可視化方法與技術(shù)

1、可視化方法與技術(shù)計算機系統(tǒng)在各領域中的廣泛應用導致海量數(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發(fā)新的信息處理技術(shù)和方 法?；诖耍Ａ?、異構(gòu)、時變、多維數(shù)據(jù)的可視化表示和分析 在各領域中日益受到重視并得到越來越廣泛的應用。一、可視化概述測量的自動化、 網(wǎng)絡傳輸過程的數(shù)字化和大量的計算機仿真 產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)， 超出了人類分析處理的能力。 可視化提供了解 決這種問題的一種新工具。 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言， 是可以放大人類感知的圖形化 表示方法。 可視化就是把數(shù)據(jù)、 信息和知識轉(zhuǎn)化為可視的

2、表示形 式并獲得對數(shù)據(jù)更深層次認識的過程。 可視化作為一種可以放大 人類感知的數(shù)據(jù)、信息、知識的表示方法， 日益受到重視并得到 越來越廣泛的應用。 可視化可以應用到簡單問題， 也可以應用到 復雜系統(tǒng)狀態(tài)表示，從可視化的表示中人們可以發(fā)現(xiàn)新的線索、 新的關(guān)聯(lián)、新的結(jié)構(gòu)、新的知識，促進人機系統(tǒng)的結(jié)合，促進科 學決策。可視化充分利用計算機圖形學、圖像處理、 用戶界面、 人機 交互等技術(shù)， 形象、 直觀地顯示科學計算的中間結(jié)果和最終結(jié)果 并進行交互處理?？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)系進行 表現(xiàn)，可視化結(jié)果便于人們記憶和理解。可視化為人類與

3、計算機這兩個信息處理系統(tǒng)之間提供了一 個接口?？梢暬瘜τ谛畔⒌奶幚砗捅磉_方式有其它方式無法取代 的優(yōu)勢，其特點可總結(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、 科學計算可視化、 信息 可視化和知識可視化等， 這些概念及應用存在著區(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)指的是運用計算機圖形學和圖像處理技術(shù)， 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來， 并進行交互處理的 理論、方法和技術(shù)。數(shù)據(jù)可視化的重點是將多維數(shù)據(jù)在二維或三維空間內(nèi)顯示， 這對初步的數(shù)據(jù)分類理解是有意義的。 針對于此， 產(chǎn)生了許多數(shù) 據(jù)可視化的技術(shù)，大體分為散點矩陣法、投影矩陣法、 平行坐標

4、 法、面向象素的可視化技術(shù)、層次技術(shù)、動態(tài)技術(shù)、圖標表示技 術(shù)、直方圖法及一些幾何學技術(shù)等等。此外還采用主成分分析、 因子分析、投影尋蹤、主曲線、主曲面、多維標度圖和自組織映 射等方法將多維變量表示為二維變量， 依據(jù)此算法對數(shù)據(jù)進行簡 單分類，并了解各個特征屬性之間的關(guān)系。二科學計算可視化科學計算可視化，指的是利用計算機圖形學和圖像處理技 術(shù)，將工程測量數(shù)據(jù)、 科學計算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及計算結(jié)果轉(zhuǎn) 換為圖形圖像在屏幕上顯示出來， 并進行交互處理的理論、 方法 和技術(shù)?？茖W計算數(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)，科學計算數(shù)據(jù)還可以分為標量、矢量和張量數(shù)據(jù)。 科學 計算可視化技

5、術(shù)主要有兩個難點： 一是分類， 研究如何判斷出可 視化對象的類別； 二是繪制， 研究如何將可視化對像真實、 高效 地顯示在屏幕上，使得用戶可交互式查看?？茖W計算數(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。面繪制方法首先在三維空間數(shù)據(jù)場中構(gòu)造出中間幾何圖 元如平面、曲面等，然后再由計算機圖形學技術(shù)實現(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)復雜特性的機制。 體繪

6、制技術(shù)最大優(yōu)點是可以 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算機支撐的、 交互的、 對抽象數(shù)據(jù)的 可視表示， 來增強人們對這些抽象信息的認知。 信息可視化是將 非空間數(shù)據(jù)的信息對象的特征值抽取、 轉(zhuǎn)換、 映射、 高度抽象與 整合，用圖形、圖像、動畫等方式表示信息對象內(nèi)容特征和語義 的過程。信息對象包括文本、圖像、視頻和語音等類型，它們的 可視化是分別采用不同模型方法來實現(xiàn)的。信息可視化研究人、 計算機表示的信息以及它們相互影響的 技術(shù)。而人機交互是研究人、計算機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)、時態(tài)數(shù)據(jù)、 層次數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的可視化 7 類。四知識可視化知識可視化是在科學計算可視化、 數(shù)據(jù)可視化、 信息可視化 根底上開展起來的新興研究領域， 應用視覺表征手段， 促進群體 知識的傳播和創(chuàng)新。知識可視化研究的是視覺表征在提高兩個或兩個以上人之 間的知識傳播和創(chuàng)新中的作用。 這樣一來， 知識可視化指的是所 有可以用來建構(gòu)和傳達復雜知識的圖解手段。 除了傳達事實信息 之外，知識可視化的目標是傳輸見解、經(jīng)驗、態(tài)度、價值觀、期 望，觀點、意見和預測等，并以這種方式幫助他人正確地重構(gòu)、 記憶和應用

8、這些知識。知識可視化與信息可視化有著本質(zhì)差異， 信息可視化的目標在于從大量的抽象數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)一些新的見解， 或者簡單地使存儲的數(shù)據(jù)更容易被訪問； 而知識可視化那么是通 過提供更豐富的表達他們所知道內(nèi)容的方式， 以提高人們之間的 知識傳播和創(chuàng)新。三、可視化的應用可視化的應用范圍十分廣泛， 幾乎可以應用于自然科學、 工 程技術(shù)、金融、農(nóng)業(yè)和商業(yè)等各種領域，其中醫(yī)學、氣象預報、 油氣勘探、 地質(zhì)學和地理學等是可視化的典型應用。 可視化的重 要性在于，通過提供對數(shù)據(jù)和知識的可視化建立用戶與數(shù)據(jù)系統(tǒng) 交互的良好溝通渠道， 可以利用人類的專業(yè)知識和模式識別能力 評估和提高挖掘出的結(jié)果模式的有效性， 提供對挖

9、掘結(jié)果的可視 化顯示，使用戶對結(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程。數(shù)據(jù)挖掘可視化的目的是使用戶能夠交互地瀏覽數(shù)據(jù)以及 挖掘過程等。 當要識別的不規(guī)那么事物是一系列圖形而不是數(shù)字 表格時，人的識別的速度是最快的。數(shù)據(jù)挖掘可視化分為 3 類。 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)挖掘過程可視化， 可以使用戶更形象的了 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

10、的知識和結(jié)果用可視化的形式表現(xiàn)出來， 比方柱狀圖等， 有 助于更形象的理解結(jié)果的含義。 結(jié)果可視化應用比擬多， 畢竟大 多數(shù)研究成果最后的用戶他們最關(guān)心的還是結(jié)果， 所以結(jié)果可視 化是一個很重要的局部?？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) 歷了假設干階段。 一是初級圖表可視化階段， 在此階段只是利用 圖表、曲線直方圖、餅圖等顯示數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息總和、均 值等；二是信息查詢可視化階段，此階段主要利用可視化的人 機界面，用圖形、圖像顯示查詢結(jié)果， 對復雜的查詢起到直觀的 表達，便于用戶理解； 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)系及開展規(guī)律， 并引導整個數(shù)據(jù)

11、挖 掘過程的進行。二復雜網(wǎng)絡可視化人們通過對 Web網(wǎng)絡、社會關(guān)系網(wǎng)絡、生物網(wǎng)絡等的研究 發(fā)現(xiàn)，復雜網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)非常復雜 , 如果僅用數(shù)據(jù)表格或文字的形 式來表示網(wǎng)絡，理解起來非常困難 , 導致網(wǎng)絡所包含的信息無從 表達。將復雜網(wǎng)絡方便、 直觀地表示出來的最好方法是將其進行 可視化。復雜網(wǎng)絡可視化研究涉及復雜系統(tǒng)、圖論、統(tǒng)計學、數(shù) 據(jù)挖掘、 信息可視化以及人機交互等多個領域。 其中受關(guān)注程度 最多的一個問題是可視化算法 , 包括布點算法和可視化壓縮算 法。它的典型應用包括可視化信息檢索、可視化通信網(wǎng)絡拓撲、 可視化基因網(wǎng)絡或蛋白質(zhì)網(wǎng)絡和可視化交通網(wǎng)等。三物流可視化 現(xiàn)代物流業(yè)是運用現(xiàn)代信息技術(shù)對

12、其生產(chǎn)、 經(jīng)營和承運的物 資的流通過程中所產(chǎn)生的文本、圖像數(shù)據(jù)、聲音、語音、視頻等 所有數(shù)字化信息進行采集、分類、傳遞、匯總、識別、跟蹤、查 詢等一系列處理活動， 在符合管理要求的根底上， 實現(xiàn)對物資流 動過程的控制，從而降低本錢、提高效益的管理活動。 物流可視 化是可視化技術(shù)在物流領域的綜合應用， 它包含了物流信息的采 集、傳輸、分類、匯總、圖形化顯示等一系列過程，以及完成這 些過程所需的軟硬件。 實現(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)可視化實現(xiàn)植物在三維空間中的生長發(fā)育過程。 利 用三維建模與數(shù)據(jù)可視化技術(shù)， 提供對新農(nóng)村規(guī)

13、劃設計與新農(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)領導 做出最終決策提供幫助。五音樂可視化 音樂可視化是對音樂表達的一種非主觀的解釋和判斷, 是為理解、分析、比擬音樂的表現(xiàn)力和內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供的一種呈現(xiàn)技術(shù)。 音樂可視化在對音樂的特征如波形、頻率、音調(diào)、音高、節(jié)奏、 速度、音色等進行提取之后映射到相應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 于計算機圖形圖像變換處理而產(chǎn)生的、 復雜的、全新的視覺效果 , 如虛擬角色小動物或人的動作變化及其虛擬場景的變幻、 音樂的 音符、音高、節(jié)拍等的具體形象化視覺效果等 , 更動人心弦。四、存在的問

14、題和開展方向存在的問題包括： 第一是如何提高可視化顯示空間和時間分 辨率， 以滿足虛擬與物理現(xiàn)實可視化表示的需求； 第二是可視化 和其它技術(shù)的集成，可視化需要與網(wǎng)絡、語音、人工視覺、計算 和數(shù)據(jù)存儲結(jié)合起來； 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， 一個好的可視化展示會使所有信息清 晰、分辨性強，同時利于尋找可視化后的規(guī)律和聯(lián)系； 第四是人 機可視化交互， 發(fā)現(xiàn)有效的可視化表示方式并用于直接操作用戶 和可視化系統(tǒng)進行交互， 以及用于多個用戶間的合作交互； 第五 是定義有效的抽象， 以便用戶和可視化系統(tǒng)的交互操作， 注意有 效的抽象應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)無法確切描 述現(xiàn)實中持續(xù)演變的真實情況， 怎樣實現(xiàn)動態(tài)演變過程