Úvodní slovo. Obsah. Za redakční radu MM. K^7 vědecko populární časopis TU v Liberci

Úvodní slovo

Obsah

Vážené čtenářky a čtenáři, čtvrt roku uteklo jako voda, zkouškové se nám chýlí ke konci a většinu z nás čekají dny dovolených a odpočinku. Berte proto naše předprázdninové číslo jako takový mezník, který Vám přináší poučení, ale i rozptýlení nadávkované právě tak, aby u Vás po náhlém ukončení ročníku nenastal šok. Na úvod tohoto čísla Vám tentokráte přináším samé pozitivní zprávy. První z nich se týká časopisu samotného a je o tom, že se nám konečně trochu rozjela publikační činnost. Zvýšil se zájem o publikování článků a hlavně seriálů. V tomto čísle najdete nový seriál o překladačích, což znamená, že se nám tentokráte sešly hned čtyři seriály najednou. Druhou pozitivní zprávou je, že jsme získali nového člena do redakční rady a zároveň s ním také nové internetové stránky. Pavel Jiránek je totiž naším novým web-designerem a korektorem. V nejbližší době si budete moci jeho dílko prohlédnout na adrese http://k7.vslib.cz. No a tou třetí a nejdůležitější pozitivní zprávou je, že naše fakulta letos slaví své desáté narozeniny. Už několik týdnů máte možnost slavit je společně s ní na různých přednáškách, sportovních a nebo kulturních akcích. Fakultě tedy přejeme všechno nejlepší a mnoho dalších úspěšných let. A abyste Vy, naši čtenáři, nezůstali zkrátka, přeji Vám příjemné počtení, úspěšné zakončení semestru a krásné prožití letního volna.

Francie – země vínu zaslíbená

2

MARS přehledně (Monika Matušková)

4

Za redakční radu MM

Feistelova schémata šifrování (M. Matušková)

10

Detašované pracoviště Biologického Ústavu LF na KŘT

12

Měření drsnosti povrchu – 1. část (Jiří Karásek) 14 Nad e-maily čtenářů – Anketa o logo FM

17

Z deníku studentky – Octomilky

18

Nelegální výzkum na mechatronice

19

Počítačové zpracování digitálních obrázků pro neprogramátory II. díl – Analýza obrazů (Lukáš Matela)

21

Propagační předměty FM

26

Dívka čtvrtletí – Marcela

27

Vaříme s drátem

38

Drama o hlídání

39

Napište si překladač 1. díl – Úvod do problematiky (Tomáš Martinec)

40

Vzpomínka na zimu

43

Šroubárna aneb mechatronický kviz

45

Bezpečnost práce

47

Výstava – historie elektrotechniky

49

Amarant – rostlina, kterou možná neznáte 2. díl Využití v energetice (Jiří Jelínek) 50 Bzuk & Bzik – pomsta

56

Reklama, kterou si zamilujete

58

Červnová

58

Kulturní koutek: Galská Válka na Mechatronice

59

Rady a návody: Spermatogeneze

60

Výsledky šroubárny

61

K^7 vědecko populární časopis TU v Liberci Ročník: II, Číslo: 2/2005, Vychází: 4× ročně, Datum vydání: 15. 6. 2005, Šéfredaktor: Ing. Monika Matušková, tel.: 485 353 641, Redaktor: Ing. Miroslav Novák, Ph.D., tel.: 485 353 290, Redakční rada: Ing. Jan Václavík, Ing. Tomáš Mikolanda, Ing. Jiří Jelínek, Vítězslav Puc, Michaela Smutná, Ing. Pavel Jiránek Grafická úprava: Ing. Miroslav Novák, Ph.D., Příští číslo vyjde: 4. 10. 2005, Uzávěrka čísla 3/05: 12. 9. 2005, Vydává: TU v Liberci – FM, Adresa redakce: K7 – KEL, Hálkova 6, 461 17 Liberec, tel.: 485 353 290, e-mail: [email protected], Distribuce: www stránka http://k7.vslib.cz, Registrace: ISSN 1214-7370 Přetisk povolen pouze se souhlasem redakce. Za původnost a správnost příspěvku odpovídá autor.

1

TUL, FM


Francie – země vínu zaslíbená Po přečtení jarní K7 jsem se, lehce řečeno, zhrozil. Ne, že bych měl nějaké připomínky k odborným článkům, těm stejně nerozumím, ale výhrady jsem pojal k rádoby praktickému článku o cestování ve Francii. Chyběla mi jedna zcela zásadní informace, a to je stravování. Do Francie se přece již dlouhá staletí jezdí jako do kulinářského muzea a tak základní stravovací informace by neměly chybět v žádném z cestovatelských článků. První informací musí být dodržování pitného režimu. O vodě se raději nebudu zmiňovat. Víte sami jak je nepříjemná v botách, natož v žaludku. Můj doplněk povede k pilotnímu produktu slunného jihu – k vínu.

Do Francie si určitě přibalte vývrtku. Vín je nepřeberné množství. Rozhodně si nestanovujte nesplnitelné cíle jako je ochutnávka celého sortimentu, abyste věděli co přivést domů (zkuste např. http://www.1855.com, http://www.vignobletiquette.com). Stačí, když si vypíšete zásadní vinařské oblasti v okolí například Toulouse a zkusíte prolít přes půnebí vybrané zástupce. Jestliže vejdete do nějakého super/hyper obchodu, obvykle je přímo za vozíkovým vjezdem pestrý výběr nejrůznějších krabic, plných lahví moku za neuvěřitelné ceny, se slevami lákajícími k odvozu celé palety. Zde buďte opatrní, nezřídka se zde objevují stolní vína, italská vína, případně nějaká jiná cizina. Jistěže i toto jsou vína. Určitě byste i u nás sklidili obdiv a pochvalné mlaskání, ovšem v tomto místě by Vaše končetiny neměly ochabnout a vemte to prostředkem regálů, většinou na druhý konec haly. Zde bývá dřevem obložená ulička, ve které se teprve nachází to, kvůli čemu jste přišli. Vína jsou rozdělena podle regionů. Určitě znáte

Bordeaux, Sant Emillion, Languedoc-Roussillon, Provence a jiné. Uvnitř těchto oddělení pak jsou láhve rozděleny na bílé (blanque), červené (rose) a růžové (rouge).

Láhve obvykle nestojí, ale leží, aby nevysychal špunt a vínu neutekla vůně a chuť. Bílým se tolik pozornosti nevěnuje, ale většinou to jsou ty Popelky v pravém slova smyslu – zlatisté moky, proto většinou v bílém skle, plné vůní. Někdy se Vám může zdát, že se ovíněný špuntovač spletl při lepení etiket… Můžete totiž objevit bílou láhev červeného vína. To vzniká tak, že se odebere tzv. samotok při lisování červených hroznů a ještě se nezačaly vyluhovat třísloviny a barevné pigmenty – to opravdu není špatné. No a v souvislosti s tímto faktem je asi jasnější význam textu blanc l’blanc – tedy bílé z bílých hroznů. Růžová vína bývají místními obyvateli označována za výplach sudů po víně, ale nebývá to pravda, jako tekutina po jídle bohatě stačí. Pravá síla Francie je však v tradici vín červených. Ze všech stran na Vás útočí různě barevné etikety, jména oblastí, které mapují historii nejen kulinářství. Nenechte se ovšem zlákat grafickou stránkou problému, soustřeďte se na kvalitu. Je třeba podotknout také to, že odrůdová vína, tedy mok pouze z jednoho druhu keříku, jsou poměrně vzácná. Asi najdete Merlot, Cabernet aj., ale většina vín je „couvee“, tedy směs odrůd za účelem maximalizace chuťového prožitku. Předně vezměte do ruky láhev, čím hlubší je prohlubeň ve dně, tím lepší bývá víno. Proč tomu tak je? Proč se i patoky nelijí z prodejních důvodů do těchto lahví? To opravdu nevím, ale funguje to. Dále na etiketě dobrého vína NIKDE není vidět nápis „vin“. Pouze v případě, že v pojmeno-

K^7 vědecko populární časopis TU v Liberci 2/05 –- http://k7.vslib.cz

2

TUL, FM


vání oblasti je toto slovo obsaženo. Etiketa by měla obsahovat údaj o místě zrodu. Je-li na láhvi nápis „Barrique“, nejde o zkomoleninu jména našeho prvního prezidenta. Jde o označení vína, které zrálo v dubových sudech a nikoli v nerezových tancích, jak se, bohužel, stává i v této zemi. U vín „věhlasných“ se to neuvádí – je to jaksi automatické. Rok zrodu nemá vliv pouze na cenu, i když to pravda je, ale i na kvalitu a chcete-li na chuť vína. Ovšem není pravda, že víno z roku 1980 bude to nejchutnější... Mám zkušenost, že na některých takových si pochutná jen odborník, zatímco já dám přednost loňské frankovce z Valtic. Ale u vín stáří do deseti let se málokdy spletete.

Kvalitu vína ověřte potvrzením původu. Nápis „appellation <jméno oblasti> contrólé“ nesmí chybět. Někde stačí A.O.C. Jestliže je tento nápis rozšířen o text „cru“, případně „grand cru“, dostáváte se do vinné pohádky. Rozhodně to stojí za pokus. I takováto vína se dají pořídit do 10 EUR, což rozhodně není tak moc. Nenechávejte se zlákat lahvemi známými u nás, případně důsledkem reklamních akcí. Například Beaujellais je více reklamy než kvality, ale víno to je. Jestliže máte vybráno víno, nezapomeňte také na nějakou bagetu, paštičky, salámy a hlavně sýry. Bagety neberte do zásoby! Za den jsou dobré tak na tahání plomb ze zubů. Sýrů je údajně 365 druhů – neměl jsem tu čest ověřit. Chutí, druhů a cen je opravdu na výběr. Zvláště k vínu mohu doporučit ementálské sýry, Rocquefore – nejlépe se zeleným oválkem „Societe“, případně „hermelínové“ sýry – Brie, a pod. Ani vlastní konzumaci vína byste neměli odbývat. Především byste víno neměli pít na žízeň. Krom těžké hlavy můžete přijít o ten pravý požitek. Udělejte si čas na klidnou konzumaci. Vůbec nevadí, že si sednete na břeh Garrony,

budete sledovat důchodce hrající petanque a pít z láhve. Víno otevřete pomalu, nemělo by se „leknout“ – akustické efekty si schovejte na sekty. Ke špuntu přičichněte, první seznámení s vínem bývá zajímavé. Korek kvalitních vín bývá neslepovaný, z jednoho kusu. Také bývá zvykem hrdlo tímto špuntem otřít – zbavit od korku a prachu. Do sklenice nalijte jen do třetiny, alespoň na poprvé. Sledujte tu krásnou barvu, kterou pro Vás někdo připravil, temně rudé, až fialové odlesky, zejména proti světlu svíčky by měly být prvním vjemem. Zkuste víno provzdušnit, roztočte jej a přivoňte. To co se line ven bývá zážitkem samo o sobě a tak si to nenechte ujít. Vzpomínejte, kde jste o tyto vůně již v minulosti zavadili – květiny, ovoce, med, to vše se dokáže skrýt do jediné kapky. Sledujte jak pomalu dobré víno stéká po stěnách sklenice... Ani s prvním ochutnáním nespěchejte – polaskejte víno jazykem. Předejte jej všem chuťovým pohárkům na jazyku, zkuste jak klouže v ústech, jak hladí v krku. Přeji všem plno krásných zážitků ze služební cesty do Francie...

P.S. Škarohlídové nedoporučují pít víno na noc – je prý plné slunce, energie a tu pak tělo chce vybíjet. V klidu popíjejte i v osm večer…. Noc je mladá, a nikdo Vás nenutí spát ;o))


Autor: PZ, Foto: PZ, NoMiR

3

TUL, FM, KSI

MARS přehledně

MARS přehledně Monika Matušková

Technická univerzita v Liberci, Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií, Katedra softwarového inženýrství, Hálkova 6, 461 17 Liberec, Tel.: 485 353 641, E-mail: [email protected]

Abstrakt: V rámci svého seriálu o metodách šifrování vám představím další blokovou šifru – MARS. I MARS před několika lety kandidoval na AES a umístil se jako čtvrtý. Nechala jsem si jej až nakonec, protože ze všech mnou již popisovaných algoritmů se nejméně hodí pro hardwarovou implementaci. Tím však nechci čtenáře nikterak odrazovat od toho, aby si ji vyzkoušeli. Obzvláště, když možnosti převážné většiny z nich jsou omezeny na software.

1 Úvod MARS vznikl jako účastník soutěže o AES. Přihlásila jej do ní firma IBM, která již v minulosti uspěla při výběru DES a do MARSu vkládala velké naděje. Při volbě AES se MARS dostal do finále, v celkovém hodnocení se však umístil jako čtvrtý. Podíváme-li se na skutečnou používanost tehdejších kandidátů na AES, MARS už se nedrží na takovém výsluní jako v odborném hodnocení. Cast-256 a Safer+ jej v oblíbenosti předčili. Přesto se s ním šifruje a to zejména softwarově – IBM, Tropical Software, Wei Dai, ... Standardně můžeme volit 128, 192, nebo 256 bitů dlouhý klíč (kvůli NIST), obecně však šifra podporuje klíče dlouhé od 128 do 1248 bitů. Délka bloku je 32 bitů a počet šifrovacích rund je 16. Stejně jako DES, Twofish, nebo RC6 i MARS vychází z Feistelova schématu. Na to, jak je slovo v každé rundě ovlivňováno klíčem, nebo zbývajícími třemi datovými slovy se budete moci podívat na obrázcích doprovázejících popis algoritmu. Použitý princip není příliš běžný a přidává šifře na zajímavosti. Zajímavý je MARS i tím, že používá dva různé typy rund. Jeden pro dopředné a zpětné mixování (16 rund) a druhý pro použití klíče (16 rund). Jak jdou za sebou můžete vidět na obrázku 1, který zobrazuje hrubou strukturu šifry. První typ rund využívá ke své práci dva Sboxy 8x32 bitů, sčítání, XOR a rotaci. Druhý typ využívá sčítání, XOR, násobení, jeden S-box a datově závislé rotace.

Obr.1: Struktura MARS Mezi velké výhody patří fakt, že šifrování i dešifrování je prováděno stejným způsobem, pouze se změnou pořadí rundovních klíčů. To umožňuje použít stejný hardware. Jinak je však MARS pro hardwarovou implementaci nevhodný. Způsobuje to právě jeho složitá struktura. Veliké S-boxy, násobení modulo 232 a datově závislé rotace jsou velice náročné na implementaci.

2 Pseudoalgoritmus MARS [2] Ještě před samotným zápisem algoritmu bude dobré popsat si používané konstanty a proměnné. n je počet 32-bitových slov v klíči k. Jeho hodnota se pohybuje mezi 4 a 14. k[0 .. n] je tajný klíč. K[0 .. 39] je pole se čtyřiceti 32-bitovými slovy v nichž je uložen expandovaný klíč. T[0 .. 14] je pomocné pole pro expanzi. B[0 .. 4] je konstanta.


4

TUL, FM, KSI

MARS přehledně

P[0 .. 3]

je pole 32-bitových slov s volným textem. C[0 .. 3] je pole čtyř 32-bitových slov se zašifrovaným textem. S[0 .. 511] je S-box s 32-bitovými slovy. Prvních 256 se označuje jako S0 a zbytek S1. Jejich počet je celkem 512.

2.1 Expanze klíče V kapitole 1 se můžete dočíst, že MARS podporuje klíče 128, až 1248 bitů dlouhé, to je od 4 do 39 wordů. Pokud někde v tomto článku, nebo kdekoli jinde bude zmínka o nejnižším bytu, pak vězte, že jde vždy o byte na první pozici zleva. Číslování datového bloku při šifrování je tedy následující: 3 2 1 0 7 6 5 4 11 10 9 8 15 14 13 12. Samotná expanze klíče se skládá ze tří částí, které můžete vidět na obrázku 2. Jedná se o „lineární expanzi“, „míchání založené na Sboxech“ a „modifikaci násobením“. Míchání s Sboxy slouží k odstranění lineárních závislostí mezi klíči a modifikace testuje klíče zda jsou vhodné pro šifrování. Pokud je potřeba, modifikuje je.

T[i]:=T[i] xor ((T[i–7 mod 15] xor T[i–2 mod 15]) <<<3) xor (4i+j); for l:=1 to 4 do //míchání založené // na S-boxech for i:=0 to 14 do T[i]:=(T[i]+S[nejnižších 9 bitů z T[i–1 mod 15]]) <<<9; for i:=0 to 9 do //ukládání klíče K[10j+i]:=T[4i mod 15]; end; for i:=5 to 35 step 2 do //modifikace // násobením begin n:=nejnižší dva bity K[i]; K[i][0]:=1; K[i][1]:=1; w:=K[i]; P:=0; for j:=2 to 30 do if w(j-1)=w(j) and w(j+1)=w(j) and (w(j) je součástí deseti po sobě jdoucích ‚0‘ nebo ‚1‘) then Pj:=1; r:=nejnižší dva bity K[i-1]; s:=B[n] <<< r; K[i]:=w xor (s and P); end;

2.2 Šifrování Šifrování se skládá z několika částí. Celkem má 32 rund z nichž je 8 dopředných, 16 šifrovacích a 8 zpětných. Dopředné a zpětné mixování se provádí bez účasti klíče, na rozdíl od šifrovacích rund však mixujeme s S-boxy. Na samém počátku šifrování sečteme data se čtyřmi wordy klíče: C[0 .. 4]:=P[0 .. 4] + K[0 .. 4];

A) dopředné mixování

Obr.2: Expanze klíče

for i:=0 to 7 do begin C[1]:=(C[1] xor S0[C[0]]) + S1[C[0]>>>8]; C[2]:=C[2] + S0[C[0]>>>16]; C[3]:=C[3] xor S1[C[0]>>>24]; C[0]:=C[0] >>> 24; if i:=(1 or 5) then C[0]:=C[0] + C[1]; if i:=(0 or 4) then C[0]:=C[0] + C[3]; C[3,2,1,0]:=C[0,3,2,1]; end;

A) Inicializace B[] := (0xa4a8d57b, 0x5b5d193b, 0xc8a8309b, 0x73f9a978); T[0 .. n-1] := k[0 .. n-1]; T[n] := n; T[n+1 .. 14] := 0;

B) Expanze for j:=0 to 3 do begin for i:=0 to 14 do

//lineární expanze // klíče

B) kryptografické jádro for i:=0 to 15 do begin R:=((C[0]<<<13) x K[2i + 5])<<<10; N:=(C[0] + K[2i + 4])<<<(R>>>5); L:=(S[spodních 9 bitů N] xor (R>>>5) xor R)<<=8 then C[1]:=C[1] + R;


5

TUL, FM, KSI

MARS přehledně

C[2]:=C[2] + N; if i<8 then; C[3]:=C[3] xor R if i>=8 then; C[3]:=C[3] + L; C[0]:=C[0]<<<13; C[0,1,2,3]:=C[1,2,3,0]; end;

Obr.3: Dopředné mixování

C) zpětné mixování for i:=0 to 7 do begin if i:=2 or 6 then C[0]:=C[0] - C[3]; if i:=3 or 7 then C[0]:=C[0] - C[1]; C[1]:=C[1] xor S1[C[0]]; C[2]:=C[2] - S0[C[0]<<<8]; C[3]:=(C[3] – S1[C[0]]<<<16) xor S0[C[0]<<<24]; C[0]:=C[0]<<<24; C[0,1,2,3]:=C[1,2,3,0]; end;

Nakonec od výsledku odečteme poslední klíč: C[0,1,2,3]:=C[0,1,2,3] – K[36,37,38,39];

Obr.4: kryptografické jádro 2.3 Dešifrování Dešifrování se provádí na stejným způsobem jako šifrování. Tyto dvě činnosti se od sebe liší pouze opačným řazením rundovních klíčů (stejně jako u DES). To přináší výhody zejména při hardwarové implementaci a vyvážení rychlostí šifrování a dešifrování.


6

TUL, FM, KSI

MARS přehledně AE136749 E82AAE86 93365104 99404A66 78A784DC B69BA84B 04046793 23DB5C1E 46CAE1D6 2FE28134 5A223942 1863CD5B C190C6E3 07DFB846 6EB88816 2D0DCC4A A4CCAE59 3798670D CBFA9493 4F481D45 EAFC8CA8 DB1129D6 B0449E20 0F5407FB 6167D9A8 D1F45763 4DAA96C3 3BEC5958 ABABA014 B6CCD201 38D6279F 02682215 8F376CD5 092C237E BFC56593 32889D2C 854B3E95 05BB9B43 7DCD5DCD A02E926C FAE527E5 36A1C330 3412E1AE F257F462 3C4F1D71 30A2E809 68E5F551 9C61BA44 5DED0AB8 75CE09C8 9654F93E 698C0CCA 243CB3E4 2B062B97 0F3B8D9E 00E050DF FC5D6166 E35F9288 C079550D 0591AEE8 8E531E74 75FE3578 2F6D829A F60B21AE 95E8EB8D 6699486B 901D7D9B FD6D6E31 1090ACEF E0670DD8 DAB2E692 CD6D4365 E5393514 3AF345F0 6241FC4D 460DA3A3 7BCF3729 8BF1D1E0 14AAC070 1587ED55 3AFD7D3E D2F29E01 29A9D1F6 EFB10C53 CF3B870F B414935C 664465ED 024ACAC7 59A744C1 1D2936A7 DC580AA6 CF574CA8 040A7A10 6CD81807 8A98BE4C ACCEA063 C33E92B5 D1E0E03D B322517E 2092BD13 386B2C4A 52E8DD58 58656DFB 50820371 41811896 E337EF7E D39FB119 C97F0DF6 68FEA01B A150A6E5 55258962 EB6FF41B D7C9CD7A A619CD9E BCF09576 2672C073 F003FB3C 4AB7A50B 1484126A 487BA9B1 A64FC9C6 F6957D49 38B06A75 DD805FCD 63D094CF F51C999E 1AA4D343 B8495294 CE9F8E99 BFFCD770 C7C275CC 378453A7 7B21BE33 397F41BD 4E94D131 92CC1F98 5915EA51 99F861B7 C9980A88 1D74FD5F B0A495F8 614DEED0 B5778EEA 5941792D

Obr.5: Zpětné mixování 3 S-boxy MARS používá S-boxy složené z pseudonáhodných 32-bitových slov jejichž vlastnosti vyhovují požadavkům na odolnost vůči diferenciální a lineární kryptoanalýze. Slov je celkem 512 přičemž S box jako celek označujeme S. První polovinu S-boxů označujeme jako S0 a druhou jako S1.

S-box 0: 09D0C479 28C8FFE0 84AA6C39 9DAD7287 7DFF9BE3 D4268361 C96DA1D4 7974CC93 85D0582E 2A4B5705 1CA16A62 C3BD279D 0F1F25E5 5160372F C695C1FB 4D7FF1E4 AE5F6BF4 0D72EE46 FF23DE8A B1CF8E83 F14902E2 3E981E42 8BF53EB6 7F4BF8AC 83631F83 25970205 76AFE784 3A7931D4 4F846450 5C64C3F6 210A5F18 C6986A26 28F4E826 3A60A81C D340A664 7EA820C4 526687C5 7EDDD12B 32A11D1D 9C9EF086 80F6E831 AB6F04AD 56FB9B53 8B2E095C B68556AE D2250B0D 294A7721 E21FB253

FA90C1F8 33F824B4 C4965372 3FF6D550 4CA5FEC0 8630E964 5B3FBBD6 7DA26A48 B203231A 04297514 2D639306 2EB13149 16A45272 532459A0 8E5F4872 F966C7D9 07128DC0 0D44DB62 AFC8D52D 06316131 D838E7CE 1BC41D00 3A2E8C0F EA83837E B984737D 13BA4891 C4F8B949 A6D6ACB3 A215CDCE 8359838B 6BD1AA31 F579DD52 21B93F93 F5176781 187DFDDE E94AEB76 2B38FD54 431DE1DA AB394825 9AD3048F DFEA32AA 659473E3 623F7863 F3346C59 AB3AB685 3346A90B 6B56443E C6DE01F8 8D421FC0 9B0ED10C 88F1A1E9 54C1F029 7DEAD57B 8D7BA426 4CF5178A 551A7CCA 1A9A5F08 FCD651B9 25605182 E11FC6C3 B6FD9676 337B3027 B7C8EB14 9E5FD030

S-box 1: 6B57E354 AD913CF7 7E16688D 58872A69 2C2FC7DF E389CCC6 30738DF1 0824A734 E1797A8B A4A8D57B 5B5D193B C8A8309B 73F9A978 73398D32 0F59573E E9DF2B03 E8A5B6C8 848D0704 98DF93C2 720A1DC3 684F259A 943BA848 A6370152 863B5EA3 D17B978B 6D9B58EF 0A700DD4 A73D36BF 8E6A0829 8695BC14 E35B3447 933AC568 8894B022 2F511C27 DDFBCC3C 006662B6 117C83FE 4E12B414 C2BCA766 3A2FEC10 F4562420 55792E2A 46F5D857 CEDA25CE C3601D3B 6C00AB46 EFAC9C28 B3C35047 611DFEE3 257C3207 FDD58482 3B14D84F 23BECB64 A075F3A3 088F8EAD 07ADF158 7796943C FACABF3D C09730CD F7679969 DA44E9ED 2C854C12 35935FA3 2F057D9F


7

TUL, FM, KSI 690624F8 1CB0BAFD 7B0DBDC6 810F23BB FA929A1A 6D969A17 6742979B 74AC7D05 010E65C4 86A3D963 F907B5A0 D0042BD3 158D7D03 287A8255 BBA8366F 096EDC33 21916A7B 77B56B86 951622F9 A6C5E650 8CEA17D1 CD8C62BC A3D63433 358A68FD 0F9B9D3C D6AA295B FE33384A C000738E CD67EB2F E2EB6DC2 97338B02 06C9F246 419CF1AD 2B83C045 3723F18A CB5B3089 160BEAD7 5D494656 35F8A74B 1E4E6C9E 000399BD 67466880 B4174831 ACF423B2 CA815AB3 5A6395E7 302A67C5 8BDB446B 108F8FA4 10223EDA 92B8B48B 7F38D0EE AB2701D4 0262D415 AF224A30 B3D88ABA F8B2C3AF DAF7EF70 CC97D3B7 E9614B6C 2BAEBFF4 70F687CF 386C9156 CE092EE5 01E87DA6 6CE91E6A BB7BCC84 C7922C20 9D3B71FD 060E41C6 D7590F15 4E03BB47 183C198E 63EEB240 2DDBF49A 6D5CBA54 923750AF F9E14236 7838162B 59726C72 81B66760 BB2926C1 48A0CE0D A6C0496D AD43507B 718D496A 9DF057AF 44B1BDE6 054356DC DE7CED35 D51A138B 62088CC9 35830311 C96EFCA2 686F86EC 8E77CB68 63E1D6B8 C80F9778 79C491FD 1B4C67F2 72698D7D 5E368C31 F7D95E2E A1D3493F DCD9433E 896F1552 4BC4CA7A A6D1BAF4 A5A96DCC 0BEF8B46 A169FDA7 74DF40B7 4E208804 9A756607 038E87C8 20211E44 8B7AD4BF C6403F35 1848E36D 80BDB038 1E62891C 643D2107 BF04D6F8 21092C8C F644F389 0778404E 7B78ADB8 A2C52D53 42157ABE A2253E2E 7BF3F4AE 80F594F9 953194E7 77EB92ED B3816930 DA8D9336 BF447469 F26D9483 EE6FAED5 71371235 DE425F73 B4E59F43 7DBE2D4E 2D37B185 49DC9A63 98C39D98 1301C9A2 389B1BBF 0C18588D A421C1BA 7AA3865C 71E08558 3C5CFCAA 7D239CA4 0297D9DD D7DC2830 4B37802B 7428AB54 AEEE0347 4B3FBB85 692F2F08 134E578E 36D9E0BF AE8B5FCF EDB93ECF 2B27248E 170EB1EF 7DC57FD6 1E760F16 B1136601 864E1B9B D7EA7319 3AB871BD CFA4D76F E31BD782 0DBEB469 ABB96061 5370F85D FFB07E37 DA30D0FB EBC977B6 0B98B40F 3A4D0FE6 DF4FC26B 159CF22A C298D6E2 2B78EF6A 61A94AC0 AB561187 14EEA0F0 DF0D4164 19AF70EE

MARS přehledně fd2c12fa e5135e4f 753ab740 bb33ab03 d576aff3 7c14f40b 729b9d51 06a17a6f 9bf4836a 14d4a4e3 3cebfbf6 a2fe105b d602ac90 330ae033 7838d957 e477c263 1c3c1975 09a546d7 e1b7efda 54441e9f c98e224a 2e237bf3 964fa90b 56f7ae07 9f7da180 86bad2ef 9e2b2c11 056f518f 1dd62186 b1e4e06c e37c58bc a1f6a479] P= 00000000 00000000 00000000 00000000 IV1= b1a4a724 a4ebfe6c 8c31f1ff 46f21b7f IV2= d4ae0c38 eb8ea742 641bdc9c bdb280da IV3= ac1a7cb0 acc2f1f0 4758625c e6a02ebb IV4= d0bd0bde 37a00fb8 42611579 2b2e7337 IV5= fc8972b8 35a7774a 1c82f727 3b42c8b1 C= deb35132 83c296de 39069e6b 994c2438 k= deb35132 83c296de 39069e6b 994c2438 K=[107f46e3 39ad6bbf aca8391d 44ed470a ad55b583 92110113 54b14fdb f205608b a9a28c86 bf72c2c3 f61ee573 2ea0a3f7 0a9cf79f 59304a1f 512724f6 367da517 ef526563 25b0ed67 fa465e58 240a3743 7853b1f3 4e240a9f c17dbecc addaf83b bfa7fef7 0707ea83 617a9c9d d1679d07 c1145fe7 67c8d86b d682cdb0 b8d7c197 d233542f 650b9107 32658199 d17af7bb 5402a899 800a2588 aa01ba64 6fff9d90] P= deb35132 83c296de 39069e6b 994c2438 IV1=ef329815 bd70029d e5aed788 de396b42 IV2= 4ca72af4 03c66f6d ccad0d6e 96630d80 IV3= 9329ec9a 3d26d758 7cefb387 efedf183 IV4= 39cc73ee 820582dd 1210940a 0a8c46e4 IV5= fd14ee92 ce0d533c ae243428 0ba5a667 C= a91245f9 4e032db4 042279c4 9ba608d7 k= 08fbaad2 9e0536ba 186416fc 9751ae73 K=[8facb7c3 1e4d7bd0 502e75b3 be262b34 42339164 bc93d863 77542989 57830ca3 c6005fa6 f961896f 77dabef4 eef3f5ef 2f6d2790 7191e8d3 7a9a75a9 954ab137 f0f3e6a4 897eea03 da6255a4 651f381f d955b3cc 4c6f688f 98dd5f55 c9af195b 46cc7058 594426cb 6dcc6f5d 246e1603 4885ac99 a55f011f f0a974f4 1e7879bb 496516db 53586ce7 052ee42b 16931b2f 2344322a 65538aa7 907ebef8 2edcb4b5] P= d20f4754 3549b48b 2f227c13 3c5aa5b7 IV1= 61bbff17 5397305b 7f50f1c6 fa80d0eb IV2= 1f5b2a7f 98e26c7d 9c28a2db c388d646 IV3= 5391c7f7 ac9974d6 c61a1ba2 2a835d9a IV4= 439e5ccf 09e5f169 dd070fc1 e48c7f88 IV5= 66d17bdc 564113e9 cf75bd7d b837736d C= 438d49b2 f0ed8942 3ef6fe85 895abeb8

4 Testovací data Protože se testovací data na internetu obtížně vyhledávají, uvádím je jako součást článku. Pro každou délku klíče, tj. 128, 192 a 256 bitů, jsem vybrala tři testovací vektory. Pro kontrolu je pro každý klíč k a volný text P uveden nejen zašifrovaný text C, ale i expandovaný klíč K a hodnoty po přičtení klíče (IV1), dopředném mixování (IV2), dopředné transformaci (IV3), zpětné transformaci (IV4) a zpětném mixování (IV5).

Délka klíče = 128 k= 00000000 00000000 00000000 00000000 K=[b1a4a724 a4ebfe6c 8c31f1ff 46f21b7f 3107f81e 72538073 d9d5bb7c 07cd149b

Délka klíče = 192 k= 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 K=[27dee7e4 154762f7 e3c5a235 c48782ce 5913a42a 721c0d67 a48a56ae 80625c03 5e79bc19 fa87c763 74dc1baa 95862b4f cb5e6aca adcfa1f7 f95d5ace 783dc87b fb5a66c8 468d8353 57e96c55 a1b9080f 660f1eda 2280402b 7c08c082 aca23c27 ac64e883 b12eeaef b4a136c0 badaefdf b01ea677 6941a1bf 1b3fc7df f957f01f df5a6502 59716c27 b0ca5a13 ddf1435b 55cee350 f6258fd3 9022223d 3c80200d] P= 00000000 00000000 00000000 00000000 IV1= 27dee7e4 154762f7 e3c5a235 c48782ce IV2= e80fc980 0742e155 bd8d241b 37783b4e IV3= 16b14fca 32df6557 46f71002 276b20e6 IV4= cf2dc74c 50268150 e051a9c6 0b70b3c9 IV5= fe228ce3 13669fff 98a87b0e d1cda745


8

TUL, FM, KSI C= a853a993 1d41102c 088658d1 954d8738 k= 088658d1 954d8738 00000000 00000000 00000000 00000000 K=[e1bbe2d1 38f11822 8b7ff4cb 833ef90a 3f5553aa 8d070683 17f7fe15 0f7ab327 f3df6127 902acb97 81dee7fd 583bd767 89313d2a a3771397 28484806 a0d22c3f 26ceab0c 3fd3aa03 2033baf6 4945ddcb 310275bd d349301b 75aa0b65 c232bb13 21e164da 61d7122b d9cdc3a3 a10dcdeb 963d65ee f79190e3 ac5fec07 7bb534db 0ada3ccc ac68d1bf 07dd3839 bdf75b57 13a61e19 f98ced2b 0bf573f7 e785c0b7] P = a853a993 1d41102c 088658d1 954d8738 IV1= 8a0f8c64 5632284e 94064d9c 188c8042 IV2= 42715daf 5ec41b05 3844f3df 2865b968 IV3= ade6083c 910718db d65aef96 642a93e2 IV4= 6d30ef88 7233660f f6e45d88 d7b453c5 IV5= 416a7f80 cbcf4e69 b9b4c39f 769b446a C= 2dc46167 d242613e adbf4fa8 8f1583b3 k= 49ca42ad 4578d936 a394fc3f a25b0e57 45ebaa2d a74118dc K=[46cf477d 7806a8af 6c0747fb dc22326f 62e33d0e 3eb59f73 4c4bdc94 6e11939f 39b73bac d436284f e4e3c788 7730c9ff 1ad527ef 2a208e43 bbb18767 cc89ac87 f5dba503 402435cf 55aed575 783a9b8b deb4e077 889f48bf b79241f0 3e3229d3 da59b650 331295af 508fa084 3662f35b 8dd036f0 9338daab 04db36d4 441e3847 1bfbd04f a37048a7 5a73c893 8df886bb e71ca0b7 c12b1e84 e43fdbde e0d55925] P = 62d07efb 3d5cb8c5 0c21e880 e239c1ea IV1= a99fc678 b5636174 7829307b be5bf459 IV2= 17f9dc09 92619cfa f9eb89ed 6d073d91 IV3= f8e918b0 0fa0e9a3 db163491 998e7a05 IV4= 0ab43ad1 80927ba4 81b55ad0 adbfa2e7 IV5= 15acb673 39db6781 51aed997 162a269d C= 2e9015bc 78b048fd 6d6efdb9 3554cd78

Délka klíče = 256 k= 9867a1fb 22ef7a3e 8ce27c31 a3e1aa02 3ccce5e8 2aa8beed 9ac3db99 27725ed6 K=[a91e1d4c 37e56ec3 e58bebf2 6880f69f 4befbee1 99b5f3c3 28f97526 848139ff 61059077 67cf6183 7fa48a1e 540e89cb 38d3e758 2e9cf23b 447f210c d9522fbf 00257735 49bbfecf fad2232a cf5b30f7 774d76c3 81c8b1bb a0aafceb 246d7bfb ed446268 f9c3d043 1eec3571 66b20b3b c263fc6b 8b548cd3 74763e02 55fe0f6f 9ce3a41e f4c52fe7 556a2237 3a9377f7 d234d139 012c7b59 0299ba4a c9146c4c] P= a4ab4413 0847c4d3 1621a7a8 8493f4d4 IV1= 4dc9615f 402d3396 fbad939a ed14eb73 IV2= e9a020c2 e0a4f75c a8e75caf 7bbceb86 IV3= 7295ee8e ef559e88 c55cd79f cf801586 IV4= 43b9e148 e3e8b667 00b39555 5a77ef0e IV5= 39d67e16 bf5ddf3c 6238d676 81b8fc2f C= 67a1acdd be3163e3 5f9f1c2c b8a48fe3 k= ffc60d26 9cde19dd d37d601d 1b4525e1 9867a1fb 22ef7a3e 8ce27c31 a3e1aa02 K=[097eb64b c557cf89 6bbac604 8521dae9 9a595464 324ce39b 65190327 994e3b77 4c9bc470 7946faf7 71223e33 131a1dab aa782641 cf99146b fdb3ca12 083277f7 a94740ba a29543db be118237 1629f7c3 0405db16 f00dee7f d68b0ebd b29d18f7 afe89b13 8ff53a93 39ed1fc8 5f0f1c2b 771b06ba c250d197 ebf3e844 10d89fcf

MARS přehledně 8ebf8837 fe2eba8b b15728c9 96264faf bfdd1e1e d7d14fa5 9815fa3f 2af4dc7a] P = 67a1acdd be3163e3 5f9f1c2c b8a48fe3 IV1= 71206328 8389336c cb59e230 3dc66acc IV2= 7d103a6b 84778a60 3fdba434 9490f8f7 IV3= 66eb22aa 6b422c3b 54c5627e 04e8931e IV4= ca1318c9 ce16accf 889d9385 eec063fe IV5= 86128f07 b5ef876d 5ca522a4 11a48ba6 C= c63570e9 de1e37c8 c48f2865 e6afaf2c k= ae23480a 8ddc7985 a4aa630e 58ebc536 fe5f4fe0 9a7abad1 f52af67b 6309d63e K=[bbc05697 e91c98f2 dfc3b387 6cd475f7 58481400 7ca14ca7 1296cbaa a67919f3 d8affabd 334358ff b91b1cbe db172497 f9f4d090 712c94ff 429feb5f 7e627087 09da20af 1140babb 3d5b3bb3 20c4df67 72702b6d 1c70527b dd0fe8ad 7931df1b ea38af60 ec62bc1b a23b6d3a b0c21223 c51e7c79 012ff093 3230d7af ddedba1f 23104c69 4d0614ab 287b7f3f 85b5953b 30897d20 5a87dc90 753693f5 7983c677] P= 507c07ea 17a6c354 51809575 3be21308 IV1= 0c3c5e81 00c35c46 314448fc a8b688ff IV2= aa2c442a 8d933397 09eb28e5 60ba4a67 IV3= 1ebfcfc0 4e5c1e33 2b25a340 6e4b6580 IV4= 36fc10a6 63763bf3 18cbaad4 aeaabd86 IV5= e6ffe933 669e74d5 3193e177 1c949040 C= b6766c13 0c169845 bc5d4d82 a310c9c9

5 Závěr Existuje nepřeberné množství šifrovacích algoritmů založených na různých principech. Ve vydaných číslech časopisu K7 jsem stručně popsala pouze ty, jež se umístily na předních pozicích v boji o nový Americký šifrovací standard AES. Většina z nich byla vyvinuta specielně za tímto účelem. A tak jakýkoli z nich zvolíte pro ochranu vašich dat, budete si moci být jisti, že jsou v bezpečí. Pokud by snad zvídavého čtenáře zajímaly i jiné algoritmy, není zpravidla problémem je najít na internetu a tak, protože kryptologie je nesmírně rozsáhlá věda, se pro příště popisem samotných algoritmů přestanu zabývat. Zaměřím se na jiná témata související s problematikou jejich implementace a používání.

5 Použitá literatura [1] Doležal P. AES (Advanced Encryption Standard) šifra pro třetí tisíciletí. [online] 2001. [cit. 2. 6. 2005] Dostupné na: http://www.volny.cz/gumysh/Gumysh/AES [2] Burwick C., Coppersmith D., D’Avignon E., Gennaro R., Halevi S., Jutla C., Matyas S., O’Connor L., Peyravian M., Safford D., Zunic N. MARS – a candidate cipher for AES. IBM Corporation, September 1999.


9

TUL, FM, KSI

Feistelova schémata šifrování

Feistelova schémata šifrování Monika Matušková

Technická univerzita v Liberci, Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií, Katedra softwarového inženýrství, Hálkova 6, 461 17 Liberec, Tel.: 485 353 641, E-mail: [email protected] Abstrakt: Ve svých článcích o šifrovacích algoritmech jsem často zmiňovala tzv. Feistelovu síť, kterou využívá mnoho šifer. Protože jde o velice jednoduchou problematiku, která je v kryptografické literatuře považována za základní znalost a tak je málokdy vysvětlována, rozhodla jsem se stručně popsat strukturu a způsob použití tohoto schématu.

vi algoritmu, jehož zájem se upíná zejména k maximální bezpečnosti návrhu. Feistelovo schéma bylo poprvé použito u šifry Lucifer na níž je založen DES a brzy se ujalo mezi kryptology. Dočkalo se také několika modifikací.

1 Základní Feistelovo schéma V popisu šifrovacích algoritmů se velice často setkáte s pojmem Feistelova síť, nebo také Feistelovo schéma [1]. Jsou na něm založeny algoritmy jako DES, RC5, Twofish nebo CAST. Jde o strukturu pojmenovanou podle kryptologa Horsta Feistela působícího v IBM. Použití tohoto způsobu šifrování přináší mnoho výhod [2]. Šifrování i dešifrování probíhá podle stejného schématu, viz obr. 1, a jediným co se liší jsou použité klíče. Ty bereme při dešifrování v opačném pořadí než při šifrování. Na počátku je text rozdělen na dvě poloviny, které jsou v průběhu šifrovacího procesu navzájem xorovány a vzniká tak datová závislost obou částí. Jsme tedy u první výhody. Samotné šifrovací operace jsou prováděny jen s polovinou bloku, což může proces zjednodušit a urychlit. Rozdělením není narušena bezpečnost algoritmu, protože poloviny jsou v průběhu xorovány a jsou tedy navzájem datově závislé. To co od sebe jednotlivé šifry odlišuje je uloženo v bloku F. Funkční blok F obsahuje operace jako míchání bitů (permutace), jednoduché nelineární funkce (substituční S-boxy), nebo lineární mixování (XOR). Výsledná rychlost šifrování a podobnost šifrování s dešifrováním jsou závislé právě na použitých operacích. Pro dešifrování je totiž potřeba použít operace inverzní. Při použití nevhodného sledu operací se může stát, že rychlost dešifrování se bude významně odlišovat od rychlosti šifrování, což je z pohledu uživatele nežádoucí. Z tohoto hlediska se nejlépe chová XOR. Dalšími bezproblémovými operacemi je například rotace, nebo Sboxy. Použité operace však závisí spíše na autoro-

Obr.1: Feistelovo schéma

2 Modifikace Feistelova schématu Mnohé šifry používají Feistelovo schéma s více či méně významnými změnami. Často se jedná o jednu nebo více operací přidanou mimo funkční blok. Někdy ale jde o změnu samotné základní struktury. Podle ní pak sítě rozdělujeme do čtyř skupin: typ-1, typ-2, typ-3 a typ-4.


10

TUL, FM, KSI

Feistelova schémata šifrování

2.1 Feistelova síť typ-1 Základní formu Feistelova schématu nazýváme také Feistelova síť typu 1 a využívá ji již zmíněný CAST, DES, E2, nebo Lucifer. Její strukturu můžete vidět na obrázku 1. Do skupiny šifer s lehkou modifikací typu 1 patří například Twofish, ve kterém je základní schéma doplněno o dvě jednobitové rotace, viz. obr. 3. Dále sem patří LOKI97 [4], který mimo funkční blok ještě přičítá klíče. To můžete vidět na obr. 2 – změny oproti základu zvýrazňuji zelenou barvou. Feistelovu síť prvního typu však můžete najít i v MARSu, který ji využívá pro míchání s Sboxy v expanzi klíče. Obr.4: Mac Guffin a Feistelova síť

2.3 Feistelova síť typ-3 U Feistelovy sítě třetího typu je v každé šifrovací rundě použito jedno slovo a několik klíčů k modifikaci zbývajících dat. Používá ji například MARS, který její základní schéma doplňuje pouze o jednu rotaci, viz obr. 5.

Obr.2: LOKI97 a Feistelova síť

Obr. 5: MARS a Feistelova síť

2.4 Feistelova síť typ-4

Obr.3: Twofish a Feistelova síť

Poslední typ je vlastně typické Feistelovo schéma aplikované na bloky rozdělené do více než dvou částí. Funkční blok aplikujeme v jedné rundě na každou z nich zvlášť. Výsledek xoru se sousedem je pak vstupem do další rundy a zároveň do dalšího funkčního bloku F, viz. obr. 6.


11

TUL, FM, KSI

Feistelova schémata šifrování 3 Použitá literatura

Obr. 6: Feistelova síť typ-4 Mezi nejznámějšími šiframi se mi nepodařilo nalézt žádného zástupce, který by toto poslední schéma používal. Faktem je, že jsem se tím blíže nezabývala. Tento objev nechám buď náhodě, nebo snaživému čtenáři. Feistelovy sítě se rozdělují ještě podle dalších kritérií, které jsou popsány v [3]. Další rozdělení mapují odlišnosti ve funkčních blocích, nebo závislosti mezi rundami. Pro naše účely nám však postačí pouze uvedený přehled.

[1] Feistel H. Cryptography and Computer Privacy. Scientific American, v. 228, n. 5, May 73, pp. 15–23. [2] Preneel B., Rijmen V. Cryptanalysis of MacGuffin. Fast Software Encryption. Second International Workshop Proceedings, SpringerVerlag, 1995, pp. 353–358. [3] Schneier B., Kelsey J. Unbalanced Feistel Networks and Block Cipher Design. Fast Software Encryption, Third International Workshop Proceedings (February 1996), SpringerVerlag, 1996, pp. 121–144. [4] L.R. Knudsen, V. Rijmen. Weaknesses in LOKI97, Proceedings of the 2nd AES Candidate Conference, Rome, March 22-23, 1999, pp. 168–174. [5] Matušková M. Twofish přehledně. K7 vědecko populární časopis Fakulty Mechatroniky TU v Liberci 2004/4, str. 17–21. ISSN 1214-7370 [6] Matušková M. MARS přehledně, K7 vědecko populární časopis Fakulty Mechatroniky TU v Liberci 2005/2, s. 4–9. ISSN 1214-7370

Detašované pracoviště Biologického Ústavu LF na KŘT V polovině loňského roku se na fakultě mechatroniky konala série přednášek Biologického Ústavu Lékařské fakulty UK s cílem podnítit zájem studentů o nově akreditovaný obor Biologické inženýrství. Nejen, že se přednášky setkali s ohromným úspěchem, doktorandi fakulty mechatroniky se o tento obor dokonce začali aktivně zajímat. Na schůzi KŘT odhlasovali, že umožní BU LF založení detašovaného pracoviště a budou se aktivně podílet na výzkumu. Na slavnostním otevření nové DEtašované BIologické Laboratoře, zkráceně DEBIL, vystoupili místní členové zvláštního výzkumného týmu a seznámili posluchače s potřebou rozvoje interdisciplinárních věd. V současnosti pracoviště žije nepřetržitým ruchem, odpovědný vedoucí PH nám však odmítá sdělit, čím se jeho početný tým zabývá. Našemu agentovi se však podařilo přes zatažená okna vy-

fotit několik zajímavých snímků, které dokazují, že v DEBIL jsou prováděny pokusy na lidech.


12

TUL, FM, KSI

Feistelova schémata šifrování „Naše laboratoř je zaměřena na inženýrské metody vývoje. Spíše než s injekčními stříkačkami se v ní setkáte s počítači, osciloskopy a pájkami.“ Řekl nám PH a své tvrzení doložil fotografií jednoho z členů týmu při práci.

I přes získání dalších usvědčujících fotografií, na kterých jsou pracovníci DEBIL zachyceni po aplikaci neznámé látky však výzkumný tým popírá, že by se cokoli takového v laboratoři dělo.

Autor: MM, Foto: archiv MM


13

TUL, FS, KOM

Měření drsnosti povrchu – 1. část

Měření drsnosti povrchu – 1. část Jiří Karásek Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní, Katedra obrábění a montáže, Hálkova 6, 461 17 Liberec, tel.: 485 353 363, email: [email protected]

K měření struktury povrchu se používají speciální jednoúčelové měřicí přístroje, profilometry, které umožňují snímání profilu proměřovaného povrchu. Nasnímaná data se musí samozřejmě vyhodnotit a to buď přímo přístrojem, což přináší pouze omezené možnosti, nebo připojeným počítačem, jenž umožňuje po získání dat z měřicího zařízení jejich zpracování pomocí softwaru k tomu určenému. Tyto jednoúčelové softwary jsou programovány přímo k jednotlivým přístrojům a jejich využití je tím jasně vyčleněno. Umožňují jak vyhodnocení výsledků, tak i řízení vlastního procesu snímání povrchu, čímž minimalizují vliv obsluhy na výsledky měření. Tímto usnadněním se může zdát, že měření struktury povrchu je velmi jednoduché. Je ovšem nutné se orientovat v určitých pravidlech, která vychází ze základních termínů, definovaných normou ČSN EN ISO 4287. Povrch je hranice, která odděluje objekt od jiného objektu nebo prostředí. - Skutečný povrch – vznikne procesem výroby a nese s sebou stopy tohoto procesu. - Geometrický povrch – jeho tvar a rozměry jsou určeny výkresem nebo jinou technickou dokumentací a nezahrnuje drsnost. - Základní povrch – reprezentace skutečného povrchu získaná měřícím přístrojem. Tento termín musí být definován, jelikož při měření vzniká obraz skutečného povrchu, který s ním však není úplně totožný.

Obr. 1: Skutečný povrch

Profil je dvourozměrný obraz trojrozměrného povrchu, který vznikne průnikem povrchu s rovinou řezu. Rovina řezu je samozřejmě pouze imaginární a reprezentuje směr odečítání a směr pohybu snímače: - Skutečný profil – průsečnice skutečného povrchu s danou rovinou; - Geometrický profil – průsečnice geometrického povrchu s danou rovinou; - Základní profil – průsečnice základního povrchu s danou rovinou.

Obr. 3: Skutečný profil

Obr. 4: Geometrický profil

Směr nerovností na povrchu může být buď výrazný (periodický) nebo nevýrazný (aperiodický). Periodický vzniká při soustružení, frézování, vrtání, broušení apod., tedy v případě, kdy nástroj vytváří na povrchu součásti rýhy v určitém směru. Aperiodický povrch vzniká při odlévání, kování apod., v tomto případě nástroj nevytváří nerovnosti s význačným směrem.

Obr. 5: Periodický povrch Obr. 2: Geometrický povrch


14

TUL, FS, KOM


Obr. 6: Aperiodický povrch U periodického povrchu je důležité zvolit směr snímání kolmo na směr nerovností, kvůli naměření správných hodnot. Při pohybu snímače ve směru nerovností by se naměřily menší hodnoty a povrch by se jevil lepším, než ve skutečnosti je. U aperiodického povrchu na směru snímání nezáleží. Jako souřadný systém je využíván pravoúhlý kartézský souřadný systém, který je zvolen tak, že do směru pohybu snímače je položena osa X. Osa Y, kolmá na osu X, leží také na povrchu součásti a pro měření nemá zásadní význam. Osa Z směřuje ven z materiálu a reprezentuje souřadnice výškových odchylek profilu. Dříve zmíněná rovina řezu je tedy rovinou X-Z.

Obr. 8: Drsnost a vlnitost Filtr profilu rozděluje profily na dlouhovlnné a krátkovlnné složky. Jejich definování je možné nalézt v normě ČSN EN ISO 11562: -

-

-

Obr. 7: Souřadný systém snímání Snímání může probíhat dotykově nebo bezdotykově. V obou případech je nutné zajistit posouvání snímače podél měřeného povrchu v rozsahu stanovené délky. Tuto délku definuje norma ČSN EN ISO 4288, a jelikož je reálný povrch tvořen kombinací drsnosti, vlnitosti a úchylek tvaru, její velikost musí zajistit, aby měřený profil obsahoval ten typ nerovností, který chceme měřit: -

-

-

Drsnost je nejmenší nerovností, která vzniká při procesu výroby působením řezného nástroje, který zanechává na povrchu stopy, které mohou mít periodický nebo aperiodický tvar; Vlnitost je rozměrnější nerovnost, na které je superponována drsnost. Vzniká působením obráběcího stroje na obrobek, např. kmitáním, nedostatečnou tuhostí, nepřesností uložení atd. Úchylky tvaru jsou největší nerovností povrchu. Mohou být způsobeny nedostatečně tuhým upnutím obrobku, nepřímostí vodících ploch apod.

-

Filtr profilu λs definuje rozhraní mezi drsností a kratšími složkami vln; Filtr profilu λc definuje rozhraní mezi složkami drsnosti a vlnitosti; Filtr profilu λf definuje rozhraní mezi vlnitostí a delšími složkami vln přítomných na povrchu; U drsnoměrů se filtr λc nastavuje funkcí cutoff. Od tohoto nastavení se odvíjí délka, na které se bude profil proměřovat; Základní délka (lp, lr, lw) – délka ve směru osy x, použitá pro rozpoznání nerovností charakterizujících vyhodnocovaný profil (cutoff). Musí být dostatečně velká, aby měřené parametry byly dostatečně významné, ovšem ne tolik, aby se projevily nepodstatné detaily profilu; Vyhodnocovaná délka (ln) – délka ve směru osy x, použitá pro posouzení vyhodnocovaného profilu. Může obsahovat jednu nebo několik základních délek. Standardně se používá pěti základních délek, pokud se použije jiný počet, musí se vyznačit; Celková délka (lt) – délka pohybu snímače během kterého se snímají úchylky tvaru povrchu. Je vždy o něco větší než vyhodnocovaná délka. Přidává se krátký rozběh a doběh, které mají vyloučit nestabilní režimy systému.

Obr. 9: Grafické znázornění normovaných délek Profil na obrázku je již odfiltrovaný profil drsnosti. Vlastním měřením však získáme profil nefiltrovaný, který se může dále zpracovat podle daných požadavků. - P-profil – nefiltrovaný základní profil. - P-parametr – parametr vypočítaný ze základního profilu.


15

TUL, FS, KOM -

-

-

R-profil – profil drsnosti, který je odvozen ze základního profilu odfiltrováním dlouhovlnných složek. R-parametr – parametr vypočítaný z profilu drsnosti. W-profil – profil vlnitosti, který je vytvořen ze základního profilu odfiltrováním krátkovlnných složek. W-parametr – parametr vypočítaný z profilu vlnitosti.

Tab. 1: Doporučené délky dle normy ČSN EN ISO 4288 λc [mm] lr / ln / lt [mm] 0,08 0,08 / 0,40 / 0,48 0,25 0,25 / 1,25 / 1,50 0,8 0,80 / 4,00 / 4,80 2,5 2,50 / 12,50 / 15,00 8 8,00 / 40,00 / 48, 00

Měření drsnosti povrchu – 1. část Na prvku profilu lze definovat následující údaje: - Hodnota pořadnice Z(x) – výška posuzovaného profilu v libovolné poloze x. - Výška výstupku profilu Zp – vzdálenost mezi osou X a nejvyšším bodem výstupku profilu. - Hloubka prohlubně profilu Zv – vzdálenost mezi osou X a nejnižším bodem prohlubně profilu. - Výška prvku profilu Zt – součet výšky výstupku a hloubky prohlubně prvku profilu. - Šířka prvku profilu Xs – délka úseku osy X protínající prvek profilu. - Materiálová délka profilu MI(c) – délka úseku získaného protnutím prvku profilu čarou rovnoběžnou s osou X v dané úrovni c.

Obr. 12: Výškové parametry profilu na základní délce

Obr. 10: Grafické znázornění filtrování profilu Pro kontrolu drsnosti je určen R-parametr a proto jsou dále veličiny označovány písmenem R. Přenosové pásmo pro profil drsnosti je definováno filtry λs a λc. - Střední čára profilu drsnosti – čára odpovídající dlouhovlnné složce profilu potlačené filtrem λc. Ve výsledném profilu drsnosti se tedy odchylky počítají od této čáry. - Výstupek profilu – část skutečného profilu, spojující dva jeho sousedící průsečíky se střední čárou profilu, uvažovaná směrem z materiálu. - Prohlubeň profilu – část skutečného profilu, spojující dva jeho sousedící průsečíky se střední čárou profilu, uvažovaná směrem do materiálu. - Prvek profilu – část skutečného profilu, kterou tvoří výstupek profilu a sním spojená prohlubeň profilu.

Obr. 11: Prvek profilu

Výškové parametru povrchu (výstupky a prohlubně) - Největší výška výstupku profilu Rp – výška Zp největšího výstupku profilu v rozsahu základní délky - Největší hloubka prohlubně profilu Rv – hloubka Zv nejnižší prohlubně profilu v rozsahu základní délky. - Největší výška profilu Rz – součet největší výšky výstupku profilu Rp a největší hloubky prohlubně profilu Rv (v rozsahu zákl. délky). - Průměrná výška prvků profilu Rc – průměrná hodnota výšek Zt prvků profilu v rozsahu základní délky. - Celková výška profilu Rt – součet výšky Zp nejvyššího výstupku profilu a hloubky Zv nejnižší prohlubně profilu v rozsahu vyhodnocované délky.

Literatura [1] Bumbálek, B., Odvody, V., Ošťádal, B. Drsnost povrchu. 1. vyd. Praha: SNTL, 1989. 338 s. [2] Drastík, F. Přesnost strojních součástí podle mezinárodních norem: Tolerování rozměrů a geometrických vlastností. Ostrava: Montanex, 1996. 271 s. ISBN 80-85780-18-6. [3] ČSN EN ISO 4287: Geometrické požadavky na výrobky (GPS) - Struktura povrchu: Profilová metoda - Termíny, definice a parametry struktury povrchu. 1999.


16

TUL, FS, KOM


[4] ČSN EN ISO 4288: Geometrické požadavky na výrobky (GPS) - Struktura povrchu: Profilová metoda - Pravidla a postupy pro posuzování struktury povrchu. 1999.

[5] ČSN EN ISO 11562: Geometrické požadavky na výrobky (GPS) - Struktura povrchu: Profilová metoda - Metrologické charakteristiky fázově korigovaných filtrů. 1999.

Nad e-maily čtenářů – Anketa o logo FM Pro ilustraci přikládáme původní návrh M. Nováka/ T. Mikolandy

Od: "Miloslav Kosek" Komu: "K7" Předmět: Anketa - křivky na návrzích Datum: 2005 03 24 8:26 Dotazy: 1. O jakou křivku jde u návrhu Ing. Václavíka a Ing. Matuškové? Obě se zdají být téměř shodné. 2. U návrhu Ing. Miroslava Nováka bych hádal funkci sin(x)/x, možna s nějakým oknem. Pak je ale v okolí nuly proběh jiný. Může to být ovšem umělecký záměr. Vypočítaný průběh (MATLAB) je v příloze.

Nové oficiální logo FM vycházející z návrhů Jana Václavíka a Moniky Matuškové má dvě podoby: razítkovou a linkovou.

Zdraví M. Kosek %sin(x)/x; xkr = 10; N = 300; x = linspace(-xkr, xkr, N); x = pi*(x + eps); y = sin(x)./x; vod_x = [min(x) max(x)]; vod_y = [0 0]; svi_x = [0 0]; svi_y = [min(y) max(y)]; plot(x, y, '-r', vod_x, vod_y, '-k', svi_x, svi_y, '-k'); title('sin(x)/x'); xlabel('x'); ylabel('f(x)');

sin(x)/x 1 0.8

Nové logo FM bude trvale umístěno na fakultním webu, odkud si ho můžete stáhnout a okrášlit jím svoje odborné práce. Reklamní předměty s logem fakulty budou k dostání na studijním oddělení FM. Těšit se můžete na trička, ručníky, propisky, svítící klíčenky a půllitry.

f(x)

0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -20

0 x

20


Autor: KM, NoMir, Loga: viz text

17

TUL, FM


Z deníku studentky – Octomilky Úterý 7. 9. 2004 19:00 Budu muset vynést odpadkový koš. Za prvé už začíná přetékat různými papírky, kelímky a pytlíky od čaje a za druhé, když jsem dnes vyhazovala talíř od oběda, rozvířilo se kolem něj podezřele velké hejno košatek. To asi způsobila ta šlupka od banánu, který jsem měla včera k večeři. Nesnáším mouchy!! Kdyby mě nebylo tak blbě z nedělní smaženice, běžela bych s ním ještě teď. No nic, raději ty fialový houby vyškrtnu ze seznamu sbíraných, dám si loka slivovice a půjdu se hodit na matraci.

Středa 8.9.2004 19:00 Zase jsem zapoměla vynést odpadky, což byla chyba. Poznala jsem to podle hejna, které se vzneslo nad košem, když jsem do něj odhodila pytlík od heřmánkového čaje. Podobné hejno se vzneslo při zalévání fikusu a při uklízení hadru na podlahu, který celou noc vysával rozlité víno. No počkejte, vy potvory, já vám dám! Tvrdě zasáhnu proti množící se havěti! Však Vy poznáte kdo to je Monika hmyzobijka! 19:45 Pro začátek jsem otevřela okno v naději, že vetřelce vcucne průvanová vlna. Jako na potvoru se jich většina stačila schovat do závětří skříně, igelitky na odpad, umyvadla a krabice se suchým chlebem. No alespoň jsem si poprvé za semestr vyvětrala. Změním strategii a zkusím použít chemické zbraně. Postřik proti mšicím stejně stojí nečinně v koutě od té doby, co účinně vyvolal střevní potíže zlodějům jogurtů na patře. 21:00 Výsledek genocidy negativní. Všechny mouchy v místnosti si nejspíš nasadily plynové masky a ochranné obleky. A při tom, jsem důkladně vystříkala každý kout, kde jsem jen zahlédla mihnout křídlo. Pro jistotu jsem si vzala roušku z toaleťáku, abych se sama nepřiotrávila. Útočila jsem na ně i v letu překvapena, že žádná z obětí se po zásahu nezřítila k zemi. Budu si muset přes noc rozmyslet nějakou jinou strategii. Čtvrtek 9.9.2004 15:00 A sakra! Zase jsem ten koš nevynesla! Připomněly mi to, jak jinak, octomilky uhýbající před ranním pytlíkem čaje. Postřik samozřejmě nezabral ani přes noc. Ba právě naopak. Vypadalo to spíše, že má kladný vliv na muší potenci. Budu

to muset říct otci, který si za drahé peníze kupuje Viagru. Je čas zapojit do boje další vědu. Aerodynamika ani toxikologie neuspěly, uvidíme jak budou ty bestie schopny vzdorovat modifikovaným metodám odchytu založeným na mojí přirozené inteligencí. 15:30 Nechala jsem rozvířené hejno opět v klidu posedat do oázy hojnosti. S neprodyšnou igelitkou v ruce jsem se kroky šelmy blížila k zamořenému místu, v rozhodující chvíli jsem udělala výpad... a v mojí igelitce se záhy zmítal mrak mušatek. Popadla jsem odpaďák do náruče a mazala co nejrychleji ke kontejnerům, kde jsem konečně zanechala 14-ti denní odpadky i s 398-mi muškami. Zbývajících 526 jich na mě čekalo uvnitř. Provalilo se to, když jsem při sundávání rumu ze skříně drcla do fíkusu. Oslavovat se nebude! Z každého jednotlivého lístečku se vzneslo několik malých vrtulníčků a začaly chaoticky poletovat kolem. Raději jsem ustoupila do bezpečné vzdálenosti, abych některou z nich nevdechla. Pozorovala jsem, jak černé tečky zase pomalu dosedají na svá místa a dala jsem si jednoho loka na žaludek a hned pak dalšího, aby se mi lépe přemýšlelo. 20:00 Konečně to mám! Láska přece prochází žaludkem! Nevím, jestli se to týká také octomilek a je mi lhostejno, zda mě budou milovat, každopádně jsem se za tu dobu, co jsem zadaná, poměrně zdokonalila v kuchařském umění. A když jsem schopna uspokojit jeden mlsný jazýček, tak proč bych jich nemohla zaujmout 526. Navíc jsem po dnešku vybavena konzultací s Dr. Kojimou, jehož manželka je na stravu mezinárodní odbornicí. Takže teď jde hlavně o to, z čeho jim navařit. Musí to být něco, čemu nebude schopen odolat jediný sosáček. Škoda, že jsem tu slupku od banánu už odnesla do kontejneru, kdyby neskončila tak hluboko, tak by se o ní ještě dalo uvažovat. Kde teď sehnat něco voňavého, sladkého i kyselého a popřípadě tekutého, nebo lepkavého, aby ty muší nožky měly do čeho zabřednout? 21:00 Navařila jsem ovocný čaj z jablečných křížal, sušené růže mojí nemocné spolubydlící a citrónové kůry, kterou jsem našla pod skříní. Rafinovaně jsem jej nalila do nádoby s širokým dnem a úzkým hrdlem. Otravné mušky ucítí tu kyselou ovocnou vůni, hezky sem vlezou, a když se neutopí rovnou, tak jim vylézání dá takovou práci, že vyčerpáním spadnou do rudého jezírka. Pravda, lepkavé by bylo lepší. Taková důvěřivá muška


18

TUL, FM


sedne na hladinu, nožičky se jí zaboří do povrchu a už nenastartuje. Vydržím-li však pár dní, vlivem odpařovacího procesu získá lektvar i tuto důležitou vlastnost. Abych měla na jejich osobní tragédie lepší výhled, umístila jsem nádobu na umyvadlo vedle chleba.

Pátek 10.9.2004 10:00 Balancovala jsem mezi rozhodnutím zachránit jí život, nebo ji nechat zhebnout. Do sklenice se mi přes noc samozřejmě nic nechytilo. Asi jsem si vytvořila špatnou představu o pojmu „muší mls“. Jedna z těch „nežádoucích“ však nejspíše v letu narazila na sklo a skončila pod lapačem na zádech. Křidélka se jí namočila do vody na umy-

vadle a nožičky bezmocně trčely vzhůru. Občas s některou z nich zaklepala, jako by na mne chtěla zamávat a zavolat o pomoc. Přiblížit se k ní ještě víc, slyšela bych zoufalé pískání. Brr, musela jsem si zacpat uši a otočit se k ní zády. Raději si půjdu uvařit čaj a dám si snídani. 11:00 Kurva, kurva, kurva!!! Ty bestie mi obsadily i kartáček na zuby! Ale tohle jim nedaruju! Kartáček jsem desinfikovala slivovicí a lapač odstranila na zem. Po vyčištění zubů jsem musela pro jistotu desinfikovat i ústní dutinu a trávicí trakt. Před spaním to ještě zopakuji, abych něco nezanedbala. Za chvíli odjíždím domů, abych si půjčila od tatínka plamenomet. Autor: MM

Nelegální výzkum na mechatronice V souvislosti s aférou kolem nově vzniklé laboratoře DEBIL uveřejňujeme informace, které nám poskytl nejmenovaný člen výzkumné skupiny.

Ihned po vybudování laboratoře se dle informací naší spojky objevily snahy akademické obce používat drahé vybavení k soukromým účelům. Prostředkem pro dosažení jejich cílů byl psychický, nezřídka však i fyzický nátlak. Někteří členové výzkumného týmu byli natolik mentálně oslabeni, že tomuto nátlaku podlehli a otevřeli tak bránu nehumálnímu zacházení s lidmi i se zvířaty.

Po několika měsíčním intenzivním vykrmování Ferda nepřibral ani kilo

Ferda se stal oblíbeným členem výzkumného týmu

„Přišli za námi a chtěli, abychom vyvinuli prostředek na hubnutí, na růst vlasů nebo dokonce elixír mládí. Zpočátku jsme se bránili, výhružky se však stupňovaly, tak jsme museli ustoupit“ říká informátor. V souvislosti s testováním na lidech pak dodává: „Nejprve jsme museli všechno testovat na sobě, protože laboratorní zvířata nebyla zahrnuta v rozpočtu. Po nešťastné nehodě


19

TUL, FM


s vakcínou na zvýšení inteligenčního kvocientu, která se vstřikuje přímo do mozku, však vedení souhlasilo s několika hlodavci. Intenzivně také pracuje na legalizaci našich výzkumů“. Prvním pokusným zvířetem se stal křeček Ferda, na němž se testoval prostředek proti tloustnutí. Dlouhodobé testy prokázaly, že látka, kterou v laboratoři vyvinuli, skutečně funguje. Poté, co se Ferda osvědčil, laboratoř pořídila několik krys, na nichž zkouší hloubkový vnitřně užívaný prostředek pro barvení vlasů. Tato zvířata jsou držena v nelidských podmínkách.

do několika let neprojeví žádné nežádoucí účinky, budeme jej moci oficiálně uvést na trh a zajistit si tak čelní postavení mezi výzkumnými centry na celém světě.“

Krysy nemají téměř žádnou možnost pohybu „Barva na vlasy nové generace funguje výborně. V současné době se snažíme odstranit vedlejší příznaky, kterými je permanentní zvýšení krevního tlaku, zbarvení očí a kůže. To, že naše krysy držíme zkrátka, je tedy jedině pro jejich dobro,“ tvrdí náš informátor. „Není vyloučeno, že by pohyb způsobil jejich smrt.“

Člen KŘT před aplikací preparátu pro růst vlasů Člen výzkumné laboratoře se nám nakonec svěřil s vůbec největším úspěchem, kterého bylo dosaženo. Jedná se o spolehlivý prostředek pro růst vlasů, který je již dnes k dostání na černém trhu fakulty. „Pokud se na jeho uživatelích

… po aplikaci na různé části těla


Autor: MM, Foto: archiv MM 20

TUL, FM, KAM

Počítačové zpracování digitálních obrázků pro neprogramátory II.

Počítačové zpracování digitálních obrázků pro neprogramátory II. díl – Analýza obrazů Lukáš Matela Technická univerzita v Liberci, Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií, Katedra měření, Hálkova 6, 461 17 Liberec, Tel.: 485 353 343, E-mail: [email protected] Abstrakt: Potřebujete snadno a rychle imple-

mentovat algoritmy počítačového zpracování digitálních obrázků? Nepotřebujete k tomu ani umět typické programovací jazyky, jako je třeba C++. Existuje hned několik, z uživatelského hlediska podobných systémů s jednoduchými instrukcemi (chce to, pravda, umět trochu anglicky) a můžete pracovat jednoduše – vzoreček po vzorečku přepisovat na příkazovou řádku a dostávat mezivýsledky. Pokud chcete, můžete celou sekvenci takových příkazů zapsat do souboru, který pak vše vyřeší najednou.

je zde algoritmus demonstrován na velmi podobném příkladu. Abychom plynule navázali na to, co bylo napsáno minule, vezmeme si jako výchozí obrázek IMF – obr. 1. Ten je v prvním díle seriálu [4] na obr. 7.

Úvod Článek je druhým dílem seriálu Počítačové zpracování obrázků pro neprogramátory, jehož první část je možno shlédnout v prvním čísle časopisu K7 z letošního roku. Vzhledem k tomu, že tento druhý díl na předchozí bezprostředně navazuje, je vhodné si první díl projít. V tomto druhém díle se již od předzpracování obrázků (dat) postupně dostáváme k pokročilejší fázi – analýze obrázků.

Obr. 1: Výchozí obrázek IMF pro výpočet vzdálenostní funkce.

Vzdálenostní funkce v MATLABu, příprava na segmentaci rozvodím

Analýza objektů v obraze pomocí Image Processing Toolboxu

Vzdálenostní funkci nám MATLAB spočítá příkazem bwdist:

Dosud uvedený postup v prvním díle seriálu, je dostačující pokud chceme pouze spočítat objekty. Pokud si však klademe za cíl změřit i jejich velikosti případně získat jiné parametry, potřebujeme zachovat původní velikost a přitom objekty oddělit. Opět najdeme v MATLABu nástroje, které nám takovou segmentaci dovolují. Chytrá metoda, která tyto nástroje využívá se nazývá segmentace na základě rozvodí (funkce watershed) a v našem případě budeme ještě nejprve potřebovat vypočítat vzdálenostní funkci. Celý popis algoritmu segmentace je popsán např. v [1] str. 590–597 nebo [2] str. 205–208. Dokonce

>> IMD = bwdist(~IMF); >> imshow (IMD, [])

Na rozdíl od předchozích příkladů má funkce imshow druhý parametr: []. Pokud tento parametr neuvedeme, bude obrázek (matice) IMD, která má mimochodem položky typu double, zobrazen stejně jako obrázek IMF (viz. obr. 1). Pokud se chcete dovědět více o možnostech funkce imshow, doporučuji pročíst dokumentaci k této funkci příkazem help imshow. Vzdálenostní funkci lze velmi zjednodušeně vysvětlit tak, že jde o ekvidistanty kolem tzv.


21

TUL, FM, KAM


residua. To vznikne po tzv. konečné erozi. Konečná eroze je eroze aplikovaná na obrázek tak dlouho, až v daném okolí zůstane objekt o velikosti menší než je strukturní element. Tomuto objektu se pak říká residuum. Více informací s přesnými definicemi a matematickými vztahy můžete najít v [1] str. 581–586 nebo [2] str. 195– 199. Vzdálenostní funkce našeho obrázku IMF je na obrázku 2.

obr. 3. Pokud však v cyklu provedeme inverzi bez zvýraznění kontrastu, dojdeme nakonec po segmentaci ke stejnému výsledku, což si každý čtenář může individuálně vyzkoušet.

Obr. 3: Inverzní vzdálenostní funkce

Obr. 2: Výsledek vzdálenostní (distanční) funkce

Příprava vzdálenostní funkce pro aplikaci segmentace rozvodím Pro další zpracování obrázku (pro oddělení jednotlivých řezů vláken) však potřebujeme dostat obrázek ve formě, v jaké je zobrazen na obr. 3. Tedy obrázek invertovaný s výjimkou pozadí. V dalším textu budeme tuto inverzi označovat jako podmíněnou. To nám zajistí následující sekvence příkazů, kterou je vhodné uložit do souboru: [ym,xm] = size (IMD); IMDI = IMD; for x=1:xm, for y=1:ym, if IMD(y,x) > 0, IMDI(y,x) = round(255 8 * IMD(y,x)); end end end >> imshow (IMDI, []);

Jak je ve vykonávaném příkazu uvedeného cyklu patrné, nedochází k prosté inverzi (255 – IMD(y,x)), ale tuto hodnotu i určitým způsobem v daném rozsahu zvýrazňujeme. To je jen z důvodu lepšího kontrastu při vizualizaci na

Nyní aplikujeme na takto získaný obrázek s inverzní vzdálenostní funkcí filtraci. To se ukazuje jako velmi užitečné, protože ostré hrany, které se ve vzdálenostní funkci objeví, způsobí rozdělení některých řezů na dvě poloviny. Ukázka takového nevhodného výsledku v dalším textu není. Je však na čtenáři, aby si vyzkoušel aplikovat algoritmus segmentace, aniž by signál dle následujícího příkladu filtroval: >> IMFILT = imfilter (IMDI, ones(3,3));

Jak každý jistě vytuší, filtrovali jsme maskou (maticí) o rozměrech 3×3 jejíž všechny položky měli hodnotu 1. Jedná se o nejjednodušší průměrovací filtr. Filtrace je na obrázku pro lidské oko téměř nepoznatelná, proto bude obrázek IMFILT na obrazovce téměř k nerozeznání od obrázku IMDI. Pro algoritmické zpracování je však absence filtrace znát podstatným způsobem.

Segmentace rozvodím Nyní se krátce vrátíme k předchozím krokům, kterými jsme se snažili připravit obrázek pro segmentaci rozvodím. K tomuto účelu byly obrázky IMD (viz. obr. 2) a IMDI (viz. obr. 3) vizualizovány poněkud nezvyklým způsobem. Vychází se z předpokladu, že každý šedotónový obrázek je funkcí dvou proměnných (dvou souřadnic) – x a y. Hodnoty jasu jednotlivých pixelů šedotónových obrázků pak můžeme interpretovat jako funkční hodnoty těchto proměnných. Na základě této představy lze obrázky vizualizovat


22

TUL, FM, KAM


jako 3D grafy. Graf na obrázku 4 je vzdálenostní funkce IMD. Graf na obrázku 5 je prostá inverze vzdálenostní funkce (255 – IMD) a konečně graf na obrázku 6 je vizualizace podmíněně invertované funkce IMDI, která jediná je vhodná pro segmentaci rozvodím.

Obr. 4: Vzdálenostní funkce – IMD

Obr. 5: Prostá inverze vzdálenostní funkce

stala bezdůvodně. Segmentace totiž opravdu probíhá ve shodě s rozvodím, tak jak jej známe z geografie. Z grafů na obrázcích 5 a 6 je patrné, že inverze vzdálenostní funkce tvoří jakési nálevky, které se pomyslně naplňují vodou. Pokud voda tvořící ekvidistanty v reliéfu dosáhne lokálního maxima v obrázku, zakreslí se tato skutečnost do nové matice, čímž vznikají hranice objektů. Pokud bychom tento algoritmus aplikovali na prostou inverzi vzdálenostní funkce (obr. 5), dojde k problému při detekci lokálního maxima, pokud hladina vody dosáhne horní hranice. Jednotlivé objekty pak budou sice odděleny, avšak jejich rozměry se značně zkreslí. Opět je na čtenáři, aby si dále uvedený postup sám vyzkoušel s užitím prosté inverze (nepodmíněné). Následující příkaz již konečně aplikuje funkci, která na principu rozvodí oddělí jednotlivé objekty: >> WAT = watershed (IMFILT); >> imshow (WAT)

Obr. 7: Výsledek funkce watershed (rozvodí) Výstupem operace watershed je matice v níž jsou hodnotami 0 označeny hrany patrné na obrázku 7. Další hodnoty označují jednotlivé objekty oddělené těmito hranicemi. Pokud však pro zobrazení použijeme pouze jednoduché volání funkce imshow (WAT), zobrazí se pouze obrázek binární (tak jako na obr. 7). V případě zobrazení pomocí volání imshow (WAT, []) je již výsledek zajímavější. To si ale čtenář článku může vyzkoušet sám.

Obr. 6: Podmíněná inverze vzdálenostní funkce – IMDI Z těchto obrázků již lze alespoň částečně vytušit, že segmentace rozvodím svůj název nedo-

Pestřejší způsob vizualizace segmentovaných objektů Pokud nás vizualizace pomocí volání imshow (WAT, []) stále neuspokojuje a očekáváme vizualizaci pestřejší (viz. obr. 8), má pro nás MATLAB opět řešení. Následující sekvence pří-


23

TUL, FM, KAM


kazů, která toto umožňuje, byla převzata z jedné demonstrační ukázky dostupné na webu [3]. >> ourcmap = feval('colorcube', max(WAT(:))); >> ourcmap = [[1 1 1]; ourcmap]; >> imshow (ourcmap)

Tento způsob zobrazení nám navíc snáze dovolí, vysvětlit si následující fakta.

Obdržíme tedy novou, modifikovanou matici WAT. S touto maticí již má smysl provést následující operace, které nám zjistí informace o velikostech objektů. velikosti = regionprops (WAT, 'area');

Funkce regionprops je poměrně obecná a jak si ukážeme dále, lze ji použít např. i pro nalezení těžišť jednotlivých segmentovaných objektů. Tato funkce však na rozdíl od všech předchozích, které jsme doposud použili, nevrací standardní matici, ale matici strukturních typů. Existuje však možnost, jak vrácené informace do matice převést a tou je následující for cyklus: [N, pom] = size(velikosti); velik(N) = 0; for i = 1:N, velik(i) = velikosti(i).Area; end

Obr. 8: Vizualizace jednotlivých objektů Jak na obrázku č. 8 vidíme, jsou barvami označeny a bílým okrajem ohraničeny i objekty, které nás nezajímají. Některé z nich jsou menší, některé větší. Největší objekt, který segmentace na základě rozvodí oddělila, je samotné pozadí (reprezentováno v matici hodnotami 1). To, že je pozadí reprezentováno právě hodnotou 1 má svůj důvod. Pomyslná hladina vody se totiž začíná naplňovat od nejnižších úrovní. Odstranění nevhodných objektů Pokud chceme odstranit malé objekty, opět nalezneme v MATLABu vhodné funkce, musíme však pro jejich použití vytvořit vhodné předpoklady. Jak již bylo zmíněno, pozadí je nyní po aplikaci segmentace na základě rozvodí považováno za objekt (pochopitelně je to v našem případě ten největší). Následující vnořený cyklus převede tento největší objekt (všechny jedničky v matici) na nuly a tedy je sloučí s pixely, představujícími hranice objektů. Všechny ostatní objekty zůstanou zachovány. [ym,xm] = size (WAT); for x=1:xm, for y=1:ym, if WAT(y,x) == 1, WAT(y,x) = 0; end end end

Nyní máme vektor (jednorozměrnou matici) velik připravenu pro další použití. Informace o velikostech objektů nám umožní vybrat pouze ty z nich, které mají „správnou“ velikost. K tomu můžeme použít funkci bwareaopen. Tato funkce má jako druhý parametr zadanou velikost objektu. Objekty menší, než je zadaná velikost jsou ignorovány a do nové matice IMV se neuloží. V naší úloze je tato zadaná úroveň nastavena jako polovina prostřední hodnoty velikosti objektů. >> IMV = bwareaopen(WAT, round (median(velik)/2)); >> imshow (IMV)

Nevýhodou tohoto postupu je, že není dostatečně obecný. Bere totiž v úvahu zjednodušující předpoklad, že zkoumané objekty jsou větší než prostřední z nich (co do velikosti). V případě, že by se na obrázku objevily objekty malé, byly by rovněž ignorovány. Protože funkce bwareaopen sloučila veškeré objekty na hodnotu 1 a pozadí na 0, je nyní potřeba pro „pěkné“ barevné zobrazení (viz. obr. 10) tentokrát s využitím funkce bwlabel napsat: IMV2 = bwlabel (IMV); ourcmap = feval('colorcube', max(IMV2(:))); ourcmap = [[1 1 1]; ourcmap]; imshow(ind2rgb(IMV2 + 1, ourcmap))

Funkce bwlabel čísly 1 až N (N je počet objektů) označí jednotlivé objekty na obrázku. Takové označení provede i funkce watershed


24

TUL, FM, KAM


v podání MATLABu po aplikaci na šedotónový obrázek. Proto jsme si mohli dovolit přímo výsledek funkce watershed, což je obrázek WAT vizualizovat barevně bez jeho dalších úprav.

>> teziste = regionprops (IMV2, 'centroid') teziste = 36x1 struct array with fields: Centroid

Tak, jako v případě, kdy jsme hledali velikosti jednotlivých objektů, i zde může být užitečné pro další zpracování převedení informací o polohách těžišť do standardní matice. To provedeme v následujícím cyklu: [N, pom] = size(teziste); for i=1:N, tez(i,1)=teziste(i).Centroid(1); tez(i,2)=teziste(i).Centroid(2); end

S proměnou tez lze pracovat jako s každou jinou maticí. Následující cyklus nám polohu těžišť dovolí vizualizovat: Obr. 9: Odstraněny objekty menší než polovina mediánu velikostí objektů

for i=1:N, IMV(round(tez(i,2)), round(tez(i,1)))=0; IMV(round(tez(i,2))-1, round(tez(i,1)))=0; IMV(round(tez(i,2))+1, round(tez(i,1)))=0; IMV(round(tez(i,2)), round(tez(i,1))-1)=0; IMV(round(tez(i,2)), round(tez(i,1))+1)=0;

end

Po provedení příkazu imshow(IMV) dostaneme obrázek s vyznačeným křížkem v místě těžiště každého objektu (viz obr. 11). Snadno tak můžeme zkontrolovat, zda MATLAB na některý objekt „nezapomněl“.

Obr. 10: Konečný výsledek, který vyhovuje našim představám a očekáváním

Výpočet těžiště Získaný obrázek již tedy obsahuje jen objekty, které jsou vhodně separovány. Jak se získají informace o počtu těchto objektů případně o jejich vlastnostech jsme již zmiňovali v předchozím textu. Ještě si přesto ukážeme, jak určit těžiště jednotlivých objektů, protože se jedná o velmi užitečnou a často požadovanou informaci. K nalezení těžiště nám postačí opět univerzální funkce regionprops, tentokrát s parametrem 'centroid'. Napíšeme tedy následující příkaz:

Obr. 11: Objekty se zvýrazněným těžištěm Nakonec dnešního dílu ještě zmíníme některé další aspekty počítačového zpracování obrázků. Velmi důležitou součástí celého procesu je totiž rovněž samotné pořízení obrazu. Pokud se


25

TUL, FM, KAM


obrázky pořizují při odlišných podmínkách (například světelných), pak zpravidla vylučují použití posloupnosti instrukcí na celou takovou skupinu obrázků. Pevně nastavené parametry, například úrovně prahování, jsou pak pro jiný takový obrázek nastaveny špatně. Jak se v našem případě ukázalo na některých jiných realizacích podobných obrázků, byla tato otázka opravdu problémem. V případě řešené úlohy však můžeme k detekci řezů přistupovat také úplně odlišným způsobem. Pro detekci kruhových objektů v obrázku byl na Katedře měření v rámci diplomové práce implementován algoritmus tzv. Houghovy transformace. Více informací o této metodě lze získat v [1] str. 163–173 nebo na internetu. Algoritmus umožňuje nalézt jakékoli objekty v obrazu, které dokážeme parametrizovat (a to v případě kružnice dovedeme velmi snadno). O tom ale až v příštím díle seriálu.

http://www.mathworks.com/applications/imag eprocessing/demos.html [4] MATELA L. Počítačové zpracování obrázků pro neprogramátory I. díl – Metody předzpracování. [online] K7 – vědecko populární časopis Fakulty mechatroniky TU v Liberci, 01/2005 [cit 17. května 2005]. Dostupné na www: http://k7.vslib.cz/files/k7_05_1.pdf. ISSN 1214-7370

Propagační předměty FM

Závěr Ve druhém díle seriálu jsme si ukázali, jak lze obrázek analyzovat užitím operací matematické morfologie. Celý postup od načtení obrázku až po určení polohy těžišť jednotlivých objektů je ve formě zdrojového kódu spolu s testovacím obrázkem dostupný na webu Laboratoře počítačového zpracování obrazu . Přístup k analýze pomocí metod matematické morfologie je poměrně obecný a vhodnou kombinací jednotlivých operací lze řešit spoustu různých úloh. Pro zjednodušení návrhu použitých metod je však nutné udělat maximum pro to, abychom pořídili co nejkvalitnější obrázky vhodné pro následné zpracování. Pořízení nevhodných obrázků je velmi často úskalím některých pokusů o jejich automatické počítačové zpracování. V dalším díle si ukážeme, jakou jinou metodou lze přistoupit k hledání vláken v řezu příze. Opět si vše ukážeme na našem obrázku.

Reference [1] ŠONKA M., HLAVÁČ V., BOYLE R. Image Processing, Analysis, and Machine Vision, P.W.S. Publishing, Boston 1999, ISBN 0-534-95393-X [2] HLAVÁČ V., SEDLÁČEK M. Zpracování signálů a obrazů. 2. vyd., skriptum ČVUT, Praha 2002, ISBN 80-01-02114-9 [3] The Mathworks - Image Processing – Demos and Webinars [online]. 2004 [cit. 13. prosince 2004].

Kup si svůj originální půllitr s logem fakulty a nebo třeba tričko či ručník. Propagační předměty k dostání na studijním oddělení FM.


Autor, foto: NoMiR 26

TUL, FM

Dívka čtvrtletí

Dívka čtvrtletí Mechatronička letní ká sedmičky je tvrdá holka, kterou jen tak něco nerozhodí. Práce s ní byla rychlá a přímá. Zahloubejte se do následujících řádků a obrázků, a posuďte sami, jak to dopadlo.

Máca: Hm, tak hledej, já to nenašla. Tedy spíš nic co by stálo za řeč. k7: Hodně lidí má nějakou zajímavou zálibu, například. A u ženské na mechatronice to musí platit dvojnásob. Statistika říká, že taková ženská totiž není normální ;o) Máca: No teď už moc ne, teď převládá počítač. A statistika říká různé věci třeba o těch Číňanech – že každý čtvrtý na zemi je Číňan. k7: A před tím než převládl počítač? Kam jsi chodila na školu? Máca: Na gymnázium v Rychnově nad Kněžnou. Celkem dobrá škola, ale spíš humanitně založená. k7: Hmm, tak to zní ještě docela normálně. Co tě vedlo k nástupu na Mechatroniku? Máca: Tak to bylo složité k7: Povídej, ráda si poslechnu :o) ... vlastně přečtu... Máca: To, že to bude škola technicky založená jsem věděla už dlouho, jen jsem neměla představu jaká. Na mechatroniku jsem si podala přihlášku, protože jsem nevěděla co to je a chtěla jsem to zjistit, navíc mi to přišlo docela dobré dobrodružství. Máca: A taky jsem v té době byla hodně na chlapi. :-)

Marcela Hanušová Mechatronika 3. ročník Pětileté magisterské studium k7: Ahoj. Tak co, jdeme na to? Máca: Ahoj, no radši jo, ať to mám za sebou :-) k7: Tobě se prý nelíbil ten úžasný rozhovor co jste natočili s editorem? A já se tak skvěle pobavila. Máca: No tak to se nedivím, být nezúčastněná osoba, taky bych se zasmála k7: Náhodou to mohl být dosud nejzajímavější rozhovor, ale ty máš asi jinou představu. Tak co si tedy myslíš, že by kromě soužití s mechatronikem, mohlo čtenáře zajímat? Máca: Opravdu netuším. No, celkem mi přijde, že na mě není nic moc zajímavého. k7: Na každém je něco zajímavého. Jen se to musí objevit.

k7: Hezkyyy. Tak tu máme poprvé takovou, co přiznává že šla na školu kvůli chlapům. Tady to většinou je naopak – chlapi se hrnou za textilačkami. Mimochodem, už víš, co je mechatronika? Máca: No skoro :-)))))) Zato chlapů začínám mít plné kecky :-)))))))))) k7: Neva. Co se týče toho prvního důvodu, ještě máš pár let na to, abys to zjistila. Ale o chlapech takhle nemluv, bude to určitě číst tvůj přítel :o) Máca: No to je taky jedna z mála výjimek. Doufám, že to ví. k7: Víš, co by mě zajímalo? Odmítla jsi tady zveřejnit, jak se žije s mechatronikem, což docela chápu. Ale mohla bys povědět třebas něco na sebe. Máca: Žít se sebou bych nechtěla. Jsem paličatá, nepoučitelná a občas pěkně arogantní a ješitná. k7: :o) no hezký. Víš, já když si před nějakým chlapem nedám pozor a řeknu, že jsem mechatronička, tak pak mám problém ho přesvědčit, že jsem ženského pohlaví. Taky máš ten pocit?


27

TUL, FM Máca: No to ne. Myslím si, že je to na mě zjevné už od pohledu. Já mám spíš problém přesvědčit je, že jsem normální, že jsem neutekla z nějakého blázince. A potom mám taky problém s netechnickými typy, ty ode mne utíkají :-)

Dívka čtvrtletí Máca: Jj k narozeninám jsem dostala permanentku do bazénu. Jinak už nesportuju, ke sportu v pravém slova smyslu jsem měla vždycky odpor. Devět let jsem chodila na balet, jinak sportovní disciplína byl volný desetiboj – plížení do sadu, šplh na strom, útěk před hlídačem a skok přes plot :-)))) k7: Balet jsi říkala? A pak, že nic zajímavého! Na příští akci tě zahrneme do programu. Hledáme nové talenty :o) Máca: No jo, ale byla jsem až druhá. Sestra chodila dokonce do Brna na konzervatoř, z rodinných důvodů ale přestala. Máca: Pokud hledáš někoho kdo umí dělat velké zmatky a ve všem, tak jsi na správné adrese. Buďte rádi, že vašemu časopisu se nepovedlo to okusit :-))

k7: Hlavně. Netechnický typy pěkně lezou na nervy. Ani nemusí utíkat, protože by stejně byly zapuzeni, co? Máca: To určitě. Když během pěti minut slyšíš nejmíň dvacetkrát "obdivuju tě, ženská na takové škole a ještě třetím rokem...", to je pak na zbláznění. Vždycky mě vytočí hláška typu: Na ženskou fakt dobré. k7: A dokázala bys být typickou ženskou v domácnosti? Takovou tou co vaří, pere, žehlí, uklízí, plete... Máca: Ženu v domácnosti bych zvládla, ale musela bych k tomu mít nějakého koníčka, něco čím bych si udržela sebevědomí :-) k7: Co všechno vůbec musí dokázat tvůj přítel, aby si tě udržel? Máca: Co musí dokázat těžko říct, chlap si mě musí zkrotit :-))) Jsem docela živel. k7: Jj, tomu rozumím. Jen mi připadá, že ten tvůj není moc energický. Nebo se mi to zdá? Máca: On si to nechává do soukromí. Asi má trochu problém jak já, nechápu lidi už od mala. k7: :o) jo, tak tomu taky rozumím. Všichni si myslí, že ho musíš děsně týrat a jak je pod pantoflem. Měli by ovšem pak vidět, jak kolem něj doma běháš. Máca: Jo to znám. A úplně skvělé je, když přijde naštvaný a ty se můžeš přetrhnout, aby se mu zlepšila nálada a pak ti ještě vynadá. No a nakonec se dozvíš, že to bylo kvůli úplné prkotině. k7: Tak vidíš, máme něco společného ;o) k7: Chodíš někam sportovat?

Máca: Nějak začínám mít hlad, teda spíš chuť na něco. k7: A co by sis tak dala? Můžu mít chuť s Tebou? Máca: Už jsem to objevila, moje drahá polovička má totiž fakt talent na to koupit si věci, na které


28

TUL, FM

Dívka čtvrtletí

mám chuť. Je to smetanový jogurt na černých třešních, mňam mňam.

k7: Má to náhodou i svá pozitiva. :o) alespoň se vyřádíš na synovcích a neteřích.

k7: Hm, to není špatné. Také bych smlsla něco sladkého.

Máca: No děkuju, nechci. Děti a zvířátka opravdu nemusím s výjimkou koček. A když, tak přivázat za nohu ke stolu a utýct :-))))))))))))))))))))

Máca: Sladké v pravém slova smyslu nemusím. To už fakt musí být, abych si sama od sebe dala čokoládu, nebo sušenku. To já radši nějaké ty brambory přehnané přes prase. k7: No u mě by to vyhrál zeleninový salát. Dokážu sníst třebas kilo zeleniny na posezení.

k7: Taky řešení. Ale řeknu ti, že bych tě nechtěla mít doma. Máca: No jo, já jsem nezvládla ani rybičky. Mě v zimě umrzly.

Máca: Pokud je ještě se salámem, sýrem a s majonézou ... k7: Jo a s olivama. Máca: No olivy jsou do salátu škoda. Ty mám ráda samotné ve slaném nálevu – zelené. Máca: Hele jestli si děláš nějaké poznámky o typických vlastnostech mechatroniků, tak si napiš: "naprosto konkrétní odpovědi na všechno" :-))))))))) k7: Dovolím si nesouhlasit. :o) Až budeš přestárlá mechatronička, které se ptají na věk, tak to poznáš :o) Máca: Ale to já přece nikdy nebudu :-)))) Uvažovala jsem o doktorském studiu, ale přestárlá nikdy! k7: A co až tady definitivně skončíš? Máca: Ani nevím, asi najít si nějaký dobrý flek a vydělávat těžké prachy. Když jsem šla na vysokou, tak jsem si říkala, že nechci na tom být finančně jako rodiče. Občas mě to strašně mrzelo, když jsem něco chtěla a jim bylo líto, že mi to nemohou koupit. To fakt nikdy nechci zažít a právě proto na rodinu nehodlám spěchat. Máca: Asi si to maluju hodně růžově, ale mám představu, že si něco našetřím a vytvořím prostředí a pak budu uvažovat o rodině, kde klidně budu ženou v domácnosti, vyšívat si dečky, háčkovat záclonky a pěstovat kytky. k7: :o) Tak takhle si tě nějak nedokážu představit. Máca: Jo vidíš další výjimečnost – umím šít, vyšívat a dřív jsem i pletla a háčkovala. Taky aranžuju kytky.

k7: :o) Teda, už jsem slyšela o úmrtí domácích rybiček hladem, otravou, na nemoc, elektrickým proudem – ale umrznutím? Máca: No jo, u nás doma když se několik dní v zimě netopí, tak dům zamrzne. No a rybičky zůstaly na týden doma sami. Máca: Obávám se, že budu muset končit, ozývají se tu hlasy, že datluju moc dlouho. k7: Že neuhodnu čí hlasy?

k7: Pěstuješ si nějaké doma?

Máca: No ano, má drahá polovička dnes přijela. Neviděli jsme se celé 4 dny :-)

Máca: Zatím jen petržel, teď jsem byla 4 dny pryč, tak mi zvadla.

k7: :o) že ho pozdravuju.

k7: Máš nějaké sourozence? Máca: Jj ségru a mladšího brášku. k7: Moje sestry jsou mladší obě a už mají celkem 3 děti. Co nevidět se narodí další.

Máca: Taky tě pozdravuje. k7: Tak nebudu dál rušit. Dobrou noc. Máca: Dobrou noc a příjemné sny.

Máca: Taky jsem nejstarší a děti zatím nevedeme :-)))


Autor: MM, fotosérie: NoMiR, MiT 29

TUL, FM


Dívka čtvrtletí

30

TUL, FM


Dívka čtvrtletí

31

TUL, FM


Dívka čtvrtletí

32

TUL, FM


Dívka čtvrtletí

33

TUL, FM


Dívka čtvrtletí

34

TUL, FM


Dívka čtvrtletí

35

TUL, FM


Dívka čtvrtletí

36

TUL, FM


Dívka čtvrtletí

37

TUL, FM

Vaříme s drátem

Vaříme s drátem Opět zde máme rubriku Vaříme s drátem. Tuto rubriku mají v oblibě hlavně ti, kterým odborné články nic moc neříkají. Jistě, tyto články jsou velice hodnotné, ale jejich čtení je pro „nemechatroniky“ poněkud vyčerpávající. Ano, přiznám se, těmto článkům moc nerozumím a někdy mám dojem, že je píší lidé z jiné planety. Pro zlehčení vám chci nastínit pohled na snaživého mechatronika nebo strojaře či zaníceného kutila v kuchyni. Co udělá student, chce-li okouzlit svoji potenciální přítulkyni? Může jít snazší cestou, zajít do některého ze zábavních zařízení v areálu kolejí, počkat si na dobu zavírací a nabídnout rámě společensky unavené slečně. Délka tohoto vztahu se pak počítá spíš na hodiny. Pokud však nastane situace, kdy ze slečny společenská únava opadla a projeví sympatie, dochází k rituálu balení. Dobře situovaný student pozve dívku do restaurace. Řekněme si reálně, že takových není mnoho. Kreativní student pozve dívku na vlastnoručně uvařenou večeři. Pokud právě neohřeje jídlo, které nabral o víkendu u rodičů, postaví se před problém co uvařit a jak dosáhnout úspěšného výsledku.

Obr. 1: Pomůcka kreativního studenta Jelikož student ví, že většina slečen je na sladké, zvolí zdánlivě jednoduché sladké jídlo – palačinky s domácí marmeládou. Výrobní náklady jsou nízké – marmeláda z domova, mléko z domova, vejce od babiččiných slepic z vesnice a mouka usypaná od spolubydlícího, který zrovna není přítomen. Cukr, ten se vždycky vyskytne a nějaký ten tuk na smažení je také dostupná surovina. V případě strojaře zde existuje nebezpečí, že použije technický olej, ale ten spíš použije až při přípravě jídla pro tchýni o několik let později. Konečně má všechny ingredience a může začít s přípravou. Dá vše do mísy, případně hrnce či kýble, podle požadovaného množství, a

následně si v receptu přečte, že se má těsto pořádně vyšlehat, aby byly palačinky jemné a nadýchané. Tu mu dojde, že míchaní hliníkovou lžící z menzy není dostatečně efektivní a požadovaného našlehání nedosáhne. Jelikož se však jedná o studenta kreativního, vytáhne ze své dílny, která je mimochodem vybavena lépe než kuchyň, akuvrtačku.

Obr. 2: Mixování palačinkového těsta Pro dosažení efektu kuchyňského mixéru vymění vrták za vařečku (obr. 1) a pustí se do díla. Přiměřeným mixováním (obr. 2), které dosáhne pravidelným nakláněním vrtačky i nádoby do různých úhlů, zhotoví těsto perfektní konzistence. Nechá těsto chvíli odstát a zatím si připraví pánev. Zatím mi není známo, zda si některý šikovný strojař či mechatronik zhotovil speciální přípravek – palačinkovač, proto budu uvažovat přípravu na standardní teflonové pánvi. V tomto případě je úspěšnost úhledných palačinek zaručena i při nízké spotřebě tuku. Příprava palačinek na tzv. tescopánvi je obtížnější. Teflonově tvářící se povrchová úprava pouze klame vzhledem a jakékoli jídlo, které chceme připravit bez tuku, se na ni přilepí. Pro podpoření trpělivosti je student nucen použít více tuku. Vzhled takto připravené palačinky je méně úhledný a obsah kalorií nespočetný. Pokud jde o rituál balení, kalorická hodnota nehraje ani pro jednu ze stran žádnou roli. Student je rád, že se palačinky podařily a slečna je polichocena, že potkala kreativního studenta zdatného v kuchyni. Závěrem zde uvádím na obrázku 3 tip na servírování. Pokud náhodou pochybujete o svých schopnostech, zkuste připravit jídlo jiné. Myslím, že zatím rčení „láska prochází žaludkem“ platí, ale pokud vymyslíte jiné rčení, můžete jídlo z rituálu balení vynechat.


38

TUL, FM

Vaříme s drátem Kam se zase odbatolil, pod skříň nebo za dvéře? Marně hledá pod postelí i u mámy v almaře. Potom s děsem zrakem padla na rozbité zábradlí, o mrtvolce pod balkónem kéž se nikdo nedoví! Dave jenž zhlížel na tu zkázu v očích děs a v rukou třas, brzy omdlel, jako špalek, na kříšení už nezbyl čas. S kýblem před dům naklusala, v ruce držíc lopatku, kosti, střívka nabere si, zbytky po batolátku.

Obr. 3: Tip na servírovaní Autor: MiS, foto: JJ, MiS

Drama o hlídání Monika Matušková Lída hlídá bratra Kvída, on je ještě kojenec, co by se jím zabývala, když má přijít milenec? Místností se linou vzdechy, Brzo přijde orgasmus, malý Kvído posmrkává, má se dívat na ten hnus? Nevydržel to moc dlouho, řekl si: „Já tu nebudu!“, nebudu už poslouchat, ségru a tu obludu. Postýlka se k zemi kácí, Kvído spěchá do dveří, copak je to asi támhle, vlastním očím nevěří!

.

Až se starý vrátěj domů na matku to zahraje, bude z toho super únos, každá duše roztaje. Týden uběh jako voda, v televizi pořad běží, že prý někdo dítě ukrad, nalézti ho stěží. Doma zažívají hrůzu, jako z filmu Vetřelec, otec ten si škube vlasy, Lída říká: „Šílenec!“ Dnes je víkend, řek pan Albert, asi budu vytírat, dones mi ten kýbl Lído, žlutý, co ho mám tak rád. Lída zbledla jako křída, žlutý kýbl, teď to ví, zbavila-li by se Kvída, nevydal by svědectví. Buď teď rovnou skočí z okna, skončí pod ním ve smetí, zná však také jiný způsob, jak zabránit prokletí!

Páni, to je výška, naklání se z balkónu, strká hlavu mezi příčky, objasnit tu záhadu.

Už jdu pro něj, tiše říká, avšak místo do chodby, zamířila do kuchyně, sáhla mezi příbory.

Laťka praskla, dítě letí, chodník bude od krve, milý Kvído zalétá si, naposled i poprvé.

V minutě je práce celá, hotová a v pořádku, tentokrát se nedá smáti, objemnosti ostatků.

Teprve kdy dům se otřás, zchabl Davův bojovník, rozhlíží se Lída kolem, kde je malý nezbedník?

Z táty budou karbanátky, z mamky řízky, prsíčka, Kvída konečně už spláchne,


no to bude baštička! 39

TUL, FM, KSI

Napište si překladač 1. díl – Úvod do problematiky

Napište si překladač 1. díl – Úvod do problematiky Tomáš Martinec Technická univerzita v Liberci, Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií, Katedra softwarového inženýrství, Hálkova 6, 461 17 Liberec, Tel.: 485 353 526, E-mail: [email protected] Abstrakt: Tento článek je úvodem do seriálu článků o překladačích. Je věnován historii vyšších programovacích jazyků a teoretickému popisu překladače.

Úvod Pokud jste někdy programovali, určitě jste k tomu použili nějaký překladač vyššího programovacího jazyka. Možná už jste dokonce byli, nebo v budoucnu možná budete, postaveni před problém nějaký napsat. Nemusí se jednat přímo o napsání komplexního překladače, ale třeba jen o některou z jeho částí. Například o vyhodnocování výrazů pro vytvoření inteligentní kalkulačky. Nebo jste prostě jen zvědaví, jak takový překladač pracuje, z jakých částí se skládá a jaké problémy řeší. Pak Vás tedy vítám u tohoto seriálu, který se pokusí na tyto otázky odpovědět.

Historie počítačů a programovacích jazyků Když se v roce 1801 objevil první tkalcovský stroj programovatelný pomocí děrných štítků, nikdo si asi v té době nedokázal představit, kam se během následujících dvou století posunou možnosti programovatených strojů. Asi nejmasovějším nasazením strojů na děrné štítky bylo v roce 1980 sčítání lidu v USA. Ani po 80 letech vývoje však nelze mluvit o tom, že by šly tyto stroje komplexně programovat. Pomocí štítků se jen vkládala data, algoritmus se neměnil. Na první opravdu programovatelný počítač bylo nutné počkat do začátku druhé světové války. Až do roku 1940 se většina simulací a jednoduchých výpočtů prováděla na analogových počítačích. Ty sice umožňovaly poměrně přesné simulace různých dějů, ale jejich „programování“ se dělo změnou zapojení, takže nebyly příliš pružné. O nějakém hromadném zpracování dat nemohla být řeč. První programově řízený mechanický počítač vytvořil v roce 1938 německý matematik

Konrád Zuse a nazval ho Z1. Když roce 1941 vytvářel již třetí generaci svého počítacího stroje, nazval jej překvapivě Z3, programoval jej stále pomocí děrných štítků. Mechanické prvky však již nahradil pomocí relé. Tento počítač dokázal provést násobení za 3–5 sekund a používal se za druhé světové války pro výpočty drah německých raket V1 a V2. Ani další válečné velmoci však nezahálely, a tak vznikl v USA v roce 1942 první elektronický, skládal se z 18 tisíc elektronek, počítač Eniac pro výpočty balistických tabulek a ve Velké Británii v roce 1943 matematik Alan Turing vytvořil počítač Colossus na luštění německých šifer. Všechny tyto počítače, které vznikly v době války, měly některé společné vlastnosti. Nebyly příliš spolehlivé, např. u počítače Eniac se uvádí střední doba mezi poruchami elektronek kolem dvou minut, programovaly se poměrně složitě pomocí děrných štítků nebo přepínačů, byly to obrovské stroje, např. Eniac zabíral celý blok domů, na dnešní poměry měly zanedbatelný výkon a jejich existence byla poměrně dlouho tajena, např. Colossus byl odtajněn až v roce 1970. Přesto významně přispěly k poválečnému rozvoji počítačů. V roce 1948 se objevil počítač Manchester Mark I, který místo mechanické paměti používal paměťovou obrazovku. Navíc jako první používal převratné myšlenky amerického matematika maďarského původu, Johna Von Neumanna, narozen jako János Neumann. Ten v roce 1945 zveřejnil dva základní koncepty, kterými se počítače řídí dodnes. První z nich byl, že počítače by měly být jednoduché stroje a bez nutnosti „předrátovávání“ pro každou úlohu. Jejich sada instrukcí by měla umožňovat plně ovládat jejich jednoduchý hardware a rychle ho přeprogramovat. Druhý koncept byl důležitý pro vývoj vyšších programovacích jazyků. Von Neumann ho nazval Conditional Control Transfer (podmínkami řízený přesun). V tomto konceptu pokládá základy vyšších programovacích jazyků. V první části mluví o malých podprogramech, mezi kterými lze libovolně skákat, místo jejich postupného vyko-


40

TUL, FM, KSI


návání odshora dolů. Ve druhé části mluví o skocích, založených na logických příkazech jako je IF [výraz] THEN a smyčkách jako je např. příkaz FOR. Také se zmiňuje o knihovnách s bloky kódu, které lze opakovaně používat. To byly v té době velmi revoluční myšlenky. V roce 1949 Jonh Von Neumann zveřejnil první programovací jazyk, nazvaný Short Code a v roce 1951 napsal Grace Hopper první překladač vyššího programovacího jazyka, který nazval A-0. To byly první pokusy na poli vyšších programovacích jazyků a jejich překladačů. Ale až teprve v roce 1957 přišla firma IBM s prvním vyšším programovacím jazykem, nazvaným Fortran (Formula Translation), který se začal prakticky používat. V zápětí vznikly i další dva jazyky z tzv. velké trojky a to Lisp a Algol. Dalším milníkem ve vývoji programovacích jazyků byl rok 1968, kdy navrhl Niklaus Wirth pro výuku programování jazyk Pascal. Zkombinoval v něm nejlepší vlastnosti programovacích jazyků té doby (Cobol, Fortran a Algol) a přidal některé další vlastnosti. Zejména se jednalo o konstrukci CASE a podporu dynamických proměnných. V té době však nepředpokládal, že by se jeho nový jazyk začal masově používat. Další velmi oblíbený programovací jazyk, jazyk C, má mnohem praktičtější důvod vzniku. Na začátku 70. let vznikal v Bellových laboratořích firmy AT&T jeden z prvních operačních systémů – UNIX. Ten byl určen pro velké počítače od firem IBM a DEC a byl nejprve napsán v programovacím jazyce B. Později byl přepsán do programovacího jazyka C, který k tomuto účelu navrhl Dennis Ritchie. Vycházel přitom z jazyka B, který vycházel z jazyka BCPL, který vycházel z jazyka CPL, který byl odvozen z jazyka Algol. Programovací jazyk C byl původně určeny zejména pro systémové programování na velkých počítačích. Používal se však i k psaní aplikací. Postupně se rozšířil i na další operační systémy a patří dnes k nejoblíbenějším programovacím jazykům vůbec. Poměrně dlouho však byl přístup k programovatelným počítačům, vzhledem k jejich vysoké ceně a obrovským rozměrům, výsadou hrstky vyvolených. To se ale v 80. letech změnilo. V roce 1971 uvedla na trh firma Intel na trh první sériově vyráběný procesor jako součástku. Byl to čtyřbitový procesor 4004, určený pro kalkulačky. Pro jeho univerzálnost se rozšířil do jiných oborů, např. dodnes řídí vesmírnou sondu Pioneer 10. Jen pro představu – tento procesor měl stejný výpočetní výkon jako Eniac. V roce 1974 uvedla firma Intel na trh osmibitový procesor 8080. Tento procesor se stal

velmi oblíbeným zejména proto, že v roce 1975 vyšla v časopise Popular Elektronics stavebnice osobního počítače Altair. Tento počítač se stal zároveň prvním, pro který psala software firma Microsoft, konkrétně se jednalo o překladač jazyka Basic. Ve stejné době začaly podobné procesory vyrábět i další firmy, např. Motorola nebo Sinclair a začaly se objevovat sériově vyráběné osobní počítače. Tyto počítače neměly žádný operační systém a pro jejich programování se většinou používal interpret programovacího jazyka Basic, který byl umístěn přímo z výroby v paměti ROM. V roce 1981 představila firma IBM počítač IBM PC s operačním systémem MS-DOS a tato platforma se začala masově šířit. Postupně začaly pro tuto platformu vznikat překladače různých programovacích jazyků. Nejprve to byl Basic, později se rozšířili zejména Pascal a C. Mimoto samozřejmě existuje mnoho, většinou jednoúčelových nebo skriptovacích, jazyků pro speciální použití. S rozvojem Internetu v posledních několika letech vznikají specializované multiplatformní programovací jazyky určené zejména pro Internet (Java, PHP, C#, atd.). Tyto jazyky jsou specifické hlavně díky tomu, že se nepřekládají do binárního kódu konkrétního procesoru, ale že se pouze interpretují na cílovém systému nebo se překládají do binárního kódu pro virtuální stroj. Proto musí na cílovém systému existovat interpret tohoto jazyka nebo virtuální stroj, který vykonává příslušný binární kód. Hlavní výhodou tohoto systému je velká přenositelnost, nevýhodou malá rychlost vykonávání a velmi omezené možnosti využití specifického hardware na cílové platformě.

Překladače Překladače vyšších programovacích jazyků jsou velmi komplexní programy, které využívají pro svojí práci poznatky téměř ze všech částí počítačové vědy – od stavových automatů až k umělé inteligenci. Od překladače se očekává, že porozumí předloženému programu, bude generovat efektivní kód a bude pracovat velmi rychle. Vytvoření překladače proto patří k nejzajímavějším problémům v počítačové technice vůbec. Navíc úsilí vyvinuté v tomto oboru má velmi reálné výsledky. Velmi podobnou problematikou překladačům jsou interprety programovacích jazyků. Mají mnoho společného s překladači a i když se jim tento seriál bude věnovat jen okrajově, lze mnoho poznatků z něj využít i pro vytvoření interpretu.


41

TUL, FM, KSI


Před tím, než začneme rozpitvávat překladač, je nutné říct, že překladač většinou na překlad programu není sám. Pomáhají mu ještě preprocesor a linker. “čistý” zdrojový strojový zdrojový Preprocesor Překladač kód Linker text text

spustitelný program

Obr. 1: Průběh překladu Preprocesor připravuje zdrojový text pro překladač. V praxi to znamená, že ho očistí od bílých znaků a komentářů, vloží do něj případně další soubory, pokud mají být součástí překládaného textu, např. hlavičkové soubory v C, a rozvine makra. Tyto úkony jsou velmi jednoduché a proto se často implementují v překladači jako součást lexikálního scanneru, viz dále. Trochu komplikovanější je to s linkerem. Pokud totiž programovací jazyk umožňuje využívat předem přeložené knihovny, pak je potřeba každý soubor, všechny použité knihovny + hlavní program, nejprve přeložit zvlášť, a poté je pomocí linkeru všechny spojit dohromady. Proto výstupem překladače není přímo spustitelný program, ale jen binární soubor se strojovým kódem, který ještě nemá vyčíslené adresy. Linker nakonec spojí všechny soubory do jednoho a určí konkrétní adresy v paměti. Moderní překladače se většinou skládají ze třech částí.

zdrojový text

Front IL Midle IL Back end end end

výsledný strojový kód

Obr. 2: Schéma překladače Zdrojový text se nepřevádí do strojového kódu přímo, ale přes jazyk IL (Inter-language). Část front end vytvoří ze vstupního souboru vnitřní strojový kód v jazyce IL. Tento kód se optimalizuje v části middle end a nakonec se z tohoto optimalizovaného kódu vytvoří konkrétní instrukce pro cílový procesor v části back end. Tento systém umožňuje použít jednou napsaný front end a middle end, např. pro programovací jazyk C, pro různé počítače, např. pro počítače PC stejně jako pro jednočipový procesor řady x51. Stačí přepsat část back end pro jiný cílový procesor. Stejně tak tento systém umožňuje použít části middle end a back end pro různé programovací jazyky. Pouhým přepsáním části frond end můžeme překládat různé jazyky pro jeden procesor.

Front End Zdrojový text se nejprve pomocí lexikální analýzy rozdělí na elementární skupiny znaků, tzv. tokeny. Zároveň se ke každému tokenu přiřadí informace o jeho typu. Například výraz „X:=Y+2;” se rozloží na tokeny: < < < < < <

X , := , Y, + , 2, ; ,

identifikátor> přiřazení> identifikátor> relační operátor> číslo> středník>

zdrojový text

Scanner

tokeny

Parser

IL

Obr. 3: Schéma části Front end Tato úloha se nejefektivněji implementuje pomocí deterministických konečných automatů. Protože vytvoření automatů pro kompletní jazyk je triviální, ale poměrně pracné, vznikají různé softwarové nástroje na tvorbu lexikálních analyzátorů. Asi nejznámější z nich jsou programy Lex a Flex, které ze zadaných regulárních výrazů vygenerují stavový stroj v jazyku C, který je rozeznává. Parser poté provede syntaktickou a sémantickou analýzu. Syntaktická analýza ověří, zda proud tokenů odpovídá zvolené gramatice. Sémantická analýza zkoumá význam kódu, kontroluje definice proměnných a kontroluje datové typy ve výrazech. Výstupem parseru je IL kód, předběžná mapa proměnných a případně smysluplná chybová hlášení. Také parser lze generovat automaticky ze zadaných pravidel. K tomuto účelu byly vytvořeny např. programy Yacc (Yet Another Compiler Compiler), nebo Bison.

Middle end Druhá část překladače provádí optimalizaci IL kódu. Jedná se zejména o vyhledávání neefektivních částí kódu a jejich nahrazování efektivnějším kódem, přesun některých instrukcí na méně frekventovaná místa (např. mimo tělo cyklu), odstranění nadbytečného a neužitečného kódu, optimalizace alokace registrů.

IL

optimalizace 1


optimalizace n

IL

Obr. 4: Schéma části Midle end 42

TUL, FM, KSI


Optimalizace může probíhat v několika různých fázích a to i opakovaně. Back end V poslední části překladače se vytváří strojový kód pro konkrétní procesor. Je třeba zvolit správné instrukce, optimálně využít celou instrukční sadu, a vyrovnat se s limitovaným počtem registrů. Tato úloha je poměrně obtížná a dá se jen velmi obtížně automatizovat. IL

výběr instrukcí

alokace registrů

rozpis instrukcí

strojový kód

Obr. 5: Schéma části Back end Závěr první části Tento článek se snažil nastínit, jak takový překladač obvykle pracuje. Nenechejte se zmást zdánlivou složitostí, ve skutečnosti je jen málo překladačů, které by přesně dodržovaly popsanou strukturu. Některé části lze totiž sloučit a některé úplně vynechat. Od příštího dílu už přejdeme k praktickým ukázkám. V každém dílu bude podrobně vysvětlena část problematiky na konkrétních příkladech. Výsledkem celého seriálu by měl být jednoduchý překladač vyššího programovacího jazyka.

Použitá literatura [1] Dědina B., Valášek P., Mikroprocesory a mikropočítače. SNTL 1981 [2] Peterka J., Počítače vznikly za války. Computerworld 6/94. ISSN 1210-9924 [3]Pop Quiz: What was the first personal computer? [online]. Blinkenlights Archaeological Institute: 2002. Dostupné na www: http://www.blinkenlights.com/pc.shtml [4] Knutsen S. Alphabetical list of programming languages.[online]. 2005. Dostupné na www: http://sk.nvg.org/lang/lang.html [5] Ferguson S. The History of Computer Programming Languages.[online]. 2004. Dostupné na www: http://www.princeton.edu/~ferguson/adw/progr amming_languages.shtml [6] Kennedy K. COMP 412: Introduction to Compiler Construction.[online]. 2004. Dostupné na www: http://www.owlnet.rice.edu/~comp412/Lectures/ [7] Crenshaw J. Let's Build a Compiler.[online]. 1997. Dostupné na www: http://compilers.iecc.com/crenshaw/

Vzpomínka na zimu Počasí se zbláznilo. Měli jsme tady několik extrémně teplých dní, což se projevilo na vzhledu většiny studentek. Ty šťastnější fototypy z toho vyšly nádherně dohněda opálené, ale případ silného zarudnutí kůže připomínající pečené selátko nebyl ani zdaleka výjimečný. Každopádně teplíčko to bylo kvalitní a naskytlo se hned několik možností jeho využití – a to od pikniků až po spaní v Jizerkách pod širákem. Tyto nádherné slunečné dny vystřídalo typicky liberecké počasí. Zima, chlad, vlhko, déšť. Opět jsme vytáhli teplejší oblečení a smutně zahalili opálení, nebo jsme naopak docela rádi zakryli ošklivé spáleniny způsobené neuváženým sluněním. Vzpomeňme si ale na zimu. Na bílou peřinu, modré nebe a nádherně omrzlé stromy jako v pohádce. Ne! Nechci, abychom vzpomínali na chlad, hnědou břečku na silnicích, solní batiku na džínách a promrzlé pokoje na kolejích! To opravdu nechci! Obrázek bílého Ještědu a zasněžených plání je mnohem hezčí. Když už jsme u těch obrázků, podívejme se na průběh zimy a nástup jara na obrázcích červené škodovky neznámého majitele, stojící před budovou F Technické univerzity. Vědí o ní určitě všichni, kteří bydlí na kolejích, nebo zkrátka chodí kolem. Jak je vidět na obr. 1 evidentně toto autíčko zaujalo i jiné média, než je časopis k7.

Obr. 1: Zájem médií o tajemnou Škodu Řekněme si pravdu – je to vskutku zvláštní místo přezimování tak cenného veterána našich silnic. Myslím, že sběratel starých vozů by s tímto způsobem konzervace vozidla před zimou nesouhlasil. V zimě je sice normální přijít ráno k mírně zasněženému autu po noční sněhové nadílce, ale


43

TUL, FM, KSI


co je moc, to je příliš. Červené škodovce, které barvu díky sněhu už jenom odhadujeme, nepřidaly na kráse ani vozy projíždějící kolem. Pravidelně ji zasáhla sprcha hnědé hmoty silniční.

a nebýt soli, která podporovala tání, zůstaly by tam déle.

Obr. 4: Překážka při čištění silnic Obr. 2: Zimní spánek Letošní zimu jsme si užili všichni. Cesta do školy či do práce byla bojem pevných nervů, jemného sněhu, řídké směsi sněhu a soli a vzhledu našich oděvů. Chodník před školou lemovaný bezmála půlmetrovými sněžnými mantinely byl také místem boje. Tentokrát to byl boj mezi chodci. To, zda se někdo někomu vyhnul, záleželo na dobré vůli a odvaze zabořit se do již zmíněného mantinelu.

Na obrázku 5 z časného jara je vidět, že zimní princezna zimu ustála. Objevily se však na ní kosmetické vady. Nemusí jít sice do fitnesscentra ani na liposukci kvůli nabraným kilogramům jako většina smrtelníků po zimě, ale jen těžko lze říct, který plastický chirurg najde odvahu zabývat se jejími stařeckými fleky (zrezavělými místy).

Obr. 5 Úspěšné zvládnutí zimy jen s malými kosmetickými vadami

Obr. 3: Pohodlná cesta do školy Ústupem zimy roztával sníh, zmrzlé úsměvy kolemjdoucích a pod horou sněhu na Husovce se opět začala rýsovat červená Škoda. Na obr. 4 je vidět snaha silničářů sklidit sníh ze silnic. Škodovka, která setrvala v zimním spánku, jim opět neuhnula a tak se za jejími zády nakupily další hromady sněhu. Tyto hromady byly vytrvalé

Očividně zůstane spící princezna před školou ještě dlouho. Majitel už o ni nejeví zájem. Řešením by bylo, kdyby si ji hasiči odtáhli za účelem zácviku vyprošťování. Problém je kromě jiného asi v tom, že škodovka by se rozpadla dřív než by ji naložili na odtahovou plošinu. Na závěr snad jen tolik – měj se hezky červená princezno, uvidíme, jak zvládneš příští zimu!


Autor: MiS, foto: JJ 44

TUL, FM

Šroubárna

Šroubárna Dnes něco z historie fakulty, jednotlivých kateder, apod. plus základní znalosti učiva podle jednotlivých kateder. Správné odpovědi na jednotlivé otázky naleznete, jako vždy, na poslední straně. A nakonec to nejdůležitější, správná odpověď může být jedna, více, všechny anebo taky vůbec žádná :-) 1) Letošního roku Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií slaví své jubilejní výročí. Víte které? a. b. c. d. e.

5 let 10 let 15 let 20 let 50 let

2) Od počátků založení naší fakulty se na postu nejvyšším, čili děkanském, vystřídalo již několik osobností, přičemž některé z nich byly zvoleny na dvě funkční období. Kolik různých osobností se vystřídalo od založení ve funkci děkana? a. b. c. d. e.

1 osobnost 2 osobnosti 3 osobnosti 4 osobnosti 5 osobností

3) V současné době má naše fakulta 8 kateder, které ze široka pokrývají mnoho vědních disciplín. V kolika katedrách, jenž některé přešly z jiných fakult, se v počátcích začínalo? a. b. c. d. e.

1 2 3 4 5

4) Ptát se, v jakém počtu studentů fakulta začínala by jistě bylo příliš troufalé, otázkou tedy budiž kolik studijních skupin měla fakulta ve svém prvním akademickém roce? a. b. c. d. e.

2 3 4 5 6

5) Která z uvedených kateder FM v době založení fakulty ještě neexistovala, či nepřešla na FM z fakulty jiné? a. b. c. d. e.

KŘT – Katedra řídicí techniky KSI – Katedra softwarového inženýrství KMO – Katedra modelování KAI – Katedra aplikované informatiky KMS – Katedra elektromechanických systémů

6) Jakými metodami/způsoby lze vyřešit jednoduchou diferenciální rovnici? a. b. c. d. e.

Metodou variace konstant Řešení jednoduše uhádneme Metodou střelby Metodou Runge-Kunta Metodou neurčitých koeficientů

7) Jakých synchronních otáček dosahuje stejnosměrný derivační motor? a. b. c. d. e.

750 ot/min 1500 ot/min 3000 ot/min 6000 ot/min nelze definovat

8) S jakým cílem byla založena Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií? a. Vyplnit existující propast mezi disciplínami tenkrát dvou existujících technických fakult na TUL b. Z důvodu velkého nedostatku fakult oboru elektro na tehdejším českém poli c. Poskytnout trhu práce kvalitní odborníky s širokým přehledem v několika technických oborech d. Na základě poptávky studentů TUL e. Z dosud neznámého důvodu 9) Který ze současných studijních oborů FM magisterského studia existoval alespoň v poloviční podobě před založením FM na obou technických fakultách tehdejší TUL (FT a FS)? a. b. c. d. e.

Automatické řízení a inženýrská informatika Mechatronika Přírodovědné inženýrství Informační technologie Informatika a logistika


45

TUL, FM 10) Kolik bylo při založení fakulty akreditováno doktorských studijních programů? a. b. c. d. e.

1 2 3 4 5

11) Který z uvedených studijních programů bakalářského studia byl v nedávné době akreditován jako poslední? a. b. c. d. e.

Elektronické informační a řídicí systémy Informatika a logistika Informační technologie Mechatronika Přírodovědné inženýrství

12) Sledujete dění na naší fakultě, máte zájem o naše laboratoře? Víte tedy, kdy jsou následující dny otevřených dveří? a. b. c. d. e.

12.10.2005 23.11.2005 13.1.2006 15.2.2006 17.4.2006

Šroubárna pětí z kartáčů, které bylo do jednotlivých budicích cívek rozváděno asymetricky umístěnými konektory po jeho obvodu. Dnes je tato součástka nahrazena elektricky oddělenými lamelami přímo na hřídeli rotoru. d. Prototyp fluorescenční výbojky, dnes známé jako zářivka e. Letadlová zapalovací svíčka s doutnavým výbojem 14) Ani tentokrát, nesmí chybět alespoň jedna otázka z každodenního života. Vyhledáte-li pomoc odborníka z oboru matrimoniologie, jaké problémy vás trápí? a. b. c. d. e.

Mateřské problémy Problémy v manželství Problémy se vztahy na pracovišti Problémy se sexuálním životem Problémy vlastního sebeurčení

15) Základem každého elektronika je znalost alespoň pasivních součástek a schopnost určit jejich hodnotu i z barevných kódů. Jakou hodnotu odporu má rezistor na obrázku?

13) Na obrázku je znázorněna jedna starší technologická součástka, která ve své době znamenala značný technologický průlom. Dokážete přijít na to, o co se jedná? a. b. c. d. e.

68 kΩ 120 Ω 2,4 kΩ 2,4 MΩ 820 kΩ

16) Představte si teoretickou možnost postavit elektrický motor založený čistě na elektrostatické síle a motor čistě na síle magnetické. Který z uvedených motorů by měl při zachování stejných rozměrů větší výkon?

a. Elektrostatický motor b. Magnetický motor c. Oba dva by měli výkon stejný

a. Jeden z prvních reaktivních tranzistorů, tenkrát ještě uzavřen ve skleněné nádobě v absolutním vakuu b. Elektronka německé provenience c. Tzv. „mechanický prezervativ“ určený k nasazení na hřídele rotorů starších synchronních generátorů. Robustní ocelová čepička sloužila ke sběru budicího stejnosměrného na-

17) Bez znalosti zeměpisu se jistě neobejde nikdo z nás. Ostatně, jak bychom mohli trefit domů, kdyby jsme neznali alespoň jeden orientační bod. Problém však nastává, máme-li si pamatovat jména těchto bodů. Cestovatel, který vyrazí z Antarktidy do Arktidy musí protnou oba dva obratníky. V jakém pořadí je protne a z kterého pólu na který putuje? a. Ze severního na jižní; nejdříve protne obratník Kozoroha, pak Raka


46

TUL, FM

Šroubárna

b. Ze severního na jižní; nejdříve protne obratník Raka, pak Kozoroha c. Z jižního na severní, nejdříve protkne obratník Raka, pak Kozoroha d. Z jižního na severní, nejdříve protkne obratník Kozoroha, pak Raka e. Od nikud nikam, žádný takový obratník neexistuje 18) Nejen kovy, ale i dřevo má svůj vlastní test na tvrdost. Jedná se o test tvrdosti Janka, který spočívá ve změření síly nutné na zatlačení ocelové kuličky o průměru 0,444 palce do poloviny jejího průměru do testovaného dřeva. Které z následujících dřev je vůči ostatním nejměkčí? a. b. c. d. e.

Bambus Cypřiš Cedr Ořech Jasan

19) Ludolfovo číslo π (Pí) zná jistě každý. Málokdo však ví, že právě symbol Pí přiřadil onomu známému číslu někdo zdaleka jiný. Víte kdo to byl? a. b. c. d. e.

Euler Leonhard Napier John Kirchhoff Gustav Robert Jansky Karl Guthe Born Max

Již dlouhou dobu jsme nevydali jakákoliv doporučení komisařů rady výboru elektrotechniků (K.R.V.E.) při FM. Původní doporučení ve zněních 2004/1 a 2004/2 sbírky K7, dlouhou dobu dostačovala, neboť byla zaměřena zejména na prevenci. Ovšem v průběhu minulých let došlo ke značnému nárůstu práce, nehledě na pokles informovanosti u později narozených. Zpětnou revizí výše zmiňovaných pravidel došel výbor K.R.V.E. k názorů, že pro zdravý a dlouhodobě udržitelný vývoj mladé generace je třeba vydat nová, zejména procesní, doporučení. Revize spočívá především v rozdělení pracovníků do skupin dle jejich znalostí, zkušeností a odborné způsobilosti. Díky tomu bude možné definovat i stupně odpovědnosti, čímže se vytvoří bezpečnostní struktura s možností postupného vzdělávání mladé generace pracovníků.

Pravidlo III. Odstavec 1. Skupiny osob ve vztahu k práci

20) Co je vyobrazeno na obrázku?

a. b. c. d. e.

Bezpečnost práce

Superpočítač CRAY-1 Luxusní stylová sedačka z konce 60-tých let Dětská prolézačka Válcový transformátor Architektonický počin

Autor: MiT, jBF

§ 1 Osoba neznalá. Osoba, která do dané chvíle nebyla seznámena s prací. Zpravidla se jedná o mladé jedince, případně starší jedince s asociálními názory. § 2 Osoba seznámená. Osoba se s prací setkala a je ji jednoznačně schopna rozlišit. Osoba se zatím nedostala k pořádné práci a nepravidelně* se účastní lehké práce. § 3 Osoba znalá. Tj. taková osoba, která se pravidelně* setkává s lehkou prací a v minulosti se vícekrát podílela na pořádné práci. Osoba navíc musí prokázat, že přivedla alespoň tři osoby dle §2 k pořádné práci. § 4 Osoba notoricky znalá. Taková osoba zcela běžně provádí lehkou práci, pořádnou práci pak pravidelně*. Osoba notoricky znalá musí prokázat, že zajistila pořádnou práci pro nejméně šest osob dle §3 a to nejméně dvakrát v intervalu kratším třech měsíců. *Pravidelnost je definována jako nejdelší interval mezi událostmi – pro lehkou práci max. 3 dny, pro pořádnou práci max. 2 týdny. Odstavec 2. Práva a povinnosti osob dle skupin odstavce 1. § 1 Osoba neznalá (Odst.1/§1) smí provádět lehké práce jen za přítomnosti minimálně třech osob


47

TUL, FM seznámených (Odst.1/§2), nebo dvou osob znalých (Odst.1/§3), případně jedné osoby notoricky znalé (Odst.1/§4). Těžké práce osoba neznalá (Odst.1/§1) nesmí aktivně provádět. § 2 Osoba seznámená (Odst.1/§2) smí provádět lehké práce jen za přítomnosti nejméně dvou osob seznámených (Odst.1/§2), nebo jedné osoby znalé (Odst.1/§3), případně jedné osoby notoricky znalé (Odst.1/§4). Těžké práce osoba seznámená (Odst.1/§2) může vykonávat pouze pod dozorem dvou osob znalých (Odst.1/§3) nebo notoricky znalých (Odst.1/§4). Osoba seznámená (Odst.1/§2) by měla**, seznamovat osoby neznalé s lehkou prací. § 3 Osoba znalá (Odst.1/§3) smí provádět lehké práce pouze v přítomnosti alespoň jedné osoby s kvalifikací osoba seznámená (Odst.1/§2) a vyšší. Pořádné práce smí vykonávat pouze v přítomnosti alespoň jedné osoby s kvalifikací osoba znalá (Odst.1/§3) a vyšší. § 4 Osoba notoricky znalá (Odst.1/§3) může provádět lehké i pořádné práce v přítomnosti alespoň jedné osoby s libovolnou kvalifikací. § 5 Osoby znalé (Odst.1/§3) a notoricky znalé (Odst.1/§3) by měly** vyvíjet co největší úsilí ve zvyšování kvalifikace osob neznalých (Odst.1/§1) a seznámených (Odst.1/§2.). § 6 Osoba znalá (Odst.1/§3) může asistovat maximálně pěti osobám neznalým (Odst.1/§1) a seznámeným (Odst.1/§2) při lehkých pracích. V případě pořádné práce pak maximálně dvěma osobám. § 7 Osoba notoricky znalá (Odst.1/§3) může asistovat maximálně osmi osobám neznalým (Odst.1/§1) a seznámeným (Odst.1/§2) při lehkých pracích. V případě pořádné práce pak maximálně čtyřem osobám. **Vyhláška je pouze doporučující.

Šroubárna odhadu schopností ostatních osob, navrhly dočasné zvýšení pracovního tempa o 236,4 %.

Nutno konstatovat, že stejně jako u vrcholových sportovců je třeba při dosažení kvalifikace dle §4 pravidelná sebevzdělávací činnost a tvrdá disciplína. Nelze vynechat jediný den bez studia, byť by to mohlo narušit soukromý život jednotlivce. Na snímku je nejmenovaný pracovník při každodenním večerním soustředění.

Modelový příklad koordinace práce ve skupinách osob s různou kvalifikací. (Převzato z praxe) Na níže uvedené ilustraci je možné pozorovat při pořádné práci skupinu osob dle §3 a §4 odstavce 1. pravidla III. Notoricky znalé osoby s kvalifikací dle §4, zřetelné na snímcích v pozadí, si neustále udržují přehled o celé skupině a udávají rytmus práce. Jsou také strategicky rozmístěny tak, aby mohly účinně zasáhnout a případně provést korekční zásah do práce osob s nižší kvalifikací. Tento zásah je patrný na druhém obrázku. Osoby s kvalifikací dle §4 vyhodnotily situaci jako pokles pracovního tempa. Na základě zkušeností a


48

TUL, FM

Šroubárna

Rady na závěr Při práci používejte ochranné pomůcky. Je třeba chránit exponovaná místa pokožky před poškozením. Poškození obvykle vzniká třením případně tupými nárazy. Vzhledem k tomu, že na trhu je celá řada profesionálních ochranných pracovních pomůcek vybrali jsme dvě, snadno dostupné a s nejlepším poměrem užitek/cena. Použití každé z pomůcek uvedených na obrázku je jasné, snad jen pro inspiraci uvedeme příklad použití první z nich. Nejčastějším problémem, který se vyskytuje u pracovníků jsou bolesti hlavy. Na fotografii je vyobrazen pracovník při práci. Je zde možné pozorovat pomůcku 1 instalovanou k ochraně hlavy.

Na další fotografii je zachycena pomůcka 1 v akci, při ochraně proti tupým úderům.

Autor: jBF, Foto: jBF, archiv MM

Katedra elektrotechniky při FM TUL Vás zve na

Výstavu – historie elektrotechniky Aneb první ošahávací výstava na FM

To neznamená, že budete během výstavy ošaháváni, ale že si budete moct šáhnout! Pořádanou v rámci oslav 10. výročí založení Fakulty mechatroniky a mezioborových inženýrských studií

21. června 2005 v učebně EL2 10:00–12:00, 13:00-15:00 (suterén budovy B v areálu TU Husova) Program: Přifázuj si svůj generátor. Unikátní možnost vlastnoručně si na tmu přifázovat synchronní generátor k napájecí síti Chyť si svůj signál. Unikátní možnost ošahat si historické i moderní osciloskopy a to hned a naj e d o u! Vyraž si svoji pojistku. Unikátní možnost vyzkoušet si jistící techniku v akci A spousta dalších točících se, svítících, elektronkových relikvií k ošahání. K nahlédnutí bude mimo jiné přes sto let starý elektrotechnický magazín Elektotechnische Zeitschrift.


49

TUL, FM, KAM

Amarant – rostlina, kterou možná neznáte 2. díl

Amarant – rostlina, kterou možná neznáte 2. díl Využití v energetice Jiří Jelínek Technická univerzita v Liberci, Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií, Katedra měření, Hálkova 6, 461 17 Liberec, Tel.: +420 485 353 647, E-mail: [email protected].

o produkci oxidu uhličitého. Například spotřebou paliva vyrobeného z ropy nebo uhlí vyprodukujeme oxid uhličitý a přidáme jej do ekosystému země. Zasadíme-li strom, za půl století jej pokácíme a pálením dřeva získáme energii, nevyprodukujeme tak oxid uhličitý. Strom po celou dobu svého života oxid uhličitý spotřebovával a pro náš energetický požitek tak vytvořil v ekosystému prostor, prostor pro oxid uhličitý vzniklý při rozkladu celulózy. Druhým důvodem, často uváděným jako důvod hlavní, proč se zabývat obnovitelnými zdroji energie, je hrozba vyčerpání neobnovitelných zdrojů – úplné vytěžení ropy, uhlí a zemního plynu. Obecně můžeme říci, že obnovitelným zdrojem je jakýkoliv postup využití sluneční energie – přímé využití sluneční energie (např. fotovoltaická přeměna na elektrický proud), výše uvedený příklad se stromem, vodní a větrná energie. Za speciální příklad obnovitelného zdroje, který využívá jinou než sluneční energii lze považovat využití přílivu a odlivu.

Abstrakt: V druhém dílu mého seriálu se dozvíte o využití obnovitelných zdrojů energie, o zdrojích které jsou nezávislé na zásobách, o kterých se domníváme, že pocházejí z daleké minulosti. V úvodním díle seriálu byla naznačena souvislost s domácí slivovicí. Pokud si myslíte, že to byl pouze žert máte i nemáte pravdu.

Úvod O obnovitelných zdrojích energie slyšíme stále častěji. Využíváním zdrojů energie rozumíme metody, jak získat energii z přírody v požadované formě (teplo, mechanickou práci, elektrický proud, paliva). Důležitým faktorem pro životní prostředí je úroveň znečistění látkami, které jsou pro přírodu i pro nás cizí nebo dokonce toxické. Se vzrůstajícími energetickými potřebami je a bude nutné sledovat i produkci látek, které sice nejsou v přírodě cizí, nejsou přímo toxické, jsou součástí přírody, ale jejich produkce ve velkém narušuje ekosystém Země. Jedná se zejména Belgie 0%

Irsko 13%

Řecko 6%

Švédsko 20%

Rakousko 13%

Dánsko 8% Norsko 5%

Finsko 24% Itálie 2%

Holandsko 1%

Francie 5%

Slovensko 2%

Česko 1%

Obr. 1: Využívání obnovitelných zdrojů energie v evropských zemích [1] V současnosti je věnováno velké úsilí výzkumu a vývoji technologií a jejich provoznímu ověřování. Světová konference "The main conclu-

sions from the First World Conference and Exhibition of Biomass for Energy and Industry, Sevilla 2000" dala impuls k cílenému rozvoji nových


50

TUL, FM, KAM


technologií, odklánějících se od využívání neobnovitelných zdrojů energie, které vede k produkci plynů tvořících skleníkový efekt [2]. V některých evropských zemích tvoří obnovitelné zdroje značný procentuální podíl celkové energetické spotřeby, viz obr.1.

Problém globálního oteplování Země Globální oteplování Země souvisí právě s využíváním neobnovitelných zdrojů energie a produkcí oxidu uhličitého. Současný ekonomický stav je pro obnovitelné zdroje je nepříznivý. Neobnovitelné zdroje pocházejí převážně z míst, kde je příroda drancována a vyrobená plynná, kapalná i pevná paliva jsou levná – nejsou započítány všechny náklady. Paliva a elektrická energie vyrobená z obnovitelných zdrojů jsou proto obvykle dvakrát až desetkrát dražší. Ekosystém Země je na první pohled velice stabilní. Intenzivní lidská činnost za posledních sto let nezpůsobila zatím žádné globální katastrofy jaké jsou vyobrazeny ve vědeckofantastické literatuře a některých velkofilmech, většinou z produkce hlavního světového znečišťovatele. Vědci, zabývající se výzkumem ekosystému Země, upozorňují na jeho zranitelnost a na skutečnost, že vše co na Zemi vyvedeme se projeví se značným zpožděním desítky až stovky let. Ekosystém země vykazuje tedy něco co by odborníci na regulaci a řízení označili termínem dopravní zpoždění. Za posledních 200 let teplota země vzrostla o 0,6 °C. Vědci odhadují, že skleníkové plyny, které lidé dodali dosud do ekosystému, způsobí v následujících letech postupné oteplení o 1,4 °C až o 5,8 °C. Laické konstatování, že pokud bude mírně tepleji, tak to není vážný problém, je chybné. Oteplení Země způsobí značné meteorologické změny a změní výrazným způsobem koloběh vody v přírodě. Je nutné si uvědomit, že rozmary počasí jako záplavy, sucha nebo hurikány měly v minulém století na svědomí více obětí a hospodářských ztrát než jiné přírodní katastrofy dohromady – zemětřesení, sopečná činnost [3]. V dnešním nejistém světě spousta zemí investuje do technologií na využití obnovitelných zdrojů nejen z důvodu popularity politiků, ale též i z důvodu energetické nezávislosti států. Tato motivace je pravděpodobně silnější než Kjótský protokol z roku 1997. Například ve studentských novinách Tenze jsou naznačeny výsledky průzkumu, ze kterých vyplývá, že strach z fenoménu globálního oteplování má 51 % mladých lidí, dále

respondenti zmiňují terorizmus a vyčerpání neobnovitelných zdrojů.

Druhy obnovitelných zdrojů energie a jejich dostupnost Využívat sluneční energii je možné mnoha způsoby. Přímé fotovoltaické zdroje elektrické energie jsou zatím nedoceněny. V České republice se jedná spíše o ojedinělé aplikace. V některých evropských zemích to lidé myslí opravu vážně. V záměru Evropské unie pro fotovoltaiku je do roku 2010 instalovat 3 GW elektrického výkonu. Tento způsob převodu sluneční energie pracuje s účinností 7–16 %, laboratorně bylo dosaženo 32 % [4]. Můžeme tedy předpokládat, že fotovoltaika ovlivní architekturu 21. století. Je však zřejmé, že nahrazování živé krajiny fotovoltaikou není metodou jak bránit globálnímu oteplování Země. Tento obnovitelný zdroj energie je zajímavý pro pouštní země. Podle propočtů pokrytí přibližně 1 % plochy pouští slunečními články s 15 % účinností by vyprodukovalo více elektrické energie než všechny současné elektrárny světa. Dalším obnovitelným zdrojem je energie větru. Větrná energie patří k nejčistším dostupným energetickým zdrojům. Záměr Unie v roce 2000 čítal 40 GW výkonu. Tento způsob získávání energie je zakořeněn v povědomí lidí. Na našem území je instalace větrných elektráren nevhodná proto, že místa, kde je dostatek větru, leží většinou na horách a v rekreačních oblastech, kde ruší zvěř i lidi, zabíjí ptáky, ohrožují turisty odletujícími kusy ledu z vrtulí, a především hyzdí krajinu, kam stometrové stožáry nepatří [5].

Obr. 2: Větrné generátory umístěné v areálu malé jaderné elektrárny v Dánsku [6] V současně době, zejména v Rakousku a Německu a dalších evropských zemích, slouží též jako „uklidňovače“ ekologických teroristů, viz obr. 2. Je nutno též na rovinu říci, nejen v souvislosti s větrnými elektrárnami, že za znečištění životního prostředí dnes nepovažujeme jen exhalace ze spalování, ale též hluk, elektromagne-


51

TUL, FM, KAM


tické pole a narušování krajiny a života jakýmkoliv způsobem. V minulosti i dnes běžně užívaným obnovitelným zdrojem energie je voda řek a potoků. Naše území je svou geografickou polohou přímo předurčeno k využití vodní energie v malých vodních elektrárnách. Vodní elektrárny se na celkovém instalovaném výkonu v republice podílejí zhruba 17 % a na výrobě necelými 4 %. Technicky využitelný potenciál řek ČR činí 3380 GWh/rok. Z toho potenciál využitelný v malých vodních elektrárnách je 1570 GWh/rok. Dnes využitý potenciál v malých vodních elektrárnách činí zhruba 30 %, tj. cca 500 GWh/rok. Negativní dopady vodních elektráren na životní prostředí nemusí být tak zřejmé jako u větrných elektráren. Neuvážený zásah do vodních ekosystémů může přírodě a životu velice ublížit. Vodní díla bývají často stavěna též s cílem akumulovat energii pro vykrytí energetických špiček a „neposlušnosti“ zdrojů jako sluneční a větrné elektrárny. Je nutno připomenout, že jediným známým způsobem jak akumulovat elektrickou energii ve velkém je přečerpávací elektrárna! Nechme se překvapit zda bude objevena rafinovanější metoda. V oboru mobilních technologií to budou pravděpodobně palivové články.

finanční prostředky, které věnují státní rozpočty zemí na zmírnění škod způsobených těžbou a na sociální program horníků. Dalším příkladem může být výpočet skutečné ceny elektrické energie z jaderné elektrárny, spočítáme-li cenu její stavby, jejího provozu a přičteme náklady na její likvidaci – zakonzervování na věčné časy. Poslední zmíněná položka bývá vyšší než vybudování elektrárny. To je skutečný důvod proč je plánován útlum jaderné energetiky.

V souvislosti s trvale udržitelným rozvojem bývají stále častěji zmiňovány biotechnologie, zejména pak využití sluneční energie tím nejpřirozenějším způsobem a to pomocí fotosyntézy rostlin (obr.3).

Biomasa z amarantu

Obr. 3: Zdroje a produkty fotosyntézy Vraťme se tedy zpět na stromy ☺ – tedy principiálně k výše zmíněnému příkladu stromu a metodám využití nahromaděné energie. Příroda má totiž jednu úžasnou schopnost přeměňovat vodu, oxid uhličitý, dále i dusík a procentuálně malé množství dalších prvků v rozmanité energeticky bohaté sloučeniny. Proto, abychom nahradili všechny formy energie na které jsme si zvykli od doby parních strojů, tj. pevné palivo, elektrická energie, palivo pro zážehové spalovací motory, palivo pro vznětové spalovací motory, topný plyn, je nutné vyvinout nové technologie, které budou ekonomicky konkurenceschopné. Podle současných propočtů to není nemožné, zvláště započítáme-li např. k ceně uhlí

Biomasa Biomasou rozumíme veškerou hmotu organického původu, tj. veškerou živou hmotu. Biomasa rostlinného původu bývá v české literatuře označována termínem fytomasa. V anglické literatuře tento termín používán není. Pro energické účely můžeme využít biomasu jakéhokoliv původu: dřevo, vše ze zemědělské produkce, tráva, sláma, živočišný odpad, kaly z čistíren odpadních vod. Odpady lze ekologicky zpracovávat a současně využít energii, která při samovolném rozkladu zůstala nevyužita nebo biomasu cílevědomě zemědělsky produkovat a zpracovávat – přímo spalovat nebo přeměňovat na jiná paliva.

Z pohledu efektivní produkce biomasy je zajímavá rostlina amarant, která byla obecně představena v minulém dílu seriálu. Amarant patří do skupiny rostlin s C4 cyklem, které mají velkou rychlost fotosyntézy – fixace CO2, mají sníženou fotorespiraci a dosahují vysoké hodnoty fotosyntetické produkce, tedy tvorby biomasy. Některé odrůdy amarantu jsou schopny za příznivých klimatických podmínek vytvořit až 4× více biomasy než k tomuto účelu pěstované rostliny. Amarant lze výhodně pěstovat na polích, která nejsou potřebná pro produkci potravin. Současné odhady, dle údajů Ministerstva zemědělství, čítají přibližně 1 milion ha zemědělské půdy, která není nezbytná pro produkci potravin či krmiv. Jedná se o značnou plochu, na které lze pěstovat ,,zelenou“ energii. Pro naše klimatické podmínky jsou studie výtěžku etanolu cca 1 400 litrů z 1 ha [7]. Významnou výhodou pro pěstitele energetických rostlin jsou dotace Ministerstva zemědělství v rámci programu uvádění půdy do klidu. Jedná se o nařízení vlády č. 86/2001 Sb., kde je v příloze č. 5 uveden seznam rostlin, určených pro energetické využití [8].


52

TUL, FM, KAM


Způsoby energetického využití biomasy Spalování dřeva je triviální příklad využití biomasy. Pokud chceme běžně používaná tekutá a plynná paliva vyráběná dnes převážně

R os tlin n á

z neobnovitelných zdrojů nahradit, potřebujeme speciální postupy a technologie pro zpracování biomasy. Různé směry a metody znázorňuje obr. 4.

f y t o m asa

Úprava Drcení , lisování , sušení

Spalování

Pyrolýza

Zplyňování

Zkapalňování

Fermentace etanolová

Generátorový plyn

Dřevěné uhlí

Kompostování

Fermentace

Syntéza Anaerobní fermentace metanová

Vysokopotenciální teplo

Syntetický plyn

Metanol

Těžký olej

Etanol

Bioplyn Metan

Nízkopotenciální teplo

Plynová turbína Palivové články

Kotel

Tepelné čerpadlo

Parní turbína Vytápění TUV

Elektřina

Kapalná paliva a oleje

Obr. 4: Schéma směrů využití fytomasy [9]


53

TUL, FM, KAM


Způsobů zpracování biomasy je samozřejmě více. Zaměříme-li se na výrobu paliv, musíme například zmínit výrobu bionafty z řepkového oleje. Protože toto palivo není ideální náhradou klasické motorové nafty, jsou hledány další metody a technologie. Byl objeven z působ výroby velice čistého paliva pro vznětové motory z metanu, zatím laboratorně. Některé další informace o využití biomasy znázorňuje následující tabulka 1). Tab. 1: Technologie zpracování biomasy a jejich produkty [10]

Chemické přeměny

Technologie

Produkty Výstupy

Spalování

Teplo, elektřina

Zplyňování Rychlá pyrolýza

Chemické přeměny ve vodním prostředí

Biologické procesy

Zkapalňování Esterifikace Anaerobní fermentace Alkoholové kvašení Kompostování

Olej, plyn, dehet, metan, čpavek, metanol Olej Metylester řepkového oleje Bioplyn (metan) Bioetanol Teplo (z chlazení kompostu)

Palivo pro zážehové motory, benzín, není problém nahradit upravením etanolu vyrobeného anaerobní fermentací fytomasy. Například v Brazílii při ropné krizi zahájili výrobu bioetanolu z cukrové třtiny a zajistili tak pohonné hmoty až z 80 % potřeby celé země. Do směsi s ropným benzínem lze použít bioetanol nebo metyl-tercbutyléter (MTBE) a etyl-terc-butyléter (ETEBE), což jsou oxigenáty obsahující kyslík. Jejich příměs snižuje emise motorů, hlavně oxid uhelnatý a uhlovodíky. Při využívání bioetanolu v automobilech, kde není třeba upravovat motory lze používat např. tyto směsi: benzín s příměsí 5–7 % etanolu, nebo s 13–15 % ETEBE hmotnostních. Příměs ETEBE do benzínu je výhodná, proto je jeho výroba u nás zaváděna. V roce 2000 byl u nás vyroben ETEBE asi ze 700 tun bioetanolu [8].

Anaerobní fermentace Biologický rozklad organických látek je komplex fyzikálních, chemických a biologických pochodů. Jedná se o působení mikroorganismů a enzymů na organickou hmotu, kde výsledkem je rozklad organických látek až na jednoduché slou-

čeniny. Biologicky odstranitelné organické látky se mohou činností mikroorganismů rozkládat aerobně, za přístupu vzduchu, nebo anaerobně, bez přístupu vzduchu a kyslíku, případně průběhem obou procesů současně. Rozdíl mezi hlavními dvěma způsoby je ve složení biomasy a v konečných produktech rozkladu. Při aerobním rozkladu mikroorganismy odbourávají biochemicky rozložitelné organické látky, přičemž se uvolňuje energie a CO2 a probíhá syntéza nové biomasy. Při anaerobním rozkladu vznikají produkty redukce, především metan. Při aerobních mikrobiálních procesech je přibližně 60 % energie spotřebováno na syntézu nové biomasy a 40 % se ztrácí ve formě reakčního tepla. Při anaerobních procesech je téměř 90 % energie obsažené v substrátu zachováno ve vzniklém bioplynu, 5–7 % je spotřebováno na růst nové biomasy a 3–5 % se ztrácí ve formě reakčního tepla [11]. Alkoholová fermentace Z rostlin, které obsahují cukry a škrob, je možné získat organickou fermentací v mokrém prostředí a následně destilací vysokoprocentní etanol. Teoreticky lze z 1 kg cukru získat 0,65 l čistého etanolu. V praxi je však energetická výtěžnost 90 - 95%, protože vedle etanolu vznikají další produkty (např. glycerín) [9]. Alkoholovému kvašení musí předcházet biochemická reakce štěpení škrobu na cukry. Tato reakce se navozuje pomocí průmyslově vyráběných enzymů. Celý proces je znázorněn na obr.5. Spalování biomasy Biomasa bylinného charakteru, nedřevní hmota, se po zahřátí v topeništi mění až z 85 % ve spalné plyny, které vyžadují pro kvalitní spálení jiný systém hoření, než fosilní paliva. Do hořícího paliva musí být zaveden primární vzduch, do hořících plynů sekundární vzduch a u větších topenišť i terciární vzduch. Hořící plameny musí dohořet bez ochlazování v keramické dohořívací komoře. Odebírat teplo lze až v místě úplného vyhoření spalných plynů. Tyto zásady efektivního spalování biomasy je nutné obecně dodržovat ve všech typech kotlů spalujících biomasu. Klasický způsob spalování lze použít především u spalování dřeva a při spalování pevných paliv k tomuto účelu vyrobených z biomasy. Ve světě existují i plantáže rychle rostoucích dřevin. Pěstovány jsou především topoly, které lze sklízet 1× za 3–5 nebo i více let a vrby, kde je sklizeň častější, obvykle 1× za 2–3 roky.


54

TUL, FM, KAM

Amarant – rostlina, kterou možná neznáte 2. díl Voda Kvasinky

ŠKROB (surovina s vysokým obsahem škrobu pšeničná mouka)

MALTÓZA

DEXTRINY

GLUKÓZA

Enzymatický biochemický proces Etanolová fermentace

Enzym amyláza

ETANOL (voda,etanol a organické zbytky)

VODA Destilace Rafinace

Organický odpad

ETANOL

(výpalky)

Obr. 5: Blokové schéma procesů probíhajících při výrobě etanolu

Závěr Představil jsem vám problematiku obnovitelných zdrojů energie. Hlavní cílem do budoucna je nahrazení fosilních pevných, kapalných i plynných paliv palivy vyrobenými výše uvedenými způsoby. Amarant je pro tento účel vhodnou plodinou. V příštích dílech seriálu se dozvíte o významu amarantu v potravinářství a medicíně.

Reference [1] HABÁN, M. Produkcia fytomasy špeciálných a liečivých rastlín [online]. [cit. 31. 3. 2005]. Dostupné z: [2] 1st World Conference and Exhibition of Biomass for Energy and Industry. Sevilla: 2000. ISBN 1902-9131-58. [3] EXNER, J. Studenti se bojí globálního oteplování, mají proč [online]. Tenze – Studentské noviny pro sociálně-kritické myšlení. [cit. 1. 6. 2005]. Dostupné z:

[4] VANĚČEK, M. Přeměna sluneční energie v energii elektrickou. Československý časopis pro fyziku. Praha: Fyzikální ústav Akademie věd České republiky, 2002, roč. 52, č. 2, s. 92-98. ISSN 0009-0700. [5] FEŘTEK, T. Větrníky. Reflex. Praha: 2004, roč. 15, č. 46, s. 86-90. ISSN 0862-6634 [6] JELÍNEK, J. Fotografie jaderné elektrárny. Dánko: 2003. [7] STRAŠIL, Z. Energetické hodnocení vybraných klasických a netradičních alternativních plodin jako zdroje různých energetických paliv. Sborník příspěvků "Kalorimetrický seminář 2000", Zvíkovské Podhradí, 29. května 1. června 2000, pp. 49-53. [8] PETŘÍKOVÁ, V. Biomasa - obnovitelný zdroj energie [online]. [cit. 20. 5. 2005]. Dostupné z: [9] Příručka pro regionální využití biomasy. City plan s.r.o. Česká energetická agentura, 2000. [10] Biomasa pro energii [online]. [cit. 1. 6. 2005]. Dostupné z: [11] HYŠPLEROVÁ, L. Anaerobní rozklad organických odpadů a vznik bioplynu. Hradec Králové, Pedagogické dny: 1996.


55

TUL, FM

Komiks: Bzuk & Bzik


56

TUL, FM

Komiks: Bzuk & Bzik


57

TUL, FM, KEL

Reklama, kterou si zamilujete

Reklama, kterou si zamilujete Milujete reklamu? Nebo ji nesnášíte? Tak jako tak se připravte! V blízké budoucnosti vás reklama totiž skutečně chytne. Představte si poutače a billboardy ve vašem hypermarketu. Nyní vás budou moci reklamy skutečně oslovit, a to díky špičkovým technologiím. Reklamní tabule totiž bude obří LCD panel s nenápadně zabudovanou CCD kamerou. Výkonný software pro rozpoznávání biometrických údajů zařídí zbytek.

Ale ano, jste tu na FM správně. Nedávno totiž fakultu oslovila firma TETRACO International a představila nám tuto vizi. Jako dodavatel vývoje pro další subjekty (Philips, Robert Bosch) mají pod palcem nejnovější video aplikace. Na fakultě hledají schopné a ambiciózní programátory a konstruktéry elektroniky.

Nestůj vzadu a zaber se studiem. Již brzy třeba budeš moci zužitkovat svůj talent v ročníkových projektech, bakalářských a diplomových pracích při zhmotňování vizí budoucnosti. Získat atraktivní zaměstnání a živit se třeba psaním firmware pro plazmy či LCDéčka. Autor: NoMiR

Červnová Monika Matušková Přistupte blíž a rázem budete váš obraz digitalizován, analyzován a podle vašich biometrických údajů budete zařazeni do cílové skupiny zákazníků. Z databáze produktů bude vylovena reklama ušitá přímo na vás. Pro názornost si to trošku rozpitváme. Přistoupí-li k reklamnímu panelu žena středního věku, panel nabídne reklamu na odstranění vrásek. Muž středního věku schytá šot na nejnovější holící strojek a na vůně, kterými si podmaní úplně každou. Dospívající mládeži budou vnucovány přípravky potírající akné. Samozřejmě pouze pokud bude akné na příslušném obličeji rozpoznáno. Pro reklamu budoucnosti nebude jistě problém, abyste se přímo vy stali aktérem reklamy. Oné ženě středního věku reklama názorně ukáže, jak by mohl vypadat její obličejík po aplikaci nejnovější protivráskové formule se zaručeně nejhlubším působením. Výrobci si mohou začít mnout ruce, tento reklamní trhák totiž jistě zabere a kola hospodářského růstu naberou opět na otáčkách. Do vize budoucnosti rychle zapadnou další střípky skládačky. Dokonalejší software bude schopný určit vaši náladu a míru zaujetí. Dobu, po kterou budete na reklamní plochu civět, bude určovat marketingový analytik a programátor, vy si nebudete moct pomoc.

Copak trápí naši Janu, naši dívku rozmilou? Zasmušile kloní hlavu, má se prý stát maminou. To si v máji užívala, teď si shání BABY TEST, výsledek, když bude kladný, tatínkovu pozná pěst. Výmluvy na kondom vadný nedokážou otce splést. Už to měsíc nedostala, doma bude divadlo, prý šla s chlapcem bez ochrany, co ji to jen napadlo? Měla cudně skrývat vnady, podléhat jen nesnadno! Pořád věří, že v tom není, páni, to je naivka, neupouští od modlení, náboženská aktivka. Pomalu už sháním kytky, píšu parte, kopu hrob, už mám kýbl na ty zbytky, až podnikne z okna skok. Kosti, střeva, vlasy, žilky, budu sbírat jako cvok!


58

TUL, FM

Kulturní koutek: Galská válka na Mechatronice

Kulturní koutek: Galská Válka na Mechatronice V úvodníku již bylo zmíněno, že naše fakulta slaví letos svoje desáté narozeniny. K nim dostala nejen nové logo, ale i mnoho sportovních a kulturních akcí.

Jednou z nic bylo také představení známého UNiverzitního Ochotnického Spolku ÚNOS, který nemohl zůstat pozadu. A protože tak náročného diváka, jakým je naše akademická obec, není jednoduché uspokojit, vybral ÚNOS nejstarší a možná nejlepší hru ze svého repertoáru s názvem Galská válka. Hrálo se ve středu 11. května. Přestože šlo o reprízu, účast byla vysoká. Někteří příznivci ÚNOSu se na hru dokonce přišli podívat podruhé.

Antická metoda věštění

Antický brainstorming Diváci se dozvěděli spoustu věcí o antických metodách věštění, šifrování i řešení složitých problémů.

Jiný antická metody věštění

Zvědavý posel

Antické šifrování

V předních řadách hlediště seděl také děkan fakulty, pan Jiří Maryška a pokud mohu soudit podle jeho nepřetržitého úsměvu, představení se mu líbilo. Však také hned po představení členy spolku odměnil řády „Vtipné Thálie“ a „Fakultními Oskary“. A že si to zasloužili o tom vůbec nepochybujte. Konečně o jejich mistrovství svědčí i přiložené fotografie.


59

TUL, FM

Kulturní koutek: Galská válka na Mechatronice ná a trvá něco kolem deseti týdnů. Svou úlohu zde hraje řada faktorů fulikostimulační hormon (FSH), testosteron, řada dalších vitamínů, látek, teplota atp. Takže přistupme k radám:

Předávání cen

Prsatá fakultní Oskarka Autor: MM, foto: FP

1) Držte si tvořítka v chladu! Spermie se nemůže vyvíjet při teplotě těla 37 °C. Tj.vyhněte se horkým, zejména sedacím, koupelím, příliš teplým a upnutým spoďárkům a vůbec jakémukoli teplu odspoda. 2) Buďte testosteronní! Jste-li agresivní, svalnatí, s neustálým chtíčem a s dobře vyvinutými sekundárními pohlavními znaky (ochlupení, hluboký hlas), tak máte vyhráno – testosteronu máte zřejmě dostatek. Pokud ne, zkuste si dopřát toto steroidní anabolikum v bobulích. K zakoupení je v prodejnách pro svalovce. Nebo můžete zkusit vykřesat produkci třeba sportem. 3) Vitaminizujte se! Menzovní strava a kolejní blafy nemusí plně udržet vaše mužství. Hlavně pozor na vitalineární produkty bez tuku! Při malém příjmu nemáte totiž dostatek v tucích rozpustných vitamínů. Pokud máte sklony ke krvácivosti (z nosu) nebo se vám nezdá ejakulát dost hustý, zařaďte si do jídelníčku notné dávky rostlinného oleje – nejlépe olivového. Zdá se, že velké (nad 50 ml) denní dávky olivového oleje zvyšují objem ejakulátu, zvyšují jeho hustotu a zlepšují chuť. Pokud jste masturbantem amatérem a chcete se podílet na výzkumu spermatogeneze na FM, kontaktujte prosím redakci [email protected].

Rady a návody: spermatogeneze Samozřejmě, jde o dlouhodobý proces tvorby zdravé mechatronikovi pohlavní buňky. Vývoj spermie je věc značně komplikova-

Autor: NoMiR

Co s tím, když se nedaří? K^7 vědecko populární časopis TU v Liberci 2/05 –- http://k7.vslib.cz

60

Odpočiň si o prázdninách!

Promoce absolventů FM 29. 6. 2005 Zápis pro I. ročník akademického roku 2005/2006 proběhne v úterý 6. 9. 2005 a středu 7. 9. 2005, vždy od 10.00 hod. učebna B4, budova B, ul. Hálkova 6 Zápis u vyšších ročníků pak v týdnu od 22. 9. do 30. 9. 2005 Akademický rok 2005/2006 bude zahájen 1. 9. 2005 Výuka v zimním semestru začíná od pondělí 3. 10. 2005

61

Úvodní slovo. Obsah. Za redakční radu MM. K^7 vědecko populární časopis TU v Liberci

Recommend Documents