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 ) — 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 и научных целей.

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 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 , увеличенного размера) 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 обучающая 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 цифровом виде 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 , часто 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 гипотез научная визуализация представляет собой использование интерактивных сенсорных представлений, обычно визуальных, абстрактных данных для усиления познания , построения 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 (например, 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, облегчающей 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, структуры атома , 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 системами 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 посредством визуального передача идей отображения информации . 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 критическими потребностями (и финансированием) в области 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 ). VR также характеризуется использованием 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.

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, в которой 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

Эксперименты показали, что задержка более 20  мс между вводом данных и обновлением визуального представления заметна большинству 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, это становится затруднительным или даже невозможным с использованием современных технологий. 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 визуализацию 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, даже несмотря на то, что 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. с уровнем детализации ( LOD Рендеринг ) — 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 конечных разностей ), версию с более низким разрешением можно легко создать, пропустив n точек для каждой 1 отображаемой точки. Подвыборку также можно использовать для ускорения таких методов рендеринга, как объемная визуализация, которые требуют более чем вдвое больше вычислений для изображения вдвое 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 – когда 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