可視化方法與技術(shù)

1、可視化方法與技術(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在各領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用導(dǎo)致海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生， 數(shù) 據(jù)處理能力的滯后迫切需要研究和開(kāi)發(fā)新的信息處理技術(shù)和方 法?；诖?，海量、異構(gòu)、時(shí)變、多維數(shù)據(jù)的可視化表示和分析 在各領(lǐng)域中日益受到重視并得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。一、可視化概述測(cè)量的自動(dòng)化、 網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程的數(shù)字化和大量的計(jì)算機(jī)仿真 產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)， 超出了人類(lèi)分析處理的能力。 可視化提供了解 決這種問(wèn)題的一種新工具。 一般意義下的可視化定義為： 可視化 是一種使復(fù)雜信息能夠容易和快速被人理解的手段， 是一種聚焦 在信息重要特征的信息壓縮語(yǔ)言， 是可以放大人類(lèi)感知的圖形化 表示方法。 可視化就是把數(shù)據(jù)、 信息和知識(shí)轉(zhuǎn)化為可視的

2、表示形 式并獲得對(duì)數(shù)據(jù)更深層次認(rèn)識(shí)的過(guò)程。 可視化作為一種可以放大 人類(lèi)感知的數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)的表示方法， 日益受到重視并得到 越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 可視化可以應(yīng)用到簡(jiǎn)單問(wèn)題， 也可以應(yīng)用到 復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)表示，從可視化的表示中人們可以發(fā)現(xiàn)新的線(xiàn)索、 新的關(guān)聯(lián)、新的結(jié)構(gòu)、新的知識(shí)，促進(jìn)人機(jī)系統(tǒng)的結(jié)合，促進(jìn)科 學(xué)決策?？梢暬浞掷糜?jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、 用戶(hù)界面、 人機(jī) 交互等技術(shù)， 形象、 直觀地顯示科學(xué)計(jì)算的中間結(jié)果和最終結(jié)果 并進(jìn)行交互處理?？梢暬夹g(shù)以人們慣于接受的表格、圖形、 圖 像等方法并輔以信息處理技術(shù)將客觀事物及其內(nèi)在的聯(lián)系進(jìn)行 表現(xiàn)，可視化結(jié)果便于人們記憶和理解?？梢暬癁槿祟?lèi)與

3、計(jì)算機(jī)這兩個(gè)信息處理系統(tǒng)之間提供了一 個(gè)接口?？梢暬瘜?duì)于信息的處理和表達(dá)方式有其它方式無(wú)法取代 的優(yōu)勢(shì)，其特點(diǎn)可總結(jié)為可視性、交互性和多維性。二、可視化技術(shù)目前，可視化技術(shù)包括數(shù)據(jù)可視化、 科學(xué)計(jì)算可視化、 信息 可視化和知識(shí)可視化等， 這些概念及應(yīng)用存在著區(qū)別、 交叉和聯(lián) 系。一數(shù)據(jù)可視化 數(shù)據(jù)可視化技術(shù)指的是運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)， 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái)， 并進(jìn)行交互處理的 理論、方法和技術(shù)。數(shù)據(jù)可視化的重點(diǎn)是將多維數(shù)據(jù)在二維或三維空間內(nèi)顯示， 這對(duì)初步的數(shù)據(jù)分類(lèi)理解是有意義的。 針對(duì)于此， 產(chǎn)生了許多數(shù) 據(jù)可視化的技術(shù)，大體分為散點(diǎn)矩陣法、投影矩陣法、 平行坐標(biāo)

4、 法、面向象素的可視化技術(shù)、層次技術(shù)、動(dòng)態(tài)技術(shù)、圖標(biāo)表示技 術(shù)、直方圖法及一些幾何學(xué)技術(shù)等等。此外還采用主成分分析、 因子分析、投影尋蹤、主曲線(xiàn)、主曲面、多維標(biāo)度圖和自組織映 射等方法將多維變量表示為二維變量， 依據(jù)此算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn) 單分類(lèi)，并了解各個(gè)特征屬性之間的關(guān)系。二科學(xué)計(jì)算可視化科學(xué)計(jì)算可視化，指的是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技 術(shù)，將工程測(cè)量數(shù)據(jù)、 科學(xué)計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn) 換為圖形圖像在屏幕上顯示出來(lái)， 并進(jìn)行交互處理的理論、 方法 和技術(shù)?？茖W(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)可以劃分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)， 非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和混合 型數(shù)據(jù)，科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)還可以分為標(biāo)量、矢量和張量數(shù)據(jù)。 科學(xué) 計(jì)算可視化技

5、術(shù)主要有兩個(gè)難點(diǎn)： 一是分類(lèi)， 研究如何判斷出可 視化對(duì)象的類(lèi)別； 二是繪制， 研究如何將可視化對(duì)像真實(shí)、 高效 地顯示在屏幕上，使得用戶(hù)可交互式查看。科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)的三維重建方法有大致可分為面繪制和體繪 制兩類(lèi)。面繪制方法首先在三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)中構(gòu)造出中間幾何圖 元如平面、曲面等，然后再由計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)繪制顯示。 其根本思想是提取感興趣物體的外表信息， 再用繪制算法根據(jù)光 照、明暗模型進(jìn)行陰影和渲染后得到最后的顯示圖像； 體繪制是 一種直接由三維數(shù)據(jù)場(chǎng)產(chǎn)生屏幕上二維圖像的技術(shù)。 體繪制技術(shù) 研究的是如何表示、 維護(hù)和繪制體數(shù)據(jù)集， 從而提供洞察數(shù)據(jù)內(nèi) 部結(jié)構(gòu)和理解物質(zhì)復(fù)雜特性的機(jī)制。 體繪

6、制技術(shù)最大優(yōu)點(diǎn)是可以 探索物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 可以描述非定形的物體如肌肉等， 而面繪 制在這些方面比擬弱。三信息可視化信息可視化就是利用計(jì)算機(jī)支撐的、 交互的、 對(duì)抽象數(shù)據(jù)的 可視表示， 來(lái)增強(qiáng)人們對(duì)這些抽象信息的認(rèn)知。 信息可視化是將 非空間數(shù)據(jù)的信息對(duì)象的特征值抽取、 轉(zhuǎn)換、 映射、 高度抽象與 整合，用圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)等方式表示信息對(duì)象內(nèi)容特征和語(yǔ)義 的過(guò)程。信息對(duì)象包括文本、圖像、視頻和語(yǔ)音等類(lèi)型，它們的 可視化是分別采用不同模型方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。信息可視化研究人、 計(jì)算機(jī)表示的信息以及它們相互影響的 技術(shù)。而人機(jī)交互是研究人、計(jì)算機(jī)以及它們相互影響的技術(shù)。 信息可視化可以看作是從數(shù)據(jù)信息到

7、可視化形式再到人的感知 系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)的映射。信息可視化可分為一維數(shù)據(jù)、二維數(shù)據(jù)、 三維數(shù)據(jù)、多維數(shù)據(jù)、時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)、 層次數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可視化 7 類(lèi)。四知識(shí)可視化知識(shí)可視化是在科學(xué)計(jì)算可視化、 數(shù)據(jù)可視化、 信息可視化 根底上開(kāi)展起來(lái)的新興研究領(lǐng)域， 應(yīng)用視覺(jué)表征手段， 促進(jìn)群體 知識(shí)的傳播和創(chuàng)新。知識(shí)可視化研究的是視覺(jué)表征在提高兩個(gè)或兩個(gè)以上人之 間的知識(shí)傳播和創(chuàng)新中的作用。 這樣一來(lái)， 知識(shí)可視化指的是所 有可以用來(lái)建構(gòu)和傳達(dá)復(fù)雜知識(shí)的圖解手段。 除了傳達(dá)事實(shí)信息 之外，知識(shí)可視化的目標(biāo)是傳輸見(jiàn)解、經(jīng)驗(yàn)、態(tài)度、價(jià)值觀、期 望，觀點(diǎn)、意見(jiàn)和預(yù)測(cè)等，并以這種方式幫助他人正確地重構(gòu)、 記憶和應(yīng)用

8、這些知識(shí)。知識(shí)可視化與信息可視化有著本質(zhì)差異， 信息可視化的目標(biāo)在于從大量的抽象數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)一些新的見(jiàn)解， 或者簡(jiǎn)單地使存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)更容易被訪(fǎng)問(wèn)； 而知識(shí)可視化那么是通 過(guò)提供更豐富的表達(dá)他們所知道內(nèi)容的方式， 以提高人們之間的 知識(shí)傳播和創(chuàng)新。三、可視化的應(yīng)用可視化的應(yīng)用范圍十分廣泛， 幾乎可以應(yīng)用于自然科學(xué)、 工 程技術(shù)、金融、農(nóng)業(yè)和商業(yè)等各種領(lǐng)域，其中醫(yī)學(xué)、氣象預(yù)報(bào)、 油氣勘探、 地質(zhì)學(xué)和地理學(xué)等是可視化的典型應(yīng)用。 可視化的重 要性在于，通過(guò)提供對(duì)數(shù)據(jù)和知識(shí)的可視化建立用戶(hù)與數(shù)據(jù)系統(tǒng) 交互的良好溝通渠道， 可以利用人類(lèi)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和模式識(shí)別能力 評(píng)估和提高挖掘出的結(jié)果模式的有效性， 提供對(duì)挖

9、掘結(jié)果的可視 化顯示，使用戶(hù)對(duì)結(jié)果模式能夠有深刻直觀的理解。一數(shù)據(jù)挖掘可視化 數(shù)據(jù)挖掘比擬公認(rèn)的描述性定義是由 U MFayyad 等給出 的，即數(shù)據(jù)挖掘是從數(shù)據(jù)集中識(shí)別出有效的、 新穎的、 潛在有用 的以及最終可理解的模式的非平凡過(guò)程。數(shù)據(jù)挖掘可視化的目的是使用戶(hù)能夠交互地瀏覽數(shù)據(jù)以及 挖掘過(guò)程等。 當(dāng)要識(shí)別的不規(guī)那么事物是一系列圖形而不是數(shù)字 表格時(shí)，人的識(shí)別的速度是最快的。數(shù)據(jù)挖掘可視化分為 3 類(lèi)。 一是源數(shù)據(jù)可視化， 源數(shù)據(jù)可視化是用于表現(xiàn)源數(shù)據(jù)的分布情況 和特性表現(xiàn)。 二是數(shù)據(jù)挖掘過(guò)程可視化， 可以使用戶(hù)更形象的了 解挖掘的流程。 三是數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果可視化。 結(jié)果可視化是將挖掘 出來(lái)

10、的知識(shí)和結(jié)果用可視化的形式表現(xiàn)出來(lái)， 比方柱狀圖等， 有 助于更形象的理解結(jié)果的含義。 結(jié)果可視化應(yīng)用比擬多， 畢竟大 多數(shù)研究成果最后的用戶(hù)他們最關(guān)心的還是結(jié)果， 所以結(jié)果可視 化是一個(gè)很重要的局部?？梢暬夹g(shù)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的結(jié)合形成的可視數(shù)據(jù)挖掘經(jīng) 歷了假設(shè)干階段。 一是初級(jí)圖表可視化階段， 在此階段只是利用 圖表、曲線(xiàn)直方圖、餅圖等顯示數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息總和、均 值等；二是信息查詢(xún)可視化階段，此階段主要利用可視化的人 機(jī)界面，用圖形、圖像顯示查詢(xún)結(jié)果， 對(duì)復(fù)雜的查詢(xún)起到直觀的 表達(dá)，便于用戶(hù)理解； 三是可視數(shù)據(jù)挖掘階段，此階段可以用圖 形方式表示數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系及開(kāi)展規(guī)律， 并引導(dǎo)整個(gè)數(shù)據(jù)

11、挖 掘過(guò)程的進(jìn)行。二復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可視化人們通過(guò)對(duì) Web網(wǎng)絡(luò)、社會(huì)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)、生物網(wǎng)絡(luò)等的研究 發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜 , 如果僅用數(shù)據(jù)表格或文字的形 式來(lái)表示網(wǎng)絡(luò)，理解起來(lái)非常困難 , 導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)所包含的信息無(wú)從 表達(dá)。將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方便、 直觀地表示出來(lái)的最好方法是將其進(jìn)行 可視化。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可視化研究涉及復(fù)雜系統(tǒng)、圖論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù) 據(jù)挖掘、 信息可視化以及人機(jī)交互等多個(gè)領(lǐng)域。 其中受關(guān)注程度 最多的一個(gè)問(wèn)題是可視化算法 , 包括布點(diǎn)算法和可視化壓縮算 法。它的典型應(yīng)用包括可視化信息檢索、可視化通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?可視化基因網(wǎng)絡(luò)或蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)和可視化交通網(wǎng)等。三物流可視化 現(xiàn)代物流業(yè)是運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)

12、其生產(chǎn)、 經(jīng)營(yíng)和承運(yùn)的物 資的流通過(guò)程中所產(chǎn)生的文本、圖像數(shù)據(jù)、聲音、語(yǔ)音、視頻等 所有數(shù)字化信息進(jìn)行采集、分類(lèi)、傳遞、匯總、識(shí)別、跟蹤、查 詢(xún)等一系列處理活動(dòng)， 在符合管理要求的根底上， 實(shí)現(xiàn)對(duì)物資流 動(dòng)過(guò)程的控制，從而降低本錢(qián)、提高效益的管理活動(dòng)。 物流可視 化是可視化技術(shù)在物流領(lǐng)域的綜合應(yīng)用， 它包含了物流信息的采 集、傳輸、分類(lèi)、匯總、圖形化顯示等一系列過(guò)程，以及完成這 些過(guò)程所需的軟硬件。 實(shí)現(xiàn)物流可視化的目的就是為了幫助人們 更好地理解物流信息的本質(zhì)和更方便地操縱信息。四農(nóng)業(yè)可視化 利用數(shù)據(jù)可視化實(shí)現(xiàn)植物在三維空間中的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程。 利 用三維建模與數(shù)據(jù)可視化技術(shù)， 提供對(duì)新農(nóng)村規(guī)

13、劃設(shè)計(jì)與新農(nóng)村 規(guī)劃管理工程審批的直觀、 可行的可視化輔助手段， 為有關(guān)領(lǐng)導(dǎo) 做出最終決策提供幫助。五音樂(lè)可視化 音樂(lè)可視化是對(duì)音樂(lè)表達(dá)的一種非主觀的解釋和判斷, 是為理解、分析、比擬音樂(lè)的表現(xiàn)力和內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供的一種呈現(xiàn)技術(shù)。 音樂(lè)可視化在對(duì)音樂(lè)的特征如波形、頻率、音調(diào)、音高、節(jié)奏、 速度、音色等進(jìn)行提取之后映射到相應(yīng)的可視化效果這種可視化 效果具體形式多樣 , 可以是煙霧、水波、火焰等的變化特別是基 于計(jì)算機(jī)圖形圖像變換處理而產(chǎn)生的、 復(fù)雜的、全新的視覺(jué)效果 , 如虛擬角色小動(dòng)物或人的動(dòng)作變化及其虛擬場(chǎng)景的變幻、 音樂(lè)的 音符、音高、節(jié)拍等的具體形象化視覺(jué)效果等 , 更動(dòng)人心弦。四、存在的問(wèn)

14、題和開(kāi)展方向存在的問(wèn)題包括： 第一是如何提高可視化顯示空間和時(shí)間分 辨率， 以滿(mǎn)足虛擬與物理現(xiàn)實(shí)可視化表示的需求； 第二是可視化 和其它技術(shù)的集成，可視化需要與網(wǎng)絡(luò)、語(yǔ)音、人工視覺(jué)、計(jì)算 和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)合起來(lái)； 第三是找到有效的方法可視化高維數(shù)值的 信息， 或者非數(shù)值的信息， 一個(gè)好的可視化展示會(huì)使所有信息清 晰、分辨性強(qiáng)，同時(shí)利于尋找可視化后的規(guī)律和聯(lián)系； 第四是人 機(jī)可視化交互， 發(fā)現(xiàn)有效的可視化表示方式并用于直接操作用戶(hù) 和可視化系統(tǒng)進(jìn)行交互， 以及用于多個(gè)用戶(hù)間的合作交互； 第五 是定義有效的抽象， 以便用戶(hù)和可視化系統(tǒng)的交互操作， 注意有 效的抽象應(yīng)兼顧可視化表示和易于使用； 第六， 已有的可視化算 法和工具大多用于顯示存在的靜態(tài)結(jié)構(gòu) , 但靜態(tài)結(jié)構(gòu)無(wú)法確切描 述現(xiàn)實(shí)中持續(xù)演變的真實(shí)情況， 怎樣實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)演變過(guò)程