
многих специально разработанных для этого программ. Для облегчения поиска нужного
векторного файла такие программы могут считывать растровый эскиз изображения и
другие характеристики, например, векторный формат, время создания, битовую глубину
изображения и так далее.
Вторая ситуация возникает, когда в каком–либо издательском пакете помещается
на страницу векторный рисунок. Изображение, которое вы увидите, будет растровым
эскизом настоящего векторного рисунка, у которого нельзя изменить размер, обрезать или
как–то иначе обработать изображение. За эскизы изображения приходится расплачиваться
памятью, т.к. эскизы – это растровая версия рисунков, а растровые данные используют
много памяти компьютера.
Структура векторной иллюстрации.
Структуру любой векторной иллюстрации можно представить в виде
иерархического дерева. В такой иерархии сама иллюстрация занимает верхний уровень, а
ее составные части – более низкие уровни иерархии.
1. Самый верхний иерархический уровень занимает сама картинка, которая
объединяет в своем составе объекты + узлы + линии + заливки.
2. Следующий уровень иерархии – объекты, которые представляют собой
разнообразные векторные формы.
3. Объекты иллюстрации состоят из одного или нескольких контуров:
замкнутых и открытых. Контуром называется любая геометрическая фигура, созданная с
помощью рисующих инструментов векторной программы и представляющая собой
очертания того или иного графического объекта (окружность, прямоугольник и т.п.).
Замкнутый контру – это замкнутая кривая, у которой начальная и конечная точки
совпадают (окружность). Открытый контур имеет четко обозначенные концевые точки
(синусоидальная линия).
303
4. Следующий уровень иерархии составляют сегменты, которые выполняют
функции кирпичиков, используемых для построения контуров. Каждый контур может
состоять из одного или нескольких сегментов. Начало и конец каждого сегмента
называются узлами, или опорными точками, поскольку они фиксируют положение
сегмента, «привязывая» его к определенной позиции в контуре. Перемещение узловых
точек приводит к модификации сегментов контура и к изменению его формы. Замкнутые
контуры (формы) имеют свойство заполнения цветом, текстурой или растровым
изображением (картой). Заливка – это цвет или узор, выводимый в замкнутой области,
ограниченной кривой.
5. На самом нижнем уровне иерархии расположены узлы и отрезки линий,
соединяющих между собой соседние узлы. Линии наряду с узлами выполняют функции
основных элементов векторного изображения.
Достоинства векторной графики
Самая сильная сторона векторной графики в том, что она использует все
преимущества разрешающей способности любого устройства вывода. Это позволяет
изменять размеры векторного рисунка без потери его качества. Векторные команды
просто сообщают устройству вывода, что необходимо нарисовать объект заданного
размера, используя столько точек сколько возможно. Другими словами, чем больше точек
сможет использовать устройство вывода для создания объекта, тем лучше он будет
выглядеть. Растровый формат файла точно определяет, сколько необходимо создать
пикселов и это количество изменяется вместе с разрешающей способностью устройства
вывода. Вместо этого происходит одно из двух либо при увеличении разрешающей
способности, размер растровой окружности уменьшается, так как уменьшается размер
точки составляющих пиксел; либо размер окружности остается одинаковым, но принтеры
с высокой разрешающей способностью используют больше точек для любого пиксела.
Векторная графика обладает еще одним важным преимуществом, здесь можно
редактировать отдельные части рисунка не оказывая влияния на остальные, например,
если нужно сделать больше или меньше только один объект на некотором изображении,
необходимо просто выбрать его и осуществить задуманное. Объекты на рисунке могут
перекрываться без всякого воздействия друг на друга. Векторное изображение, не
содержащее растровых объектов, занимает относительно не большое место в памяти
компьютера. Даже очень детализированные векторные рисунки, состоящие из 1000
объектов, редко превышают несколько сотен килобайт.
304
Недостатки векторной графики
Природа избегает прямых линий. К сожалению, они являются основными
компонентами векторных рисунков. До недавнего времени это означало, что уделом
векторной графики были изображения, которые никогда не старались выглядеть
естественно, например, двухмерные чертежи и круговые диаграммы, созданные
специальными программами САПР, двух и трех мерные технические иллюстрации,
стилизованные рисунки и значки, состоящие из прямых линий и областей, закрашенных
однотонным цветом. Векторные рисунки состоят из различных команд посылаемых от
компьютера к устройствам вывода (принтеру). Принтеры содержат свои собственные
микропроцессоры, которые интерпретируют эти команды и пытаются их перевести в
точки на листе бумаги. Иногда из–за проблем связи между двумя процессорами принтер
не может распечатать отдельные детали рисунков. В зависимости от типов принтера
случаются проблемы, и у вас может оказаться чистый лист бумаги, частично
напечатанный рисунок или сообщение об ошибке.
Применение векторной графики
Успехи компьютерных технологий, достигнутые в последние годы, не оставляют
места сомнениям при выборе способов получения, хранения и переработки данных о
сложных комплексных трехмерных объектах, таких, например, как памятники
архитектуры и археологии, объекты спелеологии и т. д. Несомненно, что применение
компьютеризации для этих целей – дело не далекого будущего, а уже настоящего
времени. Последнее, конечно, в большой мере зависит от количества денежных средств,
вкладываемых с этой целью.
Наука и инженерия
Системы CAD/CAM используются сегодня в различных областях инженерной
конструкторской деятельности от проектирования микросхем до создания самолетов.
Ведущие инженерные и производственные компании, такие как Boeing, в конечном счете
двигаются к полностью цифровому представлению конструкции самолетов.
Архитектура является другой важной областью применения для CAD/CAM и
совсем недавно созданных систем класса walkthrough (прогулки вокруг проектируемого
объекта с целью его изучения и оценки). Такие фирмы, как McDonald's, уже с 1987 года
используют машинную графику для архитектурного дизайна, размещения посадочных
мест, планирования помещений и проектирования кухонного оборудования. Есть ряд
эффектных применений векторной графики в области проектирования стадионов и
дизайна спортивного инвентаря, новый парк в Балтиморе (Baltimore Orioles'Camden Yards
Park).
305
Медицина стала весьма привлекательной сферой применения компьютерной
графики, например: автоматизированное проектирование инплантантов, особенно для
костей и суставов, позволяет минимизировать необходимость внесения изменений в
течение операции, что сокращает время пребывания на операционном столе (очень
желательный результат как для пациента, так и врача). Анатомические векторные модели
также используются в медицинских исследованиях и в хирургической практике.
Научные лаборатории продолжают генерировать новые идеи в области
визуализации. Задача сообщества компьютерной графики состоит в создании удобных
инструментов и эффективных технологий, позволяющих пользователям продолжать
научные изыскания за границей возможного и безопасного эксперимента.
Например ,проект виртуального туннеля NASA Ames Research Center переносит
аэродинамические данные в мир виртуальной реальности, интерес к которой значительно
вырос в девяностые годы. NASA Ames было одним из пионеров в использовании и
развитии технологий погружения людей в мнимую реальность. Специалисты NASA
занимались разработкой специальных шлемов и дисплеев, трехмерных аудиоустройств,
уникальных устройств ввода для оператора и созданием соответствующего программного
обеспечения. Возник ряд компаний, занимающихся виртуальной реальностью, например:
Fakespace, Cristal River Engineering и Telepresence Research.
Все эти инженерные и научные применения убеждают, что индустрия машинной
графики начала обеспечивать пользователей новой технологией, при которой они
действительно уже не заботятся о том, как формируется изображение – им важен
результат.
Искусство, развлечения и бизнес
Согласно проведенным мною исследованиям, вплоть до начала девяностых годов
доходы от использования векторной графики в научно–инженерных приложениях были
значительно выше, чем доходы в области бизнеса и других областях, непосредственно не
связанных с наукой. Однако в 1991 году доходы были поделены в равной степени, а
баланс теперь устойчиво сдвигается в сторону нетехнических приложений. Я считаю, что
к 1998 году около двух третей всех доходов от компьютерной графики поступит именно
из нетехнических областей применения. Некоторые из этих применений получили
настолько широкое распространение, что возникли споры, насколько они действительно
являются машинной графикой. Например, мультимедиа воспринимают отдельно от
машинной графики, что, однако, не так, вследствие явного доминирования графических
изображений.
306
"Классическая" векторная графика до сих пор используется в различных
приложениях бизнеса, включая разработку концепции, тестирование и создание новых
продуктов, но бизнес также стал лидирующим потребителем систем мультимедиа,
например, в обучении или маркетинговых презентациях. Графика все шире проникает в
бизнес – сегодня фактически нет документов, созданных без использования какого–либо
графического элемента. Соответствующее программное обеспечение специально
разработано, чтобы позволить пользователям сконцентрироваться больше на содержании,
а не на графическом исполнении.
Грядет всплеск использования графики в анимации, особенно в области индустрии
развлечений. Кинофильм Стивена Спилберга "Парк Юрского периода" установил в 1993
году новый стандарт фотореализма в графике. Этот фильм не единичный случай
применения 3D графики в кино, и Голливуд расширяет сферу использования специальных
эффектов машинной графики, только в 1994 году выпустив несколько
высокохудожественных фильмов: "The Lion King", "The Mask", "True Lies" и "Forrest
Gump".
Виртуальная реальность находит свою нишу в индустрии развлечений и
видеоиграх. Число виртуальных галерей и развлекательных парков быстро растет. По
моим оценкам 30% (то есть 144 млрд. долл.) всего дохода от использования систем
виртуальной реальности было получено в прошлом году именно от разного рода игр, и
доходы от этих применений будут расти.
Лаборатория Media Lab МТИ является уникальным исследовательским центром
разработки совершенных систем взаимодействия "человек–компьютер". Например,
система News в проекте Future использует последние достижения в области графики,
реконструкции звука и изображений, а также моделировании различных объектов для
представления новых результатов исследований и их презентации в виде
соответствующих текстов, графики, аудио и видео.
Векторная графика в Интернете
Ни для кого не секрет – сегодня, чтобы не затеряться на просторах Internet и
привлечь к себе внимание пользователей, никак нельзя обойтись без графического
оформления Web–страниц и узлов. Однако здесь на пути разработчиков возникает
проблема: графические технологии для Web не поспевают в своем развитии за другими
технологиями, и возможности в данной области остаются весьма ограниченными.
В самом деле, два наиболее популярных в настоящее время графических формата
Internet – GIF и JPEG – являются уже довольно старыми. Конечно, неудачными назвать их
307
никак нельзя, ведь сам факт столь длительного их существования – свидетельство этому.
Но, с другой стороны, вряд ли можно поспорить с тем, что возможности данных форматов
не отвечают современным требованиям в области графики. Так, формат GIF
поддерживает только 256–битовый цвет, а в случае применения формата JPEG при
большой степени сжатия существенно снижается качество изображения. Кроме того, еще
в 1995 г. возможность свободного использования GIF оказалась под вопросом, когда
компании Unisys, которой принадлежит реализованный в этом формате алгоритм сжатия
LZW, и CompuServe, разработавшей сам формат, собрались взимать лицензионные
отчисления с каждой программы, использующей его.
В сложившейся ситуации группа независимых разработчиков Internet приняла
решение о разработке формата, который соответствовал бы или даже превосходил по
своим возможностям GIF, но был при этом простым в создании и полностью мобильным.
Новый формат получил название Portable Network Graphics (PNG) и был одобрен
консорциумом W3C в 1996 г.
Формат PNG поддерживает 48–битовые цветные и 16–битовые черно–белые
изображения и обеспечивает более быструю их загрузку, чем формат GIF. Он также
включает в себя немало дополнительных возможностей, например альфа–каналы (alpha
channel), позволяющие устанавливать уровень прозрачности для каждого пиксела, и
гамма–коррекцию. Механизм сжатия изображения в PNG реализован на базе фильтров,
позволяющих оптимизировать данные перед сжатием, и алгоритма LZ77, применяемого в
ZIP–архиваторах.
Однако, несмотря на ряд преимуществ PNG пока не удалось стать реальной
альтернативой GIF и JPEG. Виной тому было отсутствие поддержки со стороны
разработчиков браузеров. Правда, к сегодняшнему дню в данном направлении произошли
существенные сдвиги: начиная с Internet Explorer 4.0 и Netscape Navigator 4.04 поддержка
PNG реализована непосредственно в броузерах; до этого она обеспечивалась за счет
встраиваемых компонентов. По мнению ряда специалистов, вскоре можно ожидать
широкого распространения нового формата (после массового перехода пользователей на
последние версии популярных браузеров).
Следующим по популярности растровым форматом для Web можно назвать
FlashPix, разработанный группой компаний: Kodak, Hewlett–Packard, Microsoft и Live
Picture. Он базируется на принципах JPEG–компрессии, но содержит ряд
усовершенствований, которые позволяют уменьшить степень искажения изображений.
Основное преимущество данного формата – многоуровневая организация файла. В начале
загружается изображение с самым низким разрешением и впоследствии, по мере
308
надобности, подкачивается более качественная версия. Microsoft избрала модификацию
этого формата в качестве основы для своего растрового редактора PhotoDraw 2000, так что
в недалеком будущем следует ожидать поддержки его браузером Internet Explorer.
Интересной разработкой обладает компания Iterated Systems, которая создала свой
формат на основе фрактальной компрессии (Fractal Image Format, FIF), а также выпустила
программу преобразования основных форматов в FIF и плагины для просмотра сжатых по
фрактальному алгоритму изображений в основных браузерах.
К сожалению, фрактальная компрессия, как и JPEG, имеет существенный
недостаток: согласно этим алгоритмам, для анализа изображение перед сжатием
разбивается на отдельные блоки, что затрудняет его постепенную прорисовку при
загрузке с Web–сайта.
Наиболее перспективные – растровые форматы, основанные на алгоритмах
wavelet–сжатия. В этой области ведут разработки практически все компании, которые
занимаются созданием графических форматов. Самым многообещаемым является,
безусловно, JPEG 2000. Работа над ним еще не завершена, но заявленные параметры
впечатляют: 256 каналов цвета, что позволит формату работать с любым цветовым
пространством и поддерживать множество альфа–каналов; встраивание ICC–профилей;
неограниченное поле для метаданных. Но главное преимущество wavelet–технологии –
потоковость. Wavelet–поток можно прервать в любое время, при этом изображение все
равно воспроизводится, только качество его будет зависеть от количества загруженных
данных.
Компания AT&T разработала и собственный формат на основе wavelet–компрессии
– DjVu. Его главная особенность – распознавание текста при компрессии содержащих его
изображений и сжатие отдельно графического и текстового слоя. По утверждению
компании, основным предназначением этого формата и является публикация в Web
сканированных документов. На сайте AT&T по адресу djvu.research.att.com можно
получить бесплатный плагин для просмотра DjVu –файлов, а также целую библиотеку,
опубликованную в этом формате.
Как бы ни были хороши вышеперечисленные форматы, всех их объединяет один
недостаток – растр. Например, реализованные с их помощью изображения довольно
сложно модифицировать и даже масштабировать. Кроме того, несмотря на использование
различных методов сжатия, они все–таки имеют немалый размер, а следовательно, и
относительно большое время загрузки, что для Web–графики является особенно
критичным.
309
Векторная графика основана не на хранении информации о каждом пикселе, а на
командах рисования линий и заполнения форм. Используется она уже довольно давно, но
в отличие от традиционных замкнутых форматов векторные форматы для Web построены
на базе открытых стандартов, главным образом языков маркировки, в которых для
определения тегов и других элементов применяется обычный текст, что значительно
упрощает манипулирование свойствами изображений. Преимуществами векторной
графики на основе языков маркировки являются также возможности выбора,
индексирования и поиска элементов изображения и привязки ее к другим элементам.
Однако говорить о массовом внедрении векторной графики в Web пока еще рано, в
первую очередь из–за отсутствия единого формата.
Наиболее распространенным в данный момент является формат, разработанный
компанией Macromedia, – Flash. Благодаря своим уникальным возможностям его
последняя (третья) версия очень быстро завоевала популярность. Flash 3 поддерживает
анимацию по кейфреймам, морфинг, прозрачные объекты, гиперссылки, встраивание
звуковых и видеофайлов. Средства для его создания достаточно просты в пользовании,
хорошо документированы, плагины для просмотра распространяются бесплатно, а размер
выходных файлов крайне мал.
Но все его преимущества, к сожалению, блекнут перед одним единственным
недостатком, который заставил Macromedia отказаться от дальнейшей разработки
формата. Этот недостаток – закрытость, ведь файл Flash – двоичный. Таким образом, его
можно редактировать только в специальной программе. Поэтому в последнее время
различными компаниями и организациями предложен целый ряд языковых форматов, и
каждый из них претендует на роль единого стандарта. В число таких форматов входят
Web Schematics, DrawML, PGML и VML.
Web Schematics представляет собой язык гипертекстовой маркировки для создания
чертежей и диаграмм. Его разработчики попытались создать аналог функций рисования,
используемых в базовых графических средствах систем воспроизведения документов,
таких, как Adobe FrameMaker и Microsoft Word. Данный формат использует модели
рендеринга и представлений HTML и CSS1.
Редактируемая двумерная графика для Интернета
Microsoft, Hewlett–Packard и три фирмы, специализирующиеся в области ПО,
представили на рассмотрение консорциума World Wide Web стандарт, предназначенный
для реализации высококачественной редактируемой двумерной векторной графики в
Интернете.
310
С помощью языка векторной разметки (Vector Markup Language – VML) Web–
дизайнеры смогут без труда редактировать, вырезать и вставлять векторные изображения
в прикладные программы. Такая возможность, по мнению Стива Склеповича, менеджера
по продуктам компании Microsoft, чрезвычайно нужна пользователям.
В отличие от растровой графики, представляющей собой изображения,
образованные матрицами пикселов, векторные изображения состоят из линий, квадратов и
других геометрических объектов.
До сих пор желающим дополнить свои Web–страницы векторной графикой
приходилось пользоваться форматами растровых изображений, таких, как GIF, JPEG и
PNG. Однако уменьшить или увеличить их размеры, даже расширяя или сжимая окно
браузера, не удавалось.
Благодаря VML дизайнеры Web–узлов смогут изменять масштаб векторных
изображений на Web–страницах и загружать графику значительно быстрее, чем
изображения в растровом формате.
«Все отчаянно нуждаются в векторном графическом формате, – сказал Склепович.
– Он действительно необходим. Программисты, работающие с векторной графикой,
придумывали хитрые приемы и сохраняли изображения в растровом формате, чтобы
обрабатывать их должным образом».
Формат VML появился на базе языка Extensible Markup Language (XML –
расширяемый язык разметки), дополняющего HTML. Web–дизайнеры получили в свое
распоряжение более гибкий инструмент, который позволяет создавать собственные теги,
сообщают представители компаний.
Вместе с Microsoft и HP в консорциум W3C с предложением принять стандарт
VML обратились компании AutoDesk, Macromedia и Visio Corp.
Они планируют в будущем выпускать продукты, использующие VML.
Например, Microsoft намерена предусмотреть возможность работы с VML в
браузере Microsoft Explorer, операционной системе Windows и очередной версии Microsoft
Office, заявил Склепович.
Это обеспечит взаимодействие офисного ПО и программ для проектирования и
черчения.
В настоящее время компании используют для работы с векторной графикой
различные стандарты.
Например, фирма Macromedia использует в своем инструментальном пакете
векторной графики и анимации Flash собственный формат векторной графики под
названием SWF. Компания Autodesk в пакете AutoCAD использует формат DWF.
311
Кроме того, благодаря VML пользователи смогут открывать и редактировать
изображения, используя для этого пакет Office или в виде HTML–файла без потери
качества, заявил Склепович.
Средства для создания векторных изображений
В настоящее время создано множество пакетов иллюстративной графики, которые
содержат простые в применении, развитые и мощные инструментальные средства
векторной графики, предназначенной как для подготовки материалов к печати, так и для
создания страниц в Интернете.
Пакеты векторной или иллюстративной графики всегда основывались на объектно–
ориентированном подходе, позволяющем рисовать контуры объектов, а затем
закрашивать их или заполнять узорами.
В Microsoft Office предусмотрена линейка заданий, содержащая множество
вариантов выбора для создания рисунков, логотипов и текста при работе с разными
приложениями, а галерея WordArt предоставляет интересные и цветные стили текста,
которыми можно пользоваться для заголовков или ярлыков.
Редакторы векторной графики:
Corel Draw
Пакет CorelDraw всегда производит сильное впечатление. В комплект фирма Corel
включила множество программ, в том числе Corel Photo–Paint. Новый пакет располагает
бесспорно самым мощным инструментарием среди всех программ обзора, а при этом по
сравнению с предыдущей версией интерфейс стал проще, а инструментальные средства
рисования и редактирования узлов – более гибкими. Однако что касается новых функций,
в частности подготовки публикаций для Web, то здесь CorelDraw уступает CorelXara.
Adobe Illustrator
Corel Xara
CorelXara – служит в первую очередь для создания графического изображения на
странице за один раз и формирования блока текста за один раз. Программа позволяет
выполнять с рисунками, градиентным заполнением, изображениями и диапозитивами
такие действия, о которых вы могли только мечтать. Хотя Corel рекламирует CorelXara
как дополнение к CorelDraw 7 для создания графики Web, по существу благодаря высокой
производительности, средствам для работы с Web и специализированному
инструментарию CorelXara превосходит CorelDraw во многих отношениях. Благодаря
возможностям масштабирования векторной графики и текстурам растровых изображений
двумерные объекты начинают все более напоминать трехмерные.
312
Canvas
Пытаясь объединить возможности рисования, создания растровых изображений,
редактирования и верстки страниц в одной программе, фирма Deneba Systems разработала
пакет Canvas, который, реализуя многочисленные функции, ни одну из них не может
выполнить безупречно.
Canvas, при всех честолюбивых замыслах его разработчиков, не может считаться
полноценным пакетом иллюстративной графики. И хотя утверждается, что Canvas
объединяет в себе множество возможностей, на самом деле вам уже в самом начале
потребуется выбрать тип документа, который вы собираетесь создавать.
Важным преимуществом программ векторной графики является развитые средства
интеграции изображений и текста, единый подход к ним. Поэтому программы векторной
графики незаменимы в области дизайна, технического рисования, для чертежно–
графических и оформительских работ.
Растровая и векторная графика
Таким образом, выбор растрового или векторного формата зависит от целей и задач
работы с изображением. Если нужна фотографическая точность цветопередачи, то
предпочтительнее растр. Логотипы, схемы, элементы оформления удобнее представлять в
векторном формате. Понятно, что и в растровом и в векторном представлении графика
(как и текст) выводятся на экран монитора или печатное устройство в виде совокупности
точек. В Интернете графика представляется в одном из растровых форматов, понимаемых
броузерами без установки дополнительных модулей – GIF, JPG, PNG.
Без дополнительных плагинов (дополнений) наиболее распространенные броузеры
понимают только растровые форматы – .gif, .jpg и .png (последний пока мало
распространен). На первый взгляд, использование векторных редакторов становится
неактуальным. Однако большинство таких редакторов обеспечивают экспорт в .gif
или .jpg с выбираемым Вами разрешением. А рисовать начинающим художникам проще
именно в векторных средах – если рука дрогнула и линия пошла не туда, получившийся
элемент легко редактируется. При рисование в растровом режиме Вы рискуете
непоправимо испортить фон.
Из–за описанных выше особенностей представления изображения, для каждого
типа приходится использовать отдельный графический редактор – растровый или
векторный. Разумеется, у них есть общие черты – возможность открывать и сохранять
файлы в различных форматах, использование инструментов с одинаковыми названиями
313
(карандаш, перо и т.д.) или функциями (выделение, перемещение, масштабирование и
т.д.), выбирать нужный цвет или оттенок... Однако принципы реализации процессов
рисования и редактирования различны и обусловлены природой соответствующего
формата. Так, если в растровых редакторах говорят о выделении объекта, то имеют в виду
совокупность точек в виде области сложной формы. Процесс выделения очень часто
является трудоемкой и кропотливой работой. При перемещении такого выделения
появляется«дырка». В векторном же редакторе объект представляет совокупность
графических примитивов и для его выделения достаточно выбрать мышкой каждый из
них. А если эти примитивы были сгруппированы соответствующей командой, то
достаточно «щелкнуть» один раз в любой из точек сгруппированного объекта.
Перемещение выделенного объекта обнажает нижележащие элементы.
Фрактальная графика
Фрактальная графика является на сегодняшний день одним из самых быстро
развивающихся перспективных видов компьютерной графики. Математической основой
фрактальной графики является фрактальная геометрия. Здесь в основу метода построения
изображений положен принцип наследования от так называемых «родителей»
геометрических свойств объектов-наследников.
Понятия фрактал, фрактальная геометрия и фрактальная графика, появившиеся в
конце 70-х, сегодня прочно вошли в обиход математиков и компьютерных художников.
Слово фрактал образовано от латинского fractus и в переводе означает «состоящий из
фрагментов». Оно было предложено математиком Бенуа Мандель-Бротом в 1975 году для
обозначения нерегулярных, но самоподобных структур, которыми он занимался.
Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле
подобны целому. Одним из основных свойств фракталов является самоподобие. Объект
называют самоподобным, когда увеличенные части объекта походят на сам объект и друг
на друга. Перефразируя это определение, можно сказать, что в простейшем случае
небольшая часть фрактала содержит информацию обо всем фрактале.
В центре фрактальной фигуры находится ее простейший элемент – равносторонний
треугольник, который получил название «фрактальный». Затем, на среднем отрезке
сторон строятся равносторонние треугольники со стороной, равной (
13a ) от стороны
исходного фрактального треугольника. В свою очередь, на средних отрезках сторон
полученных треугольников, являющихся объектами-наследниками первого поколения,
314
выстраиваются треугольники-наследники второго поколения со стороной (
19 a ) от
стороны исходного треугольника.
Таким образом, мелкие элементы фрактального объекта повторяют свойства всего
объекта. Полученный объект носит название «фрактальной фигуры». Процесс
наследования можно продолжать до бесконечности. Таким образом, можно описать и
такой графический элемент, как прямую.
Изменяя и комбинирую окраску фрактальных фигур можно моделировать образы
живой и неживой природы, а также, составлять из полученных фигур «фрактальную
композицию». Фрактальная графика, также как векторная и трехмерная, является
вычисляемой. Ее главное отличие в том, что изображение строится по уравнению или
системе уравнений. Поэтому в памяти компьютера для выполнения всех вычислений,
ничего кроме формулы хранить не требуется.
Только изменив коэффициенты уравнения, можно получить совершенно другое
изображение. Эта идея нашла использование в компьютерной графике благодаря
компактности математического аппарата, необходимого для ее реализации. Так, с
помощью нескольких математических коэффициентов можно задать линии и поверхности
очень сложной формы.
Итак, базовым понятием для фрактальной компьютерной графики являются
«фрактальный треугольник». Затем следуют «фрактальная фигура», «фрактальный
объект»; «фрактальная прямая»; «фрактальная композиция»; «объект-родитель» и «объект
наследник».
Фрактальная компьютерная графика позволяет создавать абстрактные композиции,
где можно реализовать такие композиционные приемы как, горизонтали и вертикали,
диагональные направления, симметрию и асимметрию и др. Сравнить фрактальное
изображение можно со сложной структурой кристалла, со снежинкой, элементы которой
выстраивается в одну сложную структуру. Это свойство фрактального объекта может
быть удачно использовано при составлении декоративной композиции или для создания
орнамента. Сегодня разработаны алгоритмы синтеза коэффициентов фрактала,
позволяющего воспроизвести копию любой картинки сколь угодно близкой к исходному
оригиналу.
С точки зрения машинной графики фрактальная геометрия незаменима при
генерации искусственных облаков, гор, поверхности моря. Фактически благодаря
фрактальной графике найден способ эффективной реализации сложных неевклидовых
объектов, образы которых весьма похожи на природные. Геометрические фракталы на
315
экране компьютера – это узоры, построенные самим компьютером по заданной
программе. Помимо фрактальной живописи существуют фрактальная анимация и
фрактальная музыка.
Создатель фракталов – это художник, скульптор, фотограф, изобретатель и ученый
в одном лице. Задается форма рисунка математической формулой, исследуя сходимость
процесса, варьируя его параметры, выбирается вид изображения и палитра цветов, то есть
создается рисунок «с нуля». В этом одно из отличий фрактальных графических
редакторов от прочих графических программ.
3. Цветовые модели и форматы графических изображений
Окружающий нас мир полон всевозможных цветов и цветовых оттенков.
С физической точки зрения цвет – набор определённых длин волн, отражённых
от предмета или пропущенных сквозь прозрачный предмет. С развитием многих
отраслей производства, в том числе, полиграфии, компьютерных технологий,
появилась необходимость объективных способов описания и обработки цвета.
Большинство цветов получаются смешением каких-либо других. Например,
сочетание красного и синего даёт пурпурный цвет, синего и зелёного - голубой.
Таким образом, путём смешения из небольшого количества простых цветов,
можно получить множество сложных (составных). Поэтому для описания цвета
вводится понятие цветовой модели – как способа представления большого
количества цветов посредством разложения его на простые составляющие.
Модель RGB.
В модели RGB производные цвета получаются в результате сложения или
смешения базовых, основных цветов, называемых цветовыми координатами.
Координатами служат красный, зеленый и синий цвет. Свое название RGB-модель
получила по первым буквам английских наименований цветовых координат. Свойства
модели RGB хорошо описывается цветовым кубом (рис. 6). Это фрагмент трехмерного
пространства, координатами которого являются красный, зеленый и синий цвет. Каждая
точка внутри куба соответствует некоторому цвету и описывается тремя проекциями –
цветовыми координатами: содержанием красного, зеленого и синего цвета. Сложение всех
основных цветов максимальной яркости дает белый цвет; начальная точка куба означает
нулевые значения основных цветов и соответствует черному цвету. Если цветовые
координаты смешивать в равных пропорциях, то получится серый цвет разной
насыщенности. Точки, отвечающие серому цвету, лежат на диагонали куба. Смешение
316
красного и зеленого дает желтый, красный и синий образуют пурпурный, а зеленый и
синий – голубой. Цветовые координаты: красный, зеленый и синий называют первичными
или аддитивными цветами. Цвета голубой, пурпурный, желтый, которые получаются в
результате попарного смешения первичных цветов, называются вторичными. Поскольку
сложение это основная операция синтеза цветов, то модель RGB иногда называют
аддитивной. Принцип сложения цветов изображается в виде плоской круговой
диаграммы.
По принципу сложения цветов работают многие технические устройства:
мониторы, телевизоры, сканеры, цифровые фотоаппараты и др. Если увеличить экран
монитора, то можно увидеть регулярную сетку, в узлах которой располагаются красные,
зеленые и синие точки - зерна люминофора. Базовые цвета разной интенсивности
излучаются при возбуждении пучка электронов. Сложение излучений близко
расположенных зерен воспринимается человеческим глазом как цвет в данной точке
экрана. Интенсивность первичных цветов измеряется целыми числами в диапазоне от 0 до
255. Ноль означает отсутствие данной цветовой составляющей, число 255 - ее
максимальную интенсивность. Первичные цвета могут смешиваться без ограничений и
поэтому можно подсчитать общее количество цветов, 256 * 256 * 256=16 777 216, или
более 16,7 миллионов цветов. Любой естественный цвет можно разложить на красную,
зеленую и синюю составляющие и измерить их интенсивность. Экспериментально и
теоретически доказано, что диапазон цветов модели RGB уже, чем множество цветов
видимого спектра. Чтобы получить часть спектра, лежащую между синим и зеленым
цветами, требуются излучатели с отрицательной интенсивностью красного цвета,
которых, конечно же, в природе не существует. Диапазон воспроизводимых цветов
модели или устройства называется цветовым охватом. Одним из серьезных недостатков
аддитивной модели, является ее узкий цветовой охват. Еще одним недостатком модели
следует считать аппаратную зависимость. Цвет, воспроизводимый устройством, зависит
от множества внешних факторов, часто не поддающихся учету. Еще один недостаток этой
цветовой модели с точки зрения дизайнера или компьютерного художника, в том, что она
является не интуитивной.
Модели CMY и CMYK.
Модель CMY использует также три основных цвета: Cyan (голубой), Magenta
(пурпурный, или малиновый) и Yellow (желтый). Эти цвета описывают отраженный от
белой бумаги свет трех основных цветов RGB модели. Поэтому можно описать
соотношения между RGB и CMY моделями следующим образом:
317
Модель CMY является субтрактивной (основанной на вычитании) цветовой
моделью. В CMY-модели описываются цвета на белом носителе, т. е. краситель,
нанесенный на белую бумагу, вычитает часть спектра из падающего белого света.
Например, на поверхность бумаги нанесли голубой (Cyan) краситель. Теперь красный
свет, падающий на бумагу, полностью поглощается. Таким образом, голубой носитель
вычитает красный свет из падающего белого. Такая модель наиболее точно описывает
цвета при выводе изображения на печать, т. е. в полиграфии.
Так как для воспроизведения черного цвета требуется нанесение трех красителей,
использование CMY-модели является не эффективным. Дополнительным фактором
является появление нежелательных визуальных эффектов, возникающих за счет того, что
при выводе точки три базовые цвета могут ложиться с небольшими отклонениями.
Поэтому к базовым трем цветам CMY-модели добавляют черный и получают новую
цветовую модель CMYK.
Для перехода из модели CMY в модель CMYK иногда используют следующее
соотношение:
K = min(C, M, Y);
C = C – K;
M = M – K;
Y = Y – K.
Соотношения преобразования RGB в CMY и CMY в CMYK-модель верны лишь в
том случае, когда спектральные кривые отражения для базовых цветов не пересекаются
(рис.8). Поэтому в общем случае можно сказать, что существуют цвета, описываемые в
RGB-модели, но не описываемые в CMYK-модели.
Существует также модель CMYK256, которая используется для более точной
передачи оттенков при качественной печати изображений.
Модель HSB
Цветовая модель HSB возникла как попытка преодолеть аппаратную зависимость
модели RGB. В модели HSB все цвета определяются тремя координатами оттенком,
насыщенностью и яркостью. Название модели образовано по первым буквам английских
названий цветовых координат. Цветовым тоном или оттенком называется спектрально-
чистый цвет определенной длины волны, например чистый красный или чистый зеленый.
318
Цветовой тон - это объективная характеристика, поскольку ее можно измерить по длинам
преобладающих в световом пучке волн. Насыщенность описывает чистоту цвета. Один и
тот же тон может быть тусклым или насыщенным. Изменение насыщенности можно
представить как разбавление чистого хроматического цвета белым или серым. Чем
больше содержание серого, тем более блеклым, менее насыщенным становится цвет. Все
цвета естественного происхождения имеют низкую насыщенность, поэтому чистые тона
выглядят слишком яркими, ненатуральными. Яркость характеризует интенсивность,
энергию цвета. Изменение яркости можно представить как смешение чистого тона и
черного цвета. Большое содержание черного делает цвет затененным, неинтенсивным. С
уменьшением процента черного освещенность увеличивается. Солнечный луч – пример
яркого света, свечение, исходящее от светлячка, имеет очень низкую яркость. Черный
цвет имеет нулевую яркость, а белый - максимальную.
Иногда для описания модели HSB используется иная геометрическая аналогия.
Пусть цвета видимого спектра располагаются по кругу, как цифры на циферблате часов.
Каждому оттенку соответствует точка на окружности. Чтобы указать положение чистого
спектрального цвета, достаточно задать угол поворота радиуса-вектора. В большинстве
графических программ принято начинать отсчет от красного цвета и располагать
основные и дополнительные цвета с приращением 60 градусов (рис. 9). Следует отметить,
что направление отсчета и начальная точка – характеристики, которые не имеют
принципиального значения и могут быть изменены в программных реализациях данной
модели. Величина насыщенности описывается как длина радиуса-вектора. Чем менее
насыщенным является цвет, тем ближе к центру окружности располагается
представляющая его точка. Центр круга соответствует черному цвету. Обычно
насыщенность измеряется в процентах: минимальная насыщенность равна 0,
максимальная - 100. Чтобы учесть в модели яркость, надо добавить третью координату.
Все цветовое пространство системы HSB можно представить в виде стопки цветовых
кругов, каждый из которых соответствует своему значению яркости. Яркость в
большинстве графических программ измеряют в процентах в диапазоне от 0 до 100.
Система HSB очень удобна, в ней можно синтезировать новые цвета и получать
различные варианты заданного цвета, опираясь на интуицию и изображение цвета. Еще
одним несомненным достоинством системы HSB является ее независимость от
аппаратуры. По мнению физиков и инженеров-оптиков система HSB является
абстрактной. Это значит, что нет таких устройств, которые синтезируют цвет в этой
системе. Не существует и прямой процедуры измерения цветового тона и насыщенности.
319
В любом методе ввода информации о цвете сначала измеряются красная, синяя и зеленая
составляющие, которые потом пересчитываются в координаты HSB.
Система HSB не единственная цветовая модель, где яркостные и цветовые
характеристики рассматриваются отдельно. Таковыми являются системы HLS, HSI, YUV
и некоторые другие. Во всех этих моделях цвет задается не как смешение трех базовых
цветовых координат, а по значениям цветового тона, насыщенности и интенсивности. В
модели HSI используются тон, насыщенность и интенсивность, в модели HLS - тон,
насыщенность и светлота. Модель YUV представляет собой вариант системы HSB и
применяется при передаче телевизионных сообщений в стандарте PAL.
Модель Lab
Международной комиссией по освещению еще в 1931 году разработана и
учреждена в качестве межотраслевого стандарта цветовая модель, которая после
уточнения и доработки получила название Lab. Эта модель разрабатывалась так, чтобы
преодолеть недостатки моделей HSB, RGB и CMYK. Модель имеет широкий световой
охват и не привязана ни к одному из устройств репродукции света. Любой цвет в модели
определяется значением яркости и двумя хроматическими координатами - а и b.
Хроматическая координата а принимает все значения цвета по цветовому кругу - от
зеленого до красного. Координата b - от голубого до желтого. В природе не существует
излучателей, которые могли бы воспроизвести диапазон цветовых значений
хроматических координат а и b, поэтому модель применяется в теоретических
исследованиях, при обменах информацией о цвете и для синтеза цвета в компьютерных
программах. Внутреннее описание цветов в Photoshop и в некоторых других программах
обработки растровой графики выполняется в системе Lab. Самым важным достоинством
модели следует считать ее широкий цветовой диапазон: система Lab передает все цвета
видимой части спектра. Диапазон цветов, который может воспроизводить модель или
устройство, называется цветовым охватом. На рис. 10 показаны цветовые охваты
различных устройств. Осями графиков служат хроматические координаты а и b. Самая
большая фигура рисунка обозначает цветовой охват системы Lab. На границах этой
области лежат все чистые цвета видимой части спектра. При смещении к центру
насыщенность уменьшается, достигая нулевого значения в области белого цвета. График
модели Lab позволяет определить цветовой охват любого устройства или модели,
работающей по принципу сложения цветов. Если отметить три цвета на графике и
соединить их прямыми линиями, то получится рисунок цветового охвата устройства,
которое использует эти цвета как координаты. Внутри графика Lab располагаются
320
графики охватов любых моделей и устройств, основанных на принципе вычитания цветов:
печатающих машин, принтеров и др.
Система Lab весьма специфична, работа в ней дается с определенным трудом.
Знание файловых форматов и их возможностей является одним из ключевых
факторов в допечатной подготовке изданий, подготовке изображений для web и в
компьютерной графике вообще. На сегодняшний день нет такого количества расширений,
как в начале 90-х, когда каждая компания-производитель редакторов изображений
создавала свой файловый тип, а то и не один, однако это не означает, что "все нужно
сохранять в TIFF, а сжимать JPEG'ом". Все они имеют какие-то характерные особенности
и возможности, делающие их незаменимыми в работе. Все форматы графических файлов
можно разделить на два типа: растровые и векторные. Друг от друга они отличаются
принципом формирования изображения.
Растровые графические форматы
Самый простой растровый формат BMP является основным форматом Windows, он
поддерживается всеми графическими редакторами, работающими под ее управлением. В
BMP данные о цвете хранятся только в модели RGB, поддерживаются как
индексированные цвета (до 256 цветов), так и полноцветные изображения, причем в
режиме индексированных цветов возможна простейшая компрессия RLE (Run Length
Encoding - кодирование с переменной длиной строки). Без компрессии размер файла
оказывается близок к максимально возможному. Применяется для хранения растровых
изображений, предназначенных для использования в Windows. Использование BMP не
для нужд Windows является распространенной ошибкой новичков: использовать BMP
нельзя ни в web, ни для печати (особенно), ни для простого переноса и хранения
информации.
PCX. Примерно такими же возможностями, как BMP, обладает и формат PCX,
разработанный еще на заре компьютерной эпохи фирмой Z-Soft специально для своего
графического редактора PC PaintBrush под операционную систему MS-DOS, отсутствует
только поддержка операционной системы OS/2. Зато изображения в формате PCX можно
посмотреть большинством программ под DOS, в том числе и внутренним просмотрщиком
Norton Commander. Цветовые возможности: 1, 2, 4, 8 или 24- битовый цвет,
поддерживается только схема RGB, причем полностью отсутствуют возможности
сохранения монохромного изображения в оттенках серого. Всегда применяется сжатие
ROB. Как и ВМР, этот формат в значительной мере устарел и поддерживается
321
современными графическими программами исключительно для совместимости с
антикварным софтом.
GIF. Самым популярным форматом в сети Интернет является формат GIF,
предложенный фирмой CompuServe в 1987 году. Отличительной его особенностью
является использование режима индексированных цветов (не более 256), что ограничивает
область применения формата изображениями, имеющими резкие цветовые переходы.
Формат GIF является излюбленным форматом веб-мастеров, использующих его для
сохранения многочисленных элементов оформления своих страничек. Небольшие
размеры файлов изображений обусловлены применением алгоритма сжатия без потерь
качества LZW, благодаря чему изображения в этом формате наиболее удобны для
пересылки по все еще узким каналам связи глобальной сети. К числу его самых заметных
отличий относятся возможность использования режима постепенного проявления
изображения, в этом режиме строки изображения выводятся на экран не подряд, а в
определенном порядке: сначала каждая 8-я, затем - 4-я и т.д. Таким образом, полностью
изображение показывается в четыре прохода, что позволяет еще до полной загрузки
изображения понять его суть, и, в случае необходимости, прервать его закачку. Основное
ограничение формата GIF состоит в том, что цветное изображение может быть записано
только в режиме 256 цветов.
PNG. Формат PNG разработан сообществом независимых программистов,
появился на свет как ответная реакция на переход популярнейшего формата GIF в разряд
коммерческих продуктов. Этот формат, сжимающий графическую информацию без
потерь качества, используя алгоритм Deflate, в отличие от GIF или TIFF сжимает
растровые изображения не только по горизонтали, но и по вертикали, что обеспечивает
более высокую степень сжатия и поддерживает цветные фотографические изображения
вплоть до 48-битных включительно. Недостатком формата часто упоминается то, что он
не дает возможности создавать анимационные ролики, хотя сейчас, при повальном
переходе практически всей анимации на технологию Flash, это уже совсем не актуально.
Формат PNG позволяет создавать изображения с 256 уровнями прозрачности за счет
применения дополнительного альфа-канала с 256 градациями серого что, безусловно,
выделяет его на фоне всех существующих в данный момент форматов. В числе других
отличительных особенностей этого формата можно отметить двумерную чересстрочную
развертку (т.е. изображение проявляется постепенно не только по строкам, но и по
столбцам) и встроенную гамма-коррекцию, позволяющую сохранять изображения,
яркость которых будет неизменна не только на любых машинах PC, но и на таких
альтернативных платформах, как Mac, Sun или Silicon Graphics. Так как формат
322
создавался для интернета, в его заголовке не предназначено место для дополнительных
параметров типа разрешения, поэтому для хранения изображений, подлежащих печати,
PNG плохо подходит, для этих целей лучше подойдет PSD или TIFF. Он хорош для
публикации высококачественной растровой графики в интернете.
Но широкое распространение этого формата сдерживают и некоторые его
недостатки. Так, формат PNG значительно уступает своему предшественнику, GIF-у, в тех
случаях, когда речь идет о мелких элементах оформления веб-страниц, таких, как кнопки,
рамки и т.п. Проблема заключается в том, что в файле изображения около 1 Кб занимает
описание палитры цветов, что порой бывает сопоставимо с размером самого изображения.
JPG. Самый популярный формат для хранения фотографических изображений
JPEG (или JPG) является общепризнанным стандартом в интернете. JPEG может хранить
только 24-битовые полноцветные изображения. Одноименный с форматом, достаточно
сложный алгоритм сжатия основан на особенностях человеческого зрения (используется
представление блока пикселей 8х8 одним цветом с сохранением информации о яркости
плюс метод Хаффмана и, в зависимости от степени компрессии, некоторые другие
ухищрения). Хотя JPEG отлично сжимает фотографии, но это сжатие происходит с
потерями и портит качество, тем не менее, он может быть легко настроен на
минимальные, практически незаметные для человеческого глаза, потери. Усилить сжатие
и минимизировать потери качества можно, предварительно размыв изображение
(например, применив фильтр blur). Однако не стоит использовать формат JPEG для
хранения изображений, подлежащих последующей обработке, так как при каждом
сохранении документа в этом формате процесс ухудшения качества изображения носит
лавинообразный характер. Наиболее целесообразно будет корректировать изображение в
каком-нибудь другом подходящем формате, например TIFF, и лишь по завершению всех
работ окончательная версия может быть сохранена в JPEG. Таким образом, можно
сохранить вполне приемлемое качество изображения при минимальном размере итогового
файла. Формат JPEG пригоден в подавляющем большинстве случаев только для
публикации полноцветных изображений, типа фотографических, в интернете.
TIFF. Формат TIFF был разработан компанией Aldus для своего графического
редактора PhotoStyler. Как универсальный формат для хранения растровых изображений,
TIFF достаточно широко используется, в первую очередь, в издательских системах,
требующих изображения наилучшего качества. Возможность записи изображений в
формате TIFF является одним из признаков высокого класса современных цифровых
фотокамер. Благодаря своей совместимости с большинством профессионального
323
программного обеспечения для обработки изображений, формат TIFF очень удобен при
переносе изображений между компьютерами различных типов.
PSD. Формат PSD является стандартным форматом пакета Adobe Photoshop и
отличается от большинства обычных растровых форматов возможностью хранения слоев.
Он содержит много дополнительных переменных и сжимает изображения, используя
алгоритм сжатия без потерь RLE Packbits, иногда даже сильнее, чем PNG (только в тех
случаях, когда размеры файла измеряются не в килобайтах, а в десятках или даже сотнях
мегабайт). Формат поддерживает глубины цвета, вплоть до 16 бит на канал (48-битные
цветные и 16-битные черно-белые), а также альфа-каналы, слои, контуры, прозрачность,
векторные надписи и т. п. Он подойдет для переноса или хранения изображений,
содержащих специфические, свойственные только Adobe Photoshop, элементы. Файлы
PSD свободно читаются большинством популярных просмотрщиков, но не стоит
забывать, что, открыв эти файлы в некоторых графических редакторах третьих фирм,
даже декларирующих поддержку формата PSD, можно потерять значительную часть их
специфических возможностей (особенно в части работы со слоями).
Векторные графические форматы
Разработчики практически всех векторных графических программ предпочитают
иметь дело только со своими собственными форматами, что связано, скорее всего, со
спецификой алгоритмов формирования векторного изображения. Но, так как возможность
переноса файлов между различными приложениями в векторной графике не менее
актуальна, чем в растровой, то своего рода стандартом стали файловые форматы двух
наиболее популярных профессиональных графических пакетов - Adobe Illustrator и
CorelDRAW.
AI. AI, поддерживают практически все программы, так или иначе связанные с
векторной графикой. Этот формат является наилучшим посредником при передаче
изображений из одной программы в другую, с РС на Macintosh и наоборот. В целом,
несколько уступая CorelDRAW по иллюстративным возможностям, может содержать в
одном файле только одну страницу, имеет маленькое рабочее поле - этот параметр очень
важен для наружной рекламы - всего 3х3 метра, тем не менее, он отличается наибольшей
стабильностью и совместимостью с языком PostScript, на который ориентируются
практически все издательско-полиграфические приложения.
CDR. Довольно противоречивым является формат CDR, основной рабочий формат
пакета CorelDRAW, являющимся неоспоримым лидером в классе векторных графических
редакторов на платформе РС. Имея сравнительно невысокую устойчивость и проблемы с
совместимостью файлов разных версий формата, тем не менее формат CDR, начиная с 7-й
324
версии, можно без натяжек назвать профессиональным. В файлах этих версий
применяется раздельная компрессия для векторных и растровых изображений, могут
внедряться шрифты, файлы CDR имеют огромное рабочее поле 45х45 метров,
поддерживается многостраничность.
WMF. Родной формат Windows, на этот раз векторный. Понимается практически
всеми программами Windows, так или иначе связанными с векторной графикой. Однако,
несмотря на кажущуюся простоту и универсальность, пользоваться форматом WMF стоит
только в крайних случаях, поскольку он не может сохранять некоторые параметры,
которые могут быть присвоены объектам в различных векторных редакторах, не
воспринимается Macintosh-ами, и, самое главное, способен исказить цветовую схему
изображения.
4. Графические редакторы4.1 Программы для просмотра изображений
Программа для просмотра изображений - тип программного обеспечения,
предназначенного для просмотра мультимедийных данных, в первую очередь
изображений.
К изображениям относятся фотографии, рисунки, нарисованные вручную, а также
текстовые документы, преобразованные в электронную форму, как правило, с помощью
сканирующего устройства, такого, как сканер, факсимильный аппарат или цифровая
камера. Загруженные на компьютер изображения можно смотреть в виде слайдов или с
помощью программы просмотра изображений и факсов Windows.
Программа просмотра изображений и факсов Windows позволяет работать с
изображениями, не открывая приложений редактирования изображений. Дважды щелкнув
на изображении, можно просмотреть его в программе просмотра изображений и факсов
Windows, позволяющей делать следующее:
прокручивать изображения, находящиеся в папке;
увеличивать и уменьшать размер просматриваемого изображения;
просматривать изображение в полном размере или в формате, наиболее
походящем для размеров окна;
управлять файлами изображений, а также печатать, сохранять, удалять и
изменять сведения о файлах;
просматривать в виде демонстрации слайдов все изображения или
отобранную группу изображений;
в случае необходимости открывать изображение в программе
редактирования;
325
поворачивать изображения вправо и влево на 90 градусов.
Кроме того, файлы факсов и файлы TIFF можно просматривать и снабжать
пометками, используя панель инструментов пометок.
Редакторы растровой графики
Microsoft Paint – простейший редактор, входящий в стандартную поставку
операционных систем Microsoft. Он обладает набором простейших функций (кисточка,
карандаш, резинка и т.д.), которые позволяют создавать незамысловатые картинки.
Adobe Photoshop – на сегодняшний день это самый мощный пакет для
профессиональной обработки растровой графики. Это целый комплекс, обладающий
многочисленными возможностями модификации растрового рисунка, имеющий огромный
набор различных фильтров и эффектов, причем есть возможность подключать
инструменты независимых производителей.
Пакет предлагает, средства для восстановления поврежденных изображений,
ретуширования фотографий или создания самых фантастических коллажей, которые
только может позволить себе наше воображение. Начиная с версии 5.5 в пакет включена
программа Adobe ImageReady, предоставляющие огромные возможности по обработке
графики под WEB (оптимизация изображений, создание анимированных gif, "разрезание"
картинок на более мелкие и т.д.). Девиз разработчиков Adobe Photoshop - "Camera of your
mind" - предполагает не только техническое совершенство, но и полную свободу
творчества, на которую человек, работающий с этой программой, просто обречен.
PhotoPaint - графический редактор (из пакета Corel Draw) для обработки растровой
графики, конкурирующий с Adobe Photoshop. Здесь также есть все необходимые
инструменты для обработки графики, разнообразные фильтры, текстуры. Разница лишь в
удобстве работы, интерфейсе и скорости наложения фильтров - наложение происходит
немного медленнее.
Painter - редактор предоставляет хорошие возможности для эмуляции реальных
инструментов рисования: графит, мел, масло и т.д. Также позволяет имитировать фактуру
поверхности материалов, живопись, создавать анимацию. Очень удобен для разработки
фоновых рисунков или Web-страниц в стиле живописи. Пользуясь это программой
чувствуешь себя настоящим художником.
Существует еще ряд редакторов (Microsoft Photo Editor, Microsoft Photo DRAW),
также позволяющих реализовать простейшие задачи.
Редакторы векторной графики
Adobe Illustrator. Пакет позволяет создавать, обрабатывать и редактировать
векторную графику. По своей мощности он эквивалентен растровому редактору Adobe
326
Photoshop: имеет аналогичный интерфейс, позволяет подключать различные фильтры и
эффекты, понимает многие графические форматы, даже такие как .cdr (Corel Draw) и .swf
(Flash).
CorelDraw. Известный графический пакет со средствами для обработки векторной
графики. Пакет по своей мощности практически не уступает графическим редакторам
Adobe Photoshop и Adobe Illustrator. Помимо обработки векторной графики, в этом пакете
существует обработчик растровой графики (Photo Paint), трассировщик изображений,
редактор шрифтов, подготовки текстур и создания штрихкодов, а также огромные
коллекции с изображениями (CorelGallery).
Adobe Streamline. Продукт фирмы Adobe, предназначенный для трассировки
(перевода) растровой графики в векторную. Это небольшой, но очень полезный и мощный
продукт. Особенно полезен для создания Web-страниц с использованием векторной
графики, например, технологии Flash.
Редакторы, используемые для создания трехмерных изображений
Трехмерная графика (3D, 3Dimensions, измерения) – раздел компьютерной
графики, охватывающий алгоритмы и программное обеспечение для оперирования
объектами в трехмерном пространстве, а также результат работы таких программ. Больше
всего применяется для создания изображений в архитектурной визуализации,
кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке.
Трехмерное изображение отличается от плоского построением геометрической
проекции трехмерной модели сцены на экране компьютера с помощью
специализированных программ.
При этом модель может, как соответствовать объектам из реального мира
(автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция
четырехмерного фрактала).
Для получения трехмерного изображения требуются следующие шаги:
моделирование - создание математической модели сцены и объектов в ней;
рендеринг - построение проекции в соответствии с выбранной физической
моделью.
В сцене могут участвовать следующие типы объектов:
источники света;
геометрические примитивы - сфера, куб, конус, а также тела, описываемые
квадратными и кубическими уравнениями;
каркасы (англ. mesh) - группы связанных между собой "встык"
треугольников, образующих иллюзию тела или поверхности среды;
327
среды жидкости в стаканах, газы, например, воздух в атмосфере, дымы;
Есть и концептуально более сложные типы, как, например, искажения
пространства или системы частиц.
Задача трехмерного моделирования - описать эти объекты и разместить их на сцене
с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему
изображению.
На «Рендеринг» этапе математическая (векторная) пространственная модель
превращается в плоскую картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится
последовательность таких картинок, по одной для каждого кадра. Как структура данных,
изображение на экране представлено матрицей точек, где каждая точка определена по
крайней мере тремя числами: интенсивностью красного, синего и зеленого цвета. Таким
образом рендеринг преобразует трехмерную векторную структуру данных в плоскую
матрицу пикселов. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если
требуется создать иллюзию реальности. Самый простой вид рендеринга - это построить
контуры моделей на экране компьютера с помощью проекции, как показано выше.
Обычно этого недостаточно и нужно создать иллюзию материалов, из которых
изготовлены объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счет прозрачных
сред (например, жидкости в стакане). Существует несколько технологий рендеринга,
часто комбинируемых вместе. Например:
сканлайн (scanline) - расчет цвета каждой точки картинки построением луча
из точки зрения наблюдателя через воображаемое отверстие в экране на месте этого
пиксела "в сцену" до пересечения с первой поверхностью. Цвет пиксела будет таким же,
как цвет этой поверхности;
трассировка лучей (рейтрейсинг) - то же, что и сканлайн, но цвет пиксела
уточняется за счет построения дополнительных лучей (отраженных, преломленных и т.д.)
от точки пересечения луча взгляда;
глобальная иллюминация, (radiosity) - расчет взаимодействия поверхностей
и сред в видимом спектре излучения с помощью интегральных уравнений и другие.
Программные пакеты, позволяющие производить трехмерную графику, то есть
моделировать объекты виртуальной реальности и создавать на основе этих моделей
изображения, очень разнообразны. Последние годы устойчивыми лидерами в этой
области являются коммерческие продукты: такие как Autodesk 3DS Max, Maya, Newtek
LightWave, SOFTIMAGE XSI и сравнительно новые Rhinoceros 3D, Cinema 4D или ZBrush.
Кроме того, уверенно набирают популярность и открытые продукты, распространяемые
свободно, например, полнофункциональный пакет Blender.
328
5. Использование компьютерной графики в профессиональной
деятельностиВ органах внутренних дел компьютерная графика находит самое широкое
применение. Графическая информация используются при подготовке карт и планов
местности, различных деловых отчетов, информационных листов и управленческих
документов, иллюстрированных схемами, диаграммами, условными обозначениями и пр.
Например, графические объекты обозначения сил и средств на схеме обслуживаемой
территории используются при принятии управленческих решений.
С помощью графических методов создаются автоматизированные базы данных,
содержащие портреты под учетных лиц, внешний вид холодного и огнестрельного оружия
и т.п. С использованием специализированных графических пакетов готовятся фотороботы
лиц, подозреваемых в совершении преступлений. Методы компьютерной графики
используются при проведении почерковедческих, дактилоскопических, баллистических и
других экспертиз, при разработке и автоматизированном проектировании новых средств
оперативной и специальной технике, средств радиосвязи и т.п. Кроме того, компьютерная
графика находит применение в автоматизированных системах управления дорожным
движением, системах пожарной охраны, в дежурных частях ОВД и т.д.
Рассмотрим применение компьютерной графики в профессиональной деятельности
сотрудников органов внутренних дел на примере программного обеспечения FACES 4.0.
FACES 4.0 – программное обеспечение предназначенное для уголовных
расследований и поддержания правопорядка. Тысячи полицейских агентств по всему
миру используют программного обеспечение от IQ Biometrix.
Данный программный продукт одобрен агентством по борьбе с преступностью и
полицией как проверенный и эффективный инструмент, его успешно используется более
пяти лет для выявления, отслеживания и задержания подозреваемых в уголовных
преступлениях.
FACES 4.0 является последней и самой передовой версией, с новыми функциями,
включая:
расширенную базу данных с 4400 чертами лица;
новые латинские, афро-американские и азиатские компоненты;
возможность экспорта изображения в формате JPEG;
тоны волос и прически, и отметины на лице, таких как пирсинг, родинки,
шрамы и татуировки
Легкий в использовании, не надо иметь навыков художника, улучшенный
интерфейс FACES 4.0 делает его легким для использования любым полицейским
329
используя только мышь. С FACES 4.0, фоторобот может быть создан быстро и дешево, и
использован для раскрытия преступлений, когда рядом нет профессионального
художника. FACES 4.0 может быть использован на любом стандартном настольном или
портативном компьютере под управлением Microsoft Windows.
FACES 4.0 имеет базу данных с расширенными данными 4400 чертами лица, в том
числе новые латинские, афро-американские и азиатские компоненты. FACES 4.0
позволяет создавать точные фотороботы любого пола и любой национальности.
Выбранные объекты смешиваются вместе, чтобы произвести фотографическое качество
совмещенного изображение. Новыми возможностями 4.0 является возможность
повышения точности изображения, выбрав один из трех различных тонов волос:
добавление лицевой индивидуальности, такие как шрамы, родинки, пирсинг, татуировки и
серьги: и использование шляпы, головных уборов и очков.
Получаемый фоторобот имеет ID код. Исключительной особенностью
программного обеспечения является то, что она автоматически генерирует
Биометрические буквенно-цифровой код (BAC) (Рис.3) для каждого фоторобота. 56-
значный код в BAC представляют конкретные черты лица (глаза, нос, рот и т.д.) в
изображении лица. Этот цифровой «отпечаток» может передаваться между органами
полиции в любом формате (телефон, факс, электронная почта) и использовать для
воссоздания изображения в точных деталях. BAC код передачи - менее 1 Кб - идеально
подходит для беспроводной передачи между полицейскими машинами и станциями.
Рис. 3. BAC
Полиция интеграции FACES 4.0 с технологией Video Enhancement. Эти технологии
используются для изоляции, стабилизации и повышения качества изображения,
записанного видеонаблюдением. Программное обеспечение может быть использовано для
разработки фоторобота на основе улучшенного изображения и другой информации, такой,
как свидетельское описание. В результате получается фоторобот, используемый для
идентификации подозреваемого и слежения.
Рис.4.
Вся информация была добавлена с сайта производителя данного программного
продукта (http://www.facesid.com/products_faces_le.html).
330
Тема 13. Аудио и видеотехнологии в правоохранительной деятельности
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Обработка аудио-видео информации. Аналого-цифровое преобразование.
2. Информационные кросс – технологии.
3. Геоинформационные технологии.
4. Используемые видео и аудио технологии.
1. Обработка аудио-видео информации. Аналого-цифровое
преобразованиеОтличия цифрового представления сигналов от аналогового.
В аналоговом виде представление сигналов является традиционным и основано на
аналогии электрических сигналов представленным ими исходным сигналам, а также
аналог форм электрических сигналов в разных точках среды усиленный или передающий
тракт. Форма исходного сигнала описывается электрической кривой, максимально
приближенной к форме кривой этого сигнала.
Данное представление является более точное, но если будет небольшое искажение
формы электрического сигнала являющийся несущим неизбежно влечет за собой такое же
искажение формы и сигнала переносимого. Если перейти в теорию информации, тогда
можно сказать, что количество информации в несущем сигнале в точности равно
количеству информации в сигнале исходном, и электрическое представление не содержит
избыточности, которая могла бы защитить переносимый сигнал от искажений при
хранении, передаче и усилении.
Цифровое представление электрических сигналов призвано внести в них
избыточность, предохраняющую от воздействия паразитных помех. Для этого на несущий
электрический сигнал накладываются серьезные ограничения – его амплитуда может
принимать только два предельных значения – 0 и 1.
Возможная зона амплитуд делится на три зоны:
1. Нижняя представляет нулевые значения;
2. Промежуточная является запрещенной – внутрь нее могут попадать только
помехи.
3. Верхняя – единичные.
Исходя из выше сказанного, любая помеха, амплитуда которой меньше половины
амплитуды несущего сигнала, не будет оказывать влияние на правильность передачи
значений 0 и 1. Возникающие помехи с большей амплитудой влияние не оказывают, если
331
длительность импульса помехи ощутимо меньше длительности информационного
импульса, а фильтр импульсных помех установлен на входе приемника.
Если сформировать таким образом цифровой сигнал то он может переносить
любую полезную информацию, которая закодирована нулями и единицами в виде
последовательности битов; но есть и частный случай такой информации это
электрические и звуковые сигналы. Количество информации в несущем цифровом
сигнале значительно больше, нежели в кодированном исходном, так что несущий сигнал
имеет определенную избыточность относительно исходного, и любые искажения формы
кривой несущего сигнала, при которых еще сохраняется способность приемника
правильно различать нули и единицы, не влияют на достоверность передаваемой этим
сигналом информации. Если происходит воздействие значительных помех форма сигнала
может искажаться настолько, что точная передача переносимой информации становится
невозможной – в ней появляются ошибки, которые при простом способе кодирования
приемник не сможет не только исправить, но и обнаружить. Для еще большего
повышения стойкости цифрового сигнала к помехам и искажениям применяется цифровое
избыточное кодирование двух типов: проверочные (EDC – Error Detection Code,
обнаруживающий ошибку код) и корректирующие (ECC – Error Correction Code,
исправляющий ошибку код) коды. Цифровое кодирование состоит в простом добавлении
к исходной информации дополнительных битов и/или преобразовании исходной битовой
цепочки в цепочку большей длины и другой структуры. EDC позволяет просто
обнаружить факт ошибки – искажение или выпадение полезной либо появление ложной
цифры, однако переносимая информация в этом случае также искажается; ECC позволяет
сразу же исправлять обнаруженные ошибки, сохраняя переносимую информацию
неизменной. Для удобства и надежности передаваемую информацию разбивают на блоки
(кадры), каждый из которых снабжается собственным набором этих кодов.
Каждый вид EDC/ECC имеет свой предел способности обнаруживать и исправлять
ошибки, за которым опять начинаются необнаруженные ошибки и искажения
переносимой информации. Увеличение объема EDC/ECC относительно объема исходной
информации в общем случае повышает обнаруживающую и корректирующую
способность этих кодов.
В качестве EDC популярен циклический избыточный код CRC (Cyclic Redundancy
Check), суть которого состоит в сложном перемешивании исходной информации в блоке и
формированию коротких двоичных слов, разряды которых находятся в сильной
перекрестной зависимости от каждого бита блока. Изменение даже одного бита в блоке
вызывает значительное изменение вычисленного по нему CRC, и вероятность такого
332
искажения битов, при котором CRC не изменится, исчезающе мала даже при коротких
(единицы процентов от длины блока) словах CRC. В качестве ECC используются коды
Хэмминга (Hamming) и Рида–Соломона (Reed–Solomon), которые также включают в себя
и функции EDC.
Информационная избыточность несущего цифрового сигнала приводит к
значительному (на порядок и более) расширению полосы частот, требуемой для его
успешной передачи, по сравнению с передачей исходного сигнала в аналоговой форме.
Кроме собственно информационной избыточности, к расширению полосы приводит
необходимость сохранения достаточно крутых фронтов цифровых импульсов.
Кроме целей помехозащиты, информация в цифровом сигнале может быть
подвергнута также линейному или канальному кодированию, задача которого –
оптимизировать электрические параметры сигнала (полосу частот, постоянную
составляющую, минимальное и максимальное количество нулевых/единичных импульсов
в серии и т.п.) под характеристики реального канала передачи или записи сигнала.
Полученный несущий сигнал, в свою очередь, также является обычным
электрическим сигналом, и к нему применимы любые операции с такими сигналами –
передача по кабелю, усиление, фильтрование, модуляция, запись на магнитный,
оптический или другой носитель и т.п. Единственным ограничением является сохранение
информационного содержимого – так, чтобы при последующем анализе можно было
однозначно выделить и декодировать переносимую информацию, а из нее – исходный
сигнал.
Форматы записи-воспроизведения аудио сигналов
Для эффективного кодирования аудиоданных применяются наиболее
прогрессивные методы, в основе которых лежит свойство их универсальности и
независимости от качества исходного звукового фрагмента, равно как и результирующего,
в зависимости от установок, применяемых в ходе сжатия. В настоящее время наиболее
известны mp3, wma и divx audio . Все они используют так называемое кодирование для
восприятия (perceptual coding), при котором из звукового сигнала удаляется информация,
малозаметная для слуха. В результате, несмотря на изменение формы, и спектра сигнала,
его слуховое восприятие практически не меняется, а степень сжатия оправдывает
незначительное уменьшение качества. Такое кодирование относится к методам сжатия с
потерями, когда из сжатого сигнала уже невозможно точно восстановить исходную
волновую форму.
Приемы удаления части информации базируются на особенностях человеческого
слуха, называемой маскированием: при наличии в спектре звука выраженных пиков
333
(преобладающих гармоник) более слабые частотные составляющие в непосредственной
близости от них на слух практически не воспринимаются (маскируются). При
кодировании весь звуковой поток разбивается на мелкие кадры, каждый из которых
преобразуется в спектральное представление и делится на ряд частотных полос.
Внутри полос происходит определение и удаление маскируемых звуков, после чего
каждый кадр подвергается адаптивному кодированию прямо в спектральной форме. Все
эти операции позволяют значительно (в несколько раз) уменьшить объем данных при
сохранении качества, приемлемого для большинства слушателей. Каждый из описанных
методов кодирования характеризуется скоростью битового потока, с которой сжатая
информация должна поступать в декодер при восстановлении звукового сигнала. Декодер
преобразует серию сжатых мгновенных спектров сигнала в обычную цифровую волновую
форму. В любом видео или аудио потоке содержится значительное количество
избыточной информации, которая независимо от ее присутствия или отсутствия не может
быть воспринята человеческим ухом или глазом. Информация в MPEG–файле записана
последовательными блоками кадрами (frames), которые последовательно считываются, а
затем декодируются. Естественно, что чем больше поток, тем большее количество
информации остается в файле и соответственно тем большее представление об
оригинальном звуке в нем содержится. Аудиоинформация, сжатая по данной схеме, может
передаваться потоком (streaming), а может храниться в файлах формата MP3 или WAV–
MP3. Отличие второго от первого состоит в наличии дополнительного заголовка WAV–
файла, что позволяет при наличии MP3–кодека в системе для работы с таким файлом
использовать стандартные средства Windows.
Основная идея, на которой основаны все методики сжатия аудио сигнала с
потерями, отказ от кодирования тонких деталей звучания оригинала, лежащих вне
пределов возможностей человеческого слуха. Звуки, находящиеся на границах резких
перепадов уровня: после очень громкого звука на протяжении небольшого отрезка
времени около 100 мс и перед ним на протяжении 5 мс, человеческое ухо неспособно
воспринимать другие, более тихие звуки.
И еще одна особенность человеческого слуха была учтена при разработке
алгоритма компрессии использование минимального порога слышимости. Наибольшей
чувствительностью (2–4 дБ) органы слуха обладают в среднем диапазоне частот порядка
2–5 кГц. На других частотах порогом чувствительности может стать значение громкости
звука в 40 дБ. Иными словами, звуки, лежащие за порогом чувствительности, нет смысла
сохранять, поскольку они все равно не будут услышаны.
334
На основании подобных эффектов создается так называемая психоакустическая
модель, разбивающая весь частотный спектр на части, в которых уровень звука примерно
одинаков, после чего удаляет звуки, не воспринимаемые человеком, как это было описано
выше.
Существует три уровня audio MPEG для сжатия стереофонических сигналов:
коэффициент сжатия 1:4 при допустимом потоке данных 384 Кбит/с;
1:6..1:8 при 256..192 Кбит/с;
1:10..1:12 при 128..112 Кбит/с.
Программные средства записи-воспроизведения звука
Приведем пример программы для записи звука. Программа для записи звука –
Audacity, это бесплатная программа, с помощью которой можно сделать качественные,
профессиональные записи с любых источников звука и сохранять их в различных
форматах, с последующей публикацией аудио записей на сайте.
Программа для записи звука – Audacity, позволяет создавать очень качественные
аудио файлы в широко распространенных форматах, таких, как mp3, wav и много других.
Программа для записи звука – Audacity, имеет русский интерфейс.
Интерфейс программы Audacity, интуитивно понятен, и можно быстро эту
программу освоить.
В меню можно создать проект, произвести запись с микрофона, открыть проект или
аудио запись для редактирования. С помощью редактирования, можно вырезать не
нужные куски аудио записи или добавить фрагмент аудио записи.
Кроме того, программа для записи звука Audacity, способна применить к аудио
записи различные аудио эффекты. Уменьшить или увеличить уровень аудио записи,
применить к аудиозаписи такие эффекты, как выравнивание, инвертирование, авто
приглушение, изменение скорости и темпа воспроизведения аудио записи и так далее.
При необходимости, при создании аудио контента, и редактировании аудио
записей, Вы можете использовать такие эффекты, как удаление шума, щелчков,
автоматическое снижение уровня аудио записи, а так же плавное нарастание аудио звука.
С помощью программы для записи звука Audacity, можно работать как с моно
звуком, так и со стерео звуком. При редактировании аудио записи, диаграмма записи
выводится в специальные окна, где Вы имеете возможность визуально оценивать уровень
амплитуды аудио записи, и при необходимости производить необходимые изменения в
аудио запись.
Это далеко не полный перечень возможностей программы для записи звука –
Audacity. Как видите, программа для записи звука Audacity, имеет такой набор функций и
335
инструментов, что ее можно сравнить с профессиональной программой для работы с
аудио.
Видеоинформация
Самым ранним методом передачи видеосигналов является аналоговый метод.
Одним из первых видеоформатов на основе этого принципа стал композитный
видеосигнал. Композитное аналоговое видео комбинирует все видеокомпоненты (яркость,
цвет, синхронизацию и т. п.) в один сигнал. Из–за объединения этих элементов в одном
сигнале качество композитного видео далеко от совершенства. В результате мы имеем
неточную передачу цвета, недостаточно "чистую" картинку и другие факторы потери
качества.
Композитное видео быстро уступило дорогу компонентному видео, в котором
различные видеокомпоненты представлены как независимые сигналы. Дальнейшие
усовершенствования этого формата привели к появлению различные его вариаций: S–
Video, RGB, Y, Pb, Pr и др.
Тем не менее, все вышеперечисленные форматы остаются аналоговыми по своей
сути, и, следовательно, обладают одним существенным недостатком: при копировании
дубль всегда уступает по качеству оригиналу. Потеря качества при копировании
видеоматериала аналогична фотокопированию, когда копия никогда не бывает такой же
четкой и яркой, как оригинал.
Цифровое видео
Недостатки, присущие аналоговому способу воспроизведения видео, в конце
концов привели к разработке цифрового видеоформата. На смену аналоговому видео
пришло цифровое. В области профессионального видео применяется несколько цифровых
видеоформатов: D1, D2, Digital BetaCam и др. В отличие от аналогового видео, качество
которого падает при копировании, каждая копия цифрового видео идентична оригиналу.
Хотя современный видеоряд базируется на цифровой основе, практически все
цифровые видеоформаты до сих пор в качестве носителя исходного сигнала используют
пленку с последовательным доступом. Поэтому большинству профессионалов в области
видео все еще привычней работать с пленкой, чем с компьютером.
Конечно, пленка в качестве источника данных все еще остается более
предпочтительной, чем жесткий диск компьютера, поскольку вмещает значительно
больший объем данных. Но зато для цифрового видеомонтажа использование
компьютеров дает ряд существенных преимуществ: не только обеспечивает прямой
доступ к любому видеофрагменту (что невозможно при работе с пленкой, поскольку к
необходимым участкам можно добраться лишь последовательно просматривая
336
видеоматериал), но и предполагает широкие возможности обработки изображения
(редактирование, сжатие).
Это достаточно веские причины для перехода видеопроизводства с традиционного
оборудования на компьютерное.
Компьютерное цифровое видео представляет собой последовательность цифровых
изображений и связанный с ними звук. Элементы видео хранятся в цифровом формате.
Существует множество способов захвата, хранения и воспроизведения видео на
компьютере. С появлением компьютерного цифрового видео стихийно стали возникать
самые разнообразные форматы представления видеоданных, что поначалу привело к
некоторой путанице и вызвало проблемы совместимости. Однако в последние годы
благодаря усилиям Международной организации по стандартизации (ISO – International
Standards Organisation) выработаны единые стандарты на форматы видеоданных, которые
мы позже рассмотрим.
Основные характеристики цифрового видео
Цифровое видео характеризуется четырьмя основными факторами: частота кадра
(Frame Rate), экранное разрешение (Spatial Resolution), глубина цвета (Color Resolution) и
качество изображения (Image Quality).
Частота кадра (Frame Rate). Стандартная скорость воспроизведения видеосигнала –
30 кадров/с (для кино этот показатель составляет 24 кадра/с). Каждый кадр состоит из
определенного количества строк, которые прорисовываются не последовательно, а через
одну, в результате чего получается два полукадра, или так называемых "поля". Поэтому
каждая секунда аналогового видеосигнала состоит из 60 полей (полукадров). Такой
процесс называется interlaced видео.
Между тем монитор компьютера для прорисовки экрана использует метод
"прогрессивного сканирования" (progressive scan), при котором строки кадра
формируются последовательно, сверху вниз, а полный кадр прорисовывается 30 раз
каждую секунду. Разумеется, подобный метод получил название non–interlaced видео. В
этом заключается основное отличие между компьютерным и телевизионным методом
формирования видеосигнала.
Глубина цвета (Color Resolution). Этот показатель является комплексным и
определяет количество цветов, одновременно отображаемых на экране. Компьютеры
обрабатывают цвет в RGB–формате (красный–зеленый–синий), в то время как видео
использует и другие методы. Одна из наиболее распространенных моделей цветности для
видеоформатов – YUV. Каждая из моделей RGB и YUV может быть представлена
разными уровнями глубины цвета (максимального количества цветов).
337
Для цветовой модели RGB обычно характерны следующие режимы глубины цвета:
8 бит/пиксель (256 цветов), 16 бит/пиксель (65,535 цветов) и 24 бит/пиксель (16,7 млн.
цветов). Для модели YUV применяются режимы: 7 бит/пиксель (4:1:1 или 4:2:2, примерно
2 млн. цветов), и 8 бит/пиксель (4:4:4, примерно 16 млн. цветов).
Экранное разрешение (Spatial Resolution). Еще одна характеристика – экранное
разрешение, или, другими словами, количество точек, из которых состоит изображение на
экране. Так как мониторы PC и Macintosh обычно рассчитаны на базовое разрешение в
640 на 480 точек (пикселей), многие считают, что такой формат является стандартным. К
сожалению, это не так. Прямой связи между разрешением аналогового видео и
компьютерного дисплея нет.
Стандартный аналоговый видеосигнал дает полноэкранное изображение без
ограничений размера, так часто присущих компьютерному видео. Телевизионный
стандарт NTSC (National Television Standards Committe), разработан Национальным
комитетом по телевизионным стандартам США. Используемый в Северной Америке и
Японии, он предусматривает разрешение 768 на 484. Стандарт PAL (Phase Alternative),
распространенный в Европе, имеет несколько большее разрешение – 768 на 576 точек.
Поскольку разрешение аналогового и компьютерного видео различается, при
преобразовании аналогового видео в цифровой формат приходится иногда
масштабировать и уменьшать изображение, что приводит к некоторой потере качества.
Качество изображения (Image Quality). Последняя, и наиболее важная
характеристика – это качество видеоизображения. Требования к качеству зависят от
конкретной задачи. Иногда достаточно, чтобы картинка была размером в четверть экрана
с палитрой из 256-ти цветов (8 бит), при скорости воспроизведения 15 кадров/с. В других
случаях требуется полноэкранное видео (768 на 576) с палитрой в 16,7 млн. цветов (24
бит) и полной кадровой разверткой (24 или 30 кадров/с).
Преимущества цифровой передачи видеоданных
Кроме очевидных преимуществ формата, сам способ формирования цифрового
изображения также несет в себе существенные преимущества. Цифровой сигнал не
ослабляется при передаче на расстояние, как аналоговый сигнал. Поэтому если он
принимается вообще, то принимается без искажений. Цифровой сигнал не подвержен
помехам, характерным для работы нецифрового оборудования, таким как тени, «туман»
или «снег». Передается же цифровой сигнал в компрессированном виде, что намного
сужает требуемую полосу пропускания канала. В цифровом телевидении применяется
схема компрессии MPEG-2 – та же, что и на DVD.
338
Любая компрессия – это компромисс. Самое высокое качество у
некомпрессированного цифрового видео, но для этого необходимо передавать
невероятное количество данных. Такую пропускную способность можно обеспечить
только в локальной сети. Чтобы передавать цифровой сигнал по существующим каналам,
изображение с разрешением примерно вчетверо выше по сравнению с обычным
нецифровым компрессируется в соотношении 77:1.
«Чудо компрессии» позволяет не только передавать в эфир превосходное
изображение. Благодаря запасу полосы пропускания, появляется возможность передавать
цифровое аудио 7.1, то есть настоящий окутывающий звук (surround sound).
Важнейшим компонентом HDTV служит совсем крошечная деталь – скромный
пиксель. В аналоговом телевидении элементы изображения, из которых состоит красная,
зеленая и синяя компоненты, представляют собой вертикальные прямоугольники. В
HDTV они квадратные, как на компьютерных мониторах, и более, чем в четверо меньше
пикселов аналогового ТВ, так что мелкие детали получаются намного четче, что
позволяет разглядеть каждую пору на коже кинозвезды.
2. Информационные кросс - технологииК данному классу отнесены технологии пользователя, ориентированные на
следующие (или аналогичные) виды преобразования информации:
• распознавания символов;
• звук-текст;
• текст-звук;
• автоматический перевод.
Оптическое распознавание символов (OCR)
Когда страница текста отсканирована в ПК, она представлена в виде состоящего из
пикселей растрового изображения. Такой формат не воспринимается компьютером как
текст, а как изображение текста и текстовые редакторы не способны к обработке
подобных изображений. Чтобы превратить группы пикселей в доступные для
редактирования символы и слова, изображение должно пройти сложный процесс,
известный как оптическое распознавание символов (optical character recognition – OCR).
В то время как переход от символьной информации к графической (растровой)
достаточно элементарен и без труда осуществляется, например при выводе текста на
экран или печать, обратный переход (от печатного текста к текстовому файлу в машинном
коде) весьма затруднителен. Именно в связи с этим для ввода информации в ЭВМ исстари
использовались перфоленты, перфокарты и др. промежуточные носители, а не исходные
«бумажные» документы, что было бы гораздо удобнее. «В защиту» перфокарт скажем
339
здесь, что наиболее «продвинутые» устройства перфорации делали надпечатку на карте
для проверки ее содержания.
Первые шаги в области оптического распознавания символов были предприняты в
конце 50-х гг. XX в. Принципы распознавания, заложенные в то время, используются в
большинстве систем OCR: сравнить изображение с имеющимися эталонами и выбрать
наиболее подходящий.
В середине 70-х гг. была предложена технология для ввода информации в ЭВМ,
заключающаяся в следующем:
исходный документ печатается на бланке с помощью пишущей машинки,
оборудованной стилизованным шрифтом (каждый символ комбинируется из
ограниченного числа вертикальных, горизонтальных, наклонных черточек, подобно тому,
как это делаем мы и сейчас, нанося на почтовый конверт цифры индекса);
полученный «машинный документ» считывается оптоэлектрическим
устройством (собственно OCR), которое кодирует каждый символ и определяет его
позицию на листе;
информация переносится в память ЭВМ, образуя электронный образ
документа или документ во внутреннем представлении.
Очевидно, что по сравнению с перфолентами (перфокартами) OCR-документ
лучше хотя бы тем, что он без особого труда может быть прочитан и проверен человеком
и, вообще, представляет собой «твердую копию» соответствующего введенного
документа. Было разработано несколько модификаций подобных шрифтов, разной
степени «удобочитаемости» (OCR A (рис 1), OCR В (рис 2) и пр.).
Рис. 1. OCR – A
Рис. 2. OCR – B
340
Очевидно также, что считывающее устройство представляет собой сканер, хотя и
специализированный (считывание стилизованных символов), но интеллектуальный
(распознавание их).
OCR – технология в данном виде просуществовала недолго и в настоящее время
приобрела следующий вид:
считывание исходного документа осуществляется универсальным сканером,
осуществляющим создание растрового образа и запись его в оперативную память и/или в
файл;
функции распознавания полностью возлагаются на программные продукты,
которые, естественно, получили название OCR-software.
Исследования в этом направлении начались в конце 1950–х гг., и с тех пор
технологии непрерывно совершенствовались. В 1970-х гг. и в начале 1980-х гг.
программное обеспечение оптического распознавания символов все еще обладало очень
ограниченными возможностями и могло работать только с некоторыми типами и
размерами шрифтов. В настоящее время программное обеспечение оптического
распознавания символов намного более интеллектуально и может распознать фактически
все шрифты, даже при невысоком качестве изображения документа.
Основные методы оптического распознавания
Один из самых ранних методов оптического распознавания символов базировался
на сопоставлении матриц или сравнении с образцом букв. Большинство шрифтов имеют
формат Times, Courier или Helvetica и размер от 10 до 14 пунктов (точек). Программы
оптического распознавания символов, которые используют метод сопоставления с
образцом, имеют точечные рисунки для каждого символа каждого размера и шрифта .
Сравнивая базу данных точечных рисунков с рисунками отсканированных символов,
программа пытается их распознавать. Эта ранняя система успешно работала только с
непропорциональными шрифтами (подобно Courier), где символы в тексте хорошо
отделены друг от друга. Сложные документы с различными шрифтами оказываются уже
вне возможностей таких программ.
Рис. 3. Разные подходы к распознаванию
341
Выделение признаков было следующим шагом в развитии оптического
распознавания символов. При этом распознавание символов основывается на
идентификации их универсальных особенностей, чтобы сделать распознавание символов
независимым от шрифтов. Если бы все символы могли быть идентифицированы,
используя правила, по которым элементы букв (например, окружности и линии)
присоединяются друг к другу, то индивидуальные символы могли быть описаны незави-
симо от их шрифта. Например: символ «а» может быть представлен как состоящий из
окружности в центре снизу, прямой линии справа и дуги окружности сверху в центре (рис.
3). Если отсканированный символ имеет эти особенности, он может быть правильно
идентифицирован как символ «а» программой оптического распознавания.
Выделение признаков было шагом вперед сравнительно с соответствием матриц,
но практические результаты оказались весьма чувствительными к качеству печати.
Дополнительные пометки на странице или пятна на бумаге существенно снижали
точность обработки. Устранение такого «шума» само по себе стало целой областью
исследований, пытающейся определить, какие биты печати не являются частью
индивидуальных символов. Если шум идентифицирован, достоверные символьные
фрагменты могут тогда быть объединены в наиболее вероятные формы символа.
Некоторые программы сначала используют сопоставление с образцом и/или метод
выделения признаков для того, чтобы распознать столько символов, сколько возможно, а
затем уточняют результат, используя грамматическую проверку правильности написания
для восстановления нераспознанных символов. Например, если программа оптического
распознавания символов неспособна распознать символ «е» в слове «th~ir», программа
проверки грамматики может решить, что отсутствующий символ – «е».
Современные технологии оптического распознавания намного совершеннее, чем
более ранние методы. Вместо того чтобы только идентифицировать индивидуальные
символы, современные методы способны идентифицировать целые слова. Эту
технологию, предложенную Caere, называют прогнозирующим оптическим
распознаванием слов (Predictive Optical Word Recognition – POWR).
Используя более высокие уровни контекстного анализа, метод POWR способен
устранить проблемы, вызванные шумом. Компьютер анализирует тысячи или миллионы
различных способов, которыми точки изображения могут быть собраны в символы слова.
Каждой возможной интерпретации приписывается некоторая вероятность, после чего
используются нейронные сети и прогнозирующие методы моделирования,
заимствованные от исследований в области искусственного интеллекта. Они
предполагают использование «экспертов» – алгоритмов, разработанных специалистами в
342
различных областях распознавания символов. Один «эксперт» может знать многое о
начертаниях шрифта, другой – о словарной информации, третий – об ухудшении качества
от «зашумленности» и пр. На каждой стадии исследования привлекается новый набор
«экспертов» с учетом близости их «областей знаний» к специфической ситуации и
статистики успеха в подобных ситуациях.
Окончательный итог – то, что система POWR способна идентифицировать слова
способом, который близко напоминает человеческое визуальное распознавание.
Практически, методика значительно улучшает точность распознавания слов во всех типах
документа. Все возможные интерпретации слова оцениваются, комбинируя все источники
доказательства, от информации пикселя нижнего уровня до контекстных особенностей
высокого уровня, в результате чего выбирается самая вероятная интерпретация.
Технологии Finereader
Хотя системы оптического распознавания символов существовали в течение
долгого времени, их выгоды только сейчас начали по достоинству оценивать. Первые
разработки были чрезвычайно дорогостоящими (в терминах программного обеспечения и
оборудования), неточны и трудны для использования. За несколько последних лет
системы оптического распознавания полностью преобразились. Современное
программное обеспечение распознавания символов очень удобно в использовании,
обладает высокой точностью и находится на пути к распространению на все виды рабочих
сред в массовом масштабе.
Типичным представителем данного семейства программ является ABBYY
FineReader, технологический процесс которого включает следующие шаги (рис. 4):
сканирование исходного документа (страницы);
разметку областей (ручную или автоматическую), требующих различные
виды обработки (страницы разворота книги, таблицы, рисунки, колонки текста и пр.);
распознавание – создание и вывод на экран текстового файла (с
вставленными рисунками и таблицами, если это необходимо);
контроль правильности (ручной, автоматический, полуавтоматический);
вывод информации в выходной файл в заданном формате (.DOC или .RTF
для Word, .XSL для Excel и пр.).
Данные, полученные на каждом этапе (изображение, текстовый файл), сохраняются
под «общей вывеской» пакета (страницы с номером), что позволяет в любой момент
вернуться и повторить разметку, распознавание и пр.
343
Если нет необходимости сохранять цветовую информацию оригинала документа
(например, для последующей обработки системами оптического распознавания
символов), изображение лучше всего сканировать в режиме grayscale (полутоновое
изображение). При этом файл будет занимать одну треть объема сравнительно со
сканированием в цвете RGB. Можно использовать также режим штриховой графики (line
art), однако при этом часто теряются подробности, существенные для точности
последующего процесса распознавания символов.
Рассмотрим основные принципы функционирования программного продукта.
Системы распознавания речи
Теоретически машинное распознавание речи, т. е. ее автоматическое представление
в виде текста, является крайней степенью сжатия речевого сигнала.
Процесс распознавания речи (STT – speech-to-text) в последние годы сделал
гигантский скачок вперед. В наибольшей мере его стимулирует отнюдь не желание
разработчиков создать пользовательские суперудобства, а существование специфических
областей компьютеризации, где голосовые команды являются более приемлемым или
даже единственно возможным решением. К ним относятся телефонный доступ к
автоматическим справочным системам, управление удаленным компьютером или
мобильным портативным устройством, осуществляемое во время движения.
Принципы распознавания речи
Системы распознавания речи обычно состоят из двух компонент, которые могут
быть выделены в блоки или в подпрограммы – акустической и лингвистической.
Лингвистическая часть может включать в себя фонетическую, фонологическую,
морфологическую, синтаксическую и семантическую модели языка. Акустическая модель
отвечает за представление речевого сигнала. Лингвистическая модель интерпретирует
информацию, получаемую от акустической модели, и отвечает за представление
результата распознавания потребителю.
Акустическая модель
Существуют два подхода к построению акустической модели: изобретательский и
бионический. Оба подхода имеют свои достоинства и недостатки. Первый базируется на
результатах поиска механизма функционирования акустической модели. При втором
подходе разработчик пытается понять и смоделировать работу естественных систем.
Лингвистическая модель
Лингвистический блок подразделяется на следующие слои (уровни); фонетический,
фонологический, морфологический, лексический, синтаксический, семантический. Все
уровни содержат априорную информацию о структуре естественного языка, а, как
344
известно, любая априорная информация об интересующем предмете увеличивает шансы
принятия верного решения. Поскольку естественный язык несет весьма сильно
структурированную информацию, для каждого естественного языка может потребоваться
своя уникальная лингвистическая модель (отсюда трудности русификации сложных
систем распознавания речи зарубежной разработки).
В соответствии с данной моделью на первом (фонетическом) уровне производится
преобразование входного (для лингвистического блока) представления речи в
последовательность фонем, как наименьших единиц языка. Считается, что в реальном
речевом сигнале можно обнаружить лишь аллофоны – варианты фонем, зависящие от
звукового окружения.
На следующем (фонологическом) уровне накладываются ограничения на
комбинаторику фонем (аллофонов) – не все сочетания фонем (аллофонов) встречаются, а
те, что встречаются, имеют различную вероятность появления, зависящую еще и от
окружения. Для описания этой ситуации используется математический аппарат цепей
Маркова.
Далее, на морфологическом уровне оперируют со слогоподобными единицами
речи более высокого уровня, чем фонема. Иногда они называются морфемами. Они
накладывают ограничение уже на структуру слова, подчиняясь закономерностям
моделируемого естественного языка.
Лексический уровень охватывает слова и словоформы того или иного
естественного языка, т. е. словарь языка, также внося важную априорную информацию о
том, какие слова возможны для данного естественного языка. Семантика устанавливает
соотношения между объектами действительности и словами, их обозначающими. Она
является высшим уровнем языка. При помощи семантических отношений интеллект
человека производит как бы сжатие речевого сообщения в систему образов, понятий,
представляющих суть речевого сообщения.
Российская компания «ИстраСофт» известна пакетом для обучения английскому
языку с визуальным контролем произношения «Профессор Хиггинс». Развивая
«Хиггинса», сотрудники «ИстраСофт» совершили технологический прорыв, значение
которого трудно переоценить: они научились членить слова на элементарные сегменты,
соответствующие звукам речи, независимо от диктора и от языка (Существующие
системы распознавания Речи не производят сегментации, наименьшей единицей для них
является слово.) Демонстрация новой технологии выглядит пока не очень эффектно: это
всего-навсего упаковка и распаковка звуковых файлов с записью речи - правда, с
высокими коэффициентами сжатия. Если файл был сжат сильно, то после распаковки в
345
База фонем соответствующего языкаПрограмма распознавания и преобразования фонем Текстовый файл или команда
Программа перевода текста в фонемное описание
Файл описания фонем в сжатой форме формата SPFПрограмма перевода речевого сигнала в фонемное описание
Программа синтеза речи из файла описания фонем
Текст
Речь Канал связи
Речь
нем появляются отчетливо слышные границы между сегментами; использованию
программы по прямому назначению они, конечно, мешают, но специалисту позволяют
убедиться в правильности членения.
В соответствии с этим решение задачи речевых технологий можно представить в
виде схемы рис. 5.
В основе алгоритма лежит выделение фонем из потока слитной речи в режиме
реального времени, их кодирование и последующее восстановление, однако у
разработчиков нет единого мнения о том, что считать фонемой при машинной обработке
речи. Способ, предложенный фирмой «ИстраСофт», допускает сжатие речи в 200 раз,
причем при сжатии менее чем в 40 раз качество сигнала практически не падает.
Чтобы создать основанную на новой технологии систему распознавания,
необходимо «привязать» сегментацию к конкретному языку с помощью двух словарей –
«звукового», сопоставляющего реальным звукам речи определенные фонемы, т. е.
смыслоразличительные единицы (на слух мы, как правило, воспринимаем именно фонемы
родного языка, не замечая различий между их вариантами, обусловленными, например,
позицией), и «фонетико–орфографического», который будет переводить фонемную запись
в письменную. Принципиально ничего сложного здесь нет: это вполне рутинная,
умеренно трудоемкая техническая задача.
Интеллектуальная обработка речи на уровне фонем перспективна не только как
способ сжатия, но и как шаг на пути к созданию нового поколения систем распознавания
речи.
Engine – «машины» синтеза и распознавания речи
«Машина» (в просторечии – «движок») – это пакет программных средств,
выполняющих строго определенную задачу и поставляющий интерфейс для
использования его возможностей В настоящее время существует целый ряд машин
синтеза и Опознавания речи, которые разработаны для использования совместно с MS
Speech API.
smARTspeak CS – настраиваемая независимая от языка «машина» распознавания
речи для набора цифр, указания имен и речевой навигации, т. е. для приложений,
используемых в сотовых телефонах и беспроводных устройствах. Созданный для
использования в указанных устройствах, smARTspeak CS удовлетворяет потребностям как
пользователей, так и разработчиков: иммунитет к фоновому шуму, малые требования к
процессору и памяти, совместимость с MS SAPI 5.0, оптимизация для средств быстрой
разработки приложений и для интеграции в сертифицированные устройства.
346
Conversay предоставляет решение для речевого взаимодействия с информацией,
поставляемой через сеть, включая Internet в случае, когда другие интерфейсы слишком
сложны или отсутствуют. Conversay разрабатывает речевую технологию, которая
позволяет пользователям взаимодействовать через мобильные устройства привычным для
себя способом.
Lernout&Hauspie. Система компании L&H позволяет настраивать чтение
аббревиатур и слов (ударения). Продукт, активно продвигаемый Microsoft.
Digalo. Голосовой «движок» для русского языка Digalo – продукт французской
фирмы Elan Informatique. Digalo различает буквы «Е» и «Е» и виртуозно владеет русской
ненормативной лексикой. В основном ошибки в ударениях приходятся на некоторые
фамилии и имена, малоупотребительные слова и термины, замечено не всегда корректное
озвучивание чисел и очень акцентированное произнесение слов «нет» и «не».
Разработчики обещают в дальнейшем сделать возможной корректировку произнесения
отдельных слов и слогов.
Аctor 5. Новый «движок» фирмы Loquendo «Actor 5» предназначен для
использования в областях голосовых технологий и сервиса. Синтезирует речь на
итальянском, испанском, английском, немецком, мексиканском, бразильском и
американском иском диалекте (русского, к сожалению, нет).
PC Voice Club. Движок синтеза речи Клуба голосовых технологий при Научном
Парке МГУ. При его создании использована базовая технология синтеза речи,
разработанная на филологическом факультете МГУ. Синтезатор характеризуется высоким
качеством синтеза речи, что позволяет прослушивать тексты без их специальной
подготовки. Позволяет синтезировать речь на английском и русском языках. Кроме того,
имеет около десятка голосовых типажей (робот, эльф, мышь и пр.) Имеются возможности
редактирования голосов. Помимо стандартных функций синтеза речи имеется
дополнительная функция встраивания в текст управляющих символов, которые позволяют
устанавливать паузы, изменять тембр, тон и длительность звучания. К примеру, можно,
отредактировав текст, заставить синтезатор петь.
3. Геоинформационные технологииГеоинформационные технологии можно определить как совокупность программно-
технологических средств получения новых видов информации об окружающем мире.
Геоинформационные технологии предназначены для повышения эффективности:
процессов управления, хранения и представления информации, обработки и поддержки
принятия решений. По сфере использования ГИС не имеют себе равных. Они
применяются в транспорте, навигации, геологии, географии, военном деле, топографии,
347
экономике и т.д. Переход к автоматизированным методам создания карт с помощью ГИС
имеет ряд преимуществ:
повышение точности картографической информации;
сокращение трудозатрат на изготовление продукции;
увеличение производительности труда за счет автоматизации от дельных
операций или исключения их.
Методологической основой процессов обработки информации в ГИС является
цифровое моделирование местности, объединяющее процессы сбора первичной
информации, ее моделирования и обновления, обработки и формирования документов.
За счет применения современных технических средств осуществляется
автоматизация полевых и камеральных работ.
Использование ГИС происходит на разных уровнях. Это обусловлено
многообразием геоинформационных технологий.
Выделяют следующие территориальные уровни использования ГИС в России:
глобальный уровень – Россия на глобальном и евразийском фоне, масштаб 1:
4 500 000 – 1: 100 000 000;
всероссийский уровень – вся территория страны, включая прибрежные
акватории и приграничные районы, масштаб 1: 2 500 000–1: 20 000 000;
региональный уровень – крупные природные и экономические регионы,
субъекты Федерации, масштаб 1: 500 000 – 1: 4 000 000;
локальный уровень – области, районы, национальные парки, ареал
кризисных ситуаций, масштаб 1: 50 000 – 1 000 000;
муниципальный уровень – города, городские районы, пригородные зоны,
масштаб 1: 50 000 и крупнее.
К основным компонентам ГИС относят: техническое, программное,
информационное обеспечение. Требования к компонентам ГИС определяются, в первую
очередь, пользователем, перед которым стоит конкретная задача (учет природных
ресурсов, либо управление инфраструктурой города), которая должна быть решена для
определенной территории, отличающейся природными условиями и степенью ее
освоения.
Техническое обеспечение – это комплекс аппаратных средств, применяемых при
функционировании ГИС: рабочая станция или персональный компьютер (ПК), устройства
ввода–вывода информации, устройства обработки и хранения данных, средства
телекоммуникации.
348
Рабочая станция или ПК являются ядром любой информационной системы и
предназначены для управления работой ГИС и выполнения процессов обработки данных,
основанных на вычислительных или логических операциях. Современные ГИС способны
оперативно обрабатывать огромные массивы информации и визуализировать результаты.
Ввод данных реализуется с помощью разных технических средств и методов:
непосредственно с клавиатуры, с помощью дигитайзера или сканера, через внешние
компьютерные системы. Пространственные данные могут быть получены электронными
геодезическими приборами, непосредственно с помощью дигитайзера и сканера, либо по
результатам обработки снимков на аналитических фотограмметрических приборах или
цифровых фотограмметрических станциях.
Устройства для обработки и хранения данных сконцентрированы в системном
блоке, включающем в себя центральный процессор, оперативную память, внешние
запоминающие устройства и пользовательский интерфейс.
Устройства вывода данных должны обеспечивать наглядное представление
результатов, прежде всего на мониторе, а также в виде графических оригиналов,
получаемых на принтере или плоттере (графопостроителе), кроме того, обязательна
реализация экспорта данных во внешние системы.
Программное обеспечение – совокупность программных средств, реализующих
функциональные возможностей ГИС, и программных документов, необходимых при их
эксплуатации.
Структурно программное обеспечение ГИС включает базовые и прикладные
программные средства.
Базовые программные средства включают: операционные системы (ОС),
программные среды, сетевое программное обеспечение и системы управления базами
данных. Операционные системы предназначены для управления ресурсами ЭВМ и
процессами, использующими эти ресурсы. На настоящее время основные ОС: Windows и
Unix.
Любая ГИС работает с данными двух типов данных – пространственными и
атрибутивными. Для их ведения программное обеспечение должно включить систему
управления базами тех и других данных (СУБД), а также модули управления средствами
ввода и вывода данных, систему визуализации данных и модули для выполнения
пространственного анализа.
Прикладные программные средства предназначены для решения
специализированных задач в конкретной предметной области и реализуются в виде
отдельных приложений и утилит.
349
Информационное обеспечение – совокупность массивов информации, систем
кодирования и классификации информации. Информационное обеспечение составляют
реализованные решения по видам, объемам, размещению и формам организации
информации, включая поиск и оценку источников данных, набор методов ввода данных,
проектирование баз данных, их ведение и метасопровождение. Особенность хранения
пространственных данных в ГИС – их разделение на слои. Многослойная организация
электронной карты, при наличии гибкого механизма управления слоями, позволяет
объединить и отобразить гораздо большее количество информации, чем на обычной карте.
Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними
табличные могут подготавливаться самим пользователем либо приобретаться. Для такого
обмена данными важна инфраструктура пространственных данных.
Инфраструктура пространственных данных определяется нормативно–
правовыми документами, механизмами организации и интеграции пространственных
данных, а также их доступность разным пользователям. Инфраструктура
пространственных данных включает три необходимых компонента: базовую
пространственную информацию, стандартизацию пространственных данных, базы
метаданных и механизм обмена данными.
Геоинформационные системы и ГИС–технологии объединяют компьютерную
картографию и системы управления базами данных. Концепция технологии ГИС состоит
в создании многослойной электронной карты, опорный слой которой описывает
географию территории, а каждый из остальных слоев – один из аспектов состояния
территории. Тем самым ГИС–технологии определяют специфическую область работы с
информацией.
Технология ГИС применима везде, где необходимо учитывать, обрабатывать и
демонстрировать территориально распределенную информацию. Пользователями ГИС–
технологии могут быть как организации, чья деятельность целиком базируется на земле
владельцы нефтегазовых предприятий, экологические службы, жилищно–коммунальное
хозяйство, так и многочисленные коммерческие предприятия – банки, страховые,
торговые и строительные фирмы, чья успешная работа во многом зависит от правильного
и своевременного учета территориального фактора.
В основе любой ГИС лежит информация о каком-либо участке земной
поверхности: континенте, стране, городе, улице.
БД организуется в виде набора слоев информации. Основной шрифт содержит
географически привязанную карту местности (топооснова). На него накладываются
другие слои, несущие информацию об объектах, находящихся на данной территории:
350
коммуникации, в том числе линии электропередач, нефте- и газопроводы, водопроводы,
промышленные объекты, земельные участки, почвы, коммунальное хозяйство,
землепользование и др.
В процессе создания и наложения слоев друг на друга между ними
устанавливаются необходимые связи, что позволяет выполнять пространственные
операции с объектами посредством моделирования и интеллектуальной обработки
данных.
Как правило, информация представляется графически в векторном виде, что
позволяет уменьшить объем хранимой информации и упростить операции по
визуализации. С графической информацией связана текстовая, табличная, расчетная
информация, координатная привязка к карте местности, видеоизображения,
аудиокомментарии, БД с описанием объектов и их характеристик.
Многие ГИС включают аналитические функции, которые позволяют моделировать
процессы, основываясь на картографической информации.
Программное ядро ГИС можно условно разделить на две подсистемы: СУБД и
управление графическим выводом изображения. В качестве СУБД используют SQL–
серверы.
4. Использование видео и аудио технологий в профессиональной
деятельностиWindows Movie Maker - это полезная и проверенная временем программа для
видеомонтажа. Для пользователей ранних версий Windows она знакома, поскольку была
встроена в операционную систему.. Приложение рассчитано на новичков и представляет
собой интуитивно понятный редактор для домашнего применения.
Программа для обработки видео позволяет получать его с различных источников,
обрабатывать, пользуясь различными переходами и эффектами, создавать заголовки,
титры, вырезать и склеить фрагменты.
Рабочая область программы состоит из области содержимого, монтажного стола и
окошка предварительного просмотра. Для быстрого доступа к часто используемым
командам программа оснащена панелью задач. Недостатком программы можно считать
сравнительно небольшой арсенал инструментов для работы с видео и его сохранение
практически в одном выходном формате – wmv. В данном случае всегда можно
воспользоваться софтом для конвертации.
VirtualDub – уникальная программа для монтажа видео. Приложение работает на
всей линейке ОС Windows и позиционируется как бесплатная программа для создания
351
видео. Уникальность утилиты обусловлена большой скоростью работы и малой загрузкой
центрального процессора, что удалось достичь благодаря низкоуровневому коду основной
части приложения. По этим параметрам утилита превосходит многие платные редакторы.
Также существенным отличием приложения является выполнение операций без
рекомпрессии, что дает пользователю полный контроль над выполняемыми действиями.
Основные функции приложения: видеозахват, резка / склеивание, использование
нескольких аудиодорожек, перекодирование, наложение фильтров, поддержка огромного
количества форматов, возможность распределенной работы в сети. Эту утилиту можно
рассматривать в качестве программы для записи видео. Обогатить функциональность
приложения можно достичь с помощью дополнительных плагинов.
Avidemux. Программа нарезки видео, написана на С++, что обеспечивает быструю
работу. Программа для редактирования видео является кроссплатформенным
приложением с открытым исходным кодом. Avidemux поддерживает огромное множество
входных и выходных форматов. Программа для изменения видео отлично работает с
кодеками x264, Xvid, Aften, LAME и другими. Приложение быстро производит базовые
операции по монтажу: копирование, вставку, обрезку, масштабирование, а также
разбивку. Создание визуальных эффектов достигается с помощью всевозможных
фильтров, после чего можно производить кодирование. Есть возможность взаимодействия
с мобильными и игровыми устройствами.
ZS4 Video Editor – это отличная программа для создания и обработки видео в
домашних условиях. С ее помощью вы можете создать качественный клип или фильм на
основе изображений, видео и аудио. Расположить все имеющиеся ресурсы предлагается
на неограниченном количестве дорожек.
Далее различные инструменты, предназначенные для того, чтобы подогнать кадр,
увеличить/уменьшить размер изображения, повернуть его, сделать панораму, выставить
баланс, настроить прозрачность, увеличить/уменьшить скорость воспроизведения и
нормализовать уровень громкости. Вдобавок к этому в арсенале ZS4 имеется более 150
эффектов. На выходе вы сможете сами выставлять расширение видеофайлов: от 8х8 до
16000х16000 точек. ZS4 Video Editor превосходно работает с такими форматами, как: avi,
wmv, wav. При этом предусмотрена возможность конвертации из одного формат в другой.
SONY Vegas Pro используют видеомонтажеры телевидения, веб–разработчики и те,
кто занимается выпуском короткометражных фильмов и сериалов. С первого взгляда
352
интерфейс может показаться сложным для восприятия. Диалоговое окно делится на два: в
одном находится рабочий проект, а в другом – видео из галереи. Управлять софтом можно
как мышью, так и с клавиатуры. Но по ходу работы вы поймете, что все кнопки и
закладки расположены там, где им и место.
Выбор инструментов в программе огромен. Уйма видеоэффектов, тонкая настройка
звука, подсказки при нарезке и склеивании фрагментов, возможность обработки файлов,
разрешение которых достигает 4096х4096, а также работа одновременно с несколькими
записями веб–камер. Кроме того, данная версия позволит загрузить любой из
существующих на сегодня видеоформат, откорректировать цвет, выставить частоту и
записать проект на Blu–Ray или DVD. Пробную версию SONY Vegas Pro вы можете
скачать бесплатно. Но она имеет ограниченный срок работы – 30 дней.
Звуковые редакторы
Объединяют функции цифрового магнитофона, звуковой монтажной станции и
набора устройств обработки звука (процессоров). Осуществляют запись, воспроизведение
и монтаж (вырезка, вклейка, замена фрагментов фонограммы). Чаще всего имеют набор
встроенных и/или подключаемых звуковых процессоров, с помощью которых реализуется
сложная обработка записанной фонограммы. Редактор может быть многоканальным,
допуская раздельную запись и обработку нескольких звуковых дорожек с последующим
их сведением (микшированием). Ряд редакторов предоставляет звуковые процессоры
реального времени, а также средства для исследования сигнала – спектроанализаторы,
взвешивающие фильтры и статистические функции.
Среди типовых функций звуковых редакторов наиболее общими являются:
Запись и воспроизведение звукового сигнала через аудиопорт звукового
адаптера (карты);
Чтение и запись звуковых файлов, преимущественно формата RIFF PCM
(WAV), а также других распространенных форматов;
Возможность обработки моно– и стереосигнала с разрядностью 8 и 16 и
частотой дискретизации до 44 100 Гц (нередко – до 24 разрядов и 96 кГц);
Монтаж сигнала (вырезка, вставка, удаление и размножение фрагментов);
Различные способы выделения рабочего участка (selection) при монтаже с
выравниванием (snap) по точкам пересечения нуля (zero crossing), по времени (time), по
ритмическим долям (beats);
Пометка точек и фрагментов фонограммы с ведением списка таких пометок,
из которого можно быстро перейти к помеченному участку, а также поддержка списка
353
участков проигрывания (play list), с помощью которого можно заменить линейное
проигрывание на «рваное»;
Основные операции обработки: усиление/ослабление, нормализация (такое
масшабирование сигнала, чтобы его амплитуда точно вписалась в заданный диапазон),
плавное увеличение/снижение уровня громкости (fade), изменение стереобаланса (pan),
сжатие/растяжение динамического диапазона (compress/expand), пороговое пропускание
(gate), наложение огибающей (envelope);
Основные виды эффект–обработки: phaser, flanger, reverb, delay, echo, over-
drive, distortion, fuzz и т.п.;
Специальные операции: частотное фильтрование (filter/EQ), изменение
высоты (pitch) сигнала или длительности (stretch) участка фонограммы, ослабление шумов
(noise, hiss) и щелчков (clicks, pops), формирование музыкальных звуков из участков
фонограммы, спектральный анализ всей фонограммы или ее участка;
Преобразование формата сигналов – частоты дискретизации, разрядности
отсчета и количества каналов, смешивание стереоканалов в один;
Генерация сигналов различной формы и характеристик – как стационарных,
так и с изменяющимися во времени параметрами, а также шумов с различным
распределением;
Доступ к зарегистрированным в системе внешним модулям (plugins)
обработки звука в стандарте DirectX/ActiveMovie, которым передается для обработки
выделенный участок фонограммы;
Синхронизация записи/воспроизведения по MIDI – запуск записи или
воспроизведения по внешнему событию, посылка синхронизирующих сообщений другим
устройствам (ведущее устройство, master sync), синхронизация по приходящим от других
устройств сообщениям (ведомое устройство, slave sync).
Sound Forge
Разработчик – Sonic Foundry
Многооконный редактор с поддержкой OLE, видеороликов в формате AVI и
дополнительного монитора для их отображения в процессе работы.
При работе с файлами в 16–разрядном формате PCM (WAV) есть возможность
открыть файл в режиме непосредственного доступа (Direct mode), без промежуточного
копирования. Это заметно ускоряет работу, однако лишает возможности сохранить
прежнюю версию файла при аварийном завершении.
354
Максимально достижимое увеличение – одна точка экрана на один отсчет
оцифровки, чего в ряде случаев явно недостаточно для хорошего рассмотрения формы
волны.
Автоматическое выравнивание при выделении – по точкам пересечения нуля и
временным меткам.
При монтаже удобно пользоваться функциями Preview Cur/Cursor (прослушивание,
каким будет результат вырезки, до выполнения самой вырезки) и Pre–roll to Cursor
(прослушивание небольшого участка перед курсором).
Поддерживается список помеченных участков (regions) и выборочного
проигрывания.
В режиме записи возможно создание «пульта дистанционного управления» –
Remote Control. При этом основное окно редактора заменяется на небольшое окно
«пульта», находящееся поверх других окон. Эта функция удобна при записи сигнала,
формируемого другой программой, либо устройством, управление которым производится
из другой программы.
В режиме записи возможен также прямой сброс данных на диск, минуя системный
кэш с обратной записью. Это позволяет избавиться от долгих пауз, когда Windows
сбрасывает кэш на диск, останавливая при этом все программы, однако работа диска в
таком режиме становится весьма напряженной за счет непрерывного позиционирования.
Надо сказать, что и при работе через кэш Sound Forge использует диск гораздо более
агрессивно, чем большинство других редакторов.
Редактор может работать с внешними семплерами (Akai, E–mu, Kurzweil, Peavey),
поддерживающими стандарты MIDI SDS и/или SCSI SMDI. Поддерживается также
подготовка семплов для ACID – другой программы Sonic Foundry, предназначенной для
создания музыки из готовых фрагментов.
Генератор сигналов выдает простые периодические сигналы и серии DTMF, а
также имеет функцию FM Synthesis – частотно–модуляционный операторный синтез,
популярный в электронных синтазаторах начала 80–х.
Поддерживаются собственные подключаемые модули. При помощи модуля Batch
Converter можно создать последовательность операций обработки, которая затем может
быть автоматически применена к одному или нескольким файлам. CD Architect
предназначен для формирования и записи звуковых компакт–дисков. Spectrum Analysis
служит для спектрального анализа фонограммы, Noise Reduction – для ослабления помех и
шумов, Q–Sound – для придания звуку эффекта объемности.
Синхронизация по MIDI возможна в обоих режимах – ведущем и ведомом.
355
Имеется любительская локализация SF 4.5 на русском языке (переведены тексты
меню и сообщений). Качество перевода среднее.
WaveLab
Разработчик – Steinberg
Один из наиболее мощных и удобных современных редакторов. Поддерживает
форматы до 24 разрядов и 96 кГц.
Предоставляет все необходимые монтажные операции, нормализацию,
преобразования динамики, коррекцию высоты/времени звучания. Операции сложной
обработки немногочисленны: трехполосный эквалайзер, гармонайзер на 16 голосов
(создает дополнительные гармоники основного голоса), качественный Chorus.
Основное внимание при обработке уделено поддержке модулей реального времени
– собственных, DirectX и VST (от Cubase VST). Для управления модулями сделана
специальная панель эффектов (Master Section), в которой можно выбрать до шести
модулей одновременно. Для модулей WaveLab/VST изображаются панели управления,
стилизованные под вид аппаратных стоечных блоков. Панели модулей, а также панели
инструментов WaveLab (toolbars) могут находиться в любом месте экрана, а не только в
окне редактора.
Имеет функции сравнения двух файлов, генерации тестового сигнала с огибающей,
построения трехмерной спектрограммы с показом ее с различных точек зрения.
Функция Batch Processor позволяет сформировать алгоритм пакетной обработки
набора файлов.
Поддерживает обмен данными с аппаратными семплерами AKAI, Ensoniq, E–mu,
Kurzweil, Roland в стандартах SDS/SMDI. Может считывать звуковые дорожки с компакт–
дисков. Содержит встроенный CD–рекордер с возможностью задания длительности пауз
между дорожками.
Технология распознавания лиц
Надежность работы системы, высокие процент распознавания, точность и скорость
идентификации обеспечиваются использованием специально разработанными
алгоритмами. Преимущества технологии ISS позволяют успешно использовать систему
"Face–Инспектор" на различных объектах: железнодорожных и автовокзалах, в
аэропортах, на станциях метрополитена, в местах проведения массовых мероприятий,
промышленных и стратегически важных объектах для решения широкого спектра задач
обеспечения безопасности, контроля и ограничения доступа, регистрации и
идентификации людей.
I этап. Поиск лица в видеопотоке
356
Поиск лиц в видеопотоке для их дальнейшего распознавания производится путем
выделения симметрий в каждом видеокадре. Для этого применяется определенный набор
симметричных сверток в заданном диапазоне масштабов изображения, после чего
видеоизображение обрабатывается нейросетью.
Этот алгоритм обеспечивает такие преимущества данной технологии как
устойчивость к шуму и неравномерной засветке лица.
II этап. Трекинг (отслеживание) лица между кадрами видеопотока
Лицо человека, единожды попав в поле зрения видеокамеры, с использованием
алгоритма предсказания вектора движения и корреляционных алгоритмов будет
автоматически отслеживаться от кадра к кадру. Все изображения будут сохраняться во
временном буфере. В результате будет выбран кадр с оптимальным ракурсом лица и
качеством изображения.
III этап. Выделение основных признаков лица
На этом этапе с использованием алгоритма анализа контуров производится
выделение на видеоизображении лица его основных признаков: глаз, носа, рта и т.д.
Преимуществом этого метода является надежная работа при нефронтальном
позиционировании лица.
IV этап. Нормализация изображения лица
После выделения основных признаков лица, его изображение приводится к
стандартному виду: для надежного распознавания изображение лица должно иметь
определенные размеры, необходимо выдержать расстояние между глазами, положение
лица относительно центра. Для этого изображение масштабируется, разворачивается, в
некоторых случаях также определяется положение лица (фас, положение в три четверти
или точные 3D координаты), автоматически нормализуется яркость и контрастность.
V этап. Преобразование индивидуальных признаков лица
Непосредственное сравнение полученного изображения лица с изображениями из
базы данных – ресурсоемко и неэффективно. Решение этой проблемы преобразование его
характерных признаков в форму, максимально подходящую для быстрого сравнения – в
вектор малой размерности.
VI этап. Сравнение полученного векторного представления с базой данных
Полученное векторное представление сравнивается с изображениями из базы
данных, хранящимися в таком же формате. В итоге сравнения "один к многим"
выбираются наиболее близкие по характеристикам вектора: результатом заключительного
357
этапа является идентификация лица, попавшего в поле зрения видеокамеры с
изображениями из базы данных.
358
РАЗДЕЛ 5. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ
СИСТЕМЫ В ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Тема 14. Информационные системы как центры сбора, хранения и
обработки служебной информации в профессиональной деятельности
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. История возникновения информационных систем (ИС).
2. Понятие автоматизированной информационной системы.
3. Этапы развития информационных систем.
4. Принципы проектирования АИС.
5. Этапы проектирования информационных систем.
6. Структура информационных систем.
7. Обеспечение АИС.
8. Классификации информационных систем.
1. История возникновения информационных системСегодня человечество переживает информационный взрыв во всех областях своей
жизнедеятельности. Количество и качество информации, обрабатываемой человеком,
непрерывно растет. Поэтому для каждого человека, живущего в информационном
обществе, очень важно овладение средствами оптимального решения задачи накопления,
упорядочения и рационального использования информации. И это становится особенно
актуальным в профессиональной деятельности каждого человека.
С использованием компьютеров возможности человека в обработке информации
резко возросли. В применении компьютерных технологий для решения задач
информационного обслуживания можно выделить два периода (рис.1):
I. Начальный период, когда решением задач обработки информации, организацией
данных занимался небольшой круг людей - системные программисты. Этот период
характерен тем, что создавались программные средства для решения конкретной задачи
обработки данных. При этом для решения другой задачи, в которой использовались эти
же данные, нужно было создавать новые программы.
II. Период системного применения ЭВМ. Для решения на ЭВМ комплекса задач
создаются программные средства, оперирующие одними и теми же данными,
использующие единую информационную модель объекта. Эти средства не зависят от
характера объекта, его модели, их можно применять для информационного обслуживания
различных задач.
359
Рис.1 Этапы развития информационных систем
Человечество пришло к организации информации в информационных системах.
В современных информационных технологиях существует огромное количество
различных определений понятия «информационная система». Как правило, каждая
прикладная отрасль информационных технологий определяет информационную систему в
узком смысле, как объект своего исследования. Рассмотрим несколько вариантов.
Информационная система:
– это наиболее рационально алгоритмизированная совокупность методов и средств
работы с информацией [1].
– это большие массивы данных вместе с программно-аппаратными средствами для
их обработки [2].
– это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых
для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной
цели [3].
Таким образом, проанализировав предложенные варианты, остановимся на
следующем: информационная система – это совокупность структурированных данных,
которая реализует такие информационные процессы, как сбор, хранение, обработка и
передача информации.
Отсюда вытекает, что основной целью информационной системы
является организация хранения, обработки и передачи итоговой информации,
необходимой для принятия решения. Информационная система представляет
собой человеко-компьютерную систему обработки информации.
Исполнение функций информационной системы невозможно без
знания ориентированной на нее информационной технологии.
360
Рассмотрим основные понятия ИС, знание которых необходимы для более полного
понимания их сути.
Система – это совокупность элементов, взаимодействующих друг с другом,
образующих определенную целостность, единство.
Элемент системы – часть системы, имеющая определенное функциональное
назначение.
Подсистема – это система, элементы которой, состоят из простых
взаимосвязанных элементов.
Если общую структуру ИС рассматривать как совокупность подсистем
независимо от сферы применения, то в этом случае подсистемы называют
обеспечивающими.
2. Понятие автоматизированной информационной системыС развитием компьютерной техники все большее значение приобретает такая
разновидность информационных систем, как автоматизированные информационные
системы (АИС), которые применяются фактически во всех областях человеческой
деятельности, в том числе и профессиональной. Под АИС в дальнейшем мы будем
понимать организацию ИС с помощью современных информационных технологий и
компьютерной техники. Зачастую понятия АИС и ИС неразличимы для пользователей и
объединены в одно понятие современная информационная система, т.е. набор
информационных технологий, направленных на поддержку жизненного
цикла информации и включающих три основные составляющие процесса:
обработку данных, управление, управление информацией и управление
знаниями.Информация, используемая в органах внутренних дел, содержит сведения о
состоянии преступности и общественном порядке на обслуживаемой территории, о самих
органах и подразделениях, их силах и средствах. В дежурных частях, у оперативных
работников, участковых инспекторов полиции, следователей, сотрудников экспертно-
криминалистических подразделений, паспортно-визовых аппаратов, других
подразделений на документах первичного учета, в учетных журналах и на других
носителях накапливаются массивы данных оперативно-розыскного и оперативно-
справочного назначения, в которых содержатся сведения: о правонарушителях и
преступниках; о владельцах автомототранспортных средств; о владельцах огнестрельного
оружия; о событиях и фактах криминального характера, правонарушениях; о похищенных
361
и изъятых вещах, предметах антиквариата; а также другая информация, подлежащая
хранению.
Перечисленные выше сведения используются при организации работы
подразделений МВД и принятии практических мер по борьбе с преступностью и
правонарушениями.
Требования к оперативной работе с большими массивами информации вызывают
необходимость внедрения в практику правоохранительных органов автоматизированных
информационных систем.
Автоматизированная информационная система (AИС) – это совокупность
программных и аппаратных средств, предназначенных для хранения и (или) управления
данными и информацией, а также для производства вычислений [12]. Основная цель
АИС – хранение, обеспечение эффективного поиска и передачи информации по
соответствующим запросам для наиболее полного удовлетворения информационных
запросов большого числа пользователей с применением компьютерных технологий.
Автоматизация информационных процессов позволяет повысить
производительность и эффективность труда работников, улучшить качество
информационной продукции и услуг, повысить сервис и оперативность обслуживания
пользователей. С ее помощью ликвидируются рутинные процедуры, сокращается время
выполнения заданий, преобразуются, а порой и полностью изменяются технологические
процессы, предоставляются пользователям новые виды информационных услуг и
продуктов. Автоматизация позволяет преобразовать и видоизменить отдельные
технологические процессы, а порой – все основные традиционно используемые
технологии. Она предоставляет пользователям новые, ранее неведомые, возможности
работы с информацией и одновременно создает новые проблемы, решить которые можно
лишь используя общенаучные методы и более новые информационные технологии (ИТ).
3. Этапы развития информационных системРазвитие информационных систем можно рассматривать с двух точек зрения [13].
1. С позиций развития самой техники, появления новой технической
базы, порождающей новые информационные потребности (рис. 2).
2. С точки зрения совершенствования самих автоматизированных
информационных систем (АИС).
Первый аспект предполагает два этапа: один – до появления ЭВМ,
связанный с именами изобретателей первых вычислительных устройств,
362
таких как Б. Паскаль, П.Л. Чебышев, Ч. Беббидж и др.; второй – с развитием
ЭВМ.
Развитие ЭВМПервое поколение ЭВМ (1950-е гг.) было построено на базе электронных ламп и
представлено моделями: ЭНИАК, "МЭСМ”, "БЭСМ-1”, "М-20”, "Урал-1”, "Минск-1”. Все
эти машины имели большие размеры, потребляли большое количество электроэнергии,
имели малое быстродействие, малый объем памяти и невысокую надежность. В
экономических расчетах они не использовались.
Второе поколение ЭВМ (1960-е гг.) было на основе полупроводников и
транзисторов: "БЭСМ-6”, "Урал-14”, "Минск-32”. Использование транзисторных
элементов в качестве элементной базы позволило сократить потребление электроэнергии,
уменьшить размеры отдельных элементов ЭВМ и всей машины, вырос объем памяти,
появились первые дисплеи и др. Эти ЭВМ уже использовались для решения
экономических задач.
Третье поколение ЭВМ (1970-е гг.) было на малых интегральных схемах. Его
представители – IBM 360 (США), ряд ЭВМ единой системы (ЕС ЭВМ), машины
семейства малых с СМ I по СМ IV. С помощью интегральных схем удалось уменьшить
размеры ЭВМ, повысить их надежность и быстродействие.
Четвертое поколение ЭВМ (1980-е гг.) было на больших интегральных схемах
(БИС) и было представлено IBM 370 (США), ЕС-1045, ЕС-1065 и пр. Они представляли
собой ряд программно-совместимых машин на единой элементной базе, единой
конструкторско-технической основе, с единой структурой, единой системой
программного обеспечения, единым унифицированным набором универсальных
устройств. Широкое распространение получили персональные (ПЭВМ), которые начали
появляться с 1976 г. в США (Apple). Они не требовали специальных помещений,
установки систем программирования, использовали языки высокого уровня и общались с
пользователем в диалоговом режиме.
В настоящее время строятся ЭВМ на основе сверхбольших
интегральных схем (СБИС). Они обладают огромными вычислительными
мощностями и имеют относительно низкую стоимость. Их можно
представить не как одну машину, а как вычислительную систему,
363
связывающую ядро системы, которое представлено в виде супер-ЭВМ, и
ПЭВМ на периферии.
Это позволяет существенно сократить затраты человеческого труда и
эффективно использовать труд машины. Главной тенденцией развития АИС
является постоянное стремление к улучшению. Оно достигается благодаря
совершенствованию технических и программных средств, что порождает
новые информационные потребности и ведет к совершенствованию
информационных систем.
Поколения информационных системПервое поколение АИС (1960 1970 гг.) строилось на базе вычислительных центров
по принципу «одно предприятие – один центр обработки».
Второе поколение АИС (1970-1980 гг.) характеризуется переходом к
децентрализации ИС. Информационные технологии проникают в отделы, службы
предприятия. Появились пакеты и децентрализованные базы данных, стали внедряться
двух, трехуровневые модели организации систем обработки данных.
Третье поколение АИС (1980 - начало 1990 гг.): характерен массовый переход к
распределенной сетевой обработке на базе персональных компьютеров с объединением
разрозненных рабочих мест в единую ИС.
Четвертое поколение АИС (1990 гг. – до настоящего времени) характеризуется
сочетанием централизованной обработки на верхнем уровне с распределенной обработкой
на нижнем. Наблюдается тенденция к возврату на крупных и средних предприятиях к
использованию в ИС мощных ЭВМ в качестве центрального узла системы и дешевых
сетевых терминалов (рабочих станций).
Современные информационные системы на предприятиях создаются на
основе локальных и распределенных сетей ЭВМ, новых технологий принятия
управленческих решений, новых методов решения профессиональных задач
конечных пользователей и т.д.
Конечной целью, как разработчиков, так и пользователей при этом
является создание целостных технологических систем, полностью
охватывающих информационное производство со всеми основными и
вспомогательными процессами на всех уровнях управления.
364
В функционально-прикладном аспекте подобные тенденции
характеризуются расширением сфер применения новых инструментально-
программных средств, таких, как сетевые средства, системы управления
базами данных, экспертные системы и др. Существенно меняется как
содержимое, так и состав функциональной структуры автоматизированной
информационной системы предприятия на всех уровнях.
На верхнем уровне обеспечивается более интенсивное решение таких
важных для предприятия задач, как прогнозирование, автоматизация
планирования деятельности предприятия, автоматизация проектирования
новых технологий и изделий, автоматизация управления производственно-
хозяйственной деятельностью, основным и вспомогательным производством,
автоматизация управления материально-техническим снабжением, сбытом,
трудовыми ресурсами.
В функционально-прикладном аспекте подобные тенденции
характеризуются расширением сфер применения новых инструментально-
программных средств, таких, как сетевые средства, системы управления
базами данных, экспертные системы и др. Существенно меняется как
содержимое, так и состав функциональной структуры автоматизированной
информационной системы предприятия на всех уровнях.
На верхнем уровне обеспечивается более интенсивное решение таких
важных для предприятия задач, как прогнозирование, автоматизация
планирования деятельности предприятия, автоматизация проектирования
новых технологий и изделий, автоматизация управления производственно-
хозяйственной деятельностью, основным и вспомогательным производством,
автоматизация управления материально-техническим снабжением, сбытом,
трудовыми ресурсами.
4. Принципы проектирования АИС
Важнейшие элементы проектирования информационных систем
приведены на схеме, изображенной на рис. 3 [14]:
365
Рис. 3. Элементы проектирования АИС
В основе проектирование АИС лежат такие основополагающие принципы, как
эффективность, контроль, совместимость, гибкость, системность, развитие,
стандартизация и унификация.
Принцип эффективности – достижение рационального соотношения между
затратами на создание системы и целевым эффектом, получаемым при ее
функционировании. Это означает, что выгода от новой автоматизированной системы
должна быть равной или больше расходов на нее.
Принцип безопасности означает обеспечение сохранности информации,
регламентация работы с системой, использование специального оборудования и шифров.
Принцип совместимости предполагает, что проект системы будет учитывать
организационные и человеческие факторы предприятия. Иными словами, система должна
учитывать организационную структуру предприятия, а также интересы, квалификацию и
отношение людей, выполняющих различные функции. Система должна быть простой,
удобной для освоения и использования (меню, подсказки, система исправления ошибок и
др.).
Принцип гибкости требует от системы возможности расширения без проведения
больших изменений.
Принципы системности позволяют исследовать объект как единое целое во
взаимосвязи всех его элементов.
Принцип развития заключается в непрерывном обновлении функциональных и
обеспечивающих составляющих системы.
366
Принцип стандартизации и унификации предполагает использование уже
накопленного опыта в проектировании и внедрении АИС посредством программирования
типовых элементов, что позволяет сократить затраты на создание АИС.
5. Этапы проектирования информационных системI этап – предпроектный (обследование, составление отчета, технико-
экономического обоснования и технического задания);
II этап – проектный (составление технического и рабочего проектов);
III этап – внедрение (подготовка к внедрению, проведение опытных испытаний и
сдача в программную эксплуатацию);
IV этап – анализ функционирования (выявление проблем, внесение изменений в
проектные решения и существующие АИС).
На рис. 4 показана последовательность и взаимосвязь этапов проектирования АИС
[15].
Рис. 4. Этапы проектирования АИС
6. Структура автоматизированных информационных системВ основе современных АИС лежит совокупность структурированных данных (базы
данных или базы знаний) и информационных технологий, которые реализуют
информационные процессы [7].
База данных представляет собой совокупность взаимосвязанных
структурированных данных [4]. В последнее время популярностью пользуются
реляционные базы данных, в которых информация хранится в одной или нескольких
таблицах, связанных посредством значений одного или нескольких совпадающих полей.
Базы знаний – это форма представления информации в экспертных системах,
являющимися представителями класса систем искусственного интеллекта. Базу знаний
можно определить как совокупность структурированной согласно выбранной модели
367
информации о предметной области, полученной от экспертов, и правил, описывающих
преобразование данных в предметной области [7].
Информационная система состоит из двух компонентов: программного
обеспечения и электронного информационного хранилища. Схематично структуру
информационной системы можно представить следующим образом (рис. 5) [16]:
Рис. 5. Структурные компоненты информационных систем
Так как информационная система предназначена для использования в какой-либо
профессиональной области, то любая ИС рассчитана на взаимодействие, с какими - либо
пользователями. Причем под пользователями в общем случае следует понимать не только
людей, но и другие информационные системы, с которыми данная ИС обменивается
информацией. Как видно из схемы (рис. 5), интерфейс между пользователем и данными
реализуется посредством программного обеспечения. Напомним, что под интерфейсом
понимают совокупность унифицированных технических и программных средств и правил
(описаний, соглашений, протоколов), обеспечивающих взаимодействие устройств и/или
программ в вычислительной системе или сопряжение между системами. Сущность
понятия интерфейс можно раскрыть на примерах, не относящихся к информационным
технологиям. Вожжи – главный элемент интерфейса между лошадью и кучером, или же, –
интерфейс системы «лошадь – кучер»; руль, педали газа и тормоза, ручка КПП –
интерфейс (управления) автомобиля или же интерфейс системы «водитель – автомобиль»;
электрические вилка и розетка являются интерфейсом энергоснабжения большинства
бытовых приборов; элементы электронного аппарата (автомагнитолы, часов и т.д.) –
дисплей, набор кнопок и переключателей для настройки, плюс правила управления [17].
368
Блок ПО (программное обеспечение) включает три части: ИП - интерфейс
пользователя, ИД – интерфейс с данными, БЛ – бизнес логика. Конечно, данное деление в
общем случае является условным, и не означает, что в реальном программном
обеспечении можно явно выделить все три части. Структура хранения данных
практически никогда не совпадает со структурой данных, представляемых пользователю.
Следовательно, в программном обеспечении должно быть предусмотрено преобразование
информации из одного формата к другому и обратно. Вот эта часть программного
обеспечения, которую мы выделили чисто логически и принято называть бизнес логикой.
7. Обеспечение АИСЭлементами обеспечения автоматизированных информационных систем и их
технологий являются программное, техническое, организационное и правовое
обеспечение, используемые или создаваемые при проектировании информационных
систем и обеспечивающие их эксплуатацию (рис. 6).
Рис. 6. Виды обеспечение информационных систем
Программное обеспечение представляет инструментальную среду программистов,
прикладные программы для соответствующих ЭВМ и установленные на них
операционные системы. Это языки программирования, операционные системы, сетевое
программное обеспечение, редакторы (текстовые, связей, табличные и др.), библиотеки
программ, трансляторы, утилиты и др. Главными среди них являются программные
комплексы АИС – системы управления базами данных (СУБД). Их оболочки – это
автоматизированные информационно-поисковые системы (АИПС) широкого применения.
Техническое обеспечение АИС включает средства ввода, обработки, хранения,
поиска и передачи/приема информации. Ввод, обработка и хранение данных –
369
стандартные составляющие ЭВМ. Поиск информации осуществляется на основе
использования специального ПО.
В состав организационного обеспечения АИС входят структурные подразделения
организации, ее использующей, осуществляющие управление технологическими
процессами и поддержку работоспособности системы, а также документация для
обеспечения эксплуатации и развития системы.
Правовое обеспечение включает нормативные документы, регламентирующие
деятельность АИС.
Информационное обеспечение – совокупность форм документов, классификаторов,
нормативной базы и реализованных решений по объемам, размещению и формам
существования информации, применяемой в АИС при ее функционировании (из п. 2.8
ГОСТ 34.003-90) [18].
Иногда в отдельную группу выделяют математическое и
лингвистическое обеспечение, однако данные виды обеспечения по своей
сущности являются разновидностями ПО.
Математическое обеспечение включает в себя средства
моделирования процессов управления, методы решения типовых задач
управления и методы их оптимизации.
Лингвистическое обеспечение содержит совокупность языковых
средств для формализации естественного языка, построения и сочетания
информационных единиц в ходе общения пользователя со средствами
вычислительной техники.
370
Тема 15. Документальные информационные системы в
профессиональной деятельности
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Классификации информационных систем
2. Характерные особенности документальных информационных систем (ДИС).
3. Использование документальных информационных систем (ДИС) в
профессиональной деятельности сотрудника ОВД.
1. Классификации информационных систем
Классифицировать информационные системы достаточно сложно из-за
их разнообразия и постоянного развития структур и функций.
В качестве признаков классификации используются: область
применения, охватываемая территория, организация информационных
процессов, направление деятельности, структура и др.
По территориальному признаку автоматизированная информационная
система (АИС) классифицируются на геоинформационные, международные,
общегосударственные, областные, республиканские, окружные, городские,
районные и т.д.
По сфере применения различают АИС в экономике, в
промышленности, в торговле, на транспорте, в правовой сфере, в медицине, в
учебных заведениях и т.п.
В рамках одной сферы АИС можно классифицировать по видам
деятельности. Так, например, все правовые информационные системы можно
условно разбить на АИС, используемые в правотворчестве,
правоприменительной практике, правоохранительной деятельности,
правовом образовании и воспитании. Конечно, следует понимать, что
подобного рода классификация достаточно условна, так как одни и те же
АИС могут использоваться в различных видах правовой деятельности.
Один из основных подходов к классификации АИС в правовой сфере
связан с видами обрабатываемой социально-правовой информации.
371
Так можно выделить АИС, основанные на системе нормативных
правовых актов. Например, информационно-поисковые по законодательству
и справочные правовые системы. Для этих систем проблемы систематизации
информации связаны с вопросами классификации и систематизации
нормативных правовых актов.
С другой стороны, можно выделить системы, аккумулирующие и
обрабатывающие разнообразную социально-правовую информацию
ненормативного характера: криминологическую, криминалистическую,
судебно-экспертную, оперативно-розыскную, научную правовую и др.
Всю документированную правовую информацию можно разбить на
официальную и неофициальную.
К официальной правовой информации относятся сведения и данные о
праве или о законодательстве в широком смысле слова, т.е. обо всех
действующих и уже прекративших действие нормативных актах. В
автоматизированных системах, основанных на официальной правовой
информации, большую роль играет ее классификация по источникам права:
законы Российской Федерации, нормативные акты правительства страны и
правительств республик, министерств и ведомств страны и республик и
местных органов государственной власти и государственного управления,
общественных организаций и др.
В качестве неофициальной правовой информации, лежащей в основе
функционирования АИС, рассматриваются все сведения и данные о праве и
связанных с ним явлениях, которые отражены в юридической научной
литературе, не являющейся официальной (юридических монографиях,
учебниках, статьях, обзорах, докладах, справочниках и других материалах), и
сведения, содержащиеся в материалах, полученных от предприятий,
учреждений, общественных организаций, граждан и других источников.Большое значение, с точки зрения создания и функционирования АИС, имеет
классификация информации по степени доступа на общедоступную и ограниченного
доступа. Использование подобного рода информации в автоматизированных системах
372
требует организации технической и программной защиты ее от несанкционированного
доступа.
Кроме того, автоматизированные системы правовой информации
можно классифицировать по требованию к уровню подготовки
пользователей: для специалистов или для широкого круга пользователей.
С точки зрения опыта практического применения АИС целесообразно
классифицировать по степени сложности технической, вычислительной,
аналитической и логической обработки используемой информации. При
таком подходе можно выделить следующие виды АИС:
автоматизированные информационно-справочные системы (АИСС);
автоматизированные информационно-логические системы (АИЛС);
экспертные системы (ЭС) и системы поддержки принятия решений;
автоматизированные рабочие места (АРМ);
автоматизированные системы управления (АСУ);
автоматизированные системы информационного обеспечения
(АСИО).
Дадим каждому из перечисленных видов АИС краткое описание.
Автоматизированные информационно-справочной системой
(АИСС) в области права – это автоматизированные информационные
системы, предназначенные для сбора, систематизации, хранения и поиска
правовой информации по запросам пользователей.
АИСС используются для накопления и постоянного корректирования
больших массивов информации о лицах, фактах и предметах,
представляющих интерес. Эти системы работают преимущественно по
принципу «запрос – ответ», поэтому обработка информации в них связана в
основном не с преобразованием первичных данных, а с их поиском.Автоматизированные базы данных в значительной степени упрощают работу
специалистов в области криминалистики. Современная практика эксперта-криминалиста
основывается на достаточно широком ряде баз данных и автоматизированных
информационных систем криминалистического профиля, позволяющих решать
следующие задачи:
373
анализ взрывчатых веществ (АИС «Взрывчатые вещества»);
анализ текстильных волокон (АИС «Волокно»);
анализ рентгенограмм (АИС «Фазан»);
анализ автоэмалей (АИС «Марка»);
анализ красителей шариковых ручек (АИС «Спектр»);
анализ стекол автомобильных фар (АИС «Стекло»);
анализ бумаги (АИС «Бумага»);
создание библиотек инфракрасных спектров (АИС «БИРСИ», Германия);
анализ металлов и сплавов (или их следов).
Практическая ценность применения подобных автоматизированных
информационных систем в деятельности органов внутренних дел не вызывает сомнений.
Так, например, АИС по взрывчатым веществам гражданского и военного применения, а
также боеприпасам предоставляет возможность определять состав, марку взрывчатых
веществ на основе экспериментальных данных; банки данных «Модель оружия-гильзы»
являются поисковой базой для установления типа оружия по пуле или гильзе.
В законотворческой деятельности использование автоматизированных
информационно-поисковых систем также имеет большое значение. Эти системы играют
роль незаменимого помощника для учета предшествующего законодательства на этапе
разработки новых нормативных актов. Необходимость увязки всех вновь создаваемых
нормативных актов с уже действующими, недопущение повторений одних и тех же норм
в различных правовых актах, признание определенных нормативных актов утратившими
силу – работа очень трудоемкая. Ручной отбор необходимых правовых документов может
не только занять достаточно длительное время, но и привести к тому, что многие
нормативные акты останутся вне поля зрения специалистов.
Машинный поиск существенно повышает оперативность подготовки
новых нормативных актов и перечней нормативных актов, утративших силу.
Наибольшее применение автоматизированные информационно-
поисковые системы находят в правоприменительной деятельности, которая
связана с необходимостью работы с правовой информацией.
Получение необходимых нормативных правовых документов из
средств массовой информации требует больших временных затрат. Эта
задача становится еще более сложной, если речь идет о различных
ведомственных нормативных актах, которые далеко не всегда издаются в
374
периодической печати. С использованием информационно-поисковых систем
задача быстрого подбора необходимых документов существенно упрощается
по сравнению с поиском в средствах массовой информации. Кроме того,
информационно-поисковые системы являются весьма полезным
инструментом для людей, не имеющих специального юридического
образования и не знающих, какие конкретно нормативные правовые акты
регулируют тот или иной вопрос. Такие проблемы нередко возникают и
перед юристами, не являющимися специалистами в рассматриваемой
правовой области. Этих трудностей можно избежать, воспользовавшись
различными поисковыми возможностями, предоставляемыми современными
автоматизированными системами правовой информации. Системы
классификации (хронологические, тематические, по реквизитам документов
и т.п.) таких компьютерных баз позволяют на хорошем уровне решать
многие задачи.
Автоматизированными информационно-логическими системами
(АИЛС) правовой информации называются автоматизированные
информационные системы, призванные на базе хранящегося в них,
специально систематизированного массива правовой информации с
помощью специальных логических процедур решать задачи анализа
правовой информации.
Этот класс информационных систем предназначен для решения на
основе систематизированной правовой информации различного вида
простейших логических задач. В результате работы систем этого класса
происходит не только поиск необходимой при решении задач правовой
информации (как в информационно-поисковых), но и с помощью
определенных логических процедур синтез новых сведений, не
содержащихся явно в отобранной правовой информации.
Сравнительно новым и перспективным направлением использования
компьютерных технологий являются экспертные системы (ЭС),
относящиеся к системам искусственного интеллекта.
375
Эти системы способны накапливать, обрабатывать знания из некоторой
предметной области, на их основе выводить новые знания и решать на основе
этих знаний практические задачи, объясняя ход решения. С помощью
экспертных систем решаются задачи неформализованные, слабо
структурируемые, алгоритмы решения которых не существуют в силу
неполноты, неопределенности, неточности, расплывчатости
рассматриваемых ситуаций и знаний о них.Автоматизированные рабочие места (АРМ) — индивидуальный комплекс
технических и программных средств, предназначенный для автоматизации
профессионального труда специалиста. В состав АРМ входят, как правило, персональный
компьютер, принтер, графопостроитель, сканер и другие устройства, а также прикладные
программы, призванные решать конкретные задачи из профессиональной деятельности.
Автоматизированные системы управления (АСУ) — комплекс
программных и технических средств, предназначенных для автоматизации
управления различными объектами.
Основная функция АСУ — обеспечение руководства информацией.
Автоматизированная система управления обеспечивает автоматизированный
сбор и передачу информации об управляемом объекте, переработку
информации и выдачу управляемых воздействий на объект управления.
Примером современной АСУ ОВД является АСУ «Дежурная часть»
(АСУ ДЧ), которая предназначена для автоматизации управления силами и
средствами подразделений и служб ОВД в процессе оперативного
peaгирования на преступления и правонарушения. АСУ выполняет
следующие основные функции: автоматизированный сбор и анализ
информации об оперативной обстановке в городе, выдача решений и
целеуказаний подразделениям ОВД, экипажам патрульных автомобилей,
контроль за их исполнением в реальном масштабе времени;
автоматизированный сбор, обработка, хранение, документирование и
отображение на средствах индивидуального и коллективного пользования в
ДЧ и подразделениях ОВД информации о расстановке сил и средств, о
положении и числе патрульных автомобилей, фактах преступлений и
376
правонарушений на фоне электронных карт; автоматизированный сбор по
каналам связи из подразделений и служб ОВД информации о лицах,
совершивших правонарушения, о похищенных вещах, угнанных
транспортных средствах, другой оперативно-розыскной и справочной
информации, а также выдача информации по запросам подразделений ОВД
из региональных и общегородских банков данных; автоматическая
регистрация деятельности подразделений ОВД, подготовка аналитических и
статистических отчетов, ретроспективный анализ процессов и событий.Автоматизированная система информационного обеспечения (АСИО) — это
автоматизированная информационная система, обеспечивающая максимально полное
удовлетворение информационно-правовых потребностей различных правовых
образований на основе эффективной организации и использования информационных
ресурсов.
Еще одним классификационным признаком АИС может выступать характер
информации, которой оперирует ИС. В этом случае принято выделять следующие виды
ИС: фактографические, документальные и интеллектуальные (экспертные системы), на
каждом из которых подробней остановимся позднее.
Рис. 1. Виды ИС
2. Характерные особенности
документальных информационных систем (ДИС)Одной из особенностей документальных информационных систем является, то, что
они не предполагают выдачу однозначного ответа на поставленный вопрос. Базу данных
таких систем образует совокупность неструктурированных текстовых документов (статьи,
книги, рефераты, тексты законов) и графических объектов, снабженная тем или иным
формализованным аппаратом поиска.
Цель системы, как правило, - выдать в ответ на запрос пользователя список
документов или объектов, в какой-то мере удовлетворяющих сформулированным в
377
запросе условиям. Например: выдать список всех статей, в которых встречается слово
«закон». Принципиальной особенностью документальной системы является ее
способность, с одной стороны, выдавать ненужные пользователю документы (например,
где некоторое слово употреблено в ином смысле, чем предполагалось), а с другой - не
выдавать нужные (например, если автор употребил какой-то синоним или ошибся в
написании). Документальная система должна уметь по контексту определять смысл того
или иного термина, например, различать «ромашка» (растение), «ромашка» (тип
печатающей головки принтера).
Поэтому, в широком смысле под документальной информационной системой
мы будем понимать – некое объемное хранилище документов с возможностью поиска
(еще одно их название — информационно-поисковые системы (ИПС)) и выдачи,
необходимых пользователю.
Под документом понимают хранящийся в информационной базе, объект
произвольной структуры, содержащий информацию произвольного характера, доступ, к
которому можно получить по его реквизитам.
Реквизитами документа являются свойства этого документа, позволяющие
однозначно его идентифицировать. Примерами реквизитов могут служить название
документа, его номер, дата создания, имена создателей, электронная подпись и т.д. В
качестве примеров документов можно привести статьи, тексты приказов и распоряжений,
бухгалтерские документы, карты местности, звуковые записи и т.д. Важно еще раз
подчеркнуть, что структура объекта, который мы назвали документом, может носить
самый произвольный характер: форматы для текстовых документов (обычный текстовый
формат, формат Word, формат PDF, формат DjVu, формат HTML и т.д.), таблицы,
графические файлы и т.п.
В зависимости от особенностей реализации хранилища документов и механизмов
поиска, ДИС можно разделить на две группы: системы на основе индексирования;
семантически-навигационные или гипертекстовые системы.
В гипертекстовых системах документы, которые помещаются в хранилище
документов, оснащаются специальными навигационными конструкциями
(гиперссылками), соответствующими смысловым связям между различными документами
или отдельными фрагментами одного документа.
В системах на основе индексирования исходные документы помещаются в базу без
какого-либо дополнительного преобразования, но при этом смысловое содержание
каждого документа отображается в некоторое поисковое пространство. Процесс
отображения документа в поисковое пространство называется индексированием и
378
заключается в присвоении каждому документу некоторого индекса — координаты в
поисковом пространстве. Формализованное представление индекса документа называется
поисковым образом документа (ПОД). Пользователь выражает свои информационные
потребности, посредством специального языка, формируя поисковый образ запроса (ПОЗ)
к базе документов.
На основе определенных критериев ДИС осуществляет поиск и выдачу
документов, поисковые образы которых соответствуют поисковым образам запроса
пользователя.
Остановимся подробней на качественном и количественном показателе
соответствия найденных в системе документов, информационным потребностям
пользователя.
Рис. 2. Показатели соответствия найденных в системе документов,
информационным потребностям пользователя
Таким образом, под релевантностью (адекватностью) обычно понимают степень
практической применимости результата или социальной применимость некоторого
варианта решения задачи. В контексте указанной тематики, понятие релевантности можно
уточнить следующим образом: – это соответствие найденного документа заданному
информационному запросу, определяемое либо неким неформальным путем
(содержательная релевантность) либо по определенному алгоритму (формальная
релевантность). В терминах ДИС – это соответствие, определяемое путем сравнения
поискового образа запроса (ПОЗ) с поисковым образом документа (ПОД) по
определенному алгоритму [2].
Под пертинентностью в общем смысле понимают соотношение объема полезной
информации к общему объему полученной информации, в терминах ИС – это
соответствие найденных информационно-поисковой системой документов
информационным потребностям пользователя, независимо от того, как точно и полно они
выражены в тексте информационного запроса.
379
Специальным языком, посредством которого формируется ПОЗ, принято называть
информационно-поисковым языком (ИПЯ) и определять его как некую
формализованную семантическую систему, предназначенную для выражения содержания
документа и поискового запроса.
Основными элементами ИПЯ являются алфавит, лексика (словарный состав) и
грамматика.
Алфавит ИПЯ – система знаков, используемых для записи слов и выражений
ИПЯ.
Словарный состав (лексика) ИПЯ – совокупность слов, словосочетаний и
выражений, используемых для построения текстов ИПЯ.
Грамматика ИПЯ – совокупность средств и способов построения, изменения и
сочетания лексических единиц. Грамматика включает морфологию и синтаксис.
Так как ИПЯ может быть определен различными способами, выделим ряд
требований, которым он должен удовлетворять:
располагать лексико-грамматическими средствами для точного отображения
темы документа и запроса;
не содержать полисемии (когда одно и то же слово выражает пучок
родственных понятий);
не содержать синонимии (совпадение слов по значению и несовпадение по
написанию);
не содержать омонимии (совпадение слов по написанию или звучанию и
несовпадение по смыслу);
отображать только объективные характеристики предметов и отношений
между ними;
быть удобным для алгоритмического сопоставления ПОД и ПОЗ.
Естественный язык обладает высокой многозначностью. В ИПЯ недопустима
многозначность. Поэтому необходимо учитывать отношения синонимии и омонимии слов
естественного языка, используемых в ИПЯ.
Построение выражений ИПЯ требует решения ряда проблем.
Первая проблема связана с выбором лексических единиц ИПЯ, необходимых для
построения выражений. Выбор слов определяется их смыслом, обусловленным
парадигматическими отношениями между предметами и явлениями, которые они
определяют.
Парадигматические отношения – это отношения, обусловленные наличием
логических связей между предметами и явлениями, обозначенными данными словами.
380
Рассмотрим самые очевидные парадигматические отношения:
«вид – род», например, «огурец – овощ». В данном случае понятие «огурец»
является видовым по отношению к понятию «овощ». Родовое понятие всегда включает в
себя видовое;
«часть – целое», например «нога – человек»;
«причина – следствие», например, «лампа – свет»;
«функциональное сходство», например, «лопата – экскаватор».
Вторая проблема построения фраз ИПЯ связана с определением
последовательности выбранных слов.
Синтагматические отношения – отношения слов при соединении их в
словосочетания и фразы. Для уточнения смысла документа или запроса, помимо
ключевых слов, часто необходимо указывать, в каких синтагматических отношениях эти
слова находятся.
Многообразие используемых в ИПЯ парадигматических и синтагматических
отношений определяет семантическую силу ИПЯ.
По способу организации понятий различают следующие ИПЯ:
предкоординируемые (классификационные) ИПЯ; посткоординируемые (дескрипторные)
ИПЯ.
Предкоординация предполагает предварительное (до использования при
индексировании) построение сложных классов путем логического умножения
(координации) простых классов. Словарный состав задается в виде фиксированного
списка слов, словосочетаний и фраз. Введение в язык новых лексических единиц строго
ограничено и возможно лишь до индексирования документов, т. е. при создании языка.
Посткоординируемые (дескрипторные) языки основаны на методе
координатного индексирования. В посткоординируемых ИПЯ лексические единицы
объединяются в поисковом образе лишь во время индексирования документа. Словарь
дескрипторного ИПЯ состоит отдельных слов или словосочетаний естественного языка,
отобранных специальным образом, так называемых – ключевых слов и дескрипторов.
Координатное индексирование — индексирование, при котором основное
смысловое содержание текста (документа) или информационного запроса представляется
в виде сочетания ключевых слов или дескрипторов.
Ключевые слова — это наиболее существенные для отображения содержания
документа слова и словосочетания, обладающие назывной функцией.
381
Одним из важнейших показателей эффективности функционирования ИС,
характерным для документальных информационных систем является полнота и точность
информационного поиска. Рассмотрим подробней указанные понятия.
Полнота информационного поиска
Обозначим полноту информационного поиска R , тогда R определяется
отношением числа найденных релевантных документов к общему числу релевантных
документов, имеющихся в системе, т.е. R= A
C , где A – число найденных релевантных
документов, C – общее число релевантных документов в системе.
Точность информационного поиска
Обозначим точность информационного поиска P , тогда P определяется
отношением числа найденных релевантных документов к общему числу документов,
выданных на запрос пользователя, т.е. P= A
L , где L – общее число документов,
выданных на запрос пользователя.
Информационный шум
Наличие среди отобранных на запрос пользователя нерелевантных документов
называется информационным шумом системы. Коэффициент информационного шума K
определяется отношением нерелевантных документов, выданных в ответе пользователю, к
общему числу документов, выданных на запрос пользователя: K=
( L−A )L
3. Использование документальных информационных систем (ДИС)
в профессиональной деятельности сотрудника ОВДРассмотрим возможности применения ДИС в профессиональной деятельности
сотрудников ОВД.
Для этого подробно остановимся на правовых информационных системах, которые
являются типичным примером документальных информационных систем Поисковые
интернет системы также являются представителями документальных систем.
Разобьем их условно на АИС, используемые в правотворчестве,
правоприменительной практике, правоохранительной деятельности, правовом
образовании и воспитании. Естественно, следует понимать, что подобного рода
классификация достаточно условна, так как одни и те же АИС могут использоваться в
различных видах правовой деятельности.
382
Можно также рассмотреть правовые информационные системы с точки зрения
правового образования, в рамках которого они сложились, и задачи которого решают в
процессе своего функционирования, — автоматизированные системы органов
прокуратуры, юстиции, судов и др.
Один из основных подходов к классификации АИС в правовой сфере связан с
видами обрабатываемой социально-правовой информации.
Так можно выделить АИС, основанные на системе нормативных правовых актов.
Например, информационно-поисковые по законодательству и справочные правовые
системы. Для этих систем проблемы систематизации информации связаны с вопросами
классификации и систематизации нормативных правовых актов.
С другой стороны, можно выделить системы, аккумулирующие и обрабатывающие
разнообразную социально-правовую информацию ненормативного характера:
криминологическую, криминалистическую, судебно-экспертную, оперативно-розыскную,
научную правовую и др.
В ДИС собираются и систематизируются тексты документов или их
библиографическое описание. Поскольку документированная информация — это
зафиксированная на материальном носителе путем документирования информация с
реквизитами, позволяющими определить такую информацию, или в установленных
законодательством Российской Федерации случаях ее материальный носитель, то
указанные реквизиты являются основанием для классификации обрабатываемой
информации.
Всю документированную правовую информацию можно разбить на официальную
и неофициальную. К официальной правовой информации относятся сведения и данные о
праве или о законодательстве в широком смысле слова, т.е. обо всех действующих и уже
прекративших действие нормативных актах. В автоматизированных системах,
основанных на официальной правовой информации, большую роль играет ее
классификация по источникам права: законы Российской Федерации, нормативные акты
правительства страны и правительств республик, министерств и ведомств страны и
республик и местных органов государственной власти и государственного управления,
общественных организаций и др.
В качестве неофициальной правовой информации, лежащей в основе
функционирования АИС, рассматриваются все сведения и данные о праве и связанных с
ним явлениях, которые отражены в юридической научной литературе, не являющейся
официальной (юридических монографиях, учебниках, статьях, обзорах, докладах,
383
справочниках и других материалах), и сведения, содержащиеся в материалах, полученных
от предприятий, учреждений, общественных организаций, граждан и других источников.
Большое значение, с точки зрения создания и функционирования АИС, имеет
классификация информации по степени доступа на общедоступную и ограниченного
доступа. Использование подобного рода информации в автоматизированных системах
требует организации технической и программной защиты ее от несанкционированного
доступа.
Наиболее известными системами, относящимися к данному виду, являются:
информационная система «Эталонный банк правовых актов», созданная в НТЦ «Система»
при Государственном правовом управлении Президента РФ; база данных по
законодательству «Эталон», разработанная Научным центром правовой информации;
справочная правовая система «Гарант», разработанная научно-производственным
объединением «Гарант-Сервис» (МГУ); информационная правовая система «Кодекс»,
созданная в «Центре компьютерных разработок» (Санкт-Петербург); справочно-правовые
системы семейства «КонсультантПлюс», созданные ЗАО «КонсультантПлюс».
ДИС используются для накопления и постоянного корректирования больших
массивов информации о лицах, фактах и предметах, представляющих интерес. Эти
системы работают преимущественно по принципу «запрос — ответ», поэтому обработка
информации в них связана в основном не с преобразованием первичных данных, а с их
поиском.
Принципиальную особенность ДИС составляет понятие «информационный поиск».
Информационный поиск — это процесс отыскания в каком-то множестве тех сведений,
которые посвящены указанной в информационном запросе теме (предмету), информация
о которой необходима пользователю.
Большое количество автоматизированных информационно-справочных систем
создано и функционирует в правоохранительной и судебной сферах: «Убийство»,
«Следователь», «Рэкет», «Разбой», «Хищение оружия из хранилищ», «Расследование»
— по организации расследования отдельных видов преступлений; «Сейф» — по
информационному обеспечению расследования хищений из сейфов; «Девиз-М» — по
расследованию поддельных денежных знаков; «Рецепт» — по расследованию
поддельных рецептов на получение наркотических средств; «Досье» — по
автоматизированному учету особо опасных преступников (рецидивистов, гастролеров,
организаторов преступных групп, авторитетов уголовной среды и т.п.); «Папилон» — по
проверке отпечатков пальцев и дактилокарт; «Криминал-И» — по учету правонарушений
и преступлений, совершенных иностранными гражданами и гражданами России за
384
рубежом; «Автопоиск» — по учету и организации поиска угнанного и бесхозного
автотранспорта; «Антиквариат» — по учету похищенных культурных ценностей;
«Наказание» — об отбывающих наказание; «Кортик» — по экспертизе холодного
оружия и др.
Использование информационно-справочных систем правовой информации в
различных областях деятельности имеет свои особенности и соответственно определяет
специфические задачи и требования, которые позволяют говорить о них не только как о
поисковом инструменте.
Можно выделить основные сферы применения этих систем:
систематизация и исследование проблем законодательства;
законотворчество;
правоприменительная практика;
правовое образование.
Для успешного решения проблем систематизации законодательства необходима
предварительная классификация правового материала. Особую роль при этом играет
предметная классификация нормативных актов. Работа эта осуществляется на основе
специальных тематических классификаторов (например, общеправовой классификатор
отраслей законодательства).
Следует отметить неоспоримое преимущество автоматизированных
информационно-поисковых систем при анализе связей между различными нормативными
правовыми актами. Эта работа, достаточно кропотливая, если ее проводить вручную,
становится простой и быстрой благодаря наличию во многих современных системах
гипертекстовых ссылок между документами.
Велико значение автоматизированных информационно-поисковых систем при
проведении основных видов систематизации правового материала: инкорпорации,
кодификации и консолидации.
Хронологическая и предметная инкорпорации существенно упрощаются с
помощью автоматизированных информационнопоисковых систем, имеющих специальные
хронологические и предметные классификаторы.
Облегчается работа по внесению официальных изменений в текст нормативных
правовых актов.
В законотворческой деятельности использование автоматизированных
информационно-поисковых систем также имеет большое значение. Эти системы играют
роль незаменимого помощника для учета предшествующего законодательства на этапе
разработки новых нормативных актов. Необходимость увязки всех вновь создаваемых
385
нормативных актов с уже действующими, недопущение повторений одних и тех же норм
в различных правовых актах, признание определенных нормативных актов утратившими
силу — работа очень трудоемкая. Ручной отбор необходимых правовых документов
может не только занять достаточно длительное время, но и привести к тому, что многие
нормативные акты останутся вне поля зрения специалистов.
Машинный поиск существенно повышает оперативность подготовки новых
нормативных актов и перечней нормативных актов, утративших силу.
Наибольшее применение автоматизированные информационно-поисковые системы
находят в правоприменительной деятельности.
Как уже отмечалось, значительно выросло число специалистов, в своей
деятельности сталкивающихся с необходимостью работы с правовой информацией.
Получение необходимых нормативных правовых документов из средств массовой
информации требует больших временных затрат. Эта задача становится еще более
сложной, если речь идет о различных ведомственных нормативных актах, которые далеко
не всегда издаются в периодической печати. С использованием информационно-
поисковых систем задача быстрого подбора необходимых документов существенно
упрощается. Более того, среди людей, работающих с правовой информацией, в последнее
время сильно выросло число специалистов, не имеющих специального юридического
образования. При необходимости решения конкретного правового вопроса многие из них
не знают, какие конкретно нормативные правовые акты регулируют этот вопрос. Такие
проблемы нередко возникают и перед юристами, не являющимися специалистами в
рассматриваемой правовой области. Этих трудностей можно избежать, воспользовавшись
различными поисковыми возможностями, предоставляемыми современными
автоматизированными системами правовой информации. Системы классификации
(хронологические, тематические, по реквизитам документов и т.п.) таких компьютерных
баз позволяют на хорошем уровне решать многие задачи.
386
Тема 16. Фактографические информационные системы
в профессиональной деятельности
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Характерные особенности фактографических информационных систем (ФИС).
2. Использование фактографических информационных систем (ФИС) в
профессиональной деятельности сотрудника ОВД.
1. Характерные особенности
фактографических информационных систем (ФИС)Прежде чем преступить к определению понятия фактографической
информационной системы необходимо разобрать смысловую нагрузку термина
фактографическая информация. Под фактографической информацией условимся
понимать описание выбранных характеристик, свойств объектов, информация о которых
собирается, систематизируется и обрабатывается в данной системе, причем для каждой
характеристики должна быть определена форма ее представления в системе.
С другой стороны под фактографическим типом данных принято понимать
данные представляющие собой описание некоторых фактов предметной области.
Например, фактом являются данные на конкретного человека (ФИО, адрес, паспортные
данные и т.п.), книгу (автор, название, год издания и т.п.), машину (марка, год выпуска,
производитель и т.п.) и т.д. Другими словами, факт в информационной системе предстает
в виде набора некоторых свойств (атрибутов), количественное значение которых, как
правило, выражается простым типом данных. Характерным представителем
фактографических информационных систем является широко известная в бухгалтерских
кругах «1С бухгалтерия».
2. Использование фактографических информационных систем
(ФИС) в профессиональной деятельности сотрудника ОВДИнформация, используемая в органах внутренних дел, содержит сведения о
состоянии преступности и общественного порядка на обслуживаемой территории, о самих
органах и подразделениях, их силах и средствах. В дежурных частях, у оперативных
работников, участковых инспекторов милиции, следователей, сотрудников экспертно-
криминалистических подразделений, паспортно-визовых аппаратов, других
подразделений на документах первичного учета, в учетных журналах и на других
носителях накапливаются массивы данных оперативно-розыскного и оперативно-
справочного назначения, в которых содержатся сведения:
о правонарушителях и преступниках;
387
о владельцах автомототранспортных средств;
о владельцах огнестрельного оружия;
о событиях и фактах криминального характера, правонарушениях;
о похищенных и изъятых вещах, предметах антиквариата;
а также другая информация, подлежащая хранению.
Службы и подразделения органов внутренних дел характеризуются данными:
о силах и средствах, которыми располагает орган;
о результатах их деятельности.
Перечисленные выше сведения используются при организации работы
подразделений и принятии практических мер по борьбе с преступностью и
правонарушениями.
В информационном обеспечении органов внутренних дел центральное место
занимают учеты, которые используются для регистрации первичной информации о
преступлениях и лицах, их совершивших.
Учет - это система регистрации и хранения информации о лицах, совершивших
преступления, о самих преступлениях и связанных с ними фактах и предметах. Как
правило, различного рода учеты принято относить к фактографическим информационным
системам.
Учет подведомственных МВД России преступлений охватывает 95%
криминальных проявлений и дает достаточно полную картину оперативной обстановки в
стране и ее регионах.
В целом по России в последние годы с помощью информации, содержащейся в
учетах, раскрывается от 19 до 23% совершаемых преступлений, или почти каждое
четвертое от общего числа по линии уголовного розыска.
В СССР в 1961 г. была введена Инструкция по учетам в органах внутренних дел.
При МВД СССР в 1971 г. был создан Главный научный информационный центр
управления информацией (ГНИЦУИ), впоследствии переименованный в Главный
информационный центр (ГИЦ), а в МВД, УВД были созданы информационные центры
(ИЦ).
Главный информационный центр - самый крупный банк оперативно-справочной
и розыскной информации в системе МВД России. На него возложена задача обеспечения
органов и учреждений внутренних дел различной информацией - статистической,
розыскной, оперативно-справочной, криминалистической, производственно-
экономической, научно-технической, архивной. Это уникальные, многопрофильные
388
централизованные массивы информации, в целом насчитывающие около 50 млн. учетных
документов.
В пофамильной оперативно-справочной картотеке на судимых лиц сосредоточено
свыше 25 млн. учетных документов, а в дактилоскопической картотеке - 17 млн. ГИЦ
располагает уникальной базой данных на машинных носителях, содержащей
статистические отчеты МВД, ГУВД, УВД, УВТД по 50 формам за период с 1981 по
1992 гг. и в ретроспективе до 1974 г.
Информационные центры МВД, УВД являются важнейшим звеном в системе
информационного обеспечения органов внутренних дел Российской Федерации. На них
ложится основная нагрузка в обеспечении информационной поддержки органов
внутренних дел в раскрытии и расследовании преступлений, розыске преступников.
Информационные центры являются головными подразделениями в системе МВД,
УВД, УВТД в области информатизации: обеспечении статистической, оперативно-
справочной, оперативно-розыскной, криминалистической, архивной и иной информацией,
а также компьютеризации и построения региональных информационно-вычислительных
сетей и интегрированных банков данных. Информационные центры выполняют
возложенные на них обязанности в тесном взаимодействии с подразделениями аппаратов
МВД, УВД, УВТД и горрайлинорганами, а также ГИЦ МВД России.
С помощью учетов получается информация, которая помогает в раскрытии,
расследовании и предупреждении преступлений, розыске преступников, установлении
личности неизвестных граждан и принадлежности изъятого имущества. Они
формируются в горрайлинорганах, ИЦ МВД, ГУВД, УВД по территориальному
(региональному) принципу и образуют федеральные учеты ГИЦ МВД России. Кроме
того, учеты имеются в паспортных аппаратах.
Наряду с учетами в органах внутренних дел ведутся экспертно-
криминалистические централизованные коллекции и картотеки, которые создаются и
хранятся в экспертно-криминалистических центрах (ЭКЦ) МВД России (федеральные) и
экспертно-криминалистических управлениях (ЭКУ) МВД, ГУВД, УВД (региональные).
Коллекции и Картотеки ЭКУ и ЭКЦ ориентированы, прежде всего, на обеспечение
раскрытия и расследования преступлений.
Накапливаемая в учетах, коллекциях и картотеках оперативно-справочная,
розыскная и криминалистическая информация именуется криминальной.
Учеты классифицируются по функциональному и объектовому признакам.
Функционально учеты разделяются на три группы:
1. оперативно-справочные;
389
2. розыскные;
3. криминалистические.
По объектовому признаку учеты разделяют на три группы:
1. лиц;
2. преступлений (правонарушений);
3. предметов.
Основная оперативно-справочная и розыскная информация формируется в
горрайлинорганах. Часть ее оседает на месте, а другая - направляется в ИЦ и ГИЦ для
формирования единого банка данных.
Информационная база системы МВД построена на принципе централизации
учетов. Ее составляют оперативно-справочные, розыскные и криминалистические учеты и
картотеки, сосредоточенные в ГИЦ МВД России и ИЦ МВД, УВД, УВДТ, и локальные
учеты горрайлинорганов. В целом их массивы оцениваются примерно в 250-300 млн.
учетных документов.
Централизованные оперативно-справочные, криминалистические и розыскные
учеты располагают следующими сведениями о гражданах России, иностранцах и лицах
без гражданства:
судимость, место и время отбывания наказания, дата и основание
освобождения;
перемещение осужденных;
смерть в местах лишения свободы, изменение приговора, амнистия, номер
уголовного дела;
место жительства и место работы до осуждения;
задержание за бродяжничество;
группа крови и дактилоформула осужденных.
Дактилоскопический учет позволяет устанавливать личность преступников,
арестованных, задержанных, а также неизвестных больных и неопознанных трупов.
Дактилоскопические картотеки насчитывают 18 млн. дактилокарт. В них поступает свыше
600 тыс. запросов, по которым выдается около 100 тыс. рекомендаций. Информация
картотек способствовала раскрытию преступлений или установлению лица в 10 тыс.
случаев. В настоящее время это преимущественно ручные картотеки.
Порядок формирования и ведения, централизованных оперативно-справочных,
розыскных, криминалистических учетов, экспертно-криминалистических коллекций и
картотек органов внутренних дел Российской Федерации регламентируется Приказом
МВД России от 31 августа 1993 г. N 400.
390
Учеты органов внутренних дел в зависимости от способа обработки информации
подразделяются на три вида: ручные, механизированные, автоматизированные.
Автоматизированные учеты состоят из ряда автоматизированных информационно-
поисковых систем (АИПС). Накопление и обработка криминальной информации с
помощью АИПС осуществляются в региональных банках криминальной информации
(РБКИ).
Приведем основные АИПС и кратко охарактеризуем их назначение и возможности.
АИПС «КАРТОТЕКА» - автоматизированный пофамильный и дактилоскопический
учет, служит для получения сведений о гражданах Российской Федерации, иностранцах и
лицах без гражданства; о судимости, месте и времени отбывания наказания, дате и
основании освобождения, о смерти в местах лишения свободы, об изменении приговора,
амнистии; о месте жительства и месте работы до осуждения; о розыске лиц, задержанных
за бродяжничество; перемещении осужденных; группе крови, дактилоскопической
формуле.
АИПС «ОПОЗНАНИЕ» выдает информацию о лицах, пропавших без вести,
неопознанных трупах, неизвестных больных и детях - гражданах Российской Федерации,
СНГ и лицах без гражданства.
АИПС «ФР-ОПОВЕЩЕНИЕ» обеспечивает учет преступников, разыскиваемых
по искам предприятий и организаций (государственных должников) или граждан
(неплательщиков алиментов), пропавших без вести, отрабатывает запросы на лиц,
находящихся в федеральном розыске, а также готовит циркуляры на объявление или
прекращение розыска.
АИПС «ОРУЖИЕ» позволяет вести учет утраченного (похищенного, утерянного)
и выявленного (изъятого, найденного, добровольно сданного) вооружения (стрелковое
оружие, гранатометы, артиллерийские системы и другое вооружение).
АИПС «АВТОПОИСК» содержит информацию о легковых и грузовых
автомобилях, автобусах, полуприцепах отечественного и иностранного производства со
следующими установочными данными - государственный номер, номера двигателя,
кузова и шасси. В информационных центрах МВД, УВД дополнительно осуществляется
регистрация мотоциклов, мотороллеров и мотоколясок.
АИПС «АНТИКВАРИАТ» выдает сведения об утраченных и выявленных
предметах, представляющих историческую, художественную или научную ценность. К
ним относят археологические находки, предметы древности, антропологические и
этнографические предметы, исторические реликвии, художественные произведения и
предметы искусства.
391
АИПС «ВЕЩЬ» информирует пользователя о похищенных и изъятых номерных
вещах, а также документах, ценных бумагах общего государственного обращения в связи
с совершенными преступлениями.
АИПС "СЕЙФ" позволяет осуществлять сбор, обработку и выдачу информации о
преступлениях, при совершении которых взламывались металлические хранилища.
В настоящее время начато внедрение автоматизированных информационно-
поисковых систем "ДОСЬЕ" и "НАСИЛИЕ".
АИПС "ДОСЬЕ" позволяет подучить сведения об особо опасных рецидивистах,
"ворах в законе", "авторитетах" преступного мира и др.: установочные данные, приметы,
место работы, место жительства, связи, привычки и т.д.
АИПС "НАСИЛИЕ" обеспечивает такими сведениями о тяжких нераскрытых и
раскрытых преступлениях, связанных с насилием против личности, как предмет
посягательства, место, время и способ совершения, описание изъятых следов и др.
Для учета правонарушений, совершенных иностранцами и лицами без гражданства,
разработана и функционирует АИПС «КРИМИНАЛ-И», включающая пять подсистем:
АИПС «Криминал-И Аомпрактика» содержит сведения об иностранцах и лицах
без гражданства, совершивших административные правонарушения;
АИПС «Криминал-И Преступление» выдает сведения о происшествиях и
преступлениях с участием иностранцев и лиц без гражданства;
АИПС «Криминал-И ДТП» обеспечивает сведениями об иностранцах и лицах без
гражданства, участниках ДТП на территории России;
АИПС «Криминал-И Розыск» содержит данные о находящихся в розыске или
разысканных иностранцах;
АИПС «Криминал-И Наказание» содержит сведения об иностранцах и гражданах
России, постоянно проживающих за границей, находящихся под следствием,
арестованных или отбывающих наказание на территории Российской Федерации.
Примерами АИС, применяемых для проведения оперативной и учетно-
аналитической работы в горрайорганах и МВД республик, являются:
АИС «СВОДКА» - позволяет работать с базой данных, создаваемой по
поступающей в органы внутренних дел оперативной информации о происшествиях и
преступлениях, осуществлять поиск в БД по реквизитам, а также вести статистическую
обработку данных, составлять отчеты при поступлении запросов и после исполнения
документов;
АИС «ГАСТРОЛЕРЫ» - предназначена для автоматизированной обработки
оперативными подразделениями УВДТ и ОВДТ информации о лицах, представляющих
392
оперативный интерес для органов внутренних дел на транспорте, и их связях; о
похищенных на транспорте, неразысканных или добровольно сданных вещах, имеющих
индивидуальные номера или характерные особенности;
АИС «Грузы-ЖД» - разработана для автоматизированного сбора, хранения и
выдачи информации о фактах хищения груза и багажа на железнодорожном транспорте,
по которым возбуждены уголовные дела, а также о раскрытых хищениях грузов;
АИС «НАРКОБИЗНЕС» - предназначена для сотрудников отдела по незаконному
обороту наркотиков. Использование системы межзадачных связей позволяет выявлять
лица, их связи с событиями, друг с другом, оружием и адресами, проходящими по разным
видам учетов;
АИС «Картотека-Регион» - предназначена для работы с пофамильными учетами
осужденных, разыскиваемых и задержанных за бродяжничество лиц;
АИС «СПЕЦАППАРАТ» - предназначена для работы со спецаппаратом и
позволяет планировать oпeративно-розыскные мероприятия на основе быстрого и
качественного обеспечения их необходимой информацей. Можно, например, быстро
найти круг лиц, проходящих по однотипным фактам из массива спецсообщений, способам
совершения преступлений, адресам и т.п.
393
Тема 17. Интеллектуальные информационные системы,
как системы поддержки принятия решений
в профессиональной деятельности
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Характерные особенности интеллектуальных информационных систем (ИИС).
2. Использование интеллектуальных информационных систем (ИИС) в
профессиональной деятельности сотрудника ОВД.
1. Характерные особенности
интеллектуальных информационных систем (ИИС)По аналогии с предыдущим, начнем с того, что определим предпосылки
возникновения понятия «интеллектуальные информационные системы».
История попыток создания искусственного разума насчитывает более 700 лет.
Первую зафиксированную в истории попытку создания машины, моделирующей
человеческий разум, связывают с именем испанского изобретателя Раймунда Луллия.
Развивая традиции ученых своего времени, Луллий сконструировал машину,
состоявшую из системы кругов, вращая которые можно было получить «формулу
истины». По существу она представляла собой механическую экспертную систему.
В XVIII в. Лейбниц и Декарт независимо друг от друга продолжили идеи,
заложенные Луллием, предложив универсальные языки классификации всех наук. Эти
работы можно считать первыми теоретическими работами в области искусственного
интеллекта.
В 40-х гг. XX в. с появлением компьютера искусственный интеллект обрел второе
рождение. Произошло выделение ИИ в самостоятельное научное направление.
Так в 1950 году в статье «Вычислительные машины и разум» (Computing machinery
and intelligence) выдающийся английский математики и философ Алан Тьюринг
предложил тест, чтобы заменить бессмысленный, по его мнению, вопрос «может ли
машина мыслить?» на более определенный. Судья-человек ограниченное время,
например, 5 минут, переписывается по телеграфу на естественном языке с двумя
собеседниками, один из которых – человек, а другой – компьютер. Если судья за
предоставленное время не сможет точно и надежно определить, кто есть кто, то
компьютер прошел тест.
Идею Тьюринга поддержал Джо Вайзенбаум, написавший в 1966 году первую
«беседующую» программу «Элиза», которая состояла всего из 200 строк и лишь
394
повторяла фразы собеседника в форме вопросов и составляла новые фразы из уже
использованных в беседе слов.
А.Тьюринг считал, что компьютеры, в конечном счете, пройдут его тест, т.е. на
вопрос: «Может ли машина мыслить?» он отвечал утвердительно, но в будущем времени:
«Да, смогут!»
И вплоть до настоящего момента ежегодно проводится соревнование между
разговаривающими программами, и наиболее человекоподобной, по мнению судей,
присуждается приз Лебнера (Loebner).
Термин искусственный интеллект (ИИ) впервые был озвучен в 1956 году. на
семинаре в Дартмутском колледже. И сейчас не существует единого определения, которое
бы однозначно описывало это понятие. Чтобы определить понятие «искусственный
интеллект», необходимо понимать отличие простой задачи от интеллектуальной.
Обычно считается, что если для задачи найден алгоритм ее решения, то она
относится к простым, причем процесс решения указанного класса задач становится таким,
что его может в точности выполнить или человек или компьютер, не имеющие ни
малейшего представления о сущности самой задачи.
В противном случае, задача является интеллектуальной и отыскание алгоритма
решения таких задач связано со сложными рассуждениями, требующими большой
изобретательности и высокой квалификации. Таким образом, интеллектуальными
считаются задачи, связанные с разработкой алгоритмов решения ранее нерешенных задач
определенного типа.
В отличие от всех других видов ИС, интеллектуальная информационная
система (ИИС) – это система, которая основана на использовании базы знаний для
разработки алгоритмов решения задач различных классов в зависимости от конкретных
информационных потребностей пользователей, более того, к ней предъявляется ряд
требований, таких как: ИИС должна уметь в наборе фактов распознать существенные и из
имеющихся фактов и знаний и самое главное сделать выводы не только с использованием
дедукции, но и с помощью аналогии, индукции и т.д. Кроме того, она должны обладать
средствами оценки результатов собственной работы с пояснениями, почему получен тот
или иной результат, также ИИС должна уметь обобщать, улавливая сходство между
имеющимися фактами, и накапливать опыт.
Необходимой частью любой ИИС являются знания. При этом возникает
естественный вопрос, что такое знания и в чем их отличие от обычных данных, которые
обрабатываются компьютером.
395
Знания являются более сложной категорией информации по сравнению с данными.
Они описывают не только отдельные факты, но и взаимосвязи между ними.
По своей природе знания можно разделить на:
декларативные знания – это описания фактов и явлений, фиксирование
наличия или отсутствия таких фактов, а также описания основных связей и
закономерностей между этими фактами и явлениями;
процедурные знания – это описания действий, которые возможны при
манипулировании фактами и явлениями.
Для того чтобы наделить систему знаниями, их необходимо представить в
определенной форме. Базы знаний являются моделями человеческих знаний. Однако все
знания, которые привлекает человек в процессе решения сложных задач, смоделировать
невозможно. Поэтому в ИИС требуется четко разделить знания на те, которые
предназначены для обработки компьютером, и те, которые используются человеком.
Обычно в области ИИ выделяют шесть основных направлений развития:
I. представление знаний;
II. манипулирование знаниями;
III. общение ИИС;
IV. восприятие ИИС;
V. обучение ИИС;
VI. поведение ИИС.
Проблема представления знаний в ИИС чрезвычайно актуальна, поскольку их
функционирование опирается на знания о проблемной области, хранящиеся на
компьютере. В рамках этой проблемы решаются задачи, связанные с формализацией и
представлением знаний в ИИС. Для этого разрабатываются специальные модели
представления знаний и языки для описания знаний, выделяются различные типы знаний.
Как правило, выделяют два вида моделей предоставления знаний: декларативные и
процедурные.
В декларативных моделях предметная область представляется в виде
синтаксического описания ее состояния. Вывод решений основывается на процедурах
поиска в пространстве состояний.
В процедурном представлении знания содержатся в небольших программах
(процедурах), которые определяют поведение ИИС. При этом можно не описывать все
возможные состояния среды или объекта для реализации вывода.
Достаточно хранить некоторые начальные состояния и процедуры, генерирующие
необходимые описания ситуаций и действий.
396
Для того чтобы знаниями можно было пользоваться при решении задач, ИИС
должна уметь оперировать, пополнять, классифицировать, обобщать знания и т.д.
Чтобы в процессе взаимодействия пользователя с ИИС происходило общение,
система должна уметь решать следующие задачи: понимать связные тексты, понимать и
синтезировать речь, формировать объяснение своих действий, интегрировать в единый
внутренний образ сообщения различной модальности (речевой, текстовой, зрительной и
т.п.) и т.д.
Существуют большие возможности в повышении уровня ИИС за счет обработки
зрительной (образной) информации и соотнесения ее с обработкой символьной
(текстовой) информации.
Одной из основных черт ИИС является способность к обучению, т.е. решение
задач, с которыми они ранее не встречались.
Так как ИИС должны действовать в некоторой окружающей среде, необходимо
разработать специальные поведенческие процедуры, которые позволили бы им адекватно
взаимодействовать с окружающей средой, другими системами и людьми. Для достижения
такого взаимодействия необходимо вести исследования в ряде направлений и создать
модели целесообразного поведения, нормативного поведения, ситуационного поведения,
специальные методы многоуровневого планирования и коррекции планов в динамических
ситуациях.
Создание ИИС имеет существенные отличия от разработки обычного
программного продукта, а копирование методологий, принятых в традиционном
программировании, чаще всего приводит к отрицательному результату.
Сегодня уже существуют многочисленные варианты интеллектуальных систем,
которые не имеют цели, но имеют критерии поведения: генетические алгоритмы и
имитационное моделирование эволюции. Поведение этих систем выглядит таким образом,
как будто они имеют различные цели и добиваются их.
Выделим наиболее крупные этапы жизненного цикла ИИС.
№ Название суть этапа жизненного цикла ИИС
I Разработка идеи и концепции системы
II Разработка теоретических основ системы
III Разработка математической модели системы
IV
Разработка методики численных расчетов в системе:
разработка структур данных; разработка алгоритмов
обработки данных
V Разработка структуры системы и экранных форм интерфейса
397
VI Разработка программной реализации системы
VII Отладка системы
VIII Экспериментальная эксплуатация
IX Опытная эксплуатация
X Промышленная эксплуатация
XI Заказные модификации системы
XII Разработка новых версий системы
XIII Снятие системы с эксплуатации
Условно ИИС можно разделить ИИС на следующие типы: системы с
интеллектуальным интерфейсом; экспертные системы; самообучающиеся системы.
Системы с интеллектуальным интерфейсом – это ИИС, предназначенная для
поиска неявной информации в базе данных (БД) или тексте для произвольных запросов,
составляемых, как правило, на ограниченном естественном языке. Интеллектуальные БД
отличаются от обычных БД возможностью выборки по запросу необходимой
информации, которая может явно не храниться, а выводиться из имеющейся в базе
данных. В запросе требуется осуществить поиск по условию, которое должно быть
доопределено в ходе решения задачи. Формулирование запроса осуществляется в диалоге
с пользователем, последовательность шагов которого выполняется в максимально
удобной для пользователя форме. Запрос к базе данных может формулироваться и с
помощью естественно-языкового интерфейса. Естественно-языковой интерфейс
предполагает трансляцию естественно-языковых конструкций на внутримашинный
уровень представления знаний.
Гипертекстовые системы предназначены для реализации поиска по ключевым
словам в базах текстовой информации. Механизм поиска работает прежде всего с базой
знаний ключевых слов, а уже затем непосредственно с текстом.
Системы контекстной помощи можно рассматривать, как частный случай
интеллектуальных гипертекстовых и естественно-языковых систем. В системах
контекстной помощи пользователь описывает проблему (ситуацию), а система с помощью
дополнительного диалога ее конкретизирует и сама выполняет поиск относящихся к
ситуации рекомендаций. Такие системы относятся к классу систем распространения
знаний (Knowledge Publishing) и создаются как приложение к системам документации
(например, технической документации по эксплуатации товаров).
Системы когнитивной графики позволяют осуществлять интерфейс пользователя с
ИИС с помощью графических образов, которые генерируются в соответствии с
происходящими событиями
398
Экспертные системы (ЭС) – это ИИС, которая предназначена для решения
слабоформализуемых задач на основе накапливаемого в базе знаний опыта работы
экспертов в проблемной области. Экспертная система является инструментом,
усиливающим интеллектуальные способности эксперта, и может выполнять следующие
роли: консультанта для неопытных или непрофессиональных пользователей; ассистента в
связи с необходимостью анализа экспертом различных вариантов принятия решений;
партнера эксперта по вопросам, относящимся к источникам знаний из смежных областей
деятельности.
Исторически, ЭС были первыми системами искусственного интеллекта, которые
привлекли внимание потребителей.
По степени сложности решаемых задач экспертные системы можно
классифицировать следующим образом:
По способу формирования решения экспертные системы разделяются на два
класса: аналитические и синтетические. Аналитические системы предполагают выбор
решений из множества известных альтернатив, а синтетические системы - генерацию
неизвестных решений. Аналитическая экспертная система - это ЭС, осуществляющая
оценку вариантов решений (проверку гипотез). Синтетическая экспертная система -
это ЭС, осуществляющая генерацию вариантов решений (формирование гипотез).
По способу учета временного признака экспертные системы могут быть
статическими или динамическими. Статические системы решают задачи при
неизменяемых в процессе решения данных и знаниях, динамические системы допускают
такие изменения. Статическая экспертная система - это ЭС, решающая задачи в
условиях, не изменяющихся во времени исходных данных и знаний. Динамическая
экспертная система - это ЭС, решающая задачи в условиях, изменяющихся во времени
исходных данных и знаний.
По видам используемых данных и знаний экспертные системы
классифицируются на системы с детерминированными (четко определенными) знаниями
и неопределенными знаниями. Под неопределенностью знаний (данных) понимается их
неполнота (отсутствие), недостоверность (неточность измерения), двусмысленность
(многозначность понятий), нечеткость (качественная оценка вместо количественной).
По числу используемых источников знаний экспертные системы могут быть
построены с использованием одного или множества источников знаний.
Самообучающиеся системы – это ИИС, которая на основе примеров реальной
практики автоматически формирует единицы знаний. В основе самообучающихся систем
лежат методы автоматической классификации примеров ситуаций реальной практики
399
(обучения на примерах). Примеры реальных ситуаций накапливаются за некоторый
исторический период и составляют обучающую выборку. Эти примеры описываются
множеством признаков классификации. Причем обучающая выборка может быть: «с
учителем», когда для каждого примера задается в явном виде значение признака его
принадлежности некоторому классу ситуаций; «без учителя», когда по степени близости
значений признаков классификации система сама выделяет классы ситуаций.
В результате обучения системы автоматически строятся обобщенные правила или
функции, определяющие принадлежность ситуаций классам, которыми обученная система
пользуется при интерпретации новых возникающих ситуаций. Таким образом,
автоматически формируется база знаний, используемая при решении задач
классификации и прогнозирования. Эта база знаний периодически автоматически
корректируется по мере накопления опыта реальных ситуаций, что позволяет сократить
затраты на ее создание и обновление.
2. Использование интеллектуальных информационных систем
(ИИС) в профессиональной деятельности сотрудника ОВДСравнительно новым и перспективным направлением использования
компьютерных технологий в профессиональной деятельности сотрудника ОВД являются
экспертные системы (ЭС), относящиеся к системам искусственного интеллекта.
С точки зрения систематизации законодательства в экспертных системах должна
быть реализована система сведений и данных, содержащихся в нормах права, в отличие от
систематизации нормативных правовых актов в информационно-поисковых системах.
Функционирование экспертной системы связано с решением трех основных
проблем:
проблемы передачи знаний от экспертов-людей компьютерной системе;
проблемы представления знаний, т.е. реконструирования массива знаний в
определенной правовой области и представления его как структуры знаний в памяти
компьютера;
проблемы использования знаний.
Необходимость глубокой и подробной формализации процесса принятия решения
для моделирования его в компьютерной системе приводит к тому, что пока экспертные
системы такого рода создаются программистами и экспертами-юристами для решения
конкретных вопросов в достаточно ограниченных правовых областях, т.е. являются узко
специализированными. Пользователями таких систем являются юристы-практики,
сталкивающиеся с правовыми проблемами, находящимися вне области компетенции, и
особенно пользователи — не юристы.
400
Подобные системы в процессе решения задач задают вопросы пользователю,
направляют ход его мыслей, используя формальные и эвристические знания экспертов.
Существенно, что система объясняет выбранные стратегии решения и даже цитирует
источники, в ней используемые.
Начиная с 1970 г. в Великобритании, США и ФРГ было разработано более 25
исследовательских проектов, охватывающих использование методов искусственного
интеллекта в процессе правовой аргументации. Примерами являются такие широко
используемые системы, как: TAXAMAN-I и TAXAMAN-II, созданные англичанином
Маккарти и специализирующиеся на налоговом праве Великобритании; система
Мелдмана MITProject для уголовного права; программа Пиппа и Шлинка Judith на основе
Гражданского кодекса ФРГ обрабатывает юридические документы и их проекты,
относящиеся к гражданскому праву; система LRS Харнера специализируется на
договорном праве; Rand Project Ватермана и Петерсона моделирует процесс принятия
решений в гражданском процессе; программные комплексы TAXADVISER и EMYCIN
используются при планировании федерального налогообложения;
«Си Клипс» де Бессоне используется при кодификации Гражданского кодекса
Луизианы; система DSCAS помогает анализировать юридические аспекты исков о
возмещении дополнительных расходов, связанных с отличием физических условий на
месте предполагаемого строительства от указанных в контракте; система LDS помогает
экспертам-юристам урегулировать иски о возмещении убытков и компенсациях за ущерб,
связанный с выпуском дефектной продукции, и многие другие.
В отечественной законодательной и правоприменительной практике в последнее
десятилетие создано около полутора десятков правовых экспертных систем.
Отметим следственные экспертные системы, применяемые для
раскрытия и расследования преступлений. Экспертная система прогнозирования преступлений, позволяющая оценить
зависимость между характерными особенностями личности преступника и возможным
местом совершения преступления.
Экспертная система выявления скрытых преступлений (например,
скрытых хищений в производстве или торговле) на основе анализа деятельности
предприятий позволяет получить материал для ревизий.
Экспертная система поиска и установления личности
преступника позволяет сделать предположения о личности преступника по материалам
следствия и сузить круг подозреваемых лиц.
401
Экспертные системы расследования убийств, анализирующие следственные
данные о преступнике, потерпевшем, способе совершения и сокрытия преступления,
орудии убийства, возможных мотивах, месте и времени преступления. Такие экспертные
системы могут иметь несколько разновидностей в зависимости от криминалистической
характеристики преступления (убийство на сексуальной почве, с расчленением трупа, с
особой жестокостью и др.).
Экспертные системы для расследования грабежей и разбоев и многие
другие.
ЭС «БЛОК» предназначена для сотрудников подразделений по борьбе с
экономической преступностью и помогает установить возможные способы совершения
краж при проведении строительных работ.
Система позволяет:
на этапе ввода исходных данных сформулировать проблему;
определить возможные способы совершения краж;
составить список признаков, соответствующих тому или иному способу
совершения кражи, который используется для планирования мероприятий по раскрытию
преступления.
Система отличается простотой ввода новых данных, что дает возможность быстро
адаптировать ее в процессе эксплуатации.
В ЭС имеются подсистема помощи и подсистема обучения пользователя.
ЭС «БЛОК» реализована на базе естественной языковой оболочки ДИЕС для
экспертных и информационных систем. Для разработки системы привлекались наиболее
опытные сотрудники подразделений по борьбе с экономической преступностью. В
развитие ЭС «БЛОК» предусматривается возможность обращения к автоматизированным
учетам органов внутренних дел.
С 1964 г. в ВНИИСЭ успешно действует ЭС «АВТОЭКС» (последний вариант 1988
г. «Мод-ЭксАРМ»). Система в режиме диалога решает восемь вопросов, связанных с
наездом на пешехода.
ЭС обеспечивает высокий уровень автоматизации экспертного исследования. В ней
автоматизировано большинство операций: экспертный анализ исходных данных, выбор
хода исследования, выполнение расчетов, составление заключения, формулирование
вывода с последующей распечаткой.
С помощью системы можно получить ответы на вопросы, касающиеся определения
численных значений различных параметров дорожно-транспортного происшествия:
скорость автомобиля, его остановочный путь, удаление автомобиля от места наезда в
402
конкретный момент времени и т.п. Решаются также и расчетнологические вопросы:
например, наличие или отсутствие у водителя транспортного средства технической
возможности предотвратить наезд на пешехода. На производство одной экспертизы
затрачивается в среднем пять минут: три минуты на ввод данных и две — на исследование
и печать. Система также позволяет исследовать наезды транспортных средств на
препятствие и столкновения транспортных средств.
В перспективе экспертные системы могут эффективно использоваться и в практике
систематизации законодательства для решения следующих проблем:
выявления и устранения путем экспертного толкования противоречивых
правовых предписаний в актах различной юридической силы;
выявления и восполнения правовых пробелов с помощью аналогии права,
аналогии закона;
доктринального (неофициального) толкования нечетко сформулированных в
правовых актах правил, понятий, принципов.
Все экспертные системы строятся на общих и специальных знаниях в праве:
существующих правовых концепциях, структуре правил, личностном восприятии права,
правовой системе и подсистеме, юридической аргументации, логике, семантике,
социологии и психологии права, а также философских теориях, носящих
общеметодологический характер.
Конечно, современные компьютерные системы не могут обнаруживать моральные,
религиозные, социальные и политические настроения, как это делают люди в процессе
принятия решения. Они не обладают ни интеллектом, ни здравым смыслом, ни
вдохновением, не проявляют общего интереса к всемирной проблематике, как это делает
любой человек. Поэтому им отводится роль интеллектуального помощника (intelligent
assistant).
В данном случае машина выступает в роли интеллектуального стимулятора,
настроенного на то, чтобы фактор забывания, игнорирования или неучета существенных
для рассматриваемого дела обстоятельств не послужил причиной неполного или
неверного его исследования.
Никто не связывает с такими компьютерными системами возможности простого
отыскания истины, так как информация в них сохраняет такие пороки, как
недостаточность, недостоверность и противоречивость. Однако их роль в интенсификации
активной аналитической работы неоспорима.
«При создании интеллектуальных систем в правовой сфере надо учитывать ее
особенности. Справедливость нельзя измерить на точных весах ни логики, ни математики,
403
как нельзя синтезировать на компьютере законопроект, вбирающий вековую мудрость
юридической науки и практики.
Юридическая практика нуждается в первую очередь в естественном интеллекте, в
гуманизации человеческих отношений. Ибо высшей ценностью является человек, его
естественные, прирожденные и неотчуждаемые права и свободы, его честь и достоинство.
Именно с таких гуманистических позиций и должна рассматриваться проблема
применения в сфере права компьютерных технологий, связанных с идеями, именуемыми
искусственным интеллектом» [4].
404
ТЕМА 18. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ РАБОЧИЕ МЕСТА
СОТРУДНИКОВ, КАК УЗЛОВЫЕ ЦЕНТРЫ ЕДИНОГО
ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОСТРАНСТВА ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Общая характеристика АРМ.
2. Принципы создания АРМ.
3. Составляющие АРМ и их характеристика.
4. Классификация АРМ.
5. Применение АРМ в работе правоохранительных органов.
1. Общая характеристика АРМПродолжая разговор о внедрении информационных технологий в различные сферы
общества, необходимо остановиться на таких видах компьютеризации производственной
деятельности как создание автоматизированных рабочих мест - АРМ. В настоящее время
АРМ разрабатываются и получают широкое распространение для интенсификации
умственного и управленческого труда специалистов различных профессий. Низкая
стоимость, надежность, простота обслуживания и эксплуатации расширяет сферу
применения ПЭВМ, прежде всего за счет тех областей человеческой деятельности, в
которых раньше вычислительная техника не использовалась из-за высокой стоимости,
сложности обслуживания и взаимодействия. К таким областям относится в первую
очередь те виды деятельности, где применение ПЭВМ позволило реально повысить
производительность труда специалистов, связанных с обработкой информации.
Наиболее эффективной организационной формой использования ПЭВМ является
создание на их базе АРМ конкретных специалистов (экономистов, статистиков,
бухгалтеров, руководителей), поскольку такая форма устраняет психологический барьер в
отношениях между человеком и машиной.
Анализируя литературные источники, АРМ можно определить как совокупность
информационно-программно-технических ресурсов, обеспечивающую конечному
пользователю обработку данных и автоматизацию управленческих функций в
конкретной предметной области. Иными словами АРМ – это индивидуальный комплекс
технических и программных средств, предназначенный для автоматизации
профессионального труда специалиста [7].
Накопленный опыт подсказывает, что АРМ, создаваемых на базе ПЭВМ, должен
отвечать следующим требованиям:
405
своевременное удовлетворение информационной и вычислительной
потребности специалиста;
минимальное время ответа на запросы пользователя;
адаптация к уровню подготовки пользователя и его профессиональным
запросам;
простота освоения приемов работы на АРМ и легкость общения, надежность
и простота обслуживания;
терпимость по отношению к пользователю;
возможность быстрого обучения пользователя;
возможность работы в составе вычислительной сети.
Назначение АРМ (автоматизированное рабочее место) заключается в
информационной поддержке формирования и принятия решений для достижения
поставленной цели в любой предметной области. Решения принимает как управляющий
каким-либо объектом, так и журналист, социолог, юрист, экономист, стремящийся решить
поставленную перед ним (руководством или самой жизнью и обстоятельствами) задачу.
Анализируя сущность АРМ, специалисты определяют их чаще всего как
профессионально-ориентированные малые вычислительные системы, расположенные
непосредственно на рабочих местах специалистов и предназначенные для автоматизации
их работ.
2. Принципы создания АРМОбщие принципы создания АРМ следующие:
системность;
гибкость;
устойчивость;
эффективность.
Согласно принципу системности АРМ следует рассматривать как системы,
структура которых определяется функциональным назначением.
Принцип гибкости означает приспособляемость системы к возможным
перестройкам благодаря модульности построения всех подсистем и стандартизации их
элементов.
Принцип устойчивости заключается в том, что система АРМ должна выполнять
основные функции независимо от воздействия на нее внутренних и внешних возможных
факторов. Это значит, что неполадки в отдельных ее частях должны быть легко
устранимы, а работоспособность системы - быстро восстановима.
406
Эффективность АРМ следует рассматривать как интегральный показатель уровня
реализации приведенных выше принципов, отнесенного к затратам по созданию и
эксплуатации системы.
3. Составляющие АРМ и их характеристикаСтруктурно АРМ включает функциональную и обеспечивающую части.
Функциональная часть определяет содержание конкретного АРМ и включает
описание совокупности взаимосвязанных задач, отражающих особенности
автоматизируемых функций деятельности пользователя.
В основе разработки функционального обеспечения лежат требования
пользователя к АРМ и его функциональная спецификация, включающая описание
входной и выходной информации, средств и методов достижения достоверности и
качества информации, применяемых носителей, интерфейсов связи. Обычно сюда же
относятся описания средств защиты от несанкционированного доступа, восстановления
системы в сбойных ситуациях, управление в нестандартных случаях.
Обеспечивающая часть включает традиционные виды обеспечения:
информационное;
программное;
техническое;
технологическое, и другие.
Информационное обеспечение включает описание организации информационной
базы, регламентирует информационные связи, предопределяет состав и содержание всей
системы информационного отображения.
Программное обеспечение АРМ подразделяется на общее и функциональное.
Общее программное обеспечение поставляется в комплекте с ПЭВМ и включает
операционные системы, прикладные программы, расширяющие возможности
операционных систем, программные средства диалога и другие.
Общее ПО предназначено для управления работой процессора, организации
доступа к памяти, периферийным устройствам, запуска и управления процессором,
выполнения прикладных программ, обеспечения выполнения программ на языках
высокого уровня.
Общее программное обеспечение (ПО) обеспечивает функционирование
вычислительной техники, разработку и подключение новых программ. Сюда входят
операционные системы, системы программирования и обслуживающие программы.
Функциональное программное обеспечение предназначено для автоматизации
решения функциональных задач, включает универсальные программы и функциональные
407
пакеты. При проектировании этих программных средств необходимо соблюдать
принципы ориентации разработки на конкретного пользователя. Совокупность
требований к программному и техническому обеспечению отображается на множестве
функций пользователя, и это позволяет решать проблему профессиональной ориентации
на пользователя.
Профессиональная ориентация АРМ определяется функциональной частью ПО
(ФПО). Именно здесь закладывается ориентация на конкретного специалиста,
обеспечивается решение задач определенных предметных областей.
Техническое обеспечение АРМ представляет собой комплекс технических средств
обработки информации на базе ПЭВМ, предназначенный для автоматизации функций
специалиста в предметной и проблемной областях его профессиональных интересов. АРМ
специалиста сферы организационного управления обычно базируется на ПЭВМ
индивидуального или коллективного пользования.
Технологическое обеспечение АРМ предназначено для организации
технологического процесса использования АРМ применительно к комплексу решаемых
задач, соответствующих функциям специалиста.
Технологический процесс представляет собой совокупность функциональных
работ, включающих обеспечение ввода, контроля, редактирования и манипулирования
данными, накопление, хранение, поиск, защиту, получение выходных документов. В связи
с тем, что пользователь является, как правило, участником некоторого коллектива и
выполняет в нем определенную работу, необходимо предусмотреть технологическое
взаимодействие исполнителей при решении задач, обеспечить условие совместной работы
специалистов. Эти положения должны отражаться в квалификационных требованиях и
должностных инструкциях пользователей АРМ.
Обобщая все вышесказанное, структуру АРМ можно представить следующим
образом (рис. 1):
408
Рис. 1. Структура АРМ
4. Классификация АРМВ основу классификации АРМ может быть положен ряд классификационных
признаков.
С учетом областей применения возможна классификация АРМ по
функциональному признаку:
АРМ административно - управленческого персонала;
АРМ проектировщика радиоэлектронной аппаратуры, автоматизированных
систем управления и т. д.;
АРМ специалиста в области экономики, математики, физики, и т. д.;
АРМ производственно-технологического назначения.
Важным классификационным признаком АРМ является режим эксплуатации, по
которому выделяются одиночный, групповой и сетевой режимы эксплуатации.
В случае одиночного режима эксплуатации АРМ реализуется на обособленной
ПЭВМ, все ресурсы который находятся в монопольном распоряжении пользователя.
Такое рабочее место ориентировано на решение нестандартных, специфических задач, и
для его реализации применяются ЭВМ небольшой мощности.
При групповом режиме эксплуатации на базе одной ЭВМ реализуется несколько
рабочих мест, объединенных по принципу административной или функциональной
общности. В этом случае требуются уже более мощные ЭВМ и достаточно сложное
программное обеспечение. Групповой режим эксплуатации обычно используется для
организации распределенной обработки данных в пределах отдельного подразделения или
организации для обслуживания стабильных групп специалистов и руководителей.
Сетевой режим эксплуатации АРМ объединяет достоинства первого и второго. В этом
случае каждое АРМ строится на базе одной ЭВМ, но в то же время имеется возможность
использовать некоторые общие ресурсы вычислительной сети.
Одним из подходов к классификации АРМ является их систематизация по видам
решаемых задач. Возможны следующие группы АРМ:
для решения информационно-вычислительных задач;
для решения задач подготовки и ввода данных;
для решения информационно-справочных задач:
для решения задач бухгалтерского учета;
для решения задач статистической обработки данных;
для решения задач аналитических расчетов.
409
5. Применение АРМ в работе правоохранительных органовВ качестве примера использования АРМ в практике ОВД рассмотрим
комплексную автоматизированную систему управления, связи и контроля дежурной части ГУВД г. Москвы – КАСУ ДЧ ГУВД [11].
В процессе реализации проекта по созданию КАСУ ДЧ ГУВД важнейшие функции
выполняют такие подсистемы, как прикладное программное обеспечение «Карточка
происшествий», «Уголовная статистика», «Оперативная Сводка».
Остановимся подробнее на «Карточке происшествия», которая является
элементом АРМ помощника оперативного дежурного службы "02".
Прикладное программное обеспечение "Карточка происшествий" (ППО КП) – важнейший программный продукт в ряду современных информационных технологий,
обеспечивающих оперативность работы службы "02" обеспечивают. Именно оно является тем средством автоматического формализованного составления документов, которое позволило значительно сократить время реагирования на сигналы в службу "02". В «Карточке происшествий» регистрируются абсолютно все сообщения граждан по телефону "02", включая ложные. Путем автоматической передачи КП в заинтересованные инстанции производится оперативное оповещение тех служб, которые в каждом конкретном случае уполномочены принимать решение (рис. 2). Получив «Карточку», оперативный дежурный ОВД проверяет происшествие и регистрирует его в журнале учета информации (ЖУИ), после чего вносит результат проверки в "Карточку происшествий" (р ис. 3 ). Таким образом, потери сообщений исключаются, доступ к информации уполномоченным сотрудникам максимально облегчается, ее циркуляция в системе становится доступной для контроля.
410
Рис. 2. КП: список оповещаемых
Рис. 3. КП: заполненная в службе "02"
Автоматизированное рабочее место службы "02" создано на базе специализированного пульта дежурного оператора, который принимает сообщения о противоправных действиях, передаваемые по телефону "02". Соединение не переадресовывается в подразделения ДЧ ГУВД, регистрация заявления производится на месте. После поступления каждого вызова на пульт оператора службы "02" автоматически запрашивается номер вызывающего абонента, и регистрируются моменты наступления фаз соединения (момент занятия линии, ответа оператора службы "02" и отбоя), при этом автоматически ведется протокол работы дежурного оператора. После
411
определения номера вызываемого абонента автоматически формируется запрос в базу данных "Соната", откуда выбирается информация об адресе установки телефона заявителя. Во время переговоров дежурного оператора с заявителем формируется запрос в базу данных адресов установки телефонов, который выводится на экран видеотерминала оператора. Этот запрос отправляется в базу данных, откуда поступает информация о подразделении ГУВД, ответственном за зону, в которой фиксируется происшествие. Пока оператор ведет переговоры с заявителем, он заполняет формализованную «Карточку происшествия» и определяет значимость происшествия. По поступлении этой информации автоматически определяются подразделения, контролирующие и непосредственно ответственные за реагирование на происшествие. По этим определенным адресам опять же автоматически направляется составленная оператором "Карточка происшествия" с автоматическим же подтверждением поступления информации адресату. При этом информация поступает на один из пультов службы оперативного дежурного по городу (ОДГ), УВД, а также в территориальные отделения внутренних дел и другие службы
В процессе переговоров с заявителем автоматически в цифровом виде выполняется запись телефонного разговора.
Для обеспечения надежной работы дежурный оператор имеет выход на городскую телефонную сеть (МГТС) и внутреннюю служебную сеть (АТС ГУВД), доступ к прямым телефонным линиям, выход на сеть передачи данных, доступ к локальным и общим базам данных (рис. 4). Каждый пульт дежурного оператора имеет прямую связь с оперативным дежурным по городу, радиоцентром (РЦ), дежурными частями подразделений милиции и другими управлениями и службами ГУВД. Чтобы проконтролировать получение "Карточки происшествия" тем подразделением, в которое она направлена, оператор может связаться с ним по телефону.
412
При этом можно воспроизвести запись разговора по телефону или направить файл с записью по внутренней локальной сети. В зависимости от полномочий оператора, с каждого АРМ возможен доступ к следующим информационным ресурсам: данные о зонах ответственности подразделений органов внутренних дел; данные об адресах установки телефонов; служебная информация о службе "02" (адреса, телефоны, размещение); электронная карта Москвы.
Зал службы "02" оснащается средствами коллективного отображения: информационное табло с данными о ходе реагирования на обращения с указанием количества сигналов, находящихся в работе и в режиме ожидания.
Рис. 4. Схема взаимодействия службы "02" с другими службамии подразделениями, а также связь с локальными и
общими базами данных ГУВД г. Москвы
413
Принцип работы КП
Итак, предположим, в одном из районов Москвы произошло тревожное событие, и кто-то набрал "02". Оператор службы "02" принимает звонок. На дисплее его компьютера открыто окно КП (р ис. 5 ).
Рис. 5. Диалоговое окно КП
Прежде всего, по номеру телефона звонящего автоматически определяется адрес установки телефона абонента по базам данных адресов установки телефонов УИРиС ОАО "МГТС", то есть определяется адрес места происшествия.
Затем со слов звонящего оператор заполняет графы "Карточки происшествий", вводит информацию о происшествии (с указанием места, обстоятельств и времени совершения), о состоянии потерпевших (при их наличии), сведения о заявителе, краткую дополнительную оперативную информацию по данному сообщению для ее обработки и принятия управленческих решений (р ис. 5 ).
414
Заполнение большинства граф автоматизировано, оператор выбирает нужное значение из списка, а не вводит данные вручную.
Рис. 6. КП: заполненная дежурным по городу
Введенная информация сохраняется в базе данных, и в зависимости от важности происшествия автоматически формируется список рассылки всем заинтересованным подразделениям дежурных частей ГУВД г. Москвы. При необходимости на дисплей оператора автоматически выводится фрагмент электронной карты города с указанием места происшествия (р ис. 7 ).
415
Рис. 7. Фрагмент электронной карты с указанием места происшествия
Итак, вся информация, поступившая в службу "02", введена в КП, то есть зарегистрирована. На сообщение необходимо отреагировать. Как это происходит?
Первым делом на место события направляются специалисты для ознакомления с обстановкой и принятия необходимых мер. Состав такой оперативной группы зависит от типа происшествия: это может быть дежурная группа отделения милиции или наряд ГИБДД, специалисты инженерно-саперного отдела, группа московской службы спасения, группа службы "01", группа службы "03" и другие.
"Карточка происшествий" автоматически определяет, в зоне ответственности какого из территориальных подразделений полиции произошел инцидент. КП обеспечивает автоматическую рассылку информации о происшествии не только в подразделение, которое должно
416
отреагировать на это происшествие, но и во все заинтересованные инстанции.
Информация о происшествии вводится в КП оператором службы "02". Эти данные сразу же автоматически поступают в отделение внутренних дел, на территории которого произошел инцидент, в другие инстанции, вплоть до дежурного по городу, в зависимости от предполагаемой важности сообщения. На место происшествия прибывает оперативная группа, проверяет достоверность информации (бывает, что она не подтверждается). Если же сообщение подтвердилось, дежурная группа принимает необходимые меры, и в "Карточку происшествий" от этой группы поступает следующая "порция данных".
Оператор службы "02" заполняет "Карточку происшествий" во время разговора с заявителем (в среднем на это уходит 1 минута) и сохраняет введенную информацию в базе данных с последующим оповещением всех заинтересованных подразделений ДЧ ГУВД, после чего подразделение, получившее оповещение о происшествии, высылает оперативную группу в течение считанных минут (менее 20 минут). После того как оперативная группа проведет проверку сообщения, в "Карточку происшествий" заносится результат, КП снимается с контроля и отправляется в архив. "Время жизни" "Карточки происшествий" не превышает трех часов, поскольку это максимальное время, за которое территориальное подразделение должно отработать поступившую информацию о происшествии.
Следует отметить, что КП позволяет также проводить внутренний
контроль поступающей информации. Все телефонные звонки 417
граждан автоматически регистрируются, голос записывается, по каждому сигналу ведется строгий учет. Это позволяет не только практически сразу определить возможных "шутников", которых в последнее время, к сожалению, появилось немало, но и контролировать действия сотрудников ОВД. Любой случай отказа должностного лица ответить на сигнал о происшествии или на просьбу о помощи сразу становится очевиден, поскольку звонок фиксируется в "Карточке происшествий" автоматически и продвижение этой информации с отметками реагирования тоже сразу дает ясную картину.
Структура «Карточки происшествий»
«Карточка происшествий» – это составная часть подсистемы информационного обеспечения корпоративной автоматизированной системы управления дежурных частей ГУВД города Москвы. Она работает в среде единой вычислительной сети, включающей в себя специализированные серверы (кластеры) и рабочие станции, объединенные локальной вычислительной сетью и корпоративной мультисервисной сетью. В качестве СУБД используется СУБД Oracle. Взаимодействие между средствами вычислительной техники осуществляется по стандартному сетевому протоколу TCP/IP.
«Карточка происшествий» рассчитана на функционирование в круглосуточном непрерывном режиме.
Прикладное программное обеспечение «Карточка происшествий» состоит из нижеследующих компонентов (р ис. 8).
Серверная часть. Этот компонент включает в себя структуру базы данных и прикладные модули, реализующие взаимодействие с
418
внешними базами данных смежных подсистем (к числу последних относятся, например, подсистема определения зон ответственности органов внутренних дел, подсистема классификаторов наименований улиц Москвы, подсистема классификации происшествий).
Программное обеспечение промежуточного слоя (сервер приложений). Данное ПО обеспечивает регистрацию рабочих мест, реализует процедуру оповещения, гарантирует доставку данных при отправке "Карточки происшествий", проверку активности рабочих мест при функционировании системы, а также взаимодействие с внешними подсистемами, такими как подсистема электронной карты, подсистема определения адреса установки телефона абонента, подсистема взаимодействия с внешними БД, подсистема получения информации об эвакуированном автотранспорте.
Клиентская часть. Этот компонент устанавливается на автоматизированные рабочие места (АРМ) сотрудников дежурной части ГУВД г. Москвы.
Рис. 8. Структура данных КАСУ ГУВД
«Карточка происшествий» функционирует на перечисленных ниже аппаратно-программных комплексах и автоматизированных рабочих местах со встроенной справочной системой:
419
комплекс зала службы "02" ДЧ ГУВД, объединяющий следующие автоматизированные рабочие места: АРМ начальника смены службы "02", АРМ оперативного дежурного, АРМ помощников оперативного дежурного, АРМ справки;
комплекс зала оперативного дежурного по городу ДЧ ГУВД, объединяющий следующие АРМ: АРМ старшего дежурного по городу, АРМ оперативного дежурного по городу;
комплекс учебного класса ДЧ ГУВД;
комплексы дежурных по УВД;
комплексы дежурных по ОВД;
АРМ администратора задачи «Карточка происшествий».Основные функции ППО «Карточка происшествий»
АРМ реализуют следующие функциональные задачи: прием, обработка и контроль происшествий; управление работой службы "02"; выдача оперативно-справочной информации; отображение оперативной обстановки на электронной карте; формирование отчетных документов; обмен данными.
При решении задачи приема, обработки и контроля происшествий с помощью ППО "Карточка происшествий" обеспечиваются: автоматизированное определение адреса места происшествия по номеру телефона заявителя; ввод информации о совершенном правонарушении, нарушениях общественного порядка, стихийных бедствиях и других чрезвычайных происшествиях с указанием места, обстоятельств и времени совершения, состоянии потерпевших (при их наличии), сведений о заявителе, краткой дополнительной оперативной информации по данному сообщению для ее обработки и принятия управленческих решений; запись введенной информации о происшествии в базу данных; возможность выдачи на печать введенной информации о происшествии;
420
автоматизированный вывод на экран дисплея АРМ фрагмента электронной карты города с указанием места происшествия; автоматизированное определение зон ответственности территориальных подразделений милиции; автоматизированное задание списка адресатов для передачи сообщения о происшествии, в зависимости от вида происшествия, с возможностью корректировки сформированного списка; пересылка сведений о происшествии выбранным адресатам с внесением информации об идентифицирующих параметрах адресата, принявшего сообщение; внесение сведений о задействованных силах и средствах в базу данных; получение справочной информации на текущий момент времени о происшествиях, находящихся на контроле (по совокупности или конкретно по отдельному происшествию); контроль за ходом реагирования на правонарушения, отработка которых не завершена; прием и вывод на экран дисплея АРМ информации о ходе отработки происшествия, поступающей от дежурных частей нижестоящих уровней управления; ввод и хранение в базе данных информации о результатах деятельности сил и средств по реагированию на сообщение о происшествии; внесение в базу данных информации о завершении отработки происшествия и снятия его с оперативного контроля. При решении задачи управления работой службы "02" ППО КП обеспечиваются: возможность передачи функций автоматизированного контроля за отработкой происшествия внутри службы "02"; контроль за функциональным состоянием рабочих мест помощников оперативного дежурного службы "02"; формирование и выдача (в том числе на печать) сведений о всех поступивших телефонных обращениях на текущий момент времени и по результатам работы смены, телефонных обращениях, носивших
421
оперативный характер, количестве определенных с помощью аппаратуры АОН номеров за период времени, а также о всех телефонных обращениях, отработанных конкретным помощником оперативного дежурного службы "02"; формирование протоколов несоответствия информации во внутренних базах данных.
При решении задачи выдачи оперативно-справочной информации обеспечивается вывод на экранную форму "Карточки происшествий" информации по адресам и объектам города, номерам телефонов МГТС, зонам ответственности ОВД, адресам и телефонам подразделений ГУВД.
При решении задачи отображения оперативной обстановки на электронной карте обслуживаемой территории на АРМ обеспечиваются: отображение и масштабирование изображения объектов города, доступ к необходимым информационным слоям карты ГУВД; отображение на электронной карте обслуживаемой территории территориальных подразделений ГУВД.
При решении задачи формирования отчетных документов ППО КП обеспечиваются автоматизированное формирование и выдача (в том числе на печать) отчетных документов о результатах деятельности служб ДЧ ГУВД по оперативному реагированию на происшествия (р ис. 9 ), в том числе: сведения о поступивших в службу "02" сообщениях о происшествиях; обобщенные сведения о результатах работы за смену; журналы помощников дежурного службы "02"; журнал сообщений о готовящихся взрывах; журнал сообщений об угнанном автотранспортном средстве.
422
Рис. 9. Схема документооборота
Обеспечение ППО «Карточка происшествий»
Лингвистическое обеспечение При разработке ППО КП используются следующие языки
программирования: для разработки прикладных модулей – С++; для разработки интерфейсных компонент — язык четвертого
поколения (4GL); для разработки серверных компонент – PL/SQL.
Язык взаимодействия пользователей и технических средств, а также ввода-вывода данных – русский.
Программное обеспечение Программное обеспечение функционирует круглосуточно 365
(366) дней в году. Программное обеспечение пользователей функционирует под
управлением операционной системы Microsoft Windows NT 4.0 WS/2000 prof/XP prof или более поздних сетевых операционных систем семейства Microsoft Windows.
Программное обеспечение предоставляет пользователю получение на экране подсказки о возможных действиях во всех позициях диалогового взаимодействия с компьютером (ситуативная подсказка).
423
Покупное программное обеспечение, используемое при разработке и функционировании ППО КП, имеет необходимые лицензии.Техническое обеспечение ППО
Серверная часть ППО КП реализована на платформе Sun/Solaris в кластерном исполнении и обеспечивает работу в режиме высокой доступности.
Клиентская часть ППО КП функционирует под управлением операционной системы Microsoft Windows NT 4.0 WS/2000 prof/XP prof или более поздних сетевых операционных систем семейства Microsoft Windows.Кроме ППО "Карточка происшествий" в комплексную
автоматизированную систему управления входят и другие подсистемы. Параллельно с прохождением информации в КП оператор ОВД регистрирует первичную информацию в ППО "Оперативная сводка" (ППО ОС) (р ис. 10 и р ис. 1 1 ).
Рис. 10. Экранная форма описания происшествия (ППО "Оперативная сводка")
424
Рис. 11. Экранная форма описания происшествия (ППО "Оперативная сводка")
ППО ОС функционирует на трех уровнях: ГУВД, УВД, ОВД. Оно входит в единую вычислительную сеть, включающую специализированные серверы (кластеры) и рабочие станции (АРМ), объединенные локальной вычислительной сетью (ЛВС) и корпоративной мультисерверной сетью (КМС). Взаимодействие средств вычислительной техники осуществляется с использованием стандартного сетевого протокола TCP/IP. ППО ОС рассчитано на централизованную установку (переустановку) в рамках КАСУ. "Оперативная сводка" функционирует в круглосуточном непрерывном режиме.
Функциональные возможности данного прикладного программного обеспечения аналогичны ППО КП. Если в "Карточке происшествий" информация о совершенном происшествии с оповещением идет сверху вниз: ГУВД (служба "02") ® УВД ® ОВД, то в "Оперативной сводке" наоборот: ОВД ® УВД ® ГУВД. В районных отделах внутренних дел собирается и регистрируется первичная информация о происшествии, затем направляется в УВД, где она дополняется и передается в ГУВД. Здесь на основании полученных сведений составляется отчетный документ (сводка), в котором отображена оперативная обстановка за день. Формируется сводка в течение одного дня. ППО ОС обеспечивает автоматическое формирование номера
425
оперативной сводки по номеру дня года и номеру происшествия в сводке. Отчетность за неделю, месяц или год создается аналогично.
Время получения ответа на запрос в базу данных в заданных полях АРМ не превышает 2 с, время передачи информации с одного АРМ на другой при взаимодействии автоматизированных рабочих мест ОВД, УВД и ГУВД не превышает 10 с (табл. 1).
Таблица 1. Оперативность прохождения информации
ЗадачаМаксимально допустимое
время наполнения информацией
Пользователи
"Карточка происшествий" 3 часа дежурный
(низшее звено)
"Оперативная сводка" 24 часа оперативный
работник
"Уголовная статистика" 3 дня следователь
После того как информация прошла обработку в ППО ОС, она попадает в базу данных "Уголовная статистика" для учета и анализа информации о преступлении, на которое заведено уголовное дело. Для взаимодействия ППО ОС и ППО УС разработан еще один программный продукт, который обеспечивает проверку ежедневной оперативной сводки ГУВД г. Москвы по БД "Уголовная статистика" на соответствие уголовным делам, а также ввод данных в статистическую карточку на выявленное преступление. Подсистема взаимодействия ППО ОС и ППО УС также является составной частью подсистемы информационного обеспечения КАСУ г. Москвы.
426
427
ЛИТЕРАТУРА
1. Федеральный закон от 27.07.2006 N 149-ФЗ (ред. от 21.07.2011)
«Об информации, информационных технологиях и о защите
информации».
2. Алексеев Е.Г. Электронный учебник по информатике, inf.e-
alekseev.ru.
3. Ветлугина И.М. Информационные технологии в экономике.
4. Габбасов Ю.Ф. Internet 2000 / Ю.Ф. Габбасов. – СПб.: БХВ, 2000.
5. Гиляревский Р.С. Основы информатики: курс лекций /
Р.С. Гиляревский. – М.: Изд-во «Экзамен», 2004.
6. Давыдов И.С. Информатика: Учебное пособие. / Давыдов И.С. –
М.: Просп. науки, 2009.
7. Давыдов А.С. Информационные технологии в деятельности
органов внутренних дел: учебное пособие / А.С. Давыдов,
Т.В. Маслова. – М.: ЦОКР МВД России, 2008.
8. Информатика и математика. Часть 2. Информатика. Учебное
пособие. / Под ред. Е.В. Михайленко. – Краснодар:
Краснодарский университет МВД России, 2007.
9. Информатика. Базовый курс. 2-е изд. /Симонович С.В. – СПб.:
Издательство "Питер", 2009.
10. Информатика: учебник / 3-изд. под ред. Н.В. Макаровой. – М.:
Финансы и статистика, 2006.
11. Информационные технологии / под ред. В.В. Трофимова. – М.:
Юрайт, 2011.
12. Каймин В.А. Информатика: Учебник./ Каймин В.А. – М.:
Проспект, 2009.
13. Кон А.И. Секреты Internet / А.И. Кон. – изд. Ростов н/Д:
«Феникс», 2000.
428
14. Литвинов В.А. Информатика и математика: практический курс /
В.А. Литвинов. – Барнаул: Барнаульский институт МВД России,
2007.
15. Михайленко Е.В. Информатика: учебное пособие /
Е.В. Михайленко, И.Н. Старостенко, Ю.Н. Сопильняк. –
Краснодар: Краснодарский университет МВД России, 2010.
16. Острейковский В.А. Информатика: учебник /
В.А. Острейковский. – М.: Высшая школа, 2007.
17. Симонович С. Евсеев Г. Новейший самоучитель по работе в
Internet. М.: изд. «ДЕСС КОМ», 2000.
18. Советов Б.Я. Информационные технологии / Б.Я. Советов,
В.В. Цехановский. — М.: Высшая школа, 2011.
19. Старостенко И.Н. Офисные приложения: учебное пособие /
И.Н. Старостенко, Ю.Н. Сопильняк, В.В. Кадурин. – Краснодар:
КрУ МВД России, 2006.
20. Старостенко И.Н. Аппаратное и программное обеспечение
компьютерных систем: учебное пособие / И.Н. Старостенко,
Ю.Н. Сопильняк. – Краснодар: КрУ МВД России, 2011.
21. Шафрин Ю.А. Информационные технологии / Ю.А. Шафрин. –
М.: изд. ЛБЗ, 2001.
22. http :// doc - system . ru
23. http :// protection - soft . info / pages - page - pid 59. htm
24. http://www.documoborot.ru
25. http :// www . dvgu . ru / meteo / intra / ElectronDocument . htm
26. http://www.escom-bpm.com/
27. http :// www . interface . ru
28. http://www.klerk.ru
29. http :// www . wss - consulting . ru / workflow . php
429
![biblioteka.zhgu.edu.kzbiblioteka.zhgu.edu.kz/inflows/01.10.16-31.12.2016 (1).… · Web view2016/10/01 · Притчи человечества [Текст] / Сост. В. В.](https://static.documents.pub/doc/80x56/5f0c9ce67e708231d43645c7/1-web-view-20161001-.jpg)
