Визуализация (или визуализация (см. различия в написании )), также известная как Графическая визуализация, представляет собой любую технику создания изображений , диаграмм или анимаций для передачи сообщения. Визуализация посредством визуальных образов была эффективным способом передачи как абстрактных, так и конкретных идей с самого зарождения человечества. из истории включают наскальные рисунки , египетские иероглифы , греческую геометрию и революционные методы технического черчения Леонардо да Винчи для инженерных целей, которые активно включают научные требования.
Визуализация сегодня имеет постоянно расширяющиеся приложения в науке, образовании, инженерии (например, визуализация продукта), интерактивных мультимедиа , медицине и т. д. Типичным приложением визуализации является область компьютерной графики . Изобретение компьютерной графики (и трехмерной компьютерной графики ) может быть самым важным достижением в визуализации со времен изобретения центральной перспективы в эпоху Возрождения . Развитие анимации также помогло продвинуть визуализацию.
.svg/1280px-Minard's_Map_(vectorized).svg.png)
Использование визуализации для представления информации — не новое явление. Она использовалась в картах, научных чертежах и диаграммах данных более тысячи лет. Примерами из картографии являются «География» Птолемея (II век н. э.), карта Китая (1137 г. н. э.) и карта Минарда (1861 г.) вторжения Наполеона в Россию полтора века назад. Большинство концепций, изученных при разработке этих изображений, переносятся в простой способ на компьютерную визуализацию. Эдвард Тафти написал три получившие признание критиков книги, в которых объясняются многие из этих принципов. [1] [2] [3]
Компьютерная графика с самого начала использовалась для изучения научных проблем. Однако на ранних этапах ее использования недостаток графической мощности часто ограничивал ее полезность. Недавнее внимание к визуализации началось в 1987 году с публикации Visualization in Scientific Computing, специального выпуска Computer Graphics. [4] С тех пор было проведено несколько конференций и семинаров, совместно спонсируемых IEEE Computer Society и ACM SIGGRAPH , посвященных как общей теме, так и специальным направлениям в этой области, например, объемной визуализации.
Большинство людей знакомы с цифровой анимацией, созданной для представления метеорологических данных во время прогнозов погоды по телевидению , хотя немногие могут отличить эти модели реальности от спутниковых фотографий , которые также показываются в таких программах. Телевидение также предлагает научные визуализации, когда показывает нарисованные на компьютере и анимированные реконструкции дорожных или авиакатастроф. Некоторые из самых популярных примеров научных визуализаций — это компьютерные изображения , которые показывают реальные космические корабли в действии, в пустоте далеко за пределами Земли или на других планетах . [ требуется ссылка ] Динамические формы визуализации, такие как образовательная анимация или временные шкалы , имеют потенциал для улучшения обучения системам, которые меняются со временем.
Помимо различия между интерактивными визуализациями и анимацией, наиболее полезной категоризацией, вероятно, является абстрактная и основанная на моделях научная визуализация. Абстрактные визуализации показывают полностью концептуальные конструкции в 2D или 3D. Эти сгенерированные формы являются совершенно произвольными. Основанные на моделях визуализации либо размещают наложения данных на реальные или цифровые сконструированные изображения реальности, либо создают цифровую конструкцию реального объекта непосредственно из научных данных.
Научная визуализация обычно выполняется с помощью специализированного программного обеспечения , хотя есть несколько исключений, указанных ниже. Некоторые из этих специализированных программ были выпущены как программное обеспечение с открытым исходным кодом , очень часто имея свое начало в университетах, в академической среде, где обмен программными инструментами и предоставление доступа к исходному коду являются обычным явлением. Существует также много фирменных программных пакетов инструментов научной визуализации.
Модели и фреймворки для создания визуализаций включают модели потоков данных , популяризированные такими системами, как AVS, IRIS Explorer и VTK toolkit, а также модели состояний данных в системах электронных таблиц, таких как Spreadsheet for Visualization и Spreadsheet for Images.
Как предмет в компьютерной науке , научная визуализация представляет собой использование интерактивных, сенсорных представлений, как правило, визуальных, абстрактных данных для усиления познания , построения гипотез и рассуждений . Научная визуализация представляет собой преобразование, выбор или представление данных из моделирования или экспериментов с неявной или явной геометрической структурой, чтобы обеспечить исследование, анализ и понимание данных. Научная визуализация фокусируется и подчеркивает представление данных более высокого порядка, используя в первую очередь графические и анимационные методы. [5] [6] Это очень важная часть визуализации и, возможно, первая, поскольку визуализация экспериментов и явлений так же стара, как и сама наука . Традиционными областями научной визуализации являются визуализация потока , медицинская визуализация , астрофизическая визуализация и химическая визуализация . Существует несколько различных методов визуализации научных данных, из которых наиболее распространенными являются реконструкция изоповерхностей и прямая объемная визуализация .
Визуализация данных — это родственная подкатегория визуализации, имеющая дело со статистическими графиками и геопространственными данными (как в тематической картографии ), которые абстрагируются в схематической форме. [7]
Визуализация информации концентрируется на использовании поддерживаемых компьютером инструментов для исследования большого количества абстрактных данных. Термин «визуализация информации» был первоначально придуман группой исследований пользовательского интерфейса в Xerox PARC и включал Джока Маккинли . [ требуется ссылка ] Практическое применение визуализации информации в компьютерных программах включает 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 реальном времени, тем самым обеспечивая беспрецедентное восприятие шаблонов и структурных отношений в рассматриваемых абстрактных данных.
Образовательная визуализация использует симуляцию для создания образа чего-либо, чтобы его можно было преподавать. Это очень полезно при обучении теме, которую трудно увидеть иным способом, например, атомной структуре , поскольку атомы слишком малы, чтобы их можно было легко изучить без дорогостоящего и сложного в использовании научного оборудования.
Использование визуальных представлений для передачи знаний как минимум между двумя людьми направлено на улучшение передачи знаний путем использования компьютерных и некомпьютерных методов визуализации в качестве дополнительных. [8] Таким образом, правильно спроектированная визуализация является важной частью не только анализа данных, но и процесса передачи знаний. [9] Передача знаний может быть значительно улучшена с использованием гибридных конструкций, поскольку это повышает плотность информации, но также может снизить 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 визуализации информации и воображаемые визуализации, такие как истории . В то время как визуализация информации концентрируется на использовании поддерживаемых компьютером 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 , отношения , ценностей , ожиданий , перспектив , мнений и прогнозов с использованием различных дополнительных визуализаций. См. также: словарь изображений , визуальный словарь
Визуализация продукта включает в себя технологию программного обеспечения визуализации для просмотра и обработки 3D-моделей, технических чертежей и другой связанной документации изготовленных компонентов и крупных сборок продуктов. Это ключевая часть управления жизненным циклом продукта . Программное обеспечение визуализации продукта обычно обеспечивает высокий уровень фотореализма, так что продукт можно просмотреть до того, как он будет фактически изготовлен. Это поддерживает функции, начиная от дизайна и стиля до продаж и маркетинга. Техническая визуализация является важным аспектом разработки продукта. Первоначально технические чертежи делались вручную, но с появлением передовой компьютерной графики чертежная доска была заменена автоматизированным проектированием (САПР). Чертежи и модели САПР имеют несколько преимуществ по сравнению с чертежами, выполненными вручную, такими как возможность 3D- моделирования, быстрого прототипирования и симуляции . 3D-визуализация продукта обещает больше интерактивных впечатлений для онлайн-покупателей, но также бросает вызов розничным торговцам, чтобы преодолеть 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 связанная с двухмерными изображениями , она 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 крупного процесса анализа данных. Визуальная аналитика определяется как «наука об аналитическом мышлении, поддерживаемом интерактивным визуальным интерфейсом». [12]
Его фокус сосредоточен на человеческом информационном дискурсе (взаимодействии) в массивных, динамически меняющихся информационных пространствах. Исследования визуальной аналитики сосредоточены на поддержке перцептивных и когнитивных операций, которые позволяют пользователям обнаруживать ожидаемое и открывать неожиданное в сложных информационных пространствах.
Технологии, возникающие в результате визуальной аналитики, находят применение практически во всех областях, но их развитие обусловлено критическими потребностями (и финансированием) в биологии и национальной безопасности.
Интерактивная визуализация или интерактивная визуализация — это раздел графической визуализации в компьютерной науке , который включает в себя изучение того, как люди взаимодействуют с компьютерами для создания графических иллюстраций информации, а также того, как можно сделать этот процесс более эффективным.
Чтобы визуализация считалась интерактивной, она должна соответствовать 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 некоторые аспекты информации представлены в трех измерениях, так что люди могут исследовать информацию, как если бы она присутствовала (хотя вместо этого она была удалена), имела соответствующий размер (хотя вместо этого она была в гораздо меньшем или большем масштабе, чем люди могут ощущать напрямую) или имела форму (хотя вместо этого она могла бы быть полностью абстрактной).
Другой тип интерактивной визуализации — это совместная визуализация, в которой несколько человек взаимодействуют с одной и той же компьютерной визуализацией, чтобы сообщать друг другу свои идеи или совместно изучать 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, телефон), видео (например, видеоконференция) или текстовых (например, IRC ) сообщений.
Иерархическая интерактивная графическая система программиста ( PHIGS ) была одной из первых программных попыток интерактивной визуализации и предоставила перечень типов ввода, предоставляемых людьми. Люди могут:
Все эти действия требуют физического устройства. Устройства ввода варьируются от обычных — клавиатуры , мыши , графические планшеты , трекболы и тачпады — до экзотических — проводные перчатки , штанги и даже всенаправленные беговые дорожки .
Эти входные действия могут использоваться для управления как уникальной представляемой информацией, так и способом представления информации. Когда представляемая информация изменяется, визуализация обычно является частью цикла обратной связи . Например, рассмотрим систему авионики самолета, где пилот вводит данные о крене, тангаже и рыскании, а система визуализации обеспечивает визуализацию нового положения самолета. Другим примером может служить ученый, который изменяет симуляцию во время ее работы в ответ на визуализацию ее текущего прогресса. Это называется вычислительным управлением .
Чаще всего изменяется не сама информация, а ее представление.
Эксперименты показали, что задержка более 20 мс между вводом данных и обновлением визуального представления заметна большинству людей [ требуется ссылка ] . Таким образом, желательно, чтобы интерактивная визуализация обеспечивала рендеринг на основе ввода данных человеком в течение этого периода времени. Однако, когда для создания визуализации необходимо обработать большие объемы данных, это становится сложным или даже невозможным при современных технологиях. Таким образом, термин «интерактивная визуализация» обычно применяется к системам, которые предоставляют обратную связь пользователям в течение нескольких секунд после ввода данных. Термин « интерактивная частота кадров » часто используется для измерения того, насколько интерактивна визуализация. Частота кадров измеряет частоту, с которой изображение (кадр) может быть сгенерировано системой визуализации. Частота кадров 50 кадров в секунду (кадров/с) считается хорошей, а 0,1 кадр/с будет считаться плохой. Однако использование частоты кадров для характеристики интерактивности немного вводит в заблуждение, поскольку частота кадров является мерой пропускной способности, в то время как люди более чувствительны к задержке . В частности, можно достичь хорошей частоты кадров 50 кадров/с, но если сгенерированные изображения относятся к изменениям в визуализации, которые человек сделал более 1 секунды назад, то для человека это не будет ощущаться интерактивным.
Быстрое время отклика, необходимое для интерактивной визуализации, является сложным ограничением, и существует несколько подходов, которые были исследованы для предоставления людям быстрой визуальной обратной связи на основе их ввода. Некоторые из них включают
Проводится множество конференций, на которых представляются и публикуются научные статьи по интерактивной визуализации.