Визуализация информации, в отличии от данных научных исследований,  имеет своей целью отобразить абстрактные данные, которые возможно, не имеют естественных представлений. Эти данные могут быть чрезвычайно сложными, содержащие огромное колличество элементов, выстроенных по некой иерархии  или даже лишенные какой-либо структуры вообще.

Последние технологические достижения в компьютерной графике сделали реальностью разработки трехмерных представлений данных, а бесконечные объемы этих данных в всемирной паутине потребовали таких представлений. Эти факторы ускорили процесс разработки новых систем трехмерной визуализации абстрактных данных.

 

Введение 

Настоящие трехмерные изображения, где каждый глаз видит немного различные изображения, сейчас достигаются с применением шлемов или очкой вирутальной реальности. Недавно в области экспериментальных разработок появились и трехмерные мониторы, отображающие трехмерные данные в образующем их стеклянном кубе. Вкупе со средствами вывода трехмерных изображений возможно использование и терхмерных средств навигации, таких как перчатки или систем, отслеживающих повороты головы пользователя. При использовании подобного аресенала средств работы с трехмерным пространством, задача работы с большими объемами данных заметно упрощается. Человек может вести себя в виртуальном мире так же, как и в реальной жизни. Однако, ни смотря на прогресс компьютерных технологий, эти устройства все еще находтся в области технических новинок, поражающих многих людей своими возможностями.

В большинстве реальных приложений используется обыкновенные двумерные дисплеи, на плоскость которых проецируется картина виртуального трехмерного мира. Ощуещение объема здесь передается цветами, тенями, движением. Интуитивно понятная навигация в таком случае существенно затрудняется. Наиболее растпространенные устройства взаимодейстия компьютера с человеком двумерны, и для случаев ориентации в трехмерном простанстве не очень удобны.

Неудобства и малая пригодность современной техники у пользователей для работы в трехмерном пространстве очевидна, но все же трехмерные визуализации разабатывались и продолжают разрабатываться и совершенствоваться.  Почему так происходит? И почему именно трехмерные? Чем людям не угодили привычные двумерные списки и деревья, которые ни одно десятилетие испещряют экраны наших мониторов?

Основная проблема - это очень большие объемы данных, которые необходимо отобразить. Двумерные системы визуализации отображаются все данные одинково детализованно, в то время как человек не может, да ему и как правило не нужно сосредотачиваться на всех данных. Человек обычно работает с какими-то определенными данным из всего множества ему доступных и именно их он хочет видеть максимально детализованно, в то время как все остальные будучи подробно расписаны создадут лишь путаницу и потому, их следует сделать менее заметными. В этом случае трехмерная визуализаци оказывается незаменима. В реальном мире мы все привыкли к тому, что объекты в далеке становятся меньше и следовательно менее детализованными. Это как раз то, что нам нужно для данных! Манипулируя естественным для человека  понятием глубины мы можем удалять мененне значимые данные, показывая одновременно их большее колличество, а более значимые в меньшем колличестве, но более детально, размещать в непосредственной близости от набдюдателя. При этом пользователь может сам выбрать уровень детализации, удаляя или приближая объекты. Тем самым пространство экрана монитора будет использоваться более эффективно причем правила расположения данных диктованы самой природой.

Итак трехмерные интерфейсы позволяют понятни и просто производить «фильтрацию» необходимой информации по важности и актуальности на данных момент.

По-мимо задачи работы с информаций  существует такая же, а быть может даже более важная задача поиска и навигации Что в данном случае нам могут предложить двумерные представления данных? В них дополнительная информация может быть представлена цветом и вариацией двумерных форм. В принципе не так плохо. Однако, по мнению ученых, построение ассоциаций для ряда двумерных изображений (то есть привязка в нашей голове данных к олицитворящим их данным) требует дополнительных усилий, в отличии от процесса распознавания трехмерных образов. То есть, в трехмерых визуализациях данных мы используем врожденную способность человека узнавать объемные образы, что позволяет сделать навигацию более понятной

Существующие алгоритмы трехмерной визуализации данных

За прошедшее время было разработано достаточно большое колличество различных подходов к представлению данных в трехмерном пространстве. Рассмотрим некоторые уже существующие подходы.

SemNet

Это одна из первых визуализаций, на которую ни смотря на это, все еще часто ссылаются различные исседователи. Система SemNet представляет собой визуалзацию оринтированных графов (как правило это базы знаний), где и узлы и связи между узлами имеют некие свойства.

Визуализация состоит из подписанных прямоугольных узлов и помеченых цветом дуг между ними. Все это размещеается в трехмерном пространстве. Система SemNet объединяет узлы с одинаковыми свойствами в пространстве в группы (кластеры). Отображаются детально только узлы выбранного кластера. Другие узлы не отображаются, и вместо них система рисует специальные объекты, символизирующий кластеры.

При просмотре базы знаний по структуре сети движется специальный объект, называемый спрайтом. Он наглядно демонстрирует пользователю путь прохождения базы. Так же для наглядности выделяются цветом состояния дуг и самих узлов.

Рис. 1. Система Fairchild.

 Cone Tree, Cam Tree

Эти системы визуализируют иерархии используя деревья узлов и  связи между нимим. Каждое поддерево представляется конусом с корнем в его вешине и потомками, расположенными по основанию. Узлы представляются полупрозрачными прямоугольниками. Дерево может быть ориентированно сверху-вниз (Cone Tree) и слева-направо (Cam Tree).

 

Рис. 2.   Cone Tree

Когда выбирается новый узел, дерево поворачивается так, чтобы узлы на пути к выбранному оказались ближе к наблюдателю. Помимо этого такие узлы выделяются цветом. При выполнении поиска, узлы выделяются красным, показывая его результат.

По мимо вращения, узлы дерева можно сворачивать, убирая лишнюю на данный момент информацию и разгружая визуализацию.

 

Гиперболическое пространство

 Работа Мунзнера и Бурхарда отображает ориентированные графы с циклами (такие как WWW) в гиперболическом пространстве с целью экономного использования доступной области экрана.  Графы представляются в виде похожем на Cone Tree.

Дерево  отображается с эффектом объектива «рыбий глаз». Узлы, расположенные ближе к центру сферы гиперблочического пространства больше в размерах. Узлы расположенные на дальней части  сферы  меньше и более сжатые. Таким образом получается некое подобие кластеров. Так же используется цвет, для объединения узлов одного уровня иерархии.

 Рис 3.  Визуализация в гиперболическом пространстве.

 Perspective Wall

Это визуализация, предназначенная для отображения линейных данных. Данные представляются в виде стены с изгибом в двух местах, чтобы создать центральную панель, направленную на пользователя и две перспективные панели, по одной с каждой стороны ценральной. Благодаря эффекту «рыбьего глаза» и затенения перпективных панелей, деталей в отображении данных тем больше чем ближе они к центральной панели.

Вертикальное измерение может быть использовано для разделения данных по некоему признаку. Например в работе по этой теме был описан метод визуализации списков файлов, сортированных по времени создания и разбитых на уровни по  типу.

При выделении элемета центральная панель плавно перемещается к выделенному месту.

 

 

Рис 4. Perspective Wall

 

Document Lens

Document Lens используются для просмотра информации типа страниц документа на прямоугольной поверхности. Для работы системы использутеся прямоугольная лиза. Она поднимает определенную область внутри прямоугольника к пользователю, создавая усеченную пирамиду. Информация внутри линзы не искажается, что делает возможным чтение текстов.

Линза отображется в виде прямоугольника с жирными краями и премещается по вертикали и горизонтали с помощью мыши. Для изменения увеличения используется клавиатура. Так же возможно подсвечивание документов для обозначения результатов поиска.

 

Рис. 5. Document Lens

3DPS

3DPS это сокращение от 3-Dimensional Pliable Surfaces  (пластичные трехмерные поверхности). Это система для отображения карт и графов с помощью искажений отображаемой поверхности. Основная идея этой концепции отображения данных это обеспечение множества узлов искажений при работе с данными. По сути своей, система состоит из поверхности, которая может произвольным образом изгибаться и изображжения наложенного на эту плосоксть. Для более понятного восприятия искажений, поверхность покрывается сеткой или используется освещение.

Точки искажений могут подниматься или опускаться создавая эффект «рыбьего глаза» или же наоборт делать объекты мененн детализованными сразу в нескольких местах. Пользователь может управлять стпенем сжатий при искажениях.

 

Рис. 6. Система визцализации карт на принципе 3DPS

 

 

FSN

Компания Silicon Graphics выпустили File System Navigator (FSN)  -  ситему трехмерной визуализации файловых систем IRIX. Директории в ней отображались как пьдесталы, расположенные на поверхности  и соедененные линиям. Файлы представлялись коробками на пьдетсталах.

Размеры директорий и файлов показывались высотой, а цвет показывал возраст файла. Когда мышь перемещалсь над файлом или директорией, эелемент подсвечивался и отображалост его имя. Когда файл или директория выделялись, они подсвечивались и камера фокусировалсь на  выбранном элементе.

Параметрами перспективы можно было управлять, уменьшая элементы вдали еще больше. Так же, директории можно было сворачивать или же переходить в режим, где отображалась лишь  выбранная директория и директории вложеные в нее.

Взаимодействие с пользователем происходило непосредственно в самой визуализации с помощью мышки, меню, кнопок и других элементов интерфейса. На файлы, директории и линии, ихсоединяющие можно было кликать мышкой, что приводило к перемещению, выделению или исполнению. Перемещаться можно было и непосредственно с помощью мыши. В таком случае появлялось перекрестье с помошью которого можно было указывать направление и скорость, двигая его по экрану.

 

Рис. 7. Браузер FSN

 

 Harmony Information Landscape

Эта система используется для визуализации иерархий коллекций WWW документов похожим образом с FSN. Дерево коллекций расположено на плоскости, где коллекции представляются блоками, соединенными линиями. Плоскость имеет вид ландшафта.

Документы коллекции представляются блоками расположенным на вершине блока коллекции. Блоки документов окашены различным цветом в зависимости от типа, и высотой в зависимости от размера.

Взаимодействие с пользователем в этой система включает полет вокруг коллекций и «кликание» на коллекциях.

Рис. 8. Система визуализации Harmonic Landscapes

SDM

Selective Dynamic Manipulation это парадигма для интерактивной визуализации и манипулирования данными. В SDM элементы данных представляются трехмерными цилиндрами, расположенными на плосткости. Элементы могут быть сгрупрованы во множества, и совокупность элементов может быть сформирована комбинацией свойств нескольких элементов.

Выделенные элементы или множества либо меняют цвет, увеличиваются в толщине или смещаются. Невыделенные элементы остаются видимым. Контуры выделенных объектов на оригинальном местопложении и оригинального размера сохраняются, чтобы сохранить связь  с глобальным контекстом.

Взаимодействие пользователея с визуализированными данными происходит напрямую с помощью специальных элементов управления, которые есть на каждом объекте. Они позволяют менять размер, поворот и другие свойста. Эти изменения отражаются в изменении свойств соотвествующих элементов данных.

 

Рис. 9. Система визуализации SDM

 

Bead

Это система визуализирует библиографические данные документов как кубы соединенные треугольниками в ландшафтно-подобном пространстве. Названия документов могут отображтсься как трехмерные таблички над кубом документа. Сами документы располагаются на поверхности в кластерах, представляющих схожесть между ними. Поверхность под каждым кластером имеет свой цвет. Ближайшие 3 уровня всегда подписаны, что обеспечивает уровни детализации для различного расстояния до пользователя.

При поиске результаты группируются вместе по темам. Тема это текст больше названия документа, летающий над поверхностями кластеров. Документы удовлетворящие условиям поиска приобретают более светлый цвет и над ними отображаются названия.

 

Рис. 10. Визулизация данных в Bead

 

Система поддерживает одновременное использование многими пользователями. При этом действия пользователей отображаются в системе:

• Синхронно, через оринтацию табличек документов. Таблички всегда оринетированы на использующего документы пользователя.

• Асинхронно, показывая как часто документ был найден при поиске. Это показывается белым кругом под документом. Радиус круга показывает частоту попадания документа в результат поиска.

 

Трехмерный рабочий стол

Этот тип визуализаций моделирует трехмерный рабочий стол, такой какой он обычно бывает у пользователя. Как правило н позволяет организовывать данные в порядке удобном пользователю практически никак не ограничивая его в этом. Система придоставляет лишь различные объекты-контейнеры такие как папки для документов, рамки для картинок, полки для произвольных данных и так далее.

 

Рис. 11. Одна из тем рабочего стола 3DNA

 

Навигация осуществляется с помошью клавиатуры и мыши.

 

Information Cube

Эта визуализация отображает иерархические данные используя вложенные полупрозрачные кубы или коробки. Подписи к объектам отображаются на гранях соответсвующих им кубах, а сами кубы масштабируются чтобы вместить находящиеся в нем данные.

Когда пользователь выбирает куб, двигает его или масштабирует он анимируется. Так же могут меняться его цвет и уровень прозрачности.

Такая система расчитана на использование специальных трехмерных устройств навигации (например DataGlove). Изображение может выводиться стереосткопически или же на обычный монитор или шлем виртуальной реальности.

 

Рис. 11. Information Cube

 

BeamTrees

В этой визуализации узлы отображаются цилиндрами. Каждый более высокий уровень-потомок располагает свои цилиндры-узлы над цилидром узла-родителя перпендикулярно ему. Размеры цилиндров и их цвет отражают свойства соотвествующего объекта.

 

Рис. 12. Визуализация Beam Tree

 

Botanical Trees

Этот метод вызуализации иерархических данных основан на построении трехмерного дерева иерархии так же как растут настоящие деревья в реальном мире. Корнвой узел изображается как ствол дерева, ветки растущие из ствола - дочерние узлы корня и так далее. Листья изображаются как «фрукты» на концах веток. В случае, расмотренном в статье представления подобным образом файловой системы, «фрукт» представляет собой шар, олицитворяющий список файлов в каталоге на котором он «растет». Диаметр шара с файлами показывает сумарный размер файлов. Сами же файлы изображаются конусами на шаре-«фрукте». Размер конуса так же зависит от размера файла.

 

 

 

Рис 13. Визуализация фалйловой системы Botanical Tree

 

 Трехмерные интерфейсы файловых систем

 

Файловая система является примером достаточно сложной иерархии с большим числом элементов с которым пользователи компьютеров сталкиваются каждый день. До  недавнего времени двумерные списки и деревья были едистсвенным вариантом визуализции структуры каталогов и файлов. Однако с увеличением вычислительной мощности  персональных компьютеров  появилась возможность реализовать и трехмерные визулизации этой структуры. И эта возможность была использована некоторыми производителями программного обеспечения. Благодаря им на рынке (а в некоторых случаях и в свободном доступе) появились програмные продуктоы,  отображющие файловую системы в трехмерном пространстве.

Наиболее техничной является программа Tactile 3D. Принципиально они использует идею визузализции данных, схожую с Information Cube, но оптимизированную для использования с мышью и клавиатурой.  Однако  реализация сделана таким образом, что явных приемуществ перед обычным списком у нее нет, так как структура каталогов видна очень плохо.

 

 

Рис. 14.  Браузер Tactile 3D

 

И все же эта система позволяет делать операции, недоступные в обычном браузере. Например, в ней возможно выделение нескольких объектов из разных уровней вложенности т выполнение над ними некоторых действий.

 

Другие программы, как например ClockWise3D являются по своей сути просто динамически изменяемой оболочной для любых данных пользователя.  Эи программы строят вирутальный мир, подобный комнате, дому, замку. В различных местах этого мира можно размещать различную информацию. Но никаких специальных структур по организации файлов и папок эти системы не предоставляют. Приемуществом этих систем является то, что они не ограничивают их пользователя в выборе структуры для его данных, предоставляя возможность сделать так, как ему хочется.

 

 

Рис. 15. Трехмерный рабочий стол ClockWise 3D (одна из тем)

 

Такая идея понятна. Универсальный алгоритм работает везде, но выполняет задачи в большинстве случаев хуже, чем аглоритм расчитаный на определенный случаи. Поэтому, если возможно, бывает лучше использовать комбинированные алгоритмы, выибирая подходящий для каждого случая. Такой же подход можно использовать и для визуализации струкутры файловой системы.

X-Project

Проведенные работы по сравнению показывают, что важна ни только модель визуализации данных, но и модель взаимодействия системы с пользователем. Эти же работы показали что унифицированная модель взаимодействия оказывается неэффективной при работе с произвольным данными. Необходим либо универсальный метод, подходящий для всех видом данных, либо использование для каждого набора данных наиболее приемлимого метода навигации.

 

 

 

Рис. 16. Визулизация файловой системы в разработанной программе

 

Реализованная автором система применяет в своей работе именно такой подход. Она имеет возможность отображать различные части файловой системы различными визуализациями, по выбору пользователя. Каждая из визуализаций может использовать свою уникальную систему взамимодействия.

 

Заключение 

 

На данный момент трехмерные интерфейсы находятся больше в области исследований, чем в области реального применения средним пользователем. Трехмерные визуализации находят свое место в сфере научных исследований, где есть возможность использовать специальные устройства для взаимодейтствия пользователя и системы. Однако использование трехмерного пространства для размещения пользовательских данных, таких как структура  каталогов файловой системы, сопряжены с большим колличеством трудностей. По мимо самой концепции отображения данных, это и проблема интуитивно понятной, удобной системы навигации по визуализации, используя только стандартные средства взаимодействия пользователя с компьютером (клавиатруа и мышь).  При большом колличестве данных возникает проблема отображения подписей к элементам трехмерной визуализации. Их приходится делать двумерными, и их нужно эффективно разместить на экране, чтобы они не перекрывались, чтобы было ясно к какому элементу относится название.

Не смотря на это, уже существующие визуализации показывают в некотрых случаях весьма неплохие результаты, превосходящие «обычные» браузеры. Они позволяют реализовать новые методы работы с иерархическими данными, недоступные для двумерных визуализаций, что позволит более полно и эффективно использовать возможности современной компьютерной техники

 

Дополнительная информация

Ссылка: 

Владимир Борисов, Алексей Игнатенко. Системы трехмерной визуализации данных. Компьютерная графика и мультимедиа. Выпуск №4(3)/2006. http://cgm.computergraphics.ru/content/view/115

Выпуск: 

Выпуск №4(3)/2006