大数据导论第7章 数据可视化

可视化充分利用计算机图形学、图像处理、用户界面、人机 交互等技术，形象、直观地显示科学计算的中间结果和最终结果 并进行交互处理。可视化技术以人们惯于接受的表格、图形、图 像等方法并辅以信息处理技术将客观事物及其内在的联系进行表 现，可视化结果便于人们记忆和理解。
可视化为人类大脑与计算机这两个信息处理系统之间提供了 一个接口。可视化对信息的处理和表达方式有其他方式无法取代 的优势，其特点可总结为可视性、交互性和多维性。
7.2.2 信息可视化
信息可视化（Information Visualization，InfoVis）是情 报学领域一个较新的研究热点。国外信息管理与信息系统专业、 图书情报学专业对这一领域的研究非常活跃，一些大学的信息管 理类专业开设了这方面的课程。对信息可视化技术进行分类，可 以对其方法和应用目的更加明确，从而帮助用户针对问题和应用 领域选择合适的可视化技术；同时，可以发现现有可视化研究的 不足，从而促使研究人员开发更新的可视化技术。
数据可视化技术诞生于20世纪80年代，是运用计算机图形学和 图像处理等技术，以图表、地图、动画或其他使内容更容易理解的 图形方式来表示数据，使数据所表达的内容更容易被处理。数据可 视化技术与虚拟现实技术、数据挖掘、人工智能，甚至与人类基因 组计划等前沿学科领域都有着密切的联系。
从纯技术角度来看，数据可视化大体可以分为5类：基于几何 投影的数据可视化、面向像素的数据可视化、基于图标的数据可视 化、基于层次的数据可视化及基于图形的数据可视化。
人们对计算机可视化技术的研究已经历了一个很长的历程， 而且形成了许多可视化工具，其中SGI公司推出的GL三维图形库表 现突出，其易于使用而且功能强大。利用GL开发出来的三维应用 软件颇受许多专业技术人员的喜爱，这些三维应用软件已涉及建 筑、产品设计、医学、地球科学、流体力学等领域。
随着计算机技术的发展，GL已经进一步发展成为OpenGL。 OpenGL已被认为是高性能图形和交互式视觉处理的标准，在计算 机领域被广泛采用。
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第7章 数据可视化
本章主要内容如下。 （1）可视化的含义。 （2）可视化的发展历程。 （3）可视化的作用。 （4）数据可视化分类。 （5）数据可视化工具。
7.1 什么是可视化
7.1.1 可视化的含义
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，超出了人类大脑分析处理的能力。
1．可视化是一种计算方法
可视化用图形来描述物理现象，把数学符号转化成几何图形， 以直观、形象的方式来表达数据，显示数据中所包含的信息，使 科学家和工程技术人员能有效地观察、模拟和计算，并进行交互 控制。科学可视化包括图像生成和图像理解两个部分，它既是由 复杂多维数据集产生图像的工具，又是解释输入计算机的图像数 据的手段。它得到以下几个相对独立的学科的支持：计算机图形 学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计、信号处理、图形 用户界面及交互技术。
7.1.2 可视化的发展历程
可视化技术使人能在三维图形世界中直接对具有形体的信息 进行操作，和计算机直接交流。这种技术已经把人和机器的力量 以一种直觉而自然的方式加以联系，这种革命性的变化无疑将极 大地提高人们的工作效率。可视化技术赋予人们一种仿真的、三 维的并且具有实时交互的能力，这样人们可以在三维图形世界中 用以前不可想象的手段来获取信息或发挥自己创造性的思维。
从实用角度来看，数据可视化大体可以分为3类：科学可视化、 信息可视化和可视化分析学。
7.2.1 科学可视化
1987年，在华盛顿召开的一次科学计算会议上，针对大数据处 理问题，美国计算机成像专业委员会提出了解决方案：可视化—— 用图形和图像解释数据。这次会议形成了题为“科学计算可视化” 的报告，后被称为科学可视化（Scientific Visualization，SV）。
3．科学可视化的应用范围包括当代科学技术的各个领域
其中，典型的领域如下。
（1）科学研究：分子模型、医学图像、数学、地球科学、空间探
索及天体物
理学。
（2）工程计算：计算流体力学和有限元分析。
4．当前科学计算可视化技术的发展特点 （1）可视化图像的实时显示及交互控制 （2）网络环境下实现的科学计算可视化 （3）虚拟环境下实现的科学计算可视化
2．可视化所研究的课题就是人与计算机之间的交互机制 可视化应使人与计算机协同地感知、利用和传递视觉信息。 科学可视化按功能划分为如下3种形式。 （1）事后处理方式。计算和可视化是分成两个阶段进行的，两者 之间不进行交互作用。 （2）追踪方式。可将计算结果即时以图像显示，以使研究人员了 解当前的计算情况，决定计算是否继续。 （3）驾驭方式。这是科学可视化的最高形式。研究人员可参与计 算过程，对计算进行实时干预。
7.1.3 可视化的作用
1．可视化后的信息易于理解 2．以建设性方式讨论结果 3．理解运营和结果之间的连接 4．发现新兴趋势 5．与数据交互
7.2 数据可视化及其分类
数据可视化是可Baidu Nhomakorabea化技术针对大型关系型数据库或数据仓库 的应用，它旨在用图形和图像的方式展示大型数据库中的多维数 据，并且以可视化的形式反映对多维数据的分析及内涵信息的挖 掘。数据可视化技术凭借计算机的巨大处理能力、计算机图像和 图形学基本算法，以及可视化算法，把海量的数据转化为静态或 动态图并呈现在人们的面前，并允许通过交互手段控制数据的抽 取和画面的显示，使隐含于数据之中不可见的现象变得可见，为 人们分析、理解数据、形成概念、找出规律提供了强有力的手段。
可视化（Visualization）提供了解决这种问题的一种新方法。 一般意义下的可视化的定义：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征的信息压缩，是 可以放大人类感知的图形化表示方法。
可视化就是把数据、信息和知识转化为可视的表示形式并获 得对数据更深层次认识的过程。可视化作为一种可以放大人类感 知的数据、信息、知识的表示方法，日益受到重视并得到越来越 广泛的应用。可视化可以应用到简单问题，也可以应用到复杂系 统状态表示问题。人们可以从可视化的表示中发现新的线索、新 的关联、新的结构、新的知识，促进人机系统的结合，促进科学 决策。