可視化與 可視分析研究 - 圖文-

1、北京大學(xué)機器感知與智能教育部 總體情況及拓撲結(jié)構(gòu)集群多屏顯示環(huán)境多點式觸控屏幕系統(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可視化醫(yī)學(xué)可視化可視分析時空信息分析生物信息數(shù)據(jù)先進交互技術(shù)Index目 錄PKU VISUALIZATION AND VISUAL ANALYTICS RESEARCH 1 實驗室的電腦設(shè)備包括:由8臺高性能服務(wù)器組成的集群及超高分辨率顯示器墻1組,多點式觸控屏幕系統(tǒng)1臺,Dell圖形工作站10臺,其他微機1臺。實驗設(shè)施實驗室網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖實驗設(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 機器感知與智能教育部重點實驗室多屏顯示可視化

2、環(huán)境多屏顯示可視化環(huán)境 (Tiled Display Wall,通過高速網(wǎng)絡(luò)連接的圖形服務(wù)器驅(qū)動顯示器墻陣列,實現(xiàn)大運算量的并行計算和超高分辨率顯示的功能。隨著科學(xué)模擬、圖形學(xué)運算及掃描捕獲獲得的數(shù)據(jù)量越來越大,精確度越來越高,對相應(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)。由于單臺計算機的運算能力和顯示能力有限,常常無法滿足實際應(yīng)用的需要,如運算速度無法交互、無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研究人員探索工作的效率,幫助個體更好地進行空間思維,促進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個的顯示器墻。 計算集群包括8臺高性能圖形服務(wù)器,每臺服務(wù)器通過兩個NV Geforce GTX 275顯卡控制4臺LCD?？梢蕴峁└哌_1.3億 (204806400像素的超高分辨率顯示環(huán)境,同時高性能服務(wù)器的強大存儲和運算能力也可以支持更大數(shù)據(jù)集的渲染。在此平臺上已經(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。多點式觸控屏幕系統(tǒng)是一種允許用戶通過多個手指(包括多用戶同時對圖形應(yīng)用程序進行操作,以給用戶提供更加快捷方便、自然和符合日常經(jīng)驗的交互體驗的一套交互技術(shù)和設(shè)備。多點觸控屏幕系統(tǒng)包括一個觸控屏

4、幕(可以是屏幕、桌面或墻面等或觸摸板,以及一套用于識別多點同時觸摸的軟件系統(tǒng)。有別于普通的單點觸摸屏(比如常見的手寫板,ATM 機觸摸屏,多點觸控屏幕系統(tǒng)允許多點同時觸控,能夠提供前者不能提供的復(fù)雜的手勢交互。實現(xiàn)多點觸控屏幕的方法包括溫度檢測、壓力檢測、高幀數(shù)的攝像機檢測、紅外線檢測、光學(xué)檢測等等。多點觸控屏幕系統(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觸控屏幕系統(tǒng)多點式觸控屏幕系統(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)的視覺呈現(xiàn)方法和技術(shù)的學(xué)科。信息可視化是一個跨學(xué)科研究領(lǐng)域,它與計算機圖形學(xué)、視覺設(shè)計、人機交互、心理學(xué)等學(xué)科有著密切聯(lián)系,與統(tǒng)計學(xué)、數(shù)據(jù)挖掘、機器學(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行思考的方式,旨在創(chuàng)造直觀地傳達抽象信息,并支持信息探索和驗證假設(shè)的方法和技術(shù)。信息可視化中的視覺呈現(xiàn)方法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為視覺符號,幫助人類利用視覺系統(tǒng)的高帶寬來快速獲取信息;交互技

6、術(shù)和方法允許思想與數(shù)據(jù)的直接交互,更好地驗證假想和發(fā)現(xiàn)內(nèi)在聯(lián)系。各種高維度、多層次、時空、動態(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 (Parallel Coordinates平行坐標 (Parallel Coordinates 是信息可視化中表達高維數(shù)據(jù)的重要方法之一。它的主要原理是將高維數(shù)據(jù)的各個變量維度用一系列相互平行的坐標軸來表示,每個變量對應(yīng)一條軸,變量值對應(yīng)軸上的位置,每個高維數(shù)據(jù)條目對應(yīng)于平行坐標中的一條折線。平行坐標可以將幾維至幾十維變量的數(shù)據(jù)同時直觀地呈現(xiàn)在一張圖中,支持對高維數(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)點代表數(shù)據(jù)條目,用節(jié)點之間的連線代表數(shù)據(jù)條目之間的關(guān)系,通過布局算法將大量的點及連線有組織地同時呈現(xiàn)出來。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)點和連線的視覺設(shè)計可以傳達關(guān)于數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)間關(guān)系的信息,整個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數(shù)據(jù)進行深入地挖掘。圖方法在社會網(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。樹圖 (Treemaps樹圖 (Treemaps 是信息可視化中表現(xiàn)層次數(shù)據(jù)的重要方法之一。樹圖用具有一定面積的節(jié)點塊來表示數(shù)據(jù)條目,用節(jié)點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)點的面積、位置和視覺設(shè)計

8、能夠表現(xiàn)數(shù)據(jù)條目的屬性。樹圖采用獨特的空間填充(Space Filling 策略,每個層次的節(jié)點填滿父節(jié)點的整個面積,根節(jié)點填滿整個顯示區(qū)域,以最大的限度利用所有屏幕空間。樹圖具有優(yōu)異的顯示效果和交互體驗,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維度壓縮、平行坐標等手段實現(xiàn)可視化。對平行坐標可視化的研究包括更好的顯示效果和交互手段,來使平行坐標揭示高維數(shù)據(jù)中的深層信息,以及消除大數(shù)據(jù)量帶來的線段混亂和重疊等問題。平行坐標可以通過與散點圖結(jié)合、引進統(tǒng)計學(xué)方法、增加新穎交互方法和采用新的繪制等方法,來增進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)在包括動力學(xué)、傳媒學(xué)、文獻學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)等越來越多的應(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)、工程與計算機科學(xué)結(jié)合的一門交叉學(xué)科。科學(xué)可視化處理的對象主要為醫(yī)學(xué)、氣象環(huán)境學(xué)、化學(xué)工程、生命科學(xué)、考古學(xué)、機械等領(lǐng)域的具有空間幾何特征數(shù)據(jù)的時空現(xiàn)象,對測量、實驗、模擬等獲得的數(shù)據(jù)進行繪制和提供交互分析手段。研究重點包括

10、對表面、體的繪制和對復(fù)雜數(shù)據(jù)中信息的選取,表達等。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?、有效地簡化和提煉數(shù)據(jù),使科學(xué)家能夠通過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)成為一門獨立的學(xué)科,研究如何更好地對科學(xué)數(shù)據(jù)進行表現(xiàn)和分析,同時科學(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三維數(shù)據(jù)內(nèi)部信息,怎樣自動挖掘和利用信息,怎樣更精確快速的渲染和更好的交互,以及更好地運用計算能力等。研究熱點包括繪制方法、傳遞函數(shù)的生成、超大和時變數(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、時間精度也飛速的提高。體可視化方法也在提供著更強的渲染和信息傳達能力,對眾多科學(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流場可視化流場可視化是科學(xué)可視化的重要分支,對流體研究有著巨大的意義。計算流場可視化運用計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù),將流場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維或

12、三維圖形、圖像或動畫進行呈現(xiàn),并對其模式和相互關(guān)系進行可視化分析,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、色輪等方法對速度方向信息進行編碼顯示,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表現(xiàn)流場。流場可視化方法在汽車、航空和航海動力學(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)可視化是對醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)進行快速、深入理解的重要手段。計算機技術(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、不直觀且需要專業(yè)的知識?？茖W(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內(nèi)部信息更深入的發(fā)掘,計算輔助分析和信息挖掘更可以幫助發(fā)現(xiàn)肉眼難以識別的信息和特征。醫(yī)學(xué)可視化方法對醫(yī)務(wù)工作者和生命科學(xué)研究者都有著重要的意義。 二維流場可視化 不同時間幀的三維流體數(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,是一門新興的通過交互可視界面來進行分析、推理和決策的交叉學(xué)科。人們通過使用可視分析的工具和技術(shù),從海量、動態(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)得起檢驗和利于理解的評估,以及提供更有效的交流評估手段?？梢暦治鍪切畔⒖梢暬c科學(xué)可視化領(lǐng)域最新發(fā)展的產(chǎn)物,作為一個跨學(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,以直接支持評估、計劃和決策。 -視覺呈現(xiàn)和交互技術(shù) (Visual Representation and Interactions利用人類視覺系統(tǒng)與大腦直接聯(lián)系的高帶寬通道,對使用者提供同時對大量信息進行觀察、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,來達到與不同受眾間的有效信息交流?？梢暦治鲱I(lǐng)域整合了新的基于不同計算方法和理論的工具,提供先進的交互技術(shù)和可視表達能力,允許人與信息之間的交流?；谡J知、設(shè)計和感知理論的方法和工具設(shè)計是可視分析研究的核心?？梢暦治鲅芯可婕坝嬎銠C圖形學(xué)、人機交互、可視化、分析、

16、感知和認知等諸多領(lǐng)域?？梢暦治鲅芯考捌淇商峁┑墓ぞ?將在海量數(shù)據(jù)分析、社會關(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。 可視分析的四個核心內(nèi)容 2時空信息分析 時空信息的分析在現(xiàn)代社會中非常重要。地理信息由于天然具有的二維或三維的空間信息,以及伴隨時間變化的時序特征,同時常具有相當?shù)囊?guī)模和復(fù)雜度。這種時空信息是城市規(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,我國是一個地震多發(fā)的國家,從唐山到汶川,地震給人們的生命和財產(chǎn)帶來了巨大的損失。地震研究是人類應(yīng)對自然災(zāi)害最為緊迫的一個課題。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?shù)睦щy,非常需要新的工具的支持。可視分析系統(tǒng)可以通過三維呈現(xiàn)地震目錄數(shù)據(jù)和強調(diào)其時空結(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。對交通流進行監(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),如何進行有效分析是一個巨大的挑戰(zhàn)。圖示是一個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對多維度信息的“整體加局部”呈現(xiàn)策略。時域分析窗口從隨時間發(fā)展變化的角度呈現(xiàn)交通流量、速度等維度的信息,時間維度分析又提供了不同的精細度下的可視效果,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。通過多個窗口聯(lián)動的交互操作,用戶可以根據(jù)從時間、統(tǒng)計信息、路線等多個角度方便地對數(shù)據(jù)進行分析,即時獲得互動結(jié)果?？梢暦治隹梢詮暮Ａ康能囕v軌跡