可視化技術(shù)應(yīng)用趨勢(shì)分析

徐海嘯　馬慶珍　屠振川

【摘要】? ? 本文歸納了未來可視化技術(shù)應(yīng)用一系列關(guān)鍵領(lǐng)域，旨在提供對(duì)可視化技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的展望。本文歸納了兩大類應(yīng)用趨勢(shì)，涉及可視化技術(shù)的基礎(chǔ)和新興研究領(lǐng)域。

【關(guān)鍵字】? ? 可視化? ? 可視化應(yīng)用? ? 人機(jī)交互

Application Trend Analysis of Visualization Technology

Haixiao Xu， Qingzhen Ma， Zhenchuan Tu

Abstract： This paper summarizes a series of key fields in the application of visualization technology in the future， aiming to provide prospects for the development of visualization technology application. This paper summarizes two kinds of application trends involving the basic and emerging research fields of visualization technology.

Key Words： Visualization， Visualization Application， Human-computer interaction

引言：

用于數(shù)據(jù)顯示的典型的信息可視化流程如圖1所示，它解釋了生成可視化表示的步驟。第一步包括將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)格式（數(shù)據(jù)集）。第二步是將數(shù)據(jù)集映射到包含與數(shù)據(jù)集實(shí)體相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)的可視化表單中。最后一步將此可視化表單轉(zhuǎn)換為交互式視圖。然后，將視圖通過人的視覺系統(tǒng)顯示給用戶。用戶解釋此視圖，并可以與這些步驟中的任何一個(gè)交互環(huán)節(jié)來調(diào)整結(jié)果的可視化，并作出額外的解釋。

支持用戶和數(shù)據(jù)空間交互的可視化流程如圖2所示。連續(xù)三個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換步驟將可視化變量轉(zhuǎn)化為四個(gè)可視化空間：1.數(shù)值數(shù)據(jù);2.稱為分析抽象的元數(shù)據(jù);3.稱為可視化抽象的可視化信息;4.稱為視圖的可視化映射，用于解釋顯示的內(nèi)容。在這四個(gè)數(shù)據(jù)空間中，用戶可以使用控件與信息交互。該模型應(yīng)用于信息可視化和科學(xué)可視化領(lǐng)域，數(shù)據(jù)并不總是具有預(yù)定義的表示。

許多應(yīng)用是動(dòng)態(tài)的，被操縱的數(shù)據(jù)稱為時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)。面向可視化時(shí)間數(shù)據(jù)的可視化管道如圖3所示。該可視化管道由時(shí)間維和結(jié)構(gòu)維兩個(gè)維度組成。每個(gè)維度進(jìn)一步細(xì)化為一個(gè)由四個(gè)階段組成的新結(jié)構(gòu)：1.數(shù)據(jù)/時(shí)間，2.時(shí)間視點(diǎn)/結(jié)構(gòu)尺寸視點(diǎn)，3.時(shí)間空間/結(jié)構(gòu)空間;4.時(shí)間空間視點(diǎn)/結(jié)構(gòu)空間視點(diǎn)。結(jié)果可視化過程定義為兩個(gè)可視化過程之間的關(guān)聯(lián)，對(duì)應(yīng)于兩個(gè)維度，其中可能存在不同的可視化配置。

圖4給出了信息可視化的參考模型模式。該參考模型提出了五類：提供數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)源、視圖空間及其控件，以及表示精確數(shù)據(jù)集的可視化。

項(xiàng)目資助：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2016YFB0201503）

徐海嘯（1987.8-），男，漢，吉林省長(zhǎng)春市人，碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，研究方向：高性能計(jì)算，可視化技術(shù);

馬慶珍（1986.6-），男，漢，山東省泰安人，碩士學(xué)位，工程師，研究方向：高性能計(jì)算應(yīng)用;

屠振川（1998.12-），男，漢，學(xué)士學(xué)位，碩士研究生在讀，研究方向：可視化技術(shù)，數(shù)字圖像處理。

本文歸納了未來可視化技術(shù)應(yīng)用一系列關(guān)鍵領(lǐng)域，旨在提供對(duì)可視化技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的展望，涉及開發(fā)可視化分析管道的基礎(chǔ)和新興研究領(lǐng)域。可將其歸納為六大主題，分為兩類：基本領(lǐng)域和新興領(lǐng)域。

一、與基本領(lǐng)域相關(guān)的可視化應(yīng)用

這些應(yīng)用涉及到交互、知識(shí)生成、機(jī)器學(xué)習(xí)和認(rèn)知學(xué)習(xí)。

交互和用戶界面：交互和用戶界面在信息可視化和可視化分析中發(fā)揮著越來越突出的作用。在數(shù)據(jù)量不斷快速增長(zhǎng)的同時(shí)，為了設(shè)計(jì)合適的人機(jī)界面，可視化技術(shù)中需要考慮越來越多人的認(rèn)知。在這方面的研究不斷地開啟了新的應(yīng)用，例如以用戶為中心的分析、感知驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)、可視化分析的多模式交互技術(shù)和自適應(yīng)用戶界面。

預(yù)測(cè)知識(shí)生成和機(jī)器學(xué)習(xí)：智能機(jī)器學(xué)習(xí)算法，允許系統(tǒng)既能學(xué)習(xí)又能推理，旨在通過可視化分析生成知識(shí)，近年來無論是理論上還是實(shí)踐上一直是熱點(diǎn)研究課題。通過整合機(jī)器學(xué)習(xí)，可視化分析解決方案將通過越來越多可靠的知識(shí)模型改進(jìn)決策，增強(qiáng)其創(chuàng)新和預(yù)測(cè)能力。

認(rèn)知建模：認(rèn)知現(xiàn)象的建模提出了一系列挑戰(zhàn)，其中一些是一般性的，但另一些則是針對(duì)可視化分析系統(tǒng)的。認(rèn)知建模能夠處理可視化分析過程產(chǎn)生的不確定性和復(fù)雜性。然而，認(rèn)知建模在這一領(lǐng)域仍然面臨挑戰(zhàn)，它引入了更自然、更直觀地描述決策者行為的認(rèn)知設(shè)計(jì)。以后的認(rèn)知建模應(yīng)能從一種實(shí)驗(yàn)方法重建認(rèn)知實(shí)體，產(chǎn)生一套直接涉及可觀察的視覺現(xiàn)象和行為的規(guī)律。

二、與新興領(lǐng)域相關(guān)的可視化應(yīng)用

這些應(yīng)用與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)溯源和智能評(píng)估有關(guān)。

大數(shù)據(jù)：大數(shù)據(jù)可視化被認(rèn)為是一種有前途的大數(shù)據(jù)感知方法。秦等人[1]認(rèn)為可視化是分析器的基本功能，因?yàn)樗軌蚴箶?shù)據(jù)在直觀水平上與用戶對(duì)話。然而，可視化分析和大數(shù)據(jù)這兩個(gè)領(lǐng)域的交叉點(diǎn)也面臨困難。從人和技術(shù)角度來看，允許對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行感官化是可視化分析的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。[2]討論了與大數(shù)據(jù)量、速度和變化有關(guān)的應(yīng)用，涉及到系統(tǒng)可擴(kuò)展性、可用信息空間、可視表示、可解釋性、多維數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)或關(guān)系數(shù)據(jù)、工作流和實(shí)時(shí)分析。這些需求繼續(xù)引發(fā)人們對(duì)可視化技術(shù)研究的興趣。

物聯(lián)網(wǎng)：人們對(duì)智能技術(shù)和連接傳感器設(shè)備感興趣。當(dāng)這些設(shè)備連接時(shí)，它們成為物聯(lián)網(wǎng)的一部分。它們相互聯(lián)網(wǎng)，產(chǎn)生了前所未有的數(shù)據(jù)量。了解數(shù)據(jù)的含義，并從中汲取見解，可視分析可以被認(rèn)為是一個(gè)有前景的解決方案。它由連接對(duì)象的數(shù)據(jù)進(jìn)行的可視化分析。該解決方案提供數(shù)據(jù)采集、通信、可視化、分析和決策服務(wù)（機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)科學(xué)、可視化等）、時(shí)間反應(yīng)性（流分析）和動(dòng)作傳輸[3]。這就是可視化事物分析（VAoT）。

數(shù)據(jù)溯源：它包括跟蹤可視化分析過程，以提供數(shù)據(jù)、分析、推理和決策的“上下文”。信息來源允許跟蹤數(shù)據(jù)源以進(jìn)行自動(dòng)更新、重做/撤消用戶交互或避免重復(fù)的分析過程。此外，它還可以對(duì)提取的知識(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在數(shù)據(jù)溯源中已經(jīng)開發(fā)了許多工具和系統(tǒng)來幫助分析人員記錄數(shù)據(jù)、計(jì)算工作流和推理過程。

智能評(píng)估：評(píng)估可視化分析系統(tǒng)的有效性至關(guān)重要。可視化從業(yè)者采用不同的方法（如案例研究、專家評(píng)審、問卷調(diào)查等）來評(píng)估系統(tǒng)的可用性[4]。每種方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。開展用戶研究可以產(chǎn)生有價(jià)值的用戶反饋，以確定系統(tǒng)的問題。然而，這樣的研究可能不足以提供高層次的見解[5]。由于數(shù)據(jù)分析和可視化組件的多樣性，可視化分析系統(tǒng)通常非常復(fù)雜，這就需要更有效和智能的評(píng)估方法。智能評(píng)估必須結(jié)合智能技術(shù)（如深度學(xué)習(xí)技術(shù)）來分析和學(xué)習(xí)用戶研究提供的評(píng)估結(jié)果，這對(duì)可視化領(lǐng)域帶來了挑戰(zhàn)[6]。

三、結(jié)束語

本文研究分析了未來可視化應(yīng)用趨勢(shì)，為未來可視化研究進(jìn)行了展望。本文關(guān)注近期可視化領(lǐng)域的新思路和新發(fā)展，涉及通用領(lǐng)域和特定應(yīng)用領(lǐng)域的可視化應(yīng)用（包括：大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)溯源和智能評(píng)估）。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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