可视化的主要技术

8.5.3　可视化的主要技术

目前可视化已经提出了许多方法，这些方法根据其可视化的原理不同可以划分为基于几何的技术、面向像素技术、基于图标的技术、基于层次的技术、基于图像的技术和分布式技术等。下面介绍的是几种主要的技术^［14］。

1.基于几何的技术

基于几何的可视化技术包括Scatter Plots，Landscapes，Projection Pursuit，Parallel Coordinates等，是以几何画法或几何投影的方式来表示数据库中的数据。平行坐标法是最早提出的以二维形式表示n维数据的可视化技术之一。它的基本思想是将n维数据属性空间通过n条等距离的平行轴映射到二维平面上，每一条轴线代表一个属性维，轴线上的取值范围从对应属性的最小值到最大值均匀分布。这样，每一个数据项都可以根据其属性值用一条折线段在n条平行轴上表示出来。

利用平行坐标法开发的系统包括ParallelVisual Explorer(IBM)，X MDV(Matt Ward)，A VS/Express(van Wijk)等。这个方法的优点在于，对于较少的数据集能使用户在二维平面上看到每个数据的n维属性，对于大型的数据集能反映出各维属性之间的关系和数据在各维属性之间的走向趋势。图8-10是平行坐标法的示例。

图8-10　平行坐标法示例

2.面向像素技术

面向像素技术是由德国慕尼黑大学的D.A.Keim提出的，并且开发了VisDB可视化系统。面向像素技术的基本思想是将每一个数据项的数据值对应于一个带颜色的屏幕像素，对于不同的数据属性以不同的窗口分别表示(图8-11)。面向像素技术的特点在于能在屏幕中尽可能多地显示出相关的数据项，对于高分辨率的显示器来说，可显示多达10⁶数量级的数据。

面向像素的可视化方法包含独立于查询的方法和基于查询的方法两种。独立于查询的方法将数据库中的数据依从左到右(从上到下)的次序一行一行(一列一列)地排列显示出来，数据值的变化范围同事先固定好的颜色变化范围相对应;基于查询的方法是

图8-11　可视化6维数据集

根据数据值同所查询的要求的符合程度来匹配不同的颜色。针对每一个数据项的值(a₁，a₂，…，a_n)及查询要求(q₁，q₂，…，q_n)通过一个距离函数distances(d₁，d₂，…，d_n)计算每个属性值与查询要求的匹配值，得到每个数据的一个总的距离值d_n+1以反映数据项与查询要求之间的匹配程度，总的距离值d_n+1越小越是用户所希望看到的数据。查询的数据结果按d_n+1的值由小到大从屏幕的中央螺旋地向四周展开。这样不仅能看到所查询的数据，而且对于数据从近似匹配到不匹配的走势也能直观地表现。

3.基于图标的技术

基于图标技术的基本思想是用一个简单图标的各个部分来表示n维数据属性。基于图标的可视化技术包括Chernoff-face，Shape Coding，S tick Figures等，这种技术适用于某些维值在二维平面上具有良好展开属性的数据集。

枝形图方法(Stick Figures)是其中的基本方法之一。枝形图方法首先选取多维属性中的两种属性作为基本的X-Y平面轴，在此平面上利用小树枝的长度或角度的不同表示出其他属性值的变化。例如图8-12(a)所示的两个数据点，它们对左边的二维属性含有相同的数据值，而右边的二维属性的数据值则不相同。ExVis是根据枝形图方法开发的可视化系统，图8-12(b)显示的是以收入为横轴、年龄为纵轴的数据可视化结果。

图8-12　树枝图法表示法

4.基于层次的可视化技术

基于层次的可视化技术主要针对数据库系统中具有层次结构的数据信息，例如人事组织、文件目录、人口调查数据等。它的基本思想是将n维数据空间划分为若干子空间，对这些子空间仍以层次结构的方式组织并以图形表示出来。基于层次的技术包括Dimensional Stacking，Treemap，ConeTrees等方法。树图(Treemap)是其中的一种代表技术。如图8-13所示，(a)中的树形结构数据在(b)中以树图的形式表示出来。图中每一个结点都有一个名称和数值大小，父结点是各子结点大小的总和。

树图根据数据的层次结构将屏幕空间划分成一个个矩形子空间，子空间大小由结点大小决定。树图层次则依据由根结点到叶结点的顺序，水平和垂直依次转换，开始将空间水平划分，下一层将得到的子空间垂直划分，再下一层又水平划分，依此类推。对于每一个划分的矩形可以进行相应的颜色匹配或必要的说明。

利用基于层次的可视化技术开发的系统主要有:Hyperbolic Trees(Xerox)，Info Cube(Sony)，Elastic Windows(HCILMaryland)，TreeMap(HCIL-Maryland)等。

5.其他的可视化技术

图8-13　一个层次结构的树图显示

数据可视化还有很多其他的技术和方法。DVET(DataVisualization Environment Tool)系统利用了虚拟现实技术展示数据空间和空间上的点(数据)。HD-Eye算法结合了数据挖掘技术，先将数据分簇，再对感兴趣的簇可视化。Table Lens系统仍然以表的形式表现数据，但是以图示代替了表中的数字，并且给出观察的视点，易于用户选择和操纵数据表中的区域。X gobi系统强调动态和交互技术，用户能同时以不同的可视化方法处理相同的数据。另外，更多新的方法和技术，如3D技术、基于图形技术等也正在被研究和开发。