《数据可视化技术》

课程教学大纲样例《数据可视化技术》课程教学大纲样例《DataVisualizationTechnology》课程代码：课程中文名称：数据可视化技术课程英文名称：DataVisualizationTechnology课程适用层次：本科总学时：64/48学分： 3/2.5课程的性质、任务（一）课程性质《数据可视化技术》是面向计算机（大数据等）相关专业的一门专业基础课，课程总共64/48学时，学分3/2.5分。本课程每周2次课共4节课时，学期内总共16周的方式授课。（二）教学任务通过本课程的学习，让学生了解数据可视化的核心技术原理和算法设计理念，同时能够适应新时代对大数据处理的需要，学习和掌握数据可视化技术的基本编程技能，培养和逐步形成利用数据可视化技术解决实际问题的能力，更好地适应社会和技术发展的需要。课程教学基本内容、基本要求及学时分配（一）基本内容、基本要求第1章绪论教学内容：概念与意义，历史与演进，视觉与认知，数据可视化与知识发现的关系。介绍数据可视化的概念、意义和作用，系统性地分析数据可视化的历史与演进过程，详细阐明了抽象图形表示、科学可视化的发展、统计图表的爆发以及交互可视化与可视化分析等的概念和方法，使得学习者对数据可视化的概念和意义有了一个系统性了解。重点：什么是数据可视化，数据可视化的意义和作用。难点：科学可视化的发展，交互可视化、信息可视化与可视化分析。基本要求：了解数据可视化的概念、意义和作用及其历史与演进过程。第2章可视化的图形基础教学内容：图形渲染：概念、方式、应用示例，颜色与光照，视角：虚拟相机、坐标系、坐标变换，透明度与色彩合成。重点：了解计算机图形学基础知识，为图像可视化特别是体数据可视化进行基础知识准备。难点：了解渲染过程中的颜色、光照、视角、坐标变换、透明度与色彩合成等内容构成了图形渲染所需要考虑的基本要素。基本要求：掌握基本的颜色、光照、视角、坐标变换、透明度知识。实验内容：课后习题二第3、4题。第3章可视化原理与过程教学内容：可视化场景：建模方法、场景与演员、图形硬件，可视化模型：数据源、数据滤波、可视化处理，可视化管线：概念、管线视图、通过管线选取滤波器。重点：管线模型是实现三维可视化的一种通用作法，它通过管线来组织可视化过程中的各个模块，实现数据源数据的输入、数据滤波模型的选取和连接、场景建模和数据映射等可视化处理过程。难点：管线模型是进行可视化过程中的核心部分，应结合可视化数据及展示效果等因素，选取适当且彼此相兼容的管线内部节点，如此就能实现丰富多彩的可视化显示结果。基本要求：了解管线模型的理念及其使用方法。实验内容：课后习题三第3、4题。第4章可视化数据表示教学内容：可视化数据表征：模型与数据、采样与插值、数据的结构特征，可视化图元：数据集、图元模型、全局坐标与局部坐标，数据集分类：数据集建模、结构化坐标、图元镶嵌。重点：点-图元方法是实现非规则数据可视化，可以结合实际情况进行可视化数据及其显示的定制，具有更为广泛的适用性。难点：可视化图元模型的引入，使得可视化系统的坐标体系在原有的全局坐标基础上，还可以结合图元的特点进行局部坐标的设置，以及数据集的特点进行结构化坐标的设置。基本要求：掌握可视化数据具有维度的特征、拓扑特征和几何特征等特点。实验内容：课后习题四第4、5、6题。第5章可视化算法设计教学内容：标量可视化：颜色对照、轮廓表示、标量生成，向量可视化：有向图、向量场、流体运动，张量可视化：流线形张量、线形张量、椭球形张量。重点：重点掌握标量数据的可视化，它也往往代表了质量、温度等最大多数有意义的量值。难点：向量可视化可以以向量场、线条图、流线图等方式展现出与运动相关的可视化数据，代表了不同算法所实现的动态可视化效果。张量可视化则代表了最为热门的研究方向和领域，其中超流线表示法、线形张量、椭球形张量等代表了不同的可视化方法。基本要求：能够进行标量、向量可视化解决实际问题。实验内容：课后习题四第4、5、6题。第6章可视化建模技术教学内容：隐函数方法：隐函数轮廓、二项式隐函数、隐函数组合成像，算法模型：隐式建模、模底凸生、图符表示，数据选取：数据提取、图形剪切、图元选取。重点：了解可视化建模过程中的一些建模方法和算法的运用，学习隐函数建模方式，其核心思想是通过隐函数构成等值轮廓。难点：隐式建模、模底凸生、图符表示、数据选取等多种技术。基本要求：基本的隐式建模技术及其应用。实验内容：课后习题六第2、3、4题。第7章图像处理技术教学内容：图像数据表示：纹理贴图、图像生成、图像合成，图像平滑处理：图像修复、图像噪声、非线性平滑，图像频谱分析：图像亚采样、图像衰减、图像频域变换。重点：图像的数据表示方法、纹理贴图、图像生成与合成的相关知识，进而学习图像平滑处理的相关技术和图像频谱分析方法。。难点：噪声是数字图像处理中必不可少的一环，通过高斯平滑方法和非线性平滑方法，有望实现降噪甚至图像噪声的消除。另一类图像处理过程中的关键技术是关于瑕疵和走样等特殊问题的处理，可以考虑采用低通滤波器来减少图像的走样。基本要求：掌握图像平滑处理和频谱分析基本方法。实验内容：课后习题七第3、4、5题。第8章体可视化教学内容：通过表面绘制形体：平面扭曲、表面光滑、三角条带化，形体绘制中点集的运用：密集点云绘制、点集喷绘、表面数据抽取与形体压缩，绘制体数据：体数据的绘制、图像序体绘制、对象序体绘制。重点：了解形体的绘制包括表面绘制、点集处理与绘制、以及体数据的绘制等几个方面。难点：点集喷绘、形体压缩、以及光线追踪算法等与空间形体绘制有关的技术和方法。基本要求：能够利用体绘制方法和点云技术实现基本的形体绘制。实验内容：课后习题八第4、5、6题。第9章PythonTurtle绘图教学内容：Python环境配置，PythonTurtle绘图，循环、封装和泛化。重点：了解Python的virtualenv环境、virtualenwrapper环境的安装，学习Turtle的主要功能，通过绘图实例展示了Turtle绘图的基本环节，针对重复的代码，。难点：通过循环、自定义函数、封装和泛化对代码进行简约，提高程序的可读性和可维护性。基本要求：掌握Turtle绘图的基本用法。实验内容：课后习题九第2、3题。第10章Python2D绘图教学内容：产生向量，Python绘图的原理：Python绘图的原理、Matplotlib函数、日期数据的处理、Bar柱状图、Pie饼图、stackPlot堆叠图、散点图、Box图、多子图。重点：Matplotlib常见的2D绘图原理，即通过Matplotlib的Path对象和Patch对象绘制2D区域的路径以及进行路径的填充，即通过点、线、面绘制各种2D图形。难点：Matplotlib常见的2D绘图函数，通过调用2D绘图函数绘制常见的折线图、柱状图、饼图、堆叠图、散点图、最后介绍了Matplotlib的多子图绘制。基本要求：利用Matplotlib进行常见的2D绘图。实验内容：课后习题10第3-6题。第11章Python3D教学内容：使用Matplotlib库的3DAxes对象，OpenGL3D绘图。重点：Matplotlib的3DAxes绘制3D图形，其中3D曲线要求X轴、Y轴输入一维列表，3D曲面要求X轴、Y轴输入二维列表。难点：通过参数方程、柱面方程、球面方程绘制3D曲线、曲面。然后通过Mayavi支持OpenGL三维图形。基本要求：能够使用Matplotlib的3DAxes绘制3D图形。实验内容：课后习题11第1-2题。第12章地图可视化教学内容：Basemap，Cartopy，Geopandas，Pyecharts。重点：Python地图可视化的Basemap库，Basemap支持联网下载地图和读取本地shp文件两种常见的方式显示地图，shp文件的优势是可以显示更加精确的地图。难点：Cartopy可以使用四种投影方式展示地图，相比Basemap，Cartopy对于Python3支持更好。GeoPandas绘图地图的方式类似Pandas。基本要求：能够使用Basemap和Pyecharts进行地图绘制。实验内容：课后习题12第1-3题。第13章Manim教学内容：Manim，体验Manim，相关对象。重点：介绍Manim的基本功能和安装步骤，Manim基于FFmpeg、Sox、Pycario和Latex库。基本要求：Manim主要包括位置相关函数、播放动画、颜色设置、大小缩放、同步动画、文本类、文本数组类、基础动画类Scene、二维坐标类GraphScene、Latex文本类TextMobject以及二维图形类的点、圆形、环、长方形、方形、椭圆、弧、线等对象。实验内容：课后习题13第3-4题。（二）学时分配（实际授课时可结合专业需要和课时安排适当删减，并调整学时分配）编号内容学时教学实验小计1第1章绪论4042第2章可视化的图形基础2243第3章可视化原理与过程4264第4章可视化数据表示4265第5章可视化算法设计4266第6章可视化建模技术4267第7章图像处理技术 4268第8章体可视化4269第9章PythonTurtle绘图22410第10章Python2D绘图 22411第11章Python3D22412第12章地图可视化22413第13章Manim224合计402464三、课程内容的重点、难点重点内容：可视化的图形基础，可视化原理与过程，可视化数据表示，可视化算法设计，可视化建模技术，图像处理技术，体可视化。难点内容：可视化算法设计，可视化建模技术，图像处理技术，体可视化。四、教学与考核方式（一）教学方式本课程以课堂讲授为主，分为理论课和实验课两类，其中实验课约占总学时的三分之一。根据教学内容的特点，灵活运用问题式和讨论式等教学方法组织课堂教学。实验课采取知识讲解与学生实践相结合的方法授课，引导学生攻克学习难关和培养灵活运用的能力。加强课外作业训练和课外辅导答疑工作，及时为学生析疑解难，从而增强学生们学习可视化技术的兴趣和