Визуализация (графика)

Несколько терминов перенаправляют здесь. Для других видов использования см. Визуализацию (неоднозначности) .

Визуализация того, как автомобиль деформируется в асимметричном сбое, используя анализ конечных элементов

Визуализация (или визуализация (см. Различия орфографии )), также известная как визуализация графика, является любой методикой для создания изображений , диаграмм или анимации для передачи сообщения. Визуализация с помощью визуальных изображений была эффективным способом передачи как абстрактных, так и конкретных идей после рассвета человечества. Из истории включают в себя картины пещер , египетские иероглифы , греческую геометрию и Леонардо да Винчи революционные методы технического рисунка для технических целей, которые активно включают научные требования.

Визуализация сегодня имеет постоянные приложения в области науки, образования, инженерии (например, визуализации продукта), интерактивной мультимедиа , медицины и т Д. . Изобретение компьютерной графики (и трехмерной компьютерной графики ) может быть наиболее важной разработкой в ​​визуализации с момента изобретения центральной перспективы в период эпохи Возрождения . Разработка анимации также помогла продвинуть визуализацию.

Обзор

, Карта мира Птолемея Птолемея восстановленная из Географии (около 150), указывающая на страны « Серика » и «Синае» ( Китай ) в крайнем праве, за пределами острова «Таплибана» ( Шри -Ланка , негабаритная) и «Аера Chersonesus "( полуостров Юго -Восточной Азии )

Чарльза Минарда Информационная графика Наполеона марша

Использование визуализации для представления информации не является новым явлением. Он использовался в картах, научных чертежах и графиках данных более тысячи лет. Примеры из картографии включают Географию Птолемея (2 -й век н.э.), карта Китая (1137 г. н.э.) и вторжения карту Минарда (1861) в Наполеона Россию полтора столетия назад. Большинство концепций, изученных при разработке этих изображений, переносятся прямо в компьютерную визуализацию. Эдвард Туфте написал три признанные критиками книги, которые объясняют многие из этих принципов.

Компьютерная графика с самого начала использовалась для изучения научных проблем. Тем не менее, в первые годы отсутствие графической силы часто ограничивали его полезность. Недавний акцент на визуализации начался в 1987 году с публикации визуализации в научных вычислениях, специальной выпуск компьютерной графики. С тех пор было проведено несколько конференций и семинаров, спонсируемых Компьютерным обществом IEEE и ACM Siggraph , посвященными общей теме, и особые области в этой области, например, визуализация объема.

Большинство людей знакомы с цифровыми анимациями, созданными для представления метеорологических данных во время погодных отчетов по телевидению , хотя немногие могут различать эти модели реальности и спутниковые фотографии , которые также показаны на таких программах. Телевидение также предлагает научную визуализацию, когда показывает компьютерные нарисованные и анимированные реконструкции дорожных или аварийных аварий. Некоторые из самых популярных примеров научных визуализаций-это компьютерные изображения , которые показывают настоящий космический корабль в действии, в пустоте далеко за пределами Земли или на других планетах . Динамические формы визуализации, такие как образовательная анимация или сроки , могут улучшить обучение систем, которые меняются с течением времени.

Помимо различия между интерактивными визуализациями и анимацией, наиболее полезная категоризация, вероятно, находится между абстрактными и модельными научными визуализациями. Абстрактные визуализации показывают совершенно концептуальные конструкции в 2D или 3D. Эти сгенерированные формы являются полностью произвольными. Визуализации на основе моделей либо помещают наложения данных на реальные или цифровые изображения реальности, либо делают цифровую конструкцию реального объекта непосредственно из научных данных.

Научная визуализация обычно выполняется со специализированным программным обеспечением , хотя есть несколько исключений, отмеченных ниже. Некоторые из этих специализированных программ были выпущены в качестве программного обеспечения с открытым исходным кодом , очень часто его происхождение в университетах, в академической среде, где общее использование программных инструментов и предоставление доступа к исходному коду. Существует также много проприетарных программных пакетов научных инструментов визуализации.

Модели и структуры для создания визуализаций включают модели потока данных , популяризированные таким системами, как AVS, Iris Explorer и VTK Toolkit, и модели состояния данных в системах электронных таблиц, таких как таблица для визуализации и таблицы для изображений.

Приложения

Научная визуализация

Моделирование нестабильности Роли -Тейлора, вызванной двумя жидкостью для смешивания

Основная статья: научная визуализация

В качестве предмета в области компьютерных наук научная визуализация - это использование интерактивных, сенсорных представлений, обычно визуальных, абстрактных данных для усиления познания , создания гипотез и рассуждений . Научная визуализация - это преобразование, отбор или представление данных из моделирования или экспериментов с неявной или явной геометрической структурой, чтобы позволить исследовать, анализировать и понимать данные. Научная визуализация фокусируется и подчеркивает представление данных более высокого порядка, используя в первую очередь графические и анимационные методы. Это очень важная часть визуализации и, возможно, первая, поскольку визуализация экспериментов и явлений так же старая, как и сама наука . Традиционными областями научной визуализации являются визуализация потока , медицинская визуализация , астрофизическая визуализация и химическая визуализация . Существует несколько различных методов визуализации научных данных, при этом реконструкция изо -поверхности и прямой объемный рендеринг более распространен.

Визуализация данных и информации

Основная статья: визуализация данных и информации

Дополнительная информация: инфографика

Относительное среднее использование IPv4

Визуализация данных является связанной подкатегорией визуализации, касающейся статистической графики и геопространственных данных (как в тематической картографии ), которая абстрагирована в схематической форме.

Визуализация информации концентрируется на использовании компьютерных инструментов для изучения большого количества абстрактных данных. Термин «визуализация информации» был первоначально придуман исследовательской группой пользовательского интерфейса в Xerox Parc и включал Jock Mackinlay . Практическое применение визуализации информации в компьютерных программах включает в себя выбор, преобразование и представление абстрактных данных в форме, которая облегчает взаимодействие человека для исследования и понимания. Важными аспектами визуализации информации являются динамика визуального представления и интерактивность. Сильные методы позволяют пользователю изменять визуализацию в режиме реального времени, что обеспечивает непревзойденное восприятие моделей и структурных отношений в рассматриваемых данных.

Образовательная визуализация

Образовательная визуализация использует симуляцию для создания изображения чего -то, чтобы его можно было научить. Это очень полезно при обучении по теме, которую трудно увидеть, например, атомную структуру , потому что атомы слишком малы, чтобы их можно было легко изучить без дорогостоящего и трудно использовать научное оборудование.

Визуализация знаний

Использование визуальных представлений для передачи знаний, по крайней мере, двух человек направлено на улучшение передачи знаний с помощью компьютерного и некомпьютерного визуализации в дополнение к методам визуализации. Таким образом, правильно разработанная визуализация является важной частью не только анализа данных, но и процесса передачи знаний. Передача знаний может быть значительно улучшена с использованием гибридных конструкций, так как это повышает плотность информации, но также может снизить ясность. Например, визуализация трехмерного скалярного поля может быть реализована с использованием ISO-Surfaces для распределения поля и текстур для градиента поля. Примерами таких визуальных форматов являются эскизы , диаграммы , изображения , объекты, интерактивные визуализации, приложения для визуализации информации и воображаемая визуализация, как в рассказах . В то время как визуализация информации концентрируется на использовании компьютерных инструментов для получения новых знаний, визуализация знаний фокусируется на передаче понимания и создании новых знаний в группах . Помимо простой передачи фактов , визуализация знаний направлена ​​на дальнейшую передачу понимания , опыта , взглядов , ценностей , ожиданий , перспектив , мнений и прогнозов с использованием различных дополнительных визуализаций. См. Также: Словарь картин , визуальный словарь

Визуализация продукта

Визуализация продукта включает в себя технологию программного обеспечения для визуализации для просмотра и манипуляции с 3D -моделями, технического рисунка и другой связанной документации изготовленных компонентов и крупных сборков продуктов. Это ключевая часть управления жизненным циклом продукта . Программное обеспечение для визуализации продукта обычно обеспечивает высокий уровень фотореализма, чтобы продукт можно было просмотреть до его фактического изготовления. Это поддерживает функции, от дизайна и стиля до продаж и маркетинга. Техническая визуализация является важным аспектом разработки продукта. Первоначально технические чертежи были сделаны вручную, но с ростом усовершенствованной компьютерной графики чертежная доска была заменена компьютерным дизайном (CAD). Драги и модели CAD имеют несколько преимуществ по сравнению с рисунками ручной работы, такими как возможность трехмерного моделирования, быстрого прототипа и моделирования . Визуализация 3D-продукта обещает более интерактивный опыт для онлайн-покупателей, но также побуждает ритейлеров преодолеть препятствия в производстве 3D-контента, поскольку крупномасштабное производство 3D-контента может быть чрезвычайно дорогостоящим и трудоемким.

Визуальное общение

Визуальная коммуникация это коммуникация идей - посредством визуального отображения информации . В основном связанные с двумя размерными изображениями , он включает в себя: алфанумерику , искусство , знаки и электронные ресурсы. Недавние исследования в этой области были сосредоточены на веб -дизайне и графически ориентированном удобстве использования .

Визуальная аналитика

Visual Analytics фокусируется на взаимодействии человека с системами визуализации как часть более широкого процесса анализа данных. Визуальная аналитика была определена как «наука аналитических рассуждений, поддерживаемой интерактивным визуальным интерфейсом».

Его сосредоточено на человеческом информационном дискурсе (взаимодействие) в рамках массовых, динамически меняющихся информационных пространств. Исследование визуальной аналитики концентрируется на поддержке восприятия и когнитивных операций, которые позволяют пользователям обнаружить ожидаемое и обнаружить неожиданные в сложных информационных пространствах.

Технологии, возникающие в результате визуальной аналитики, находят свое применение почти во всех областях, но обусловлены критическими потребностями (и финансированием) в биологии и национальной безопасности.

Интерактивность

См. Также: Интерактивная визуализация данных и интерактивная доска доски

Интерактивная визуализация или интерактивная визуализация - это ветвь графической визуализации в информатике , которая включает в себя изучение того, как люди взаимодействуют с компьютерами для создания графических иллюстраций информации и как этот процесс может быть сделан более эффективным.

Чтобы визуализация считалась интерактивной, она должна соответствовать двум критериям:

• Человеческий ввод: контроль некоторых аспектов визуального представления информации или представленной информации должен быть доступен для человека и
• Время отклика: изменения, внесенные человеком, должны быть включены в визуализацию своевременно. В целом, интерактивная визуализация считается мягкой задачей в реальном времени .

Одним из конкретных типов интерактивной визуализации является виртуальная реальность (VR), где визуальное представление информации представлено с использованием иммерсивного устройства дисплея, такого как стерео -проектор (см. Stereoscopy ). VR также характеризуется использованием пространственной метафоры, где некоторые аспекты информации представлены в трех измерениях, чтобы люди могли изучить информацию, как если бы она присутствовала (где вместо этого она была удаленным), соответственно (где вместо этого она была В гораздо меньшем или большем масштабе, чем люди могут почувствовать непосредственно) или иметь форму (где вместо этого это может быть полностью абстрактно).

Другим типом интерактивной визуализации является совместная визуализация, в которой несколько человек взаимодействуют с одной и той же компьютерной визуализацией, чтобы передавать свои идеи друг другу или исследовать информацию совместно. Часто совместная визуализация используется, когда люди физически разделены. Используя несколько сетевых компьютеров, такая же визуализация может быть представлена ​​каждому человеку одновременно. Затем люди делают аннотации для визуализации, а также общаются через аудио (то есть телефон), видео (т.е., видео-конференция) или текстовых (т.е., IRC ) сообщений.

Человеческий контроль визуализации

Иерархическая интерактивная графическая система программиста ( PHIGS ) была одной из первых программных усилий по интерактивной визуализации и обеспечила перечисление типов входных людей. Люди могут:

1. Выберите некоторую часть существующего визуального представления;
2. Найти интересующую точку (которая может не иметь существующего представительства);
3. Погладить путь;
4. Выберите опцию из списка параметров;
5. Valuate , вводя число; и
6. Напишите , введя текст.

Все эти действия требуют физического устройства. Входные устройства варьируются от общих клавиатур , мышей , графических таблеток , трекболов и сенсорных панелей - до эзотерических - проводных перчаток , рычагов стрелы и даже всенаправленных беговых дорожек .

Эти входные действия могут использоваться для управления как представленной уникальной информации , так и способа представления информации. Когда представленная информация изменяется, визуализация обычно является частью цикла обратной связи . Например, рассмотрим систему авионики самолета, в которой входы пилота рукают, тона и рыскания и система визуализации обеспечивают рендеринг нового отношения самолета. Другим примером будет ученый, который меняет симуляцию, когда он работает в ответ на визуализацию его текущего прогресса. Это называется вычислительным рулевым управлением .

Чаще, представление информации изменяется, а не сама информация.

Быстрый ответ на человеческий вклад

Эксперименты показали, что задержка в размере более 20 мс между тем, когда предоставляется вход, и обновляется визуальное представление, заметна большинством людей Полем Таким образом, желательно для интерактивной визуализации обеспечить рендеринг , основанный на человеческом вводе в течение этого периода времени. Однако, когда большие объемы данных должны быть обработаны для создания визуализации, это становится тяжелым или даже невозможным с текущей технологией. Таким образом, термин «интерактивная визуализация» обычно применяется к системам, которые обеспечивают обратную связь для пользователей в течение нескольких секунд после ввода. Термин интерактивная частота кадров часто используется для измерения, насколько интерактивной является визуализация. Кадры измеряют частоту, с помощью которой изображение (кадр) может генерироваться с помощью системы визуализации. Кадры 50 кадров в секунду (кадр/с) считаются хорошими, в то время как 0,1 кадра/с считаются плохими. Однако использование кадров для характеристики интерактивности немного вводит в заблуждение, поскольку кадрирование является мерой пропускной способности , в то время как люди более чувствительны к задержке . В частности, можно достичь хорошей частоты 50 кадров/с, но если полученные изображения относятся к изменениям в визуализации, которые человек сделал более 1 секунды назад, он не будет казаться интерактивным для человека.

Быстрое время отклика, необходимое для интерактивной визуализации, является трудным ограничением для встреч, и есть несколько подходов, которые были изучены, чтобы предоставить людям быструю визуальную обратную связь на основе их вклада. Некоторые включают

1. Параллельный рендеринг - где более одного компьютера или видеокарты используется одновременно для визуализации изображения. Несколько кадров могут быть отображены одновременно различными компьютерами, а результаты, передаваемые по сети для отображения на одном мониторе . Это требует, чтобы каждый компьютер удерживал копию всей информации, которая будет представлена ​​и увеличивает пропускную способность, но также увеличивает задержку. Кроме того, каждый компьютер может отображать другую область одного кадра и отправлять результаты по сети для отображения. Это снова требует, чтобы каждый компьютер хранил все данные и может привести к дисбалансу нагрузки, когда один компьютер отвечает за то, чтобы отображать область экрана с большей информацией, чем другие компьютеры. Наконец, каждый компьютер может отображать всю кадр, содержащую подмножество информации. Полученные изображения плюс связанный буфер глубины могут затем быть отправлены через сеть и объединены с изображениями с других компьютеров. Результатом является единственный кадр, содержащий всю информацию, которая будет представлена, хотя память ни в одной информации не хранила всю информацию. Это называется Параллельная глубина композита и используется, когда большие объемы информации должны быть представлены интерактивно.
2. Прогрессивный рендеринг - где кадр гарантируется путем отменения некоторого подмножества представленной информации и обеспечения дополнительных (прогрессивных) улучшений в рендеринг, как только визуализация больше не изменится.
3. ) уровня ( ( LOD Рендеринг LOD) -где упрощенные представления информации представлены для достижения желаемой кадры, в то время как человек обеспечивает ввод, а затем полное представление используется для создания неподвижного изображения, как только человек пройдет через манипулирование визуализацией. Одним из распространенных вариантов рендеринга LOD является субместинг . Когда представленная информация хранится в топологически прямоугольной массиве (как это обычно с цифровыми фотографиями , МРТ -сканированием и конечными разницами ), версия с более низким разрешением может быть легко генерирована путем пропуска N баллов для каждого визуализации 1 точки. Подбадризация также может использоваться для ускорения методов рендеринга, таких как визуализация объема, которые требуют более чем вдвое больше вычислений для изображения вдвое больше. Образуя меньшее изображение, а затем масштабируя изображение, чтобы заполнить запрошенное пространство экрана, для отображения тех же данных требуется гораздо меньше времени.
4. Бесплатный рендеринг - где визуализация больше не представлена ​​как временные ряды изображений, а как единственное изображение, где различные области обновляются с течением времени.

Смотрите также

• Графическое восприятие
• Способность пространственной визуализации

Дальнейшее чтение

• Баттити, Роберто ; Мауро Брунато (2011). Реактивная бизнес -аналитика. От данных до моделей до понимания . Тренто, Италия: Реактивный поиск SRL. ISBN  978-88-905795-0-9 .
• Бедсон, Бенджамин Б. и Бен Шнайдерман . Ремесла информационной визуализации: чтения и размышления , Morgan Kaufmann, 2003, ISBN   1-55860-915-6 .
• Кливленд, Уильям С. (1993). Визуализация данных.
• Кливленд, Уильям С. (1994). Элементы графических данных.
• Чарльз Д. Хансен, Крис Джонсон. Справочник по визуализации , Academic Press (июнь 2004 г.).
• Краветц, Стивен А. и Дэвид Уамбл. редакция Введение в биоинформатику. Totowa, NJ Humana Press, 2003.
• Mackinlay, Jock D. (1999). Чтения в визуализации информации: использование видения для мысли . Card, SK , Ben Shneiderman (Eds.). Morgan Kaufmann Publishers Inc. с. 686 . ISBN  1-55860-533-9 .
• Уилл Шредер, Кен Мартин, Билл Лоренсен. Инструментарий визуализации, к августу 2004 года.
• Спенс, Роберт Информационная Визуализация: Дизайн для взаимодействия (2 -е издание) , Prentice Hall, 2007, ISBN   0-13-206550-9 .
• Эдвард Р. Тафте (1992). Визуальное отображение количественной информации
• Эдвард Р. Тафте (1990). Представляя информацию.
• Эдвард Р. Тафте (1997). Визуальные объяснения: образы и количества, доказательства и повествование.
• Мэтью Уорд, Жорж Гринштейн, Даниэль Кейм. Интерактивная визуализация данных: основы, методы и приложения. (Май 2010).
• Уилкинсон, Леланд . Грамматика графики, Springer ISBN   0-387-24544-8

Внешние ссылки

• Национальный институт стандартов и технологий
• Учебники по научной визуализации, Georgia Tech
• Студия научной визуализации (НАСА)
• Visual-literacy.org , (например, периодическая таблица методов визуализации )

Конференции

Многие конференции встречаются там, где представлены и опубликованы академические статьи интерактивной визуализации.

• Амер. Соц Информационной науки и техники (ASIS & T SIGVIS) Группа особого интереса в области визуализации и звука
• ACM Sigchi
• ACM Siggraph
• Виды ACM
• Еврографика
• IEEE визуализация
• Транзакции ACM на графике
• IEEE транзакции на визуализацию и компьютерную графику