本書(shū)以設(shè)計(jì)思維與可視化作為切入點(diǎn)，立足迎合新工科建設(shè)對(duì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標(biāo)，依托數(shù)據(jù)可視化課程做一些積極探討，撰寫(xiě)一本能夠有效支撐該課程的新型教材。本書(shū)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(chǔ)上，進(jìn)一步介紹針對(duì)不同數(shù)據(jù)形態(tài)（如文檔、音視頻、時(shí)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(shè)計(jì)思維的定義及相關(guān)模型；最后通過(guò)不同領(lǐng)域的案例演示如何將設(shè)計(jì)思維的理念用于具體的可視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中。
本書(shū)可作為高等院校計(jì)算機(jī)、軟件工程專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生、研究生的教材，也可作為對(duì)可視化和可視設(shè)計(jì)比較熟悉且對(duì)設(shè)計(jì)思維有興趣的開(kāi)發(fā)人員、廣大科技工作者和研究人員的參考用書(shū)。

本書(shū)由淺入深，從數(shù)據(jù)可視化的基本概念開(kāi)始，再展開(kāi)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(guò)相關(guān)案例展示具體應(yīng)用，循序漸進(jìn)的幫助讀者登堂入室，掌握和靈活運(yùn)用數(shù)據(jù)可視化的知識(shí)。
本書(shū)將設(shè)計(jì)思維的理念與數(shù)據(jù)可視化相結(jié)合，讓學(xué)生更好的理解可視分析方式的設(shè)計(jì)過(guò)程，作為一種溝通語(yǔ)言幫助學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中培養(yǎng)協(xié)作能力、幫助培養(yǎng)學(xué)生的思考和辯論能力等。
在編寫(xiě)過(guò)程中側(cè)重于實(shí)踐應(yīng)用，通過(guò)具體案例講授如何基于設(shè)計(jì)思維的理念進(jìn)行各種可視分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)原理與實(shí)踐案例的結(jié)合，由淺入深地導(dǎo)入可視化的概念和方法，降低入門(mén)的難度。

習(xí)近平總書(shū)記在黨的二十大報(bào)告中指出: 教育、科技、人才是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。必須堅(jiān)持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動(dòng)力，深入實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，這三大戰(zhàn)略共同服務(wù)于創(chuàng)新型國(guó)家的建設(shè)。報(bào)告同時(shí)強(qiáng)調(diào): 推動(dòng)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(zhǎng)引擎。而信息技術(shù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的交匯融合引發(fā)數(shù)據(jù)迅猛增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)已成為國(guó)家基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源。大數(shù)據(jù)正日益對(duì)全球生產(chǎn)、流通、分配、消費(fèi)活動(dòng)以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行機(jī)制、社會(huì)生活方式和國(guó)家治理能力產(chǎn)生重要影響。數(shù)據(jù)正在變得無(wú)處不在、觸手可及。相對(duì)應(yīng)地，理解數(shù)據(jù)并提取其價(jià)值將其可視化的能力則成為一種稀缺服務(wù)。
我近20年的研究生涯一直圍繞著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、可視化展開(kāi)，在這個(gè)過(guò)程中也受到很多大師經(jīng)典著作的啟蒙和引導(dǎo)，既有國(guó)內(nèi)的，也有國(guó)外的。在這么多年的研究生涯中，我感受頗深的是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、可視化真的是計(jì)算機(jī)科學(xué)中非常嚴(yán)謹(jǐn)又很有藝術(shù)性的一個(gè)領(lǐng)域。無(wú)論在圖形學(xué)還是可視化的國(guó)內(nèi)外旗艦會(huì)議上都可以見(jiàn)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(guān)眾呈現(xiàn)美妙的視覺(jué)盛宴。而在教學(xué)過(guò)程中，我的授課對(duì)象也以數(shù)字媒體技術(shù)/藝術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生為主，他們兼具計(jì)算機(jī)和藝術(shù)方面的背景知識(shí)，在與他們的授課交流中我也感受到他們對(duì)這個(gè)方向的熱愛(ài)，同時(shí)他們也給我?guī)��?lái)一些不同的靈感和啟迪。在多年進(jìn)行相關(guān)研究、講授相關(guān)課程的實(shí)踐中，我看到，在講授時(shí)適當(dāng)融入設(shè)計(jì)和藝術(shù)的相關(guān)思維的必要性。設(shè)計(jì)思維體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者探究設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)以及創(chuàng)造性解決設(shè)計(jì)難題而進(jìn)行的一系列連續(xù)思考和行動(dòng)的過(guò)程，作為一種新的理念，設(shè)計(jì)思維契合當(dāng)前世界對(duì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求，在學(xué)生的培養(yǎng)過(guò)程中引入設(shè)計(jì)思維的概念有助于實(shí)現(xiàn)我國(guó)教育范式的轉(zhuǎn)變。而現(xiàn)有的教材很少體現(xiàn)這種設(shè)計(jì)相關(guān)思維，對(duì)老師和學(xué)生缺乏相應(yīng)的引導(dǎo)。編寫(xiě)本書(shū)的動(dòng)機(jī)就是為師生學(xué)習(xí)的時(shí)候提供這樣的引導(dǎo)。
本書(shū)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(chǔ)理論，主要對(duì)數(shù)據(jù)可視化和設(shè)計(jì)思維的基本情況以及它們之間的關(guān)系進(jìn)行闡述；針對(duì)不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，結(jié)合其特點(diǎn)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(duì)設(shè)計(jì)思維的提出、特點(diǎn)、工具以及常見(jiàn)的設(shè)計(jì)思維模型進(jìn)行介紹，對(duì)設(shè)計(jì)思維本身的可視呈現(xiàn)的方法與研究進(jìn)行闡述；第三部分（12～14章）為設(shè)計(jì)思維驅(qū)動(dòng)的可視分析方法，主要結(jié)合作者的研究背景和領(lǐng)域熱點(diǎn)，選取若干典型案例，示范如何運(yùn)用設(shè)計(jì)思維理念設(shè)計(jì)相應(yīng)的可視分析系統(tǒng)。
限于時(shí)間和編著者水平，本書(shū)錯(cuò)誤、疏漏之處在所難免，敬請(qǐng)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(lǐng)域9
1.3.1科學(xué)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(lèi)視覺(jué)12
1.4.3色彩14
1.5數(shù)據(jù)可視系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評(píng)測(cè)16
1.5.1數(shù)據(jù)可視系統(tǒng)設(shè)計(jì)16
1.5.2數(shù)據(jù)可視系統(tǒng)評(píng)測(cè)22
第2章數(shù)據(jù)基礎(chǔ)26
2.1概述26
2.2數(shù)據(jù)類(lèi)型27
2.2.1基本數(shù)據(jù)類(lèi)型27
2.2.2數(shù)據(jù)集類(lèi)型28
2.3屬性類(lèi)型31
2.3.1用于分類(lèi)的屬性類(lèi)型31
2.3.2用于排序的屬性類(lèi)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(yǔ)義33
2.4.1鍵與值的語(yǔ)義33
2.4.2時(shí)間的語(yǔ)義352.5數(shù)據(jù)預(yù)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(lè)作品的可視分析65
3.5.2面向音樂(lè)集的可視分析69
3.5.3面向音樂(lè)家的可視分析70
3.5.4面向樂(lè)器的可視分析71
目錄〖3〗第4章時(shí)空數(shù)據(jù)可視分析73
4.1概述73
4.2空間標(biāo)量場(chǎng)可視化74
4.3空間向量場(chǎng)可視化77
4.3.1直接的可視化方法77
4.3.2向量場(chǎng)聚類(lèi)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(chǎng)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?fù)涞姆椒?9
4.5時(shí)空軌跡可視化92
4.5.1交通軌跡可視分析93
4.5.2運(yùn)動(dòng)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(shí)104
5.1.1圖的定義和分類(lèi)105
5.1.2圖的預(yù)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(dòng)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(hù)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(jué)感知142
7.2.2聽(tīng)覺(jué)感知144
7.2.3觸覺(jué)感知144
7.2.4嗅覺(jué)和味覺(jué)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(shí)體交互146
7.3.3筆式交互146
7.3.4手勢(shì)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(lèi)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(jī)理解釋156
8.3人工智能驅(qū)動(dòng)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(jiàn)解163
8.3.4風(fēng)格遷移163
8.3.5交互163
8.3.6解讀163
8.3.7用戶(hù)畫(huà)像165
第 二 部 分
第9章設(shè)計(jì)思維簡(jiǎn)介1699.1概述169
9.1.1設(shè)計(jì)170
9.1.2思維170
9.2設(shè)計(jì)思維的提出174
9.3設(shè)計(jì)思維的特點(diǎn)176
9.4設(shè)計(jì)思維的應(yīng)用178
9.4.1生物醫(yī)學(xué)儀器課程中的設(shè)計(jì)思維實(shí)踐178
9.4.2應(yīng)用設(shè)計(jì)思維制作游戲控制器原型180
第10章設(shè)計(jì)思維模型與實(shí)施184
10.1設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)思維實(shí)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(shí)驗(yàn)194
10.2.5迭代195
10.3工具和方法195
10.3.1人物畫(huà)像196
10.3.2利益相關(guān)者地圖196
10.3.3用戶(hù)體驗(yàn)地圖197
10.3.4服務(wù)藍(lán)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(shè)計(jì)思維可視化201
11.1可視設(shè)計(jì)思維201
11.1.1增強(qiáng)設(shè)計(jì)思維的動(dòng)態(tài)圖201
11.1.2用于設(shè)計(jì)思維教學(xué)的思考地圖203
11.2基于繪圖的設(shè)計(jì)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(duì)象210
11.2.3地圖的溝通方式213
11.3基于鏈接表記的設(shè)計(jì)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(luò)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(yù)測(cè)中的可塑面積單元問(wèn)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(shí)驗(yàn)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(yīng)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(jì)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(guò)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(chǎng)景的差異比較和操作合并280
13.4三維建模工作流應(yīng)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(dòng)補(bǔ)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(shí)驗(yàn)階段292
13.5.5迭代階段298
第14章教育知識(shí)可視化316
14.1概述316
14.2知識(shí)可視化基礎(chǔ)316
14.2.1知識(shí)可視化模型319
14.2.2知識(shí)可視化與信息可視化320
14.2.3知識(shí)可視化在知識(shí)管理中的應(yīng)用321
14.3可視化技術(shù)輔助的教學(xué)過(guò)程323
14.3.1結(jié)合層次概念圖和動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性學(xué)習(xí)計(jì)劃的教育系統(tǒng)323
14.3.2面向初學(xué)者的Web端C程序可視化325
14.3.3幫助學(xué)習(xí)歷史的可視分析系統(tǒng)326
14.4大規(guī)模在線(xiàn)開(kāi)放課程數(shù)據(jù)可視分析327
14.4.1MOOC學(xué)習(xí)序列可視分析328
14.4.2面向在線(xiàn)題庫(kù)的交互式學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃328
14.4.3面向在線(xiàn)問(wèn)題求解動(dòng)力評(píng)估的可視化分析331
14.5科學(xué)圖譜繪制332
14.5.1相關(guān)理論和技術(shù)334
14.5.2基于主題和引文網(wǎng)絡(luò)的研究論文可視化336
14.5.3借助可視分析促進(jìn)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中的偶然發(fā)現(xiàn)338
14.5.4探索學(xué)科交叉和演化情況339
14.6案例: 面向主動(dòng)學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)階段342
14.6.5迭代階段344