可視化與 可視分析研究 - 圖文-

1、北京大學(xué)機(jī)器感知與智能教育部 總體情況及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集群多屏顯示環(huán)境多點(diǎn)式觸控屏幕系統(tǒng)信息可視化高維信息可視化復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可視化科學(xué)可視化體可視化流場(chǎng)可視化醫(yī)學(xué)可視化可視分析時(shí)空信息分析生物信息數(shù)據(jù)先進(jìn)交互技術(shù)Index目 錄PKU VISUALIZATION AND VISUAL ANALYTICS RESEARCH 1 實(shí)驗(yàn)室的電腦設(shè)備包括:由8臺(tái)高性能服務(wù)器組成的集群及超高分辨率顯示器墻1組,多點(diǎn)式觸控屏幕系統(tǒng)1臺(tái),Dell圖形工作站10臺(tái),其他微機(jī)1臺(tái)。實(shí)驗(yàn)設(shè)施實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖實(shí)驗(yàn)設(shè)備可視化與可視分析研究 北京大學(xué) 2 北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 機(jī)器感知與智能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多屏顯示可視化

2、環(huán)境多屏顯示可視化環(huán)境 (Tiled Display Wall,通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)連接的圖形服務(wù)器驅(qū)動(dòng)顯示器墻陣列,實(shí)現(xiàn)大運(yùn)算量的并行計(jì)算和超高分辨率顯示的功能。隨著科學(xué)模擬、圖形學(xué)運(yùn)算及掃描捕獲獲得的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大,精確度越來(lái)越高,對(duì)相應(yīng)圖像和數(shù)據(jù)的顯示、可視化工作成為相關(guān)領(lǐng)域重要而有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。由于單臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和顯示能力有限,常常無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需要,如運(yùn)算速度無(wú)法交互、無(wú)法顯示足夠清晰的大圖等。另一方面,已有研究表明,增大的顯示器大小可以從多方面增進(jìn)研究人員探索工作的效率,幫助個(gè)體更好地進(jìn)行空間思維,促進(jìn)合作研究人員之間的交流。我們自行搭建的Fullerene多屏顯示墻可視化環(huán)境,

3、由32塊30英寸高分辨率顯示器拼接形成一組8x4個(gè)的顯示器墻。 計(jì)算集群包括8臺(tái)高性能圖形服務(wù)器,每臺(tái)服務(wù)器通過(guò)兩個(gè)NV Geforce GTX 275顯卡控制4臺(tái)LCD?？梢蕴峁└哌_(dá)1.3億 (204806400像素的超高分辨率顯示環(huán)境,同時(shí)高性能服務(wù)器的強(qiáng)大存儲(chǔ)和運(yùn)算能力也可以支持更大數(shù)據(jù)集的渲染。在此平臺(tái)上已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)超高分辨率圖像、視頻繪制、3D模型渲染、體渲染、以及一些信息可視化工作的繪制和交互。多點(diǎn)式觸控屏幕系統(tǒng)是一種允許用戶通過(guò)多個(gè)手指(包括多用戶同時(shí)對(duì)圖形應(yīng)用程序進(jìn)行操作,以給用戶提供更加快捷方便、自然和符合日常經(jīng)驗(yàn)的交互體驗(yàn)的一套交互技術(shù)和設(shè)備。多點(diǎn)觸控屏幕系統(tǒng)包括一個(gè)觸控屏

4、幕(可以是屏幕、桌面或墻面等或觸摸板,以及一套用于識(shí)別多點(diǎn)同時(shí)觸摸的軟件系統(tǒng)。有別于普通的單點(diǎn)觸摸屏(比如常見(jiàn)的手寫板,ATM 機(jī)觸摸屏,多點(diǎn)觸控屏幕系統(tǒng)允許多點(diǎn)同時(shí)觸控,能夠提供前者不能提供的復(fù)雜的手勢(shì)交互。實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控屏幕的方法包括溫度檢測(cè)、壓力檢測(cè)、高幀數(shù)的攝像機(jī)檢測(cè)、紅外線檢測(cè)、光學(xué)檢測(cè)等等。多點(diǎn)觸控屏幕系統(tǒng)界面已經(jīng)在一些應(yīng)用中得到了使用,但尚有很大的研究和應(yīng)用推廣空間。集群多屏顯示墻多點(diǎn)觸控屏幕系統(tǒng)多點(diǎn)式觸控屏幕系統(tǒng)PKU VISUALIZATION AND VISUAL ANALYTICS RESEARCH 1 信息可視化信息可視化 (Information Visualizati

5、on 是一門研究非空間數(shù)據(jù)的視覺(jué)呈現(xiàn)方法和技術(shù)的學(xué)科。信息可視化是一個(gè)跨學(xué)科研究領(lǐng)域,它與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、視覺(jué)設(shè)計(jì)、人機(jī)交互、心理學(xué)等學(xué)科有著密切聯(lián)系,與統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)也有著許多相輔相成之處。信息可視化研究已經(jīng)成為了自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、商業(yè)、金融、制造、管理等眾多領(lǐng)域不可或缺的一部分。信息時(shí)代正在帶給人們前所未有的海量信息,而人處理和理解信息的能力是非常有限的。信息可視化正可謂是一種幫助人們更好地理解信息和進(jìn)行思考的方式,旨在創(chuàng)造直觀地傳達(dá)抽象信息,并支持信息探索和驗(yàn)證假設(shè)的方法和技術(shù)。信息可視化中的視覺(jué)呈現(xiàn)方法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為視覺(jué)符號(hào),幫助人類利用視覺(jué)系統(tǒng)的高帶寬來(lái)快速獲取信息;交互技

6、術(shù)和方法允許思想與數(shù)據(jù)的直接交互,更好地驗(yàn)證假想和發(fā)現(xiàn)內(nèi)在聯(lián)系。各種高維度、多層次、時(shí)空、動(dòng)態(tài)、關(guān)系等類型的復(fù)雜數(shù)據(jù)中都有著信息可視化的用武之地。平行坐標(biāo) (Parallel Coordinates平行坐標(biāo) (Parallel Coordinates 是信息可視化中表達(dá)高維數(shù)據(jù)的重要方法之一。它的主要原理是將高維數(shù)據(jù)的各個(gè)變量維度用一系列相互平行的坐標(biāo)軸來(lái)表示,每個(gè)變量對(duì)應(yīng)一條軸,變量值對(duì)應(yīng)軸上的位置,每個(gè)高維數(shù)據(jù)條目對(duì)應(yīng)于平行坐標(biāo)中的一條折線。平行坐標(biāo)可以將幾維至幾十維變量的數(shù)據(jù)同時(shí)直觀地呈現(xiàn)在一張圖中,支持對(duì)高維數(shù)據(jù)的快速查看和分析。圖 (G raphs圖 (Graphs 是信息可視化中表

7、現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)的重要方法之一。它采用節(jié)點(diǎn)代表數(shù)據(jù)條目,用節(jié)點(diǎn)之間的連線代表數(shù)據(jù)條目之間的關(guān)系,通過(guò)布局算法將大量的點(diǎn)及連線有組織地同時(shí)呈現(xiàn)出來(lái)。圖方法能夠快速呈現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)中的大量信息:節(jié)點(diǎn)和連線的視覺(jué)設(shè)計(jì)可以傳達(dá)關(guān)于數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)間關(guān)系的信息,整個(gè)圖的布局則能夠揭示大量數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關(guān)系,相應(yīng)的交互方法能夠幫助用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入地挖掘。圖方法在社會(huì)網(wǎng)絡(luò)、序列分析、搜索服務(wù)等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。樹(shù)圖 (Treemaps樹(shù)圖 (Treemaps 是信息可視化中表現(xiàn)層次數(shù)據(jù)的重要方法之一。樹(shù)圖用具有一定面積的節(jié)點(diǎn)塊來(lái)表示數(shù)據(jù)條目,用節(jié)點(diǎn)塊間的包含或覆蓋關(guān)系表示數(shù)據(jù)之間的層次關(guān)系,節(jié)點(diǎn)的面積、位置和視覺(jué)設(shè)計(jì)

8、能夠表現(xiàn)數(shù)據(jù)條目的屬性。樹(shù)圖采用獨(dú)特的空間填充(Space Filling 策略,每個(gè)層次的節(jié)點(diǎn)填滿父節(jié)點(diǎn)的整個(gè)面積,根節(jié)點(diǎn)填滿整個(gè)顯示區(qū)域,以最大的限度利用所有屏幕空間。樹(shù)圖具有優(yōu)異的顯示效果和交互體驗(yàn),已被廣泛地應(yīng)用于文件和軟件系統(tǒng)、股市、新聞、商品等各種數(shù)據(jù)的表示。 2高維信息可視化高維信息可以通過(guò)維度壓縮、平行坐標(biāo)等手段實(shí)現(xiàn)可視化。對(duì)平行坐標(biāo)可視化的研究包括更好的顯示效果和交互手段,來(lái)使平行坐標(biāo)揭示高維數(shù)據(jù)中的深層信息,以及消除大數(shù)據(jù)量帶來(lái)的線段混亂和重疊等問(wèn)題。平行坐標(biāo)可以通過(guò)與散點(diǎn)圖結(jié)合、引進(jìn)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、增加新穎交互方法和采用新的繪制等方法,來(lái)增進(jìn)在高維信息可視化中的效果。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

9、可視化復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的概念及相應(yīng)的分析方法,已經(jīng)在包括動(dòng)力學(xué)、傳媒學(xué)、文獻(xiàn)學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)等越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域有所滲透。信息可視化技術(shù)的發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)和探究提供了新方法,幫助人們理解和探索多種 類型的行為者經(jīng)過(guò)某些媒介產(chǎn)生的多種形式的關(guān)系。 作者合作關(guān)系網(wǎng)絡(luò)可視化 幾種不同的平行坐標(biāo)可視化系統(tǒng)高維數(shù)據(jù)可視化 1科學(xué)可視化 (Scientific Visualization 是科學(xué)、工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的一門交叉學(xué)科?？茖W(xué)可視化處理的對(duì)象主要為醫(yī)學(xué)、氣象環(huán)境學(xué)、化學(xué)工程、生命科學(xué)、考古學(xué)、機(jī)械等領(lǐng)域的具有空間幾何特征數(shù)據(jù)的時(shí)空現(xiàn)象,對(duì)測(cè)量、實(shí)驗(yàn)、模擬等獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制和提供交互分析手段。研究重點(diǎn)包括

10、對(duì)表面、體的繪制和對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)中信息的選取,表達(dá)等。由于這些科學(xué)和工程領(lǐng)域中數(shù)據(jù)的高度復(fù)雜性,可視化成為了理解這些現(xiàn)象的基礎(chǔ)?？梢暬椒軌蜓杆?、有效地簡(jiǎn)化和提煉數(shù)據(jù),使科學(xué)家能夠通過(guò)直觀地篩選大量的數(shù)據(jù),了解數(shù)據(jù)的內(nèi)涵?？茖W(xué)可視化本身已經(jīng)成為一門獨(dú)立的學(xué)科,研究如何更好地對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行表現(xiàn)和分析,同時(shí)科學(xué)可視化也已經(jīng)成為了其他眾多些科學(xué)領(lǐng)域研究的重要支柱之一。體可視化體可視化是科學(xué)可視化領(lǐng)域中重要的課題之一。體數(shù)據(jù),即三維采樣數(shù)據(jù),已經(jīng)成為很多科學(xué)和工程領(lǐng)域中常見(jiàn)的數(shù)據(jù)類型。體可視化包括從三維體中提取表面,直接體渲染、顏色編碼等一系列技術(shù)。通過(guò)體可視化的方法,研究者可以從二維屏幕上直觀地考察三

11、維體內(nèi)部的信息。體可視化領(lǐng)域的研究主要著眼于如何更好地渲染和傳達(dá)三維數(shù)據(jù)內(nèi)部信息,怎樣自動(dòng)挖掘和利用信息,怎樣更精確快速的渲染和更好的交互,以及更好地運(yùn)用計(jì)算能力等。研究熱點(diǎn)包括繪制方法、傳遞函數(shù)的生成、超大和時(shí)變數(shù)據(jù)的處理、集群和網(wǎng)絡(luò)可視化等。隨著模擬和傳感技術(shù)的發(fā)展和普及,有越來(lái)越多的體數(shù)據(jù)從研究中獲得,數(shù)據(jù)的大小、空間精度、時(shí)間精度也飛速的提高。體可視化方法也在提供著更強(qiáng)的渲染和信息傳達(dá)能力,對(duì)眾多科學(xué)和工程領(lǐng)域提供巨大的支持?？茖W(xué)可視化 體可視化 2流場(chǎng)可視化流場(chǎng)可視化是科學(xué)可視化的重要分支,對(duì)流體研究有著巨大的意義。計(jì)算流場(chǎng)可視化運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù),將流場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維或

12、三維圖形、圖像或動(dòng)畫(huà)進(jìn)行呈現(xiàn),并對(duì)其模式和相互關(guān)系進(jìn)行可視化分析,是流體力學(xué)研究中不可缺少的手段。目前流行的流場(chǎng)可視化方法包括直接方法、基于幾何的方法、基于紋理的方法等,直接方法采用箭頭圖、色輪等方法對(duì)速度方向信息進(jìn)行編碼顯示,基于幾何形體的方法采用粒子、線、面等幾何元素表現(xiàn)流體場(chǎng)中的信息,基于紋理的方法采用線積分卷積等方法生成圖像來(lái)表現(xiàn)流場(chǎng)。流場(chǎng)可視化方法在汽車、航空和航海動(dòng)力學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)醫(yī)療等眾多領(lǐng)域都已有著重要而廣泛的應(yīng)用。醫(yī)學(xué)可視化醫(yī)學(xué)可視化是對(duì)醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、深入理解的重要手段。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使CT、MRI、PET等掃描技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,相應(yīng)的體數(shù)據(jù)數(shù)量和規(guī)模都

13、日趨龐大,傳統(tǒng)分析醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)的方法是觀察切片,耗時(shí)、不直觀且需要專業(yè)的知識(shí)。科學(xué)可視化方法提供了新的分析醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)的高效直觀的方法,直接對(duì)三維數(shù)據(jù)的觀察允許更快速直觀地獲取信息,更靈活的著色、導(dǎo)航、編輯等交互方法可以對(duì)內(nèi)部信息更深入的發(fā)掘,計(jì)算輔助分析和信息挖掘更可以幫助發(fā)現(xiàn)肉眼難以識(shí)別的信息和特征。醫(yī)學(xué)可視化方法對(duì)醫(yī)務(wù)工作者和生命科學(xué)研究者都有著重要的意義。 二維流場(chǎng)可視化 不同時(shí)間幀的三維流體數(shù)據(jù)的可視化 醫(yī)學(xué)可視化 1可視分析可視分析(Visual Analytics,是一門新興的通過(guò)交互可視界面來(lái)進(jìn)行分析、推理和決策的交叉學(xué)科。人們通過(guò)使用可視分析的工具和技術(shù),從海量、動(dòng)態(tài)、不確定甚至

14、包含相互內(nèi)容沖突的數(shù)據(jù)中整合信息,獲取更深層的理解?？梢暦治鲈试S人們檢測(cè)預(yù)期的信息和探索未知的內(nèi)容,提供快速的、經(jīng)得起檢驗(yàn)和利于理解的評(píng)估,以及提供更有效的交流評(píng)估手段。可視分析是信息可視化與科學(xué)可視化領(lǐng)域最新發(fā)展的產(chǎn)物,作為一個(gè)跨學(xué)科的新興學(xué)科方向,它主要包含以下四部分核心內(nèi)容: -分析推理技術(shù) (Analytic Reasoning向用戶提供深入的洞察力,以直接支持評(píng)估、計(jì)劃和決策。 -視覺(jué)呈現(xiàn)和交互技術(shù) (Visual Representation and Interactions利用人類視覺(jué)系統(tǒng)與大腦直接聯(lián)系的高帶寬通道,對(duì)使用者提供同時(shí)對(duì)大量信息進(jìn)行觀察、探索和理解的技術(shù)支撐。 -數(shù)

15、據(jù)表示和轉(zhuǎn)換技術(shù) (Data Representations and Transformations將各種包含沖突內(nèi)容和動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可支持可視化和分析的數(shù)據(jù)表示形式。 -支持產(chǎn)生、表達(dá)和傳播分析結(jié)果的技術(shù) (Production, Presentation and Dissemination將可視分析的結(jié)果轉(zhuǎn)化為背景中的交流信息,來(lái)達(dá)到與不同受眾間的有效信息交流。可視分析領(lǐng)域整合了新的基于不同計(jì)算方法和理論的工具,提供先進(jìn)的交互技術(shù)和可視表達(dá)能力,允許人與信息之間的交流?；谡J(rèn)知、設(shè)計(jì)和感知理論的方法和工具設(shè)計(jì)是可視分析研究的核心?？梢暦治鲅芯可婕坝?jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互、可視化、分析、

16、感知和認(rèn)知等諸多領(lǐng)域。可視分析研究及其可提供的工具,將在海量數(shù)據(jù)分析、社會(huì)關(guān)系 分析、安全保障、應(yīng)急事件分析處理決策等方面發(fā)揮重要作用。 可視分析的四個(gè)核心內(nèi)容 2時(shí)空信息分析 時(shí)空信息的分析在現(xiàn)代社會(huì)中非常重要。地理信息由于天然具有的二維或三維的空間信息,以及伴隨時(shí)間變化的時(shí)序特征,同時(shí)常具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模和復(fù)雜度。這種時(shí)空信息是城市規(guī)劃、交通建設(shè)、資源發(fā)掘等眾多應(yīng)用中不可或缺的信息,因此對(duì)此類信息的分析處理具有非常重要的意義。以地震信息分析為例,我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家,從唐山到汶川,地震給人們的生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大的損失。地震研究是人類應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害最為緊迫的一個(gè)課題。但由于地球地質(zhì)系統(tǒng)的復(fù)雜

17、性,地震信息的的分析研究依然具有相當(dāng)?shù)睦щy,非常需要新的工具的支持?？梢暦治鱿到y(tǒng)可以通過(guò)三維呈現(xiàn)地震目錄數(shù)據(jù)和強(qiáng)調(diào)其時(shí)空結(jié)構(gòu)關(guān)系,為地震科學(xué)家提供了從新的視角分析地震現(xiàn)象的可能。交通建設(shè)和管理是城市發(fā)展中的重要部分。對(duì)交通流進(jìn)行監(jiān)控、建模和優(yōu)化的信息技術(shù)已經(jīng)收集了海量的數(shù)據(jù),如何進(jìn)行有效分析是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。圖示是一個(gè)交通軌跡可視分析工具的用戶界面?？梢暦治龉ぞ咛峁┝送瑫r(shí)對(duì)多維度信息的“整體加局部”呈現(xiàn)策略。時(shí)域分析窗口從隨時(shí)間發(fā)展變化的角度呈現(xiàn)交通流量、速度等維度的信息,時(shí)間維度分析又提供了不同的精細(xì)度下的可視效果,空域分析窗口呈現(xiàn)基于路口地理狀況的多層次信息表達(dá)。通過(guò)多個(gè)窗口聯(lián)動(dòng)的交互操作,用戶可以根據(jù)從時(shí)間、統(tǒng)計(jì)信息、路線等多個(gè)角度方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,即時(shí)獲得互動(dòng)結(jié)果?？梢暦治隹梢詮暮Ａ康能囕v軌跡