可视化方法与技术

可视化办法与技术计算机系统在各领域中的广泛应用造成海量数据的产生，数据解决能力的滞后迫切需要研究和开发新的信息解决技术和办法。基于此，海量、异构、时变、多维数据的可视化表达和分析在各领域中日益受到重视并得到越来越广泛的应用。一、可视化概述测量的自动化、网络传输过程的数字化和大量的计算机仿真产生了海量数据，超出了人类分析解决的能力。可视化提供理解决这种问题的一种新工具。普通意义下的可视化定义为：可视化是一种使复杂信息能够容易和快速被人理解的手段，是一种聚焦在信息重要特性的信息压缩语言，是能够放大人类感知的图形化表达办法。可视化就是把数据、信息和知识转化为可视的表达形式并获得对数据更深层次认识的过程。可视化作为一种能够放大人类感知的数据、信息、知识的表达办法，日益受到重视并得到越来越广泛的应用。可视化能够应用到简朴问题，也能够应用到复杂系统状态表达，从可视化的表达中人们能够发现新的线索、新的关联、新的构造、新的知识，增进人机系统的结合，增进科学决策。可视化充足运用计算机图形学、图像解决、顾客界面、人机交互等技术，形象、直观地显示科学计算的中间成果和最后成果并进行交互解决。可视化技术以人们惯于接受的表格、图形、图像等办法并辅以信息解决技术将客观事物及其内在的联系进行体现，可视化成果便于人们记忆和理解。可视化为人类与计算机这两个信息解决系统之间提供了一种接口。可视化对于信息的解决和体现方式有其它方式无法取代的优势，其特点可总结为可视性、交互性和多维性。二、可视化技术现在，可视化技术涉及数据可视化、科学计算可视化、信息可视化和知识可视化等，这些概念及应用存在着区别、交叉和联系。（一）数据可视化数据可视化技术指的是运用计算机图形学和图像解决技术，将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互解决的理论、办法和技术。数据可视化的重点是将多维数据在二维或三维空间内显示，这对初步的数据分类理解是故意义的。针对于此，产生了许多数据可视化的技术，大致分为散点矩阵法、投影矩阵法、平行坐标法、面对象素的可视化技术、层次技术、动态技术、图标表达技术、直方图法及某些几何学技术等等。另外还采用主成分分析、因子分析、投影寻踪、主曲线、主曲面、多维标度图和自组织映射等办法将多维变量表达为二维变量，根据此算法对数据进行简朴分类，并理解各个特性属性之间的关系。（二）科学计算可视化科学计算可视化，指的是运用计算机图形学和图像解决技术，将工程测量数据、科学计算过程中产生的数据及计算成果转换为图形图像在屏幕上显示出来，并进行交互解决的理论、办法和技术。科学计算数据能够划分为构造化数据，非构造化数据和混合型数据，科学计算数据还能够分为标量、矢量和张量数据。科学计算可视化技术重要有两个难点：一是分类，研究如何判断出可视化对象的类别；二是绘制，研究如何将可视化对像真实、高效地显示在屏幕上，使得顾客可交互式查看。科学计算数据的三维重建办法有大致可分为面绘制和体绘制两类。面绘制办法首先在三维空间数据场中构造出中间几何图元如平面、曲面等，然后再由计算机图形学技术实现绘制显示。其基本思想是提取感爱好物体的表面信息，再用绘制算法根据光照、明暗模型进行阴影和渲染后得到最后的显示图像；体绘制是一种直接由三维数据场产生屏幕上二维图像的技术。体绘制技术研究的是如何表达、维护和绘制体数据集，从而提供洞察数据内部构造和理解物质复杂特性的机制。体绘制技术最大优点是能够探索物体的内部构造，能够描述非定形的物体如肌肉等，而面绘制在这些方面比较弱。（三）信息可视化信息可视化就是运用计算机支撑的、交互的、对抽象数据的可视表达，来增强人们对这些抽象信息的认知。信息可视化是将非空间数据的信息对象的特性值抽取、转换、映射、高度抽象与整合，用图形、图像、动画等方式表达信息对象内容特性和语义的过程。信息对象涉及文本、图像、视频和语音等类型，它们的可视化是分别采用不同模型办法来实现的。信息可视化研究人、计算机表达的信息以及它们互相影响的技术。而人机交互是研究人、计算机以及它们互相影响的技术。信息可视化能够看作是从数据信息到可视化形式再到人的感知系统的可调节的映射。信息可视化可分为一维数据、二维数据、三维数据、多维数据、时态数据、层次数据和网络数据的可视化7类。（四）知识可视化知识可视化是在科学计算可视化、数据可视化、信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域，应用视觉表征手段，增进群体知识的传输和创新。知识可视化研究的是视觉表征在提高两个或两个以上人之间的知识传输和创新中的作用。这样一来，知识可视化指的是全部能够用来建构和传达复杂知识的图解手段。除了传达事实信息之外，知识可视化的目的是传输见解、经验、态度、价值观、盼望，观点、意见和预测等，并以这种方式协助别人对的地重构、记忆和应用这些知识。知识可视化与信息可视化有着本质差别，信息可视化的目的在于从大量的抽象数据中发现某些新的见解，或者简朴地使存储的数据更容易被访问；而知识可视化则是通过提供更丰富的体现他们所懂得内容的方式，以提高人们之间的知识传输和创新。三、可视化的应用可视化的应用范畴十分广泛，几乎能够应用于自然科学、工程技术、金融、农业和商业等多个领域，其中医学、气象预报、油气勘探、地质学和地理学等是可视化的典型应用。可视化的重要性在于，通过提供对数据和知识的可视化建立顾客与数据系统交互的良好沟通渠道，能够运用人类的专业知识和模式识别能力评定和提高挖掘出的成果模式的有效性，提供对挖掘成果的可视化显示，使顾客对成果模式能够有深刻直观的理解。（一）数据挖掘可视化数据挖掘比较公认的描述性定义是由U．M．Fayyad等给出的，即数据挖掘是从数据集中识别出有效的、新颖的、潜在有用的以及最后可理解的模式的非平凡过程。数据挖掘可视化的目的是使顾客能够交互地浏览数据以及挖掘过程等。当要识别的不规则事物是一系列图形而不是数字表格时，人的识别的速度是最快的。数据挖掘可视化分为3类。一是源数据可视化，源数据可视化是用于体现源数据的分布状况和特性体现。二是数据挖掘过程可视化，能够使顾客更形象的理解挖掘的流程。三是数据挖掘成果可视化。成果可视化是将挖掘出来的知识和成果用可视化的形式体现出来，例如柱状图等，有助于更形象的理解成果的含义。成果可视化应用比较多，毕竟大多数研究成果最后的顾客他们最关心的还是成果，因此成果可视化是一种很重要的部分。可视化技术与数据挖掘技术的结合形成的可视数据挖掘经历了若干阶段。一是初级图表可视化阶段，在此阶段只是运用图表、曲线（直方图、饼图等）显示数据的统计信息（总和、均值等）；二是信息查询可视化阶段，此阶段重要运用可视化的人机界面，用图形、图像显示查询成果，对复杂的查询起到直观的体现，便于顾客理解；三是可视数据挖掘阶段，此阶段能够用图形方式表达数据之间的内在联系及发展规律，并引导整个数据挖掘过程的进行。（二）复杂网络可视化人们通过对Web网络、社会关系网络、生物网络等的研究,发现，复杂网络的构造非常复杂,如果仅用数据表格或文字的形式来表达网络，理解起来非常困难,造成网络所包含的信息无从体现。将复杂网络方便、直观地表达出来的最佳办法是将其进行可视化。复杂网络可视化研究涉及复杂系统、图论、统计学、数据挖掘、信息可视化以及人机交互等多个领域。其中受关注程度最多的一种问题是可视化算法,涉及布点算法和可视化压缩算法。它的典型应用涉及可视化信息检索、可视化通信网络拓扑、可视化基因网络或蛋白质网络和可视化交通网等。（三）物流可视化当代物流业是运用当代信息技术对其生产、经营和承运的物资的流通过程中所产生的文本、图像数据、声音、语音、视频等全部数字化信息进行采集、分类、传递、汇总、识别、跟踪、查询等一系列解决活动，在符合管理规定的基础上，实现对物资流动过程的控制，从而减少成本、提高效益的管理活动。物流可视化是可视化技术在物流领域的综合应用，它包含了物流信息的采集、传输、分类、汇总、图形化显示等一系列过程，以及完毕这些过程所需的软硬件。实现物流可视化的目的就是为了协助人们更加好地理解物流信息的本质和更方便地操纵信息。（四）农业可视化运用数据可视化实现植物在三维空间中的生长发育过程。运用三维建模与数据可视化技术，提供对新农村规划设计与新农村规划管理项目审批的直观、可行的可视化辅助手段，为有关领导做出最后决策提供协助。（五）音乐可视化音乐可视化是对音乐体现的一种非主观的解释和判断,是为理解、分析、比较音乐的体现力和内部构造提供的一种呈现技术。音乐可视化在对音乐的特性如波形、频率、音调、音高、节奏、速度、音色等进行提取之后映射到对应的可视化效果这种可视化效果具体形式多样,能够是烟雾、水波、火焰等的变化特别是基于计算机图形图像变换解决而产生的、复杂的、全新的视觉效果,如虚拟角色小动物或人的动作变化及其虚拟场景的变幻、音乐的音符、音高、节拍等的具体形象化视觉效果等,更动人心弦。四、存在的问题和发展方向存在的问题涉及：第一是如何提高可视化显示空间和时间分辨率，以满足虚拟与物理现实可视化表达的需求；第二是可视化和其它技术的集成，可视化需要与网络、语音、人工视觉、计算和数据存储结合起来；第三是找到有效的办法可视化高维数值的信息，或者非数值的信息，一种好的可视化展示会使全部信息清晰、分辨性强，同时利于寻找可视化后的规律和联系；第四是人机可视化交互，发现有效的可视化表达方式并用于直接操作顾客和可视化系统进行交互，以及用于多个顾客间的合作交互；第五是定义有效的抽象，方便顾客和可视化系统的交互操作，注意有效的抽象应兼顾可视化表达和易于使用；第六，已有的可视化算法和工具大多用于显示存在的静态构造,但静态构造无法确切描述现实中持续演变的真实状况，如何实现动