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數(shù)據(jù)可視化原理與實踐(第二版)
本書主要探討了對數(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、科學可視化,以及統(tǒng)計學圖形有密切的關(guān)系。全書運用數(shù)學、計算機科學和物理學方法創(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,并提供豐富的習題、可下載代碼和數(shù)據(jù)集。
本書包括多達48頁的高清彩插,對可視化理論進行了細致全面的闡述,應用實例豐富,實用性強。
譯者序
數(shù)據(jù)可視化技術(shù)旨在運用計算機圖形學的理論和方法,將隱含在大量數(shù)據(jù)中的復雜物理現(xiàn)象和自然規(guī)律轉(zhuǎn)化為直觀的圖形、圖像表達出來,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、計算機視覺等多種研究領(lǐng)域,具有交互性、多維性和可視性等特點。 本書的譯者多年來從事多媒體信息處理、虛擬現(xiàn)實、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,在此特別致謝。 需要說明的是,本書的翻譯得到了國家自然科學基金項目“非線性稀疏表示理論及其應用”(編號:61201337)、國家自然科學基金項目“視頻內(nèi)容重復檢測及關(guān)聯(lián)分析技術(shù)研究”(編號:61571453)、湖南省科技計劃項目“面向大數(shù)據(jù)的視頻摘要生成技術(shù)研究”(編號:2014GK3020)、湖南省教育廳重點項目“視頻內(nèi)容重復檢測技術(shù)研究”(編號:15A020)的資助。本書翻譯工作量較大。在翻譯過程中,欒悉道負責全書的統(tǒng)籌和審校,謝毓湘翻譯了本書的第1、4、12章和附錄,魏迎梅翻譯了本書的第2、6、9章,王衛(wèi)威翻譯了本書的序言和第5、7章,康來翻譯了本書的第3、8、10、11章。左飛、張芯、賀竟錳、牛曉、郭樹璇、李琛、曾文星、鄭園、符涵、楊建宏等同學均參與了本書的翻譯工作。 所有譯者一直本著忠于原書、謹慎細致的工作態(tài)度開展工作,但是難免存在疏漏,懇請廣大讀者批評指正。 前言 本書是DataVisualization:PrinciplesandPractice自2008年首次印刷后的第二版。自第一版出版以來,數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域又見證了許多技術(shù)的進步和發(fā)展。一些技術(shù)和方法已經(jīng)從研究室走進了專業(yè)人員的工具箱。得益于臺式機和筆記本電腦日益增強的計算處理能力,一些新方法和新算法促進了其他技術(shù)的進步。各種不同的設計實現(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)展重大抉擇的幾個學科應用領(lǐng)域,愈加被重視。 本書的第二版修訂和完善了對于數(shù)據(jù)可視化原理和應用的介紹。第二版在介紹各種可視化技術(shù)時,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)的表示開始,描述可視化管線,然后是各種更復雜數(shù)據(jù)類型(標量、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。第二版修改和擴充了相當一部分可視化算法和技術(shù),內(nèi)容得以進一步豐富。第1章重點介紹科學可視化、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和書籍。第2章從一個簡單但完整的OpenGL可視化應用的例子說起,對圖形到可視化的轉(zhuǎn)變過程進行概括性介紹。第3章詳細介紹散點數(shù)據(jù)集無網(wǎng)格插值的過程;谝粋具體的實例,第4章詳細說明一個好的可視化映射應具備的性質(zhì)。第5章特別探討色彩映射設計的問題,還介紹脊狀圖技術(shù)。第6章擴展了向量可視化技術(shù)集,深入探討流對象問題,包括密集流線播種、紋線、流面、紋面、向量場拓撲及說明性技術(shù)。第7章介紹擴散張量成像(DTI)可視化組合技術(shù)的新案例,還討論說明性纖維追蹤渲染和纖維集束技術(shù)。第8章額外介紹點云重構(gòu)技術(shù),如非流形分類、Alpha形狀、滾球法、泊松重建、球體splatting。對于網(wǎng)格細化,還討論循環(huán)細分算法。第9章介紹6個高級圖像分割算法(活動輪廓、圖割、均值偏移、超像素、水平集、緊致骨架)。通過展現(xiàn)最新的幾個表面和曲線骨架提取算法,進一步精煉形狀分析方面的介紹。第10章介紹體繪制技術(shù)的幾個新案例。第11章擴展得最多,涵蓋了幾種新增的信息可視化技術(shù)(簡化邊集束、一般圖集束、動態(tài)圖可視化、圖解可視化,以及擴展的降維處理技術(shù))。最后,在本書附錄中更新、涵蓋了幾個重要的軟件系統(tǒng)和庫。所有章節(jié)都經(jīng)過徹底的錯誤修訂,提高了說明的質(zhì)量,并增加了幾個相關(guān)的最新參考文獻。 另外,第二版補充了網(wǎng)上在線資源,包括練習、數(shù)據(jù)集和源代碼。這些資源可以用于書中各種技術(shù)的練習,也可作為開展數(shù)據(jù)可視化實踐課程教學的基礎(chǔ)。本書的網(wǎng)址為http://www.cs.rug.nl/svcg/DataVisualizationBook。
Alexandru C. Telea 荷蘭埃因霍溫科技大學計算機科學系可視化和計算機圖形學的助理教授。2000年以來,他一直研究數(shù)據(jù)和信息可視化,計算機圖形學和軟件工程等。他最近的研究重點是軟件可視化,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)軟件項目寫了數(shù)百萬行代碼。他曾在國際期刊和會議合作撰寫和發(fā)表了80多篇學術(shù)論文。
目 錄
第1 章 導論???????????????????????????????????????????????? 1 1.1 可視化如何工作???????????????????????????? 2 1.2 本書定位???????????????????????????????????????? 7 1.3 本書結(jié)構(gòu)???????????????????????????????????????? 9 1.4 符號???????????????????????????????????????????????11 1.5 網(wǎng)絡資料???????????????????????????????????????11 致謝??????????????????????????????????????????????????????? 12 第2 章 從圖形到可視化?????????????????????????? 13 2.1 一個簡單的例子?????????????????????????? 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?????????????????????????????????????? 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)學連續(xù)性?????????????????????????? 33 3.1.3 維度:幾何、拓撲、屬性?????? 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???????????????????????????????????? 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)導數(shù)的計算??????????????????? 58 3.8 實現(xiàn)?????????????????????????????????????????????? 60 3.8.1 網(wǎng)格實現(xiàn)?????????????????????????????? 60 3.8.2 屬性數(shù)據(jù)實現(xiàn)??????????????????????? 65 3.9 高級數(shù)據(jù)表達??????????????????????????????? 68 3.9.1 數(shù)據(jù)重采樣??????????????????????????? 68 3.9.2 散亂點插值??????????????????????????? 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 實現(xiàn)層面?????????????????????????????????????? 83 4.3 算法分類?????????????????????????????????????? 88 4.4 總結(jié)?????????????????????????????????????????????? 89 第5 章 標量可視化?????????????????????????????????? 91 5.1 顏色映射?????????????????????????????????????? 91 5.2 設計有效的顏色圖??????????????????????? 92 5.3 等高線法???????????????????????????????????? 101 5.3.1 步進方格???????????????????????????? 105 5.3.2 移動立方體????????????????????????? 106 ?6? 5.4 高度圖???????????????????????????????????????? 109 5.4.1 脊狀圖(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?????????????????????????????????????117 6.2.1 向量符號討論??????????????????????119 6.3 向量顏色編碼???????????????????????????? 122 6.4 位移圖???????????????????????????????????????? 125 6.5 流對象???????????????????????????????????????? 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 的實現(xiàn)?????????????????????? 143 6.6.3 IBFV 例子?????????????????????????? 146 6.7 向量場的簡化表示???????????????????? 147 6.7.1 向量場拓撲結(jié)構(gòu)????????????????? 148 6.7.2 特征檢測方法????????????????????? 151 6.7.3 向量場分解方法????????????????? 151 6.8 說明性的向量場渲染????????????????? 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???????????????????????????????????? 168 7.6 纖維追蹤???????????????????????????????????? 171 7.7 說明性的纖維渲染???????????????????? 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)格簡化???????????????????????????? 198 8.4.3 網(wǎng)格細化???????????????????????????? 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???????????????????????????? 215 9.4 形狀表示及分析????????????????????????? 218 9.4.1 基本分割???????????????????????????? 220 9.4.2 高級分割???????????????????????????? 221 9.4.3 連通區(qū)域???????????????????????????? 226 9.4.4 形態(tài)學操作????????????????????????? 228 9.4.5 距離變換???????????????????????????? 230 9.4.6 骨架化??????????????????????????????? 240 9.4.7 在2D 圖像中的骨架計算????? 243 9.4.8 3D 中的骨架計算???????????????? 247 9.5 總結(jié)???????????????????????????????????????????? 254 第10 章 體可視化?????????????????????????????????? 255 10.1 動機?????????????????????????????????????????? 255 10.2 體可視化基礎(chǔ)??????????????????????????? 257 10.2.1 分類????????????????????????????????? 258 10.2.2 最大強度投影函數(shù)????????????? 259 10.2.3 平均強度函數(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 多變元數(shù)據(jù)可視化??????????????????? 316 11.5.1 平行坐標系??????????????????????? 316 11.5.2 降維????????????????????????????????? 319 11.5.3 多維標度?????????????????????????? 320 11.5.4 基于投影的降維???????????????? 321 11.5.5 高級降維技術(shù)??????????????????? 322 11.5.6 投影解釋?????????????????????????? 323 11.5.7 投影質(zhì)量評估??????????????????? 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?????????????????????????????????????? 343 附錄 可視化軟件???????????????????????????????????? 346 參考文獻???????????????????????????????????????????????????? 359 專業(yè)詞匯表???????????????????????????????????????????????? 382
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