5.2. Уровни представления данных

Ядром любой БД является модель данных – множество структур данных, ограничений целостности и операций манипулирования данными. Модель данных – это совокупность структур данных и операций их обработки. С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними.

СУБД основывается на использовании иерархической, сетевой или реляционной моделей, на комбинации этих моделей или на некотором их подмножестве.

Иерархическая модель данных. Иерархическая структура – это совокупность элементов, связанных между собой по определенным правилам. Объекты, связанные иерархическими отношениями, образуют ориентированный граф (перевернутое дерево), вид которого представлен на рис. 10.

Рис. 10. Графическое изображение иерархической структуры БД

К основным понятиям иерархической структуры относятся: уровень, узел (элемент), связь.

Узел – это совокупность атрибутов данных, описывающих некоторый объект. На схеме иерархического дерева узлы представляются вершинами графа. Каждый узел на более низком уровне связан только с одним узлом, находящимся на более высоком уровне. Иерархическое дерево имеет только одну вершину (корень дерева), не подчиненную никакой другой вершине и находящуюся на самом верхнем (первом) уровне. Зависимые (подчиненные) узлы находятся на втором, третьем и т. д. уровнях. Количество деревьев в БД определяется числом корневых записей.

К каждой записи БД существует только один (иерархический) путь от корневой записи. Например, как видно из рис. 10, для записи С4 путь проходит через записи А и ВЗ.

Из приведенного на рис. 11 примера очевидно, что иерархическая структура правомерна, так как каждый студент учится в определенной (только одной) группе, которая относится к определенному (только одному) институту.

Рис. 11. Пример иерархической структуры БД

Сетевая модель данных. В сетевой структуре при тех же основных понятиях (уровень, узел, связь) каждый элемент может быть связан с любым другим элементом.

Примером сложной сетевой структуры может служить структура БД, содержащей сведения о работах студентов учебных заведений. Возможно участие одного студента в нескольких разработках, а также участие нескольких студентов в разработке одной темы. Графическое изображение примера, состоящего только из двух типов записей, показано на рис. 12 и рис. 13. Единственное отношение представляет собой сложную связь между записями в обоих направлениях.

Рис. 12. Графическое изображение сетевой структуры в виде графа

Рис. 13. Пример сетевой структуры БД

Реляционная модель данных. Понятие «реляционный» (от англ. relation – отношение) связано с разработками известного американского специалиста в области систем баз данных Е. Кодда. Реляционные модели характеризуются простотой структуры данных, удобным для пользователя табличным представлением и возможностью использования формального аппарата алгебры отношений и реляционного исчисления для обработки данных.

Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двухмерных таблиц. Каждая реляционная таблица представляет собой двухмерный массив и обладает следующими свойствами:

– каждый элемент таблицы – один элемент данных;

– все столбцы в таблице однородны, т. е. все элементы в столбце имеют одинаковые тип (числовой, символьный и т. д.) и длину;

– каждый столбец имеет уникальное имя;

– одинаковые строки в таблице отсутствуют;

– порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.

В качестве примера можно представить информацию о студентах вуза в виде реляционной таблицы:

Здесь отношения представлены в виде таблицы, строки которой соответствуют кортежам, или записям, а столбцы – атрибутам отношений, доменам, полям.

Поле, каждое значение которого однозначно определяет соответствующую запись, называется простым ключом (ключевым полем). Если записи однозначно определяются значениями нескольких полей, то такая таблица БД имеет составной ключ. В примере, показанном на рис. 14, ключевым полем таблицы является «Номер личного дела».

Рис. 14. Пример реляционной модели

Чтобы связать две реляционные таблицы, необходимо ключ первой таблицы ввести в состав ключа второй таблицы (возможно совпадение ключей), в противном случае нужно ввести в структуру первой таблицы внешний ключ – ключ второй таблицы. На рис. 14 показана реляционная модель, построенная на основе отношений «Студент, Сессия, Стипендия», где:

– Студент – Номер, Фамилия, Имя, Отчество, Пол, Дата рождения, Группа;

– Сессия – Номер, Оценка 1, Оценка 2, Оценка 3, Оценка 4, Результат;

– Стипендия – Результат, Процент.

Таблицы СТУДЕНТ и СЕССИЯ имеют совпадающие ключи {Номер), что дает возможность легко организовать связь между ними. Таблица СЕССИЯ имеет первичный ключ Номер и содержит внешний ключ Результат, который обеспечивает ее связь с таблицей СТИПЕНДИЯ.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение термина «база данных».

2. Дайте определения понятий «данные» и «знания».

3. Дайте определения понятий «банк данных», «система управления базой данных», «администратор базы данных».

4. Назовите уровни представления данных.

5. Назовите способы организации связи между данными.

6. Определите область задач, решаемых с помощью баз данных.

Глава 6

Графические редакторы

6.1. Основные понятия

Цифровое изображение – модель реального или синтезированного изображения, хранящаяся на машинном носителе в виде совокупности цифровых кодов.

Изображение на экране состоит из маленьких ячеек. Каждая из них может иметь определенный цвет. Такая ячейка получила название «пиксель» (pixel). Слово «пиксель» – аббревиатура от английского словосочетания picture element – элемент изображения.

Пиксель – самый малый подсвеченный элемент экрана. В растровой модели это неделимый прямоугольный элемент, параметры которого описывают соответствующий ему участок реального или синтезированного изображения; в характеристиках монитора называется зерном.

Изображение на экране цифрового устройства (телевизора, монитора, информационного табло и т. д.) формируется с помощью цветных точек – пикселей, как правило, в моделях RGB или Bitmap. Пиксели не сплошь покрывают экран, а находятся друг от друга на некотором расстоянии. Более того, они не разбросаны по экрану как попало, а образуют горизонтальные строки.

В зависимости от установленного режима монитора число пикселей в экранной строке и число таких строк на экране может быть различным. Чем больше пикселей на экране, тем качественнее изображение монитора. С числом пикселей на экране связано понятие текущего разрешения монитора компьютера. Разрешающая способность измеряется максимальным количеством пикселей, размещающихся по горизонтали и вертикали на экране, и зависит от характеристик монитора и видеоадаптера. Каждый монитор имеет некоторое ограничение по разрешению экрана сверху, но в пределах допустимых значений может менять пиксельный формат экрана.

Совокупность пикселей составляет матрицу и образует изображение на экране. В зависимости от модели монитора параметры матрицы в пикселях могут изменяться: 640x480; 800x600; 1024x768; 1600x1200. Величина матрицы не влияет на физический размер экрана и не зависит от него. Чем больше матрица на одном и том же экране, тем меньше размер ячейки и тем лучше качество изображения.

Разрешение – количество информации на единицу длины. Измеряется в ppi (pixels per inch – количество пикселей на дюйм), dpi (dots per inch – количество точек на дюйм) и lpi – линеатура (количество линий на дюйм).

Разрешение вывода изображений на экран монитора обозначают как CxL, где С – число пикселей в одной экранной строке, a L – число строк на экране. Размер экрана монитора задается обычно величиной его диагонали в дюймах (табл. 4).

Таблица 4. Стандарты разрешений экрана

Типовое значение линеатуры разрешающей способности большинства мониторов: PC – 72 ppi, MAC – 95 ppi.

Важной характеристикой монитора, определяющей четкость изображения на экране, является размер зерна (точки, dot pitch) люминофора экрана монитора. Чем меньше зерно, тем выше четкость и тем меньше устает глаз. Величина зерна монитора имеет значения от 0,41 мм до 0,15 мм. Следует иметь в виду, что у мониторов с большим зерном не может быть высокой разрешающей способности (например, экран с диагональю 14 дюймов имеет ширину 265 мм; для получения разрешающей способности 1024 точки по горизонтали размер зерна не должен превышать 265: 1024 – 0,22 мм, в противном случае пиксели сольются и изображение не будет четким).

Частота вывода пикселей (ее часто называют полосой пропускания) – определяет скорость вывода пикселей. Очень важная характеристика для многих видов направлений в компьютерном дизайне – от нее зависит скорость обработки и вывода элементов изображения на экран монитора.

Частота строк – определяет количество строк растра, формируемых за одну секунду. Зависит от числа пикселей в строке и равна частному от деления частоты вывода пикселей на число пикселей в строке.

Частота кадров – определяет, сколько кадров за одну секунду выводится на экран монитора. При программировании VGA частота кадров, как и частота строк, не задается непосредственно, а определяется количеством строк в кадре. Для вычисления частоты кадров достаточно разделить частоту строк на размер кадра, заданный в строках растра.

Глубина цвета – количество бит памяти, выделяемых для описания тоновых или цветовых характеристик каждого пикселя в соответствии с моделью: например, 1 бит/ пикселей (Bitmap, Halftone), 8 бит/пикселей (Grayscale, Indexed), 24 бит/пикселей (RGB).

Вся информация в компьютере хранится в файлах определенного формата. Формат – это способ кодирования информации в файле.

Вся графическая информация вводится, обрабатывается и выводится с помощью так называемого компьютерного растра.

Принцип построения растра. Суть принципа точечной графики: если надо закодировать какой‑то объект, то на него «накладывают» прямоугольную сетку необходимого размера с шагом линий сетки, равным необходимому разрешению. Если ячейка сетки пуста, ставится «ноль»; если нет, то она кодируется номером оттенка цвета, который в ней преобладает. Процесс наложения сетки называется растризацией.

На этом принципе реализовано подавляющее большинство (более 90 %) систем ввода, вывода и обработки цифровой информации. Как видно, этот принцип далеко не идеален. Случай, когда границы объекта совпадают с направляющими линиями матрицы, реализуется редко. То есть часть информации об объекте будет при этом способе всегда теряться. Поэтому так важна при цифровой обработке совокупность параметров разрешения, размеров и алгоритма этой обработки.

Все, с чем может работать компьютер, в том числе и изображение, должно быть закодировано – превращено в цифровую форму. Цифровая компьютерная графика по способу кодирования может быть разделена на векторную и точечную.

Точечные и векторные изображения. Все изображения, с которыми работают программы машинной графики, разделяют на два класса: точечные и векторные.

В терминологии машинной графики (отрасли практической информатики, занимающейся автоматизацией построения изображений и их обработки с помощью компьютеров) точечным изображением принято называть массив пикселей, то есть одинаковых по размеру и форме плоских геометрических фигур (чаще всего квадратов или кругов), расположенных в узлах регулярной (то есть имеющей одинаковые ячейки) сетки. Для каждой из этих фигур тем или иным способом задается цвет (обычно цвета кодируют числами фиксированной разрядности). Представление точечного изображения в памяти компьютера – это массив сведений о цвете всех пикселей, упорядоченный тем или иным образом (например, по строкам, как в телевизионном изображении).

Наиболее близким аналогом такого явления виртуального мира, как точечное изображение, в реальном мире является мозаика. Как точечное изображение состоит из равномерно расположенных на плоскости элементов одинакового размера и формы – пикселей, так и мозаика состоит из отдельных кусочков цветного стекла, например смальты. При соблюдении определенных условий (главные из них – небольшие размеры фрагментов смальты и достаточно большое удаление зрителя от поверхности изображения) отдельные кусочки смальты, составляющие мозаичное изображение, не видны: глаз зрителя воспринимает изображение как единое целое. Впоследствии эту идею распространили на живопись импрессионисты, разработавшие технику пуантилизма. Побывав в Исаакиевском соборе и Государственном Эрмитаже (Санкт‑Петербург), любой может убедиться, что техника работы с точечными изображениями была доведена до совершенства задолго до появления первых компьютеров.

Изображение на экране любого компьютерного монитора – точечное, в чем легко убедиться, рассматривая его в увеличительное стекло. Большинство принтеров воспроизводит на бумаге именно точечные изображения.

При работе с растровой графикой 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. В частности, изменение размеров растровой графики может привести к «разлохмачиванию» краев изображения, поскольку пиксели будут перераспределяться на сетке. Вывод растровой графики на устройства с более низким разрешением, чем разрешение самого изображения, понизит его качество.

Многие растровые форматы обладают способностью нести дополнительную информацию: различные цветовые модели изображения, векторы, альфа‑каналы (дополнительный канал, с помощью которого можно сохранять выделенные или прозрачные области изображения), слои различных типов, интерлиньяж (возможность чересстрочного показа изображения), анимацию, сжатие и многое другое. Достоинство растровой графики – в ее способности передавать тончайшие нюансы изображения, а также в широчайших возможностях его редактирования благодаря простоте доступа к каждому пикселю изображения, индивидуальному изменению каждого из его параметров. Принципиальный недостаток один – большой объем получаемого файла.

Наиболее популярный графический редактор для создания и обработки растровых изображений – программа Adobe Photoshop.

Векторное изображение представляет собой совокупность отрезков кривых линий, которые описывают математическими выражениями, и цветных заливок. Иначе говоря, чтобы компьютер нарисовал прямую линию, нужны координаты двух точек, которые соединяются по кратчайшему пути; для дуги задаются координаты центра окружности и радиус, и т. д. Таким образом, векторная иллюстрация – это набор геометрических примитивов (простейших объектов, таких, как линии, окружности, многогранники и т. п.) – сплайнов, используемых для создания более сложных изображений. Отсюда и основное достоинство векторных форматов – компактность получаемых файлов и высокое качество изображений, причем независимо от разрешающей способности устройства отображения. Но есть и недостаток подобной технологии – присущее всем векторным изображениям некое стилистическое упрощение графики. Связано это с тем, что области между линиями‑векторами в картинке заливает единый цвет, в отличие от растровых изображений, где каждая точка несет свою уникальную в общей картинке информацию.

У векторной графики много достоинств. Файлы, содержащие векторные изображения, невелики по размеру, поскольку хранится не само изображение, а только его основные данные, используя которые программа всякий раз воссоздает изображение заново. Каждый контур в векторном изображении представляет собой независимый объект, который легко трансформируется. Их совокупностью легко манипулировать, не оказывая никакого влияния на качество изображения. Векторная графика использует все преимущества разрешающей способности любого выводного устройства (изображение всегда будет выглядеть настолько качественно, насколько способно данное устройство); она может включать в себя и фрагменты точечной графики, которые становятся такими же объектами, как и все остальные (правда, со значительными ограничениями в обработке).

В программах векторной графики есть развитые средства интеграции изображений и текста, единый подход к ним и, как следствие, возможность создания конечного продукта. Везде, где принципиальное значение имеет сохранение ясных и четких контуров (например, в шрифтовых композициях, в создании логотипов и т. д.), векторные программы незаменимы. Программы технического рисования и моделирования также построены по этому принципу.

Недостатком данной графики можно считать ограниченность в средствах редактирования. Созданные изображения выглядят более грубо по сравнению с высококачественной растровой графикой. Сложные и реалистичные изображения в программах векторной графики создавать трудно, для этого нужно огромное число объектов и хорошие художественные навыки, поскольку базовый принцип описания изображения не позволяет автоматизировать ввод графической информации.

Наиболее популярные графические редакторы для создания и обработки векторных изображений – программы CorelDRAW и Adobe Illustrator.