Визуализация (графика)

Сюда перенаправляются несколько терминов. Чтобы узнать о других значениях, см. Визуализация (значения) .

Визуализация того, как автомобиль деформируется при асимметричном столкновении, с помощью анализа методом конечных элементов.

Визуализация (или визуализация (см. различия в написании )), также известная как графическая визуализация, — это любой метод создания изображений , диаграмм или анимации для передачи сообщения. Визуализация посредством визуальных образов была эффективным способом передачи как абстрактных, так и конкретных идей с самого начала человечества. из истории включают наскальные рисунки , египетские иероглифы , греческую геометрию и Леонардо да Винчи революционные методы технического рисования для инженерных целей, которые активно включают научные требования.

Визуализация сегодня имеет постоянно расширяющиеся приложения в науке, образовании, технике (например, визуализация продуктов), интерактивном мультимедиа , медицине и т. д. Типичным примером применения визуализации является область компьютерной графики . Изобретение компьютерной графики (и 3D-компьютерной графики ) может стать самым важным достижением в области визуализации со времени изобретения центральной перспективы в период Возрождения . Развитие анимации также способствовало развитию визуализации.

Обзор

Карта мира Птолемея Птолемея , воссозданная на основе «Географии» (около 150 г.), с указанием стран « Серика » и «Синаэ» ( Китай ) в крайнем правом углу, за островом «Тапробане» ( Шри-Ланка , увеличенный размер) и «Ауреа». Херсонес» ( полуостров Юго-Восточной Азии )

Шарля Минара Информационная графика . о марше Наполеона

Использование визуализации для представления информации — не новое явление. Он использовался в картах, научных рисунках и графиках данных более тысячи лет. Примеры картографии включают «Географию» Птолемея (2 век нашей эры), карту Китая (1137 год нашей эры) и вторжению карту Минара (1861 год), посвященную Наполеона в Россию полтора века назад. Большинство концепций, усвоенных при разработке этих изображений, легко переносятся в компьютерную визуализацию. Эдвард Тафти написал три книги, получившие признание критиков, в которых объясняются многие из этих принципов.

Компьютерная графика с самого начала использовалась для изучения научных проблем. Однако на заре своего существования нехватка графических возможностей часто ограничивала его полезность. Недавний акцент на визуализацию начался в 1987 году с публикации специального выпуска журнала Computer Graphics «Визуализация в научных вычислениях». С тех пор было проведено несколько конференций и семинаров, спонсируемых IEEE Computer Society и ACM SIGGRAPH , посвященных общей теме и специальным областям в этой области, например объемной визуализации.

Большинство людей знакомы с цифровой анимацией, созданной для представления метеорологических данных во время сводок погоды по телевидению , хотя мало кто может отличить эти модели реальности от спутниковых фотографий , которые также показываются в таких программах. Телевидение также предлагает научную визуализацию, когда показывает компьютерные и анимированные реконструкции дорожных или авиационных происшествий. Одними из самых популярных примеров научной визуализации являются компьютерные изображения , на которых изображен реальный космический корабль в действии, в пустоте далеко за пределами Земли или на других планетах . Динамические формы визуализации, такие как образовательная анимация или временные шкалы , потенциально могут улучшить изучение систем, которые меняются со временем.

Помимо различия между интерактивными визуализациями и анимацией, наиболее полезной категоризацией, вероятно, является абстрактная и научная визуализация, основанная на моделях. Абстрактные визуализации демонстрируют полностью концептуальные конструкции в 2D или 3D. Эти сгенерированные формы совершенно произвольны. Визуализации на основе моделей либо накладывают данные на реальные или созданные в цифровой форме изображения реальности, либо создают цифровую конструкцию реального объекта непосредственно на основе научных данных.

Научная визуализация обычно выполняется с помощью специализированного программного обеспечения , хотя есть несколько исключений, отмеченных ниже. Некоторые из этих специализированных программ были выпущены как программное обеспечение с открытым исходным кодом , зачастую возникающее в университетах, в академической среде, где совместное использование программных инструментов и предоставление доступа к исходному коду является обычным явлением. Существует также множество фирменных программных пакетов инструментов научной визуализации.

Модели и платформы для построения визуализаций включают модели потока данных , популяризированные такими системами, как AVS, IRIS Explorer и набор инструментов VTK , а также модели состояния данных в системах электронных таблиц, таких как электронная таблица для визуализации и электронная таблица для изображений.

Приложения

Научная визуализация

Моделирование неустойчивости Рэли-Тейлора, вызванной двумя смешивающимися жидкостями.

Основная статья: Научная визуализация

В качестве предмета информатики познания научная визуализация — это использование интерактивных сенсорных представлений, обычно визуальных, абстрактных данных для усиления , построения гипотез и рассуждений . Научная визуализация — это преобразование, выбор или представление данных моделирования или экспериментов с явной или неявной геометрической структурой, позволяющие исследовать, анализировать и понимать данные. Научная визуализация фокусирует и подчеркивает представление данных более высокого порядка, используя в первую очередь методы графики и анимации. Это очень важная часть визуализации и, возможно, первая, поскольку визуализация экспериментов и явлений стара, как сама наука . Традиционными областями научной визуализации являются визуализация потоков , медицинская визуализация , астрофизическая визуализация и химическая визуализация . Существует несколько различных методов визуализации научных данных, реконструкция изоповерхностей и прямой объемный рендеринг наиболее распространенными из которых являются .

Визуализация данных и информации

Основная статья: Визуализация данных и информации

Дополнительная информация: Инфографика.

Относительное среднее использование IPv4

Визуализация данных — это родственная подкатегория визуализации, имеющая дело со статистической графикой и геопространственными данными (как в тематической картографии ), которые представлены в схематической форме.

Визуализация информации концентрируется на использовании компьютерных инструментов для исследования большого количества абстрактных данных. Термин «визуализация информации» был первоначально придуман группой исследования пользовательского интерфейса в Xerox PARC и включал Джока Маккинли. Практическое применение визуализации информации в компьютерных программах включает в себя выбор, преобразование и представление абстрактных данных в форме, которая облегчает человеческое взаимодействие для исследования и понимания. Важными аспектами визуализации информации являются динамика визуального представления и интерактивность. Сильные методы позволяют пользователю изменять визуализацию в режиме реального времени, обеспечивая тем самым беспрецедентное восприятие закономерностей и структурных отношений в рассматриваемых абстрактных данных.

Образовательная визуализация

Образовательная визуализация использует моделирование для создания изображения чего-либо, чтобы этому можно было обучать. Это очень полезно при преподавании темы, которую иначе трудно увидеть, например, атомной структуры , поскольку атомы слишком малы, чтобы их можно было легко изучать без дорогостоящего и сложного в использовании научного оборудования.

Визуализация знаний

Использование визуальных представлений для передачи знаний как минимум между двумя людьми направлено на улучшение передачи знаний за счет взаимодополняющего использования компьютерных и некомпьютерных методов визуализации. Таким образом, правильно спроектированная визуализация является важной частью не только анализа данных, но и процесса передачи знаний. Передачу знаний можно значительно улучшить, используя гибридные схемы, поскольку они повышают плотность информации, но также могут снижать ее ясность. Например, визуализация трехмерного скалярного поля может быть реализована с использованием изоповерхностей для распределения поля и текстур для градиента поля. Примерами таких визуальных форматов являются эскизы , диаграммы , изображения , объекты, интерактивные визуализации, приложения для визуализации информации и воображаемые визуализации, такие как истории . В то время как визуализация информации концентрируется на использовании компьютерных инструментов для получения новых идей, визуализация знаний фокусируется на передаче идей и создании новых знаний в группах . Помимо простой передачи фактов , визуализация знаний направлена ​​на дальнейшую передачу идей , опыта , отношений , ценностей , ожиданий , перспектив , мнений и прогнозов с использованием различных дополнительных визуализаций. См. также: словарь в картинках , визуальный словарь.

Визуализация продукта

Визуализация продукта включает в себя технологию программного обеспечения визуализации для просмотра и управления 3D-моделями, техническими чертежами и другой сопутствующей документацией изготовленных компонентов и крупных сборок продуктов. Это ключевая часть управления жизненным циклом продукта . Программное обеспечение для визуализации продукта обычно обеспечивает высокий уровень фотореализма, поэтому продукт можно просмотреть до его фактического производства. Это поддерживает самые разные функции: от дизайна и стиля до продаж и маркетинга. Техническая визуализация — важный аспект разработки продукта. Первоначально технические чертежи делались вручную, но с появлением современной компьютерной графики чертежная доска была заменена системой автоматизированного проектирования (САПР). Чертежи и модели CAD имеют ряд преимуществ перед чертежами, выполненными вручную, например, возможность трехмерного моделирования, быстрого прототипирования и моделирования . 3D-визуализация продуктов обещает больше интерактивности для онлайн-покупателей, но также заставляет ритейлеров преодолевать препятствия в производстве 3D-контента, поскольку крупномасштабное производство 3D-контента может быть чрезвычайно дорогостоящим и трудоемким.

Визуальная коммуникация

Визуальная коммуникация это передача идей информации посредством визуального отображения – . В первую очередь связанный с двухмерными изображениями , он включает в себя: буквенно-цифровые символы , искусство , знаки и электронные ресурсы. Недавние исследования в этой области были сосредоточены на веб-дизайне и графически ориентированном удобстве использования .

Визуальная аналитика

Визуальная аналитика фокусируется на взаимодействии человека с системами визуализации как части более масштабного процесса анализа данных. Визуальная аналитика определяется как «наука об аналитическом рассуждении, поддерживаемая интерактивным визуальным интерфейсом».

В центре внимания – информационный дискурс (взаимодействие) человека в огромных, динамично меняющихся информационных пространствах. Исследования в области визуальной аналитики концентрируются на поддержке перцептивных и когнитивных операций, которые позволяют пользователям обнаруживать ожидаемое и обнаруживать неожиданное в сложных информационных пространствах.

Технологии, возникающие на основе визуальной аналитики, находят свое применение практически во всех областях, но обусловлены острой потребностью (и финансированием) в биологии и национальной безопасности.

Интерактивность

См. также: Интерактивная визуализация данных и Интерактивная доска.

Интерактивная визуализация или интерактивная визуализация — это раздел графической визуализации в информатике , который включает изучение того, как люди взаимодействуют с компьютерами для создания графических иллюстраций информации и как этот процесс можно сделать более эффективным.

Чтобы визуализация считалась интерактивной, она должна удовлетворять двум критериям:

• Человеческий вклад: контроль над некоторыми аспектами визуального представления информации или представляемой информации должен быть доступен человеку, и
• Время отклика: изменения, внесенные человеком, должны быть своевременно включены в визуализацию. В целом интерактивная визуализация считается мягкой задачей реального времени .

Одним из конкретных типов интерактивной визуализации является виртуальная реальность (VR), где визуальное представление информации представлено с помощью иммерсивного устройства отображения, такого как стереопроектор (см. Стереоскопия ). Для виртуальной реальности также характерно использование пространственной метафоры, где некоторый аспект информации представлен в трех измерениях, так что люди могут исследовать информацию так, как если бы она присутствовала (где вместо этого она была удалена), имела соответствующий размер (где вместо этого она была удалена). в гораздо меньшем или большем масштабе, чем люди могут ощутить непосредственно), или имело форму (хотя вместо этого оно могло быть совершенно абстрактным).

Другой тип интерактивной визуализации — это совместная визуализация, при которой несколько человек взаимодействуют с одной и той же компьютерной визуализацией, чтобы передавать друг другу свои идеи или совместно исследовать информацию. Часто совместная визуализация используется, когда люди физически разделены. Используя несколько сетевых компьютеров, одна и та же визуализация может быть представлена ​​каждому человеку одновременно. Затем люди делают аннотации к визуализации, а также общаются посредством аудио (например, по телефону), видео (например, видеоконференция) или текстовых (например, IRC ) сообщений.

Человеческий контроль визуализации

Иерархическая интерактивная графическая система программиста ( PHIGS ) была одной из первых программных попыток интерактивной визуализации и обеспечивала перечисление типов ввода, вводимых людьми. Люди могут:

1. Выберите какую-то часть существующего визуального представления;
2. Найдите достопримечательность (которая может не иметь существующего изображения);
3. Обвести путь;
4. Выберите вариант из списка вариантов;
5. Оцените , введя число; и
6. Пишите , вводя текст.

Для всех этих действий требуется физическое устройство. Устройства ввода варьируются от самых обычных – клавиатур , мышей , графических планшетов , трекболов и тачпадов – до экзотических – проводных перчаток , штанг и даже всенаправленных беговых дорожек .

Эти действия ввода можно использовать для управления как представлением уникальной информации , так и способом ее представления. Когда представляемая информация изменяется, визуализация обычно является частью цикла обратной связи . Например, рассмотрим систему авионики самолета, где пилот вводит данные о крене, тангаже и рыскании, а система визуализации обеспечивает визуализацию нового положения самолета. Другим примером может быть ученый, который меняет симуляцию во время ее работы в ответ на визуализацию ее текущего прогресса. Это называется вычислительным управлением .

Чаще всего меняется представление информации, а не сама информация.

Быстрая реакция на действия человека

Эксперименты показали, что задержка более 20 мс между вводом данных и обновлением визуального представления заметна для большинства людей. . Таким образом, желательно, чтобы интерактивная визуализация обеспечивала рендеринг на основе человеческого ввода в течение этого периода времени. Однако, когда для создания визуализации необходимо обработать большие объемы данных, с использованием современных технологий это становится затруднительным или даже невозможным. Таким образом, термин «интерактивная визуализация» обычно применяется к системам, которые предоставляют пользователям обратную связь в течение нескольких секунд после ввода. Термин «интерактивная частота кадров» часто используется для измерения интерактивности визуализации. Частота кадров измеряет частоту, с которой изображение (кадр) может генерироваться системой визуализации. Частота кадров 50 кадров в секунду (кадров/с) считается хорошей, а 0,1 кадра/с — плохой. Однако использование частоты кадров для характеристики интерактивности немного вводит в заблуждение, поскольку частота кадров является мерой пропускной способности , а люди более чувствительны к задержке . В частности, можно достичь хорошей частоты кадров 50 кадров/с, но если созданные изображения относятся к изменениям в визуализации, которые человек сделал более 1 секунды назад, они не будут восприниматься человеком как интерактивные.

Быстрое время отклика, необходимое для интерактивной визуализации, является трудным ограничением, и существует несколько подходов, которые были изучены для предоставления людям быстрой визуальной обратной связи на основе их ввода. Некоторые включают

1. Параллельный рендеринг – когда для рендеринга изображения одновременно используется более одного компьютера или видеокарты. Несколько кадров могут обрабатываться одновременно на разных компьютерах, а результаты передаваться по сети для отображения на одном мониторе . Это требует, чтобы на каждом компьютере хранилась копия всей отображаемой информации, что увеличивает пропускную способность, но также увеличивает задержку. Кроме того, каждый компьютер может визуализировать разные области 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 отображение области экрана с большим количеством информации, чем другие компьютеры. Наконец, каждый компьютер может визуализировать целый кадр, содержащий подмножество информации. Полученные изображения вместе с соответствующим буфером глубины можно затем отправить по сети и объединить с изображениями с других компьютеров. В результате получается один кадр, содержащий всю информацию, подлежащую рендерингу, хотя ни в одной памяти компьютера не хранится вся информация. Это называется параллельная композиция глубины и используется, когда большие объемы информации необходимо визуализировать в интерактивном режиме.
2. Прогрессивный рендеринг — при котором частота кадров гарантируется за счет рендеринга некоторого подмножества представляемой информации и обеспечения дополнительных (прогрессивных) улучшений рендеринга после того, как визуализация больше не меняется.
3. Рендеринг с уровнем детализации ( LOD ) — когда упрощенные представления информации визуализируются для достижения желаемой частоты кадров, пока человек вводит входные данные, а затем полное представление используется для создания неподвижного изображения, когда человек завершает манипулирование визуализацией. Одним из распространенных вариантов LOD-рендеринга является субдискретизация . Когда представляемая информация хранится в топологически прямоугольном массиве (как это обычно бывает с цифровыми фотографиями , МРТ-сканами и моделированием с использованием конечных разностей ), версию с более низким разрешением можно легко создать, пропустив n точек для каждой 1 визуализируемой точки. Подвыборку также можно использовать для ускорения таких методов рендеринга, как объемная визуализация, которые требуют более чем вдвое больше вычислений для изображения в два раза большего размера. Если отрисовать изображение меньшего размера, а затем масштабировать его для заполнения запрошенного пространства экрана, для рендеринга тех же данных потребуется гораздо меньше времени.
4. Безрамочный рендеринг – визуализация больше не представляется как временной ряд изображений, а как одно изображение, в котором различные регионы обновляются с течением времени.

См. также

• Графическое восприятие
• Возможность пространственной визуализации

Дальнейшее чтение

• Баттити, Роберто ; Мауро Брунато (2011). Реактивная бизнес-аналитика. От данных к моделям и знаниям . Тренто, Италия: Reactive Search Srl. ISBN  978-88-905795-0-9 .
• Бедерсон, Бенджамин Б. и Бен Шнейдерман . Искусство визуализации информации: чтение и размышления , Морган Кауфманн, 2003 г., 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.).
• Кравец, Стивен А. и Дэвид Уомбл. ред. Введение в биоинформатику. Тотова, Нью-Джерси Humana Press, 2003.
• Маккинли, Джок Д. (1999). Чтения по визуализации информации: использование зрения для мышления . Кард, СК , Бен Шнейдерман (ред.). Morgan Kaufmann Publishers Inc., стр. 686 . ISBN  1-55860-533-9 .
• Уилл Шредер, Кен Мартин, Билл Лоренсен. Набор инструментов для визуализации, к августу 2004 г.
• Спенс, Роберт Визуализация информации: дизайн для взаимодействия (2-е издание) , Prentice Hall, 2007, ISBN   0-13-206550-9 .
• Эдвард Р. Тафти (1992). Визуальное отображение количественной информации
• Эдвард Р. Тафти (1990). Представление информации.
• Эдвард Р. Тафти (1997). Визуальные пояснения: изображения и количества, доказательства и повествование.
• Мэттью Уорд, Жорж Гринштейн, Дэниэл Кейм. Интерактивная визуализация данных: основы, методы и приложения. (май 2010 г.).
• Уилкинсон, Леланд . Грамматика графики, Спрингер ISBN   0-387-24544-8

Внешние ссылки

• Национальный институт стандартов и технологий
• Учебники по научной визуализации, Технологический институт Джорджии
• Студия научной визуализации (НАСА)
• Visual-literacy.org (например, Периодическая таблица методов визуализации )

Конференции

На многих конференциях представляются и публикуются научные статьи по интерактивной визуализации.

• амер. Соц. по информатике и технологиям (ASIS&T SIGVIS) в области визуализации информации и звука Специальная группа
• АСМ СИГЧИ
• СИГРАФ ACM
• ТИП АКМ
• Еврографика
• IEEE-визуализация
• Транзакции ACM с графикой
• Транзакции IEEE по визуализации и компьютерной графике