Vizualizace
PV251
Jaro 2016
Barbora Kozlíková
code.enthought.com
www.cehwiedel.com
1. Úvod do vizualizace
visservices.sdsc.edu
www.jackyhackett.com
www.flometrics.com
informationandvisualization.de
qutemol.sourceforge.net
Interactive data visualization (Foundations, techniques, and
applications) – Matthew Ward, Georges Grinstein, Daniel Kleim
Visualization lectures – Eduard Gröller, Helwig Hauser
Co je vizualizace?
• Způsob zobrazení informace použitím grafické
reprezentace
eagereyes.org
Co je vizualizace?
• „Transformation of symbolic into geometric“
[McCormick et al., 1987]
• „… finding the artificial memory that best
supports our natural means of perception.“
[Bertin, 1967]
• „The use of computer-generated, interactive,
visual representations of data to amplify
cognition.“
[Card, Mackinlay, Shneiderman, 1999]
Co je vizualizace?
• „The purpose of computing is insight, not
numbers“ [R. Hamming, 1962]
• „…to form a mental vision, image, or picture
of something not visible or present to the
sight, or of an abstraction; to make visible to
the mind of imagination“ [Oxford Engl. Dict., 1989]
• Tool to enable a User insight into Data
Cíl předmětu
• Proces lidského vnímání a zpracování informace
• Typy zobrazovaných dat a způsoby reprezentace
• Vizualizační a
interakční techniky
• Porovnání technik
• Návrh „efektivních“
vizualizací
• A mnoho dalšího …
uncommonchick.com
Obsah dnešní úvodní přednášky
• Důležitost vizualizace
• Historie
• Vizualizace dnes
• Vztah vizualizace a
ostatních oborů
• Proces vizualizace
• Lidské vnímání
www.natural-remedies-for-total-health.com
Proč vytváříme vizualizaci?
• Rozhodovací procesy
• Pohled na data v kontextu
• Podpora výpočtů
• Prezentace myšlenky
• Inspirace
• …
video
www.redmeat.com
Tři hlavní funkce vizualizace
• Uložení informace
– Fotografie, blueprints, …
• Analýza informace
– Zpracování dat, vyhodnocení,
interakce
• Předání informace
– Sdílení dat, spolupráce, zvýraznění důležitých aspektů
dat
jkgonzalez1989.blogspot.com
Proč je vizualizace důležitá?
• Jedním z hlavních lidských smyslů je zrak
• Setkáváme se s ní neustále (noviny, mapy,
předpověď počasí, burza, statistiky, plakáty,
reklama, …)
• Zlepšení rozhodovacích
procesů, pochopení
souvislostí
under30ceo.com
Proč je vizualizace důležitá?
Jakým způsobem tato
data nejlépe
reprezentovat?
The Value of Visualization, Jeffrey Heer, Stanford University
Proč je vizualizace důležitá?
The Value of Visualization, Jeffrey Heer, Stanford University
Proč je vizualizace důležitá?
• Složité struktury vyjádřené jednoduše a
srozumitelně
Interactive Data Visualization - Fondations, Techniques and Applications. Matthew Ward
Proč je vizualizace důležitá?
• V roce 2002 se objevilo 5 exabytů nových
informací
• V roce 2006 už to bylo 161 exabytů
• Nutnost takové
množství dat
zpracovávat
visualinsights.wordpress.com
“Současné” objemy dat
techliberation.com
“Současné” objemy dat
techliberation.com
Cíle výzkumu vizualizace
• Pochopit, jak vizualizace zprostředkovává
informaci
– Co vlastně lidé vnímají?
– Jak vizualizace koresponduje s myšlenkovým procesem člověka?
• Vyvinout principy a techniky efektivní
vizualizace
– Zlepšit vnímání
– Zesílit vztah mezi vizualizací a myšlenkovým procesem
Co způsobí špatné zobrazení?
Interactive Data Visualization - Foundations, Techniques and Applications. Matthew Ward
Historie
• Vizualizace je velmi stará disciplína
• První vizualizace na základě intuice – první
grafické ilustrace
• Vizualizace jako samostatní vědní disciplína
vznikla před více než 20ti lety
• První vědecké konference věnované vizualizaci
v roce 1990
Historie
• Komunikace obrázkovou formou vznikla dávno
před psaným vyjádřením informace
Lascaux, Francie, 15 000 až 13 000 př. n. l.
Interactive Data Visualization - Foundations, Techniques and Applications. Matthew Ward
Historie
• Obrázková forma se přenesla do prvních
systému písma – Mezopotámie, Egypt, …
Kish limestone tablet – nejstarší psaný
dokument (3500 př. n. l.)
Hieroglyfy (3000 př. n. l.)
Interactive Data Visualization - Foundations, Techniques and Applications. Matthew Ward
Historie
• Vznikaly převážně z nutnosti – obchodní cesty,
náboženství, komunikace
• Zejména mapy
Peutingerova mapa Římské říše
Interactive Data Visualization - Foundations, Techniques and Applications. Matthew Ward
Historie
• Měsíční fáze (r. 1030)
• Pohyb planet
Interactive Data Visualization - Foundations, Techniques and Applications. Matthew Ward
Historie
• Čína, 1137
• První geografická mapa
využívající kartézské
souřadnice
• Mřížka, kde čáry
představují zeměpisnou
šířku a délku
Historie (v kartografii)
Izočáry zobrazující Vizualizace větrů
odchylky kompasu
Historie
• V roce 1663 při epidemii cholery v Londýně
pomohla vizualizace odhalit příčinu nákazy
• http://www.imdb.com/title/tt2061801/
• John Snow - On the Mode of
Communication of Cholera
• http://en.wikipedia.org/wiki/The_Ghost_Map
Interactive Data Visualization - Foundations, Techniques and Applications. Matthew Ward
Historie
• Napoleonovo tažení na Moskvu – zvýraznění
ztrát
Interactive Data Visualization - Foundations, Techniques and Applications. Matthew Ward
Meteorologie
Zobrazení tlaku
Fronty
Mapa pro piloty
Vizualizace v medicíně
• Rentgenové paprsky (Wilhelm Röntgen, 1895)
• Stereoskopické rentgenové obrázky (1896)
Business grafika
• Vynesení informace ve dvou osách
Vývoj národního dluhu Anglie
(William Playfair)
Vývoj obchodní bilance mezi Anglií a
Norskem/Dánskem (1786)
Interactive Data Visualization - Foundations, Techniques and Applications. Matthew Ward
Business grafika
• W. Playfair: import/export USA-Anglie, 1770-
1782
Vývoj populace
• Velikost populace ve Švédsku 1750 – 1785
• Osy představují rok a věkové kategorie
Historie
• Graf znázorňující měsíční úmrtnost v armádě
v období 04/1854 až 05/1855
(Florence Nightingale)
• Modrá – nemoc
• Červená – zranění
• Černá - ostatní
Interactive Data Visualization - Foundations, Techniques and Applications. Matthew Ward
Vizualizace „dnes“
• Chernoffovy obličeje, 1973
– Vlastnosti dat kódovány do geometrických znaků
tváře
Vizualizace dnes
• Vizualizace poskytuje různé úrovně pohledu
na informaci – z kvalitativního i kvantitativního
hlediska
• Příklad – mapa linek metra vs. přesná mapa
Interactive Data Visualization - Foundations, Techniques and Applications. Matthew Ward
Vizualizace dnes
• Data lze vizualizovat zcela přesně
• Rychlá identifikace problému
Vizualizace dnes
• Široká škála vstupních objektů
• Vysoká míra interaktivity s uživatelem
Interactive Data Visualization - Foundations, Techniques and Applications. Matthew Ward
Vizualizace dnes
• Medicínská data (MedVis, VolVis)
• Flow data (FlowVis)
• Abstraktní data (InfoVis)
• GIS data
• Historická data (archeologie)
• Mikroskopická data (molekulární fyzika)
• Makroskopická data (astronomie)
• Obrovské datové sady
…
Medicínská data
Flow data
Abstraktní data
Vizualizace dnes
Vizualizace vs. počítačová grafika
• Počítačová grafika – cílem realismus, umění,
zábava
• Vizualizace – cílem efektivita sdělení
informace
Proces vizualizace
• Analýza vstupních dat
• Analýza výstupních požadavků
• Mapování dat na obrazovku
• Umožnění interaktivní manipulace
CG Pipeline
• Modeling
• Viewing
• Clipping
• Odstranění skrytých částí
• Projekce
• Rendering
Visualization pipeline
• Získání dat
• Výběr a zpracování dat
• Mapování dat
• Nastavení parametrů scény
• Rendering
Získání dat
• Měřením (CT/NMR)
• Simulací (flow simulace)
• Modelováním
…
Výběr a zpracování dat
• Filtrování – např. vyhlazování (potlačení šumu)
• Převzorkování – např. do mřížky o jiném
rozlišení)
• Odvození dat - např. získání gradientu,
zakřivení
• Interpolace dat – např. lineární, kubická
…
Mapování dat
• Data jsou mapována do renderovatelné
podoby (např. na geometrii)
– Výpočet izopovrchů
– Mapování na glyfy, ikony
– Výpočet rozložení do grafu
– Určení atributů voxelových dat (barva,
průhlednost, …)
…
Generování obrázků
• Využití principů počítačové grafiky
– Výpočet viditelnosti
– Výpočet osvětlení
– Alpha blending (míchání průhledných objektů)
– Animace
…
Lidské vnímání a zpracování
informace
www.yorksir.estranky.cz
cat.rulez.cz
www.quertime.com
appsychtextbk.wikispaces.com
Lidské vnímání
• Proces poznávání, organizace (sbírání a
ukládání informací) a interpretace informace
(na základě předchozích zkušeností)
• Využívá všechny lidské smysly, zrak a sluch
jsou „nejdůležitější“
www.gearfuse.com
Lidské vnímání
• Proces interpretace okolního světa a
formování jeho vnitřní reprezentace
• Dezinterpretace – chybou vnímání nebo cílená
www.ranker.com
Cílená dezinterpretace - optické klamy
www.bobatkins.com
www.roumazeilles.net
library.thinkquest.org
Optické klamy
opticalillusionpictures.net
listverse.com
3d-pictures.feedio.net
Lidské vnímání
• Omezené schopnosti lidského zraku
www.brainist.com
thinkoutsidetheboxtoday.com
Lidské vnímání
• Uživatelé interagují s vizualizací podle toho, co
vidí a jak si to interpretují
• 8% mužů je má problémy
s vnímáním barev
www.healthtap.com
www.neitzvision.com
Vnímání v kontextu vizualizace
• Barva
• Textura
• Pohyb
www.streetartutopia.com
cz.123rf.com blog.experimentsinmotion.com
Barva
• Vyvážení barev - uniformní rozložení barvy v celé použité škále
• Rozlišitelnost - v dané diskrétní kolekci barev je každá barva stejně dobře
odlišitelná od ostatních
• Flexibilita - barvy lze vybírat z jakéhokoliv místa barevného prostoru
Healey a Enns – historický záznam klimatu na východě USA. Barva = teplota, jas = rychlost větru,
orientace = srážky, velikost = oblačnost, hustota = frekvence mrazů
Textura
• Pravidelnost, kontrast, velikost, hrubost
• Grinstein et al. (mapování multidimenzionálních dat na
postavičku)
• Ware a Knight –
Gabor filters
(změna orientace,
velikosti a kontrastu
na základě 3 nezávislých
datových atributů)
www.lce.hut.fi
Textura
• Healey and Enns – pexels (perceptual texture
elements)
• Velikost a hustota jsou snadno vnímatelné,
odchylky v pravidelnosti hůře
www.csc.ncsu.edu
Textura
• Pexel nabývá 3 diskrétních hodnot (výška, hustota,
náhodnost)
• Zobrazení oblastí s vysokou kultivací půdy (výška =
stupeň kultivace, hustota = typ půdy, náhodnost =
typ vegetace)
Pohyb
• Animace částicových systémů, změna barvy, …
• Obecně – změny v obraze přitahují pozornost
a zlepšují proces vnímání
flicker
http://www.csc.ncsu.edu/faculty/healey/PP/
Pohyb
• Důležitá je pozice animovaného objektu ve scéně
– Rozdílně vnímáme takový objekt ve středu zájmu a
vnímaný periferním viděním
• Rušivost „druhotných“ pohybů ve scéně
– Nejméně rušivé blikání, dále oscilující pohyb,
rozbíhání objektů
– Nejvíce rušivý je pohyb objektů na velké vzdálenosti
– http://openaccess.city.ac.uk/3752/1/Perceptually%20
Uniform%20Motion%20Space.pdf