BAZE PODATAKA KAO 3D MODELI - OSNOVA SIGURNOSNOG PRIKAZIVANJA

Krešimir Štih, Sanja Bjelovučić Kopilović

Sažetak

Prijenos informacija uvijek otvara niz pitanja za korisnika informacija. Ovaj rad opisuje ideju oblikovanja baza podataka koje svoje slogove ne definiraju alfanumeričkim podacima, već umjesto njih koriste 3D modele uz eventualno dodavanje zadanih geometrijskih elemenata - točaka, krivulja, likova i tijela. Uz osnovne elemente teorije informacija razmatra se primjena sigurnosnog kodiranja u okvirima sigurnosti prijenosa (i pohrane) informacije kao 3D modela sa stanovišta konzistentnosti same informacije, ali i sigurnosti podataka od neovlaštenog korištenja u otvorenom sustavu. Mogućnost korištenja gotovih aplikacija kojima se računalna ili inženjerska grafika koristi svakako je prednost, a u konkretnim primjerima AutoCAD 2004 je poslužio kao programski alat. Ciljana područja prijenosa manje količine podataka pokazuju prednosti u primjeni. Iako veće količine podataka mogu stvoriti poteškoće zahtijevajući složene 3D modele, problemu se može doskočiti uvođenjem renderiranih ploha pomoću bitmapa kao nosioca korisne informacije. Na kraju se praktičnim primjerom demonstrira prikladnost korištenja transformiranja standardne baze podataka (skladište u konkretnom primjeru) u bazu koju čine jednostavni 3D modeli.
Ključne riječi: računalna grafika, informacija, baza podataka, 3D modeliranje, AutoCAD

DATA BASE AS 3D MODEL - DATA SECURITY BASICS

Krešimir Štih, Sanja Bjelovučić Kopilović

Summary

Information transmission often requires specific analysis. This article describes specific data base generation not using standard alphanumeric annotation but using 3D modelling structure sometimes with included other geometric elements - points, curves, shapes and models. Data transmission consistency using basic theory of information is considered as well as unauthorised exploitation of information used in open systems. Possibility of using standard computer graphic applications is a benefit. In selected examples AutoCAD 2004 is used as programming tool. Targeted transmission data area is optimised for small-scale information system showing advantages in implementation. Larger scale information systems may cause difficulties requiring sophisticated 3D models, but the problem may be solved using bitmaps rendered to the surfaces of 3D models. Substantial example of transformed standard database (warehouse) to 3D model database shows convenience of using the proposed procedure in every day application.
Key words: computer graphics, information, data base, 3D modelling, Auto CAD

Osnovna ideja razmatra povezivanje i uspostavljanje korelacije odabrane baze podataka s proizvoljno odabranim 3D računalno generiranim modelima korištenjem pretpostavljene zakonitosti generiranja modela. Kroz prikaz biti ideje koreliranja podataka i 3D modela analizira se pregled moguće primjene korelacije baze podataka i 3D grafike. Kroz nekoliko primjera generiranja koreliranje 3D grafičke baze podataka prikazuju se mogućnosti primjene.
Podaci i komuniciranje
Podaci, odnosno određena informacija mogu se promatrati kao osnovni dijelovi određenog procesa. Vrlo je lako uspostaviti relaciju između podataka i procesa tako da se može reći da podaci na svojevrstan način jednoznačno određuju pojedini proces. U svakom slučaju, podaci prenose određenu informaciju.
Prema teoriji informacija, postoji čitav niz kriterija kako se određuje sadržaj informacije unutar nekog komunikacijskog kanala. Tako podaci mogu sadržati skup elemenata čiji je podskup korisna informacija, dok poseban podskup može sačinjavati elemente za zaštitu podataka od smetnji, ali isto tako i redundantnu informaciju koja se koristi kako bi se na kraju komunikacijskog kanala regenerirala izvorna informacija koja se tijekom prijenosa komunikacijskim kanalom zbog utjecaja smetnji degradirala.
Osim navedenog, bitna je i širina propusnosti prijenosnog kanala koju karakterizira količina prenesenih elemenata informacije u jedinici vremena. Očigledno je da upravo spomenuta širina propusnosti određuje brzinu prijenosa. Širina propusnosti i brzina prijenosa obrnuto su proporcionalne. Dok je protok informacija malen (na pr. čitanje knjige), širina propusnosti nije kritična. U rečenom primjeru širinu propusnosti može se promatrati kao otvorene dvije stranice knjige. Prosječni čitač knjigu će čitati redak po redak što znači da koristi tek mali dio propusne širine komunikacijskog kanala. Uvježbani će čitač, međutim, čitati odsječke teksta istovremeno (tzv. “brzo čitanje”) te će u njegovom slučaju propusna širina biti bolje iskorištena. Na kraju, može se promatrati događaj u kojem prosječni čitač i izvježbani čitač istovremeno zajedno čitaju istu knjigu. Izvježbani čitač koristi veću propusnu širinu komunikacijskog kanala i brže dovršava čitanje stranice. Jasno je da, okrene li stranicu, onemogućava prosječnom čitaču pristup informaciji, a čeka li ga gubi prednost koju je stekao brzim čitanjem.
Poseban primjer može predstaviti knjiga vrlo male stranice. Za uvježbanog čitača veličina stranice je premala - neprikladna, odnosno, čitač ne može postići odgovarajuću brzinu prijenosa informacija, a razlog je upravo premala širina propusnosti komunikacijskog kanala - u ovom primjeru veličina stranice.
U praksi širina kanala redovito je ograničena i kompromis je između raspoloživosti, zahtjeva za brzinu prijenosa te sigurnosti prijenosa. Ova tri osnovna kriterija međusobno su u suprotnosti.
Pod pojmom “prijenos informacije” misli se na opće manipuliranje informacijom. Osim uobičajenog značenja koje podrazumijeva razmjenu informacije, pojam se može promatrati i kao pohranu informacije. Naime, svrha pohrane informacije u konačnici je njezino korištenje s vremenskom odgodom što u osnovi znači prijenos informacije vremenski vrlo sporim komunikacijskim kanalom. U gornjem primjeru knjiga se može promatrati kao vremenski potpuno neovisan komunikacijski kanal, dok se tiskarski stroj promatra kao svojevrsni modulator, a čitač demodulator ili detektor informacije.
Sadržaj informacije i opis
Kao najjednostavniji sadržaj informacije za primjer može poslužiti pisani tekst na papiru. Razne kulture naroda razvile su različite metode zapisa: od slikovnog pisma do bilježenja pojedinačnih glasova. Samim time definira se i složenost samog pisma kojim se koristi, ali i veličina zapisa. Pojedini narodi uočili su i pojavu redundancije u bilježenju pojedinačnih glasova, a kako su komunikacijski kanal - papir ili sličan nosač zapisa - koristili pažljivo, tako je i degradacija zapisa bila zanemariva te su pojedina pisma izbacila neke znakove pri pisanju teksta. Da je tome stvarno tako, moguće je tekst pisan hrvatskim jezikom zapisati izbacivši pojedine glasove (uglavnom samoglasnike) da bi tekst i dalje ostao razumljiv.
Informaciju može predstavljati zadana baza podataka. Općenito baze podataka sadrže velike količine podataka, a u većini slučajeva potreban je samo karakteristični dio podataka, na pr. pojedini slog iz karakterističnog niza. U posebnim slučajevima, baza podataka pretražuje se po određenim kriterijima, dok se u određenim okolnostima zahtjeva zaštita podataka.
Konačno, kao što se u gornjem primjeru informaciji pridružuje skup slova, odnosno glasova kako bi se na prikladan način opisala, na sličan je način moguće informaciju prikazati i drugim sredstvima: govorom, slikom, brojem, modelom, animacijom, binarnim zapisom, ali isto tako i moduliranim radio signalom, optičkim bar kodom itd. Pri tome se za prijenos informacije koriste razni komunikacijski kanali različitih prijenosnih karakteristika: propusna širina, razina degradacije uslijed smetnji, brzina prijenosa itd.

Iz do sada rečenog može se izvesti nekoliko temeljnih zaključaka:
1. Opće baze podataka sadrže veliki broj slogova koji opisuju pojedini element baze
2. Česta potreba u praksi svodi se na korištenje nekoliko slogova elemenata iz skupa,
3. Pristup podacima zahtjeva određeni kriterij, najčešće neki način sortiranja ili identificiranja
4. Prijenosni kanal je ograničen
5. Podaci trebaju biti zaštićeni od degradacije, ali i od neovlaštenog korištenja
Daljnje razmatranje fokusirat će se na prijenos ograničenog sloga elementa informacije uz zahtjev sigurnog prijenosa po pitanju degradacije i neovlaštenog korištenja.
Osnovna ideja je utvrditi način zapisa karakterističnih parametara informacije. Kao što je na pr. mjere nekog prostora moguće prikazati brojčanim vrijednostima kojima se prema određenom pravilu dodaje redundancija kako bi podaci bili zaštićeni od degradiranja, tako je te brojčane vrijednosti moguće prikazati i nekim drugim načinom. U konkretnom slučaju, informacija će se prikazati koreliranim 3D modelom.
Karakteriziranje 3D modelom
Ideja karakteriziranja informacije 3D modelom javila se iz relativno jednostavne konstrukcije 3D modela. U sustavu računalne grafike 3D modeli zapisuju se kao vektorska grafika i onoliko su složeni koliko je složena informacija koju se namjerava prenijeti. Sigurnost prijenosa sadržana je u redundanciji koju predstavlja 3D model, odnosno njegov zadani oblik.
Ideja i nije u potpunosti nova: sličnu metodu koristili su seoski trgovci koji su seljacima mijenjali jaja za robu kojom su trgovali - na daski su imali izbušene rupe različitih promjera kojima su određivali “vrijednost” jaja ovisno o veličini - analogno se može reći da je jaje bio 3D model koji sadrži informaciju kupovne vrijednosti
Jasno je da se informacija u izvornom obliku ne može jednostavno pretvoriti u 3D model. Kao i u svakom drugom slučaju, informaciju prethodno valja pripremiti za transformaciju. Tako treba definirati slogove koje će se prenositi i na odgovarajući ih način prilagoditi modeliranju. Za prijenos u izvornom obliku prikladne su numeričke vrijednosti. No, kod numeričkih vrijednosti potrebno je definirati raspon vrijednosti.
Podaci se mogu modelirati njihovim stvarnim rasponom. Drugi način je da se podaci kvantiziraju čime se dobivaju vrlo precizne dimenzije modela.
Kvantizirani i pripremljeni podaci koriste se kao parametri za modeliranje 3D modela. Jedan od prikladnih načina je korištenje standardne 3D aplikacije koja ima mogućnost izrade korisničkih aplikacija kao nadogradnje.
AutoCAD je vrlo zahvalna aplikacija za izradu 3D modela pomoću pretprogramirane korisničke aplikacije. Dodatno, AutoCAD posjeduje mogućnost definiranja podataka s parametrima koji mogu biti generirani tabelarno tako da podaci mogu biti zadani nekom od standardnih računalnih aplikacija, na pr. MS Excel tabelom.
Upravo ovako definirani sustavi pogodni su za složene primjene na pr. u nastavi pri čemu studenti mogu povezati niz procesa u lanac:
1. stvaranje baze podataka
2. identifikacija korisne informacije
3. definiranje područja - domene u kojoj se podaci nalaze
4. priprema podataka za modeliranje
5. 3D modeliranje
6. obrada podataka
Dvije su razine mogućnosti zaštite podataka: zaštita podataka od degradiranja tijekom prijenosa te zaštita podataka od neovlaštenog korištenja
Zaštita podataka od degradiranja svodi se na odabir pogodnog oblika 3D modela. Zada li se model vektorski, prijenos se svodi na prijenos karakterističnih točaka, odnosno parametara (na pr. koordinate vrhova u trodimenzionalnom koordinatnom sustavu, promjeri nekih ploha itd.). Uz uvjet zadanog oblika modela, na prijemnoj strani uvijek je moguće rekonstruirati model čiji oblik je zadan čak ukoliko neki od podataka nisu korektno preneseni (na pr. koordinata vrha stošca sigurno se mora podudarati s koordinatom središta baze). Postoji li dodatna potreba generiranja zaštitnih kodova moguće je unijeti dodatne elemente kao što su dužine, lukovi, likovi ili zadani 3D primitivi ili drugi volumeni s kojima postoje točke korelacije koje treba prenijeti, a na prijemnoj strani dovoljno je provjeriti postoji li korelacija na taj način proračunatih (ili grafički određenih) korespondentnih točaka s generiranim 3D modelom. Uz odgovarajući odabir spomenutih pomoćnih elemenata prema teoriji informacija i redundantnom kodiranju moguće je regenerirati model iako su preneseni podaci degenerirali u prijenosnom kanalu.
Zaštita podataka od neovlaštenog korištenja može se provesti na više načina. Jedan od njih je vezanje podataka uz karakteristične veličine 3D modela. Kako se prijenos koristi isključivo vektorskim zapisom modela, potencijalni neovlašteni korisnik nije u stanju identificirati podatak koji prolazi komunikacijskim kanalom: na primjer, prenosi se broj za koji se unaprijed dogovori da je njegova vrijednost jednaka prostornoj dijagonali kocke. Radi zaštite, kocka se ne prenosi duljinom stranice (koordinate dva susjedna vrha) već se prenosi koordinatama jednoga vrha te sjecištem poznatog zadanog pravca koji prolazi bazom kocke, dakle prenose se koordinate tri točke u ravnini iz kojih je u potpunosti moguće na prijemnoj strani rekonstruirati kocku te odrediti njezinu prostornu dijagonalu (u prikazanom primjeru je isto moguće odrediti i matematičkom jednadžbom, međutim, korištenjem složenijih 3D modela do rješenja je lakše doći izravnim očitanjem iz modela).
Drugi način zaštite pomalo sliči zaštiti podataka prilikom korištenja otvorene veze. U potpunosti se može iskoristiti gornji primjer s kockom uz mali dodatak. Zadani pravac iz primjera mijenja položaj slično kao što se mijenja kodni broj za provođene bankovnih transakcija preko interneta, a točke na kojima sječe bazu kocke prenose se samo s dijelom koordinata. Uz poznati položaj pravca na prijemnoj strani u potpunosti je moguće regenerirati kocku. Time je i postignuta zaštita najmanje jednake razine. Naime, prenošeni podaci u slučaju prijenosa 3D modela na ovakav način niti u jednom elementu ne sadrže izravan podatak. Da bi se traženi podatak dobio, potrebno je poznavati oblik 3D modela i položaj dodatnih elemenata. Uvjet da prijemna i predajna strana čine zatvoreni sustav dovoljan je da podaci ostanu zaštićeni. Dio karakterističnih točaka dostupan je otvorenom vanjskom svijetu, međutim podaci su nedovoljni da bi se dobio zaštićeni podatak.
Sve ovdje rečeno vrijedi i za podatke pohranjene u nekoj arhivi jer se svaka arhiva može promatrati kako informacija u vremenski neograničenom komunikacijskom kanali propusne širine jednake kapacitetu, odnosno dostupnoj veličini arhive.
Osim prikazanih mogućnosti, uz zaštitu podataka, moguće je koristiti i još neke pogodnosti koje proizlaze iz korištenja 3D modeliranja kao potencijalnog korištenja kodiranja za formiranje baza podataka. U nekim slučajevima grafička informacija korisnija je od čiste numeričke. Analogija se može povući između klasičnog analognog pokazivača brzine u automobilu s kazaljkom i suvremenog digitalnog pokazivača na kojem se ispisuje numerička vrijednost brzine. Vozač pogledom na brzinomjer više informacija dobiva kratkim pogledom na analogni pokazivač jer brzo uočava u području koje se brzine nalazi. Broj na numeričkom pokazivaču sam po sebi mora očitati i “procesirati” za što mu je potrebno više vremena, a posebno kad je riječ o očitanju. Konačno, vozi li brzinom 75 ili 76 sasvim je nebitno, dok kratkim pogledom na kazaljku jako brzo uočava vozi li bitno brže od 100 km/h.
Kao primjer promatrat će se skladište trgovine obućom. Trgovina raspolaže određenim modelima u različitim veličinama. Prodavači obično nemaju informaciju ima li određeni model cipela u traženoj veličini ili boji, a što je čest upit kupca. Jedno od mogućih rješenja bio bi prikaz skladišta 3D modelima.
Odabir modeliranja moga bi imati sljedeći karakter:
- par cipela prikazuje se modelom stošca
- model se definira promjerom baze stošca (recimo, čizme veliki promjer, cipele srednji, mokasine mali)
- veličina se definira visinom stošca
Prodavač na upit kupca ne treba znati brojno stanje skladišta, već je dovoljno znati postoji li na skladištu barem jedan par traženog modela i veličine.
Rješenje bi moglo biti sljedeće: na zaslonu (a moguće je koristiti i plazma zaslon koji nije rijedak u trgovinama čime bi kupci sami mogli provjeriti stanje) se iscrtavaju stošci za modele i veličine koji su dostupni. Prodavači će se brzo navići na prikaz, a kupcima se može pomoći označavanjem modela na polici odgovarajućim oblikom stošca. Poveže li se sustav vođenja skladišta s blagajnom u svakom će trenutku biti dostupna relevantna informacija.
Na prijemnoj strani podaci se obrađuju prema unaprijed utvrđenom protokolu. Ponovo je izuzetno pogodno koristiti AutoCAD aplikaciju zbog mogućnosti koje nudi korisniku. Uz navedeno, moguće je provođenje testiranja komunikacijskog kanala, na primjer moguće je provesti analizu kvalitete zapisa u arhivi u “sirovom” formatu. Analiza je provediva i vizelno jednostavnim provjeravanjem (vizualnim) konzistentnosti zapisa 3D modela. U složenijim aplikacijama moguće je ispravljanje grešaka. Uzme li se u račun konvencija koja će dozvoljavati vezanje karakterističnih točaka 3D modela za koordinatnu mrežu (grid) AutoCAD sam po sebi nudi mogućnost korekcije podataka. Odgovor na pitanje što ako se dogodi da karakteristična točka zbog degeneracije u komunikacijskom kanalu preskoči na susjednu kvantiziranu točku relativno je jednostavan, a daje ga teorija informacija: razina šuma u komunikacijskom kanalu koji uzrokuje degradaciju informacije treba biti poznata (u velikoj većini slučajeva ova je veličina mjerljiva) te njoj sukladno valja odabrati odgovarajuću razinu kvantizacije kako bi se spomenuta pojava izbjegla.
Traženi podatak moguće je ručno očitati izravno iz modela (u AutoCAD aplikaciji), ali isto tako je dostupna i kroz korištenje standardnih funkcija AutoCAD-a. Slično kao i pri generiranju “3D modelne” baze podataka, moguće je definirati korisničku aplikaciju (na pr. koristeći Visual Basic) koja će sama zadane dimenzije pretvarati u podatke (na pr. jednostavnim korištenjem AutCAD-ovog kalkulatora) te ih izravno ubacivati u MS Excel tabelu, dakle proces u potpunosti komplementaran prethodno opisanom procesu generiranja modela.

Zaključak
Baze podataka “prevedene” u 3D modele u određenim okolnostima pokazuju pogodnosti u odnosu na klasične alfanumeričke podatke. Osim diskretnog definiranja modela koji omogućuje izbjegavanje pogrešaka u komunikacijskom kanalu, moguće je definirati proceduru koja će podatke štiti od neovlaštenog korištenja iako su podaci već sami po sebi, na način kako su definirani, relativno dobra razina zaštite.
U osnovi, traženi podaci predstavljaju niz matematičkih složenih jednadžbi koje se temelje u analitičkoj geometriji, međutim, kroz postupak 3D modeliranje te korištenja dodatnih geometrijskih elemenata i zakonitosti procedura koja definira jednadžbe uvelike se pojednostavljuje. Jednostavnim redefiniranjem oblika 3D modela vrlo se lako prelazi na potpuno drugu definiciju iste veličine što dodatno podiže fleksibilnost ovakve metode.
Nedostatak postupka leži u činjenici da je ovim načinom teže prenijeti veći opseg informacija. Međutim, taj se slučaj analogijom može povezati s vektorskom grafikom i bitmapama. Sljedeći korak bio bi korištenje bitmapa u definiranju složenih baza podataka, a dodatna mogućnost je kombinacija koja se može postići renderiranjem bitmapa na plohe 3D modela čime se dobivaju nove mogućnosti za prijenos složenijih baza podataka.