（计算机应用技术专业论文）windows运行过程的可视化研究.pdf

p 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：空垫堑 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：窖立冽导师签名：哩蚴 期：型：丝 l p ， _ ， 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 相关工作和研究现状2 1 3 主要工作及章节安排3 第2 章可视化与操作系统可视化5 2 1 可视化简介5 2 2 可视化的分类5 2 2 1 科学计算可视化6 2 2 2 数据可视化6 2 2 3 信息可视化7 2 2 4 知识可视化8 2 2 5 信息可视化与知识可视化的比较8 2 3 操作系统过程可视化1 0 2 3 1 提取关键状态l o 2 3 2 用于线程调度可视化的数据描述1 1 2 4 本章小结1 2 第3 章操作系统各实体的可视化方法研究1 3 3 1 线程调度过程中涉及到的状态和队列1 3 3 2 操作系统各实体的可视化方法1 4 3 3 操作系统各实体在可视化系统中的数据结构描述1 7 3 4 本章小结2 l 第4 章操作过程的可视化实例2 3 4 1 实验条件2 3 4 2 线程调度实例2 3 4 2 1w i n d o w s 中的线程调度策略2 3 4 2 2 线程调度过程中操作过程的可视化方法2 5 4 3 可视化效果展示2 6 4 4 本章小节2 8 第5 章总结及展望2 9 参考文献3 0 l ii 东大学硕士学位论文 致谢3 4 攻读硕士学位期间发表的论文3 5 攻读硕士学位期间参与的项目3 6 山东大学硕士学位论文 t a b l eo fc o n te n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e 】 a b s t r a c ti ne n g l i s h c h a p t e rli n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e l 1 2r e l a t e dw b r ka n dc u r r e n ts t a t e 2 1 3m a i nw r o r k sa n da r r a n g e m e n t 3 c h a p t e r2v i s u a l i z a t i o na n do p e r a t i n gs y s t e mv i s u a l i z a t i o n 5 2 1i n t r o d u c t i n oo f v i s u a l i z a t i o n ，5 2 。2k i n d so f v i s u a l i z a t i o n 5 2 2 1v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p i n i n g 6 2 2 2d a t av i s u a l i z a t i o n 6 2 2 3i n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n 7 2 2 4k n o w l e d g ev i s u a l i z a t i o n 8 2 2 5d i f f e r e n c e sb e t w e e ni n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o na n dk n o w l e d g e v i s u a l i z a t i o n 8 2 3o p e r a t i n gs y s t e mv i s u a l i z a t i o n 1 0 2 3 1e x a c t i o no f k e ys t a t e s 1 0 2 3 2d a t ad e s c r i p t i o nf o rv i s u a l i z a t i o n 1 1 2 4c o n c l u s i o n s 。1 2 c h a p t e r3r e s e a r c ho nv i s u a l i z a t i o nm e t h o d sf o ro p e r a t i n gs y s t e m e n t i t i e s 13 3 1s t a t e sa n dq u e u e si nt h r e a ds c h e d u l i n gp r o g r e s s 1 3 3 2v i s u a l i z a t i o nm e t h o d sf o ro p e r a t i n gs y s t e me n t i t i e s 1 4 3 3d a t as t r u c t u r e so fo p e r a t i n gs y s t e me n t i t i e si nv i s u a l i z a t i o ns y s t e m 17 3 4c o n c l u s i o n s 2 1 c h a p t e r4e x a m p l e sf o ro p e r a t i o np r o c e s s 2 3 4 1e x p e r i m e n te n v i r o n m e n t 。2 3 4 2e x a m p l e sf o rt h r e a ds c h e d u l i n gp r o g r e s s 。2 3 4 2 1t h r e a ds c h e d u l i n gs u a t e n e si nw i n d o w sw i n d o w s 2 3 4 2 2v i s u a l i z a t i o nm e t h o d sf o ra c t i v i t i e si nt h r e a ds c h e d u l i n gp r o g r e s s 2 5 4 3e x h i b i t i o no f v i s u a l i z a t i o ns y s t e m 2 6 4 4c o n c l u s i o n s 2 8 c h a p t e r5s u m m a r ya n dp r o s p e c t 2 9 r e f e r r a n c e 3 0 山东大学硕士学位论文 a c k n o w l e d g e m e n t s 3 4 r e l a t e dp a p e r s 3 5 r e l a t e dp r o j e c t s 3 6 山东大学硕士学位论文 摘要 操作系统是计算机科学的重要学科，研究操作系统对于理解计算机的工作原 理和将计算机更好的应用于生产和生活都具有重要意义。然而，由于操作系统包 含许多复杂而抽象的概念和算法，使得对操作系统的研究面临许多困难。传统的 研究方法仅限于理论的学习和探索，缺乏合适的研究工具使研究者对抽象的理论 产生直观的认识，很难理解操作系统的真实执行过程。 近年来，可视化技术发展迅速，使得它在提高人类认知能力方面发挥着越来 越重要的作用。如今它已深入到地理、医疗软件开发、教育等各领域，并且与网 络信息搜索、软件可视化、数据挖掘等方向结合，具有更广泛的研究及应用价值， 本文重点在于探索和展示如何将信息可视化应用于操作系统的教学与研究。本文 以内核运行时获得的真实数据为基础，并以内核函数和数据结构为主体进行可视 化，针对系统在某段时间内相对完整的一个执行过程，直观地可视化出此过程中 各种关键操作的执行细节。文章主要内容如下： 1 、从可视化的基本理论出发，介绍可视化近年来的发展和应用现状，着重 介绍信息可视化的概念、内涵和关键问题，在此基础上探讨操作系统可视化不同 于普通软件可视化的特殊性，分析要考虑的关键问题，给出操作系统运行过程可 视化的总体工作流程。 2 、结合w i n d o w s 源码中各实体的数据结构，介绍了各实体的主要属性和操 作的可视化方法，给出了操作系统各种主要操作的数据描述，重点介绍如何合理 直观地表现各实体的真实状态和协作过程，并给出了c p u 、外设和队列等的可视 化实例。采用动态直观的动画效果展现了线程插入队列、从队列中删除等操作的 执行细节，同时展示了这些操作过程中操作系统内核函数的调用过程和中断处理 过程。 3 、以线程调度过程为例，结合一段时间内w i d o w s 的执行过程，展现这段时 间内操作系统线程调度的真实过程，提供了几个不同时刻的可视化实例，证实了 以可视化方法表现操作系统真实运行过程的可行性，给出了探索操作系统可视化 的一般思路和方法。 文章最后对当前工作进行了总结，分析了不足之处并展望了操作系统关键过 l i i 东大学硕士学位论文 程可视化下一步的工作重点和发展前景。从本文最后给出的可视化效果展示可 知，结合内核运行时真实数据以关键函数和数据结构为重点的过程可视化，可以 从源码出发实现对所跟踪过程以及相应数据结构、算法的深层次理解，且可视化 结果真实可信，具有进一步研究和开发的意义。 关键词：操作系统；内核；w in d o w s ；可视化 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p e r a t i n gs y s t e mi sa l li m p o r t a n ts u b j e c to fc o m p u t e rs c i e n c e ，r e s e a r c h i n go n t h i ss u b je c ti sv e r yi m p o r t a n tf o ru st ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s m so fo p e r a t i n g s y s t e ma n dd o t h e c o m p u t e rr e s e a r c h h o w e v e r , b e c a u s et h i ss u b je c ti n v o l v e s t h e o r e t i c a lc o n c e p t sa n dc o m p l e xm e c h a n i s m s ，w eu s u a l l yh a v et op a yal o to ft i m et o g a i naf u l lu n d e r s t a n d i n gb e c a u s eo fi t sa b s t r a c t i o n t h et r a d i t i o n a lm o d e l ，i nw h i c h t h el e c t u r e rf o l l o w sat e x t b o o k ，p r e p a r e sa n de x h i b i t ss l i d e s ，a n dp r e s e n t ss o m e t h e o r e t i c a le x e r c i s e s ，i sn o te n o u g ht oa s s u r eap r e c i s ec o m p r e h e n s i o no fw h a ti sb e i n g t a u g h t t h ep r o b l e mi sd u et ob o t ht h et e a c h i n gm o d e la n dt h el a c ko fa p p r o p r i a t e t o o l sc a p a b l eo ft r a n s l a t i n gt h et h e o r yb e i n gp r e s e n t e di n t oam o r ep r a c t i c a lr e a l i t y a n dw i t h o u tap r a c t i c a lv i s i o nt h es t u d e n t st e n dt ol o s et o u c ha n dj u s t “f l o a t ”a r o u n d t h ei n t r o d u c e dc o n c e p ma n dm e c h a n i s m sw i t h o u tg a i n i n gar e a l i s t i cg r a s po fw h a ti s r e a l l yg o i n g o n i nr e c e n ty e a r s ，v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p sf a s ta n ds h o w so b v i o u s a d v a n t a g e si ni m p r o v i n gt h eh u m a nc o g n i t i v ea b i l i t i e s i t sa l r e a d yu s e di nm e d i c i n e ， g e o g r a p h y 、h e a l t hc a r e 、s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 、e d u c a t i o na n ds oo n ，i ti sc o m b i n e d 、 ，i mi n t e m e ti n f o r m a t i o ns e a r c h 、s o f t w a r ev i s u a l i z a t i o n 、d a t am i n i n g t h em a i n p u r p o s eo ft h i sp a p e ri st op r e s e n th o wt ou s ei n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o ni nt e a c h i n g a n dr e s e a r c h i n go f o p e r a t i n gs y s t e m s w eu s ev i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ek e m e lf u n c t i o n sa n dd a t as t r u c t u r e sb a s e d o nt h er e a ld a t ac o l l e c t e df r o mt h er u n n i n go s w ep r e s e n tt h eo p e r a t i n gp r o c e s s d e t a i l sv i s u a l l y t h em a i np o i n t so ft h i sp a p e ra r es h o w e da sf o l l o w s ： 1 、i l l u s t r a t et h et h e o r i e so fv i s u a l i z a t i o n ，p r e s e n ti t sd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n o ft h er e c e n t y e a r s e m p h a s i z et h ec o n c e p t sa n dk e yp o i n t s o fi n f o r m a t i o n v i s u a l i z a t i o na n dd os o m er e s e a r c ho nt h ed i f f e r e n c e so fo sv i s u a l i z a t i o na n dn o r m a l s o f t w a r ev i s u a l i z a t i o n p r e s e n tan o r m a la n d p r a c t i c a la p p r o a c h o nt h eo s v i s u a l i z a t i o n i i i 山东大学硕士学位论文 2 、a c c o r d i n gt ot h ed a t as t r u c t u r e so fe v e r ye n t i t i e sd e f i n e di n t h ew i n d o w s s o u r c ec o d e s ，w es h o wt h ev i s u a l i z a t i o nm e t h o d so ft h ep r o p e r t i e sa n df u n c t i o n so f t h e m ，a n dw ed e f i n es o m ed e s c r i p t i o n so ft h ef u n c t i o n so fo st om a k ei te a s i e rt o r e a l i z eo u rv i s u a l i z a t i o ns y s t e m t h i sp a p e ra l s og i v e ss o m ev i s u a l i z a t i o ne x a m p l e s s u c ha sc p u ，e x t e r i o rh a r d w a r e 3 、t a k i n gt h ep r o g r e s so ft h r e a ds c h e d u l i n ga s a l l e x a m p l e ，w eu s et h i s v i s u a l i z a t i o ns y s t e mt os h o wt h er e a lo p e r a t i n gp r o c e s sw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m w ea l s og i v es o m ep i c t u r e sd i f f e r e n ts t a t e so ft h ee n t i t i e sa td i f f e r e n tt i m e st op r o v e t h a tv i s u a l i z a t i o ni sap r a c t i c a la p p r o a c hf o rt h eo p e r a t i n gs y s t e mr e s e a r c ha n d l e a m i n g a tt h el a s ts e c t i o no ft h i sp a p e r ，s o m ee x a m p l e sa r ep r e s e n t e dt od i s p l a yt h e e f f e c t so ft h ev i s u a l i z a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：o p e r a t i n gs y s t e m ；k e r n e l ；w i n d o w s ；v i s u a l i z a t i o n i v - 山东大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 w i n d o w s 操作系统是目前世界上用户最多、且兼容性最强的操作系统，也是 普通用户日常接触最多的操作系统，因此引起了许多人对于w i n d o w s 操作系统进 行研究的兴趣和热情。传统的学习和研究方法主要是针对源代码的分析、修改或 替换，这些方法已广泛应用于l i n u x 和u n i x 的教学和科研。然而效果并不理想， 原因有以下几点：一是需要花费大量的时间阅读和处理源代码；二是由于大多数 人的能力有限，很难通过阅读源代码在整体上认识操作系统内核；三是阅读源代 码本身是非常枯燥和困难的，激发不起学习热情；四是过分专注于操作系统本身 而容易忽略操作系统的执行效果。 针对以上采用源代码进行研究的弊端，操作系统研究方法和研究工具方面的 研究已成为一个重要研究课题。如何采用更加直观的方式表现操作系统的运行机 制，分析操作系统的算法优劣是研究的重点。 本文将探索如何借助可视化技术解决上述问题。在信息的组织和呈现上，可 视化方法更符合人们的认知心理，其目标就是要帮助人们的增强认知能力，通过 将各种抽象数据用有意义好理解的图形图像呈现，化抽象为形象，使信息更容易 被接受。x e r o xp a l oa l t o 研究中心的学者c a r d 等人提出可视化能够从6 个主 要方面增强人们的认知能力：一是通过扩大用户可用的信息存储量和可以处理的 资源量：二是减少用户对信息的搜索；三是通过使用可视化表示可以提高对于模 式的发掘；四是通过调动感知推理操作：五是通过把感知注意于监控；六是通过 把信息编码为可操作的媒介。鉴于可视化在提高人们认知能力方面可以发挥的巨 大潜力，如果能够以数据形式把操作系统内核运行时的关键状态描述出来，利用 可视化技术，以形象直观的方式重构出内核关键活动真实的执行过程，将成为学 习操作系统的有效手段。 山东大学硕士学位论文 1 2 相关工作和研究现状 在操作系统教学和研究中仅仅依靠理论学习很难保证能够充分理解和掌握 所学的知识。近年来，针对操作系统学习方面的研究已经成为许多研究工作的主 要课题。目前，主要有两种方法应用到操作系统的学习中：一种是“模拟器”， 一种是真实的操作系统。另外还有许多没有很好的投入到应用的可视化的方法。 下面对几种主要的操作系统教学方法进行比较和探讨。 1 模拟器系统 大多数模拟器系统都是试图提供一个可交互的试验环境，在这种环境下对特 定的操作系统算法进行模拟试验，从而获得对算法的直观认识。模拟器系统被用 来构造一个模拟真实系统的简化的动态的模型，比如s o s i m m l ( 图1 - 1 ) ， r c o s j a v a m 巩2 羽，o s p m l ，和n a c h o s 眦1 。这些模拟器系统能够提供真实操作系 统的大部分算法的模拟，而且都已在操作系统教学种被广泛应用。但是，这些系 统都存在明显的缺陷。模拟器系统都是对真实系统的简单模拟，所以模拟器系统 和真实系统之间必然存在着差距，它们不能充分真实的表现真实系统。 l z o t j o n s 1 8 | i 。 壅l _ l l ，_ _ _ h - 二h m s u s p 。 r m m i n g | 1 i _ _ _ j 7 图1 - 1s o s i m 模拟器 模拟的简化系统不能像真实系统一样的运行，所以使用者不能把他们等同于 2 莺，糜燃豳搦豳陵隧瞄 山东大学硕士学位论文 真实系统，而且模拟系统与真实系统之间的差别很可能会误导使用者，使他们对 操作系统产生某些错误的认识。 2 真实系统 当前，被称作“真实系统 的方法是指：修改真实操作系统的源代码，然后 对其重新编译执行。“真实系统”包括专门用于教学使用的操作系统，如m i n i x ， 和现实使用的操作系统如l i n u x 。这些“真实系统”为使用者提供了了解真实操 作系统运行过程的环境。但是，如果要通过这些真实的系统了解和研究操作系统， 需要对源代码进行大量的阅读和修改，将会耗费大量的时间和经历，这种方法不 便于使用者的学习和研究。 3 操作系统可视化 本文提出了使用信息可视化的方法，将模拟器系统和真实系统的优点结合起 来，构造操作系统的可视化系统，称之为“操作系统可视化”。 在可视化系统中，我们使用图形和图像表示真实操作系统运行过程中的各种 信息，这使我们能够更加直接的动态的接触操作系统，了解真实操作系统的运行 过程。具体来将，操作系统的可视化系统将实现以下目标： 1 、直观：操作系统的各种操作时通过各实体表现的，各实体的状态和相关 操作以图形、图像的方式展现在可视化系统中； 2 、真实：所有实体的状态信息和数据都是从w i n d o w s 真实运行环境中提取 出的，保证了可视化系统数据的真实性和可行度。 3 、动态：可视化系统中将会展示操作系统的动态执行过程。源代码只能体 现操作系统各种操作的逻辑关系，而可视化系统可以体现各种操作执行的时序关 系。 1 3 主要工作及章节安排 1 本文的主要工作 为直观地展示w i n d o w s 系统中各个实体的关键状态和动作信息，真实地表现 w i n d o w s 系统某段时间内的执行过程，本文重点探索以真实数据为基础对操作系 统进行可视化的方法。探索了用图形图像的方式表现进程、线程、c p u 等操作系 统实体，用动画的方式表现线程插入队列、从队列删除以及c p u 进行中断处理、 系统调用等操作的执行细节；以线程调度过程为例，探索操作系统各实体以及各 山东大学硕士学位论文 实体间协作过程的可视化描述和演示方法，证明了以可视化方法表现操作系统真 实运行过程的可行性，为操作系统的可视化提供一种可行的思路。 2 本文的章节安排 本文第二章从可视化的基本理论出发，介绍可视化近年来的发展和应用现 状，着重介绍软件可视化的概念、内涵和关键问题，在此基础上探讨操作系统可 视化不同于普通软件可视化的特殊性，分析要考虑的关键问题，然后给出过程可 视化的总体工作流程。 第三章结合w i n d o w s 源码中各实体的数据结构，研究各实体的主要属性和操 作的可视化方法，重点研究如何直观而合理的表现各实体的真实状态和协作过 程，并给出了c p u 、外设和队列等的可视化实例。 本文第四章重点介绍在可视化系统中实现线程调度过程的可视化实例，结合 一段时间内w i d o w s 的执行过程，展现这段时间内操作系统线程调度的真实过程， 提供了几个不同时刻的可视化实例，证实了以可视化方法表现操作系统真实运行 过程的可行性。 文章最后对当前工作进行了总结，分析了不足之处并展望了操作系统关键过 程可视化下一步的工作重点和发展前景。 4 山东大学硕士学位论文 2 1 可视化简介 第2 章可视化与操作系统可视化 可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转 换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉 及到计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为 研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。科学计算可视化 是可视化技术的一个重要分支。科学计算可视化能够把科学数据，包括测量获得 的数值、图像或是计算中涉及、产生的数字信息变为直观的、以图形图像信息表 示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前，使他们能够观 察、模拟和计算。科学计算可视化自1 9 8 7 年提出以来，已在各工程和计算领域 得到了广泛的应用和发展。 最近几年计算机图形学的发展使得三维表现技术得以形成，这些三维表现技 术使我们能够再现三维世界中的物体，能够用三维形体来表示复杂的信息，这种 技术就是可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 技术。可视化技术使人能够在三维图形世界 中直接对具有形体的信息进行操作，和计算机直接交流。这种技术已经把人和机 器的力量以一种直觉而自然的方式加以统一，这种革命性的变化无疑将极大地提 高人们的工作效率。可视化技术赋予人们一种仿真的、三维的并且具有实时交互 的能力，这样人们可以在三维图形世界中用以前不可想象的手段来获取信息或发 挥自己创造性的思维。更令人惊奇的是目前正在发展的虚拟现实技术，它能使人 们进入一个三维的、多媒体的虚拟世界，人们可以游历远古时代的城堡，也可以 遨游浩翰的太空。所有这些都依赖于计算机图形学、计算机可视化技术的发展。 2 2 可视化的分类 随着社会和计算机技术的发展，可视化技术也得到了丰富和发展，除了科学 计算可视化，它还包括：数据可视化、信息可视化、知识可视化等一系列的分支。 山东大学硕士学位论文 2 2 1 科学计算可视化 科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 是计算机图形 学的一个重要研究方向，是图形学的新领域。 “v i s u a l i z a t i o n ”原意是视觉的、形象的，中文译成“图示化”可能更为 贴切。事实上，将任何抽象的事务、过程变成图形图像的表示都可以称为可视化。 与计算机有关的如可视化界面，可视化编程等。但作为学科术语，“可视化 一 词正式出现于1 9 8 7 年2 月美国国家科学基金会召开的一个专题研讨会上。研讨 会后发表的正式报告给出了科学计算可视化的定义、覆盖的领域以及近期和长期 研究的方向。这标志着“科学计算可视化”作为一个学科在国际范围内已经成熟。 科学计算可视化的基本含义是运用计算机图形学或者一般图形学的原理和 方法，将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图像，以直观的形式 表示出来。它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计及图 形用户界面等多个研究领域，已成为当前计算机图形学研究的重要方向。 2 2 。2 数据可视化 现代的数据可视化技术( d a t av i s u a l i z a t i o n ) 指的是运用计算机图形学和 图像处理技术，将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理。 它是可视化技术在非空间数据领域的应用，使人们不再局限于通过关系数据表来 观察和分析数据信息，还能以更直观的方式看到数据及其结构关系。是关于数据 之视觉表现形式的研究：其中，这种数据的视觉表现形式被定义为一种以某种概 要形式抽提出来的信息，包括相应信息单位的各种属性和变量。 数据可视化技术的基本思想是将数据库中每一个数据项作为单个图元元素 表示，大量的数据集构成数据图像，同时将数据的各个属性值以多维数据的形式 表示，可以从不同的维度观察数据，从而对数据进行更深入的观察和分析。数据 可视化主要旨在借助于图形化手段，清晰有效地传达与沟通信息。但是，这并不 就意味着，数据可视化就一定因为要实现其功能用途而令人感到枯燥乏味，或者 是为了看上去绚丽多彩而显得极端复杂。为了有效地传达思想概念，美学形式与 功能需要齐头并进，通过直观地传达关键的方面与特征，从而实现对于相当稀疏 而又复杂的数据集的深入洞察。然而，设计人员往往并不能很好地把握设计与功 6 山东大学硕士学位论文 能之间的平衡，从而创造出华而不实的数据可视化形式，无法达到其主要目的， 也就是传达与沟通信息。 目前数据可视化已经提出了许多方法，这些方法根据其可视化的原理不同可 以划分为基于几何的技术、面向像素技术、基于图标的技术、基于层次的技术、 基于图像的技术和分布式技术等等。 2 2 3 信息可视化 信息可视化( i n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n ) ( 以下简称i v ) 是将抽象数据用可 视的形式表示出来，以利于分析数据，发现规律( 信息) 和决策制定。可视化的目 的是洞察数据，发现信息，做出决策或解释数据i v 的关键是将数据用有意义的 图形表示出来。信息可视化是一门边缘学科，i v 可用于知识发现，决策制定， 信息理解，信息检索，信息系统界面设计，数字图书馆，数据库，文献检索等等。 信息可视化( i n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n ，i v ) 是信息科学的重要研究领域。信 息可视化这一术语最早出现在1 9 8 9 年g r o b e r t s o n 、s k c a r d 与j d m a c k i n l a y 的论文中嘲，目的是利用图形功能使抽象信息形象化，通过人的感知和联想功能， 并借助计算机技术，来指导和加快查找的过程。c a r d 称它为“计算机支持的、 人机交互的抽象数据图像化方法，从而帮助用户增强识别信息的能力”。近年来 i v 技术迅速发展，深入到医疗、地理、数据挖掘阻1 、网络信息搜索、软件和程 序理解等各种应用。 信息可视化起源于图形学、计算机图形学、人工智能、科学可视化以及用户 界面等领域的相互促进和发展。另外，信息可视化的可视化目的和科学计算可视 化不同。科学计算可视化的目的要求是真实地反映，要求忠实地“直译 。而信 息可视化的可视化目的则是要从大量抽象数据中发现一些新的信息，它不仅仅是 简单的反映，而且要求能够创造性地反映，能够把隐藏在可视化对象深处或可视 化对象之间的信息挖掘出来，它是一种知识和价值创造的过程。 信息可视化系统并不是为了展示用户的已知的数据之间的规律，而是为了帮 助用户通过认知数据，有新的发现，发现这些数据所反映的实质。也就是说，用 户在使用信息可视化系统之前往往是没有明确的目标。信息可视化系统在探索性 任务中有突出的表现，它可以帮助用户从大量的数据空间中找到关注的信息来进 7 山东大学硕士学位论文 行详细的分析。因此信息可视化主要应用于下面几种情况： 1 当存在相似的底层结构，相似的信息可以进行归类时。 2 当用户处理自己不熟悉的内容时。 3 当用户对系统的认知有限时，并且喜欢用扩展性的认知方法时 4 当用户很难了解底层信息时 5 当信息更适合感知 总之，信息可视化是一个关于探查收集信息内部本质的过程，而不是一个了 解特殊模型的过程。 2 。2 4 知识可视化 知识可视化( k n o w l e d g ev i s u a l i z a t i o n ) 知识可视化是在科学计算可视化， 数据可视化，信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域。它应用视觉表征手段 促进群体知识的传播和创新，研究视觉表征在提高群体之间知识传播和创新的作 用，目标在于传输见解、经验、态度和价值观、期望，、预测等，并帮助他人正 确的重构记忆和应用这些知识。各种可视化技术相互之间都是有一定联系的每 一个分支的出现都是在前面的基础上的。 本文讨论的操作系统可视化主要属于信息可视化的范畴，下面重点讨论信息 操作系统可视化。 2 2 5 信息可视化与知识可视化的比较 信息可视化和知识可视化都是对计算机中的数据进行可视化，都是利用人类 识别图像的天赋来促进人们更有效地利用数据，让用户面对的是简单直观的图形 和图像，从这个方面讲，它们的目的是一致的。但是，如果进一步的分析就会发 现它们在具体的研究方向、理论基础和实现手段上还是有很大的不同。 1 、研究领域不同：信息可视化，用s c a r d 的话来说就是“计算机支持的、 交互的抽象数据图像化方法，从而帮助用户增强识别信息的能力”。这一观点已 得到广泛认同，因此信息可视化的研究领域主要就是信息勘探，目的就是为了： 第一、让用户能够以更容易的方式从数据中获得信息；第二、能够让用户更容易 ， 山东大学硕士学位论文 地发现隐藏在这些信息中的规律和见解，也就是获取知识。因此信息可视化也可 以说是发现新知识的一种手段。信息可视化的主要研究领域是可视化变量研究、 可视化模型研究、符号系统研究、空间认知与信息传输研究、心理学和认知科学 研究、虚拟现实研究等。 归纳起来讲，信息可视化研究如何勘探数据和发现信息间的新规律，知识可 视化则是研究如何提高知识在两个和两个以上人之间的传播和利用。 2 、理论基础不同：信息可视化有两个主要的理论基础：认知心理学和计算 机图形学。其中认知心理学是研究有关人类如何感知和认识世界的理论，主要研 究人类感知和思维信息的过程，认知理论是信息可视化的重要的理论基础。计算 机图形学则为信息可视化提供了更加具有科学性和艺术性的表现信息的方法。 1 9 8 6 年由p z i v i o 提出的双重编码理论是知识可视化的主要理论基础。双重 编码理论认为：人类认知是独特的，它在同时处理语言和非语言对象时非常特别， 语言系统直接处理语言的输入和输出( 以演讲和书写的形式) ，同时充当非语言 对象、事件和行为的符号功能，任何的表征理论都必须符合这二重性。双重编码 理论设想有两个认知子系统，一个用于表征和处理非语言对象，另一个专门用于 处理语言对象。双重编码理论说明知识可视化将知识以图解的方式表示出来，为 基于语言的理解提供了很好的辅助和补充，大大降低了语言通道的认知负荷，加 速了思维的传播和利用。 3 、实现方法不同：信息可视化的实现方法有3 种：第一、嵌入式可视化环 境。嵌入式可视化环境是指可视化工具集成在其他软件中，被当作软件的一个模 块嵌入到主程序中。第二、通用可视化