5.1.1 计算可视化

随着计算机硬件和软件技术的发展,计算机图形技术越来越成熟,如今已经在各行各业中得到了广泛应用。有一些应用本身的任务就是绘制图形,例如制作动画片、艺术设计之类; 还有一些应用不以绘图为目的,但会利用图形来辅助完成任务,例如统计应用的目的是计算 各种数值指标,但常用图形来直观地展示统计结果。

可视化(visualization)是指将抽象事物和过程转变成视觉可见的、形象直观的图形图 像表示。计算可视化就是在用计算机解决问题的过程中,使用图形图像来表达数据和操作。 图形图像所具有的直观性能使我们更有效地传达信息,即使这信息是非常抽象的。在历史上, 用可视的图形图像来展现信息是很常见的,在有文字之前人类就用图画表达信息,甚至文字 本身也是从图形发展而来的。如今,计算机图形技术为计算可视化提供了强大的支持,促进 了可视化计算在科学、工程、教育等领域的广泛应用。应用中常见的图形包括柱状图、直方 图、散点图、网络图、流程图、树、地图、图像、动画等等。

科学可视化

可视化术语最初是指科学可视化,也就是将科学与工程计算、实验中的大规模数据用直 观的计算机图形图像呈现出来,以便人们理解数据、增强对事物现象的认识和对内在规律的 洞察。

计算机图形技术从诞生起就被用于研究科学问题,如今科学可视化在物理、化学、医学、 空间科学等领域得到了大量应用。通过科学可视化,我们看清了台风的形成、太空飞行器的 活动、分子原子的结构以及人体内部的病灶,并能将纯抽象的概念和构造在 3 维空间中展现 出来②。

工程设计可视化 在工程领域,可视化被计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)系统广泛地使用。无论是土木工程还是机械工程、电子工程,设计人员借助计算机图形软件和设备从事产品设计工作, 例如利用计算机自动生成设计图,对设计图进行编辑、缩放、旋转,对不同方案进行比较和 优选等等。此外,可视化还可以使工业过程控制、系统模拟、生产管理等任务以直观的方式 进行,以实现更有效的控制和管理。

① 本书第 7 章详细介绍面向对象编程。

② 美国 Science 杂志和 NSF 每年都举办“国际科学与工程可视化挑战赛”,建议读者搜索获奖作品看看。

数据可视化

数据可视化是指利用计算机图形学和图像处理技术,将海量数据转化为数据图像,以便 帮助人们直观地观察数据。对于多维数据(例如人事数据包含姓名、性别、学位、收入等多 种维度),利用数据图像还可以从不同的维度观察数据。一般认为,数据、信息、知识构成 由低到高的三个层次,因此从数据可视化可以进而发展到更高层次的信息可视化(发现数据 中隐藏的模式、关联或趋势)和知识可视化(促进知识的传播)。

图形用户界面

可视化最常见的应用当属图形用户界面(GUI)。计算机软件的用户界面负责支持用户 与计算机进行交互。早期软件的用户界面都是文字式的,用户在屏幕上看到的输出都是文本 信息,并且只能通过键盘输入文本命令来控制软件执行。如今的软件几乎都具有图形用户界 面,屏幕上展现给用户的是各种可视的图形元素,如窗口、图标、按钮和菜单等等;而用户 可以使用鼠标来点击图形元素以控制程序的执行。这样的 GUI 软件使用起来非常直观、高 效,具有所谓的“用户友好性”。本书第 8 章将详细介绍 GUI 编程。

除了上述领域之外,人们还在教育领域利用可视化创建现实中难以见到的事物(如血液 循环系统、化合物分子、恐龙等)的图形图像,以使教学形象直观;在刑事侦查领域利用可 视化重建犯罪现场、绘制案犯相貌;在娱乐领域利用可视化制作计算机电影特效、动画;等 等。

总之,计算机图形技术极大地增强了人们利用计算机解决问题的能力。因此,学习图形 编程是非常重要的。

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