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                ### 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。
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