Visualização (gráficos)

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Visualização de como um carro se deforma em um acidente assimétrico usando análise de elementos finitos

Visualização ou visualização (veja diferenças de ortografia ) é qualquer técnica para criar imagens , diagramas ou animações para comunicar uma mensagem. A visualização através de imagens visuais tem sido uma maneira eficaz de comunicar ideias abstratas e concretas desde os primórdios da humanidade. Exemplos da história incluem pinturas rupestres , hieróglifos egípcios , geometria grega e métodos revolucionários de desenho técnico de Leonardo da Vinci para fins científicos e de engenharia.

A visualização hoje tem aplicações em constante expansão na ciência, educação, engenharia (por exemplo, visualização de produtos), multimídia interativa , medicina , etc. Típico de uma aplicação de visualização é o campo da computação gráfica . A invenção da computação gráfica (e da computação gráfica 3D ) pode ser o desenvolvimento mais importante na visualização desde a invenção da perspectiva central no período renascentista . O desenvolvimento da animação também ajudou a avançar na visualização.

Visão geral [ editar ]

O mapa-múndi de Ptolomeu, reconstituído a partir da Geographia de Ptolomeu (cerca de 150), indicando os países de " Serica " ​​e "Sinae" ( China ) na extrema direita, além da ilha de "Taprobane" ( Sri Lanka , superdimensionada) e da "Aurea" Quersoneso" ( península do Sudeste Asiático )
Gráfico de informações de Charles Minard da marcha de Napoleão

O uso da visualização para apresentar informações não é um fenômeno novo. Ele tem sido usado em mapas, desenhos científicos e plotagens de dados por mais de mil anos. Exemplos da cartografia incluem a Geographia de Ptolomeu (século II dC), um mapa da China (1137 dC) e o mapa de Minard (1861) da invasão da Rússia por Napoleão há um século e meio. A maioria dos conceitos aprendidos na criação dessas imagens são transferidos de maneira direta para a visualização por computador. Edward Tufte escreveu três livros aclamados pela crítica que explicam muitos desses princípios. [1] [2] [3]

A computação gráfica tem sido usada desde o início para estudar problemas científicos. No entanto, em seus primeiros dias, a falta de poder gráfico muitas vezes limitava sua utilidade. A ênfase recente na visualização começou em 1987 com a publicação de Visualization in Scientific Computing, uma edição especial da Computação Gráfica. [4] Desde então, ocorreram várias conferências e workshops, co-patrocinados pela IEEE Computer Society e ACM SIGGRAPH , dedicados ao tema geral e áreas especiais da área, por exemplo, visualização de volumes.

A maioria das pessoas está familiarizada com as animações digitais produzidas para apresentar dados meteorológicos durante os boletins meteorológicos na televisão , embora poucos consigam distinguir entre esses modelos da realidade e as fotos de satélite que também são exibidas nesses programas. A TV também oferece visualizações científicas quando mostra reconstruções desenhadas por computador e animadas de acidentes rodoviários ou aéreos. Alguns dos exemplos mais populares de visualizações científicas são imagens geradas por computador que mostram naves espaciais reais em ação, no vazio muito além da Terra ou em outros planetas . [ citação necessário ] Formas dinâmicas de visualização, comoanimação educacional ou cronogramas , têm o potencial de melhorar o aprendizado sobre sistemas que mudam ao longo do tempo.

Além da distinção entre visualizações interativas e animação, a categorização mais útil é provavelmente entre visualizações científicas abstratas e baseadas em modelos. As visualizações abstratas mostram construções completamente conceituais em 2D ou 3D. Essas formas geradas são completamente arbitrárias. As visualizações baseadas em modelo colocam sobreposições de dados em imagens reais ou construídas digitalmente da realidade ou fazem uma construção digital de um objeto real diretamente dos dados científicos.

A visualização científica geralmente é feita com software especializado , embora haja algumas exceções, indicadas abaixo. Alguns desses programas especializados foram lançados como software de código aberto, tendo muitas vezes suas origens em universidades, dentro de um ambiente acadêmico onde é comum compartilhar ferramentas de software e dar acesso ao código-fonte. Existem também muitos pacotes de software proprietários de ferramentas de visualização científica.

Modelos e estruturas para a construção de visualizações incluem os modelos de fluxo de dados popularizados por sistemas como AVS, IRIS Explorer e VTK toolkit, e modelos de estado de dados em sistemas de planilhas, como Spreadsheet for Visualization e Spreadsheet for Images.

Aplicativos [ editar ]

Visualização científica [ editar ]

Simulação de uma instabilidade Raleigh-Taylor causada por dois fluidos de mistura

Como um assunto em ciência da computação , a visualização científica é o uso de representações sensoriais interativas, tipicamente visuais, de dados abstratos para reforçar a cognição , a construção de hipóteses e o raciocínio . A visualização científica é a transformação, seleção ou representação de dados de simulações ou experimentos, com uma estrutura geométrica implícita ou explícita, para permitir a exploração, análise e compreensão dos dados. A visualização científica foca e enfatiza a representação de dados de ordem superior usando principalmente técnicas de gráficos e animação. [5] [6]É uma parte muito importante da visualização e talvez a primeira, pois a visualização de experimentos e fenômenos é tão antiga quanto a própria ciência . As áreas tradicionais de visualização científica são visualização de fluxo , visualização médica , visualização astrofísica e visualização química . Existem várias técnicas diferentes para visualizar dados científicos, sendo a reconstrução de isosuperfície e a renderização direta de volume as mais comuns.

Visualização de dados [ editar ]

A visualização de dados é uma subcategoria relacionada de visualização que lida com gráficos estatísticos e dados geoespaciais (como na cartografia temática ) que é abstraído de forma esquemática. [7]

Visualização de informações [ editar ]

Utilização média relativa do IPv4

A visualização da informação concentra-se no uso de ferramentas suportadas por computador para explorar grande quantidade de dados abstratos. O termo "visualização de informações" foi originalmente cunhado pelo User Interface Research Group da Xerox PARC e incluiu Jock Mackinlay. [ citação necessário ] A aplicação prática de visualização de informação em programas de computador envolve selecionar, transformar, e representando dados abstratos em uma forma que facilite a interação humana para exploração e compreensão. Aspectos importantes da visualização da informação são a dinâmica da representação visual e a interatividade. Técnicas fortes permitem que o usuário modifique a visualização em tempo real, proporcionando uma percepção inigualável de padrões e relações estruturais nos dados abstratos em questão.

Visualização educacional [ editar ]

A visualização educacional é usar uma simulação para criar uma imagem de algo para que possa ser ensinado. Isso é muito útil ao ensinar sobre um tópico que é difícil de ver, por exemplo, estrutura atômica , porque os átomos são muito pequenos para serem estudados facilmente sem equipamentos científicos caros e difíceis de usar.

Visualização do conhecimento [ editar ]

O uso de representações visuais para transferência de conhecimento entre pelo menos duas pessoas visa melhorar a transferência de conhecimento usando métodos de visualização computadorizados e não computadorizados de forma complementar. [8] Assim, a visualização adequadamente projetada é uma parte importante não apenas da análise de dados, mas também do processo de transferência de conhecimento. [9] A transferência de conhecimento pode ser significativamente melhorada usando projetos híbridos, pois aumenta a densidade da informação, mas também pode diminuir a clareza. Por exemplo, a visualização de um campo escalar 3D pode ser implementada usando iso-superfícies para distribuição de campo e texturas para o gradiente do campo. [10] Exemplos de tais formatos visuais são esboços, diagramas , imagens , objetos , visualizações interativas, aplicativos de visualização de informações e visualizações imaginárias como em histórias . Enquanto a visualização da informação se concentra no uso de ferramentas suportadas por computador para obter novos insights, a visualização do conhecimento se concentra na transferência de insights e na criação de novos conhecimentos em grupos . Além da mera transferência de fatos , a visualização do conhecimento visa transferir insights , experiências , atitudes , valores , expectativas , perspectivas ,opiniões e previsões usando várias visualizações complementares. Veja também: dicionário de imagens , dicionário visual

Visualização do produto [ editar ]

A visualização de produtos envolve tecnologia de software de visualização para visualização e manipulação de modelos 3D, desenho técnico e outras documentações relacionadas de componentes fabricados e grandes montagens de produtos. É uma parte fundamental do gerenciamento do ciclo de vida do produto . O software de visualização de produtos normalmente fornece altos níveis de fotorrealismo para que um produto possa ser visualizado antes de ser realmente fabricado. Isso suporta funções que vão desde design e estilo até vendas e marketing. A visualização técnica é um aspecto importante do desenvolvimento de produtos. Originalmente os desenhos técnicos eram feitos à mão, mas com o surgimento da computação gráfica avançada , a prancheta foi substituída pordesenho assistido por computador (CAD). Desenhos e modelos CAD têm várias vantagens sobre desenhos feitos à mão, como a possibilidade de modelagem 3-D , prototipagem rápida e simulação . A visualização de produtos 3D promete experiências mais interativas para compradores online, mas também desafia os varejistas a superar obstáculos na produção de conteúdo 3D, pois a produção de conteúdo 3D em larga escala pode ser extremamente cara e demorada. [11]

Comunicação visual [ editar ]

A comunicação visual é a comunicação de idéias por meio da exibição visual de informações . Associado principalmente a imagens bidimensionais , inclui: alfanuméricos , arte , signos e recursos eletrônicos . Pesquisas recentes na área têm focado em web design e usabilidade orientada graficamente .

Análise visual [ editar ]

A análise visual se concentra na interação humana com sistemas de visualização como parte de um processo maior de análise de dados. A análise visual foi definida como "a ciência do raciocínio analítico apoiado pela interface visual interativa". [12]

Seu foco está no discurso de informação humana (interação) dentro de espaços de informação massivos e dinâmicos. A pesquisa de análise visual concentra-se no suporte a operações perceptivas e cognitivas que permitem aos usuários detectar o esperado e descobrir o inesperado em espaços de informação complexos.

As tecnologias resultantes da análise visual encontram sua aplicação em quase todos os campos, mas estão sendo impulsionadas por necessidades críticas (e financiamento) em biologia e segurança nacional.

Interatividade [ editar ]

A visualização interativa ou visualização interativa é um ramo da visualização gráfica na ciência da computação que envolve o estudo de como os humanos interagem com os computadores para criar ilustrações gráficas de informações e como esse processo pode ser mais eficiente.

Para que uma visualização seja considerada interativa, ela deve atender a dois critérios:

  • Entrada humana: o controle de algum aspecto da representação visual da informação, ou da informação que está sendo representada, deve estar disponível para um humano, e
  • Tempo de resposta: as alterações feitas pelo humano devem ser incorporadas à visualização em tempo hábil. Em geral, a visualização interativa é considerada uma tarefa leve em tempo real .

Um tipo particular de visualização interativa é a realidade virtual (VR), onde a representação visual da informação é apresentada usando um dispositivo de exibição imersiva, como um projetor estéreo (ver estereoscopia ). A RV também é caracterizada pelo uso de uma metáfora espacial, onde algum aspecto da informação é representado em três dimensões para que os humanos possam explorar a informação como se estivesse presente (onde ao invés era remota), dimensionada apropriadamente (onde ao invés estava em uma escala muito menor ou maior do que os humanos podem sentir diretamente), ou tinha forma (onde, em vez disso, pode ser completamente abstrata).

Outro tipo de visualização interativa é a visualização colaborativa, na qual várias pessoas interagem com a mesma visualização de computador para comunicar suas ideias entre si ou para explorar informações cooperativamente. Frequentemente, a visualização colaborativa é usada quando as pessoas estão fisicamente separadas. Usando vários computadores em rede, a mesma visualização pode ser apresentada a cada pessoa simultaneamente. As pessoas então fazem anotações na visualização, bem como se comunicam por meio de mensagens de áudio (ou seja, telefone), vídeo (ou seja, uma videoconferência) ou mensagens de texto (ou seja, IRC ).

Controle humano da visualização [ editar ]

O Sistema de Gráficos Interativos Hierárquicos do Programador ( PHIGS ) foi um dos primeiros esforços programáticos na visualização interativa e forneceu uma enumeração dos tipos de entrada que os humanos fornecem. Pessoas podem:

  1. Escolha alguma parte de uma representação visual existente;
  2. Localize um ponto de interesse (que pode não ter uma representação existente);
  3. Trace um caminho;
  4. Escolha uma opção de uma lista de opções;
  5. Avalie inserindo um número; e
  6. Escreva inserindo texto.

Todas essas ações requerem um dispositivo físico. Os dispositivos de entrada variam desde os comuns – teclados , mouses , tablets gráficos , trackballs e touchpads – até os esotéricos – luvas com fio , braços de lança e até esteiras omnidirecionais .

Essas ações de entrada podem ser usadas para controlar as informações que estão sendo representadas ou a maneira como as informações são apresentadas. Quando as informações apresentadas são alteradas, a visualização geralmente faz parte de um ciclo de feedback . Por exemplo, considere um sistema de aviônicos de aeronaves onde o piloto insere roll, pitch e yaw e o sistema de visualização fornece uma renderização da nova atitude da aeronave. Outro exemplo seria um cientista que altera uma simulação enquanto ela está sendo executada em resposta a uma visualização de seu progresso atual. Isso é chamado de direção computacional .

Mais frequentemente, a representação da informação é alterada em vez da própria informação.

Resposta rápida à entrada humana [ editar ]

Experimentos mostraram que um atraso de mais de 20 ms entre quando a entrada é fornecida e uma representação visual é atualizada é perceptível pela maioria das pessoas [ carece de fontes ] . Assim, é desejável que uma visualização interativa forneça uma renderização baseada na entrada humana dentro desse período de tempo. No entanto, quando grandes quantidades de dados devem ser processadas para criar uma visualização, isso se torna difícil ou mesmo impossível com a tecnologia atual. Assim, o termo "visualização interativa" é geralmente aplicado a sistemas que fornecem feedback aos usuários alguns segundos após a entrada. O termo taxa de quadros interativaé frequentemente usado para medir o quão interativa é uma visualização. As taxas de quadros medem a frequência com que uma imagem (um quadro) pode ser gerada por um sistema de visualização. Uma taxa de quadros de 50 quadros por segundo (quadro/s) é considerada boa, enquanto 0,1 quadro/s seria considerado ruim. No entanto, o uso de taxas de quadros para caracterizar a interatividade é um pouco enganoso, pois a taxa de quadros é uma medida de largura de banda , enquanto os humanos são mais sensíveis à latência . Especificamente, é possível atingir uma boa taxa de quadros de 50 quadros/s, mas se as imagens geradas se referirem a alterações na visualização que uma pessoa fez há mais de 1 segundo, ela não parecerá interativa para uma pessoa.

O tempo de resposta rápido necessário para a visualização interativa é uma restrição difícil de atender e existem várias abordagens que foram exploradas para fornecer às pessoas um feedback visual rápido com base em suas entradas. Alguns incluem

  1. Renderização paralela – onde mais de um computador ou placa de vídeo é usado simultaneamente para renderizar uma imagem. Vários quadros podem ser renderizados ao mesmo tempo por diferentes computadores e os resultados transferidos pela rede para exibição em um único monitor. Isso exige que cada computador mantenha uma cópia de todas as informações a serem renderizadas e aumenta a largura de banda, mas também aumenta a latência. Além disso, cada computador pode renderizar uma região diferente de um único quadro e enviar os resultados por uma rede para exibição. Isso novamente exige que cada computador mantenha todos os dados e pode levar a um desequilíbrio de carga quando um computador é responsável por renderizar uma região da tela com mais informações do que outros computadores. Finalmente, cada computador pode renderizar um quadro inteiro contendo um subconjunto das informações. As imagens resultantes mais o buffer de profundidade associadopode então ser enviado pela rede e mesclado com as imagens de outros computadores. O resultado é um único quadro contendo todas as informações a serem renderizadas, mesmo que a memória de nenhum computador contenha todas as informações. Isso é chamado de composição de profundidade paralela e é usado quando grandes quantidades de informações devem ser renderizadas interativamente.
  2. Renderização progressiva – onde uma taxa de quadros é garantida renderizando algum subconjunto das informações a serem apresentadas e fornecendo melhorias incrementais (progressivas) na renderização, uma vez que a visualização não está mais mudando.
  3. Renderização de nível de detalhe ( LOD ) – onde representações simplificadas de informações são renderizadas para atingir uma taxa de quadros desejada enquanto uma pessoa está fornecendo entrada e, em seguida, a representação completa é usada para gerar uma imagem estática assim que a pessoa manipula a visualização. Uma variante comum da renderização de LOD é a subamostragem . Quando a informação que está sendo representada é armazenada em uma matriz topológica retangular (como é comum com fotos digitais , ressonâncias magnéticas e simulações de diferenças finitas ), uma versão de resolução mais baixa pode ser facilmente gerada pulando npontos para cada 1 ponto renderizado. A subamostragem também pode ser usada para acelerar técnicas de renderização, como visualização de volume, que exigem mais que o dobro dos cálculos para uma imagem com o dobro do tamanho. Ao renderizar uma imagem menor e, em seguida, dimensionar a imagem para preencher o espaço de tela solicitado, é necessário muito menos tempo para renderizar os mesmos dados.
  4. Renderização sem moldura – onde a visualização não é mais apresentada como uma série temporal de imagens, mas como uma única imagem onde diferentes regiões são atualizadas ao longo do tempo.

Veja também [ editar ]

Referências [ editar ]

  1. ^ Tufte, Edward R. (1990). Informações de Previsão . ISBN 0961392118.
  2. ^ Tufte, Edward R. (2001) [1st Pub. 1983]. A Exibição Visual de Informações Quantitativas (2ª ed.). ISBN 0961392142.
  3. ^ Tufte, Edward R. (1997). Explicações Visuais: Imagens e Quantidades, Evidências e Narrativas . ISBN 0961392126.
  4. ^ "evl – laboratório de visualização eletrônica" . www.evl.uic.edu . Recuperado em 2 de setembro de 2018 .
  5. ^ "Visualização Científica." sciencedaily. com. Science Daily, 2010. Recuperado da web https://www.sciencedaily.com/articles/s/scientific_visualization.htm . em 17 de novembro de 2011.
  6. ^ "Visualização Científica." Instituto de Computação Científica e Imagem. Scientific Computing and Imaging Institute, University of Utah, nd Recuperado da web http://www.sci.utah.edu/research/visualization.html . em 17 de novembro de 2011.
  7. ^ Michael amigável (2008). "Marcos na história da cartografia temática, gráficos estatísticos e visualização de dados" . Projeto movido para http://datavis.ca/milestones/
  8. ^ (Burkhard e Meier, 2004),
  9. Opiła, Janusz (1 de abril de 2019). "Papel da Visualização em um Processo de Transferência de Conhecimento" . Revista de Pesquisa de Sistemas Empresariais . 10 (1): 164–179. doi : 10.2478/bsrj-2019-0012 . ISSN 1847-9375 . 
  10. ^ Opila, J.; Opila, G. (maio de 2018). "Visualização de campo 3D escalar computável usando interpolação cúbica ou função de estimativa de densidade do kernel". 2018 41ª Convenção Internacional sobre Tecnologia da Informação e Comunicação, Eletrônica e Microeletrônica (MIPRO) . Opatija: IEEE: 0189-0194. doi : 10.23919/MIPRO.2018.8400036 . ISBN 9789532330953. S2CID  49640048 .
  11. ^ "Fluxos de trabalho 3D no comércio eletrônico global" . www.dgg3d.com . 28 de fevereiro de 2020 . Recuperado em 22 de abril de 2020 .
  12. ^ Thomas, JJ, e Cook, KA (Eds) (2005). Um Caminho Iluminado: A Agenda de Pesquisa e Desenvolvimento para Visual Analytics, IEEE Computer Society Press, ISBN 0-7695-2323-4 

Leitura adicional [ editar ]

Links externos [ editar ]

Conferências

Muitas conferências ocorrem onde trabalhos acadêmicos de visualização interativa são apresentados e publicados.