Введение

Набор техник для создания изображений, диаграмм или анимаций с целью передачи сообщения. Визуализация – это любая техника создания изображений, диаграмм или анимаций для передачи сообщения. Визуализация посредством визуальных образов была эффективным способом передачи как абстрактных, так и конкретных идей с незапамятных времен. К историческим примерам относятся пещерные рисунки, египетские иероглифы, греческая геометрия и революционные методы технического рисования Леонардо да Винчи для инженерных и научных целей. Сегодня визуализация находит все более широкое применение в науке, образовании, инженерии (например, визуализация продукта), интерактивной мультимедии, медицине и других областях. Область компьютерной графики является типичным примером применения визуализации. Изобретение компьютерной графики (и трехмерной компьютерной графики) можно считать самым важным достижением в области визуализации со времен изобретения центральной перспективы в эпоху Возрождения. Развитие анимации также способствовало развитию визуализации.

Обзор

Использование визуализации для представления информации – не новое явление. Она применялась в картах, научных чертежах и графиках данных на протяжении более тысячи лет. Примеры из картографии включают «Географию» Птолемея (II век н.э.), карту Китая (1137 г. н.э.) и карту Минара (1861 г.), изображающую вторжение Наполеона в Россию полтора века назад. Большинство концепций, усвоенных при создании этих изображений, легко переносятся в компьютерную визуализацию. Эдвард Тафте написал три широко признанных книги, в которых объясняются многие из этих принципов. Компьютерная графика с момента своего появления использовалась для изучения научных проблем. Однако на ранних этапах её полезность часто ограничивалась недостаточной вычислительной мощностью графических систем. Современный акцент на визуализации начался в 1987 году с публикации специального выпуска журнала Computer Graphics под названием «Визуализация в научных вычислениях». С тех пор было проведено несколько конференций и семинаров, совместно спонсируемых IEEE Computer Society и ACM SIGGRAPH, посвященных как общей тематике, так и специализированным областям, например, визуализации объёмных данных. Большинство людей знакомы с цифровой анимацией, используемой для представления метеорологических данных в телепрограммах о погоде, хотя немногие могут отличить эти модели реальности от спутниковых снимков, которые также демонстрируются в этих программах. Телевидение также предлагает научную визуализацию, показывая компьютерные рисунки и анимированные реконструкции дорожно-транспортных происшествий или авиакатастроф. Среди наиболее популярных примеров научной визуализации – компьютерные изображения, демонстрирующие работу реальных космических аппаратов в космическом пространстве далеко за пределами Земли или на других планетах. Динамические формы визуализации, такие как образовательная анимация или временные шкалы, способны повысить эффективность обучения системам, изменяющимся во времени. Помимо различия между интерактивной визуализацией и анимацией, наиболее полезной категорией, вероятно, является разделение на абстрактную и визуализацию, основанную на моделях. Абстрактная визуализация отображает полностью концептуальные конструкции в 2D или 3D. Эти сгенерированные формы совершенно произвольны. Визуализация, основанная на моделях, либо накладывает данные на реальные или цифровые изображения реальности, либо создает цифровую модель реального объекта непосредственно на основе научных данных. Научная визуализация обычно выполняется с использованием специализированного программного обеспечения, хотя существуют и некоторые исключения, которые будут упомянуты ниже. Некоторые из этих специализированных программ были выпущены как программное обеспечение с открытым исходным кодом, часто разрабатываясь в университетах, в академической среде, где обмен программными инструментами и предоставление доступа к исходному коду является обычной практикой. Также существует множество проприетарных программных пакетов для научной визуализации. Модели и фреймворки для создания визуализаций включают модели потока данных, популяризированные такими системами, как AVS, IRIS Explorer и VTK, и модели состояния данных в табличных процессорах, таких как Spreadsheet for Visualization и Spreadsheet for Images.

Научная визуализация

В качестве дисциплины в области информатики, научная визуализация – это использование интерактивных, чувственных представлений, как правило, визуальных, абстрактных данных для усиления когнитивных способностей, формирования гипотез и логического мышления. Научная визуализация представляет собой преобразование, отбор или отображение данных, полученных в результате моделирования или экспериментов, имеющих явную или неявную геометрическую структуру, для обеспечения возможности исследования, анализа и понимания этих данных. Научная визуализация фокусируется на представлении данных высшего порядка, в основном с использованием графических и анимационных техник. Это очень важная часть визуализации и, возможно, самая первая, поскольку визуализация экспериментов и явлений так же древняя, как и сама наука. Традиционными областями научной визуализации являются визуализация потоков, медицинская визуализация, астрофизическая визуализация и химическая визуализация. Существует множество различных методов визуализации научных данных, среди которых наиболее распространены реконструкция изоповерхностей и прямое отображение объемов.

Визуализация данных и информации

Визуализация данных — это смежная подкатегория визуализации, работающая со статистической графикой и геопространственными данными (как, например, в тематической картографии), представленными в схематичном виде. Визуализация информации фокусируется на использовании компьютерных средств для исследования больших объемов абстрактных данных. Термин «визуализация информации» впервые был введен Исследовательской группой пользовательских интерфейсов в Xerox PARC, в которую входил Джок Маккинлей. Практическое применение визуализации информации в компьютерных программах включает выбор, преобразование и представление абстрактных данных в форме, облегчающей взаимодействие человека для изучения и понимания. Важными аспектами визуализации информации являются динамика визуального представления и интерактивность. Эффективные методы позволяют пользователю изменять визуализацию в реальном времени, обеспечивая тем самым уникальную возможность восприятия закономерностей и структурных связей в рассматриваемых абстрактных данных.

Образовательная визуализация

Образовательная визуализация – это использование симуляции для создания наглядного представления чего-либо с целью обучения. Это особенно полезно при изучении тем, которые сложно увидеть напрямую, например, атомной структуры, поскольку атомы слишком малы для легкого изучения без дорогостоящего и сложного в использовании научного оборудования.

Визуализация продукта

Визуализация продукции включает в себя использование программного обеспечения для просмотра и манипулирования 3D-моделями, техническими чертежами и другой сопутствующей документацией компонентов и крупных сборок изделий. Это ключевой элемент управления жизненным циклом продукции. Программное обеспечение для визуализации продукции обычно обеспечивает высокую степень фотореалистичности, позволяя оценить внешний вид изделия до его фактического изготовления. Это поддерживает широкий спектр задач, от проектирования и дизайна до продаж и маркетинга. Техническая визуализация является важным аспектом разработки продукции. Изначально технические чертежи создавались вручную, но с развитием передовой компьютерной графики чертежные доски были заменены системами автоматизированного проектирования (САПР). Чертежи и модели САПР обладают рядом преимуществ по сравнению с ручными чертежами, включая возможность 3D-моделирования, быстрого прототипирования и проведения симуляций. 3D-визуализация продукции обещает более интерактивный опыт для онлайн-покупателей, но также ставит перед ритейлерами задачу преодоления трудностей в создании 3D-контента, поскольку масштабное производство 3D-контента может быть очень затратным и трудоемким.

Визуальная коммуникация

Визуальная коммуникация – это передача идей через визуальное представление информации. В основном она связана с двухмерными изображениями и включает в себя: алфавитно-цифровые символы, искусство, знаки и электронные ресурсы. Недавние исследования в этой области были сосредоточены на веб-дизайне и графической удобстве использования.

Визуальная аналитика

Визуальная аналитика фокусируется на взаимодействии человека с системами визуализации в рамках более широкого процесса анализа данных. Визуальная аналитика определяется как «наука аналитического мышления, поддерживаемая интерактивным визуальным интерфейсом». Она сосредоточена на человеческом информационном взаимодействии в огромных, динамично меняющихся информационных пространствах. Исследования в области визуальной аналитики направлены на поддержку перцептивных и когнитивных операций, позволяющих пользователям выявлять ожидаемое и обнаруживать неожиданное в сложных информационных пространствах. Технологии, разработанные в рамках визуальной аналитики, находят применение практически во всех областях, однако их развитию способствуют критические потребности (и финансирование) в биологии и национальной безопасности.

Быстрый ответ на человеческий вклад

Эксперименты показали, что большинство людей замечают задержку более 20 мс между моментом ввода и обновлением визуального представления. Таким образом, желательно, чтобы интерактивная визуализация обеспечивала отрисовку на основе действий пользователя в течение этого временного интервала. Однако, когда для создания визуализации необходимо обработать большой объем данных, это становится сложной или даже невозможной задачей с использованием современных технологий. Поэтому термин «интерактивная визуализация» обычно применяется к системам, которые предоставляют пользователю обратную связь в течение нескольких секунд после ввода. Частота кадров (frame rate) часто используется для оценки степени интерактивности визуализации. Частота кадров измеряет, как часто система визуализации генерирует изображение (кадр). Частота 50 кадров в секунду (кадр/с) считается хорошей, а 0,1 кадр/с – плохой. Однако использование частоты кадров для оценки интерактивности несколько вводит в заблуждение, поскольку частота кадров является мерой пропускной способности, в то время как люди более чувствительны к задержке. В частности, можно добиться хорошей частоты кадров в 50 кадров/с, но если отображаемые изображения отражают изменения, внесенные пользователем более чем секунду назад, визуализация не будет казаться интерактивной. Требуемое для интерактивной визуализации быстрое время отклика – сложная задача, и существует несколько подходов, направленных на обеспечение быстрой визуальной обратной связи на действия пользователя. Некоторые из них включают:

Параллельная отрисовка – использование одновременно нескольких компьютеров или видеокарт для отрисовки изображения. Несколько кадров могут быть отрисованы одновременно на разных компьютерах, а результаты передаются по сети для отображения на одном мониторе. Это требует, чтобы каждый компьютер хранил копию всей информации для отрисовки, что увеличивает пропускную способность, но также и задержку. Кроме того, каждый компьютер может отрисовывать различные области одного кадра и отправлять результаты по сети для отображения. Это также требует хранения всех данных на каждом компьютере и может привести к неравномерной загрузке, когда один компьютер отвечает за отрисовку области экрана с большим объемом информации, чем другие компьютеры. Наконец, каждый компьютер может отрисовывать целый кадр, содержащий подмножество информации. Полученные изображения вместе с буфером глубины затем отправляются по сети и объединяются с изображениями с других компьютеров. В результате получается единый кадр, содержащий всю информацию для отрисовки, даже если вся информация не хранилась в памяти одного компьютера. Этот метод называется параллельным композитингом глубины и используется при интерактивной отрисовке больших объемов информации. Прогрессивная отрисовка – гарантирует определенную частоту кадров путем отрисовки части представляемой информации и последовательного (прогрессивного) улучшения отрисовки, когда визуализация перестает изменяться. Отрисовка с уровнем детализации (LOD) – упрощенные представления информации отрисовываются для достижения желаемой частоты кадров во время взаимодействия пользователя, а затем используется полное представление для создания статического изображения после завершения манипуляций с визуализацией. Распространенным вариантом отрисовки LOD является субдискретизация (subsampling). Если информация хранится в топологически прямоугольной сетке (как это часто бывает с цифровыми фотографиями, МРТ-сканами и численными симуляциями), версию с более низким разрешением можно легко создать, пропуская n точек на каждую отрисованную точку. Субдискретизация также может использоваться для ускорения методов отрисовки, таких как визуализация объема, которые требуют более чем в два раза больше вычислений для изображения в два раза большего размера. Отрисовка изображения меньшего размера с последующим масштабированием до требуемого размера экрана позволяет значительно сократить время отрисовки тех же данных. Безкадровая отрисовка – визуализация представляется не в виде последовательности изображений, а в виде единого изображения, отдельные области которого обновляются со временем.