Wizualizacja (grafika) - Visualization (graphics)

Kilka terminów przekierowuje tutaj. W przypadku innych zastosowań zobacz Wizualizacja (ujednoznacznienie) .

Wizualizacja deformacji samochodu w zderzeniu asymetrycznym z wykorzystaniem analizy elementów skończonych

Wizualizacja lub wizualizacja (patrz różnice w pisowni ) to dowolna technika tworzenia obrazów , diagramów lub animacji w celu przekazania wiadomości. Wizualizacja za pomocą obrazów wizualnych była skutecznym sposobem komunikowania zarówno abstrakcyjnych, jak i konkretnych pomysłów od zarania ludzkości. Przykłady z historii obejmują malowidła naskalne , egipskie hieroglify , geometrię grecką i rewolucyjne metody rysunku technicznego Leonarda da Vinci do celów inżynieryjnych i naukowych.

Wizualizacja ma dziś coraz szersze zastosowanie w nauce, edukacji, inżynierii (np. wizualizacja produktów), interaktywnych multimediach , medycynie itp. Typową aplikacją wizualizacyjną jest dziedzina grafiki komputerowej . Wynalezienie grafiki komputerowej (i grafiki komputerowej 3D ) może być najważniejszym osiągnięciem w wizualizacji od czasu wynalezienia perspektywy centralnej w okresie renesansu . Rozwój animacji przyczynił się również do rozwoju wizualizacji.

Przegląd

Ptolemeusz mapa świata , odtworzony z Ptolemeusza Geographii (około 150), wskazując kraje „ Serica ” i „Sinae” ( Chiny ) w prawej skrajnej, poza wyspy „Taprobane” ( Sri Lanka , przewymiarowane) oraz „Aurea Chersonesus” ( półwysep Azji Południowo-Wschodniej )
Grafika informacyjna Charlesa Minarda przedstawiająca marsz Napoleona

Wykorzystanie wizualizacji do prezentacji informacji nie jest zjawiskiem nowym. Jest używany w mapach, rysunkach naukowych i wykresach danych od ponad tysiąca lat. Przykłady z kartografii obejmują Geografię Ptolemeusza (II wiek ne), mapę Chin (1137 ne) i mapę Minarda (1861) przedstawiającą inwazję Napoleona na Rosję półtora wieku temu. Większość pojęć poznanych podczas tworzenia tych obrazów przenosi się w prosty sposób do wizualizacji komputerowej. Edward Tufte napisał trzy uznane przez krytykę książki, które wyjaśniają wiele z tych zasad.

Grafika komputerowa od początku była wykorzystywana do badania problemów naukowych. Jednak na początku brak mocy graficznej często ograniczał jej użyteczność. Ostatni nacisk na wizualizację rozpoczął się w 1987 r. wraz z publikacją Visualization in Scientific Computing, specjalnym wydaniem Grafiki Komputerowej. Od tego czasu odbyło się kilka konferencji i warsztatów, współsponsorowanych przez IEEE Computer Society i ACM SIGGRAPH , poświęconych tematowi ogólnemu oraz specjalnym obszarom w tej dziedzinie, na przykład wizualizacji objętości.

Większość ludzi zna animacje cyfrowe tworzone w celu przedstawienia danych meteorologicznych podczas telewizyjnych raportów pogodowych , choć niewielu potrafi odróżnić te modele rzeczywistości od zdjęć satelitarnych, które są również pokazywane w takich programach. Telewizja oferuje również wizualizacje naukowe, gdy pokazuje komputerowo rysowane i animowane rekonstrukcje wypadków drogowych lub lotniczych. Niektóre z najpopularniejszych przykładów wizualizacji naukowych to obrazy generowane komputerowo, które pokazują prawdziwy statek kosmiczny w akcji, w próżni daleko poza Ziemią lub na innych planetach . Dynamiczne formy wizualizacji, takie jak animacja edukacyjna lub osie czasu , mogą usprawnić poznawanie systemów, które zmieniają się w czasie.

Oprócz rozróżnienia między interaktywnymi wizualizacjami a animacją, najbardziej użyteczna kategoryzacja dotyczy prawdopodobnie abstrakcyjnych i opartych na modelach wizualizacji naukowych. Abstrakcyjne wizualizacje przedstawiają całkowicie koncepcyjne konstrukcje w 2D lub 3D. Te wygenerowane kształty są całkowicie dowolne. Wizualizacje oparte na modelach albo umieszczają nakładki danych na rzeczywistych lub cyfrowo skonstruowanych obrazach rzeczywistości, albo tworzą cyfrową konstrukcję rzeczywistego obiektu bezpośrednio z danych naukowych.

Wizualizacja naukowa jest zwykle wykonywana za pomocą specjalistycznego oprogramowania , chociaż istnieje kilka wyjątków, o których mowa poniżej. Niektóre z tych specjalistycznych programów zostały wydane jako oprogramowanie open source , bardzo często wywodzące się z uniwersytetów, w środowisku akademickim, w którym wspólne jest udostępnianie narzędzi programowych i udostępnianie kodu źródłowego. Istnieje również wiele autorskich pakietów oprogramowania narzędzi do wizualizacji naukowej.

Modele i struktury do budowania wizualizacji obejmują modele przepływu danych spopularyzowane przez systemy takie jak AVS, IRIS Explorer i VTK toolkit oraz modele stanu danych w systemach arkuszy kalkulacyjnych, takich jak Arkusz kalkulacyjny dla wizualizacji i Arkusz kalkulacyjny dla obrazów.

Aplikacje

Wizualizacja naukowa

Symulacja niestabilności Raleigha-Taylora spowodowanej przez dwa mieszające się płyny
Główny artykuł: Wizualizacja naukowa

Jako przedmiot informatyki , wizualizacja naukowa polega na wykorzystaniu interaktywnych, sensorycznych reprezentacji, zazwyczaj wizualnych, abstrakcyjnych danych w celu wzmocnienia poznania , budowania hipotez i rozumowania . Wizualizacja naukowa to transformacja, selekcja lub reprezentacja danych z symulacji lub eksperymentów, z niejawną lub jawną strukturą geometryczną, umożliwiającą eksplorację, analizę i zrozumienie danych. Wizualizacja naukowa skupia się i podkreśla reprezentację danych wyższego rzędu przy użyciu głównie technik graficznych i animacyjnych. Jest to bardzo ważna część wizualizacji i może pierwsza, ponieważ wizualizacja eksperymentów i zjawisk jest tak stara jak sama nauka . Tradycyjne obszary wizualizacji naukowych są wizualizacja przepływu , wizualizacji medycznej , Astrophysical wizualizacji i wizualizacja chemiczny . Istnieje kilka różnych technik wizualizacji danych naukowych, przy czym bardziej powszechne są rekonstrukcja izopowierzchni i bezpośrednie renderowanie objętości .

Wizualizacja danych

Główny artykuł: Wizualizacja danych

Wizualizacja danych jest pokrewną podkategorią wizualizacji zajmującą się grafiką statystyczną i danymi geoprzestrzennymi (jak w kartografii tematycznej ), które są wyabstrahowane w formie schematycznej.

Wizualizacja informacji

Względne średnie wykorzystanie IPv4
Główny artykuł: Wizualizacja informacji
Dalsze informacje: Grafika informacyjna

Wizualizacja informacji koncentruje się na wykorzystaniu narzędzi wspomaganych komputerowo do eksploracji dużej ilości abstrakcyjnych danych. Termin „wizualizacja informacji” został pierwotnie ukuty przez Grupę Badawczą Interfejsów Użytkownika w Xerox PARC i obejmował Jock Mackinlay. Praktyczne zastosowanie wizualizacji informacji w programach komputerowych polega na selekcji, przekształcaniu i przedstawianiu abstrakcyjnych danych w formie, która ułatwia interakcję między ludźmi w celu eksploracji i zrozumienia. Ważnymi aspektami wizualizacji informacji są dynamika reprezentacji wizualnej i interaktywność. Silne techniki umożliwiają użytkownikowi modyfikowanie wizualizacji w czasie rzeczywistym, zapewniając tym samym niezrównaną percepcję wzorców i relacji strukturalnych w omawianych abstrakcyjnych danych.

Wizualizacja edukacyjna

Wizualizacja edukacyjna wykorzystuje symulację do stworzenia obrazu czegoś, aby można było o tym uczyć. Jest to bardzo przydatne podczas nauczania na temat, który w inny sposób jest trudny do zobaczenia, na przykład struktura atomu , ponieważ atomy są zdecydowanie za małe, aby można je było łatwo zbadać bez drogiego i trudnego w użyciu sprzętu naukowego.

Wizualizacja wiedzy

Wykorzystanie reprezentacji wizualnych do przekazywania wiedzy między co najmniej dwiema osobami ma na celu usprawnienie przekazywania wiedzy poprzez komplementarne wykorzystanie komputerowych i niekomputerowych metod wizualizacji. Odpowiednio zaprojektowana wizualizacja jest więc ważną częścią nie tylko analizy danych, ale także procesu transferu wiedzy. Transfer wiedzy można znacznie poprawić dzięki projektom hybrydowym, ponieważ zwiększa to gęstość informacji, ale może również zmniejszać przejrzystość. Na przykład wizualizacja pola skalarnego 3D może być realizowana przy użyciu izopowierzchni do rozkładu pola i tekstur do gradientu pola. Przykładami takich formatów wizualnych są szkice , diagramy , obrazy , obiekty , wizualizacje interaktywne, aplikacje do wizualizacji informacji i wizualizacje urojone jak w opowiadaniach . Podczas gdy wizualizacja informacji koncentruje się na wykorzystaniu narzędzi wspomaganych komputerowo w celu uzyskania nowych spostrzeżeń, wizualizacja wiedzy koncentruje się na przekazywaniu spostrzeżeń i tworzeniu nowej wiedzy w grupach . Poza samym przekazywaniem faktów , wizualizacja wiedzy ma na celu dalsze przekazywanie spostrzeżeń , doświadczeń , postaw , wartości , oczekiwań , perspektyw , opinii i przewidywań za pomocą różnych uzupełniających się wizualizacji. Zobacz także: słowniczek obrazkowy , wizualny słownik

Wizualizacja produktu

Wizualizacja produktu obejmuje technologię oprogramowania wizualizacyjnego do przeglądania i manipulowania modelami 3D, rysunkami technicznymi i inną powiązaną dokumentacją wytwarzanych komponentów i dużych zespołów produktów. Jest to kluczowa część zarządzania cyklem życia produktu . Oprogramowanie do wizualizacji produktów zazwyczaj zapewnia wysoki poziom fotorealizmu, dzięki czemu produkt można obejrzeć przed jego faktycznym wyprodukowaniem. Obsługuje funkcje od projektowania i stylizacji po sprzedaż i marketing. Wizualizacja techniczna jest ważnym aspektem rozwoju produktu. Pierwotnie rysunki techniczne zostały wykonane ręcznie, ale wraz z rozwojem zaawansowanych grafiki komputerowej deska rysunek został zastąpiony przez komputerowego wspomagania projektowania (CAD). CAD rysunki i modele mają kilka zalet w stosunku do strony wykonane rysunków takich jak możliwość 3-D modelowania szybkiego prototypowania i symulacji . Wizualizacja produktów 3D zapewnia bardziej interaktywne wrażenia dla kupujących online, ale także stanowi wyzwanie dla sprzedawców w pokonywaniu przeszkód w produkcji treści 3D, ponieważ produkcja treści 3D na dużą skalę może być niezwykle kosztowna i czasochłonna.

Komunikacja wizualna

Komunikacja wizualna jest komunikacja z pomysłów poprzez wizualną prezentację informacji . Przede wszystkim kojarzona z obrazami dwuwymiarowymi , obejmuje: alfanumerykę , sztukę , znaki i zasoby elektroniczne . Ostatnie badania w tej dziedzinie skupiły się na projektowaniu stron internetowych i użyteczności zorientowanej graficznie .

Analiza wizualna

Analityka wizualna skupia się na interakcji człowieka z systemami wizualizacji w ramach większego procesu analizy danych. Analityka wizualna została zdefiniowana jako „nauka analitycznego rozumowania wspierana przez interaktywny interfejs wizualny”.

Koncentruje się na ludzkim dyskursie informacyjnym (interakcji) w ogromnych, dynamicznie zmieniających się przestrzeniach informacyjnych. Badania analityki wizualnej koncentrują się na wsparciu operacji percepcyjnych i poznawczych, które umożliwiają użytkownikom wykrywanie oczekiwanych i odkrywanie nieoczekiwanych w złożonych przestrzeniach informacyjnych.

Technologie wynikające z analityki wizualnej znajdują zastosowanie w prawie wszystkich dziedzinach, ale są napędzane przez krytyczne potrzeby (i finansowanie) w biologii i bezpieczeństwie narodowym.

Interaktywność

Zobacz też: Interaktywna wizualizacja danych i Tablica interaktywna

Wizualizacja interaktywna lub wizualizacja interaktywna to gałąź wizualizacji graficznej w informatyce, która obejmuje badanie, w jaki sposób ludzie wchodzą w interakcję z komputerami w celu tworzenia graficznych ilustracji informacji i w jaki sposób można usprawnić ten proces.

Aby wizualizacja została uznana za interaktywną, musi spełniać dwa kryteria:

  • Wkład ludzki: kontrola nad pewnym aspektem wizualnej reprezentacji informacji lub reprezentowanej informacji musi być dostępna dla człowieka, oraz
  • Czas reakcji: zmiany wprowadzone przez człowieka muszą być w odpowiednim czasie uwzględnione w wizualizacji. Ogólnie rzecz biorąc, wizualizacja interaktywna jest uważana za miękkie zadanie w czasie rzeczywistym .

Jednym szczególnym rodzajem wizualizacji interaktywnej jest rzeczywistość wirtualna (VR), w której wizualna reprezentacja informacji jest prezentowana za pomocą immersyjnego urządzenia wyświetlającego, takiego jak projektor stereo (patrz stereoskopia ). VR charakteryzuje się również wykorzystaniem metafory przestrzennej, w której pewien aspekt informacji jest reprezentowany w trzech wymiarach, dzięki czemu ludzie mogą eksplorować informacje tak, jakby były obecne (gdzie zamiast tego były odległe), odpowiednio zwymiarowane (gdzie zamiast tego były na znacznie mniejszą lub większą skalę niż ludzie mogą bezpośrednio wyczuć) lub mieć kształt (gdzie zamiast tego może być całkowicie abstrakcyjny).

Innym rodzajem wizualizacji interaktywnej jest wizualizacja zespołowa, w której wiele osób wchodzi w interakcję z tą samą wizualizacją komputerową, aby przekazywać sobie nawzajem swoje pomysły lub wspólnie eksplorować informacje. Często wizualizacja oparta na współpracy jest używana, gdy ludzie są fizycznie rozdzieleni. Korzystając z kilku komputerów podłączonych do sieci, ta sama wizualizacja może być prezentowana jednocześnie każdej osobie. Następnie ludzie dokonują adnotacji do wizualizacji, a także komunikują się za pośrednictwem wiadomości audio (tj. telefon), wideo (tj. wideokonferencja) lub tekstowych (tj. IRC ).

Ludzka kontrola wizualizacji

Hierarchiczny interaktywny system graficzny programisty ( PHIGS ) był jednym z pierwszych programistycznych przedsięwzięć w zakresie interaktywnej wizualizacji i zawierał wyliczenie typów danych wejściowych, jakie dostarczają ludzie. Ludzie mogą:

  1. Wybierz jakąś część istniejącej reprezentacji wizualnej;
  2. Zlokalizuj interesujące miejsce (które może nie mieć istniejącej reprezentacji);
  3. Obrysuj ścieżkę;
  4. Wybierz opcję z listy opcji;
  5. Oceń , wprowadzając liczbę; oraz
  6. Pisz , wpisując tekst.

Wszystkie te działania wymagają urządzenia fizycznego. Urządzenia wejściowe wahają się od zwykłych – klawiatur , myszy , tabletów graficznych , trackballi i touchpadów – po ezoteryczne – przewodowe rękawiczki , wysięgniki , a nawet bieżnie wielokierunkowe .

Te akcje wejściowe mogą służyć do kontrolowania zarówno reprezentowanych informacji, jak i sposobu prezentacji informacji. Gdy prezentowane informacje ulegają zmianie, wizualizacja jest zwykle częścią pętli sprzężenia zwrotnego . Rozważmy na przykład system awioniki samolotu, w którym pilot wprowadza kołysanie, pochylenie i odchylenie, a system wizualizacji zapewnia renderowanie nowego położenia samolotu. Innym przykładem może być naukowiec, który zmienia symulację podczas jej działania w odpowiedzi na wizualizację jej aktualnego postępu. Nazywa się to sterowaniem obliczeniowym .

Częściej zmienia się reprezentacja informacji, a nie sama informacja.

Szybka reakcja na działania człowieka

Eksperymenty wykazały, że większość ludzi zauważa opóźnienie przekraczające 20 ms między wprowadzeniem danych wejściowych a aktualizacją reprezentacji wizualnej. Dlatego pożądane jest, aby interaktywna wizualizacja zapewniała renderowanie oparte na danych wejściowych człowieka w tym przedziale czasowym. Jednak gdy do stworzenia wizualizacji trzeba przetworzyć duże ilości danych, staje się to trudne lub nawet niemożliwe przy obecnej technologii. Dlatego termin „wizualizacja interaktywna” jest zwykle stosowany do systemów, które dostarczają użytkownikom informacje zwrotne w ciągu kilku sekund od wprowadzenia. Termin interaktywna liczba klatek na sekundę jest często używany do pomiaru interaktywności wizualizacji. Liczba klatek na sekundę mierzy częstotliwość, z jaką obraz (klatka) może być generowany przez system wizualizacji. Szybkość klatek 50 klatek na sekundę (klatki/s) jest uważana za dobrą, podczas gdy 0,1 klatki/s jest uważana za słabą. Użycie liczby klatek na sekundę do scharakteryzowania interaktywności jest jednak nieco mylące, ponieważ liczba klatek na sekundę jest miarą przepustowości, podczas gdy ludzie są bardziej wrażliwi na opóźnienia . W szczególności możliwe jest osiągnięcie dobrej szybkości odtwarzania 50 klatek na sekundę, ale jeśli wygenerowane obrazy odnoszą się do zmian w wizualizacji, które osoba wprowadziła ponad 1 sekundę temu, nie będzie to odczuwalne dla tej osoby.

Szybki czas reakcji wymagany do interaktywnej wizualizacji jest trudnym do spełnienia ograniczeniem i istnieje kilka podejść, które zostały zbadane, aby zapewnić ludziom szybką wizualną informację zwrotną w oparciu o ich wkład. Niektóre obejmują

  1. Renderowanie równoległe — w przypadku, gdy do renderowania obrazu używany jest jednocześnie więcej niż jeden komputer lub karta graficzna. Wiele klatek może być renderowanych w tym samym czasie przez różne komputery, a wyniki przesyłane przez sieć w celu wyświetlenia na jednym monitorze . Wymaga to, aby każdy komputer przechowywał kopię wszystkich informacji, które mają być renderowane, i zwiększa przepustowość, ale także zwiększa opóźnienia. Ponadto każdy komputer może renderować inny region pojedynczej klatki i wysyłać wyniki przez sieć w celu wyświetlenia. To znowu wymaga, aby każdy komputer przechowywał wszystkie dane i może prowadzić do nierównowagi obciążenia, gdy jeden komputer jest odpowiedzialny za renderowanie obszaru ekranu z większą ilością informacji niż inne komputery. Wreszcie każdy komputer może renderować całą ramkę zawierającą podzbiór informacji. Uzyskane obrazy wraz z powiązanym buforem głębokości można następnie przesłać przez sieć i połączyć z obrazami z innych komputerów. Rezultatem jest pojedyncza ramka zawierająca wszystkie informacje do wyrenderowania, mimo że żaden pojedynczy komputer nie przechowuje wszystkich informacji. Nazywa się to równoległym komponowaniem głębokości i jest używane, gdy duże ilości informacji muszą być renderowane interaktywnie.
  2. Renderowanie progresywne — gdzie szybkość klatek jest gwarantowana przez renderowanie pewnego podzbioru informacji do zaprezentowania i zapewnianie przyrostowych (progresywnych) ulepszeń renderowania, gdy wizualizacja już się nie zmienia.
  3. Renderowanie na poziomie szczegółowości ( LOD ) – gdzie uproszczone reprezentacje informacji są renderowane w celu osiągnięcia pożądanej liczby klatek na sekundę, gdy osoba dostarcza dane wejściowe, a następnie pełna reprezentacja jest używana do generowania nieruchomego obrazu, gdy osoba manipuluje wizualizacją. Jednym z powszechnych wariantów renderowania LOD jest podpróbkowanie . Gdy reprezentowane informacje są przechowywane w topologicznie prostokątnej tablicy (co jest typowe w przypadku zdjęć cyfrowych , skanów MRI i symulacji różnic skończonych ), można łatwo wygenerować wersję o niższej rozdzielczości, pomijając n punktów na każdy 1 renderowany punkt. Podpróbkowanie można również wykorzystać do przyspieszenia technik renderowania, takich jak wizualizacja objętości, która wymaga ponad dwukrotnie większej liczby obliczeń dla obrazu dwukrotnie większego. Dzięki renderowaniu mniejszego obrazu, a następnie skalowaniu obrazu w celu wypełnienia żądanego miejsca na ekranie, renderowanie tych samych danych zajmuje znacznie mniej czasu.
  4. Renderowanie bezramkowe — gdzie wizualizacja nie jest już prezentowana jako seria czasowa obrazów, ale jako pojedynczy obraz, w którym różne regiony są aktualizowane w czasie.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki

Konferencje

Wiele konferencji ma miejsce, na których prezentowane i publikowane są artykuły naukowe dotyczące interaktywnej wizualizacji.