本书以设计思维与可视化作为切入点，立足迎合新工科建设对创新人才培养的目标，依托数据可视化课程做一些积极探讨，撰写一本能够有效支撑该课程的新型教材。本书首先在数据可视化的定义、历史和数据建模等的基础上，进一步介绍针对不同数据形态（如文档、音视频、时空数据、图和层次数据、高维数据等）的具体可视化技术及研究前沿；然后介绍设计思维的定义及相关模型；最后通过不同领域的案例演示如何将设计思维的理念用于具体的可视系统的设计与实现中。
本书可作为高等院校计算机、软件工程专业高年级本科生、研究生的教材，也可作为对可视化和可视设计比较熟悉且对设计思维有兴趣的开发人员、广大科技工作者和研究人员的参考用书。

本书由浅入深，从数据可视化的基本概念开始，再展开介绍不同模态数据的可视分析方法以及人工智能可解释性、沉浸式可视化等前沿技术，最后通过相关案例展示具体应用，循序渐进的帮助读者登堂入室，掌握和灵活运用数据可视化的知识。
本书将设计思维的理念与数据可视化相结合，让学生更好的理解可视分析方式的设计过程，作为一种沟通语言帮助学生在这个过程中培养协作能力、帮助培养学生的思考和辩论能力等。
在编写过程中侧重于实践应用，通过具体案例讲授如何基于设计思维的理念进行各种可视分析系统的设计，通过原理与实践案例的结合，由浅入深地导入可视化的概念和方法，降低入门的难度。

习近平总书记在党的二十大报告中指出: 教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略，这三大战略共同服务于创新型国家的建设。报告同时强调: 推动战略性新兴产业融合集群发展，构建新一代信息技术、人工智能、生物技术、新能源、新材料、高端装备、绿色环保等一批新的增长引擎。而信息技术与经济社会的交汇融合引发数据迅猛增长，数据已成为国家基础性战略资源。大数据正日益对全球生产、流通、分配、消费活动以及经济运行机制、社会生活方式和国家治理能力产生重要影响。数据正在变得无处不在、触手可及。相对应地，理解数据并提取其价值将其可视化的能力则成为一种稀缺服务。
我近20年的研究生涯一直围绕着计算机图形学、可视化展开，在这个过程中也受到很多大师经典著作的启蒙和引导，既有国内的，也有国外的。在这么多年的研究生涯中，我感受颇深的是计算机图形学、可视化真的是计算机科学中非常严谨又很有艺术性的一个领域。无论在图形学还是可视化的国内外旗舰会议上都可以见到其跟艺术的紧密结合，各种不同的艺术展穿插其中，向观众呈现美妙的视觉盛宴。而在教学过程中，我的授课对象也以数字媒体技术/艺术专业学生为主，他们兼具计算机和艺术方面的背景知识，在与他们的授课交流中我也感受到他们对这个方向的热爱，同时他们也给我带来一些不同的灵感和启迪。在多年进行相关研究、讲授相关课程的实践中，我看到，在讲授时适当融入设计和艺术的相关思维的必要性。设计思维体现了设计者探究设计挑战以及创造性解决设计难题而进行的一系列连续思考和行动的过程，作为一种新的理念，设计思维契合当前世界对创新人才培养的需求，在学生的培养过程中引入设计思维的概念有助于实现我国教育范式的转变。而现有的教材很少体现这种设计相关思维，对老师和学生缺乏相应的引导。编写本书的动机就是为师生学习的时候提供这样的引导。
本书由三部分14章构成: 第一部分（1～8章）为数据可视化基础理论，主要对数据可视化和设计思维的基本情况以及它们之间的关系进行阐述；针对不同的数据类型，结合其特点介绍具体的可视化手段和可视分析的方法；第二部分（9～11章）对设计思维的提出、特点、工具以及常见的设计思维模型进行介绍，对设计思维本身的可视呈现的方法与研究进行阐述；第三部分（12～14章）为设计思维驱动的可视分析方法，主要结合作者的研究背景和领域热点，选取若干典型案例，示范如何运用设计思维理念设计相应的可视分析系统。
限于时间和编著者水平，本书错误、疏漏之处在所难免，敬请谅解。

编者2024年12月

第 一 部 分
第1章数据可视化概述31.1数据可视化的定义3
1.2数据可视化的形态及演化4
1.3数据可视化的研究领域9
1.3.1科学可视化9
1.3.2信息可视化10
1.3.3可视分析10
1.4感知与信息处理11
1.4.1感知处理模型11
1.4.2人类视觉12
1.4.3色彩14
1.5数据可视系统设计与评测16
1.5.1数据可视系统设计16
1.5.2数据可视系统评测22
第2章数据基础26
2.1概述26
2.2数据类型27
2.2.1基本数据类型27
2.2.2数据集类型28
2.3属性类型31
2.3.1用于分类的属性类型31
2.3.2用于排序的属性类型: 定性与定量32
2.3.3具有层次结构的属性32
2.4语义33
2.4.1键与值的语义33
2.4.2时间的语义352.5数据预处理36
2.5.1数据清洗36
2.5.2数据集成36
2.5.3数据转换36
2.5.4数据规约37
第3章多模态数据可视化38
3.1概述38
3.2文本和文档可视化38
3.2.1文档相似性可视化39
3.2.2文档内容可视呈现47
3.2.3文本情感可视分析56
3.2.4文档探索技术58
3.3图像可视化60
3.4视频可视化62
3.4.1视频内容可视分析62
3.4.2视频情感可视分析65
3.5音频可视化65
3.5.1面向音乐作品的可视分析65
3.5.2面向音乐集的可视分析69
3.5.3面向音乐家的可视分析70
3.5.4面向乐器的可视分析71
目录〖3〗第4章时空数据可视分析73
4.1概述73
4.2空间标量场可视化74
4.3空间向量场可视化77
4.3.1直接的可视化方法77
4.3.2向量场聚类与可视化79
4.3.3基于几何的可视化方法79
4.3.4基于纹理的可视化方法82
4.4空间张量场可视化85
4.4.1张量图示符85
4.4.2基于几何的方法87
4.4.3基于纹理的方法88
4.4.4基于拓扑的方法89
4.5时空轨迹可视化92
4.5.1交通轨迹可视分析93
4.5.2运动轨迹可视分析100
第5章图和层次数据可视化104
5.1背景知识104
5.1.1图的定义和分类105
5.1.2图的预处理105
5.2图的可视表示106
5.2.1静态图的可视表示106
5.2.2动态图的可视表示117
5.3图可视化中的交互130
5.3.1视图交互130
5.3.2可视抽象交互130
5.3.3数据交互131
5.4图分析132
5.4.1图结构分析132
5.4.2图比较133
第6章高维数据可视分析134
6.1概述134
6.2数据变换134
6.3可视映射136
6.4用户交互138
第7章沉浸式可视分析141
7.1概述141
7.2多感知沉浸式分析142
7.2.1视觉感知142
7.2.2听觉感知144
7.2.3触觉感知144
7.2.4嗅觉和味觉感知145
7.3面向沉浸式分析的交互146
7.3.1触摸交互146
7.3.2实体交互146
7.3.3笔式交互146
7.3.4手势交互147
7.3.5凝视交互147
7.3.6物理漫游147
7.4协作沉浸式分析148
7.4.1定义与分类148
7.4.2共位置同步协作148
7.4.3分布式同步协作150
7.4.4分布式异步协作150
7.4.5共位置异步协作151
7.4.6混合存在协作152
第8章人工智能与可视分析153
8.1概述153
8.2面向人工智能的可视化153
8.2.1数据质量改善154
8.2.2特征工程155
8.2.3模型机理解释156
8.3人工智能驱动的可视化162
8.3.1数据处理162
8.3.2数据映射162
8.3.3交流见解163
8.3.4风格迁移163
8.3.5交互163
8.3.6解读163
8.3.7用户画像165
第 二 部 分
第9章设计思维简介1699.1概述169
9.1.1设计170
9.1.2思维170
9.2设计思维的提出174
9.3设计思维的特点176
9.4设计思维的应用178
9.4.1生物医学仪器课程中的设计思维实践178
9.4.2应用设计思维制作游戏控制器原型180
第10章设计思维模型与实施184
10.1设计思维模型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双钻模型189
10.1.7模型比较190
10.2设计思维实施191
10.2.1发现191
10.2.2解释192
10.2.3构思193
10.2.4实验194
10.2.5迭代195
10.3工具和方法195
10.3.1人物画像196
10.3.2利益相关者地图196
10.3.3用户体验地图197
10.3.4服务蓝图198
10.3.5商业模式创新199
10.3.6快速原型200
第11章设计思维可视化201
11.1可视设计思维201
11.1.1增强设计思维的动态图201
11.1.2用于设计思维教学的思考地图203
11.2基于绘图的设计思维可视化205
11.2.1绘图作为一种思考方式205
11.2.2地图作为解释对象210
11.2.3地图的沟通方式213
11.3基于链接表记的设计思维可视化215
11.3.1概述215
11.3.2什么是链接表记217
11.3.3链接表分析226
第 三 部 分
第12章交通大数据可视分析23112.1概述231
12.2静态交通网络可视化起源232
12.3交通大数据可视化技术234
12.3.1地理信息可视化形式234
12.3.2交通大数据的属性可视化237
12.3.3交通大数据的可视分析243
12.4案例: 交通预测中的可塑面积单元问题245
12.4.1发现阶段245
12.4.2解释阶段246
12.4.3构思阶段247
12.4.4实验阶段251
12.4.5迭代阶段253
第13章三维建模工作流可视分析与应用261
13.1概述261
13.2三维建模工作流可视分析262
13.2.1网格构建序列可视化262
13.2.2网格编辑工作流的连续总结265
13.2.3数字雕刻工作流的统计分析270
13.3三维建模工作流管理275
13.3.1基于连续模型序列的建模过程反推275
13.3.2MeshGit: 多边形网格的差异比较和操作合并277
13.3.3SceneGit: 三维场景的差异比较和操作合并280
13.4三维建模工作流应用282
13.4.1基于编辑历史共享和重新定向的协作式建模282
13.4.2基于工作流历史的三维模型视图创作284
13.4.3三维数字雕刻的自动补全287
13.5案例: 创意支持的三维室内配色288
13.5.1发现阶段288
13.5.2解释阶段289
13.5.3构思阶段291
13.5.4实验阶段292
13.5.5迭代阶段298
第14章教育知识可视化316
14.1概述316
14.2知识可视化基础316
14.2.1知识可视化模型319
14.2.2知识可视化与信息可视化320
14.2.3知识可视化在知识管理中的应用321
14.3可视化技术辅助的教学过程323
14.3.1结合层次概念图和动态非线性学习计划的教育系统323
14.3.2面向初学者的Web端C程序可视化325
14.3.3帮助学习历史的可视分析系统326
14.4大规模在线开放课程数据可视分析327
14.4.1MOOC学习序列可视分析328
14.4.2面向在线题库的交互式学习路径规划328
14.4.3面向在线问题求解动力评估的可视化分析331
14.5科学图谱绘制332
14.5.1相关理论和技术334
14.5.2基于主题和引文网络的研究论文可视化336
14.5.3借助可视分析促进学术文献中的偶然发现338
14.5.4探索学科交叉和演化情况339
14.6案例: 面向主动学习的解释性可视化框架340
14.6.1发现阶段341
14.6.2解释阶段341
14.6.3构思阶段342
14.6.4实验阶段342
14.6.5迭代阶段344