《數(shù)據(jù)可視化技術(shù)》

課程教學(xué)大綱樣例《數(shù)據(jù)可視化技術(shù)》課程教學(xué)大綱樣例《DataVisualizationTechnology》課程代碼：課程中文名稱：數(shù)據(jù)可視化技術(shù)課程英文名稱：DataVisualizationTechnology課程適用層次：本科總學(xué)時(shí)：64/48學(xué)分： 3/2.5課程的性質(zhì)、任務(wù)（一）課程性質(zhì)《數(shù)據(jù)可視化技術(shù)》是面向計(jì)算機(jī)（大數(shù)據(jù)等）相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，課程總共64/48學(xué)時(shí)，學(xué)分3/2.5分。本課程每周2次課共4節(jié)課時(shí)，學(xué)期內(nèi)總共16周的方式授課。（二）教學(xué)任務(wù)通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解數(shù)據(jù)可視化的核心技術(shù)原理和算法設(shè)計(jì)理念，同時(shí)能夠適應(yīng)新時(shí)代對(duì)大數(shù)據(jù)處理的需要，學(xué)習(xí)和掌握數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的基本編程技能，培養(yǎng)和逐步形成利用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，更好地適應(yīng)社會(huì)和技術(shù)發(fā)展的需要。課程教學(xué)基本內(nèi)容、基本要求及學(xué)時(shí)分配（一）基本內(nèi)容、基本要求第1章緒論教學(xué)內(nèi)容：概念與意義，歷史與演進(jìn)，視覺(jué)與認(rèn)知，數(shù)據(jù)可視化與知識(shí)發(fā)現(xiàn)的關(guān)系。介紹數(shù)據(jù)可視化的概念、意義和作用，系統(tǒng)性地分析數(shù)據(jù)可視化的歷史與演進(jìn)過(guò)程，詳細(xì)闡明了抽象圖形表示、科學(xué)可視化的發(fā)展、統(tǒng)計(jì)圖表的爆發(fā)以及交互可視化與可視化分析等的概念和方法，使得學(xué)習(xí)者對(duì)數(shù)據(jù)可視化的概念和意義有了一個(gè)系統(tǒng)性了解。重點(diǎn)：什么是數(shù)據(jù)可視化，數(shù)據(jù)可視化的意義和作用。難點(diǎn)：科學(xué)可視化的發(fā)展，交互可視化、信息可視化與可視化分析?；疽螅毫私鈹?shù)據(jù)可視化的概念、意義和作用及其歷史與演進(jìn)過(guò)程。第2章可視化的圖形基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容：圖形渲染：概念、方式、應(yīng)用示例，顏色與光照，視角：虛擬相機(jī)、坐標(biāo)系、坐標(biāo)變換，透明度與色彩合成。重點(diǎn)：了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，為圖像可視化特別是體數(shù)據(jù)可視化進(jìn)行基礎(chǔ)知識(shí)準(zhǔn)備。難點(diǎn)：了解渲染過(guò)程中的顏色、光照、視角、坐標(biāo)變換、透明度與色彩合成等內(nèi)容構(gòu)成了圖形渲染所需要考慮的基本要素?；疽螅赫莆栈镜念伾⒐庹?、視角、坐標(biāo)變換、透明度知識(shí)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：課后習(xí)題二第3、4題。第3章可視化原理與過(guò)程教學(xué)內(nèi)容：可視化場(chǎng)景：建模方法、場(chǎng)景與演員、圖形硬件，可視化模型：數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)濾波、可視化處理，可視化管線：概念、管線視圖、通過(guò)管線選取濾波器。重點(diǎn)：管線模型是實(shí)現(xiàn)三維可視化的一種通用作法，它通過(guò)管線來(lái)組織可視化過(guò)程中的各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的輸入、數(shù)據(jù)濾波模型的選取和連接、場(chǎng)景建模和數(shù)據(jù)映射等可視化處理過(guò)程。難點(diǎn)：管線模型是進(jìn)行可視化過(guò)程中的核心部分，應(yīng)結(jié)合可視化數(shù)據(jù)及展示效果等因素，選取適當(dāng)且彼此相兼容的管線內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，如此就能實(shí)現(xiàn)豐富多彩的可視化顯示結(jié)果?；疽螅毫私夤芫€模型的理念及其使用方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：課后習(xí)題三第3、4題。第4章可視化數(shù)據(jù)表示教學(xué)內(nèi)容：可視化數(shù)據(jù)表征：模型與數(shù)據(jù)、采樣與插值、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征，可視化圖元：數(shù)據(jù)集、圖元模型、全局坐標(biāo)與局部坐標(biāo)，數(shù)據(jù)集分類：數(shù)據(jù)集建模、結(jié)構(gòu)化坐標(biāo)、圖元鑲嵌。重點(diǎn)：點(diǎn)-圖元方法是實(shí)現(xiàn)非規(guī)則數(shù)據(jù)可視化，可以結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行可視化數(shù)據(jù)及其顯示的定制，具有更為廣泛的適用性。難點(diǎn)：可視化圖元模型的引入，使得可視化系統(tǒng)的坐標(biāo)體系在原有的全局坐標(biāo)基礎(chǔ)上，還可以結(jié)合圖元的特點(diǎn)進(jìn)行局部坐標(biāo)的設(shè)置，以及數(shù)據(jù)集的特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化坐標(biāo)的設(shè)置。基本要求：掌握可視化數(shù)據(jù)具有維度的特征、拓?fù)涮卣骱蛶缀翁卣鞯忍攸c(diǎn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：課后習(xí)題四第4、5、6題。第5章可視化算法設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容：標(biāo)量可視化：顏色對(duì)照、輪廓表示、標(biāo)量生成，向量可視化：有向圖、向量場(chǎng)、流體運(yùn)動(dòng)，張量可視化：流線形張量、線形張量、橢球形張量。重點(diǎn)：重點(diǎn)掌握標(biāo)量數(shù)據(jù)的可視化，它也往往代表了質(zhì)量、溫度等最大多數(shù)有意義的量值。難點(diǎn)：向量可視化可以以向量場(chǎng)、線條圖、流線圖等方式展現(xiàn)出與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的可視化數(shù)據(jù)，代表了不同算法所實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)可視化效果。張量可視化則代表了最為熱門的研究方向和領(lǐng)域，其中超流線表示法、線形張量、橢球形張量等代表了不同的可視化方法?；疽螅耗軌蜻M(jìn)行標(biāo)量、向量可視化解決實(shí)際問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：課后習(xí)題四第4、5、6題。第6章可視化建模技術(shù)教學(xué)內(nèi)容：隱函數(shù)方法：隱函數(shù)輪廓、二項(xiàng)式隱函數(shù)、隱函數(shù)組合成像，算法模型：隱式建模、模底凸生、圖符表示，數(shù)據(jù)選?。簲?shù)據(jù)提取、圖形剪切、圖元選取。重點(diǎn)：了解可視化建模過(guò)程中的一些建模方法和算法的運(yùn)用，學(xué)習(xí)隱函數(shù)建模方式，其核心思想是通過(guò)隱函數(shù)構(gòu)成等值輪廓。難點(diǎn)：隱式建模、模底凸生、圖符表示、數(shù)據(jù)選取等多種技術(shù)?；疽螅夯镜碾[式建模技術(shù)及其應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：課后習(xí)題六第2、3、4題。第7章圖像處理技術(shù)教學(xué)內(nèi)容：圖像數(shù)據(jù)表示：紋理貼圖、圖像生成、圖像合成，圖像平滑處理：圖像修復(fù)、圖像噪聲、非線性平滑，圖像頻譜分析：圖像亞采樣、圖像衰減、圖像頻域變換。重點(diǎn)：圖像的數(shù)據(jù)表示方法、紋理貼圖、圖像生成與合成的相關(guān)知識(shí)，進(jìn)而學(xué)習(xí)圖像平滑處理的相關(guān)技術(shù)和圖像頻譜分析方法。。難點(diǎn)：噪聲是數(shù)字圖像處理中必不可少的一環(huán)，通過(guò)高斯平滑方法和非線性平滑方法，有望實(shí)現(xiàn)降噪甚至圖像噪聲的消除。另一類圖像處理過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)是關(guān)于瑕疵和走樣等特殊問(wèn)題的處理，可以考慮采用低通濾波器來(lái)減少圖像的走樣。基本要求：掌握?qǐng)D像平滑處理和頻譜分析基本方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：課后習(xí)題七第3、4、5題。第8章體可視化教學(xué)內(nèi)容：通過(guò)表面繪制形體：平面扭曲、表面光滑、三角條帶化，形體繪制中點(diǎn)集的運(yùn)用：密集點(diǎn)云繪制、點(diǎn)集噴繪、表面數(shù)據(jù)抽取與形體壓縮，繪制體數(shù)據(jù)：體數(shù)據(jù)的繪制、圖像序體繪制、對(duì)象序體繪制。重點(diǎn)：了解形體的繪制包括表面繪制、點(diǎn)集處理與繪制、以及體數(shù)據(jù)的繪制等幾個(gè)方面。難點(diǎn)：點(diǎn)集噴繪、形體壓縮、以及光線追蹤算法等與空間形體繪制有關(guān)的技術(shù)和方法。基本要求：能夠利用體繪制方法和點(diǎn)云技術(shù)實(shí)現(xiàn)基本的形體繪制。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：課后習(xí)題八第4、5、6題。第9章PythonTurtle繪圖教學(xué)內(nèi)容：Python環(huán)境配置，PythonTurtle繪圖，循環(huán)、封裝和泛化。重點(diǎn)：了解Python的virtualenv環(huán)境、virtualenwrapper環(huán)境的安裝，學(xué)習(xí)Turtle的主要功能，通過(guò)繪圖實(shí)例展示了Turtle繪圖的基本環(huán)節(jié)，針對(duì)重復(fù)的代碼，。難點(diǎn)：通過(guò)循環(huán)、自定義函數(shù)、封裝和泛化對(duì)代碼進(jìn)行簡(jiǎn)約，提高程序的可讀性和可維護(hù)性?；疽螅赫莆誘urtle繪圖的基本用法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：課后習(xí)題九第2、3題。第10章Python2D繪圖教學(xué)內(nèi)容：產(chǎn)生向量，Python繪圖的原理：Python繪圖的原理、Matplotlib函數(shù)、日期數(shù)據(jù)的處理、Bar柱狀圖、Pie餅圖、stackPlot堆疊圖、散點(diǎn)圖、Box圖、多子圖。重點(diǎn)：Matplotlib常見(jiàn)的2D繪圖原理，即通過(guò)Matplotlib的Path對(duì)象和Patch對(duì)象繪制2D區(qū)域的路徑以及進(jìn)行路徑的填充，即通過(guò)點(diǎn)、線、面繪制各種2D圖形。難點(diǎn)：Matplotlib常見(jiàn)的2D繪圖函數(shù)，通過(guò)調(diào)用2D繪圖函數(shù)繪制常見(jiàn)的折線圖、柱狀圖、餅圖、堆疊圖、散點(diǎn)圖、最后介紹了Matplotlib的多子圖繪制?；疽螅豪肕atplotlib進(jìn)行常見(jiàn)的2D繪圖。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：課后習(xí)題10第3-6題。第11章Python3D教學(xué)內(nèi)容：使用Matplotlib庫(kù)的3DAxes對(duì)象，OpenGL3D繪圖。重點(diǎn)：Matplotlib的3DAxes繪制3D圖形，其中3D曲線要求X軸、Y軸輸入一維列表，3D曲面要求X軸、Y軸輸入二維列表。難點(diǎn)：通過(guò)參數(shù)方程、柱面方程、球面方程繪制3D曲線、曲面。然后通過(guò)Mayavi支持OpenGL三維圖形?；疽螅耗軌蚴褂肕atplotlib的3DAxes繪制3D圖形。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：課后習(xí)題11第1-2題。第12章地圖可視化教學(xué)內(nèi)容：Basemap，Cartopy，Geopandas，Pyecharts。重點(diǎn)：Python地圖可視化的Basemap庫(kù)，Basemap支持聯(lián)網(wǎng)下載地圖和讀取本地shp文件兩種常見(jiàn)的方式顯示地圖，shp文件的優(yōu)勢(shì)是可以顯示更加精確的地圖。難點(diǎn)：Cartopy可以使用四種投影方式展示地圖，相比Basemap，Cartopy對(duì)于Python3支持更好。GeoPandas繪圖地圖的方式類似Pandas?；疽螅耗軌蚴褂肂asemap和Pyecharts進(jìn)行地圖繪制。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：課后習(xí)題12第1-3題。第13章Manim教學(xué)內(nèi)容：Manim，體驗(yàn)Manim，相關(guān)對(duì)象。重點(diǎn)：介紹Manim的基本功能和安裝步驟，Manim基于FFmpeg、Sox、Pycario和Latex庫(kù)?；疽螅篗anim主要包括位置相關(guān)函數(shù)、播放動(dòng)畫(huà)、顏色設(shè)置、大小縮放、同步動(dòng)畫(huà)、文本類、文本數(shù)組類、基礎(chǔ)動(dòng)畫(huà)類Scene、二維坐標(biāo)類GraphScene、Latex文本類TextMobject以及二維圖形類的點(diǎn)、圓形、環(huán)、長(zhǎng)方形、方形、橢圓、弧、線等對(duì)象。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：課后習(xí)題13第3-4題。（二）學(xué)時(shí)分配（實(shí)際授課時(shí)可結(jié)合專業(yè)需要和課時(shí)安排適當(dāng)刪減，并調(diào)整學(xué)時(shí)分配）編號(hào)內(nèi)容學(xué)時(shí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)小計(jì)1第1章緒論4042第2章可視化的圖形基礎(chǔ)2243第3章可視化原理與過(guò)程4264第4章可視化數(shù)據(jù)表示4265第5章可視化算法設(shè)計(jì)4266第6章可視化建模技術(shù)4267第7章圖像處理技術(shù) 4268第8章體可視化4269第9章PythonTurtle繪圖22410第10章Python2D繪圖 22411第11章Python3D22412第12章地圖可視化22413第13章Manim224合計(jì)402464三、課程內(nèi)容的重點(diǎn)、難點(diǎn)重點(diǎn)內(nèi)容：可視化的圖形基礎(chǔ)，可視化原理與過(guò)程，可視化數(shù)據(jù)表示，可視化算法設(shè)計(jì)，可視化建模技術(shù)，圖像處理技術(shù)，體可視化。難點(diǎn)內(nèi)容：可視化算法設(shè)計(jì)，可視化建模技術(shù)，圖像處理技術(shù)，體可視化。四、教學(xué)與考核方式（一）教學(xué)方式本課程以課堂講授為主，分為理論課和實(shí)驗(yàn)課兩類，其中實(shí)驗(yàn)課約占總學(xué)時(shí)的三分之一。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，靈活運(yùn)用問(wèn)題式和討論式等教學(xué)方法組織課堂教學(xué)。實(shí)驗(yàn)課采取知識(shí)講解與學(xué)生實(shí)踐相結(jié)合的方法授課，引導(dǎo)學(xué)生攻克學(xué)習(xí)難關(guān)和培養(yǎng)靈活運(yùn)用的能力。加強(qiáng)課外作業(yè)訓(xùn)練和課外輔導(dǎo)答疑工作，及時(shí)為學(xué)生析疑解難，從而增強(qiáng)學(xué)生們學(xué)習(xí)可視化技術(shù)的興趣和