Visualización (gráficos)

Como disciplina de la informática , la visualización científica es el uso de representaciones interactivas y sensoriales, típicamente visuales, de datos abstractos para reforzar la cognición , la formulación de hipótesis y el razonamiento . La visualización científica es la transformación, selección o representación de datos de simulaciones o experimentos, con una estructura geométrica implícita o explícita, para permitir la exploración, el análisis y la comprensión de los datos. La visualización científica se centra y enfatiza la representación de datos de orden superior utilizando principalmente técnicas gráficas y de animación. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Es una parte muy importante de la visualización y quizás la primera, ya que la visualización de experimentos y fenómenos es tan antigua como la ciencia misma. Las áreas tradicionales de la visualización científica son la visualización de flujo , la visualización médica , la visualización astrofísica y la visualización química . Existen varias técnicas diferentes para visualizar datos científicos, siendo la reconstrucción de isosuperficies y la renderización directa de volumen las más comunes.

La visualización de datos es una subcategoría relacionada de la visualización que trata con gráficos estadísticos y datos geoespaciales (como en la cartografía temática ) que se abstraen en forma esquemática. ^{[ 7 ]}

La visualización de información se centra en el uso de herramientas informáticas para explorar grandes cantidades de datos abstractos. El término "visualización de información" fue acuñado originalmente por el Grupo de Investigación de Interfaz de Usuario de Xerox PARC, en el que participó Jock Mackinlay . ^{[ 8 ]} La aplicación práctica de la visualización de información en programas informáticos implica seleccionar, transformar y representar datos abstractos de forma que facilite la interacción humana para su exploración y comprensión. Aspectos importantes de la visualización de información son la dinámica de la representación visual y la interactividad. Las técnicas avanzadas permiten al usuario modificar la visualización en tiempo real, lo que proporciona una percepción sin precedentes de los patrones y las relaciones estructurales en los datos abstractos en cuestión.

La visualización educativa consiste en utilizar una simulación para crear una imagen de algo que permita enseñarlo. Esto resulta muy útil al enseñar un tema que es difícil de visualizar de otra manera, como por ejemplo, la estructura atómica , ya que los átomos son demasiado pequeños para estudiarlos fácilmente sin equipos científicos costosos y difíciles de usar.

El uso de representaciones visuales para transferir conocimiento entre al menos dos personas tiene como objetivo mejorar la transferencia de conocimiento mediante el uso complementario de métodos de visualización basados ​​en computadora y no basados ​​en computadora. ^{[ 9 ]} Por lo tanto, una visualización bien diseñada es una parte importante no solo del análisis de datos sino también del proceso de transferencia de conocimiento. ^{[ 10 ]} La transferencia de conocimiento puede mejorarse significativamente utilizando diseños híbridos, ya que aumenta la densidad de información, pero también puede disminuir la claridad. Por ejemplo, la visualización de un campo escalar 3D puede implementarse utilizando isosuperficies para la distribución del campo y texturas para el gradiente del campo. ^{[ 11 ]} Ejemplos de tales formatos visuales son bocetos , diagramas , imágenes , objetos, visualizaciones interactivas, aplicaciones de visualización de información y visualizaciones imaginarias como en historias . Mientras que la visualización de información se concentra en el uso de herramientas asistidas por computadora para obtener nuevas perspectivas, la visualización de conocimiento se centra en transferir perspectivas y crear nuevo conocimiento en grupos . Más allá de la mera transmisión de hechos , la visualización del conocimiento busca transmitir ideas , experiencias , actitudes , valores , expectativas , perspectivas , opiniones y estimaciones en diferentes campos mediante el uso de diversas visualizaciones complementarias. Véase también: diccionario de imágenes , diccionario visual.

La visualización de productos implica el uso de software para visualizar y manipular modelos 3D, dibujos técnicos y otra documentación relacionada con componentes fabricados y grandes ensamblajes de productos. Es una parte fundamental de la gestión del ciclo de vida del producto . El software de visualización de productos suele ofrecer altos niveles de fotorrealismo, permitiendo visualizar el producto antes de su fabricación. Esto facilita funciones que abarcan desde el diseño y el estilismo hasta las ventas y el marketing. La visualización técnica es un aspecto importante del desarrollo de productos. Originalmente, los dibujos técnicos se realizaban a mano, pero con el auge de los gráficos por computadora avanzados, el diseño asistido por computadora (CAD) ha reemplazado al tablero de dibujo . Los dibujos y modelos CAD presentan varias ventajas sobre los dibujos a mano, como la posibilidad de modelado 3D , prototipado rápido y simulación . La visualización 3D de productos promete experiencias más interactivas para los compradores en línea, pero también plantea desafíos a los minoristas, quienes deben superar obstáculos en la producción de contenido 3D, ya que la producción de contenido 3D a gran escala puede ser extremadamente costosa y requerir mucho tiempo. ^{[ 12 ]}

En los últimos años, la visualización de productos ha incorporado cada vez más tecnologías interactivas y en tiempo real, especialmente en entornos de comercio electrónico. Las modernas herramientas de visualización 3D permiten a los usuarios explorar los productos en detalle, personalizar atributos como el color, los materiales y la configuración, y visualizarlos en contextos simulados o reales.

Estas capacidades mejoran la participación del usuario y facilitan una toma de decisiones más informada al proporcionar representaciones realistas y contextualizadas de los productos. Como resultado, la visualización de productos puede ayudar a reducir la incertidumbre antes de la compra y contribuir a disminuir las tasas de devolución de productos. ^{[ 13 ]}

La comunicación visual es la transmisión de ideas mediante la representación visual de información . Si bien se asocia principalmente con imágenes bidimensionales , incluye caracteres alfanuméricos , arte , letreros y recursos electrónicos . Investigaciones recientes en este campo se han centrado en el diseño web y la usabilidad orientada a los gráficos .

El análisis visual se centra en la interacción humana con los sistemas de visualización como parte de un proceso más amplio de análisis de datos. El análisis visual se ha definido como "la ciencia del razonamiento analítico apoyado por la interfaz visual interactiva". ^{[ 14 ]}

Su enfoque se centra en el discurso humano sobre la información (la interacción) dentro de espacios de información masivos y dinámicos. La investigación en analítica visual se concentra en brindar soporte a las operaciones perceptivas y cognitivas que permiten a los usuarios detectar lo esperado y descubrir lo inesperado en espacios de información complejos.

Las tecnologías derivadas del análisis visual encuentran aplicación en casi todos los campos, pero están siendo impulsadas por necesidades críticas (y financiación) en biología y seguridad nacional.

El Sistema de Gráficos Interactivos Jerárquicos para Programadores ( PHIGS ) fue uno de los primeros intentos programáticos de visualización interactiva y proporcionó una enumeración de los tipos de entrada que aportan los humanos. Las personas pueden:

1. Seleccione alguna parte de una representación visual existente;
2. Localice un punto de interés (que puede no tener una representación existente);
3. Trazar un camino;
4. Elija una opción de la lista de opciones;
5. Valorar introduciendo un número; y
6. Escribe introduciendo texto.

Todas estas acciones requieren un dispositivo físico. Los dispositivos de entrada van desde los más comunes ( teclados , ratones , tabletas gráficas , trackballs y paneles táctiles ) hasta los más especializados ( guantes con cable , brazos articulados e incluso cintas de correr omnidireccionales ).

Estas acciones de entrada pueden utilizarse para controlar tanto la información única que se representa como la forma en que se presenta. Cuando se modifica la información presentada, la visualización suele formar parte de un bucle de retroalimentación . Por ejemplo, consideremos un sistema de aviónica donde el piloto introduce el alabeo, el cabeceo y la guiñada, y el sistema de visualización proporciona una representación de la nueva actitud de la aeronave. Otro ejemplo sería un científico que modifica una simulación mientras se está ejecutando en respuesta a una visualización de su progreso actual. Esto se denomina control computacional .

Con mayor frecuencia, se modifica la representación de la información en lugar de la información en sí misma.

Los experimentos han demostrado que la mayoría de las personas perciben un retraso de más de 20 ms entre la entrada de datos y la actualización de la representación visual . Por lo tanto, es deseable que una visualización interactiva proporcione una representación basada en la entrada humana dentro de este lapso de tiempo. Sin embargo, cuando se deben procesar grandes cantidades de datos para crear una visualización, esto se vuelve difícil o incluso imposible con la tecnología actual. Por lo tanto, el término "visualización interactiva" se aplica generalmente a sistemas que proporcionan retroalimentación a los usuarios en cuestión de segundos después de la entrada. El término " velocidad de fotogramas interactiva " se usa a menudo para medir la interactividad de una visualización. La velocidad de fotogramas mide la frecuencia con la que un sistema de visualización puede generar una imagen (un fotograma). Una velocidad de fotogramas de 50 fotogramas por segundo (fotogramas/s) se considera buena, mientras que 0,1 fotogramas/s se consideraría deficiente. Sin embargo, el uso de la velocidad de fotogramas para caracterizar la interactividad es un poco engañoso, ya que la velocidad de fotogramas es una medida del ancho de banda , mientras que los humanos son más sensibles a la latencia . En concreto, es posible alcanzar una buena velocidad de fotogramas de 50 fotogramas/s, pero si las imágenes generadas hacen referencia a cambios en la visualización que una persona realizó hace más de 1 segundo, no resultará interactivo para el usuario.

El rápido tiempo de respuesta requerido para la visualización interactiva es una limitación difícil de cumplir y se han explorado varios enfoques para proporcionar a las personas retroalimentación visual rápida basada en su entrada. Algunos incluyen:

1. Renderizado paralelo : se utiliza más de un ordenador o tarjeta gráfica simultáneamente para renderizar una imagen. Varios ordenadores pueden renderizar múltiples fotogramas al mismo tiempo y los resultados se transfieren a través de la red para su visualización en un único monitor . Esto requiere que cada ordenador almacene una copia de toda la información que se va a renderizar, lo que aumenta el ancho de banda, pero también la latencia. Asimismo, cada ordenador puede renderizar una región diferente de un mismo fotograma y enviar los resultados a través de la red para su visualización. Esto también requiere que cada ordenador almacene todos los datos y puede provocar un desequilibrio de carga cuando un ordenador es responsable de renderizar una región de la pantalla con más información que los demás. Por último, cada ordenador puede renderizar un fotograma completo que contenga un subconjunto de la información. Las imágenes resultantes, junto con el búfer de profundidad asociado , se pueden enviar a través de la red y combinar con las imágenes de otros ordenadores. El resultado es un único fotograma que contiene toda la información que se va a renderizar, aunque la memoria de ningún ordenador individual haya almacenado toda la información. Esto se denomina composición de profundidad paralela y se utiliza cuando se debe renderizar de forma interactiva una gran cantidad de información.
2. Renderizado progresivo : donde se garantiza una velocidad de fotogramas al renderizar un subconjunto de la información que se va a presentar y proporcionar mejoras incrementales (progresivas) al renderizado una vez que la visualización deja de cambiar.
3. Renderizado de nivel de detalle ( LOD ) : se renderizan representaciones simplificadas de la información para lograr la velocidad de fotogramas deseada mientras una persona proporciona entrada, y luego se utiliza la representación completa para generar una imagen fija una vez que la persona termina de manipular la visualización. Una variante común del renderizado LOD es el submuestreo . Cuando la información que se representa se almacena en una matriz topológicamente rectangular (como es común con las fotos digitales , las resonancias magnéticas y las simulaciones de diferencias finitas ), se puede generar fácilmente una versión de menor resolución omitiendo n puntos por cada 1 punto renderizado. El submuestreo también se puede utilizar para acelerar técnicas de renderizado como la visualización de volumen, que requieren más del doble de cálculos para una imagen del doble de tamaño. Al renderizar una imagen más pequeña y luego escalarla para llenar el espacio de pantalla requerido, se requiere mucho menos tiempo para renderizar los mismos datos.
4. Renderizado sin marcos : la visualización ya no se presenta como una serie temporal de imágenes, sino como una sola imagen en la que diferentes regiones se actualizan con el tiempo.