### 5.1.1 計算可視化 隨著計算機硬件和軟件技術的發展，計算機圖形技術越來越成熟，如今已經在各行各業中得到了廣泛應用。有一些應用本身的任務就是繪制圖形，例如制作動畫片、藝術設計之類； 還有一些應用不以繪圖為目的，但會利用圖形來輔助完成任務，例如統計應用的目的是計算 各種數值指標，但常用圖形來直觀地展示統計結果。 可視化（visualization）是指將抽象事物和過程轉變成視覺可見的、形象直觀的圖形圖 像表示。計算可視化就是在用計算機解決問題的過程中，使用圖形圖像來表達數據和操作。 圖形圖像所具有的直觀性能使我們更有效地傳達信息，即使這信息是非常抽象的。在歷史上， 用可視的圖形圖像來展現信息是很常見的，在有文字之前人類就用圖畫表達信息，甚至文字 本身也是從圖形發展而來的。如今，計算機圖形技術為計算可視化提供了強大的支持，促進 了可視化計算在科學、工程、教育等領域的廣泛應用。應用中常見的圖形包括柱狀圖、直方 圖、散點圖、網絡圖、流程圖、樹、地圖、圖像、動畫等等。 科學可視化 可視化術語最初是指科學可視化，也就是將科學與工程計算、實驗中的大規模數據用直 觀的計算機圖形圖像呈現出來，以便人們理解數據、增強對事物現象的認識和對內在規律的 洞察。 計算機圖形技術從誕生起就被用于研究科學問題，如今科學可視化在物理、化學、醫學、 空間科學等領域得到了大量應用。通過科學可視化，我們看清了臺風的形成、太空飛行器的 活動、分子原子的結構以及人體內部的病灶，并能將純抽象的概念和構造在 3 維空間中展現 出來②。 工程設計可視化 在工程領域，可視化被計算機輔助設計和制造（CAD/CAM）系統廣泛地使用。無論是土木工程還是機械工程、電子工程，設計人員借助計算機圖形軟件和設備從事產品設計工作， 例如利用計算機自動生成設計圖，對設計圖進行編輯、縮放、旋轉，對不同方案進行比較和 優選等等。此外，可視化還可以使工業過程控制、系統模擬、生產管理等任務以直觀的方式 進行，以實現更有效的控制和管理。 > ① 本書第 7 章詳細介紹面向對象編程。 > ② 美國 Science 雜志和 NSF 每年都舉辦“國際科學與工程可視化挑戰賽”，建議讀者搜索獲獎作品看看。 數據可視化 數據可視化是指利用計算機圖形學和圖像處理技術，將海量數據轉化為數據圖像，以便 幫助人們直觀地觀察數據。對于多維數據（例如人事數據包含姓名、性別、學位、收入等多 種維度），利用數據圖像還可以從不同的維度觀察數據。一般認為，數據、信息、知識構成 由低到高的三個層次，因此從數據可視化可以進而發展到更高層次的信息可視化（發現數據 中隱藏的模式、關聯或趨勢）和知識可視化（促進知識的傳播）。 圖形用戶界面 可視化最常見的應用當屬圖形用戶界面（GUI）。計算機軟件的用戶界面負責支持用戶 與計算機進行交互。早期軟件的用戶界面都是文字式的，用戶在屏幕上看到的輸出都是文本 信息，并且只能通過鍵盤輸入文本命令來控制軟件執行。如今的軟件幾乎都具有圖形用戶界 面，屏幕上展現給用戶的是各種可視的圖形元素，如窗口、圖標、按鈕和菜單等等；而用戶 可以使用鼠標來點擊圖形元素以控制程序的執行。這樣的 GUI 軟件使用起來非常直觀、高 效，具有所謂的“用戶友好性”。本書第 8 章將詳細介紹 GUI 編程。 除了上述領域之外，人們還在教育領域利用可視化創建現實中難以見到的事物（如血液 循環系統、化合物分子、恐龍等）的圖形圖像，以使教學形象直觀；在刑事偵查領域利用可 視化重建犯罪現場、繪制案犯相貌；在娛樂領域利用可視化制作計算機電影特效、動畫；等 等。 總之，計算機圖形技術極大地增強了人們利用計算機解決問題的能力。因此，學習圖形 編程是非常重要的。