可视化的科学概念

“可视化”又叫视觉化（Visualization），就字面意义讲，可理解为将不可见的东西转变成人的视觉可见的东西。但这里所说的“可视化”被科学家赋予了一定的科学含义，成了“科学计算可视化”（Visualization in Scientific Computing）的简称。不仅指计算结果的可视化，还指计算过程的可视化；不仅包括科学计算可视化即数据可视化，还引申为对信息的可视化。

可视化思维是个人通过探索数据的内在关系来揭示新问题、形成新观点，进而产生新的综合、找到新的答案并加以确认；而可视化交流是向公众表达已经形成的结论和观点。可视化思维和可视化交流代表着信息处理的不同阶段半程（图1-4）。虽然这两个阶段所面对的群体不同，处理方式不同，处理、输出对象和内容也不相同，但相互间存在着源和流的密切关系。

对应于数据、信息和知识三个层次的可视化分别是数据可视化、信息可视化和知识可视化。最早出现的可视化概念是科学计算可视化，后发展为数据可视化，随着信息和知识的处理需求，出现了信息可视化和知识可视化研究方向。

1.科学计算可视化

科学计算可视化这一术语是1987年由美国Mc Cormick等提出的。1986年10月美国自然科学基金会发起组织了一个专家特别会议，会议召集了一批著名的科学家，软件工程师，艺术家，硬、软件制造商来共同讨论科学计算可视化的技术发展与研究战略。专家们一致认为，应该把发展可视化工具（包括适合于图形图像处理技术的硬、软件和视觉界面工具）放在首要的位置。专家会议还建议由自然科学基金会建立一门“科学计算可视化”的交叉学科。自此，科学计算可视化作为一个新名词频繁出现在各类学术刊物文献中，科学计算可视化研究便在一系列传统和新兴学科中引起重视，如在计算数学、分析化学、物理学、医学、生物学、地学、建筑学、信息学、计算机科学等领域得到广泛应用。

图1-4 可视化的概念模型

在与会专家提交的报告中，将科学计算可视化定义为“是一种计算方法，它将符号转化成几何图形，便于研究人员观察其模拟和计算……”科学计算可视化包括了图像理解与图像综合。这就是说，可视化是一个工具，用来解译输入到计算机中的图像数据和从复杂的多维数据中生成图像。它主要研究人和计算机怎样协调一致地感受、使用和传输视觉信息。这一定义主要是从计算机科学的角度拟定的，侧重于复杂数据的图形图像处理与表示的计算机技术方面，同时将人和计算机对视觉信息的感知行为作为研究内容（江斌等，1995）。

在此之前，由于图形信息一目了然，几乎所有科学和工程技术领域都利用计算机图形来加强信息的传递和理解，计算机图像处理技术和计算机视觉也成功地用来处理各类医学图像和地面卫星图像，以帮助人们理解和利用这类图像数据。因而也可认为科学计算可视化是一门把计算机图形学与图像处理和计算机视觉综合应用于计算科学的学科。计算科学是指应用计算机从事计算的科学与工程学科。因此也可以直接将科学计算可视化理解为一种同时满足图像理解和综合的工具，即通过研制计算机工具、技术和系统，把实验或数值计算获得的大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形图像，从而可以进行数据关系特征探索和分析，以获取新的理解和知识。所以，科学计算可视化又称科学可视化、计算机可视化或电脑可视化。

科学计算可视化把人脑和电脑这两个强有力的信息处理系统连接在一起，可视化系统的可视交互界面可以让用户快速并有效地观察、查询、探索、理解大容量数据，从而发现数据里面隐藏的对象关系、形态和结构。

2.数据可视化

数据可视化概念首先来自科学计算可视化，科学家们不仅需要通过图形图像来分析由计算机算出的数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化。

随着计算机技术的发展，数据可视化概念已大大扩展，它不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程数据和测量数据的可视化。现代的数据可视化技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换为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。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域。

3.信息可视化

科学计算可视化研究的应用领域现象大多具有物理空间特征，其数据来自科学实验或者模型模拟，但近些年来对快速增长的因特网和万维网空间内的海量信息，数字化带来的大量商业信息以及庞大的数据仓库内的信息，在可视化研究领域出现了一个新的分支，即信息可视化。信息可视化是把抽象的、大多不具有物理空间本质特征的信息转化成空间分布形式的图形图像，从而帮助用户理解或者发现其中隐藏的如物本质关系与形态和结构。

信息可视化是指非空间数据的可视化（黄志澄，1999）。随着社会信息化的推进和网络应用的日益广泛，信息源越来越庞大。除了需要对海量数据进行存储、传输、检索及分类等外，更迫切需要了解数据之间的相互关系及发展趋势。实际上，在激增的数据背后隐藏着许多重要的信息，人们希望能够对其进行更高层次的分析，以便更好地利用这些数据。Card et al（1999）将信息可视化定义为：“使用计算机支持的、交互性的视觉表示法，对抽象数据进行表示，以增强认知。”

如图1-5所示，基于60 000封电子邮件存档数据，用不同的线条呈现了地址簿中用户和个体之间的关系。外围的每个圈代表一个人，他们之间的线条代表联系，线条亮度越高代表交流的频率越高。

图1-5 用户与个体之间联系关系信息可视化

4.知识可视化

知识可视化（Knowledge Visualization）（Eppler and Burkard，2004）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。

一般来讲，知识可视化领域研究的是视觉表征在提高两个或两个以上人之间的知识传播和创新中的作用。这样一来，知识可视化指的是所有可以用来建构和传达复杂知识的图解手段。

除了传达事实信息之外，知识可视化的目标在于传输见解（Insights）、经验（Experiences）、态度（Attitudes）、价值观（Values）、期望（Expectations）、观点（Perspectives）、意见（Opinions）和预测（Predictions）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。