視覚化（グラフィック）

コンピュータサイエンスの分野として、科学的可視化は、認知、仮説構築、推論を強化するために、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）を使用することです。 科学的可視化は、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で変換、選択、または表現し、データの探索、分析、理解を可能にします。科学的可視化は、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 ]}実験や現象の可視化は科学そのものと同じくらい古いので、これは可視化の非常に重要な部分であり、おそらく最初のものです。科学的可視化の伝統的な分野は、フロー可視化、医療可視化、天体物理学可視化、化学可視化です。科学データを可視化するためのさまざまな技術があり、等値面再構成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、統計グラフィックや地理空間データ（主題地図など）を扱い、概略図形式で抽象化する視覚化の関連サブカテゴリです。^{[ 7 ]}

情報視覚化は、コンピュータ支援ツールを使用して大量の抽象データを探索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、もともとゼロックスPARCのユーザーインターフェース研究グループによって造語され、ジョック・マッキンレイも参加していました。^{[ 8 ]}コンピュータプログラムにおける情報視覚化の実践的な応用には、探索と理解のために人間とのインタラクションを容易にする形式で抽象データを選択、変換、表現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インタラクティビティです。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、対象となる抽象データ内のパターンと構造的関係を比類のないほど認識することができます。

教育における視覚化とは、シミュレーションを用いて対象物の画像を作成し、それに基づいて学習を行うことです。これは、原子構造のように、直接観察することが難しいテーマを教える際に非常に有効です。原子は非常に小さいため、高価で扱いの難しい科学機器を用いなければ容易に研究することができないからです。

少なくとも 2 人の間で知識を伝達するために視覚表現を使用することは、コンピュータと非コンピュータベースの視覚化方法を相補的に使用して知識の伝達を改善することを目的としています。 ^{[ 9 ]}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、知識伝達プロセスにおいても重要な部分です。^{[ 10 ]}ハイブリッド設計を使用すると、情報密度が高まりますが明瞭さが低下する可能性があるため、知識伝達が大幅に改善される可能性があります。たとえば、3Dスカラー場の視覚化は、場の分布に等値面、場の勾配にテクスチャを使用して実装できます。^{[ 11 ]}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、および物語などの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を使用することに重点を置いていますが、知識視覚化は、グループ内で洞察を伝達し、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、単なる事実の伝達にとどまらず、さまざまな補完的な視覚化手法を用いることで、さまざまな分野における洞察、経験、態度、価値観、期待、視点、意見、推定など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

製品ビジュアライゼーションは、製造された部品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ビジュアライゼーション ソフトウェア技術を伴います。これは製品ライフサイクル管理の重要な部分です。製品ビジュアライゼーション ソフトウェアは通常、高いレベルのフォトリアリズムを提供するため、製品が実際に製造される前に確認できます。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まで、さまざまな機能がサポートされます。技術ビジュアライゼーションは、製品開発の重要な側面です。元々 、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、手描きの図面に比べていくつかの利点があります。3D 製品ビジュアライゼーションは、オンライン ショッパーによりインタラクティブな体験を提供すると期待されていますが、大規模な 3D コンテンツ制作は非常にコストがかかり、時間がかかるため、小売業者は 3D コンテンツの制作における障害を克服する必要があります。^{[ 12 ]}

近年、特にeコマース環境において、製品ビジュアライゼーションはインタラクティブかつリアルタイムな技術をますます取り入れるようになっている。最新の3Dビジュアライゼーションツールを用いることで、ユーザーは製品を詳細に検討したり、色、素材、構成などの属性をカスタマイズしたり、シミュレーション環境や実世界の状況下で商品を確認したりすることができる。

これらの機能は、製品の現実的かつ状況に応じた表現を提供することで、ユーザーエンゲージメントを高め、より情報に基づいた意思決定を支援します。その結果、製品の視覚化は購入前の不確実性を軽減し、製品の返品率の低下に貢献することができます。^{[ 13 ]}

視覚コミュニケーションとは、情報を視覚的に表示することによってアイデアを伝えることである。主に二次元画像に関連するものであり、英数字、美術、標識、電子リソースなどが含まれる。近年のこの分野の研究は、ウェブデザインとグラフィック指向のユーザビリティに焦点を当てている。

ビジュアルアナリティクスは、データ分析というより大きなプロセスの一部として、人間と視覚化システムとのインタラクションに焦点を当てています。ビジュアルアナリティクスは、「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。^{[ 14 ]}

その研究は、膨大かつ動的に変化する情報空間における人間の情報に関する対話（相互作用）に焦点を当てています。ビジュアルアナリティクスの研究は、複雑な情報空間において、ユーザーが期待されるものを検知し、予期せぬものを発見できるようにする知覚的および認知的操作の支援に重点を置いています。

視覚分析から生まれた技術はほぼすべての分野で応用されているが、生物学と国家安全保障における喫緊のニーズ（および資金）によって推進されている。

プログラマ階層型対話型グラフィックスシステム（PHIGS）は、対話型ビジュアライゼーションにおける初期のプログラム的取り組みの一つであり、人間が提供する入力の種類を列挙した。人間は以下のことができる。

1. 既存の視覚表現の一部を選択する。
2. 関心のある地点（既存の表現がない場合もある）を特定する。
3. 線を引く。
4. 選択肢のリストから一つを選んでください。
5. 数値を入力して評価します。
6. テキストを入力して記述してください。

これらの操作にはすべて物理的なデバイスが必要です。入力デバイスは、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、タッチパッドといった一般的なものから、有線グローブ、ブームアーム、さらには全方向トレッドミルといった特殊なものまで多岐にわたります。

これらの入力操作は、表示される固有の情報と、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となります。たとえば、パイロットがロール、ピッチ、ヨーを入力すると、視覚化システムが航空機の新しい姿勢をレンダリングする航空機の航空電子機器システムを考えてみましょう。別の例としては、科学者がシミュレーションの実行中に、現在の進捗状況の視覚化に応じてシミュレーションを変更するケースが挙げられます。これは計算による操舵と呼ばれます。

多くの場合、情報そのものよりも、情報の表現方法が変更される。

実験により、入力が提供されてから視覚表現が更新されるまでの遅延が 20 msを超えると、ほとんどの人がそれを認識できることがわかっています。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て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、現在の技術ではこれは困難または不可能になります。そのため、「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。インタラクティブな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) を生成できる頻度を測定します。1 秒あたり 50 フレーム (フレーム/秒) のフレームレートは良好と見なされ、0.1 フレーム/秒は不良と見なされます。ただし、フレームレートは帯域幅の尺度であるのに対し、人間は遅延により敏感であるため、インタラクティブ性を特徴付けるためにフレームレートを使用することはやや誤解を招く可能性があります。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実現することは可能ですが、生成される画像が、人が1秒以上前に行った視覚化の変更を参照している場合、人にとってはインタラクティブに感じられません。

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、ユーザーの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のいくつかの手法が検討されてきた。そのいくつかには、

1. 並列レンダリングとは、複数のコンピュータ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する方法です。複数のフレームを異なるコンピュータで同時にレンダリングし、結果をネットワーク経由で転送して単一のモニターに表示できます。この方法では、各コンピュータが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、帯域幅は増加しますが、レイテンシも増加します。また、各コンピュータは単一フレームの異なる領域をレンダリングし、結果をネットワーク経由で送信して表示することもできます。この場合も、各コンピュータがすべてのデータを保持する必要があり、1台のコンピュータが他のコンピュータよりも多くの情報を含む画面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、各コンピュータは情報の一部を含むフレーム全体をレンダリングできます。結果として得られる画像と関連する深度バッファは、ネットワーク経由で送信され、他のコンピュータからの画像とマージされます。結果として、単一のコンピュータのメモリがすべての情報を保持していなくても、レンダリングするすべての情報を含む単一のフレームが得られます。これは並列深度合成と呼ばれ、大量の情報を対話的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とは、表示する情報の一部をレンダリングし、表示内容が変化しなくなった時点で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するレンダリング方式です。
3. 詳細度レベル ( LOD ) レンダリングとは、ユーザーが入力している間、目的のフレームレートを達成するために情報の簡略化された表現をレンダリングし、ユーザーが視覚化の操作を終えた後に完全な表現を使用して静止画像を生成するものです。LOD レンダリングの一般的なバリアントの 1 つはサブサンプリングです。表現される情報がトポロジー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よく見られるように)、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技術を高速化するためにも使用できます。より小さな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満たすように画像を拡大縮小することで、同じデータをレンダリングするのに必要な時間を大幅に短縮できます。
4. フレームレスレンダリングとは、視覚化を時系列画像としてではなく、異なる領域が時間とともに更新される単一の画像として表示する方式です。