数据可视化技术及其原理--简介.docx
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1、数据可视化技术及其原理简介现实之中,各类炫目的数据可视化内容巳经遍布人类社会的各个角落,其具体过程涉及 制图学、图形绘制设计、计算机视觉、数据采集、统计学、图解技术、数型结合以及动画、立 体渲染、用户交互、影像学、视知觉、空间分析、科学建模等诸多领域。数据可视化是美学和 工程科学相结合的产物,往往需要利用创造性的艺术设计来呈现沉闷繁冗的数据。数据可视化 一般是以图形或图像的形式进行信息传递或隐喻,但是其表达的含义能够比文字和语言都更为 有力,完全能够满足信息传递的要求。广义上来说,数据可视化并非是计算机应用时代的特有产物,从人类认知的角度看,凡 是能够被认知的事物、关系或法则均可以表示为数据,
2、而不仅仅局限于数字化时代的数字信息。 而数据可视化的意义就在于它是个生成图形图像的过程,事实也就是人类对数据所代表含义 形成认知的过程。而数据可视化技术的研究则是强调如果要达到和实现某种数据可视化目标, 所需要采取的方式、方法或技术手段,在当前以互联网、大数据、人工智能等核心技术引领的 时代,一般会对应计算机领域的某种工具或算法。1数据可视化技术的演进数据可视化技术的发展史与测信、绘画、人类现代文明的启蒙和科技的发展一脉相承, 在地图、科学与工程绘图、统计图表中,可视化理念与技术己经应用和发展了数千年并不断发 挥指引人类科技发展的作用。数据可视化技术的演进路线可以归结为以下几个主要阶段。(1)
3、 抽象图形表示人类采用抽象图形表示的方法进行数据可视化作品的设计,究其根源可以追溯到穴居人 所在的旧石器时代。图1是法国南部肖维特洞壁画,洞穴位于法国南部的阿尔代什省,根据考 古鉴定其制作时间为旧石器时代前期3-3.2万年前。这些壁画清晰地描述了当时人类所处的环 境及狩猎方式等具体信息。抽象图形表示法在古代人类社会及人类历史进步过程中发挥了不可 磨灭的作用。图I右侧为阴阳八卦的简图,出现在距今8000-4000年之间,它提出了万物阴阳 交替及相互转化的基本原理。右:阴阳八卦简图图1左:旧石器时代的壁画图;(2)科学可视化的发展lltr八亮玳浪压夹-fi*誓瘩款.曲之卜“sr 气成凳览*林1&-
4、4-%-8;着1芳.巳卷存 v&*-Y-f-rt1sJt*。村 8 尤.*.*,金友 办&古上念*彖宥式* V若宥女KN“.t.冬A旁衣M. rtMx好 2 机将*.1?熙 Je R g将抽象图形表示方法进-步扩展,引入分析几何、测量学、制图学等原理,就形成了 - 个新的领域,即科学可视化。能够对科学计算领域的问题进行量化模拟并形成简明有效的可视 化作品。科学可视化是可视化领域最早、最成熟的跨学科研究与应用领域科学可视化面向的 领域主要是自然科学,如物理、化学、气象气候、航空航天、医学、生物等各个学科。图2展 示了公元7世纪的敦煌星图,这也是世界上现存古星图中星星数量较多而又较为古老的一幅,
5、星的位置误差在1.5度到4度间,星图的绘制采用了圆柱和方位投影法。敦煌手绘星图的画法 也是现代星图的鼻祖。图2敦煌星图:最早的手绘星象图17世纪以后,物理学等科学领域持续发展,人类己经掌握了精确的观测技术、设备和相 关理论,使得航空、测绘、制图和地理勘测获得了空前发展。真实性的测量数据被直接应用于 数据可视化领域,进而引发了科学可视化技术的发展。(3)统计图表的爆发18世纪是统计图形学的繁荣时期,其奠基人William Playfair发明了折线图、柱状图、显示 局部与整体关系的饼图等常用的统计图表。图3左侧是丹麦与挪威1700-1780年间的贸易进出 口时间序列图,右侧为1789年土耳其在亚
6、洲、欧洲和非洲的疆土比例,是世界上首张利用饼 图进行数据可视化的案例。图3左:丹麦与挪威1700-1780年间的贸易进出口时间序列图;右:1789年土耳其在亚洲、欧洲和非洲的疆土比例(4)数据与艺术的有机结合图4展示了 1857年近代护理事业创始人南丁格尔创作的玫瑰图,其主要目的是减少枯燥 的统计数据的使用,变换为容易让人理解的圆形直方图的形式,主要用来表达军医院的季节性 死亡率的数据。玫瑰图的发明充分表明了数据可视化的重要作用和意义,尽管统计数据本身具 有意义,然而其表现和表达形式更加重要,如何高效地向其他人员展示出统计结果则是数据可 视化所要解决的主要问题。APRIL 收 MARCH MM
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