視覚化（グラフィックス）

視覚化（または視覚化（スペルの違いを参照））は、グラフィックス視覚化とも呼ばれ、メッセージを伝えるために画像、図、またはアニメーションを作成するための手法です。視覚イメージによる視覚化は、人類の夜明け以来、抽象的なアイデアと具体的なアイデアの両方を伝える効果的な方法でした。歴史上の視覚化には、洞窟壁画、エジプトの象形文字、ギリシャの幾何学、科学的要件を積極的に取り入れたエンジニアリング目的のレオナルド ダ ヴィンチの革新的な製図法などがあります。

今日の視覚化は、科学、教育、工学（例：製品の視覚化）、インタラクティブ マルチメディア、医学などにおいて、ますます多くの用途に利用されています。視覚化の代表的な用途は、コンピュータ グラフィックスの分野です。コンピュータ グラフィックス（および3D コンピュータ グラフィックス）の発明は、ルネッサンス時代の中央遠近法の発明以来、視覚化における最も重要な進歩であると考えられます。アニメーションの発達も、視覚化の進歩に貢献しました。

視覚化を利用して情報を提示することは、新しい現象ではありません。地図、科学的な図面、データ プロットでは、1000 年以上前から使用されています。地図作成の例としては、プトレマイオスの『地理学』（紀元 2 世紀）、中国の地図（紀元 1137 年）、1 世紀半前のナポレオンのロシア侵攻を描いたミナールの地図（1861 年）などがあります。これらの画像を考案する際に学んだ概念のほとんどは、コンピューター視覚化にもそのまま応用できます。エドワード タフテは、これらの原則の多くを説明した 3 冊の本を執筆しており、高い評価を受けています。^{[1] [2] [3]}

コンピュータグラフィックスはその始まりから科学的問題の研究に使用されてきました。しかし、初期の頃はグラフィックスのパワー不足によりその有用性が限られることが多かったのです。近年の視覚化への重点は、1987年にComputer Graphicsの特別号であるVisualization in Scientific Computingが出版されたことに始まります。^{[4]それ以来、} IEEE Computer SocietyとACM SIGGRAPHの共催で、一般的なトピックやボリューム視覚化などの分野の特殊領域を扱った会議やワークショップが数多く開催されています。

ほとんどの人は、テレビの天気予報で気象データを示すために作成されたデジタルアニメーションをよく知っていますが、そのような番組で表示される現実のモデルと衛星写真とを区別できる人はほとんどいません。テレビでは、道路事故や飛行機事故のコンピューター描画およびアニメーションによる再構築を表示するときにも、科学的視覚化が提供されます。科学的視覚化の最も一般的な例のいくつかは、地球のはるか遠くの宇宙空間や他の惑星で動作している実際の宇宙船を示すコンピューター生成画像です。^[要出典]教育用アニメーションやタイムラインなどの動的な形式の視覚化は、時間とともに変化するシステムについての学習を強化する可能性があります。

インタラクティブな視覚化とアニメーションの区別は別として、最も有用な分類は、抽象的な科学的視覚化とモデルベースの科学的視覚化の間でしょう。抽象的な視覚化は、完全に概念的な構成を 2D または 3D で示します。これらの生成された形状は完全に任意です。モデルベースの視覚化は、実際の画像またはデジタルで構築された現実の画像にデータのオーバーレイを配置するか、科学的データから直接実際のオブジェクトのデジタル構成を作成します。

科学的な視覚化は通常、専用のソフトウェアを使用して行われますが、以下に示すように、いくつかの例外があります。これらの専用プログラムの一部は、ソフトウェア ツールの共有やソース コードへのアクセスの提供が一般的である学術環境内の大学で開発されたオープンソース ソフトウェアとしてリリースされています。科学的な視覚化ツールの 独自のソフトウェアパッケージも多数あります。

視覚化を構築するためのモデルとフレームワークには、AVS、IRIS Explorer、VTKツールキットなどのシステムで普及しているデータ フローモデルや、Spreadsheet for Visualization や Spreadsheet for Images などのスプレッドシート システムのデータ状態モデルが含まれます。

コンピュータサイエンスの一分野として、科学的視覚化とは、抽象データのインタラクティブで感覚的な表現（通常は視覚的）を使用して、認知、仮説構築、および推論を強化することです。 科学的視覚化とは、シミュレーションや実験からのデータを暗黙的または明示的な幾何学的構造を使用して変換、選択、または表現し、データの探索、分析、および理解を可能にすることです。科学的視覚化は、主にグラフィックスとアニメーション技術を使用して、高次のデータの表現に焦点を当て、強調します。^{[5] [6]これは視覚化の非常に重要な部分であり、実験や現象の視覚化は}科学自体と同じくらい古いため、おそらく最初の部分です。科学的視覚化の従来の分野は、流れの視覚化、医療の視覚化、天体物理学の視覚化、および化学の視覚化です。科学的データを視覚化するさまざまな手法がありますが、等値面の再構築と直接ボリュームレンダリングがより一般的です。

データ視覚化は、統計グラフィックスや地理空間データ（テーマ別地図作成など）を扱い、図式的な形で抽象化された視覚化の関連サブカテゴリです。^[7]

情報視覚化は、大量の抽象データを調査するためにコンピュータ支援ツールを使用することに重点を置いています。「情報視覚化」という用語は、もともと Xerox PARC のユーザー インターフェイス研究グループによって造られ、Jock Mackinlayも参加していました。^[要出典]コンピュータ プログラムにおける情報視覚化の実用化には、調査と理解のための人間の対話を容易にする形式で抽象データを選択、変換、および表示することが含まれます。情報視覚化の重要な側面は、視覚表現のダイナミクスと対話性です。強力な技術により、ユーザーはリアルタイムで視覚化を変更できるため、問題の抽象データのパターンと構造的関係を比類のない方法で認識できます。

教育用視覚化とは、シミュレーションを使用して何かの画像を作成し、それについて教えることです。これは、原子の構造など、他の方法では見るのが難しいトピックについて教えるときに非常に役立ちます。原子は小さすぎるため、高価で使いにくい科学機器がなければ簡単に研究できないためです。

少なくとも2人の間で知識を伝達するために視覚的表現を使用することは、コンピュータベースと非コンピュータベースの視覚化方法を相補的に使用することにより、知識の伝達を改善することを目的としています。 ^[8]したがって、適切に設計された視覚化は、データ分析だけでなく知識伝達プロセスでも重要な部分です。^{[9]ハイブリッド設計を使用すると情報密度が向上するため、知識伝達が大幅に改善される可能性がありますが、明瞭さも低下する可能性があります。たとえば、3D}スカラーフィールドの視覚化は、フィールド分布に等値面を使用し、フィールドの勾配にテクスチャを使用して実装できます。^[10]このような視覚形式の例としては、スケッチ、図、画像、オブジェクト、インタラクティブな視覚化、情報視覚化アプリケーション、ストーリーのような想像上の視覚化があります。情報視覚化は、新しい洞察を引き出すためにコンピュータ支援ツールの使用に重点を置いているのに対し、知識視覚化は、洞察を伝達し、グループで新しい知識を作成することに重点を置いています。知識の視覚化は、単なる事実の伝達を超えて、さまざまな補完的な視覚化を使用して、洞察、経験、態度、価値観、期待、視点、意見、予測をさらに伝達することを目指しています。 参照:画像辞書、ビジュアル辞書

製品の視覚化には、製造されたコンポーネントや製品の大規模なアセンブリの 3D モデル、技術図面、その他の関連ドキュメントの表示と操作のための視覚化ソフトウェア テクノロジが含まれます。これは、製品ライフサイクル管理の重要な部分です。製品視覚化ソフトウェアは通常、高レベルのフォトリアリズムを提供するため、実際に製造される前に製品を表示できます。これにより、設計やスタイリングから販売やマーケティングに至るまでの機能をサポートします。技術視覚化は、製品開発の重要な側面です。もともと技術図面は手作業で作成されていましたが、高度なコンピュータ グラフィックスの台頭により、製図板はコンピュータ支援設計(CAD)に置き換えられました。CAD 図面とモデルには、 3Dモデリング、ラピッド プロトタイピング、シミュレーションの可能性など、手作業の図面に比べていくつかの利点があります。3D 製品の視覚化は、オンライン ショッパーにとってよりインタラクティブな体験を約束しますが、大規模な 3D コンテンツの作成には非常にコストがかかり、時間がかかる可能性があるため、小売業者は 3D コンテンツの作成におけるハードルを克服する必要があります。^[11]

ビジュアルコミュニケーションとは、情報を視覚的に表示することでアイデアを伝えることです。主に2 次元画像と関連しており、英数字、アート、標識、電子リソースなどが含まれます。この分野の最近の研究では、Web デザインとグラフィック指向のユーザビリティに焦点が当てられています。

ビジュアル分析は、データ分析のより大きなプロセスの一部として、視覚化システムと人間の相互作用に焦点を当てています。ビジュアル分析は、「インタラクティブなビジュアルインターフェースによってサポートされる分析的推論の科学」と定義されています。^[12]

その焦点は、大規模で動的に変化する情報空間内での人間の情報談話 (インタラクション) にあります。ビジュアル分析研究は、複雑な情報空間でユーザーが期待どおりのものを検出し、予期しないものを発見できるようにする知覚および認知操作のサポートに重点を置いています。

ビジュアル分析から生まれたテクノロジーは、ほぼすべての分野で応用されていますが、生物学と国家安全保障における重要なニーズ（および資金）によって推進されています。

インタラクティブ視覚化またはインタラクティブ視覚化は、コンピュータサイエンスにおけるグラフィック視覚化の分野であり、人間がコンピュータと対話して情報のグラフィック図を作成する方法と、このプロセスをより効率的にする方法を研究します。

視覚化がインタラクティブであるとみなされるには、次の 2 つの基準を満たす必要があります。

• 人間の入力: 情報の視覚的表現、または表現される情報の一部は、人間が制御できなければならない。
• 応答時間: 人間が行った変更は、タイムリーに視覚化に組み込む必要があります。一般に、インタラクティブな視覚化はソフト リアルタイムタスクと見なされます。

インタラクティブな視覚化の 1 つのタイプは仮想現実(VR) です。これは、情報の視覚的表現が、ステレオ プロジェクター (立体視を参照) などの没入型表示デバイスを使用して提示されるものです。VR は、空間的なメタファーの使用も特徴としています。空間的なメタファーでは、情報の一部が 3 次元で表現されるため、人間は、情報が存在しているかのように (実際には遠く離れている)、適切なサイズになっているかのように (実際には人間が直接感知できるよりもはるかに小さいまたは大きいスケールである)、または形状があるかのように (実際には完全に抽象的である) 情報を探索できます。

インタラクティブな視覚化のもう 1 つのタイプは、共同視覚化です。これは、複数の人が同じコンピューター視覚化を使用して、互いにアイデアを伝えたり、協力して情報を探ったりするものです。共同視覚化は、多くの場合、人々が物理的に離れている場合に使用されます。ネットワークに接続された複数のコンピューターを使用して、同じ視覚化を各人に同時に表示できます。次に、人々は視覚化に注釈を付けたり、オーディオ (電話など)、ビデオ (ビデオ会議など)、またはテキスト ( IRCなど) メッセージを介して通信したりします。

プログラマの階層型インタラクティブ グラフィックス システム ( PHIGS ) は、インタラクティブな視覚化における最初のプログラムによる取り組みの 1 つであり、人間が提供する入力の種類の列挙を提供しました。人間は次のことができます。

1. 既存の視覚表現の一部を選択します。
2. 興味のあるポイントを見つけます（既存の表現がない場合があります）。
3. パスを描画します。
4. オプションのリストからオプションを選択します。
5. 数値を入力して評価します。
6. テキストを入力して書き込みます。

これらすべてのアクションには物理的なデバイスが必要です。入力デバイスには、キーボード、マウス、グラフィック タブレット、トラックボール、タッチパッドなどの一般的なものから、有線グローブ、ブーム アーム、全方向トレッドミルなどの難解なものまで多岐にわたります。

これらの入力アクションは、表現される固有の情報、またはその情報の表示方法の両方を制御するために使用できます。 表示される情報が変更されると、視覚化は通常、フィードバック ループの一部になります。 たとえば、パイロットがロール、ピッチ、ヨーを入力し、視覚化システムが航空機の新しい姿勢のレンダリングを提供する航空機の航空電子工学システムを考えてみましょう。 もう 1 つの例は、現在の進行状況の視覚化に応じて実行中のシミュレーションを変更する科学者です。 これは、計算ステアリングと呼ばれます。

多くの場合、情報自体が変更されるのではなく、情報の表現が変更されます。

実験によると、入力が提供されてから視覚表現が更新されるまでの 20ミリ秒を超える遅延は、ほとんどの人にとって気がつくものであることがわかっています^[要出典]。したがって、インタラクティブな視覚化では、この時間枠内で人間の入力に基づいたレンダリングを提供することが望ましいです。ただし、視覚化を作成するために大量のデータを処理する必要がある場合、これは現在のテクノロジでは困難または不可能になります。したがって、「インタラクティブな視覚化」という用語は通常、入力から数秒以内にユーザーにフィードバックを提供するシステムに適用されます。インタラクティブフレームレートという用語は、視覚化のインタラクティブ性を測定するためによく使用されます。フレームレートは、視覚化システムによって画像 (フレーム) が生成できる頻度を測定します。1 秒あたり 50 フレーム (frame/s) のフレームレートは良好と見なされ、0.1 フレーム/s は不良と見なされます。ただし、フレームレートをインタラクティブ性の特徴付けに使用することは少し誤解を招きます。フレームレートは帯域幅の尺度であるのに対し、人間は遅延に対してより敏感であるためです。具体的には、50 フレーム/秒という良好なフレームレートを達成することは可能ですが、生成された画像が 1 秒以上前に人が行った視覚化の変更を参照する場合、人にとってインタラクティブであるとは感じられません。

インタラクティブな視覚化に必要な迅速な応答時間は満たすのが難しい制約であり、入力に基づいて迅速な視覚的フィードバックを提供するためにいくつかのアプローチが検討されています。

1. 並列レンダリング– 複数のコンピューターまたはビデオ カードを同時に使用して画像をレンダリングします。複数のフレームを異なるコンピューターで同時にレンダリングし、その結果をネットワーク経由で転送して 1 つのモニターに表示できます。この場合、各コンピューターはレンダリングするすべての情報のコピーを保持する必要があり、帯域幅が増加しますが、待ち時間も増加します。また、各コンピューターは 1 つのフレームの異なる領域をレンダリングし、その結果をネットワーク経由で送信して表示できます。この場合も、各コンピューターがすべてのデータを保持する必要があり、1 台のコンピューターが他のコンピューターよりも多くの情報を含む画面の領域のレンダリングを担当すると、負荷の不均衡が生じる可能性があります。最後に、各コンピューターは情報のサブセットを含むフレーム全体をレンダリングできます。結果の画像と関連する深度バッファーは、ネットワーク経由で送信され、他のコンピューターからの画像と結合されます。結果は、1 台のコンピューターのメモリにすべての情報が含まれていなくても、レンダリングするすべての情報を含む 1 つのフレームになります。これは並列深度合成と呼ばれ、大量の情報をインタラクティブにレンダリングする必要がある場合に使用されます。
2. プログレッシブ レンダリング- 表示される情報のサブセットをレンダリングし、視覚化が変化しなくなったらレンダリングを段階的に (プログレッシブに) 改善することでフレームレートを保証します。
3. 詳細レベル ( LOD ) レンダリング– 人が入力している間は、情報の簡略化された表現がレンダリングされて望ましいフレーム レートが達成され、人が視覚化を操作し終えると、完全な表現を使用して静止画像が生成されます。LOD レンダリングの一般的なバリエーションの 1 つがサブサンプリングです。表現される情報が位相的に長方形の配列に格納されている場合 (デジタル写真、MRI スキャン、有限差分シミュレーションで一般的)、レンダリングされる 1 ポイントごとにnポイントをスキップすることで、低解像度バージョンを簡単に生成できます。サブサンプリングは、2 倍のサイズの画像に対して 2 倍以上の計算を必要とするボリューム視覚化などのレンダリング手法を高速化する場合にも使用できます。小さい画像をレンダリングしてから、要求された画面スペースを埋めるように画像を拡大縮小すると、同じデータをレンダリングするのに必要な時間が大幅に短縮されます。
4. フレームレス レンダリング- 視覚化は時系列の画像としてではなく、時間の経過とともにさまざまな領域が更新される単一の画像として表示されます。

• グラフィック認識
• 空間視覚化能力

• Battiti, Roberto ; Mauro Brunato (2011)。Reactive Business Intelligence。データからモデル、そして洞察へ。イタリア、トレント：Reactive Search Srl。ISBN 978-88-905795-0-9。
• Bederson, Benjamin B.、およびBen Shneiderman。情報視覚化の技法: 読み物と考察、Morgan Kaufmann、2003 年、ISBN 1-55860-915-6。 
• クリーブランド、ウィリアム S. (1993)。データの視覚化。
• クリーブランド、ウィリアム S. (1994)。グラフ化データの要素。
• Charles D. Hansen、Chris Johnson。『The Visualization Handbook』、 Academic Press (2004 年 6 月)。
• Kravetz, Stephen A. および David Womble 編。バイオインフォマティクス入門。Totowa、NJ Humana Press、2003 年。
• マッキナリー、ジョック D. (1999)。情報視覚化の読み物: 視覚を使って考える。カード、SK、ベン・シュナイダーマン(編)。Morgan Kaufmann Publishers Inc. pp. 686。ISBN 1-55860-533-9。
• Will Schroeder、Ken Martin、Bill Lorensen。The Visualization Toolkit、 2004 年 8 月まで。
• スペンス、ロバート『 情報の視覚化：インタラクションのためのデザイン（第2版）』、Prentice Hall、2007年、ISBN 0-13-206550-9。 
• エドワード・R・タフテ（1992年）定量情報の視覚的表示
• エドワード R. タフティ (1990)。情報の構想。
• エドワード・R・タフテ（1997年）。『視覚的説明：イメージと量、証拠と物語』
• Matthew Ward、Georges Grinstein、Daniel Keim。インタラクティブなデータ視覚化: 基礎、テクニック、アプリケーション。 (2010 年 5 月)
• ウィルキンソン、リーランド。グラフィックスの文法、 Springer ISBN 0-387-24544-8 

• 国立標準技術研究所
• ジョージア工科大学の科学的視覚化チュートリアル
• 科学視覚化スタジオ (NASA)
• Visual-literacy.org (例: 視覚化手法の周期表)

会議

インタラクティブな視覚化に関する学術論文が発表され、出版される会議が数多く開催されています。

• アメリカ情報科学技術協会 (ASIS&T SIGVIS) 視覚情報とサウンドに関する特別興味グループ
• ACM シグチ
• ACM シーグラフ
• ACMVRST
• ユーログラフィックス
• IEEE ビジュアライゼーション
• ACM グラフィックス トランザクション
• IEEE 視覚化およびコンピュータグラフィックスに関するトランザクション