Визуализация или визуализация (см. различия в написании ) — это любой метод создания изображений , диаграмм или анимации для передачи сообщения. Визуализация посредством визуальных образов была эффективным способом передачи как абстрактных, так и конкретных идей с самого начала человечества. из истории включают наскальные рисунки , египетские иероглифы , греческую геометрию и революционные методы технического рисования Леонардо да Винчи для инженерных и научных целей.
Визуализация сегодня имеет постоянно расширяющиеся приложения в науке, образовании, технике (например, визуализация продуктов), интерактивных мультимедиа , медицине и т. д. Типичным примером применения визуализации является область компьютерной графики . Изобретение компьютерной графики (и 3D-компьютерной графики ) может стать самым важным достижением в визуализации со времени изобретения центральной перспективы в период Возрождения . Развитие анимации также способствовало развитию визуализации.
Использование визуализации для представления информации — не новое явление. Он использовался в картах, научных рисунках и графиках данных более тысячи лет. Примеры картографии включают «Географию» Птолемея (2 век нашей эры), карту Китая (1137 год нашей эры) и карту Минара (1861 год), посвященную вторжению Наполеона в Россию полтора века назад. Большинство концепций, усвоенных при разработке этих изображений, легко переносятся в компьютерную визуализацию. Эдвард Тафти написал три книги, получившие признание критиков, в которых объясняются многие из этих принципов. [1] [2] [3]
Компьютерная графика с самого начала использовалась для изучения научных проблем. Однако на заре своего существования нехватка графических возможностей часто ограничивала его полезность. Недавний акцент на визуализацию начался в 1987 году с публикации специального выпуска журнала Computer Graphics «Визуализация в научных вычислениях». [4] С тех пор было проведено несколько конференций и семинаров, спонсируемых IEEE Computer Society и ACM SIGGRAPH , посвященных общей теме и специальным областям в этой области, например объемной визуализации.
Большинство людей знакомы с цифровой анимацией, созданной для представления метеорологических данных во время сводок погоды по телевидению , хотя мало кто может отличить эти модели реальности от спутниковых фотографий , которые также показываются в таких программах. Телевидение также предлагает научную визуализацию, когда показывает компьютерные и анимированные реконструкции дорожных или авиационных происшествий. Одними из самых популярных примеров научной визуализации являются компьютерные изображения , на которых изображен реальный космический корабль в действии, в пустоте далеко за пределами Земли или на других планетах . [ нужна цитация ] Динамические формы визуализации, такие как образовательная анимация или временные рамки , потенциально могут улучшить изучение систем, которые меняются с течением времени.
Помимо различия между интерактивными визуализациями и анимацией, наиболее полезной категоризацией, вероятно, является абстрактная и научная визуализация, основанная на моделях. Абстрактные визуализации демонстрируют полностью концептуальные конструкции в 2D или 3D. Эти сгенерированные формы совершенно произвольны. Визуализации на основе моделей либо накладывают данные на реальные или созданные в цифровом виде изображения реальности, либо создают цифровую конструкцию реального объекта непосредственно на основе научных данных.
Научная визуализация обычно выполняется с помощью специализированного программного обеспечения , хотя есть несколько исключений, отмеченных ниже. Некоторые из этих специализированных программ были выпущены как программное обеспечение с открытым исходным кодом , зачастую возникающее в университетах, в академической среде, где совместное использование программных инструментов и предоставление доступа к исходному коду является обычным явлением. Существует также множество фирменных программных пакетов инструментов научной визуализации.
Модели и платформы для построения визуализаций включают модели потока данных , популяризированные такими системами, как AVS, IRIS Explorer и набор инструментов VTK , а также модели состояния данных в системах электронных таблиц, таких как электронная таблица для визуализации и электронная таблица для изображений.
В качестве предмета информатики научная визуализация представляет собой использование интерактивных сенсорных представлений, обычно визуальных, абстрактных данных для усиления познания , построения гипотез и рассуждений .Научная визуализация — это преобразование, выбор или представление данных моделирования или экспериментов с явной или неявной геометрической структурой, позволяющие исследовать, анализировать и понимать данные. Научная визуализация фокусирует и подчеркивает представление данных более высокого порядка, используя в первую очередь методы графики и анимации. [5] [6] Это очень важная часть визуализации и, возможно, первая, поскольку визуализация экспериментов и явлений стара, как сама наука . Традиционными областями научной визуализации являются визуализация потоков , медицинская визуализация , астрофизическая визуализация и химическая визуализация . Существует несколько различных методов визуализации научных данных, наиболее распространенными из которых являются реконструкция изоповерхностей и прямой объемный рендеринг .
Визуализация данных — это родственная подкатегория визуализации, имеющая дело со статистической графикой и геопространственными данными (например, в тематической картографии ), которые представлены в схематической форме. [7]
Визуализация информации концентрируется на использовании компьютерных инструментов для исследования большого количества абстрактных данных. Термин «визуализация информации» был первоначально придуман группой исследования пользовательского интерфейса в Xerox PARC и включал Джока Маккинли. [ нужна ссылка ] Практическое применение визуализации информации в компьютерных программах включает в себя выбор, преобразование и представление абстрактных данных в форме, которая облегчает человеческое взаимодействие для исследования и понимания. Важными аспектами визуализации информации являются динамика визуального представления и интерактивность. Сильные методы позволяют пользователю изменять визуализацию в режиме реального времени, обеспечивая тем самым беспрецедентное восприятие закономерностей и структурных отношений в рассматриваемых абстрактных данных.
Образовательная визуализация использует моделирование для создания изображения чего-либо, чтобы этому можно было обучать. Это очень полезно при преподавании темы, которую иначе трудно увидеть, например, структуры атома , поскольку атомы слишком малы, чтобы их можно было легко изучать без дорогостоящего и сложного в использовании научного оборудования.
Использование визуальных представлений для передачи знаний как минимум между двумя людьми направлено на улучшение передачи знаний за счет взаимодополняющего использования компьютерных и некомпьютерных методов визуализации. [8] Таким образом, правильно спроектированная визуализация является важной частью не только анализа данных, но и процесса передачи знаний. [9] Передачу знаний можно значительно улучшить, используя гибридные схемы, поскольку они повышают плотность информации, но также могут снижать ее ясность. Например, визуализация трехмерного скалярного поля может быть реализована с использованием изоповерхностей для распределения поля и текстур для градиента поля. [10] Примерами таких визуальных форматов являются эскизы , диаграммы , изображения , объекты, интерактивные визуализации, приложения для визуализации информации и воображаемые визуализации, например в историях . В то время как визуализация информации концентрируется на использовании компьютерных инструментов для получения новых идей, визуализация знаний фокусируется на передаче идей и создании новых знаний в группах . Помимо простой передачи фактов , визуализация знаний направлена на дальнейшую передачу идей , опыта , отношений , ценностей , ожиданий , перспектив , мнений и прогнозов с использованием различных дополнительных визуализаций. См. также: словарь в картинках , визуальный словарь.
Визуализация продукта включает в себя технологию программного обеспечения визуализации для просмотра и управления 3D-моделями, техническими чертежами и другой сопутствующей документацией изготовленных компонентов и крупных сборок продуктов. Это ключевая часть управления жизненным циклом продукта . Программное обеспечение для визуализации продукта обычно обеспечивает высокий уровень фотореализма, поэтому продукт можно просмотреть до его фактического производства. Это поддерживает самые разные функции: от дизайна и стиля до продаж и маркетинга. Техническая визуализация — важный аспект разработки продукта. Первоначально технические чертежи делались вручную, но с появлением современной компьютерной графики чертежная доска была заменена системами автоматизированного проектирования (САПР). Чертежи и модели CAD имеют ряд преимуществ перед чертежами, выполненными вручную, например, возможность трехмерного моделирования, быстрого прототипирования и моделирования . 3D-визуализация продуктов обещает больше интерактивности для онлайн-покупателей, но также заставляет ритейлеров преодолевать препятствия в производстве 3D-контента, поскольку крупномасштабное производство 3D-контента может быть чрезвычайно дорогостоящим и трудоемким. [11]
Визуальная коммуникация – это передача идей посредством визуального отображения информации . В первую очередь связанный с двухмерными изображениями , он включает в себя: буквенно-цифровые символы , искусство , знаки и электронные ресурсы. Недавние исследования в этой области были сосредоточены на веб-дизайне и графически ориентированном удобстве использования .
Визуальная аналитика фокусируется на взаимодействии человека с системами визуализации как части более масштабного процесса анализа данных. Визуальная аналитика определяется как «наука об аналитическом рассуждении, поддерживаемая интерактивным визуальным интерфейсом». [12]
В центре внимания – информационный дискурс (взаимодействие) человека в огромных, динамично меняющихся информационных пространствах. Исследования в области визуальной аналитики концентрируются на поддержке перцептивных и когнитивных операций, которые позволяют пользователям обнаруживать ожидаемое и обнаруживать неожиданное в сложных информационных пространствах.
Технологии, возникающие на основе визуальной аналитики, находят свое применение практически во всех областях, но обусловлены критическими потребностями (и финансированием) в области биологии и национальной безопасности.
Интерактивная визуализация или интерактивная визуализация — это раздел графической визуализации в информатике , который включает изучение того, как люди взаимодействуют с компьютерами для создания графических иллюстраций информации и как этот процесс можно сделать более эффективным.
Чтобы визуализация считалась интерактивной, она должна удовлетворять двум критериям:
Одним из конкретных типов интерактивной визуализации является виртуальная реальность (VR), где визуальное представление информации представлено с помощью иммерсивного устройства отображения, такого как стереопроектор (см. Стереоскопия ). VR также характеризуется использованием пространственной метафоры, где некоторый аспект информации представлен в трех измерениях, так что люди могут исследовать информацию так, как если бы она присутствовала (где вместо этого она была удалена), имела соответствующий размер (где вместо этого она была удалена). в гораздо меньшем или большем масштабе, чем люди могут ощутить непосредственно), или имело форму (хотя вместо этого оно могло быть совершенно абстрактным).
Другой тип интерактивной визуализации — это совместная визуализация, при которой несколько человек взаимодействуют с одной и той же компьютерной визуализацией, чтобы передавать друг другу свои идеи или совместно исследовать информацию. Часто совместная визуализация используется, когда люди физически разделены. Используя несколько сетевых компьютеров, одна и та же визуализация может быть представлена каждому человеку одновременно. Затем люди делают аннотации к визуализации, а также общаются посредством аудио (например, по телефону), видео (например, видеоконференция) или текстовых (например, IRC ) сообщений.
Иерархическая интерактивная графическая система программиста ( PHIGS ) была одной из первых программных попыток интерактивной визуализации и обеспечивала перечисление типов ввода, вводимых людьми. Люди могут:
Для всех этих действий требуется физическое устройство. Устройства ввода варьируются от самых обычных — клавиатур , мышей , графических планшетов , трекболов и тачпадов — до экзотических — проводных перчаток , штанг и даже всенаправленных беговых дорожек .
Эти действия ввода можно использовать для управления как представлением уникальной информации, так и способом ее представления. Когда представляемая информация изменяется, визуализация обычно является частью цикла обратной связи . Например, рассмотрим систему авионики самолета, в которой пилот вводит данные о крене, тангаже и рыскании, а система визуализации обеспечивает визуализацию нового положения самолета. Другим примером может быть ученый, который меняет симуляцию во время ее работы в ответ на визуализацию ее текущего прогресса. Это называется вычислительным управлением .
Чаще всего меняется представление информации, а не сама информация.
Эксперименты показали, что задержка более 20 мс между вводом данных и обновлением визуального представления заметна большинству людей . Таким образом, желательно, чтобы интерактивная визуализация обеспечивала рендеринг на основе человеческого ввода в течение этого периода времени. Однако, когда для создания визуализации необходимо обработать большие объемы данных, с использованием современных технологий это становится затруднительным или даже невозможным. Таким образом, термин «интерактивная визуализация» обычно применяется к системам, которые предоставляют пользователям обратную связь в течение нескольких секунд после ввода. Термин «интерактивная частота кадров» часто используется для измерения интерактивности визуализации. Частота кадров измеряет частоту, с которой изображение (кадр) может генерироваться системой визуализации. Частота кадров 50 кадров в секунду (кадров/с) считается хорошей, а 0,1 кадра/с — плохой. Однако использование частоты кадров для характеристики интерактивности немного вводит в заблуждение, поскольку частота кадров является мерой пропускной способности , а люди более чувствительны к задержке . В частности, можно достичь хорошей частоты кадров 50 кадров/с, но если созданные изображения относятся к изменениям в визуализации, которые человек сделал более 1 секунды назад, они не будут восприниматься человеком как интерактивные.
Быстрое время отклика, необходимое для интерактивной визуализации, является трудным ограничением, и существует несколько подходов, которые были изучены для предоставления людям быстрой визуальной обратной связи на основе их ввода. Некоторые включают
На многих конференциях представляются и публикуются научные статьи по интерактивной визуализации.