本書以設計思維與可視化作為切入點，立足迎合新工科建設對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標，依托數(shù)據(jù)可視化課程做一些積極探討，撰寫一本能夠有效支撐該課程的新型教材。本書首先在數(shù)據(jù)可視化的定義、歷史和數(shù)據(jù)建模等的基礎上，進一步介紹針對不同數(shù)據(jù)形態(tài)（如文檔、音視頻、時空數(shù)據(jù)、圖和層次數(shù)據(jù)、高維數(shù)據(jù)等）的具體可視化技術(shù)及研究前沿；然后介紹設計思維的定義及相關模型；最后通過不同領域的案例演示如何將設計思維的理念用于具體的可視系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)中。
本書可作為高等院校計算機、軟件工程專業(yè)高年級本科生、研究生的教材，也可作為對可視化和可視設計比較熟悉且對設計思維有興趣的開發(fā)人員、廣大科技工作者和研究人員的參考用書。
本書由淺入深，從數(shù)據(jù)可視化的基本概念開始，再展開介紹不同模態(tài)數(shù)據(jù)的可視分析方法以及人工智能可解釋性、沉浸式可視化等前沿技術(shù)，最后通過相關案例展示具體應用，循序漸進的幫助讀者登堂入室，掌握和靈活運用數(shù)據(jù)可視化的知識。
本書將設計思維的理念與數(shù)據(jù)可視化相結(jié)合，讓學生更好的理解可視分析方式的設計過程，作為一種溝通語言幫助學生在這個過程中培養(yǎng)協(xié)作能力、幫助培養(yǎng)學生的思考和辯論能力等。
在編寫過程中側(cè)重于實踐應用，通過具體案例講授如何基于設計思維的理念進行各種可視分析系統(tǒng)的設計，通過原理與實踐案例的結(jié)合，由淺入深地導入可視化的概念和方法，降低入門的難度。
習近平總書記在黨的二十大報告中指出: 教育、科技、人才是全面建設社會主義現(xiàn)代化國家的基礎性、戰(zhàn)略性支撐。必須堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力，深入實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，這三大戰(zhàn)略共同服務于創(chuàng)新型國家的建設。報告同時強調(diào): 推動戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)融合集群發(fā)展，構(gòu)建新一代信息技術(shù)、人工智能、生物技術(shù)、新能源、新材料、高端裝備、綠色環(huán)保等一批新的增長引擎。而信息技術(shù)與經(jīng)濟社會的交匯融合引發(fā)數(shù)據(jù)迅猛增長，數(shù)據(jù)已成為國家基礎性戰(zhàn)略資源。大數(shù)據(jù)正日益對全球生產(chǎn)、流通、分配、消費活動以及經(jīng)濟運行機制、社會生活方式和國家治理能力產(chǎn)生重要影響。數(shù)據(jù)正在變得無處不在、觸手可及。相對應地，理解數(shù)據(jù)并提取其價值將其可視化的能力則成為一種稀缺服務。
我近20年的研究生涯一直圍繞著計算機圖形學、可視化展開，在這個過程中也受到很多大師經(jīng)典著作的啟蒙和引導，既有國內(nèi)的，也有國外的。在這么多年的研究生涯中，我感受頗深的是計算機圖形學、可視化真的是計算機科學中非常嚴謹又很有藝術(shù)性的一個領域。無論在圖形學還是可視化的國內(nèi)外旗艦會議上都可以見到其跟藝術(shù)的緊密結(jié)合，各種不同的藝術(shù)展穿插其中，向觀眾呈現(xiàn)美妙的視覺盛宴。而在教學過程中，我的授課對象也以數(shù)字媒體技術(shù)/藝術(shù)專業(yè)學生為主，他們兼具計算機和藝術(shù)方面的背景知識，在與他們的授課交流中我也感受到他們對這個方向的熱愛，同時他們也給我?guī)硪恍┎煌撵`感和啟迪。在多年進行相關研究、講授相關課程的實踐中，我看到，在講授時適當融入設計和藝術(shù)的相關思維的必要性。設計思維體現(xiàn)了設計者探究設計挑戰(zhàn)以及創(chuàng)造性解決設計難題而進行的一系列連續(xù)思考和行動的過程，作為一種新的理念，設計思維契合當前世界對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求，在學生的培養(yǎng)過程中引入設計思維的概念有助于實現(xiàn)我國教育范式的轉(zhuǎn)變。而現(xiàn)有的教材很少體現(xiàn)這種設計相關思維，對老師和學生缺乏相應的引導。編寫本書的動機就是為師生學習的時候提供這樣的引導。
本書由三部分14章構(gòu)成: 第一部分（1～8章）為數(shù)據(jù)可視化基礎理論，主要對數(shù)據(jù)可視化和設計思維的基本情況以及它們之間的關系進行闡述；針對不同的數(shù)據(jù)類型，結(jié)合其特點介紹具體的可視化手段和可視分析的方法；第二部分（9～11章）對設計思維的提出、特點、工具以及常見的設計思維模型進行介紹，對設計思維本身的可視呈現(xiàn)的方法與研究進行闡述；第三部分（12～14章）為設計思維驅(qū)動的可視分析方法，主要結(jié)合作者的研究背景和領域熱點，選取若干典型案例，示范如何運用設計思維理念設計相應的可視分析系統(tǒng)。
限于時間和編著者水平，本書錯誤、疏漏之處在所難免，敬請諒解。
編者2024年12月
第 一 部 分
第1章數(shù)據(jù)可視化概述31.1數(shù)據(jù)可視化的定義3
1.2數(shù)據(jù)可視化的形態(tài)及演化4
1.3數(shù)據(jù)可視化的研究領域9
1.3.1科學可視化9
1.3.2信息可視化10
1.3.3可視分析10
1.4感知與信息處理11
1.4.1感知處理模型11
1.4.2人類視覺12
1.4.3色彩14
1.5數(shù)據(jù)可視系統(tǒng)設計與評測16
1.5.1數(shù)據(jù)可視系統(tǒng)設計16
1.5.2數(shù)據(jù)可視系統(tǒng)評測22
第2章數(shù)據(jù)基礎26
2.1概述26
2.2數(shù)據(jù)類型27
2.2.1基本數(shù)據(jù)類型27
2.2.2數(shù)據(jù)集類型28
2.3屬性類型31
2.3.1用于分類的屬性類型31
2.3.2用于排序的屬性類型: 定性與定量32
2.3.3具有層次結(jié)構(gòu)的屬性32
2.4語義33
2.4.1鍵與值的語義33
2.4.2時間的語義352.5數(shù)據(jù)預處理36
2.5.1數(shù)據(jù)清洗36
2.5.2數(shù)據(jù)集成36
2.5.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換36
2.5.4數(shù)據(jù)規(guī)約37
第3章多模態(tài)數(shù)據(jù)可視化38
3.1概述38
3.2文本和文檔可視化38
3.2.1文檔相似性可視化39
3.2.2文檔內(nèi)容可視呈現(xiàn)47
3.2.3文本情感可視分析56
3.2.4文檔探索技術(shù)58
3.3圖像可視化60
3.4視頻可視化62
3.4.1視頻內(nèi)容可視分析62
3.4.2視頻情感可視分析65
3.5音頻可視化65
3.5.1面向音樂作品的可視分析65
3.5.2面向音樂集的可視分析69
3.5.3面向音樂家的可視分析70
3.5.4面向樂器的可視分析71
目錄〖3〗第4章時空數(shù)據(jù)可視分析73
4.1概述73
4.2空間標量場可視化74
4.3空間向量場可視化77
4.3.1直接的可視化方法77
4.3.2向量場聚類與可視化79
4.3.3基于幾何的可視化方法79
4.3.4基于紋理的可視化方法82
4.4空間張量場可視化85
4.4.1張量圖示符85
4.4.2基于幾何的方法87
4.4.3基于紋理的方法88
4.4.4基于拓撲的方法89
4.5時空軌跡可視化92
4.5.1交通軌跡可視分析93
4.5.2運動軌跡可視分析100
第5章圖和層次數(shù)據(jù)可視化104
5.1背景知識104
5.1.1圖的定義和分類105
5.1.2圖的預處理105
5.2圖的可視表示106
5.2.1靜態(tài)圖的可視表示106
5.2.2動態(tài)圖的可視表示117
5.3圖可視化中的交互130
5.3.1視圖交互130
5.3.2可視抽象交互130
5.3.3數(shù)據(jù)交互131
5.4圖分析132
5.4.1圖結(jié)構(gòu)分析132
5.4.2圖比較133
第6章高維數(shù)據(jù)可視分析134
6.1概述134
6.2數(shù)據(jù)變換134
6.3可視映射136
6.4用戶交互138
第7章沉浸式可視分析141
7.1概述141
7.2多感知沉浸式分析142
7.2.1視覺感知142
7.2.2聽覺感知144
7.2.3觸覺感知144
7.2.4嗅覺和味覺感知145
7.3面向沉浸式分析的交互146
7.3.1觸摸交互146
7.3.2實體交互146
7.3.3筆式交互146
7.3.4手勢交互147
7.3.5凝視交互147
7.3.6物理漫游147
7.4協(xié)作沉浸式分析148
7.4.1定義與分類148
7.4.2共位置同步協(xié)作148
7.4.3分布式同步協(xié)作150
7.4.4分布式異步協(xié)作150
7.4.5共位置異步協(xié)作151
7.4.6混合存在協(xié)作152
第8章人工智能與可視分析153
8.1概述153
8.2面向人工智能的可視化153
8.2.1數(shù)據(jù)質(zhì)量改善154
8.2.2特征工程155
8.2.3模型機理解釋156
8.3人工智能驅(qū)動的可視化162
8.3.1數(shù)據(jù)處理162
8.3.2數(shù)據(jù)映射162
8.3.3交流見解163
8.3.4風格遷移163
8.3.5交互163
8.3.6解讀163
8.3.7用戶畫像165
第 二 部 分
第9章設計思維簡介1699.1概述169
9.1.1設計170
9.1.2思維170
9.2設計思維的提出174
9.3設計思維的特點176
9.4設計思維的應用178
9.4.1生物醫(yī)學儀器課程中的設計思維實踐178
9.4.2應用設計思維制作游戲控制器原型180
第10章設計思維模型與實施184
10.1設計思維模型184
10.1.1斯坦福模型184
10.1.2Brown模型186
10.1.3IDEO模型186
10.1.4IBM模型188
10.1.5Jeanne Liedtka & Tim Ogilvie模型189
10.1.6雙鉆模型189
10.1.7模型比較190
10.2設計思維實施191
10.2.1發(fā)現(xiàn)191
10.2.2解釋192
10.2.3構(gòu)思193
10.2.4實驗194
10.2.5迭代195
10.3工具和方法195
10.3.1人物畫像196
10.3.2利益相關者地圖196
10.3.3用戶體驗地圖197
10.3.4服務藍圖198
10.3.5商業(yè)模式創(chuàng)新199
10.3.6快速原型200
第11章設計思維可視化201
11.1可視設計思維201
11.1.1增強設計思維的動態(tài)圖201
11.1.2用于設計思維教學的思考地圖203
11.2基于繪圖的設計思維可視化205
11.2.1繪圖作為一種思考方式205
11.2.2地圖作為解釋對象210
11.2.3地圖的溝通方式213
11.3基于鏈接表記的設計思維可視化215
11.3.1概述215
11.3.2什么是鏈接表記217
11.3.3鏈接表分析226
第 三 部 分
第12章交通大數(shù)據(jù)可視分析23112.1概述231
12.2靜態(tài)交通網(wǎng)絡可視化起源232
12.3交通大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)234
12.3.1地理信息可視化形式234
12.3.2交通大數(shù)據(jù)的屬性可視化237
12.3.3交通大數(shù)據(jù)的可視分析243
12.4案例: 交通預測中的可塑面積單元問題245
12.4.1發(fā)現(xiàn)階段245
12.4.2解釋階段246
12.4.3構(gòu)思階段247
12.4.4實驗階段251
12.4.5迭代階段253
第13章三維建模工作流可視分析與應用261
13.1概述261
13.2三維建模工作流可視分析262
13.2.1網(wǎng)格構(gòu)建序列可視化262
13.2.2網(wǎng)格編輯工作流的連續(xù)總結(jié)265
13.2.3數(shù)字雕刻工作流的統(tǒng)計分析270
13.3三維建模工作流管理275
13.3.1基于連續(xù)模型序列的建模過程反推275
13.3.2MeshGit: 多邊形網(wǎng)格的差異比較和操作合并277
13.3.3SceneGit: 三維場景的差異比較和操作合并280
13.4三維建模工作流應用282
13.4.1基于編輯歷史共享和重新定向的協(xié)作式建模282
13.4.2基于工作流歷史的三維模型視圖創(chuàng)作284
13.4.3三維數(shù)字雕刻的自動補全287
13.5案例: 創(chuàng)意支持的三維室內(nèi)配色288
13.5.1發(fā)現(xiàn)階段288
13.5.2解釋階段289
13.5.3構(gòu)思階段291
13.5.4實驗階段292
13.5.5迭代階段298
第14章教育知識可視化316
14.1概述316
14.2知識可視化基礎316
14.2.1知識可視化模型319
14.2.2知識可視化與信息可視化320
14.2.3知識可視化在知識管理中的應用321
14.3可視化技術(shù)輔助的教學過程323
14.3.1結(jié)合層次概念圖和動態(tài)非線性學習計劃的教育系統(tǒng)323
14.3.2面向初學者的Web端C程序可視化325
14.3.3幫助學習歷史的可視分析系統(tǒng)326
14.4大規(guī)模在線開放課程數(shù)據(jù)可視分析327
14.4.1MOOC學習序列可視分析328
14.4.2面向在線題庫的交互式學習路徑規(guī)劃328
14.4.3面向在線問題求解動力評估的可視化分析331
14.5科學圖譜繪制332
14.5.1相關理論和技術(shù)334
14.5.2基于主題和引文網(wǎng)絡的研究論文可視化336
14.5.3借助可視分析促進學術(shù)文獻中的偶然發(fā)現(xiàn)338
14.5.4探索學科交叉和演化情況339
14.6案例: 面向主動學習的解釋性可視化框架340
14.6.1發(fā)現(xiàn)階段341
14.6.2解釋階段341
14.6.3構(gòu)思階段342
14.6.4實驗階段342
14.6.5迭代階段344
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