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(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用導(dǎo)致海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，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(lǐng)域中日益受到重視并得到越來越廣泛的應(yīng)用。、可視化概述測量的自動化、網(wǎng)絡(luò)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。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言，是可以放大人類感知的圖形化表示方法?？梢暬褪前褦?shù)據(jù)、信息和知識轉(zhuǎn)化為可視的表示形式并獲得對數(shù)據(jù)更深層次認識的過

2、程?？梢暬鳛橐环N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(yīng)用。 可視化可以應(yīng)用到簡單問題，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(xué)決策?？梢暬浞掷糜嬎銠C圖形學(xué)、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(xué)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。可視化為人類與計算機這兩個信息處理系統(tǒng)之間提供了個接口?？梢暬瘜τ谛畔⒌奶幚砗捅?/p>

3、達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(xué)計算可視化、 信息交叉和聯(lián)可視化和知識可視化等，這些概念及應(yīng)用存在著區(qū)別、 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(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，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)平行坐標據(jù)可視化的技術(shù)，大體分為散點矩陣法、投影矩陣法、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(xué)技術(shù)等等

4、。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(xué)計算可視化科學(xué)計算可視化，指的是利用計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將工程測量數(shù)據(jù)、科學(xué)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(xué)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)和混合科學(xué)型數(shù)據(jù)，科學(xué)計算數(shù)據(jù)還可以分為標量、矢量和張量數(shù)據(jù)。計算可視化技術(shù)主要有兩個難點: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

5、，使得用戶可交互式查看。科學(xué)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(xué)技術(shù)實現(xiàn)繪制顯示。其基本思想是提取感興趣物體的表面信息，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(fù)雜特性的機制。 體繪制技術(shù)最大優(yōu)點是可以而面繪探索物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 可以描述非定形的物體如肌肉等， 制在這些方面比較弱。（三）信息可視化信息可視化就是利用計算機支撐的、交

6、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(luò)數(shù)據(jù)的可視化7類。（四）知識可視化知識可視化是在

7、科學(xué)計算可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興研究領(lǐng)域，應(yīng)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(fù)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(yù)測等，并以這種方式幫助他人正確地重構(gòu)、 記憶和應(yīng)用這些知識。知識可視化與信息可視化有著本質(zhì)差別， 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；而知識可視化則是通過提供更豐富的表達他們所知道內(nèi)容

8、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(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)、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、 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。可視化的重評估和提高挖掘出的結(jié)果模式的有效性，提供對挖掘結(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)挖掘比較公認的描述性定義是由U. M . Fayyad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

9、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(dāng)要識別的不規(guī)則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。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的知識和結(jié)果用可視化的形式表現(xiàn)出來，比如柱狀圖等，有助 于更形象的理解結(jié)果的含義。 結(jié)果可視化應(yīng)用比較多， 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 是一個很重要的部分?？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)

10、挖掘經(jīng)歷了若干階段。是初級圖表可視化階段， 在此階段只是利用圖現(xiàn)代物流業(yè)是運用現(xiàn)代信息技術(shù)對其生產(chǎn)、經(jīng)營和承運的物表、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(fù)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)系及發(fā)展規(guī)律，并引導(dǎo)整個數(shù)據(jù)挖掘 過程的進行。（二）復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可視化人們通過對Web網(wǎng)絡(luò)、社會關(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表示網(wǎng)絡(luò)，理解起來非常困難，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)所包含的信息無從體現(xiàn)

11、。將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方便、直觀地表示出來的最好方法是將其進行 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)計學(xué)、數(shù)據(jù)挖掘、信息可視化以及人機交互等多個領(lǐng)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?？梢曀牡湫蛻?yīng)用包括可視化信息檢索、可視化通信網(wǎng)絡(luò)拓撲、 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， 在符合管理要求的基礎(chǔ)上， 實現(xiàn)對物資流動過程的控制，從而降低成本、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(lǐng)域的綜合應(yīng)

12、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。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)劃設(shè)計與新農(nóng)村規(guī)劃管理項目審批的直觀、 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、比較音樂的表現(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

13、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算機圖形圖像變換處理而產(chǎn)生的、復(fù)雜的、全新的視覺效果，音樂的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、存在的問題和發(fā)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(luò)、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第四是人晰、分辨性強，同時利于尋找可視化后的規(guī)律和聯(lián)系；第五機可視化交互，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；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(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)無法確切描 述現(xiàn)實中持續(xù)演變的真實情況，怎樣實