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1、第10章 可视化中的数据管理与操纵,随着技术的进步与发展，数据源的数目及数据量都在成倍地增长，如何处理这些数据，是研究者面临的主要问题之一。 比如科学家发现保护地球的臭氧层已恶化到南极，在南极上空形成了一个“空洞”，尽管这一事实是最近几年才发现的，但证明这一事实的证据实际上以数据的形式已经存放了10多年。 因此对于采集到的数据和计算产生的数据具有科学研究的价值，进行有效的存储、管理、操作，以及可视化分析是十分重要的。,本资料由-校园大学生创业网-提供 在线代理,10.1 数据源与数据分类,1. 数据源 可视化系统是计算系统的一部分，计算系统的外部数据源与内部数据源必须加以区分（内部/外部是相对
2、于计算机系统而言）。 外部数据源：包括卫星、宇宙飞船、科学仪器以及扫描仪产生的结果。 内部数据源：包括从存档的数据文件或从数据库中检索出的信息，或由数值模型（如有限元分析）产生的输出。 由于获取数据源的途径越来越多，产生的连续数据流也越来越大，这些数据存放到一个大型“数据仓库”中，其特征如下： （1）包括多个数据场的数据集。 （2）超大尺寸（达到万亿字节）数据集。 （3）随时间变化的数据。 （4）具有各种不同成分及组织的数据集。,2. 外部数据与内部数据,外部数据：实验数据。 内部数据：仿真数据。 按数据源划分。 二者不同。 任一可视化系统必须能从外部源输入数据，同时也能输出数据，输入数据与输
3、出数据的区别在一定程度上是人为的。因为一个系统的输出可能是另一个系统的输入。 注意：系统必须能与外部通讯，不能“全封闭”。 内部数据完全在系统中使用。,3. 原始数据与导出数据,原始数据：未加工的数据。 导出数据：经过加工的数据。 数据源是可视化分析的基础，它包括原始数据，以及由原始数据导出的数据，在正式开始分析数据之前，通常需要对原始数据进行某些增强，预处理，过滤噪音等。 这样，更新的数据就是导出数据。,4. 基本元素与逻辑集合,数字系统的基本元素是位。 由“位”可以构造各种更高级的抽象和结构：如字节、数组、浮点数、整数及字符。 在数字媒体中处理模拟信息需经A/D、D/A采样与量化等处理。
4、由基本元素可构造高级的抽象，这种抽象又可用来构造逻辑上成组的数据元素，即“集合”，在集合中可采用组合与映射等。 基本元素，以及它的逻辑集合都提供抽象，供系统其他成分使用。,5. 几何数据与属性数据,几何数据用来表示一个物体的形状，如多边形、曲面等。形状可作为独立变量，如对某几何形状着色，也可作依赖变量。 属性数据是非几何数据，可以是标量、矢量、张量（如温度、速度、压力）。一般是依赖变量，可与几何数据有关。,6. 记录数据,记录数据包括元数据、命令数据和控制数据。他们是一些简单的数据类型，可用简单的记录格式来存储。 元数据（记录对源数据的导出过程） 为了有效地描述数据集的变化历史，需要对数据的处
5、理过程进行跟踪和记录，元数据就是描述数据特性的数据（文件）。包括： 相关数据集的类型和结构 数据的属性，如域名、数据单位、范围、统计特性和允许的误差等 附属信息，如空间位置，时间标记，审计追踪等 文字型注释和记录 颜色表 保存元数据时，要注意扩充性，及默认值的设置，在控制和描述数据之间的关系时，元数据的作用至关重要。,记录数据,命令数据（记录对系统的操作过程） 完全交互式的可视化系统一般通过一定的设备（如鼠标）来驱动，这种操作方式在定义唯一的操作序列时非常的有用。 如果能记录这一系列的操作过程，就可以用于重演。 命令数据就是描述驱动系统的数据，引入命令数据，系统就可以生成并保存用户执行动作的审
6、查轨迹，从而可记录内部数据已执行的各种处理信息。 控制数据（保存系统模块执行时的参数信息） 控制数据包括系统模块执行时所需要的参数信息，根据信息特性不同，文件的保存的格式也不同。,7. 网格数据,散乱数据：数据定义在空间中的特定点，这些点任意分布，彼此没有联结关系。 网络数据：定义在网格之上的数据。 散乱数据可用数学模型对它们进行网格化，得到网格数据。 描述网络时，一般使用以下术语： 0维：网格点，节点 1维：边 2维：单元，面，表面 3维：单元，体，元素。 网格点之间存在邻近关系： 1维网络：2个近邻 2维网络：4个近邻 n维网络：2n个近邻 网格有多种不同类型,二维网格的不同形式,10.2
7、 科学数据管理,数据的组织、结构和管理直接影响到可视化系统的有效性，处理科学数据的传统方法是使用顺序文件，这种方法的明显缺点是：访问子集困难，存取时间长，不宜使用，这些缺点在处理大型数据集时会显得更加突出，为解决这些问题，在最近几年，已开发出多个专门为处理科学数据而设计的数据库和数据管理子系统。同时也开发了用于存储和交换科学数据的通用数据格式/结构。 根据要求，一个科学计算可视化的数据库管理系统应该满足如下要求： （1）提供读/写数据的一般方法。 （2）对数据进行有效组织，以方便数据的处理。 （3）用户可接受的响应时间，用户能与数据进行交互。 （4）把数据管理和单纯的数据访问分开。 （5）冗余
8、性控制。 （6）数据完整性与安全性。,1数据描述和处理语言,SQL是IBM开发的一种用作数据定义和处理的标准化语言接口，后来成为一种ISO标准，它用作数据库管理软件的查询语言，许多商用关系数据库也把SQL作为它们的用户接口或作为支撑的查询语言之一。 SQL语句分为三组： （1）数据描述语言（DDL） （2）数据处理语言（DML） （3）模块和过程 很多科学计算可视化系统中包含有数据管理系统，提供基于SQL的命令接口。,2数据存档,在科学数据的管理过程中，要对多种不同类型的数据存档。 如： （1）原始数据（未加工数据） （2）内部导出数据（加工数据） （3）图形、图像信息 （4）元数据（与数据有
9、关的信息） 每种数据所用的保存格式各不相同，即使同一种数据，也可使用多种不同的格式予以保存。,10.3 可视化中的人机环境,人机界面：是指介于用户与计算机之间，为实现人机信息传递与交换，帮助用户有效地使用计算机的综合操作环境。 由三部分组成： （1）计算机输出设备与人的感觉器官之间的界面。 （2）计算机输入设备与人的运动器官之间的界面。 （3）人机系统与环境之间的界面。 从用户使用计算机角度看，人机界面的发展： 以硬件为主的控制台按钮界面 以软件为主的命令行界面，菜单式界面 硬软结合的图形界面，多媒体界面 高级人机界面：虚拟现实。 可以看出，不断创新与完善的硬件设备和软件技术是人机界面的物质基
10、础，指导人机界面实现的理论方法是认知心理学与人机工程学等社会学科的研究成果。,人机环境基本框架,人的 中枢神经系统,人 机 界 面,计算机处理,感觉 器官,运动 器官,输出 设备,输入 设备,环 境,10.4 可视化人机界面中涉及人的问题,按照传统观念，可视化实质上是对人脑思维过程的可视处理。因此，可视化系统人机界面中包含大量的关于人的认知、感知、人文及组织方面的问题，比一般的人机界面中所包含的问题更多，更深刻。 1、关于认知 首先研究人的思维特征，即认知问题。 研究的对象很复杂，数据量大。指望研究人员去想象一个模型、一个系统、一批数据的内部结构是不现实的。 因此可视化系统将提供理想的交互环境
11、。 研究人员可通过多种手段来探索和绘制各种复杂的现象与数据。,可视化人机界面中涉及人的问题,2、关于感知 为了支持绘制与交互，可视化系统集成了各种关于色彩、深度、运动、大小以及方向的感知提示。 颜色在可视化中很重要，但颜色不应过于严重，否则会使用户眼花缭乱，不知所措。 如果用户试图对数据或基本模型作定量分析，那么基于颜色变化的比例尺是不合适的。而基于亮度或浓淡的比例尺更合适一些。因为它们在度量时具有内在的倾向感。 若只对数据作定性分析，则可以使用随颜色变化的比例尺。,10.5 可视化人机界面中涉及系统的问题,可视化系统人机界面依托系统，面向用户，因而在适应性、可移植性、与设备无关性等方面提出更
12、高的要求。 比如一个系统为能满足适应性，应做到： （1）能支持普通的交互工具箱，如菜单、滚动条、及其他窗口管理软件。 （2）具有显示和开发数据的试验和测试工具，如等值面、彩图编辑器等。 （3）适应现有工具的方法即示例编程方法。,10.6 可视化人机界面设计中的困难,可视化系统人机界面的设计，除了复杂软件设计中的困难外，还有其他特殊性。如： （1）要求符合预期的用户习惯和需要：开发人员未弄清用户需要，甚至用户也说不清自己到底想怎样。 （2）要求易学易用：易学易用的实现程度与具体应用领域的复杂程度有关。例如普通电话只是提供拨号通话，很容易使用。而现代商业电话，还提供保持、传递、记录以及呼叫。使用就没那么简单，类似的，Word有几百条命令，CAD软件更多，所以应用越复杂，功能越多，越难于学习和使用。 （3）涉及多种学科：人机界面学是一门交叉学科，需研究诸如标准、性能、国际化、法规（如哪些界面能用，或不能用）等问题。 （4）迭代设计：迭代设计即描述、实现、测试相互盘绕。迭代测试耗费时间和资金，正规测试需6周，反馈太慢。,第10章 结束,好好学习 天天向上,
