Система моделювання росту зерен в металах та сплавах

1.1 Найменування та галузь використання

Вимоги до програмного забезпечення:

· Робота в середовищі операційних систем Windows 2000/XP/Vista/7;

· Відсутність додаткових вимог до розміщення здійсненних файлів;

Мінімальні вимоги до апаратного забезпечення:

· IBM-Сумісний комп'ютер, не нижче Pentium III, RAM-512Mb, SVGA-монітор 17 дюймів, вільний простір на жорсткому диску біля 3 Мб.

1.6 Джерела розробки

Джерелами розробки дипломної роботи є:

· загальний опис технології процесу;

· довідкова література;

· наукова література;

· технічна література;

· програмна документація.

2. ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИЧНИХ ТА МАТЕМАТИЧНИХ ОСНОВ ПОБУДОВИ РІВНОВАЖНИХ МЕЖ ЗЕРНА

Метали - це полікристалічні тіла, вони складаються з дрібних кристалів. Характеризуються металевими властивостями і складають 50 % всіх хімічних елементів. Будова металів і їх сплавів кристалічна.

В процесі кристалізації кристали набувають неправильної форми. Їх називають зернами. Кожне зерно має своє орієнтування кристалічної решітки, яка відрізняється від орієнтування сусідніх зерен. Розмір зерна металу впливає на його механічні властивості. Дані властивості, в'язкість і пластичність, значно вище, якщо метал має дрібне зерно.

Поверхні розділу зерен називаються межами зерен, які можуть бути: похилими при розташуванні осі обертання в тій же площині, що і межа; крученими при перпендикулярно розташованій осі до площини. Такий шматок металу є полікристалом. Межі зерен визначаються точками зіткнення суміжних кристалів. Про розміри, структуру і характер будови зерен можна судити по зламах металу.

У полікристалічних матеріалах розмір зерен від 1 до 1000 мкм. Зерна разорієнтовані, повернені одні щодо інших до десятків градусів. Межі є основним дефектом в металах. На межах між зернами атоми не мають правильного розташування. Існує перехідна область вширшки в декілька атомних діаметрів, в якій грати одного зерна переходять в грати іншого зерна з іншою орієнтацією. Будова перехідного шару (межі) сприяє скупченню в ньому дислокацій, оскільки під час переходу через межу ні площина ковзання, ні вектор Бюргерса не зберігаються незмінними. Порушення правильності розташування сприяє тому, що на межах зерен підвищена концентрація тих домішок, які знижують поверхневу енергію. Усередині зерен порушується правильна кристалічна будова.

Всі метали мають загальні властивості: пластичність, високу тепло- і електропровідність, специфічний металевий блиск, підвищують електроопір із зростанням температури.

З рідкого розплаву зростає монокристал, який є одним кристалом. Розміри монокристалів невеликі, їх використовують в лабораторіях для вивчення властивостей якої-небудь речовини. Метали і сплави, які одержують в найзвичайніших умовах, складаються з великої кількості кристалів, вони мають полікристалічну будову.

Вивчення будови металів за допомогою рентгеноструктурного аналізу і електронного мікроскопа дозволило встановити, що внутрішня кристалічна будова зерна не є правильною. У кристалічних решітках реальних металів є різні дефекти (недосконалість), які порушують зв'язки між атомами і роблять вплив на властивості металів. Всі дефекти грат - це порушення укладання атомів в гратах.

Розташування атомів в гратах може бути у формі центрованого куба (залізо, титан, хром, молібден, вольфрам, ванадій), куба, грані якого центровані (алюміній, мідь, нікель, свинець, кобальт) або гексагональні, або у формі осередку (магній, цинк).

Зерна в полікристалах не є монолітними, а складаються з окремих субзерен, які повернені одне щодо іншого на малий кут. Субзерно є многогранником, в якому міститься або незначна кількість дислокацій, або їх зовсім немає. Основні характеристики субзерен: тип, розташування, будова, щільність дислокацій. Багато дислокацій утворюються в результаті механічного зрушення.

Межі субзерен і зерен в металах розділяють на малокутові і великокутові. Малокутові межі спостерігаються між субзернами і мають дислокаційну будову. Малокутову межу можна представити за допомогою ряду паралельних краєвих дислокацій. Утворення субзерен з малокутовими дислокаціями називається полігонізацією. Структура великокутових меж складніша. Субмежі утворені певними системами дислокацій. Залежно від того, який матеріал і яку дію на нього надає навколишнє середовище, знаходиться розташування дислокацій. Якщо метал мало деформований, то місцем скупчення дислокацій є площини ковзання. Якщо ж такі метали, як алюміній, залізо піддаються сильній деформації, то дислокації представлені у вигляді складних сплетень: просторів, сітки. Структура, в якій субзерна разорієнтовані один щодо одного на кут 15-300, є блоковою або мозаїчною.

Щільність дислокацій в металі підвищується при збільшенні кута разорієнтації субзерен і зменшенням їх величини. Атоми, розташовані на межах зерен, і атоми на поверхні кристала через некомпенсованості сили міжатомної взаємодії, мають вищу потенційну енергію, в порівнянні з атомами в об'ємі субзерен. Наявність дислокацій впливає на якості міцності металів. За теоретичними підрахунками межа пружності чистих металів в 1000 разів перевищує реальний, а межа пружності стали - в 100 разів.

2.1.2 Острівкова модель побудови межі зерна

Покладемо в основу моделі ідею про острівкову побудову межі зерна і доповнимо цю модель поняттям вільного об'єму межі, а також уявлення про властивості міжфазної поверхні розділу рідина-кристал.

Представимо структуру межі у вигляді суміші острівців двох різних фаз (рис. 2.1). Першу фазу умовно назвемо S-фазою, другу L-фазою. У такій моделі для опису структури межі необхідно задати атомну структуру S- і L- фаз, вказати розміри і форму S- і L- острівців, а також визначити частку займаної ними площі і характер взаємного розташування острівців.

Припустимо, що L-фаза має невпорядковану структура, аналогічну структурі розплаву. Для опису її структурного стану використовуємо поняття вільного об'єму. Припустимо, що вільний об'єм L-фази рівний вільному об'єму розплаву, тобто відносній величині стрибка об'єму, що виникає при плавленні кристала:

 (2.1)

Припустимо, що S-фаза має деяку впорядковану структуру, і її вільний об'єм близький до нуля:

(2.2)

Припустимо, що вільний об'єм межі відомий. В цьому випадку відносний об'єм, займаний острівцями S- і L- фаз, і , відповідно, визначається наступним співвідношенням:

(2.3)

Рис. 2.1 Острівкова модель структури межі. R -- радіус комірки межі;

r_L -- радіус L-острівця межі

Відмітимо, що при величина відносного вільного об'єму межі виявляється рівною :

(2.4)

Оскільки для більшості металевих матеріалів , а величина вільного об'єму меж звичайно складає , частка об'єму, займана L-острівцями, виявляється менше половини (при і величина складає 0,4). В цьому випадку, очевидно, саме L-фаза утворює острівці, розташовані в межі, велика частина площі якої зайнята S-фазою.

Припустимо, що острівці L-фази мають форму циліндрів висоти і радіусу і хаотично розподілені в площині межі (рис. 2.1). Для опису такої структури умовно розіб'ємо об'єм межі на циліндрові області радіусу R і припустимо, що центр L-острівця може з рівною імовірністю знаходитися в будь-якій точці цієї R-області. Оскільки відносна площа, займана острівцями L-фази, визначається співвідношенням (2.3), величина R може бути легко виражена через значення і , або :

(2.5)

2.2 Діаграма Вороного та тріангуляція Делоне

Припустимо, що зерна кристалів ростуть з постійною швидкістю на всіх напрямках. Припустимо також, що зростання зерен кристала продовжується до тих пір, поки три або більш зерен не зустрінуться або поки не буде досягнута стінка судини (рис. 2.2).

Рис. 2.2 Схема зустрічі для трьох центрів зерен

Через деякий достатній час кожне зерно, що виросло, буде представлено у вигляді осередку. В результаті буде одержана діаграма Вороного (рис. 2.3).

Рис. 2.3 Діаграма Вороного. Загальний вигляд

Діаграма Вороного є дуже цікавим і корисним математичним інструментом. Перше використання подібної діаграми зустрічається у Декарта. У «Початках філософії» (1644) Декарт запропонував ділення Всесвіту на зони гравітаційного впливу зірок. Відомий німецький математик Іоганн Петер Густав Лежен-Діріхле (1805 - 1859) незадовго до своєї смерті ввів діаграми для двух- і тривимірного випадків. Тому їх іноді називають діаграмами Діріхле.

У 1908 році російський математик Георгій Феодосьєвич Вороной (1868 - 1908) описав ці діаграми для багатовимірного випадку і з тих пір діаграми носять його ім'я.

Розглянемо наступне завдання: у місті є поштові служби, ми хочемо знати, який район обслуговує кожна. При цьому кожну крапку обслуговує та служба, яка ближча. Відповідь на цей і ряд інших питань, пов'язаних з близькістю на площині, дає діаграма Вороного. Якщо ми зуміємо побудувати таку діаграму, то будь-яка точка усередині осередку знаходиться ближче до "центру" свого осередку. Точки на межі рівновіддалені від "центрів".

Розглянемо формальне визначення діаграми Вороного (рис. 2.4). Вона складається з вершин (v) діаграми і її сторін (e). Нехай P - множина з n різних точок площини.

Діаграма Вороного - це ділення площини на n осередків, по одній на кожну точку P. Точка q належить осередку, що відноситься до p_i з P, якщо відстань від q до p_i менше, ніж відстань від q до будь-якої іншої точки P.

Рис. 2.4 Розбиття площини за допомогою Діаграми Вороного

У 1934 році учень Вороного Борис Делоне ввів так звану тріангуляцію Делоне. Ці дві конструкції пов'язані між собою. Тобто з однієї можна просто одержати іншу. Якщо ми з'єднаємо сусідні центри областей, то одержимо сітку трикутників. При цьому сторони трикутників не повинні перетинатися (рис. 2.5).

Рис. 2.5 Тріангуляція Делоне

Тріангуляцією Делоне для безлічі точок S (іноді іменованих сайтами) на площині називають тріангуляцію DT(S), таку що ніяка точка A з S не міститься усередині кола, описаного навколо будь-якого трикутника з DT(S), такого, що жодною з вершин його не є точка A.

Таким чином, будь-яка точка поза будь-яким вибраним трикутником знаходиться і за межами описаного навколо трикутника кола.

Властивості тріангуляції Делоне.

1. Тріангуляція Делоне максимізує мінімальний кут серед всіх кутів всіх побудованих трикутників, тим самим уникають «тонкі» трикутники (це дозволяє понизити погрішність методу кінцевих елементів до мінімуму).

2. Тріангуляція Делоне взаємно однозначно відповідає діаграмі Вороного для того ж набору сайтів.

3. Тріангуляція Делоне максимізує суму радіусів вписаних куль.

4. Тріангуляція Делоне мінімізує дискретний функціонал Діріхле.

5. Тріангуляція Делоне мінімізує максимальний радіус мінімальної охоплюючої кулі.

6. Тріангуляція Делоне на площині володіє мінімальною сумою радіусів кіл, описаних біля трикутників, серед всіх можливих тріангуляцій.

Можна перерахувати безліч областей застосування цього математичного апарату.

1. Металургія - моделювання зростання зерен металу.

2. Кристалографія. Розрахунок міцності по методу кінцевих елементів. Допомагає створити оптимальну сітку для розрахунку. Реконструкція тривимірних фігур по точках (наприклад даних лазерних вимірювань).

3. Картографія. Моделювання поверхні землі, візуалізація, аналіз - видимість на місцевості, напрямів потоків води, проектування. Створення карт. Зв'язка супутникових фотографій в мозаїку.

4. Астрономія. Ідентифікація груп зірок і галактик.

5. Біологія, екологія, лісове господарство. Розвиток лісових рослин багато в чому залежить від доступності вільного простору, дерева прагнуть до просторового домінування, конкуруючи між собою. Можна виразити розподіл простору між рослинами за допомогою діаграм Вороного.

6. Антропологія. Визначення зон впливу.

7. Фізіологія. Аналіз тканин

8. Маркетинг. Оптимальне розбиття території.

9. Робототехніка. Планування руху роботів з урахуванням перешкод.

3. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ПРОЕКТУВАННЯ КОРИСТУВАЛЬНИЦЬКОГО ІНТЕРФЕЙСУ

Інтерфейс користувача - це сукупність засобів, за допомогою яких користувач спілкується з різними пристроями (з комп'ютером або побутовою технікою) або іншим складним інструментарієм (системою).

Інтерфейс користувача комп'ютерного додатку включає:

· засоби відображення інформації, відображувану інформацію, формати і коди;

· командні режими, мову «користувач-інтерфейс»;

· пристрої та технології введення-виведення;

· діалоги, взаємодію та транзакції між користувачем та комп'ютером, зворотній зв'язок з користувачем;

· підтримку прийняятя рішень в конкретній предметній області;

· порядок використання програми і документації на неї.

Користувацький інтерфейс часто розуміють лише як зовнішній вигляд програми. Однак насправді користувач сприймає через нього всю програму в цілому, тобто таке розуміння є надто вузьким.

В дійсності, користувацький інтерфейс (КІ) об'єднує в собі всі елементи і компоненти програми, які здатні впливати на взаємодію користувача з програмним забезпеченням (ПЗ). До цих елементів належать:

· набір задач користувача, які він розв'язує за допомогою системи;

· використовувана системою метафора (наприклад, робочий стіл Windows);

· елементи управління системою;

· навігація між блоками системи;

· візуальний (і не тільки) дизайн екранів програми;

· засоби відображення інформації, відображувана інформація і формати;

· пристрої та технології введення даних;

· діалоги, взаємодія і транзакції між користувачем і комп'ютером;

· зворотній зв'язок з користувачем;

· підтримка прийняття рішення в конкретній предметній області;

· порядок використання програми і документація на неї.

На загальному рівні проектування КІ здається простою справою. Дійсно, спроектувати будь-який фрагмент КІ не складно, однак мало хто може впоратись з розробкою повного інтерфейсу з врахуванням всіх аспектів аж до етапу розгортки КІ.

Процес проектування КІ - це складний, нелінійний, недетермінований і неортогональний процес. Складність - звичайна властивість ПЗ, але в ще більшому степені це стосується КІ - через численні фактори та невизначеності, які впливають на його розробку. Проектування КІ - нелінійний процес, оскільки існування фіксованого, впорядкованого і прямолінійного шляху від початку до кінця зовсім не обов'язкове. Процес проектування відрізняється невизначеністю, оскільки не існує рівняння, за яким можна було б одержати однаковий результат при заданих однакових початкових умовах, більше того, практично неможливо одержати ідентичний результат навіть під примусом. Користувацький інтерфейс неортогональний в тому сенсі, що будь-який аспект проектного розв'язку може впливати на інші аспекти, причому результат цього впливу не завжди є приємним сюрпризом.

3.2 Проблеми, що виникають при проектуванні інтерфейсу

Сучасне середовище розробки ПЗ містить в собі велику кількість проблем: необхідність зниження витрат, скорочення термінів, розробки більш передбачуваних планів, надання більш якісних розв'язків, забезпечення нескладного в засвоєнні та використанні ПЗ, постійне оволодіння новими технологіями та засобами, досягнення кращих результатів в порівнянні з конкурентами, а також інші аспекти.

Задоволеність користувача програмним продуктом або його практичністю може бути в значній мірі віднесена на рахунок КІ. Взагалі, задоволеність користувача - це функція невеликої кількості факторів:

задоволеність користувача = функція від можливостей користувацького інтерфейса, часу відзиву, надійності, пристосованості до інсталяції, інформаційної підтримки, пристосованості до супроводження та інших факторів.

Фактори, виділені в рівнянні великими літерами, відіграють в рівнянні найбільш важливу роль. Головне, на що звертають увагу користувачі - швидке, легке та надійне виконання роботи за допомогою засобів, які автоматизують, доповнюють та полегшують виконання задачі. Простота інсталяціїї/деінсталяції має важливе значення, оскільки вона задає тон на початку та в кінці досвіду спілкування користувача з програмою. Легкість оновлення ПЗ має таке ж важливе значення, як і інші інтерактивні властивості продукту. Інформаційна підтримка (навчання, настанови, довідки та підтримка експлуатації) важлива під час початкового або наступного освоєння продукту, але не має безпосереднього відношення до розв'язуваної задачі.

Існує також багато інших факторів (узгодженість, інтеграція, вартість), які впливають на рівень задоволеності користувача в залежності від їх значення, середовища, розв'язуваної задачі та ситуації.

В ході планування розробки продукту, аналізу вимог, проектування, реалізації, тестування і розгортки слід враховувати всі фактори, які входять в рівняння задоволеності користувача та їх відносну важливість.

Користувач або представник компанії не завжди може чітко визначити свої потреби та вимоги на етапі планування та анлізу вимог, однак він може бути дуже категоричним відносно того, що бажано й небажано в програмному продукті, коли він вже стане доступним для апробації й використання.

Ділові й функціональні потреби - найбільш загальний вид вимог. Однак вимоги до характеристик КІ, практичності, інтеграції та узгодженості дуже часто пропускаються. В багатьох випадках характеристик КІ визначаються неявно (може навіть несвідомо) у вигляді деяких очікувань. Враховуючи, що порядка 50% програмного коду приходиться на КІ, для розуміння вимог до видимих властивостей продукту потрібно докласти додаткових зусиль. Вимоги до практичності, інтеграції та узгодженості повинні бути визначені явно і піддаватись вимірюванню. Лише тоді можна перевірити й виміряти, наскільки продукт відповідає планам. Після встановлення вимог, їх необхідно контролювати і управляти ними.

Щодо термінів розробки, то це питання кваліфікації та досвіду застосовно до сучасної технології КІ. З множиною стилів та функцій КІ пов'язаний великий обсяг інформації, який включає масу деталей, особливості очікуваної поведінки, а також надлишкові відомості.

3.3 Проектування інтерфейсу з орієнтацією на користувача

Програмний КІ привертає все більшу увагу і набуває все більшого значення як складова конкурентної переваги. По мірі того, як перелік функцій програмних засобів стає все довшим та складнішим, користувачі, які відповідають за придбання продукта, дивляться на КІ як на вирішення проблеми складності. Якщо КІ продукту привертає увагу користувача, якщо він легкий у вивченні, простий у використанні, а також має прийнятну ціну та можливості, продукт має конкурентну перевагу. Конкурентну перевагу можна одержати в тому випадку, якщо заявки про нижчі витрати на навчання та виграш в продуктивності відповідають дійсності.

Існує декілька умов, які дозволяють говорити про те, що проект ведеться в орінтованому на користувача стилі:

· розуміння користувачів та їх задач, залучення користувачів в усі аспекти життєвого циклу продукта;

· постановка цілей, які можна виміряти; встановлення критеріїв успіху з точки зору користувачів та підприємств;

· проект повинен передбачати нову компетентність користувача, яка по відношенню до продукту включає пакетування, маркетинг, навчання, віддруковану інформацію, налагодження параметрів, інсталяцію, екрани, графіку, довідки, іншу експлуатційну підтримку, оновлення та деінсталяцію;

· оцінювання та тестування за участю реальних користувачів для визначення, чи досягнуті цілі та які проблеми існують;

· ітеративний підхід - якщо цілі не досягнуті або існують проблеми, слід внести виправлення та провести повторну перевірку.

Система та її ПЗ спілкуються з користувачем мовою представлення візуальної та слухової інформації, а також на рівні невербальної регламентації взаємодії, яка виражається у вигляді часу відзиву, надійності, поведінки ті інших людських факторів. Користувач спілкується з системою та її ПЗ мовою дій за допомогою клавіатури, миші, мовної та тактильної інформації. Іноді система або її ПЗ накладають на користувача обмеження, пов'язані з введенням інформації в межах певного проміжку часу (час відзиву), безпомилковим спілкуванням (надійність) та корректним підходом до використання (поведінка).

В традиційних процесах проектування використовуються різні підходи. Основні змінні, пов'язані з процесом розробки, характеризують ступінь, в якій цей процес може бути віднесений до одного з типів. Це, наприклад, такі типи процесу проектування, як проектування “ззовні-всередину” (outside-in) або “зсередини-назовні” (inside-out); однократне (без ітерацій) або багатократне (ітеративне) проектування; проектування за типом “великого вибуху” (big bang, “все або нічого”) або еволюційне.

Підхід “зсередини-назовні” спочатку розглядає внутрішні властивості системи, в той час як підхід “ззовні-всередину” спрямований на КІ та властивості продукту, видимі кінцевому користувачу. В залежності від складності проекту та застосовуваної технології доцільно працювати одночасно над внутрішніми та зовнішніми властивостями продукту, використовуючи інтегральний підхід.

Ітерація - це планований обсяг робіт по конструюванню продукта, особливо КІ. Підхід, в якому використовується ітеративне проектування і розробка, концентрується на побудові КІ та його основних факторах практичності - це найкращий метод розробки ПЗ. Вибір подібного підходу не забороняє і не утримує бригаду розробників від використання аналогічного типу проектування, щоб знизити ризик, зменшити не зв'язану з КІ роботу або застосувати інші технології до продукту.

Еволюційне проектування та розробка зосереджені на побудові продукту з використанням підходу на основі покрокового нарощування і уточнення можливостей продукту. Рівні можливостей проектуються і реалізуються в стилі послідовних етапів. Підхід типу “великий вибух” представляє собою спробу розробити “все або нічого”, “піти на прорив” - в цілому ПЗ розробляється і реалізується паралельно.

Найкращий підхід до розробки - еволюційний ітеративний підхід “ззовні всередину”.

Орієнтоване на користувача проектування продукту (UCD - User-Centered Design) - міждисциплінарний та ітеративний процес розробки ПЗ, спрямований на досягнення користувацьких цілей у відношенні продукта, на практичність та інші вимірювані властивості продукту на протязі його життєвого циклу.

3.4 Типові етапи проектування

Крупні етапи процесу проектування і розробки КІ:

1. планування;

2. вимоги;

3. проектування;

4. конструювання;

5. розгортка.

Даний процес проектування не передбачає якогось певного стиля КІ.

Процес нагадує каскадну або водоспадну модель розробки. Однак в дійсності розробка - це процес, який іде проти потоку, - з часом він не стає легшим. Каскадна модель подібна плаванню проти течії.

Обсяг і складність роботи з часом зростають. Невелика сукупність вимог перетворюється в солідний набір екранів КІ, інструкцій та довідок. Екрани КІ та довідки перетворюються в проект реалізації, яка повинна взаємодіяти з системною інфраструктурою, мережами та базами даних.

Проект реалізації легко перетворюється в тисячі - або сотні тисяч - рядків програмних команд (програмного коду), написаних з використанням складних та суворих мов програмування, баз даних та комунікацій, а також відповідних структур даних.

Програмний код піддається тестуванню, щоб продемонструвати надійність, продуктивність, якість, а також відповідність вимогам (функційним, до КІ та практичності).

Кількість людей, притягнутих до розробки, з часом збільшується. На практиці для багатьох аспектів процесу відсутні явно виражені або дискретні точки завершення, наприклад, проектування продовжується під час конструювання по мірі виправлення помилок у вимогах, проекті або конструкції. Більшість проектних етапів перекриваються: наприклад, планування (управління ризиками) та управління вимогами (контроль) тривають протягом всього життєвого цикла проекту.

Ітерації не обов'язкові, але можуть знадобитися для успішного завершення якого-небудь етапу процеса, оскільки для подолання наступної сходинки каскаду може знадобитися декілька спроб. Ітерації не повинні виконуватись заради ітерацій, а зобов'язані служити досягненню цілей користувачів.

Ключова частина процесу - етап конструювання. Даний етап розробки, на якому виконується реалізація і тестування продукту, може займати до 50% проектного часу навіть у випадку вірного планування та управління.

Етапи проектування КІ, орієнтованого на користувача:

1) план - план створення продукту сконцентрований на побудові КІ та забезпеченні практичності; план враховує календарні терміни для кожного з етапів процесу, визначає основні фактори ризику, об'єднує всі можливі методи, встановлює цілі та критерії по відношенню до КІ;

2) вимоги - на етапі встановлення вимог виконуються наступні задачі: опис користувачів, постановка задач користувачів, оцінка поточного рівня практичності, аналіз можливостей КІ, аналіз тенденцій;

3) концептуальне проектування - концептуальний проект представляє собою сукупність високорівневих описів, абстракцій та оглядової інформації, яка дає розробникам та кінцевим користувачам загальне уявлення про програмний продукт, його структуру та КІ;

4) проектування - проект КІ представляє сукупність характеристик програми, які сприймаються користувачем (вхідні сигнали, взаємодія користувача, відзив системи на вхідні сигнали та взаємодію користувача);

5) прототипування - створення прототипів та моделювання - ефективні засоби ранньої оцінки проекту; прототип - це матеріалізація побудованого проекту з використанням його передбачуваної платформи реалізації, включаючи обладнання, ОС, мови і засоби реалізації;

6) специфікація - матеріалізація проекту програмного продукту в документальній формі, яка описує і показує дії користувачів, а також вигляд та поведінку ПЗ в специфічних ситуаціях;

7) конструювання - написання коду та автономне тестування;

8) оцінка - всі методи оцінки пов'язані з залученням потенційних користувачів програмного продукту;

9) ітеративний підхід - загальні критерії досягнення цілей створення КІ повинні бути чітко визначені, зрозумілі й прийняті керівництвом та розробниками; досягнення поставлених цілей може вимагати багатократних ітерацій;

10) розгортка - після того, як продукт задовольняє вимогам та потребам користувачів, він розгортається для використання за призначенням; з цього моменту починається ряд наступних дій - оцінка продукту за участю користувачів, які не залучались до розробки, пілотне тестування, виконання користувацьких задач, які не оцінювались.

3.5 Стилі користувальницького інтерфейсу

Існує ряд стилів КІ, які завоювали популярність в індустрії програмних засобів.

Графічний користувацький інтерфейс (GUI - Graphical User Interface) - стиль взаємодії “користувач-комп'ютер”, в якому застосовуються 4 елемента: вікна, піктограми, меню та покажчики. Іноді ГКІ називають WIMP-інтерфейсом (Windows, Icons, Menus, Pointers). Вікно - це область пристрою відображення, використовувана для представлення взаємодії з об'єктами, інформації про об'єкти або для виконання дій над об'єктом. Піктограма - це область пристрою відображення, використовувана для наглядного представлення об'єкта. Меню відображає набір альтернатив, за допомогою яких користувач може здійснити свій вибір. Покажчики - це графічні символи, які візуально показують місце розташування входа в систему для координатно-вказівного пристрою (миші або шарового маніпулятора). Найважливішими властивостями ГКІ є можливість безпосереднього маніпулювання, підтримка миші або покажчика, використання графіки та наявність області для функцій і даних додатку. Кожній основній системі властиві свої унікальні стильові принципи побудови ГКІ, причому всі додатки даної системи повинні бути витримані в цьому стилі. ГКІ не гарантує більш високого рівня практичності, однак належним чином спроектований ГКІ-орієнтований додаток може перевершувати його аналог з неграфічним інтерфейсом за рахунок ефективності роботи користувача та ступеня його задоволеності.

Користувацький Web-інтерфейс (WUI - Web User Interface) - дуже схожий на меню ієрархічної структури. Необхідна навігація виконується в рамках одного або декількох додатків з використанням текстових або візуальних гіперпосилань. Основні особливості WUI-додатків: інформація відображається в єдиному вікні (броузері), броузер забезпечує меню для Web-додатку; вибір дій обмежений; Web-сторінка має невисокий ступінь внутрішнього контроля над клієнтською областю для відкриття спеціалізованих спливаючих меню; створення спеціалізованих меню потребує додаткової роботи по програмуванню; функційні можливості додатку повинні відображатись в методи для виклику команд; клієнтська область не містить традиційні піктограми; велика кількість додатків використовують графіку та анімацію в естетичних або навігаційних цілях, що несе в собі загрозу зовнішнього візуального шума і збільшення часу відзиву при завантаженні та вдікритті файлів; броузер і додатки забезпечують можливість відключення графіки, щоб на екрані відображалась лише текстова версія; підтримка покажчика здійснюється для вибору за допомогою одного кліка миші або вибору за навігаційними посиланнями; технологія drag-and-drop не підтримується, обмежені дії правої кнопки миші. До найбільш поширених компонентів WUI-інтерфейса відносяться баннери (заголовки), навігаційні панелі та візуальні або текстові гіперпосилання, впорядковані різними способами. Банер - це візуальний заголовок, відображуваний в верхній частині Web-сторінки. Навігаційна панель - це список варіантів вибору гіперпосилань, які забезпечують доступ до інформації. Гіперпосилання - це варіант вибору, який відображає наступну сторінку інформації або пересуває фокус відображення на іншу область тієї ж сторінки.

Користувацький інтерфейс кишенькових пристроїв (HUI) - користувацький інтерфейс кишенькових комп'ютерів, для введення даних в яких застосовують “жестикуляційний” стиль з пером та сенсорним маленьким екраном. HUI-інтерфейс забезпечує деякі можливості ГКІ, а саме піктограми меню і аналогічна поведінка покажчика. У вікні пристроя одночасно відображається лише один об'єкт. Загальний стиль КІ для НUI-інтерфейса можна назвати SIMP-стилем (Screen, Icons, Menus, Pointers). Основні проблеми проектування HUI-інтерфейсу: спрощення вимог до користувача по введенню даних і взаємодії; використання обмеженої області дисплею. Основна перевага КПК - заміна фізичних кишенькових органайзерів. Введення великих обсягів інформації в КПК складний, але досить ефективний.

Прикладний рівень КІ програмного забезпечення - GUI, WUI, HUI-інтерфейси представляють собою загальні стилі КІ. До факторів, пов'язаних з прикладним КІ, які впливають на практичність, належить спосіб використання GUI-стиля з компонентами КІ прикладного рівня. Побудований на основі КІ додаток в тій чи іншій мірі використовує компоненти стиля КІ або компоненти КІ прикладного рівня. Сполучення компонентів GUI-інтерфейса та прикладного КІ призводить до загального підвищення рівня практичності. Заснований на застосуванні КІ додаток не лише здійснює виведення інформації та взаємодію з користувачем за допомогою екрану, а й надає користувачу піктограми та покажчики. Прикладний рівень додатку, заснованого на застосуванні КІ, містить всі функційні можливості, які виходять за межі оформлення діалогових вікон. Прикладний рівень включає всі видимі користувачу можливості і взаємодії, реалізовані із застосуванням різних стилів КІ. Можливості прикладного рівня включають наступні аспекти: концептуальне проектування; семантика і властивості об'єктів і операцій; наочне представлення та стиль поведінки об'єктів в межах клієнтської області; синтаксис (структуру) об'єктів - формати даних, діапазони вхідних даних та послідовність зміни вікон; методи взаємодії, які виходять за межі простого введення даних, та безпосереднього маніпулювання; унікальні дії; використання фізичиних пристроїв.

Об'єктно-орієнтовані КІ - проектування програмних об'єктів дає можливість надати користувачу додаток, який має об'єктно-орієнтований стиль та/або об'єктно-орієнтовану внутрішню структуру (реалізацію). Більшість об'єктно-орієнтованих властивостей знаходять відображення в зовнішньому вигляді, поведінці, вимогах до взаємодії та функціональних можливостях КІ. Об'єктно-орієнтований прикладний КІ повинен мати наступні властивості: забезпечувати безпосереднє маніпулювання (перетягувати будь-які об'єкти куди завгодно), забезпечувати безпосереднє введення даних (записувати будь-яку інформацію), забезпечувати контекстну залежність від об'єктів (спливаючі та контекстні меню, довідки, узгодженість).

3.6 Показники якості інтерфейсу

Думка користувача про те, що деякий КІ «хороший», тобто кращий за інші, залежить від невеликої кількості характеристик, які стають очевидними після півгодинного знайомства з будь-яким додатком незалежно від стилю КІ. Хороший GUI-, Web- або HUI-орієнтований додаток заснований на 5 головних принципах, які позначаються абревіатурою SAPCO (Simple - простий, Aesthetic - естетичний, Productive - продуктивний, Customisable - пристосовуваний, Other - інший).

Простий. Програмні об'єкти забезпечують підвищення продуктивності і нарощування можливостей реальної системи без необхідного внесення складності в КІ. Мінімалізм і розбиття реальних систем на множину слабозв'язаних рівнів широко використовується на початкових етапах розробки стилю представленні та взаємодії.

Ключові положення, які впливають на принцип простоти:

· додаток - це не ракетно-космічна техніка;

· об'єкти повинні бути мінімально складними та багаторівневими;

· помилятись краще в бік простоти.

Ці положення залежать від складності прикладної області та вимог, наданих по відношенню до КІ та практичності.

Хороший прикладний КІ не потребує довідника або діалогвоої довідкової системи, щоб почати виконувати за його допомогою прості задачі кінцевих користувачів. В гіршому випадку хороший прикладний КІ повинен бути зрозумілим на інтуїтивному рівні (користувачу потрібне лише пояснення, як досягти результату).

Естетичний (справляє гарне враження). Програмні об'єкти повинні мати естетичну та ергономічну привабливість, при чьому широко використовується графічний дизайн та візуалізація.

Ключові положення, які впливають на принцип естетичності:

· додаток повинен в меншій мірі походити на комп'ютерні артефакти, а в більшій мірі - на користувацькі об'єкти;

· додаток повинен бути привабливим;

· слід прагнути до максимальної візуалізації інформації.

Хороший прикладний КІ повинен справляти гарне враження.

Продуктивний (сприймається як підходящий). Використання програмних продуктів вимагає мінімальних зусиль для виконання задач кінцевого користувача. КІ реалізується таким чином, щоб уникнути складної ієрархічності вікон та/або екранів, а також непотрібних дій з клавіатурою та мишею.

Ключові положення, які впливають на принцип продуктивності:

· додаток повинен відповідати задачі;

· для оптимізації інтерфейса слід використовувати правило “80/20”;

· кількість кроків роботи необхідно звести до мінімума;

· слід забезпечити зручність додатку;

· додаток повинен бути поблажливим до користувача і не наказувати його за невеликі помилки.

Хороший прикладний КІ дозволяє виконувати роботу швидше і не гірше, ніж його реальні аналоги, а також уникає найбільш поширених пасток типу надто великої кількості екранів або надто великої кількості кроків.

Пристосовуваний. Програмні об'єкти доступні в різних формах для задоволення індивідуальних потреб. Програмні об'єкти КІ повинні мати властивість пристосовуваності.

Ключові положення, які впливають на принцип пристосовуваності:

· при проектуванні не відступайте від моделі інтсрументального набору;

· включайте в початкові об'єкти можливості початкового рівня;

· забезпечуйте множинні представлення, шрифти і колір, щоб надати користувачу шанс вибору;

· всі можливості слід розкривати поступово, щоб користувач виявляв їх послідовно.

Хороший прикладний КІ дозволяє користувачу обрати метод взаємодії так як і методи макетування та доступу для оптимізації користувацьких потреб.

Інші принципи. Крім принципів простоти, естетичності, продуктивності та пристосовуваності існує безліч інших принципів, більшість яких - різновиди принципів SAPC.

3.7 Моделі користувальницького інтерфейсу

Не може бути одного найкращого інтсрумента, найкращої програми, інтерфейса для користувача комп'ютера, оскільки цілі користувача постійно змінюються в залежності від поставлених в даний момент задач. Користувачі потребують не лише різних інтерфейсів для вирішення різних задач, а й зміни функційності програми навіть під час виконання однієї задачі. Немає такої програми чи інтерфейсу, які б відповідали всім потребам користувача в усі часи.

Проектування інтерфейса - це відносно новий рід людської діяльності, який використовує метафору та модельне представлення як спосіб сприйняття світу людиною.

Розглянемо 4 моделі КІ - ментальну, користувальницьку, програміста, проектувальника.

Ментальна, або концептуальна модель - лише внутрішнє відображення того, як користувач розуміє і взаємодіє з системою. Це відображення фізичної системи аьо ПЗ, в якому закладено ймовірну послідовність дій при викоанні операцій введення та виведення. Ментальна модель необов'язково точно відображає ситуацію та її компоненти, вона допомагає передбачати, що відбудеться далі.

Ментальні моделі дозволяють користувачам:

· передбачати (або позначити невидимі) події;

· знайти причини поміченних подій;

· визначити необхідні дії для здійснення потрібних змін;

· використовувати їх як мнемонічні пристрої для запам'ятовування подій та зв'язків (відношень);

· забезпечити розуміння аналогічних пристроїв;

· застосовувати стратегії, які дозволяють подолати обмеження, закладені в алгоритмі обробки інформації.

Модель користувача. Поганий дизайн інтерфейса викликає у користувачів сумніви в правильності своїх дій. Єдиний спосіб визначення вигляду користувацької моделі - поговорити з користувачем та подивитись, як він працює. Рекомендується 5 способів збирання інформації про користувача:

· аналіз їх задач;

· інтерв'ю з справжніми та потенційними користувачами;

· відвідування місць їх роботи;

· відзиви клієнтів;

· тести по придатності.

Спілкуватись потрібно зі справжніми користувачами, а не з їх менеджерами та керівництвом.

Модель програміста - найлегша для відображення, оскільки вона може бути формально і недвозначно описана. Дана модель є функційною специфікацією програмного продукту.

Модель проектувальника. Проектувальник дізнається про ідеї, побажання користувача, поєднує їх зі своїми навичками та матеріалами, необхідними для програміста, та проектує ПЗ, яке повинно задовольняти потреби користувача. Модель проектувальника - це дещо сережнє між моделлю користувача та моделлю програміста. Розробники, як правило, не входять в контакт з користувачами, для яких створюють програми. З'єднувачем між користувацьким оточенням та програмістським світом є проектувальник КІ. Модель проектувальника описує об'єкти, з якими працює користувач, і техніку маніпулювання ними.

3.8 Правила проектування користувальницького інтерфейсу

“Золоте правило проектувальника: “Ніколи не робити іншим того, що вони зробили тобі”. Згадайте, що вам не подобається в ПЗ, яким ви користуєтесь, і не робіть того ж в програмі, над якою працюєте” (Трейсі Леонард).

Раніше ПЗ розроблялось без врахування вимог та побажань користувача, який повинен був підлаштовуватись до системи. Сьогодні ж програмна система повинна прилаштовуватись до користувача. Кожен позитивний досвід спілкування з програмою довзоляє користувачу розширяти область знайомства з ПЗ та підвищувати свій рівень компетентності. Добре продуманий інтерфейс забезпечує плідну взаємодію користувача і комп'ютера.

Починаючи проектування, потрібно виділити найважливіший принцип, який буде визначальним при пошуку компромісів. Спроба дотриматись всіх принципів проектування може призвести до того, що це не виправдає себе і негативно вплине на кінцевий результат. Принципи - не догма, а керівництво до дії.

Принципи розробки користувацького інтерфейса: