Специализированные пакеты программ для научных исследований

 

Оглавление

Введение 3

1 Специализированные  пакеты программ 4

2 Пакет программ  ROOT 7

2.1 История и разработчики 7

2.2 Основные  характеристики 8

3 Структура  ROOT 11

3.1 Что такое  ROOT 11

3.2 Архитектура 11

3.3 Категории  классов 12

4 Графические  материалы 13

5 Применение  и эксперименты 16

Заключение 18

Список использованной литературы: 19

 

 

 

Введение

 

Наука в жизни общества стала непосредственной и активной производительной силой. Резко ускорились темпы практического применения ее достижений в народном хозяйстве. В самом деле, если со времени открытия электрического тока до постройки первой электростанции прошло почти столетие, то интервал между расщеплением ядра урана до создания атомного реактора составил всего три года. В общем научно-техническом развитии особое место принадлежит экспериментальным исследованиям. Важное значение в связи с этим приобретает ныне совершенствование и ускорение эксперимента на базе современных достижений науки и техники, на базе его широкой автоматизации. Научно-исследовательские институты и конструкторские бюро страны успешно применяют сложные и высокоэффективные системы получения и обработки информации и управления экспериментом.

 Разрабатываются специальные  программы автоматизированных экспериментов, включая обработку результатов. Внедряются новые методы измерений на основе голографии и лазерной техники, токовихревых преобразователей информации.

В данном реферате будет  рассмотрен пакет программ для обработки  результатов экспериментов в  области физики высоких энергий.

 

1 Специализированные пакеты программ

 

Пакеты прикладных программ (ППП) - это специальным образом  организованные программные комплексы, рассчитанные на общее 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 (иногда путём введения некоторых дополнений).

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.

Профессиональные пакеты ориентированы на специальные высокотехнологичные области применения, такие, как издательское дело, автоматизированное проектирование, моделирование и компьютерная графика. Как правило, профессиональные пакеты требуют мощной конфигурации ПК, включающей высокопроизводительный процессор, большой объем оперативной и кэш-памяти, значительное дисковое пространство и высококачественную видеосистему. Кроме того, часто требуется использование дополнительных периферийных устройств - сканера, плоттера, лазерного принтера или других, более специфических устройств.

• автоматизированное проектирование:

системы автоматизированного проектирования (САПР) быстро входят в число наиболее распространенных приложений. САПР иногда рассматривают как средство для создания лишь технических чертежей и 3х-мерного моделирования сложных объектов. В действительности САПР поддерживают полный цикл проектирования от первых концептуальных разработок на уровне технического предложения до моделирования механических и электрических процессов в проектируемом изделии и подготовки чертежей и документации для производства. Являясь интегрированной системой, типичный пакет САПР включает базу данных, текстовый процессор, электронную таблицу, а также средства 3-мерной графики.

- анимация:

компьютерная анимация буквально «оживляет» любую прикладную программу, будь то компьютерная игра, учебная программа или рекламный ролик. Подобно мультфильмам, компьютерная анимация состоит в воспроизведении последовательности отдельных изображений. Создание анимации требует использования специальных пакетов программ, наиболее известными из которых являются разработки фирмы Autodesk. С их помощью компьютерные художники создают 2х-мерные анимационные последовательности.

- трехмерная графика:

создание трехмерных изображений является достаточно сложным процессом, требующим использования специальных программ. Сначала нужно описать «скелеты» всех объектов в трехмерном пространстве, напоминающие проволочный каркас. Затем в пространстве из них собирается определенная сцена, размещаются источники освещения поверхностей объектов, и определяется положение «камеры» - точки обзора. После этого выполняется построение конечного изображения, состоящее в обсчете поверхностей объектов, в ходе которого описание сцены автоматически преобразуется в цветное изображение. При этом используются методы трассировки луча, наложения теней и построения текстуры поверхности объектов. Большинство пакетов поддерживают полный цикл построения изображения, но существуют программы, которые импортируют описание сцены и только обсчитывают поверхности.

Кроме того специализированные пакеты программ используются и в  областях приоритетных научных исследований современности: биологических и химических исследованиях, физике высоких энергий и многих других. Эти программы оказывают мощную поддержку задач анализа и обработки информации в экспериментах. В большинстве случаев эти пакеты обладают закрытым характером и не доступны большинству потребителей. Но есть и свободные программы, составляющие основу сложных научных экспериментов. Так, например, в Европейском центре ядерных исследований (CERN) был разработан свободный пакет программ ROOT, являющийся платформой обработки экспериментальных данных физики высоких энергий. Об этом пакете и пойдет речь дальше.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Пакет программ ROOT

2.1 История и разработчики

 

ROOT — пакет объектно-ориентированных  программ и библиотек, разработанных  в Европейском центре ядерных  исследований. Пакет был разработан специально для использования в качестве платформы обработки экспериментальных данных физики высоких энергий и содержит специфичные для этой области продукты, однако также может быть использованы для анализа других данных, например, в астрономии.

CERN поддерживал свою программную библиотеку, написанную на языке Фортран 77; разработка и поддержка была прекращена в 2003 году в пользу ROOT, написанного на C++.

Разработка ROOT была инициирована сотрудниками CERNа Рене Брюном и Фонсом Рэйдмэйкерсом в 1994 году. [5]

Рене пришел в CERN в 1973 году. Вместе с К. Руббиа на ISR он разработал пакет HBOOK, который используется по сей день.  В 1984 году он координировал развитие PAW (рабочая станция физического анализа) анализ данных системы. До 1994 года он возглавлял группу прикладного программного обеспечения для компьютеров подразделения. В 1995 году, в то время, когда большинство гуру программного обеспечения решили следовать тупиковой линии, он создал систему ROOT . С 1995 года координирует развитие ROOT. Первоначальный дизайн был под сильным влиянием опыта PAW. В 2002 году ROOT стал официальным проектом в рамках Отдела физики в CERN.

Фонс получил докторскую степень в физике элементарных частиц в университете Амстердама в 1991 году за свою работу анализа данных для эксперимента DELPHI на LEP. С тех пор он работал в CERN и принимал участие в проектировании и разработке программ анализа данных. В 1991 году он присоединился к команде PAW Рене Брюна, где он разработал несколько интерфейсов и систем. В 1995 году вместе с Рене Брюном он начал ROOT проект и с тех пор был вовлечен во все положения системы.

Кроме родоначальников системы  ROOT в команде ее развития также принимают участие Филипп Канал, Бертран Беленот, Оливье Койет, Аксель Науманн, Жерардо Женис, Матевз Тадел, Лоренцо Монето, Виктор Васильев, Андрей Геата и Пол Руссо. [6]

2.2 Основные характеристики

 

Некоторые части пакета опубликованы под лицензией LGPL, некоторые — под GPL, таким образом весь проект базируется на свободном программном обеспечении.

Он предоставляет кроссплатформенный интерфейс к графической подсистеме и операционной системе, используя механизмы абстракции данных. Частями абстрактной платформы являются:

- графический интерфейс пользователя,

- графический интерфейс разработки,

- классы-контейнеры,

- система средств самоизменения программ,

- скриптовый язык на основе C++,

- командный интерпретатор (CINT),

- система сериализации объектов,

- система долговременного сохранения данных.

Пакеты, включённые в ROOT, содержат:

- средства для создания гистограмм и графиков функций для визуализации и анализа вероятностных распределений и функций;

- средства «подгонки» (фитирования) теоретических кривых под экспериментальные данные и минимизации функций (для подборки наиболее простой зависимости, описывающей экспериментальные данные);

- инструменты статистического анализа;

- инструменты матричной алгебры;

- средства для четырёхвекторных вычислений (четырёхмерное пространство Минковского удобно применяется в физике высоких энергий);

- стандартные математические функции;

- инструменты многовариантного анализа данных, то есть использования нейронных сетей;

- средства обработки изображений, используемые, например, для анализа астрономических снимков;

- средства доступа к распределённым данным (в контексте таблиц баз данных);

- инструменты распределённых вычислений, параллелизации обработки данных;

- средства сериализации и долговременного сохранения объектов;

- инструменты доступа к базам данных;

- средства геометрической 3D-визуализации;

- инструменты для создания файлов в различных графических форматах, таких как PostScript, JPEG, SVG;

- двусторонние интерфейсы к языкам Python и Ruby (возможности использования средств ROOT из кода на Python или Ruby и использование модулей, написанных на Python или Ruby, из ROOT);

- интерфейсы к Монте-Карло-генераторам событий физики элементарных частиц.

- Ключевой возможностью пакета ROOT является специальный контейнер данных, называемый деревом (Tree), вместе с его подмножествами ветвями (Branch) и листьями (Leaf). Дерево может быть представлено как удобное средство чтения и записи данных в файле. Следующий элемент данных, записанный в файле, может быть получен инкрементированием индекса дерева. Такой подход позволяет избежать проблем с выделением памяти при создании объектов, и даёт возможность дереву выступать в качестве «лёгкого» контейнера при буферизации данных.

- ROOT разрабатывался как высокопроизводительная вычислительная библиотека, необходимая для обработки данных Большого Адронного Коллайдера, поток которых достигает нескольких петабайт в год. С 2009 года ROOT используется в подавляющем большинстве экспериментов физики высоких энергий; абсолютное большинство современных результатов и иллюстраций в этой области науки получено именно с использованием ROOT.

- Включение в пакет интерпретатора C++ CINT значительно увеличило гибкость пакета, так как позволило использовать средства ROOT в интерактивном режиме или посредством написания скриптов, что сделало его похожим на MATLAB.

- Основная критика ROOT связана с утверждениями о том, что для начинающих пользователей достаточно сложно освоить этот продукт, его широкие возможности и средства. Периодически эти проблемы обсуждаются пользователями и разработчиками ROOT в специальном списке рассылки. [5]

 

 

 

3 Структура ROOT

3.1 Что такое ROOT

 

Система ROOT предоставляет набор объектно-ориентированной (ОО) базы с участием всех функциональных возможностей, необходимых для обработки и анализа больших объемов данных весьма эффективным способом. Данные определяются как совокупность объектов, специальные методы хранения используются для получения прямого доступа к отдельным атрибутам выбранных объектов без необходимости прикасаться к основной части данных. Включены гистограммные методы с произвольным числом измерений, кривых, функций оценки, минимизации, графиков и визуализации классов, которые позволяют легко настроить системный анализ, которые могут запрашивать и обрабатывать данные в интерактивном или в пакетном режиме, а также база общей параллельной обработки, PROOF, которые могут значительно ускорить анализ.