CADAL数字图书馆：可视化技术

可视化(visualization)是利用计算机图形学和图像处理技术,将远远超出人脑分析解释的大量数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术,是由美国计算机成像专业委员会提出的。它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域,成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。^[15]

9.1.5.1 科学计算可视化

科学计算可视化(visualization in scientific computing,ViSc)的基本含义是运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法,将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图像,以直观的形式表示出来。它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计、图形用户界面等多个研究领域,已成为当前计算机图形学研究的重要方向。科学可视化侧重于利用计算机图形学来创建视觉图像,从而帮助人们理解那些采取错综复杂而又往往规模庞大的数字呈现形式的科学概念或结果。

计算机动画是利用计算机创建动态图像的艺术、方法、技术和科学。如今,计算机动画的创建工作越来越多地采用三维计算机图形学手段,尽管二维计算机图形学当前依然广泛应用于体裁化、低带宽以及更快实时渲染的需求。有时,动画的目标载体就是计算机本身,而有时其目标则是别的介质。另外,计算机动画有时又称为电脑成像技术或计算机生成图像,在用于电影胶片的时候,甚至还会被称为电脑特效。计算机模拟,又称为计算机仿真,是指计算机程序或计算机网络试图对于特定系统模型的模拟。对于许许多多系统的数学建模来说,计算机模拟已经成为有效实用的组成部分。界面技术与感知所要揭示的就是,新的界面以及对于基本感知问题的深入理解,将会如何为科学可视化领域创造新的机遇。立体可视化,又称为三维可视化,研究的是一套旨在实现在无须从数学上表达另一面(背面)的情况下查看对象的技术方法。^[16]

9.1.5.2 数据可视化

数据可视化是关于数据之视觉表现形式的研究。这种数据的视觉表现形式被定义为一种以某种概要形式抽提出来的信息,包括相应信息单位的各种属性和变量。数据可视化技术的基本思想是将数据库中每一个数据项作为单个图元元素表示,大量的数据集构成数据图像,同时将数据的各个属性值以多维数据的形式表示,可以从不同的维度观察数据,从而对数据进行更深入的观察和分析。^[17]

9.1.5.3 信息可视化

信息可视化是一个跨学科领域,旨在研究大规模非数值型信息资源的视觉呈现,如软件系统之中众多的文件或者一行行的程序代码,以及利用图形图像方面的技术与方法,帮助人们理解和分析数据。与科学可视化相比,信息可视化则侧重于抽象数据集。^[18]

信息可视化囊括了数据可视化、信息图形、知识可视化、科学可视化以及视觉设计方面的所有发展与进步。^[19]任何事物加以充分适当的组织整理,都是一类信息:表格、图形、地图,甚至包括文本在内,无论是静态的还是动态的,都将为我们提供某种方式或手段,从而让我们能够洞察其中的究竟,找出问题的答案,发现形形色色的关系,或许还能让我们理解在其他形式的情况下不易发觉的事情。^[20]

信息可视化具体的技术与方法有:分支图(系统发育)、色彩字母表、树状图(分类)、信息可视化参考模型、图形绘制、晕轮法、双曲树、多维尺度、分析问题求解环境、矩形式树状结构绘图法等。

9.1.5.4 知识可视化(www.xing528.com)

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,促进群体知识的传播和创新。知识可视化的目标在于传输见解、经验、态度、价值观、期望、观点、意见和预测等,并以这种方式帮助他人正确地重构、记忆和应用这些知识。^[21]目前,常用的知识可视化工具有以下几种:

1.概念图

概念图是用来组织和表征知识的工具。它通常将某一主题的有关概念置于圆圈或方框之中,然后用连线将相关的概念和命题连接,在连线上标明两个概念之间的意义关系。概念图使用节点代表概念,连线表示概念间关系,由包含一个概念的节点及连接组成。连接被贴上标签并用箭头符号指示方向,被贴上标签的连接解释节点之间的关系,箭头描绘关系的方向,“概念—连接词—概念”这样一个三元组形成了一个命题。另外,概念图是具有层次结构的,最高级的概念处在顶端。人们可以用适合的关联词来说明不同层次的概念之间的关系,并确定不同分支之间的横向联系。概念图知识可视化方法最大的优点在于将知识的体系结构一目了然地表达出来,还突出表现了知识体系的层次结构。

2.思维导图

思维导图最初是在20世纪60年代由英国人托尼·巴赞(Tony Buzan)创造的一种笔记方法。托尼·巴赞认为:传统的草拟和笔记方法有埋没关键词、不易记忆、浪费时间和不能有效地刺激大脑四大不利之处,个人简洁、有效和积极地参与对成功的笔记有至关重要的作用。在草拟和笔记的成效越来越低的情况下,需要一种可以不断增加回报的办法,这种办法就是思维导图。思维导图的初始目的只是为了改进笔记方法,但它的作用和威力在日后的研究和应用中不断显现,被广泛应用于个人、家庭、教育和企业。托尼·巴赞认为思维导图是对发散性思维的表达,因此也是人类思维的自然功能。他认为思维导图是一种非常有用的图形技术,是打开大脑潜能的万能钥匙,可以应用于生活的各个方面,其改进后的学习能力和清晰的思维方式会改善人的行为表现。^[22]

3.认知地图

认知地图(Eden,1988;Eden,1992)是以个体建构理论(personal construct theory)为基础提出的,其中的“想法”都通过带箭头的连接线连起来,但连接上没有连接词,连接线的隐含意思是“因果关系”或“导致”,且没有层次的限制。认知地图用来帮助人们规划工作,促进小组的决策。想法不同于概念(concept),它们大多是句子或段落。

4.思维地图

思维地图(thinking maps)是由大卫·海勒(David Hyerle)博士于1988年开发的以帮助学习的语言。在这种语言中,教师和学生一共可以使用8种图,用以帮助阅读理解,解决写作过程的问题,提高思维技巧。这8种图分别是括弧图(brace map)、桥接图(bridge map)、起泡图(bubble map)、圆圈图(circle map)、双起泡图(double bubble map)、流程图(flow map)、复流程图(multi-flow map)和树状图(tree map)。①

这8种图都是以基本的认知技巧为基础的,这些技巧包括比较、对比、排序、归类和因果推理。与木匠使用一套工具类似,学生在建构知识时要使用多个图以用于提高基本的阅读、写作、数学以及问题解决能力和高级思维能力。大量的研究及发表的论文既笼统地支持使用不同的视觉工具,也支持特定的思维地图。最新大脑研究提供了为什么学生使用思维地图时表现更好的证据。