浅议信息可视化基本原理与应用.doc

1浅议信息可视化基本原理与应用作者：徐新萍， 王晓民， 彭瑞云， 王德文 【摘要】 人类现处在信息爆炸的时代对繁杂的抽象信息之间复杂关系的成功探索与逐渐揭示，促使了信息可视化这一崭新科学领域的出现它综合了科学可视化、人机交互、数据挖掘、图像技术、图形学、认知科学等诸多学科的理论和方法科学可视化与信息可视化的区别在于，前者的研究对象主要是具有几何属性的科学数据，而后者则主要应用于没有几何属性的抽象信息，旨在揭示信息之间的关系和信息中隐藏的特征本文对信息可视化的概念、特点、分类、应用等的研究现状作一综述 【关键词】 信息可视化； 科学可视化； 人机交互； 数据挖掘； 原理； 应用； 展望Abstract: We are living in a time of exploding information. The efforts to explore the complicated relations among complex abstract information give birth to a new field information visualization, which combines aspects of scientific visualization, human computer interfaces, data mining, imaging, graphics, and cognition science, etc. Information visualization differs from scientific visualization in that information visualization focuses on abstract information to reveal the relations among information and the features hidden in information, but scientific visualization focuses on geometric scientific data. This article introduces the concept, signification, main problems and technologies, and the state of the art of information visualization.Key words: Information visualization; Scientific visualization; Human computer interface; Data mining; Principle; Application; Prospective1 信息可视化的概念信息可视化技术是指运用计算机图形学和图像处理技术,将信息转换为图形或图2像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。

它将信息转化为一种视觉形式，其充分利用人们对可视模式快速识别的自然能力，将人脑与计算机这两个最强大的信息处理系统联系在一起可视界面使得我们能够更有效地观察、操纵、研究、浏览、探索、过滤与理解大规模信息，并与之方便交互，从而可极其有效地发现隐藏在信息内部的特征和规律可视化提供了一种新的信息展示方法，丰富了科学发现的过程，开拓了新的视野它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域通过信息可视化技术，不仅在医药学、生物学、工业、农业、军事等领域被广泛应用，近年来利用可视化技术还发现大量金融、通信和商业信息中隐含的规律，从而为决策提供依据，并已成为信息可视化技术中新的热点2 信息可视化技术的主要特点（一） 可视性信息可以用图象、曲线、二维图形、三维体和动画等来显示，并可对其模式和相互关系进行可视化分析人类的可视化功能，允许人类对大量抽象的信息进行分析科学家从表面上看来是杂乱无章的大量信息中，找出其中隐藏的规律，为科学发现、工程开发、医疗诊断和业务决策等提供依据二） 多维性可以看到表示对象或事件的信息的多个属性或变量，而信息可以按其每一维的值，将其分类、排序、组合和显示。

三） 交互性用户可以方便地以交互的方式管理和开发信息3 信息可视化的分类3信息可视化方法根据不同的分类标准进而分为不同类别，通常按照信息资源本身的特征可将其划分为 7 类一） 一维信息可视化一维信息是简单的线性信息，如文本，或者一列数字最常见的一维信息可能就是文本文献了我们需要借助可视化技术增加文本信息的有效性，从而帮助用户对它们更好地利用和更深入地理解二） 二维信息可视化在信息可视化环境中，二维信息是指包括两个主要属性的信息宽度和高度可以描述事物的大小，事物在 X 轴和 Y 轴的位置表示了它在空间的定位如城市地图和建筑平面图都属于二维信息可视化最常见的二维信息可视化是地理信息系统（GIS）商业 GIS 系统长期以来被用于区域规划、交通规划和管理、天气预报以及绘图等 （三） 三维信息可视化三维信息通过引入体积的概念，超越了二维信息许多科学计算可视化都是三维信息可视化，因为科学计算可视化的主要目的就是表示现实的三维物体计算机模型可以让科学家模拟试验、操作那些现实世界中代价昂贵、实施困难、非常危险或者是现实世界中难以甚至无法进行的事情近年来，三维信息可视化被广泛地应用于医学和建筑等领域我国“863”高技术发展研究课题“数字化虚拟中国人信息暨构建与海量信息系统”的研究目的，就是用计算机在三维空间模拟真实人体的所有特征。

四） 多维信息可视化多维信息是指在信息可视化环境中的那些具有超过 3 个属性的信息在可视化中，这些属性的重要性是不言而喻的例如，关于某地所有房屋的价值和它们的地址信息的一个清单（一维信息），可以按照价值排序；也可4以创建一个测度，用点的大小来表示房子的相对价值，并且将点放置在地图上来表示它们的位置（二维信息）但是，如果还有其他关于房子的信息，比如卧室数量、年代、面积等，这些则属于二维空间可视化中的次要信息五） 层次信息可视化抽象信息之间的一种最普遍关系就是层次关系，如磁盘目录结构、文档管理、图书分类等传统的描述层次信息的方法就是将其组织成一个类似于树的节点连接表示这种表示结构简单直观，但是，对于大型的层次结构而言，树形结构的分支很快就会拥挤交织在一起，变得混乱不堪人们在对层次信息可视化进行研究的过程中提出了一系列新的可视化技术，典型的有：Robertson、Mackinlay 等六） 文档（文本）信息可视化在我们面临的信息中，绝大多数是文本信息，如电子邮件、因特网文档、科学论文、报纸文章等等文档信息是我们记忆的延伸，我们需要经常和文档信息进行交流各种文档信息堆积如山，可视化可以帮助我们快捷地从文档信息中获取我们需要的内容和知识。

文档信息可视化可以分为两类：一类是对单个文档本身的可视化，另一类是对大型文档集合的可视化七） 网络信息可视化目前，Web 的信息已分布在遍及世界各地的数以万计的网站上，网站通过文档之间的超级链接彼此交织在一起不论 Web 现在的规模有多大，它还将继续膨胀然而，目前的信息访问方式，却远远不能让人满意信息可视化在帮助人们理解信息空间的结构，快速发现所需信息，有效防止信息迷途等方面将会扮演越来越重要的角色 4 信息可视化的医学应用信息可视化的应用十分广泛,几乎可应用于自然科学、工程技术、金融、通信、商业和社会科学等各种领域特别在医学方面医学信息的可视化，已成为信息可视5化领域中最为活跃的研究领域之一由于 CT、MRI 和正电子放射断层扫描（PET）的发展,医生已经可以较易获得病人有关部位的一组二维断层图象CT 通过计算机重构人体器官或组织的图像，使医学图像从二维走向三维，使人们从人体外部可以看到内部PET 把核技术与计算机技术结合起来将经过核素标记的示踪剂注入人体后，核素衰变过程中产生的正电子湮灭通过电子检测和计算机重构成像，使我们可以得到人体代谢或功能图像在此基础上，利用可视化软件,对上述多种模态的图像进行图像融合，可以准确地确定病变体的空间位置、大小、几何形状以及它与周围生物组织之间的空间关系，从而及时高效地诊断疾病。

美国华盛顿大学利用可视化软件系统和心脏超声诊断技术,可以获得心脏的三维图象,并用于监控心脏的形状、大小和运动，为综合诊断提供依据电子束 CT（EBCT）由电子束扫描替代了 X 线管与检测器的机械扫描，因而扫描速度提高近百倍，检查运动的器官(如心脏、大血管)能得到清晰的图像，实现了电影 CT，是 CT 技术的一次革命中国协和医科大学阜外心血管病医院已将 EBCT 三维图像重建用于主动脉病变的临床诊断和冠状动脉搭桥术（CABG）后的血管显示由于 EBCT 血管造影图像时间分辨率高，消除了呼吸及运动的伪影，可以明确诊断各种主动脉病变和显示冠状动脉搭桥血管解剖结构从而在主动脉病变的诊断和冠状动脉搭桥术后的血管显示方面，可望取代有创新的常规血管造影在可视化技术的基础上可以进一步实现放射治疗、矫形手术等计算机模拟及手术规划例如，在做脑部肿瘤放射治疗时，需要在颅骨上穿孔，然后将放射性同位素准确地安放在脑中病灶部位，既要使治疗效果最好,又要保证整个手术过程及同位素射线不伤及正常组织科学家利用可视化技术就可以在重构出的人脑内部结构三维图像的基础上，对颅骨穿孔位置、同位素置入通道、安放位置及等剂量线等6进行计算机模拟，并选择最佳方案。

同时还可以在屏幕上监视手术进行的情况，从而大大提高手术的成功率又如，有不少儿童的髋关节发育不正常，当作矫形手术时，需要对髋关节进行切割、移位、固定等操作利用可视化技术可以首先在计算机上构造出髋关节的三维图像，然后在计算机上对切割部位、切割形状、移位多少及固定方式等的多种方案进行模拟，从而大大提高矫形手术的质量目前随着虚拟手术、虚拟人等一系列的建立，医疗水平得到很大的提高其他领域可视化也得到了快速的发展，例如气象预报、油气勘探、工程、飞机、汽车、船舶等在设计时，通过可视化技术可以针对不同对象，找到最适合的网格划分方法5 信息可视化技术的展望近年来，随着社会信息化的推进和网络应用的日益广泛，信息源越来越庞大除了需求对海量信息进行存储、传输、检索及分类等外，更迫切需求了解信息之间的相互关系及发展趋势目前的信息库系统可以高效地实现信息的录入、查询、统计等功能，但无法发现信息中存在的关系和规则，无法根据现有的信息预测未来的发展趋势目前的研究热点是机器学习机器学习是用计算机模拟人类学习的一门科学，比较成熟的算法有神经网络、遗传算法等在生物医学方面，目前热点是网络虚拟实验室，所谓网络虚拟实验室是指在网络协同研究与工作环境中科研工作者可以有效地利用地理上分布的各种科技资源（例如数据、信息、科研设备、超级计算等）以类似于传统的科学实验的方式来从事科研活动。

目前国际上建成的网络虚拟实验室主要可以分为两类，分别是教育领域和科研领域的网络虚拟实验室教育领域的网络虚拟实验室主要是通过计算机7模拟来代替实际的试验设备和试验过程，通过远程协同来完成试验过程中的人与人之间的交流和协同科研领域的网络虚拟实验室主要功能是支持位于不同地点的科研工作者之间进行数据和软件的共享、大型科研仪器设备的远程控制以及远程的学术交流等功能以美国建设的先进生物医学网络虚拟实验室为例，目标是为分处各地的医学专家提供一个共同参与的网络协同工作环境该系统使用美国能源部重大项目 Access Grid 的主要成果，作为科学家基于网络进行远程实时多媒体方式交互的工具，主要研究与生物医学相关的可视化和网络技术使用该系统进行协同研究的生物医学专家不仅可以通过网络进行多媒体方式的研讨，而且可以传输和协同观察高清晰度的三维医学（放射造影、虚拟建模、切片等）影像。