Моделі та методи моделювання зображень хімічних виразів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

Нерода Тетяна Валентинівна

УДК 004.942+004.925.8+004.915

МОДЕЛІ ТА МЕТОДИ МОДЕЛЮВАННЯ ЗОБРАЖЕНЬ ХІМІЧНИХ ВИРАЗІВ

01.05.02 - математичне моделювання та обчислювальні методи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Львів 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українській академії друкарства Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Дунець Роман Богданович, доцент кафедри Інформаційно-вимірювальних технологій Національного університету “Львівська політехніка”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Рак Юрій Павлович, професор кафедри поліграфічних машин Української академії друкарства;

доктор технічних наук, професор Матвійчук Ярослав Миколайович, професор кафедри Теоретичної радіоелектроніки та радіовимірювання Національного університету “Львівська політехніка”.

Провідна установа: Харківський національний університет радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться 1 липня 2005 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої ради Д 35.052.05 у Національному університеті "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, вул. С. Бандери, 12).

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська Політехніка” (79013, м. Львів, вул. Професорська, 1)

Автореферат розісланий 26 травня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор Федасюк Д.В

Загальна ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

конвертування хімічний редактор комп'ютерний

Актуальність теми. Однією з прикмет ринкової економіки є розповсюдження малих друкарських систем, які мають справу з широким асортиментом поліграфічної продукції (підручниками, довідниками, інформаційними виданнями, науковою літературою тощо), зокрема такої, що містить значний відсоток нелінійних текстів. Основною вимогою до сучасних засобів відтворення інформації є малий час тривалості технологічних процесів та високий ступінь їх автоматизації, тому скорочення термінів випуску і собівартості поліграфічної продукції можливе лише за умови правильного використання наявних та створення нових автоматизованих систем підготовки видань.

Всю поліграфічну продукцію за вмістом у тексті спеціальних символів, шрифтових та нешрифтових виділень тощо прийнято поділяти на чотири групи складності. До III-IV групи (рівня) технологічної складності належать видання, де 50 % обсягу займають такі інформаційні об'єкти як таблиці, технічні схеми, формули, моделювання яких може бути виконане лише підпрограмами комп'ютерно-видавничої системи (КВС). Однак, програмних засобів, які здійснювали б моделювання таких особливих інформаційних об'єктів як двомірні зображення молекул, виконуючи побудову та дослідження систем математичних співвідношень і структур даних, що відтворюють геометрично-позиційні характеристики компонентів зображення хімічного виразу за їх поліграфічними атрибутами з дотриманням технологічних вимог оформлення друкованої продукції, на даний час нема.

Останнім часом в Україні активно впроваджуються комп'ютерні технології підготування видань до друку, в основному іноземного виробництва. Застосовувані при цьому методи моделювання інформаційних об'єктів і відповідні програмні засоби загалом не адаптовані до текстів, написаних кирилицею, зокрема українською, здебільшого виконують функції, не властиві комп'ютерно-видавничим системам, і при компонуванні зображення хімічного виразу не реалізовують затверджених в нашій державі технологічними інструкціями поліграфічних норм, тому задача розроблення моделей та методів моделювання зображень хімічних виразів для комп'ютерно-видавничих систем є своєчасною і актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана за планом науково-дослідних робіт Української академії друкарства в рамках наукового напряму кафедри автоматизації та комп'ютерних технологій “Розробка засобів автоматизації і комп'ютерних технологій друкарства”, де автором розроблені методи та алгоритми синтезу хімічних виразів. Результати дисертаційної роботи впроваджено в НВФ “Українські технології”, видавництві УАД та в навчальний процес Української академії друкарства.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розроблення математичних моделей та моделей циркуляції даних (інформаційних моделей), методів і відповідних засобів моделювання зображень хімічних виразів для комп'ютерно-видавничих систем, реалізація яких забезпечить виготовлення якісної конкурентноздатної друкованої продукції вищих рівнів складності, що відповідатиме вітчизняним вимогам поліграфічного оформлення.

Для досягнення мети у роботі вирішено такі задачі:

- проведення аналізу й класифікації систем підготування і систем кодування хімічних формул та застосовуваних у них методів моделювання зображень хімічних виразів;

- розроблення інформаційних моделей зображень хімічних виразів та процесу синтезу об'єктів видання ІІІ-IV рівня складності;

- побудова математичних моделей зображень компонентів хімічного виразу та сервісних операцій відносно нього;

- розроблення методів кодування ациклічних сполук та циклів, що становлять систему кодування зображень хімічних виразів для комп'ютерного комплексу підготовки видань.

- розроблення алгоритмів і програмних засобів для моделювання зображень хімічних виразів.

Об'єкт дослідження - зображення хімічних виразів.

Предмет дослідження - математичні та інформаційні моделі зображень хімічних виразів і процес їх синтезу.

Методи дослідження. У теоретичних дослідженнях для синтезу математичних моделей зображення хімічного виразу та сервісних операцій відносно нього використано теорію математичного моделювання, для розроблення інформаційної моделі процесу синтезу об'єктів видання ІІІ-IV рівня складності використано теорію імітаційного моделювання та методи теорії систем; методи теорії матриць і теорії систем застосовано при дослідженні систем кодування та укладенні моделей даних хімічних виразів, методи теорії проектування і прикладного програмування використано з метою аналізу відомих систем підготовлення структурних формул та при розробленні нових програмних засобів для моделювання зображень хімічних виразів.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі виконаних досліджень розв'язана наукова задача розроблення моделей та методів моделювання зображень хімічних виразів для комп'ютерно-видавничих систем, спрямованих на оперативне створення якісної конкурентноздатної друкованої продукції, що відповідатиме вітчизняним вимогам правильного поліграфічного оформлення. При цьому отримано такі наукові результати:

1. Вперше розроблено інформаційну модель процесу синтезу зображень хімічних виразiв, яка враховує поліграфічні атрибути об'єктів видання III-IV рівня складності і забезпечує формалізацію основних етапів проектування автоматизованого редактора хімічних виразів.

2. Розроблено математичні моделі та методи моделювання екранних координат реперних точок зображень моноциклів довільної конфігурації й насиченості з позиціюванням у циклічних сполуках карбо- та гетероатомів, що враховують співвідношення графічних компонентів зображення хімічних структур, значення кегля шрифту основного тексту видання та при підготуванні друкованої продукції спеціального призначення забезпечують поліграфічне оформлення цих видань з дотриманням національних стандартів України.

3. Вдосконалено методи кодування зображень хімічних виразів для комп'ютерно-видавничих систем, які виконують побудову кодової моделі розімкненої структури у вигляді списків, а кодової моделі замкненої структури - у вигляді матриць, елементи яких на відміну від інших описують геометрично-позиційнi характеристики окремих фрагментів зображення, що забезпечує збереження зображень таких виразів і їх наступне редагування.

4. Вперше створено об'єктну модель зображень хімічних виразів, яка зберігає топологію та полiграфiчні атрибути окремих компонентів i вiдношень мiж ними, що забезпечує автоматичне опрацювання їх редактором хімічних виразiв.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Сформульовані критерії оцінювання функціональних можливостей основних модулів систем підготовлення складноструктурованих об'єктів для комп'ютерно-видавничих систем можуть бути використані для порівняльного аналізу та вибору оптимального чи проектування нового засобу компонування видань спеціального призначення, відмінних від хімічно-орієнтованої друкованої продукції.

2. Побудований уніфікований алгоритм візуалізації та модифікації графічного образу довільних моноциклів з текстовим входженням на основi розроблених математичних моделей та методів моделювання зображення хiмiчного виразу дозволяють проектувати програмні макроси для організації хімічно-орієнтованих автоматизованих робочих місць.

3. Запропоновані діалогові засоби компонування зображень хімічних виразів, що передбачають наявність індивідуальних шаблонів та ідентифікаторів окремих компонентiв зображення хімічного виразу для моделювання графічного образу спростило та прискорило процес верстання видань.

4. Розроблений формат формульних об'єктів хімічного виразу, що враховує суто топологічні і стильові особливості зображення структури молекули, забезпечує інтеграцію зображення хімічного виразу в середовище об'єктно-орієнтованих прикладних програм загального призначення.

5. Обґрунтовано структуру програмного пакета автоматизованого редактора, на основі чого розроблено дистрибутив системи моделювання зображень хімічних виразів для комп'ютерно-інтегрованих видавничих комплексів, що сприяє зростанню ефективності процесу створення друкованої продукції вищих рiвнiв складностi, яка відповідає вітчизняним вимогам поліграфічного оформлення.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, що становлять основний зміст дисертації, автор отримав самостійно. За результатами наукових досліджень по темі дисертаційної роботи опубліковано 13 одноосібних праць. У роботах, надрукованих у співавторстві, здобувачеві належать: [11] - запропонований принцип перетворення структури даних автоматизованого редактора як основу синтезу моделі міжпрограмної взаємодії, [15] - виконане структурування авторської моделі зображення хімічного виразу з метою визначення атрибутів і функцій інформаційних об'єктів та встановлення відношень між об'єктами, що мають однакові властивості.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на Міжнародних наукових конференціях “Комп'ютерні технології друкарства” - “Друкотехн-2000, -2002, -2004”, (м. Львів); Міжнародній науковій конференції з управління “Автоматика - 2001" (м. Одеса); II та IV науково-технічних конференціях студентів і аспірантів “Друкарство молоде” (м. Київ, 2002, 2004); VII Міжнародній науково-технічній конференції “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2003) (м. Вінниця); звітних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу наукових працівників та аспірантів Української академії друкарства.

Публікації. За темою роботи опубліковано 15 наукових праць: з них 12 статей у фахових виданнях, тези трьох доповідей. Кількість одноосібних праць становить 13.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи 211 сторінок. Основний зміст роботи викладено на 153 сторінках. Робота містить 44 рисунки, 7 таблиць, 6 додатків. Список використаних джерел зі 148 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянуто загальний стан досліджуваної проблеми, її значущість у сучасних умовах, обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та основні задачі досліджень, викладено наукову новизну роботи і практичну цінність результатів. Наведено дані про впровадження результатів роботи, її апробацію та публікації здобувача.

У першому розділі виконано огляд і аналіз джерел, присвячених компонуванню хімічних формул; формалізовано поняття та укладено структурну схему хімічного виразу (рис. 1), на основі чого уточнено й деталізовано класифікацію зображень хімічних формул за компонентами складання, обґрунтовано необхідність комп'ютерного підготовлення об'єктів видання III-IV рівня складності. Сформульовано критерії оцінювання середовища моделювання зображень хімічних виразів як програми КВС, що дало змогу провести дослідження сучасних програмних комплексів набору формул, і виявлено, що поряд з ускладненими ліцензійними угодами відомі засоби не забезпечують при цьому дотримання вимог національних стандартів України з поліграфічного оформлення видання та не повною мірою реалізують інтеграцію з наявними прикладними програмами верстання.

Обґрунтовано необхідність розроблення математичного апарату і методів розрахунку для створення алгоритмів компонування зображень структур у КВС; запропоновано інформаційну модель процесу синтезу об'єктів видання III-IV рівня складності, на основі чого було обумовлено найважливіші етапи проектування автоматизованого редактора хімічних виразів.

У другому розділі описано запропонований метод моделювання хімічних виразів, поданих правильними n-кутниками, де враховано параметри розташування графічних компонентів зображення структури на шпальті (x0, y0) та значення кегля шрифту основного тексту видання (Р); даний метод, що ґрунтується на синтезі вузлів вуглецевого скелета ряду циклоалканів (xv, yv), ліг в основу математичної моделі графічних образів насичених моноциклів:

(1)

де КZ - коефіцієнт візуалізації, що враховує основні співвідношення роздільної здатності монітора, графічних та шрифтових компонентів формули;

t - кут, створюваний рухомим радіусом з додатнім напрямком осі Ох.

Базові параметри, запропоновані в (1), було використано в математичній моделі замкненої структури альтернативної конфігурації. Для забезпечення гармонійності поліграфічного оформлення об'єктів видання такий моноцикл повинен мати певне художнє співвідношення основних лінійних розмірів, максимально наближене до золотого січення: а = b· при горизонтальному розташуванні многокутника (рис. 3, а) та а = b при вертикальному розташуванні (рис. 3, б). Характеристики поточного вузла вуглецевого скелета альтернативного циклу з наперед заданими параметрами розташування (xе, yе) моделюються за системою рівнянь

(2)

де вертикальна піввісь b=0.2 P KZ (рис. 3,а), b=0.353 P KZ (рис. 3,б).

В разі синтезу моделі зображення ненасичених вуглеводнів замкненої структури узагальнена електронна хмара у площині поповненого полігона подається визначеною кількістю відрізків, паралельних відповідним сторонам контурного многокутника. Графічний образ кратного хімічного зв'язку запропоновано будувати як сторону подібного контурному n-кутника, вписаного у коло пропорційно меншого радіуса.



Таким чином, порядок зв'язку між атомами вуглецевого скелета визначає кількість концентричних кіл, радіуси яких різняться на деяку сталу величину ?R (рис. 3, в). Графічний образ кратного зв'язку k-го порядку реалізується з частковим використанням розробленого методу класичного відображення насичених моноциклів (1):

(3)

де радіус k-го кола Rk = 0.353 P KZ - ДR (k-1).

За описаним методом синтезу кратного зв'язку з використанням (2)-(3) відбувається також візуалізація ненасичених вуглеводнів замкненої структури альтернативної конфігурації: k-й компонент поточного зв'язку в даному випадку моделюється таким чином:

(4)

Зважаючи на явну схожість математичних моделей (1) та (2), а відповідно і (3) та (4), графічний образ моноциклу довільної конфігурації й насиченості доцільно будувати з використанням єдиного алгоритму, попередньо опрацьовуючи вхідні ознаки зображення, що дозволить уникнути нагромадження вузькоспеціалізованих громіздких процедур, використовуваних у більшості середовищ підготування хімічних формул. Так, екранна позиція k-ї складової зв'язку для поточного вузла з урахуванням відповідного коефіцієнта моделювання

(5)

Коефіцієнт моделювання абсцис (МХ) та ординат (MY) графічного образу циклу відповідної конфігурації для моделі (5) визначається з таблиці 1.

Таблиця 1

Ідентифікація відображення циклу за коефіцієнтом моделювання

В разі подання моноциклу з відображенням карбо- та гетероатомних локантів, зображення циклічної структури не буде відповідати многокутнику як замкненій ламаній лінії внаслідок наявності поля-вікна для введення символу. Це поле пропонується реалізувати шляхом відсікання кінців ламаних в околі вершини. Площа відсікання обчислюється як множина точок, обмежена дугою кола з певним заданим радіусом в половину кегля символу, та двома півпрямими, які виходять з вузла під внутрішнім кутом многокутника.

Загалом, побудовані математичні моделі (1)-(5), що ґрунтуються на запропонованих методах синтезу моноциклів різної кратності та конфігурації з відображенням якісного і кількісного складу локантів, становлять модель візуалізації замкненого фрагмента зображення хімічного виразу, яка реалізовує уніфікований алгоритм відображення графічного образу формули зі збереженням встановленого співвідношення між графічними та текстовими компонентами.

Моделювання графічного образу багатоядерних сполук, скелет яких складається з декількох циклів, полягає в синтезі моделі поточного компонента (5) за вхідними ознаками попередніх. Так, параметри розташування k-го циклу сполуки ряду фенілів, де кільця безпосередньо зв'язані одне з іншим, знаходиться з рівнянь

 (6)

Де Ц - ширина зображення циклу;

В - довжина зображення міжциклічного зв'язку;

l - кількість міжциклічних зв'язків.

В разі наявності ациклічних фрагментів базові точки k-го циклу отримуватимуться з моделі

(7)

Де b - ширина знака символьного входження;

m - кількість символів у рядку.

І, нарешті, вхідні параметри k-го циклу розгалуженого ланцюга :

(8)

Де Н - висота зображення циклу;

k' - кількість циклів по вертикалі;

l ' - кількість міжциклічних зв'язків по вертикалі;

m' - кількість символів у стовпці.

Описані зображення багатоядерних сполук, як і інші складні структурні формули, займають певну площу шпальти; інколи їх потрібно певним чином перебудувати, - перетворити з метою компактнішого розташування. В окремих випадках для зручності набірного виконання та загального сприйняття інформації доцільно змінити розмір формули або просторову орієнтацію молекул, попередньо погодивши усі зміни з автором. Основним завданням методів просторового розміщення та перетворення зображень хімічних виразів у процесі макетування видання є реалізація моделей, що адекватно відображатимуть найсуттєвіші топологічні характеристики вихідного виразу, позаяк використання класичних способів опрацювання зображень в даному випадку неприпустиме внаслідок втрати поліграфічно-нормативного співвідношення графіки та окремих текстових компонентів.

Отже, зміна розміру формульного об'єкта в розробленому проекті реалізується методом модифікації розмірів окремих його компонентів у середовищі редактора хімічних виразів шляхом перевстановлення кегля основного шрифту виразу, а в методах зміни розташування, зокрема повороту і дзеркалення, на відміну від існуючих передбачено розокремлене опрацювання графіки і тексту, проміжне збереження геометрично-позиційних характеристик вмісту символьних полів та подальше перенесення текстових блоків у відповідні вузли модифікованого вуглецевого скелета. Таким чином, оригінальні методи синтезу й перетворення зображень хімічних виразів у процесі макетування публікації забезпечують образну логіку комп'ютерного компонування формульного об'єкта, зберігаючи композиційну цілісність видань III-IV рівня складності; змодельований графічний образ вихідного зображення хімічного виразу відповідає затвердженим в Україні технологічними інструкціями поліграфічним нормам.

У третьому розділі викладено сформульовані критерії аналізу систем кодування зображень хімічних виразів для моделювання формульних об'єктів у програмах верстання; з огляду на запропоновані критерії розвинуто класифікацію відомих систем кодування хімічних формул, згідно з вітчизняними вимогами поліграфічного набору виконано їх дослідження, яке показало, що існуючі засоби отримання коду не повною мірою надаються до застосування їх у комп'ютерно-видавничих системах, тому постала задача створення нових методів кодування зображень сполук з наступним зануренням отриманого формульного об'єкта в публікацію III-IV рівня складності.

При цьому виникла необхідність формалізувати поняття “структурної схеми” (рис. 1) так, щоб компонентна модель виразу (рис. 2) однозначно характеризувалася кодовим записом. Виходячи з загальноприйнятого представлення хімічного зв'язку, під ациклічною сполукою розглядається структурне утворення, де хімічні елементи сполучені між собою у прямі чи розгалужені ланцюги. Таким чином, особливістю подання зображення ациклічних сполук є наявність символьних позначень якісного і кількісного складу хімічних елементів, об'єднаних у текстові блоки, знаків зв'язків певного виду і кратності, розташування вузлових атомів та фрагментів відгалуження. Отже, зображення сполуки з відомою почерговістю зв'язків між всіма атомами за допомогою зв'язків заданого типу називатиметься структурним виразом.

На основі аналізу семантичної та структурної будови ациклічних сполук розроблено схему їх стратифікованого представлення: у даній системі кодування кодова модель зображення ациклічної сполуки подається лінійним записом, який зберігає структуру вуглецевого скелета головного ланцюга зображення формули з врахуванням розгалужень. Такий метод запису полягає в поданні ідентифікаторів хімічних зв'язків, обраних з піктографічного меню, як операторів (знаків операцій), що сполучають аргументи - блоки хімічних елементів. Лінійний запис у процесі моделювання на екрані графічного образу відповідно до оригінального зображення хімічного виразу автоматично доповнюється ідентифікаторами, які забезпечують можливість розпізнавання структури виразу і суті його окремих частин (табл. 2).

Таблиця 2. Ідентифікатори кодової моделі хімічного виразу

Таким чином, головне завдання методів перетворення в машинний код зображень ациклічних фрагментів даної системи полягає в точному відтворенні топології вуглеводневого скелета молекули з вказанням характеру та порядку зв'язку (рис.4), дотримуючись норм, регламентованих Технологічними інструкціями з набірних процесів.

Використання описаного методу вперше дало змогу однозначно кодувати зображення ізомерів ациклічних вуглеводнів з функціональними похідними, що поряд з описом інших фрагментів структурної схеми хімічного виразу сприяє гнучкості, багатозадачності розробленої системи кодування та припускає роботу з прикладною програмою набору зображень виразів верстальника, нехіміка за фахом.

Значна частина органічних сполук, наведених у науково-технічних статтях, патентах, монографіях тощо - це структури класичної будови, описувані циклічними системами з довідника Паттерсона “Ring Index”, які становлять основну складність при моделюванні графічного образу зображення хімічних виразів. Для зазначення наявності циклу в кодовому фрагменті його входження до ациклічного ланцюга вказується посилання на розташування запису циклу в нотації формату даного формульного об'єкта, де поряд з ідентифікатором шаблона моноциклу записуються характеристики його кільця, до яких віднесено розташування вершин базового многокутника та порядок кожного зокрема зв'язку сполуки; їх запропоновано зберігати у тривимірному масиві, де і-му вузлу ставиться у відповідність і-й рядок та і-й стовпець. На перетині рядка і стовпця над- і під головною діагоналлю матриці записується порядок та вид зв'язку між відповідними вузлами, а по діагоналі у вимірі аплікати модель візуалізації за (5) розташовує відносні екранні координати цих вузлів і відповідних кратних зв'язків. Таким чином, ізоморфний масив реалізує таку модель зображення циклу, де кожен зв'язок і порядок зв'язку кодується зокрема й завжди позначається явним чином (рис. 5).

Наявність у зображенні циклу символів локантів вуглецевого скелета чи замісників зазначається окремим кодовим записом (табл. 2), породженим операцією введення текстових компонентів вузлів чи знаку зв'язку в масив характеристик базового циклу (рис. 6), що повною мірою передає особливості вихідного зображення з коректним розташуванням символів хімічних елементів, інформації про їх кількісний і якісний склад, топологію заміщення тощо.

Для кожного кільця, що входить у поліциклічну сполуку, характеристики описуються в індивідуальному полі нотації формату формульного об'єкта, при цьому опис спільних компонентів дублюється, забезпечуючи точність при розпізнаванні та редагуванні графічного образу (рис. 5, 6).

Таким чином, для забезпечення однозначного відтворення запропонована система кодування загальним обсягом 26 символів передбачає використання розроблених методів детального опису молекулярних структур, які зберігають повну інформацію про топологію молекули - код відображає всі наявні компоненти зображення та особливості їхнього розташування. Машинний запис вихідного зображення, одержаний описаними методами, не дає похибки для сполук, близьких хімічно, але таких що мають різні фрагменти зображення структури чи різне їх розташування. Незначна коректура графічного образу автоматично фіксується у відповідній частині кодового запису. Тому, на відміну від відомих систем кодування, почерговість складання структури довільна і значення не має. Кодова модель хімічного виразу містить первинну форму подання структурної інформації, одержувану на виході модуля кодування, не підлягає опрацюванню за ознаками лексикографічного старшинства, зберігаючи особливості топології зображення молекули при відтворенні графічного образу. Узагальнена модель нотації формульного об'єкта застосовується як засіб зберігання інформації про зображення виразу в тілі формату публікації КВС.

У четвертому розділі описано послідовність синтезу прикладної програми автоматизованого редактора хімічних виразів, причому для приведення середовища проектування редактора у відповідність з умовами наукової задачі первинне зображення виразу було структуроване з метою визначення окремих об'єктів, властивості яких відповідають компонентам хімічної формули. В результаті в проект вводиться об'єктна модель, що її схема тісно пов'язана з топологією авторської моделі вихідного зображення (рис. 1) і яка забезпечує подання зображення хімічного виразу в термінах класів об'єктів та відношень між цими класами, причому класи об'єктів ідентифікуються обумовленням абстрактних понять, пов'язаних з досліджуваною предметною областю. За рахунок відображення ієрархічної впорядкованості класів об'єктів у структурі моделі (рис.7) остання зменшується за обсягом і створює основу для програмної реалізації проекту автоматизованого редактора, що дає змогу набірнику на кожному етапі складання графічного образу сприймати поставлену задачу адекватно, відповідно до авторської моделі, не вдаючись в деталі функціонування програмного продукту.

При моделюванні зображення структурних формул в середовищі автоматизованого редактора хімічних виразів постає проблема збереження формульних об'єктів для наступної їх візуалізації, модифікації та занурення в документ КВС. При такому збереженні інформація про сукупні параметри формульного об'єкта повинна подаватись у пам'яті ЕОМ незалежними закритими блоками кодів, об'єднаними в окрему індивідуальну логічно організовану структуру, називану форматом прикладної програми.

Щоб забезпечити збереження різних типів даних - складноструктурований текст, хімічно-орієнтовану графіку тощо, формат редактора побудовано на синтаксисі розробленої системи кодування зображень хімічних формул із врахуванням властивостей обумовлених об'єктів та потоків даних, прийнятих у використовуваній операційній системі. Формат складається з послідовності даних, так званих тегів (рис. 8): структура, розмір та позиція тегів інформаційних об'єктів хімічного редактора неоднакові і змінюються для різних виразів. Розташування тега задається абсолютним зміщенням від ідентифікатора формату. Так, тег Ациклічні вирази розпочинається дев'ятим полем. Позиція наступного тега розраховується таким чином:

(9)

де ЗАГ - записи тега Заголовок, ;

ІАВ - поле ідентифікатора тега Ациклічні вирази;

Зk - запис координат поточного виразу;

n - кількість полів ациклічних виразів у тегу, покази локального лічильника;

ЛчАЦ - поле лічильника об'єктів;

ЗКМВ - запис кодової моделі поточного виразу.

Поле ідентифікатора тега Незалежні графічні об'єкти розташоване в позиції

(10)

де ЗПЦ - записи параметрів циклу, для кодової моделі циклу зарезервовано тридцять рядків;

l - кількість вершин поточного циклу з ациклічним входженням;

m - кількість моделей циклу формульного об'єкта, покази локального лічильника;

ЛчЦФ - поле лічильника об'єктів;

ЗКМА - запис кодової моделі ациклічного входження вершини циклу.

Відтак, маркер завершення потоку даних, запис якого розпочинає тег Кінцівка, зміщений від ідентифікатора формату на величину

(11)

де k - кількість полів незалежних графічних об'єктів у тегу, покази локального лічильника

ЗПО - запис параметрів об'єкта;

ЗКМО - запис кодової моделі поточного об'єкта;

ЛчНГО - поле лічильника об'єктів.

Після маркера EOF тег Кінцівка містить декілька записів доповняльних відомостей, які не враховуються при візуалізації. Таким чином, нотацію розробленого формату структуровано відповідно до якісних ознак, що складають специфіку обумовлених об'єктів автоматизованого редактора хімічних виразів. Побудовані математичні моделі позиціювання тегів формату прикладної програми хімічного редактора (9)-(11) увійшли в основу алгоритмів моделювання нотації формату та візуалізації формульного об'єкта, де також закладено вітчизняні технологічні вимоги коректного поліграфічного відтворення. Раціональність розробленого формату, зокрема передбачення механізму виявлення та усунення помилок, є вирішальним чинником, що визначає швидкість, з якою логічний блок даних редактора хімічних виразів, розташований у файлі публікації, може бути ідентифікований і прочитаний, розмір зайнятого ним дискового простору та простоту доступу через формульний об'єкт до середовища програми-сервера за даними цього блоку.

З метою забезпечення коректної взаємодії між операційною системою і прикладним пакетом автоматизованого редактора сформульовано та обґрунтовано призначення компонентів програмного інтерфейсу:

для підтримання формульних об'єктів, занурених в програми верстання, запропоновано принцип конвертування інформаційних моделей хімічного редактора;

створено модель міжпрограмної взаємодії зображення хімічного виразу на основі механізму інтеграції формульного об'єкта в середовище програми-клієнта;

сформовано компоненти дистрибутивного пакета автоматизованого редактора, для чого обумовлено конфігурацію розділу початкових налаштувань Apxib.ini та ймовірні сценарії інсталяційного драйвера Setup.exe .

Виважений підбір компонентів програмного інтерфейсу забезпечує створення дистрибутива автоматизованого редактора й ефективний доступ його до механізмів керування операційної системи і є передумовою для повноцінного встановлення та функціонування прикладного пакета моделювання зображень хімічних виразів серед інших програм комп'ютерного комплексу підготовки видань вищого рівня складності.

Загалом, уся сукупність процедурних модулів, які складають прикладну програму редактора, поділяється на дві частини: засоби інтерфейсу та процедури обслуговування процесу моделювання зображення хімічного виразу. Об'єктно-орієнтоване подання модулів дало змогу в об'єктній моделі (рис. 7) застосувати формалізовані способи визначення класів граматичних конструкцій, прийняті для опису контекстно-вільних складових, і реалізувати описану структуру в системі програмування Delphi, яка включає в себе інструментальні засоби для побудови стандартних інтерфейсів і діалогів, бібліотеки графічних елементів та організацію OLE для інтеграції створеної прикладної програми в наявні пакети верстання.

Таким чином, застосування розроблених моделей та методів моделювання зображень хімічних виразів при використанні блокового принципу та укладеного піктографічного меню значно полегшує процес складання формул, дозволяє уникнути помилок, можливих при логічному наборі, забезпечує простий спосіб однозначного кодування об'єктів зі збереженням геометрично-позиційних характеристик та виконанням технологічних вимог правильного поліграфічного відтворення. Поряд з іншими засобами інтерфейсу піктографічне меню становить загальну структуру системи моделювання зображень хімічних виразів у інтерактивному режимі, застосовуваної як органічна складова комп'ютерно-інтегрованих видавничих комплексів.

У додатках наведено акти впровадження результатів роботи, інформаційні проспекти виробників систем опрацювання хімічних формул, лістінги процедури візуалізації та файлу початкового завантаження, діалогові засоби моделювання зображень хімічних виразів.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі розв'язана наукова задача розроблення математичних та інформаційних моделей, методів і відповідних засобів моделювання зображень хімічних виразів для комп'ютерно-видавничих систем, реалізація яких забезпечить виготовлення якісної конкурентноздатної друкованої продукції вищих рiвнiв складностi, що відповідатиме вітчизняним вимогам поліграфічного оформлення.

1. Сформульовано критерії оцінювання середовища складання зображень хімічних виразів для моделювання складноструктурованих об'єктів комп'ютерно-видавничих систем, які забезпечили можливість порівняльного аналізу сучасних програмних комплексiв опрацювання хімічних формул;

2. Вперше побудовано інформаційну модель процесу синтезу об'єктів видання ІІІ-IV рівня складності, що дало змогу визначити основні моделі зображень хімічних виразів для комп'ютерно-видавничих систем та методи їх моделювання.

3. Створено математичні моделі і методи моделювання зображень моноциклів довільної конфігурації й насиченості та метод позиціювання в циклічних сполуках карбо-, гетеро атомів, якi враховують співвідношення графічних компонентів зображення хімічних структур і значення кегля шрифту основного тексту, що забезпечує виконання вітчизняних технологічних правил коректного поліграфічного відтворення хімічного виразу.

4. Розроблено методи просторового розміщення й перетворення зображень хімічних виразів у процесі макетування видання, які ґрунтуються на обчисленні реперних точок графічного образу, що забезпечує комп'ютерне компонування формульного об'єкта зі збереженням композиційної цілісності видань III-IV рівня складності.

5. Сформульовано якісні критерії аналізу систем кодування хімічних формул з огляду на технологічні вимоги складання друкованої продукції, що лягли в основу дослідження, яке показало необхідність розроблення нової системи кодування зображень хімічних виразів, що на відміну від існуючих не розрізняє сполук за їх фізико-хімічними властивостями і придатна для використання у комп'ютерно-видавничих системах.

6. Розроблено метод кодування хімічних виразів розімкненої структури, де компоненти подаються лінійним записом ідентифікаторів напрямку, виду і кратності хімічних зв'язків, та метод кодування циклів зі збереженням порядку та виду кожного зв'язку зокрема у масиві, які забезпечують створення кодових моделей графічних і текстових компонентів з врахуванням їх геометрично-позиційних характеристик, а не хімічних властивостей формули.

7. Створено та ієрархічно впорядковано категорії класів об'єктів, відповідно до математичних моделей компонентів зображення хімічного виразу визначено їх атрибути і функції, що дало змогу забезпечити автоматичне опрацювання цих об'єктів у програмі редактора хімічних виразів.

8. Створено модель формату даних прикладної програми редактора, яка ґрунтується на синтаксисі розробленої системи кодування та атрибутах обумовлених об'єктів і передбачає опис суто топологічних особливостей вихідного зображення, що забезпечує можливість уніфікації формульного об'єкта і опрацювання його в наявній операційній системі.

9. На основі розроблених моделей і методів синтезу зображень хімічних виразів сформульовано структуру організації автоматизованого редактора, для чого створено інструментальні засоби комп'ютерного моделювання з застосуванням блокового принципу складання компонентів виразу, механізм конвертування інформаційних моделей автоматизованого редактора у формульні об'єкти та їх інтеграції в середовище програми-клієнта. Сформовано компоненти дистрибутивного пакета прикладної програми моделювання об'єктів видання ІІІ-IV рівня складності, яка дозволяє значно скоротити час верстання видань, підвищити якість друкованої продукції і поліпшити рівень її поліграфічного виконання.

СПИСОК ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Нерода Т. Огляд програм формування хімічних формул // Комп'ютерні технології друкарства. - Львів, 1999. - №3. - С. 137-140.

2. Нерода Т. Метод побудови правильних многокутників як фрагментів структури хімічних формул // Комп'ютерні технології друкарства. - Львів, 2000. - №4. - С. 90-95.

3. Нерода Т. Вимоги до програмних засобів створення редактора хімічних формул // Матеріали міжнародної конференції з управління "Автоматика 2001". - Одеса, 2001. -Т. 2.- С. 112-113.

4. Нерода Т. Вибір засобів програмування для втілення методів формування зображень хімічних формул // Комп'ютерні технології друкарства. - Львів, 2001. - №6. - С. 267-270.

5. Нерода Т. Аналіз та класифікація систем кодування хімічних формул // Наукові записки УАД - Львів, 2002. - №5. - С. 107-110.

6. Нерода Т. Інструментальні засоби редактора хімічних виразів // Доповіді другої науково-технічної конференції студентів і аспірантів “Друкарство молоде”. - Київ, 2002. - С. 14-17.

7. Нерода Т. Елементи структурної організації редактора хімічних виразів Комп'ютерні технології друкарства. - Львів, 2002. - №7. - С. 116-121.

8. Нерода Т. Методи кодування зображень хімічних виразів для комп'ютерно-видавничих систем // Комп'ютерні технології друкарства. - Львів, 2002. - №8. - С. 119-124.

9. Нерода Т. Методи просторового розміщення та перетворення зображень хімічних виразів у процесі макетування видання // Комп'ютерні технології друкарства. - Львів, 2002. - №9. - С. 108-114.

10. Нерода Т. Аналіз засобів і принципів організації середовища автоматизованого редактора хімічних виразів // Вісник ВПІ. - Вінниця, 2003. - № 6. - С. 346-349.

11. Нерода Т., Тарасенко В. Принципи перетворення структур даних автоматизованого редактора хімічних виразів // Доповіді четвертої науково-технічної конференції студентів і аспірантів “Друкарство молоде”. - Київ, 2004. - С. 20-23.

12. Нерода Т. Моделювання графічних образів зображень моноциклів з кратними зв'язками та альтернативної конфігурації // Наукові записки УАД - Львів, 2004. - № 7. - С. 56-60.

13. Нерода Т. Моделювання зображень поліциклічних сполук // Комп'ютерні технології друкарства. - Львів, 2004. - №11. - С. 119-124.

14. Нерода Т. Метод моделювання нотації формату автоматизованого редактора хімічних виразів // Вісник ТДТУ. - Тернопіль, 2004. - Т. 9, №2. - С. 147-152.

15. Нерода Т., Шинкляр В. Синтез і дослідження об'єктної моделі зображення хімічного виразу // Комп'ютерні технології друкарства. - Львів, 2004. - №12. - С. 174-183.

АНОТАЦІЯ

Нерода Т.В. Моделі та методи моделювання зображень хімічних виразів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.05.02 - математичне моделювання та обчислювальні методи. - Національний університет "Львівська політехніка", Львів, 2005.

Дисертація присвячена розробленню моделей та методів моделювання зображень хімічних виразів для КВС. Запропоновано та обґрунтовано інформаційну модель процесу синтезу об'єктів публікації III-IV рівня складності на базі якої було прийнято основні етапи та послідовність дій при створенні середовища автоматизованого редактора як прикладного модуля КВС. Розроблено математичні моделі символьних та графічних компонентів замкнених структур, що забезпечують композиційну цілісність видання, зокрема, враховуючи стильові атрибути основного тексту.

На основі запропонованих критеріїв укладено систему кодування зображень хімічних виразів для КВС, яка передбачає лінійне кодування ациклічних сполук та матричне подання циклів.

Розроблені методи кодування забезпечують збереження геометрично-позиційних і стильових особливостей вихідного зображення і придатні для програмування моделей даних. З метою визначення об'єктів-відповідників авторського оригіналу виконано його структурування, що дало змогу встановити відношення між тотожними компонентами та синтезувати об'єктну модель зображення хімічного виразу.

Обумовлені в результаті атрибути об'єктів разом з моделями даних, отриманих кодуванням, які лягли в основу формату даних автоматизованого редактора, та розроблені процедурні модулі становлять логічну схему прикладного програмного пакета підготовлення структурних виразів для КВС.

Ключові слова: хімічний вираз, модель зображення, графічний образ, метод моделювання, візуалізація, автоматизований редактор, вихідне зображення, формульний об'єкт.

АННОТАЦИЯ

Нерода Т.В. Модели и методы моделирования изображений химических выражений. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 01.05.02 - математическое моделирование и вычислительные методы. - Национальный университет "Львовская политехника", Львов, 2005.

Диссертация посвящена разработке моделей и методов моделирования изображений химических выражений для КИС. Предложена и обоснована информационная модель процесса синтеза объектов издания III-IV уровня сложности, на базе которой приняты главные этапы при создании среды автоматизированного редактора как приложения КИС. Разработаны математические модели символьных и графических компонентов замкнутых структур, обеспечивающие композиционную целостность издания, в частности, учитывая стилевые атрибуты основного текста. На основе предложенных критериев составлена система кодирования изображений химических выражений для КИС, предусматривающая линейную запись ациклических соединений и матричное представление циклов. Созданные методы кодирования обеспечивают сохранение геометрико-позиционных и стилевых особенностей исходного изображения и применимы для программирования моделей данных. С целью определения объектов авторского оригинала осуществлено его структурирование, которое дало возможность установить связи между тождественными компонентами и синтезировать объектную модель изображения.

Определенные в результате атрибуты объектов вместе с моделями данных, полученных кодированием и составляющих основу формата данных редактора, и разработанные процедурные модули составляют логическую схему прикладного программного пакета подготовки структурных выражений для КИС.

Ключевые слова: химическое выражение, модель изображения, метод моделирования, графический образ, визуализация, автоматизированный редактор, исходное изображение, формульный объект.

THE SUMMARY

Neroda T.V. Models and methods of simulation of the images of chemical expressions. - Manuscript.

A thesis for Ph.D (candidate of science) degree on speciality 01.05.02 - mathematical simulation and calculation methods. - Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2005.

The thesis is devoted to development of models and methods simulation of the images of chemical expressions for desktop systems. On the basis of the researches, lead behind put forward criteria, of known resources of computer typesetting of the formulas the necessity of development of a mathematical means for creation of algorithms of an application of preparation of objects of the formulas and implantation them in the document of the computer integrated publishing complex was justified. The information model of the process of synthesis of objects is offered, that has enabled to stipulate major design stages of the automized editor, to define main models and methods of simulation of the images of chemical expressions for desktop systems, to formulate the requirements to choice of appropriate resources and principles of simulation. On the basis of offered classification of programs of a set of the constitutional formulas according to principles of a set of the image the choice of the interactive block dialogue as base principle of a graphic interface of an application of the object-oriented editor is justified.

The method of construction of fragments of the formulas represented by the correct polygons is offered, which as against known methods takes into account a relation of graphics models of the images of chemical structures and a size of the body text of issuing and is based on choice of the defined entry tags and constructed mathematical models of cycloalkanes. The method of positioning in ring compounds textblokes is offered, in which the square of cut of a part of tops of the polygons for further record of text characters of identifiers of molecules is identifierin view of value of a size of a font. The method of construction of the distorted polygons as alternate fragments of the image of frame of the formulas is offered, where not only the value of a size is taken into account, but also the harmonic composition of polygraphic design is provided by choice of an optimal relation between axes of the ellipse. The developed methods are taken accepted for the basis of mathematical model of the images of monocycles of the arbitrary configuration and saturation, for which the optimal value of coefficient of simulation both choice of data models and resources of saving of the reference-point characteristics of graphics and text components of model of the initial image is justified. The unified algorithm of visualization of a graphics pattern of monocycles of an arbitrary multiplicity and configurations is developed, and also the images there are a lot of nuclear connections, which provides the placed relation between graphics and text components. The detected features of space allocation and the conversions of the images of frames for further layout of the simulated object of the formulas on page of issuing have stipulated development of appropriate methods of implementation of service procedures, where as against existing the separate processing of a graphics and text is stipulated.

The criteria of the analysis of systems coding of the images of chemical expressions for simulation of objects of the formulas in the publications of desktop systems are offered, in view of which the classification of known encoders of the formulas is updated and the necessity of development of methods of coding of the images of chemical expressions for desktop systems is justified. The alphabet by size 26 characters is developed and the collection of grammar rules is formulated, on the basis of that the informative formal resource as the basis of an encoder of the images of the formulas for the computer integrated publishing complexes composed, which fulfils record of an acyclic fragment by a collection of text boxes and links, thus providing saving of variety geometrically of item characteristics of the image of a molecule by flexibility of identifiers; the coding of cyclic frame as the array permits to save and to reconstruct all topological features of the image of a molecule, in particular of aliquot space links, with adequate representation of character components of tops in an individual code fragment.

On the basis of the developed methods of coding of the images the frame of data model of chemical expression with the description of especially topological features of a constitution of the image of a molecule is justified, and the algorithms of synthesis of code and graphics model are constructed, where the executions of domestic technological rules of correct polygraphic playback of chemical expression are stipulated.

The categories of classes of objects are hierarchically are generated and ordered, according to methods of visualization of components of the image of chemical expression their attributes and functions fulfilled concerning events, stipulated by them are defined; by installation of the ratioes between objects, which have identical properties, the object model of the image of chemical expression composed. On the basis of methods of coding of the images of chemical combinations and defined during synthesis of object model of attributes of objects the logic circuit of model of data format of the automized editor is set up: the frame, size is stipulated, layout of tags of information objects in the notation of the format of the chemical editor and the method of simulation of main components of the notation of the format is developed, the mathematical models of positioning of tags of data format of an application of the chemical editor are developed, on which the algorithms of simulation of the notation and are based visualization of the object of the formulas. Are offered and the constituents of the program interface and principles of converting of information models of the chemical editor for maintaining objects of the formulas injected into programs of imposition are justified. On the basis of the developed methods of image synthesis of chemical expressions the tools of computer typesetting of expressions are offered and the designing onedocument of a user interface is fulfilled, contents of modal dialogues and messages are justified which in common compound model of structural organization of the object-oriented automized editor as applications of desktop systems directed on operating creation to quality competitive printed production, which will respond the domestic requirements of correct polygraphic design.

Keywords: chemical expression, model of the image, method of simulation, graphics pattern, visualization, automized editor, initial image, object of the formulas.

Размещено на Allbest.ur

...