Метафоры визуализации

МЕТАФОРЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

А. Захарова, А. Шкляр

Институт кибернетики Национального исследовательского Томского политехнического университета, Томск, Россия

Аннотация

Целью данной работы является обсуждение возможных способов формализации использования метафор визуализации. Показана эффективность применения этого приема для решения практических задач. Выделены параметры, для которых визуализация, а также метафора визуализации актуальны. Приведены примеры, иллюстрирующие высказанные в работе утверждения. На основании приведенных рассуждений построена общая схема процесса решения задач визуализации, позволяющая оценивать и правильно распределять используемые ресурсы (временные, производственные). В статье изложены вопросы возможности снижения эффективности использования метафор визуализации, возникающие как результат неправильного или необдуманного применения этого приема. Одним из результатов данной работы является сформулированный набор правил, накладывающий ограничения на процесс формирования и использования метафор визуализации, и позволяющий применять ее как полезный и результативный инструмент.

Ключевые слова: 3D-моделирование, метафора визуализации, анализ данных, реконструкция объектов, система частиц.

Основной задачей визуализации следует считать создание дополнительной, а иногда единственной, возможности ускоренного понимания некоторого объема информации. Распространенной является ситуация, когда в распоряжении исследователя находятся данные, относящиеся к интересующему его явлению, объекту или процессу, сложные по структуре, черезмерно объемные и разнотипные, но при этом, возможно, недостаточные для однозначного трактования их общего смысла. В том случае, когда анализ данных с необходимой степенью эффективности становится очень трудоемкой задачей, визуализация предлагает разнообразные и действенные инструменты. Параметром, определяющим эффективность, чаще всего является время, затрачиваемое на правильную интерпретацию визуального сообщения. К причинам, осложняющим анализ данных и указывающим на необходимость использования методов визуализации, можно отнести как особенности самих данных, так и отсутствие приемлемого аналитического решения конкретной задачи.

В общем случае, процесс визуализации можно рассматривать как управляемую спецификой решаемой задачи последовательность отображений одних данных в другие. Преимущества в скорости понимания информационной основы визуального сообщения проявляются лишь тогда, когда вся последовательность отображений соответствует некоторому набору правил, учитывающих механизмы взаимодействия разнообразных типов информационных сообщений и потребителя. Эффективными приемами можно считать, например, сокращение или даже устранение этапа передачи информации в виде записей атрибутивных значений, способное многократно ускорить взаимодействие с данными. Очень часто визуализация создает новое или измененное определенным образом представление данных, управляя, в том числе, и приоритетами восприятия наблюдателем поступающих к нему данных. Во всех случаях результатом является сокращение времени понимания. Необходимость создания нового представления возникает и как способ изложения информации, понимание которой обычно требует обладания специализированными знаниями. Так, визуализация процесса нанесения органических покрытий на углеродсодержащие поверхности, использующая перенос традиционных схематических обозначений органических соединений в пространство трехмерной динамической модели, позволила в компактной форме отразить суть рассматриваемого явления даже для неподготовленного зрителя (рис. 1). Важным обстоятельством, существенно меняющим интенсивность понимания, стала возможность непрерывного наблюдения за развитием процесса во времени.

Рис. 1. Визуализация процесса нанесения органических покрытий на
углеродсодержащие поверхности для создания материалов медицинского
назначения. Промежуточное (слева) и конечное (справа) состояние

Правила, регулирующие процесс визуализации, формально могут быть разделены на две группы. Первая отвечает за адекватное сопоставление атрибутов объекта визуализации и получаемого визуального образа. Вторая обеспечивает интерпретацию и анализ информации с применением исключительно визуальных ассоциативных механизмов, обеспечивая наблюдателю доступ не столько к атрибутивным значениям, сколько к содержащемуся в них смыслу. Это в значительной мере является отражением высказывания Ричарда Хамминга, утверждавшего, что «целью вычислений является понимание, а не числа». Визуализация является инструментом, нацеленным именно на ускорение понимания, в том числе анализ информации, обнаружение закономерностей и связей, не существующих в явном аналитическом виде до решения задачи визуализации.

В общем случае, отображение объекта из пространства данных исходной задачи в объект пространства представления являет собой условный перенос признаков элементов одного множества на элементы другого множества, что позволяет определить этот процесс, как метафору визуализации. Условность отображения определена привлечением алгоритмов, типизированных для заданного набора параметров и не связанных со спецификой предметной области (рис. 2).

Рис. 2. Схема процесса решения задачи визуализации

Отображение зависит от ряда факторов, таких как размерность исходных данных, их тип, диапазон изменений, свойства искомого решения и ряда других. В то же время, метафора визуализации, определенная указанным способом, не является однозначным отображением, так как выбор подходящей метафоры происходит с учетом множества субъективных факторов, а также вторичных данных, т.е. данных, не являвшихся атрибутами исходной задачи визуализации и привлеченными в ходе решения. Наличие однозначного обратного отображения или обратной метафоры также не является обязательным и зависит от конкретной задачи.

Использование метафор визуализации может происходить на двух стадиях решения задач визуализации. Первый раз - при переходе от исходных данных к пространству визуальной модели, поэтому будем использовать для этого случая термин пространственная метафора. Второй раз необходимость в применении этого приема возникает на стадии уточнения результатов визуализации, усиления необходимых для решения составляющих, фильтрации избыточных компонет созданного образа и т.д., поэтому оправданным является термин метафора представления. Фактическая роль пространственной метафоры состоит в корректном преобразовании данных решаемой задачи в данные, описывающие элементы пространства визуальной модели. Метафора представления используется как средство, раскрывающее потенциальные преимущества уже примененной пространственной метафоры.

«Обращение к метафоре объясняется не интеллектуальным бессилием человека, а тем, что она способна служить средством получения нового знания, создавая мощное ассоциативное поле с помощью ограниченного диапазона средств выразительности, в частности, образов или символов» [1]. Метафора визуализации или визуальная метафора в полной мере подтверждает справедливость этого утверждения, так как не ограничивает свою роль лишь формальным отображением одного пространства в другое.

Концептуально, использование метафор визуализации может преследовать следующие цели:

· Формулирование некоторого объема фактических знаний с помощью визуально воспринимаемых образов. Создание новой формулировки осуществляется для обеспечения ускоренного понимания информации за счет использования знакомых наблюдателю ассоциативных конструкций.

· Подбор визуального описания для новых понятий, явлений или процессов, не имеющих еще законченного определения, либо «эмпирически недоступных» [1]. В этом случае, когнитивные свойства визуализации проявляются на стадии сопоставления исследуемого понятия и образа объекта, имеющего хорошо воспринимаемые визуальные свойства. Очень удачным выглядит определение метафоры, как «модели совместной игры двух или более концептов» [2].

· Поиск способа систематизации значительного количества информации, в том числе разнородной или явно несвязанной, объединение ее в едином анализируемом визуальном пространстве. Кроме того, являясь значительно более емким способом хранения и передачи информации, дополняемом специфичными лишь для него средствами обозначения зависимостей, аналогий и приоритетов, визуальная метафора становится источником нового научного знания.

Важно отметить, что любая метафора, в том числе и визуальная, наиболее эффективна в том случае, когда способна задать лишь начальную точку для последующего анализа содержащегося в ней сообщения. «Удачная метафора не сообщает новое знание «прямо», а предполагает некие интеллектуальные усилия со стороны слушателя» [3]. В связи с этим, возникают два направления научной визуализации, отличающиеся друг от друга целями и способами взаимодействия с наблюдателем. В первом случае визуальный объект создается как источник заданной информации и должен отвечать требованию однозначности интерпретации с предварительно определенной степенью точности. Здесь проявляется информативные свойства визуализации [4]. Так, на рис.3 отображены пласты земной коры, в которые возможна утилизация вредных жидких отходов. Для обоснования безопасности указанного процесса важно доказать и наглядно продемонстрировать в процессе гидродинамического моделирования, что эти пласты являются пространственно изолированными и переток вредных веществ не является угрозой загрязнения окружающей среды.

Рис. 3. Визуализация сложных геосейсмических данных

В другом случае, визуальный объект, используя заложенный механизм метафорического воздействия, становится причиной когнитивных процессов, для которых фактически обязательным является отсутствие жестких ограничений при возможных толкованиях информационной основы визуализации. Возникает противоречивая ситуация, вызванная тем обстоятельством, что в обоих случаях метафора является неотъемлемой составляющей процесса создания визуального воспринимаемого объекта. В явном виде это затруднение проявляется в задачах получения сложных визуальных образов при отсутствии однозначно распознаваемых систем обозначений. Например, зрительные образы, получаемые при рассмотрении задачи визуализации процессов движения частиц или жидкости, используя различные метафоры представления, требуют различных методов анализа данных (рис. 4). Образы, содержащие независимые данные о плотности (а) и скорости частиц (б), отражая состояние одной и той же системы, могут существенно отличаться, не позволяя наблюдателю использовать интуитивные критерии оценки корректности результатов. Отсутствие формализованных приемов, позволяющих различать такие образы, может привести к неправильной интерпретации смысла исходной информации. Кроме того, ситуация осложняется значительно возросшими за последние годы техническими возможностями, позволяющими создавать визуальные образы с использованием методов, убеждающих зрителей в реальности предоставляемого им изображения, независимо от его содержания. Это позволяет получать весьма успешные результаты в работах по информативной визуализации, однако реалистичность, являясь следствием однозначности интерпретации, часто исключает когнитивную составляющую, заменяя творчески-поисковый механизм объяснения на последовательный перебор допустимых, технически реализуемых вариаций.

а)б)

Рис. 4. Визуализация состояния потока частиц, использующая
различные метафоры представления.

Еще более удивительным является часто встречающееся стремление создателей визуально-информативных источников использовать приемы, снабжающие изображения свойствами реалистичного восприятия. В ситуациях, когда визуальная информация призвана, активно используя метафоричность созданного образа, провоцировать поиск наблюдателем неизвестного ему ранее объяснения увиденного, неуместно примененные инструменты визуализации способны вызывать устойчивые ложные ассоциации.

Одним из обстоятельств, позволяющим визуальным объектам значительно быстрее доносить до наблюдателя смысл заключенной в них информации является сведенное к минимуму традиционное языковое содержание. Это значит, что информационное сообщение, содержащие объем информации больше некоторого значения, опирающееся на языковое описание, может потребовать большего времени для осмысления, нежели то же самое сообщение, но использовавшее не языковые конструкции. Здесь же возникает еще одно важное обстоятельство: понимание смысла информации происходит вне рамок определенного языка, т.к. опирается лишь на визуальные ассоциации, являющиеся частью культурно-образовательного уровня развития наблюдателя. Приемы, используемые визуализацией, во многом похожи на принципы пиктографии – рисуночного способа выражения мысли, передачи и хранения информации. Не обладая возможностью полноценной передачи языковых конструкций, пиктография была замещена буквенным письмом. На современном уровне развития средств мультимедийной коммуникации приемы сохранения и воспроизведения информации, использующие внеязыковые средства, вновь становятся удобными и эффективными. Кроме того, появление новых технологических решений позволяет создавать помимо традиционных схематических приемов и совершенно новые возможности для работы со значительными объемами разнотипной информации.

На стадии перехода от набора предметных данных конкретной задачи к пространству визуальной модели возникает необходимость выбора наиболее уместного способа визуализаци. Одним из критериев выбора, как сказано выше, является скорость интерпретации информации наблюдателем. Разработка приемов, позволяющих уменьшить время, необходимое наблюдателю для понимания визуального сообщения – самостоятельная задача. Одним из самых распространенных приемов является использование уже известных наблюдателю, не требующих дополнительного осмысления визуальных метафор. Кроме того, широко применяется упрощение, схематичность, замена новых объектов на образы, имеющие визуальные свойства аналогичные исследуемым.

Важным фактором, влияющим на выбор необходимого отображения, является время, затрачиваемое на саму процедуру отображения. Технические средства, участвующие в решении задач визуализации, создаваясь как инструменты, сокращающие временные затраты и упрощающие процесс получения визуального образа, в то же время, делают возможным переход к качественно более сложному уровню визуализации и применение методов визуализации к задачам, для которых ранее это было весьма затруднительно. Наиболее существенным влияние фактора временных затрат оказывается в задачах интерактивной визуализации, требующих изменения визуальной модели и полученного с ее помощью визуального образа синхронизированного с поступающими данными [5].

Не менее важной областью использования, наряду с задачами информирования наблюдателя о состоянии исследуемой системы, становится применение визуализации в роли когнитивного инструмента. Обоснованность такого применения визуализации объясняется тем, что визуализация заменяет анализ любых исходных данных, относящихся к решаемой задаче, на исследование визуально воспринимаемых образов, создавая возможности для нахождения аналогий с известными решениями, выявления неявных закономерностей, к которым можно отнести наличие неоднородности данных, существующую или динамически возникающую корреляцию поведения изначально несвязанных переменных, неполноту информации и т.д. Особенно сильно эти возможности проявляются в динамических визуальных моделях, позволяющих быстро обнаруживать отклонения от ожидаемого поведения наблюдаемых величин за счет непрерывного визуального сравнения их значений на близких моментах наблюдения за состоянием системы. Так, в ходе разработки алгоритмов реконструкции трехмерных объектов на основании неполных исходных данных (рис. 5), значения параметров, управляющих работой алгоритма, а также необходимость внесения изменений и дополнений в его работу, определялись на основании анализа полученных изображений [6]. Использование различных метафор представления явилось в этом случае удобным и эффективным средством обнаружения ошибочных решений.

Рис. 5. Анализ процесса реконструкции трехмерного объекта

Нельзя не отметить двойственное влияние растущих возможностей визуализации. С одной стороны, визуализация, а следовательно, и метафора визуализации, может быть применена при решении все более широкого круга задач, как прикладных, так и теоретических. Являясь средством повышающим эффективность использования временного ресурса, визуализация все активнее применяется как в разнообразных предметных задачах, так и в еще более разнородных задачах, для которых еще не выработан язык специализированого описания. С другой стороны, стремление к еще большей эффективности в условиях разнородности задач вызывают создание и новых визуальных метафор. Происходит это обычно при решении узкоспециализированных проблем, а затем, в случае успеха либо иного набора обстоятельств переносится на другие области. Растущее разнообразие визуальных метафор в определенный момент перестает решать свойственную им задачу ускорения понимания наблюдателем информационного сообщения и превращается в обстоятельство, усложняющее это понимание. Примером этого являются тенденции в развитии графических интерфейсов, обеспечивающих взаимодействие пользователя и самых разных устройств. Любой графический интерфейс прежде всего решает задачу эффективного взаимодействия наблюдателя с доступными ему средствами управления при помощи специфичных для этого интерфейса визуальных приемов. Однако, растущее число функций управления, использующих эти приемы в рамках одного графического интерфейса, а также одновременное существование многочисленных вариантов интерфейсов, каждый их которых представляет собой самостоятельную визуальную метафору, способны нивелировать предполагаемую разработчиками эффективность их использования.

Немаловажной особенностью визуализации, точнее, ее информационного аспекта, является потенциальная способность обходить языковой коммуникационный барьер или, по крайней мере, уменьшать его влияние. Эта способность во многом основана на использовании в качестве информационных элементов визуальных объектов, имеющих однозначно определенную визуальную связь с реальными объектами и явлениями. Сейчас возможности создания подобных образно-символьных метафор стали намного богаче, а использование принципа подобия образов расширилось использованием цветовых, фактурных, анимационных и других приемов. Одновременно с этим, происходит неявное постепенное формирование системы общепризнанных обозначений, относящихся к самым разным областям знания. В определенном смысле, можно говорить о построении визуальной терминологии, использующей, в общем случае, в качестве основы образные метафоры и на которое оказывают влияние глобальные процессы информационного обмена. Наличие подобного «визуального языка», имеющего не только символьную природу, но и межязыковую историю создания, способно существенно уменьшить временные затраты на понимание смысла визуального сообщения, что имеет значение как при интернациональном, так и при междисциплинарном обмене информацией. Отдельный интерес представляет создание визуальных метафор для явлений или понятий, не имеющих никаких образных ассоциаций, абстрактных или не получивших еще законченного определения, способного стать отправной точкой для формирования визуальной метафоры, имеющей обоснованную ассоциативную связь с источником.

Таким образом, визуальная метафора, являясь неотъемлемой составляющей процесса визуализации и во многом определяя уместность и эффективность применения методов визуализации при решении конкретной задачи, обязана соответствовать ряду формальных правил, позволяющих значительно сократить прежде всего временные затраты.

· Визуальные метафоры, предназначенные для сообщения необходимой информации, и создаваемые как когнитивный инструмент используют отличающиеся способы взаимодействия с наблюдателем.

· Совокупность примененных для получения визуального образа технических средств, преобразований данных, алгоритмов обработки изображений и т.д. должна определяться исходя из предельно допустимых затрат времени при сохранении необходимой эффективности.

· Визуальная метафора обладает свойствами, позволяющими снизить или, наоборот, усилить влияние языковых, культурных, узкоспециализированных и межнациональных коммуникационных барьеров.

· Существование технических решений, позволяющих использовать и создавать фактически неограниченное число визуальных метафор и их вариаций, способно как решить задачу учета индивидуальных особенностей взаимодействия визуального объекта и пользователя, усиливая тем самым необходимое воздействие, так и может дезориентировать наблюдателя, лишая его возможности правильно интерпретировать поступившую информацию.

Использование постоянно обновляющихся и стремительно развивающихся технических решений в области мультимедиа, направляемое соблюдением этих правил, позволяет относиться к визуализации, как к полезному и эффективному инструменту.

Список литературы

1. Лакофф Дж., Джонсон М. Метафоры, которыми мы живем. М. УРСС, 2004.

2. Авербух В.Л., Метафора интерфейса и метафора визуализации. Какая теория нам нужна? // ГрафиКон'2006, 1-5 июля 2006. Россия. Новосибирск, Академгородок. Труды Конференции. Новосибирск Институт Вычислительной математики и математической геофизики. 2006. Стр. 262-267.

3. Авербух В.Л., К теории компьютерной визуализации // Вычислительные технологии Т. 10, № 4, 2005, стр 21-51.

4. Никитина М. А. О когнитивном потенциале метафоры в научном тексте // Вестник ИГЛУ 2010 №3 URL: http://cyberleninka.ru/article/n/o-kognitivnom-potentsiale-metafory-v-nauchnom-tekste (дата обращения: 10.03.2013)

5. Golodnov, A.V Framing bei der Analyse von Meta-phern (am Beispiel des Metaphernmodells «Staat ist Organismus») [Text] / A.V. Golodnov // Das Wort / Hrsg. Backer I. - Bonn, 2008. - S. 103-114.

6. Леоненко, Л.Л. Метафора и аналогия [Текст] / Л.Л. Леоненко // Известия Уральского государственного университета. - 2006. - № 42. - С. 23-34

7. Захарова А. А. , Шкляр А. В. Построение многокомпонентных визуальных 3D-моделей с использованием разнородных источников информации, на примере создания геологических моделей // Известия Томского политехнического университета. - 2012 - Т. 320 - №. 5 - C. 73-79

8. Захарова А.А., Шкляр А.В. Визуальные модели // Проблемы информатики. – 2011. – №4. – С. 41-47.

9. Захарова А.А., Шкляр А.В. Использование систем частиц для реконструкции трехмерных моделей объектов в условиях недостаточности исходных данных // Проблемы информатики. – 2012. – №4. – С. 63-68.

Visualization Metaphors

A. Zakharova, A. Shklyar

Institute of Cybernetics. National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russian Federation

zaa@tpu.ru, shklyarav@mail.ru

Annotation

This research is aimed to find the probable ways to formalize the visualization metaphors use. The application efficiency of this method is shown for practical tasks solution. Parameters with the relevant visualization and visualization metaphor are selected. The author gives examples illustrating stated assertions. On the basis of the mentioned arguments the general process scheme of visualization problem solution was created; it allows properly estimating and allocating resources (time, manufacture etc). The possibilities of lowering efficiency of visualization metaphor use appeared as a result of incorrect or unconsidered application of this method are discussed in the article. As a result of this paper author formulates the set of rules limiting process of visualization metaphor generation and application that allows using it as a valuable and effective tool.

Key words: 3D-modelling, visualization metaphor, visualization methods, data mining, objects reconstruction, particle system.

References

1. Lakoff Dzh., Dzhonson M. Metafory, kotorymi my zhivem [Metaphors we live by]. M. URSS, 2004.

2. Averbukh V.L., Metafora interfeysa i metafora vizualizatsii. Kakaya teoriya nam nuzhna? [HCI Metaphor and Visualization Metaphor. What Theory Does We Need?] GrafiKon'2006. Conference Proceedings. pp. 262-267.

3. Averbukh V.L., K teorii kompyuternoy vizualizatsii [Toward Theory of Computer]. Vychislitelnye tekhnologii [Visualization Computational Technologies]. V.10, No.4, 2005, pp. 21-51.

4. Nikitina M. A. O kognitivnom potentsiale metafory v nauchnom tekste [Cognitive Potential Of Metaphors In Scientific]. Vestnik IGLU [The ISLU Philological Review]. 2010 №3. Available at: http://cyberleninka.ru/article/n/o-kognitivnom-potentsiale-metafory-v-nauchnom-tekste (March 10, 2013)

5. Golodnov A.V Framing bei der Analyse von Meta-phern (am Beispiel des Metaphernmodells «Staat ist Organismus») [Framing bei der Analyse von Meta-phern (am Beispiel des Metaphernmodells «Staat ist Organismus»)]. Das Wort. Hrsg. Backer I. - Bonn. 2008. - pp. 103-114.

6. Leonenko, L.L. Metafora i analogiya [Metafora and analogy of]. Izvestiya Uralskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of the Ural state university]. - 2006 . - No. 42. - pp 23-34

7. Zakharova A. A. , Shklyar A. V. Postroenie mnogokomponentnykh vizualnykh 3D-modeley s ispolzovaniem raznorodnykh istochnikov informatsii, na primere sozdaniya geologicheskikh modeley [Multicomponent visual 3D modeling with the use of diverse data sources by example of geological modeling]. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta [Bulletin of Tomsk polytechnical university]. - 2012 - V. 320 - No. 5 - pp. 73-79.

8. Zakharova A.A., Shklyar A.V. Vizualnye modeli [Visual models]. Problemy informatiki [Informatics problems]. – 2011. – No. 4. – pp. 41-47.

9. Zakharova A.A., Shklyar A.V. Ispolzovanie sistem chastits dlya rekonstruktsii trekhmernykh modeley obektov v usloviyakh nedostatochnosti iskhodnykh dannykh [Application of particle systems for 3D object models reconstruction in the conditions of base data insufficiency]. Problemy informatiki [Informatics problems]. – 2012. – No. 4. – pp. 63-68.