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數(shù)據(jù)可視化原理與實(shí)踐(第二版)
本書(shū)主要探討了對(duì)數(shù)據(jù)集的處理和可視化表示。數(shù)據(jù)可視化與信息圖形、信息可視化、科學(xué)可視化,以及統(tǒng)計(jì)學(xué)圖形有密切的關(guān)系。全書(shū)運(yùn)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和物理學(xué)方法創(chuàng)建使數(shù)據(jù)集更易于理解的圖形,內(nèi)容涉及:可視化管道,標(biāo)量可視化,向量可視化,張量可視化,域建模技術(shù),圖像可視化,體積可視化,信息可視化等。第二版在傳統(tǒng)的科學(xué)可視化和信息可視化之間的關(guān)系,可視化分析這一新興領(lǐng)域,使用GPU和新一代軟件工具或軟件包的*新技術(shù)等方面有更好的闡釋,并提供豐富的習(xí)題、可下載代碼和數(shù)據(jù)集。
本書(shū)包括多達(dá)48頁(yè)的高清彩插,對(duì)可視化理論進(jìn)行了細(xì)致全面的闡述,應(yīng)用實(shí)例豐富,實(shí)用性強(qiáng)。
譯者序
數(shù)據(jù)可視化技術(shù)旨在運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的理論和方法,將隱含在大量數(shù)據(jù)中的復(fù)雜物理現(xiàn)象和自然規(guī)律轉(zhuǎn)化為直觀的圖形、圖像表達(dá)出來(lái),幫助人們更直觀、有效地理解和分析數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可視化技術(shù)涉及數(shù)據(jù)挖掘、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等多種研究領(lǐng)域,具有交互性、多維性和可視性等特點(diǎn)。 本書(shū)的譯者多年來(lái)從事多媒體信息處理、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)可視化等領(lǐng)域的研究,有一定的基礎(chǔ)并取得了一定成果。本書(shū)在電子工業(yè)出版社的幫助下,順利獲得了相關(guān)版權(quán),且在翻譯、審校和出版的全程中,獲得了楊博編輯的幫助和指導(dǎo),在此特別致謝。 需要說(shuō)明的是,本書(shū)的翻譯得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“非線性稀疏表示理論及其應(yīng)用”(編號(hào):61201337)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“視頻內(nèi)容重復(fù)檢測(cè)及關(guān)聯(lián)分析技術(shù)研究”(編號(hào):61571453)、湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目“面向大數(shù)據(jù)的視頻摘要生成技術(shù)研究”(編號(hào):2014GK3020)、湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目“視頻內(nèi)容重復(fù)檢測(cè)技術(shù)研究”(編號(hào):15A020)的資助。本書(shū)翻譯工作量較大。在翻譯過(guò)程中,欒悉道負(fù)責(zé)全書(shū)的統(tǒng)籌和審校,謝毓湘翻譯了本書(shū)的第1、4、12章和附錄,魏迎梅翻譯了本書(shū)的第2、6、9章,王衛(wèi)威翻譯了本書(shū)的序言和第5、7章,康來(lái)翻譯了本書(shū)的第3、8、10、11章。左飛、張芯、賀竟錳、牛曉、郭樹(shù)璇、李琛、曾文星、鄭園、符涵、楊建宏等同學(xué)均參與了本書(shū)的翻譯工作。 所有譯者一直本著忠于原書(shū)、謹(jǐn)慎細(xì)致的工作態(tài)度開(kāi)展工作,但是難免存在疏漏,懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。 前言 本書(shū)是DataVisualization:PrinciplesandPractice自2008年首次印刷后的第二版。自第一版出版以來(lái),數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域又見(jiàn)證了許多技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。一些技術(shù)和方法已經(jīng)從研究室走進(jìn)了專業(yè)人員的工具箱。得益于臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦日益增強(qiáng)的計(jì)算處理能力,一些新方法和新算法促進(jìn)了其他技術(shù)的進(jìn)步。各種不同的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)和傳播技術(shù),如基于互聯(lián)網(wǎng)眾多特性的技術(shù),已經(jīng)變得愈發(fā)重要。最后,現(xiàn)有的應(yīng)用領(lǐng)域,如信息可視化,以及出現(xiàn)不久、正面臨發(fā)展重大抉擇的幾個(gè)學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域,愈加被重視。 本書(shū)的第二版修訂和完善了對(duì)于數(shù)據(jù)可視化原理和應(yīng)用的介紹。第二版在介紹各種可視化技術(shù)時(shí),章節(jié)結(jié)構(gòu)保持不變,還是遵循由易到難的順序,即從離散數(shù)據(jù)的表示開(kāi)始,描述可視化管線,然后是各種更復(fù)雜數(shù)據(jù)類型(標(biāo)量、向量、張量、域建模、圖像、體、非空間數(shù)據(jù)集)可視化技術(shù)的介紹。第二版修改和擴(kuò)充了相當(dāng)一部分可視化算法和技術(shù),內(nèi)容得以進(jìn)一步豐富。第1章重點(diǎn)介紹科學(xué)可視化、信息可視化、可視化分析的廣闊背景,也介紹了現(xiàn)在的其他可視化文獻(xiàn)和書(shū)籍。第2章從一個(gè)簡(jiǎn)單但完整的OpenGL可視化應(yīng)用的例子說(shuō)起,對(duì)圖形到可視化的轉(zhuǎn)變過(guò)程進(jìn)行概括性介紹。第3章詳細(xì)介紹散點(diǎn)數(shù)據(jù)集無(wú)網(wǎng)格插值的過(guò)程;谝粋(gè)具體的實(shí)例,第4章詳細(xì)說(shuō)明一個(gè)好的可視化映射應(yīng)具備的性質(zhì)。第5章特別探討色彩映射設(shè)計(jì)的問(wèn)題,還介紹脊?fàn)顖D技術(shù)。第6章擴(kuò)展了向量可視化技術(shù)集,深入探討流對(duì)象問(wèn)題,包括密集流線播種、紋線、流面、紋面、向量場(chǎng)拓?fù)浼罢f(shuō)明性技術(shù)。第7章介紹擴(kuò)散張量成像(DTI)可視化組合技術(shù)的新案例,還討論說(shuō)明性纖維追蹤渲染和纖維集束技術(shù)。第8章額外介紹點(diǎn)云重構(gòu)技術(shù),如非流形分類、Alpha形狀、滾球法、泊松重建、球體splatting。對(duì)于網(wǎng)格細(xì)化,還討論循環(huán)細(xì)分算法。第9章介紹6個(gè)高級(jí)圖像分割算法(活動(dòng)輪廓、圖割、均值偏移、超像素、水平集、緊致骨架)。通過(guò)展現(xiàn)最新的幾個(gè)表面和曲線骨架提取算法,進(jìn)一步精煉形狀分析方面的介紹。第10章介紹體繪制技術(shù)的幾個(gè)新案例。第11章擴(kuò)展得最多,涵蓋了幾種新增的信息可視化技術(shù)(簡(jiǎn)化邊集束、一般圖集束、動(dòng)態(tài)圖可視化、圖解可視化,以及擴(kuò)展的降維處理技術(shù))。最后,在本書(shū)附錄中更新、涵蓋了幾個(gè)重要的軟件系統(tǒng)和庫(kù)。所有章節(jié)都經(jīng)過(guò)徹底的錯(cuò)誤修訂,提高了說(shuō)明的質(zhì)量,并增加了幾個(gè)相關(guān)的最新參考文獻(xiàn)。 另外,第二版補(bǔ)充了網(wǎng)上在線資源,包括練習(xí)、數(shù)據(jù)集和源代碼。這些資源可以用于書(shū)中各種技術(shù)的練習(xí),也可作為開(kāi)展數(shù)據(jù)可視化實(shí)踐課程教學(xué)的基礎(chǔ)。本書(shū)的網(wǎng)址為http://www.cs.rug.nl/svcg/DataVisualizationBook。
Alexandru C. Telea 荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系可視化和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的助理教授。2000年以來(lái),他一直研究數(shù)據(jù)和信息可視化,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和軟件工程等。他最近的研究重點(diǎn)是軟件可視化,結(jié)合新的解析、交互和渲染技術(shù),使用新的技術(shù)和工具,為工業(yè)軟件項(xiàng)目寫了數(shù)百萬(wàn)行代碼。他曾在國(guó)際期刊和會(huì)議合作撰寫和發(fā)表了80多篇學(xué)術(shù)論文。
目 錄
第1 章 導(dǎo)論???????????????????????????????????????????????? 1 1.1 可視化如何工作???????????????????????????? 2 1.2 本書(shū)定位???????????????????????????????????????? 7 1.3 本書(shū)結(jié)構(gòu)???????????????????????????????????????? 9 1.4 符號(hào)???????????????????????????????????????????????11 1.5 網(wǎng)絡(luò)資料???????????????????????????????????????11 致謝??????????????????????????????????????????????????????? 12 第2 章 從圖形到可視化?????????????????????????? 13 2.1 一個(gè)簡(jiǎn)單的例子?????????????????????????? 13 2.2 圖形渲染基礎(chǔ)?????????????????????????????? 16 2.3 渲染高度圖?????????????????????????????????? 18 2.4 紋理映射?????????????????????????????????????? 22 2.5 透明度與混合?????????????????????????????? 24 2.6 視角(viewing) ????????????????????????????? 26 2.7 匯總?????????????????????????????????????????????? 29 2.8 總結(jié)?????????????????????????????????????????????? 31 第3 章 數(shù)據(jù)表達(dá)?????????????????????????????????????? 32 3.1 連續(xù)數(shù)據(jù)?????????????????????????????????????? 32 3.1.1 什么是連續(xù)數(shù)據(jù)??????????????????? 32 3.1.2 數(shù)學(xué)連續(xù)性?????????????????????????? 33 3.1.3 維度:幾何、拓?fù)、屬?????? 34 3.2 采樣數(shù)據(jù)?????????????????????????????????????? 34 3.3 離散數(shù)據(jù)集?????????????????????????????????? 39 3.4 單元類型?????????????????????????????????????? 40 3.4.1 頂點(diǎn)???????????????????????????????????? 40 3.4.2 線段???????????????????????????????????? 41 3.4.3 三角形????????????????????????????????? 41 3.4.4 四邊形????????????????????????????????? 42 3.4.5 四面體????????????????????????????????? 42 3.4.6 六面體????????????????????????????????? 43 3.4.7 其他單元類型??????????????????????? 43 3.5 網(wǎng)格類型?????????????????????????????????????? 44 3.5.1 均勻網(wǎng)格?????????????????????????????? 44 3.5.2 正交網(wǎng)格?????????????????????????????? 46 3.5.3 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格??????????????????????????? 47 3.5.4 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格??????????????????????? 47 3.6 屬性?????????????????????????????????????????????? 49 3.6.1 標(biāo)量屬性?????????????????????????????? 49 3.6.2 向量屬性?????????????????????????????? 49 3.6.3 顏色屬性?????????????????????????????? 49 3.6.4 張量屬性?????????????????????????????? 53 3.6.5 非數(shù)值型屬性??????????????????????? 55 3.6.6 屬性數(shù)據(jù)的性質(zhì)???????????????????? 56 3.7 采樣數(shù)據(jù)導(dǎo)數(shù)的計(jì)算??????????????????? 58 3.8 實(shí)現(xiàn)?????????????????????????????????????????????? 60 3.8.1 網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)?????????????????????????????? 60 3.8.2 屬性數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)??????????????????????? 65 3.9 高級(jí)數(shù)據(jù)表達(dá)??????????????????????????????? 68 3.9.1 數(shù)據(jù)重采樣??????????????????????????? 68 3.9.2 散亂點(diǎn)插值??????????????????????????? 70 3.10 總結(jié)???????????????????????????????????????????? 74 第4 章 可視化管線?????????????????????????????????? 75 4.1 概念層面?????????????????????????????????????? 75 4.1.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入?????????????????????????????? 76 4.1.2 數(shù)據(jù)濾波和濃縮???????????????????? 77 4.1.3 數(shù)據(jù)映射?????????????????????????????? 78 4.1.4 數(shù)據(jù)渲染?????????????????????????????? 83 4.2 實(shí)現(xiàn)層面?????????????????????????????????????? 83 4.3 算法分類?????????????????????????????????????? 88 4.4 總結(jié)?????????????????????????????????????????????? 89 第5 章 標(biāo)量可視化?????????????????????????????????? 91 5.1 顏色映射?????????????????????????????????????? 91 5.2 設(shè)計(jì)有效的顏色圖??????????????????????? 92 5.3 等高線法???????????????????????????????????? 101 5.3.1 步進(jìn)方格???????????????????????????? 105 5.3.2 移動(dòng)立方體????????????????????????? 106 ?6? 5.4 高度圖???????????????????????????????????????? 109 5.4.1 脊?fàn)顖D(Enridged Plots)?????????110 5.5 總結(jié)?????????????????????????????????????????????113 第6 章 向量可視化?????????????????????????????????114 6.1 散度和渦度?????????????????????????????????114 6.2 向量符號(hào)?????????????????????????????????????117 6.2.1 向量符號(hào)討論??????????????????????119 6.3 向量顏色編碼???????????????????????????? 122 6.4 位移圖???????????????????????????????????????? 125 6.5 流對(duì)象???????????????????????????????????????? 127 6.5.1 流線及其變體????????????????????? 127 6.5.2 流管?????????????????????????????????? 134 6.5.3 3D 數(shù)據(jù)集中的流線和管束??? 135 6.5.4 流帶?????????????????????????????????? 136 6.5.5 流面?????????????????????????????????? 137 6.5.6 紋面?????????????????????????????????? 139 6.6 基于紋理的向量可視化????????????? 140 6.6.1 IBFV 方法?????????????????????????? 141 6.6.2 IBFV 的實(shí)現(xiàn)?????????????????????? 143 6.6.3 IBFV 例子?????????????????????????? 146 6.7 向量場(chǎng)的簡(jiǎn)化表示???????????????????? 147 6.7.1 向量場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)????????????????? 148 6.7.2 特征檢測(cè)方法????????????????????? 151 6.7.3 向量場(chǎng)分解方法????????????????? 151 6.8 說(shuō)明性的向量場(chǎng)渲染????????????????? 157 6.9 總結(jié)???????????????????????????????????????????? 159 第7 章 張量的可視化???????????????????????????? 160 7.1 主成分分析???????????????????????????????? 160 7.2 分量可視化???????????????????????????????? 163 7.3 標(biāo)量主成分分析信息的可視化???? 165 7.4 向量主成分分析信息的可視化???? 167 7.5 張量符號(hào)???????????????????????????????????? 168 7.6 纖維追蹤???????????????????????????????????? 171 7.7 說(shuō)明性的纖維渲染???????????????????? 174 7.8 超流線???????????????????????????????????????? 178 7.9 總結(jié)???????????????????????????????????????????? 180 第8 章 域建模技術(shù)???????????????????????????????? 181 8.1 切割???????????????????????????????????????????? 181 8.1.1 數(shù)據(jù)磚抽取????????????????????????? 181 8.1.2 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集切片?????????????? 182 8.1.3 隱函數(shù)切割????????????????????????? 183 8.1.4 一般化切割????????????????????????? 183 8.2 選取???????????????????????????????????????????? 184 8.3 散亂點(diǎn)網(wǎng)格構(gòu)建????????????????????????? 185 8.3.1 三角化方法????????????????????????? 185 8.3.2 表面重建與繪制?????????????????? 188 8.4 網(wǎng)格處理技術(shù)????????????????????????????? 198 8.4.1 幾何變換???????????????????????????? 198 8.4.2 網(wǎng)格簡(jiǎn)化???????????????????????????? 198 8.4.3 網(wǎng)格細(xì)化???????????????????????????? 201 8.4.4 網(wǎng)格平滑???????????????????????????? 203 8.5 總結(jié)???????????????????????????????????????????? 206 第9 章 圖像可視化???????????????????????????????? 207 9.1 圖像數(shù)據(jù)表示????????????????????????????? 207 9.2 圖像處理與可視化????????????????????? 208 9.3 基本的成像算法????????????????????????? 209 9.3.1 基本的圖像處理?????????????????? 209 9.3.2 直方圖均衡化????????????????????? 210 9.3.3 高斯平滑???????????????????????????? 212 9.3.4 邊緣檢測(cè)???????????????????????????? 215 9.4 形狀表示及分析????????????????????????? 218 9.4.1 基本分割???????????????????????????? 220 9.4.2 高級(jí)分割???????????????????????????? 221 9.4.3 連通區(qū)域???????????????????????????? 226 9.4.4 形態(tài)學(xué)操作????????????????????????? 228 9.4.5 距離變換???????????????????????????? 230 9.4.6 骨架化??????????????????????????????? 240 9.4.7 在2D 圖像中的骨架計(jì)算????? 243 9.4.8 3D 中的骨架計(jì)算???????????????? 247 9.5 總結(jié)???????????????????????????????????????????? 254 第10 章 體可視化?????????????????????????????????? 255 10.1 動(dòng)機(jī)?????????????????????????????????????????? 255 10.2 體可視化基礎(chǔ)??????????????????????????? 257 10.2.1 分類????????????????????????????????? 258 10.2.2 最大強(qiáng)度投影函數(shù)????????????? 259 10.2.3 平均強(qiáng)度函數(shù)??????????????????? 259 ?7? 10.2.4 取值距離函數(shù)??????????????????? 260 10.2.5 等值面函數(shù)??????????????????????? 260 10.2.6 混合函數(shù)?????????????????????????? 261 10.2.7 體著色????????????????????????????? 264 10.3 圖像序技術(shù)?????????????????????????????? 266 10.3.1 采樣和插值??????????????????????? 267 10.3.2 分類與插值順序???????????????? 269 10.4 對(duì)象序技術(shù)?????????????????????????????? 270 10.5 體繪制與幾何繪制的比較??????? 271 10.6 總結(jié)?????????????????????????????????????????? 272 第11 章 信息可視化?????????????????????????????? 273 11.1 什么是信息可視化??????????????????? 273 11.2 信息可視化與科學(xué)可視化的技術(shù) 比較????????????????????????????????????????????????????? 274 11.2.1 數(shù)據(jù)集????????????????????????????? 275 11.2.2 數(shù)據(jù)域????????????????????????????? 276 11.2.3 數(shù)據(jù)屬性?????????????????????????? 277 11.2.4 插值????????????????????????????????? 278 11.3 表格可視化?????????????????????????????? 279 11.4 關(guān)系可視化?????????????????????????????? 283 11.4.1 樹(shù)可視化?????????????????????????? 283 11.4.2 圖可視化?????????????????????????? 292 11.4.3 圖解可視化??????????????????????? 314 11.5 多變?cè)獢?shù)據(jù)可視化??????????????????? 316 11.5.1 平行坐標(biāo)系??????????????????????? 316 11.5.2 降維????????????????????????????????? 319 11.5.3 多維標(biāo)度?????????????????????????? 320 11.5.4 基于投影的降維???????????????? 321 11.5.5 高級(jí)降維技術(shù)??????????????????? 322 11.5.6 投影解釋?????????????????????????? 323 11.5.7 投影質(zhì)量評(píng)估??????????????????? 327 11.6 文本可視化??????????????????????????????? 332 11.6.1 基于內(nèi)容的可視化????????????? 333 11.6.2 程序代碼可視化???????????????? 334 11.6.3 演化文檔可視化???????????????? 336 11.7 總結(jié)?????????????????????????????????????????? 341 第12 章 結(jié)束語(yǔ)?????????????????????????????????????? 343 附錄 可視化軟件???????????????????????????????????? 346 參考文獻(xiàn)???????????????????????????????????????????????????? 359 專業(yè)詞匯表???????????????????????????????????????????????? 382
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