ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Кафедра инженерной графики
Методические указания
к выполнению расчетно-графического задания
«Визуализация информации о процессах и явлениях»
Составитель: Червоняк Т.Ф. - старший преподаватель кафедры инженерной графики Мурманского государственного технического университета
Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры, протокол № 9 от 20.05.11 г.
Рецензент - к.т.н, доцент кафедры ТМ и С Иваней А.А.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 4
Основы графического представления информации. 5
Графические модели процессов и явлений 20
Указания к выполнению графического задания
«Визуализация информации о процессах и явлениях» 51
Варианты заданий 52
Используемая литература 67
ВВЕДЕНИЕ
В данных методических указаниях изложены общие сведения о графических моделях процессов и явлений, предложены варианты графического задания, а также приведен пример выполнения задания «Визуализация информации о процессах и явлениях».
Цель задания – изучить основные правила составления идеографических моделей визуализации результатов научных и инженерных исследований, таких как таблица, диаграмма, схема.
В процессе выполнения работы студент получает навыки в выполнении таблиц, схем, диаграмм, а также в выборе модели наиболее эффективного средства передачи информации о процессе или явлении, овладевает техникой их вычерчивания в AutoCAD.
Основы графического представления информации
|
|
Возрастающий рост объема научно-технической и информации нуждается в современных способах ее обработки и передачи. От современного специалиста требуются качества, позволяющие быстро и точно обрабатывать и передавать большое количество информации. Наиболее эффективными средствами передачи информации являются визуальные, которые считываются органами зрения. Знание этих средств, умение ими пользоваться - составляющие графической грамотности, основы которой могут быть заложены при изучении учебного курса «Инженерная графика».
Инженерная графика - это своеобразный язык, с помощью которого, используя графические модели, специалист имеет возможность излагать свои инженерные замыслы. Причем этот графический язык является интернациональным, он понятен любому технически грамотному человеку.
Современные наука и техника требуют от инженера высокого уровня знаний и умений по визуализации различной информации. Это объясняется тем, что с одной стороны существует естественная потребность человека в зрительно-образных впечатлениях, и он легче усваивает информацию с помощью зрительных образов, а с другой стороны происходит стремительное развитие экранных средств обработки и передачи информации. Тем уместнее говорить не только о важности зрительного восприятия информации, но и об определенной культуре ее визуализации.
Визуальная грамотность - существенная составная часть профессиональной деятельности человека во всех областях знаний и производства. Обладая визуальной грамотностью, человек получает возможность воспроизводить и анализировать образы с помощью визуальных средств отображения (в том числе и компьютерных) на основе имеющихся знаний, использовать приемы творческой импровизации, воплощать свои идеи в изобразительной, технической или художественной графике.
|
|
Вербальный язык и вербальные категории содержат примитивные средства для того, чтобы строить пространство, интерпретировать его или производить с ним какие-то действия. Этой цели служат язык образов и
система перцептивных действий, с помощью которых человек строит образ окружающей действительности и ориентируется в ней. Эта система называется восприятием. Восприятие определяется как целостный образ, отражающий единство структуры и свойств объекта. Объектами зрительного восприятия служат предметы, процессы и явления окружающего мира, которые можно расчленить и описать в категориях пространства, движения, формы, текстуры, цвета, яркости и т. п. При восприятии предметов образ более или менее полно отражает объект или ситуацию, в которой находится человек.
Образы, созданные на основе визуального восприятия, обладают большей, чем слова, ассоциативной силой. Зрительный образ весьма пластичен. Это свойство проявляется в том, что в плане образа возможен быстрый переход от обобщенной оценки ситуации к подробному анализу ее элементов. Возможны различного рода перемещения отраженных в образе объектов, их сдвиги, повороты, а также увеличение, уменьшение, перспективные искажения и нормализация. Эта своеобразная манипулятивная способность зрительной системы позволяет представить ситуацию, как в прямой, так и в обратной перспективе. Манипуляции образами, их достраивание - важнейшие средства продуктивного восприятия и визуального мышления.
|
|
Многие исследования свидетельствуют о том, что в зрительной системе имеются механизмы, обеспечивающие рождение нового образа. Благодаря им человек способен видеть мир не только таким, каким он существует в действительности, но и таким, каким он может (или должен) быть. Это означает, что зрительные образы являются необходимым условием, даже более того - орудием мыслительной деятельности. Они связаны более непосредственно по сравнению с символами и речью, с окружающей человека предметной действительностью.
Невозможно подготовить творчески мыслящего специалиста без развития у него образного представления, воображения и мышления. Ощутимую пользу в этом деле оказывает универсальный аппарат проекционного схематизма. Один из важнейших инструментов проекционного моделирования, служащих для формирования пространственных представлений, - это геометрическая интерпретация. Объектами интерпретации являются графические модели в виде
комбинации чертежей, схем, текста, диаграмм и т. п. Графические модели предполагают отображение информации в виде набора средств графического представления информации: линий, символов, мнемонических знаков, используемых в соответствии с правилами построения графических моделей. При восприятии информации в таком виде необходим выход в более высокое по размерности операционное пространство, чем при восприятии текста. Степень точности при сопоставлении информационного объекта с его моделью зависит от полноты сведений о проекционном аппарате, который имел место при моделировании.
На рисунке 1 представлена одна из возможных классификаций графических моделей. Пиктографическая модель - графическая модель, составленная с использованием условных графических изображений (пиктограмм), обозначающих предметы, действия или события. Идеографическая модель - графическая модель, составленная с использованием идеограмм - условных письменных знаков, обозначающих понятия.
Вопрос эффективности передачи и усвоения информации является одним из главных на протяжении последних десятилетий. Основным средством коммуникации в мире в начале XXI века служит визуализация (визуальная форма передачи) информации. Наибольшее количество информации (примерно 80-90 %) человек воспринимает визуально.
Рисунок 1. Классификация графических моделей
Рисунок 2. Схема способов передачи информации между людьми
Эффективность, преимущество графического способа передачи информации, по сравнению с двигательным или звуковым (рисунок 2), состоит в том, что зрительное восприятие человеком передаваемой информации и создание им мысленного образа происходят настолько быстро, что человек этот процесс воспринимает как «мгновенный».
При построении графической модели необходимо оценить конструктивные элементы, которые можно использовать для ее создания, их возможности и ограничения: словарь форм и синтаксис их фразировки.
Если смысл текста раскрывается словами, то иллюстрация «говорит» на языке форм. К ним относятся точка, линия, плоская геометрическая фигура, цвет, текстура.
Точка. В теоретическом смысле она не имеет измерения (безразмерна) и указывает место расположения или положение. При создании графической модели (выражения) точка характеризуется концентрацией форм или зрительного восприятия в некотором центре, который привлекает и фиксирует зрительный фокус. Графически точка может быть представлена в виде кружка, пересечения линий, буквы или цифры (как часть графического выражения они часто визуально воспринимаются как точки). В графической практике точка может иметь различные размеры,
форму и цветовой тон (рисунок 3). Она может выступать в качестве символа, изображающего какой-нибудь специфический объект или идею.
Рисунок 3. Элементы, которые могут восприниматься как «Точка»
Линия - это одномерное образование, которое указывает направление, протяженность или движение. Применяется для изображения траектории или маршрута, для обозначения границ или деления. Линейная форма может варьироваться по толщине, длине, структуре, характеру, насыщенности и направлению. Линии бывают точечными или прерывистыми, совокупность отрезков или точек такой линии воспринимается глазом как единая линейная форма (рисунок 4). Слова и предложения как визуальные элементы также могут образовывать линии.
Рисунок 4. Элементы, которые могут восприниматься как «Линия»
Фигура (плоская форма) - двухмерное образование, используется для обозначения контура, площади, очертания, обрамления. Фигуры характеризуются строением своих краев, могут иметь только контур или быть сплошными (заполненными цветом); различаются по размерам, по распределению насыщенности частей, по положению в пространстве, по правильности очертания.
Сочетание слов и чисел может восприниматься как плоские формы (рисунок 5). Несколько геометрических фигур могут быть объединены в группу, образуя при этом плоскую форму больших размеров.
Рисунок 5. Элементы, которые могут восприниматься как «Плоская форма»
Тон или цвет - графическая форма, отражающая степень насыщенности цвета. При отсутствии цвета тон становится оттенком серого. В качестве фона при создании графической модели, состоящей из нескольких взаимосвязанных фигур, лучше использовать светлые тона: они более четко выявляют площадь или структуру, на которую наносятся черным цветом значимые формы. Темные оттенки, используемые в качестве фона, обеспечивают контраст для восприятия малых светлых или второстепенных графических форм. Как структурный элемент, тон является полезным средством для описания объемной формы с помощью светотеней. Это достигается применением сплошных плоскостей различного тона либо градацией тонов.
Текстура - графическая форма, отражающая качество поверхностной структуры объекта (рисунок 6). Текстура образуется скоплением малых частичек в определенной системе, визуальный характер которой зависит от всего этого скопления в целом. Как элемент графической модели, текстура отображает качества физических поверхностей. В этой роли она используется в сочетании с другими элементами формы, особенно с цветом и тоном.
Представление информации с помощью графической модели осуществляется на некоторой поверхности или плоскости. Физически плоскость модели – это поверхность листа или экрана, на котором располагаются различные графические формы.
Рисунок 6. Текстура
Но в зрительном восприятии такая плоскость может выполнять функцию трехмерного пространства, стеклянной панели, благодаря чему можно представить фигуру, расположенную за плоскостью рисунка. Возникает новое измерение - глубина.
Графическая модель неизбежно вызывает работу воображения и создание образа. Чтобы восприятие информации произошло быстро и точно, чтобы образ проник в сознание, он должен быть связан с привычными пространственными представлениями. В связи с этим графическую модель следует создавать с учетом не только индивидуальных смысловых значений графических форм, но и пространственного порядка, в котором эти формы соотносятся между собой. Такая пространственная организация называется грамматикой пространства. Пространственная организация может быть одноплановой (плоской), многоплановой и непрерывной (объемной).
В одноплановом пространстве графические формы полностью располагаются в плоскости рисунка, и модель является плоской по структуре и по расположению. В этом случае формы воспринимаются скорее как плоские геометрические фигуры на странице (на листе или экране), чем трехмерные объекты.
Существуют различные способы организации такого пространства:
прямолинейность, непрерывность, присоединение, ассоциация параллельности, одинаковые размеры, одинаковая резкость, равномерная текстура, объединение.
Пространство многоплановое создается при расположении графических форм на двух (или более) плоскостях. Одна из них - плоскость рисунка, а другая - вторичная плоскость. Таким образом достигается эффект расположения одних форм перед другими. Для создания впечатления о размещении плоских графических форм в различных плоскостях используются некоторые приемы отображения информации: наложение, контраст, «различный вес», ассоциация расстояния, неравные размеры, разная резкость, наложение текстур, разобщение.
Непрерывное пространство объемно по своей природе, в нем графическая форма воспринимается протяженной внутрь от плоскости рисунка непрерывно, создавая иллюзию пространственной массы. Для достижения этого эффекта используются следующие приемы: светотени, ассоциация расстояния, контраст, разная резкость, наложение, размытость текстуры.
Светотени - имитация различной освещенности разных участков графической формы.
Ассоциация расстояния - это сопоставление нарисованных форм с реальными объектами; использование известных из опыта размерных отношений для выявления расстояний между изображаемыми предметами.
Контраст - разделение форм по относительной удаленности путем использования разных оттенков цвета (контраста); более светлая форма отступает в направлении удаленного светлого фона.
Разная резкость - различия в фокусировке, т. е. в резкости; размытые края изображения отодвигают форму вглубь. Наложение более близких форм на более далекие. Размытость текстуры - уменьшение проработки текстуры поверхности у объектов, отступающих в глубину.
Кроме указанных выше приемов и их комбинации, наиболее выразительно передают объемность различные виды перспективы: линейная (параллельная, угловая, наклонная), цилиндрическая, купольная и др.
Графически информация отображается по закону строгого
соответствия композиционного решения, формы графического информационного средства его функциональному назначению, содержанию отображаемой информации. Композиционное решение должно быть цельным и гармоничным. Опыт экспериментальных эргономичных исследований и создания графических моделей представления информации позволил сформулировать ряд общих принципов их компоновки.
Принцип лаконичности заключается в том, что графическое средство представления информации должно содержать лишь те элементы, которые необходимы для сообщения наблюдателю существенной информации, точного понимания ее значения или принятия с вероятностью не ниже некоторой допустимой величины соответствующего оптимального решения. Бесполезно стремиться направить внимание на важнейшие элементы графической модели, если они окружены лишними, визуальными раздражителями, мешающими восприятию главного.
Принцип обобщения и унификации. Символы, обозначающие одни и те же объекты или явления, должны быть непременно унифицированы: иметь одно графическое решение в пределах всего комплекса графических средств. Принцип обобщения предписывает рациональную обобщенность деталей изображаемых объектов (исключает излишнее дробление).
Принцип акцента п редполагает выделение элементов, на которые должно быть направлено основное внимание, с помощью их размера, формы, цвета. В отдельных случаях допустимо нарушение пропорций между размерами символов и изображаемых ими реальных объектов.
Принцип автономности. Части графического средства представления информации, передающие самостоятельное сообщение, следует обособить и четко отграничить от других частей. Разбивая сложную графическую информацию на отдельные простые изображения, можно значительно облегчить ее восприятие и понимание.
Принцип структурности. Каждая автономная часть комплекса графических средств отображения информации должна иметь четкую, легко запоминающуюся и дифференцирующуюся структуру.
Принцип стадийности. В зависимости от стадий, последовательности и цели изложения информации выбирают определенные графические средства.
Принцип использования привычных ассоциаций и стереотипов. Учитываются устойчивые привычные ассоциации между символами и обозначаемыми ими объектами и явлениями, а также стереотипность реакции на определенные символы и сигналы. По возможности применяют не абстрактные условные знаки, а символы, привычно ассоциирующиеся с соответствующими объектами и явлениями. Однако необходимо учитывать, что слишком натуралистическое, подробное изображение внешнего вида фиксирует мысль именно на внешнем сходстве и мешает осознанию других (существенных) признаков объекта.
Композиция является завершающим этапом создания информационного графического средства (модели). Именно на этом этапе работ должно получиться сообщение, соответствующее всем требованиям, предъявляемым к нему: функциональным, эргономическим, эстетическим.
В каждом конкретном случае в зависимости от специфики создаваемых графических средств представления информации, их сложности, масштаба, контингента читателей и прочего композиция может быть представлена по-разному. Тем не менее существует ряд композиционных закономерностей и приемов, которые остаются незыблемыми и составляют основу построения самых разных графических моделей представления научной, технической и другой информации. Достигается это следующими средствами.
Симметрия и асимметрия. Равновесие, гармоничность в симметричных композициях (например, схемах) создается за счет симметрии, а в асимметричных - за счет зрительного уравновешивания неодинаковых частей композиции по отношению к центру или оси симметрии путем изменения размеров и формы графического средства.
Чаще всего основы композиции графического средства представления информации составляют горизонтали и вертикали. Это, как правило, линии, но могут быть использованы точки или компактные объекты. Компонуя графические информационные средства, следует учитывать биомеханику глаза, в частности то, что легче и быстрее глаз совершает горизонтальные движения, чем вертикальные. При этом надо учесть, что число объектов, расположенных в ряд, на одинаковом расстоянии, должно быть 7±2. Если это число больше, то для большинства людей возникает необходимость последовательного считывания информации. В этом случае
лучше информацию разбить на группы.
Метрическая и ритмическая закономерности повторяемости объектов. Метрическая повторяемость основана на равномерном чередовании одного или нескольких элементов. В дополнение к метричности ритм предполагает закономерное изменение некоторых характеристик: расстояние между элементами, их число в группах, форма элементов, их размеры и др.
Промежутки между элементами играют ту же роль, что и паузы в музыке. Если кроме пауз ввести акцент, т. е. усиление некоторых определенных элементов, то это сделает ритм еще более четким. Ритмическое построение осуществляется легче, если число элементов в ряду нечетное. Ощущение ритма может быть создано закономерными светоцветовыми соотношениями, линиями, имеющими одинаковый угол наклона, концентрическими углами, если они чередуются через закономерно изменяющиеся интервалы.
Ритмический ряд должен быть завершен и слева, и справа, так как информация может читаться в любом направлении. Для этого следует: увеличить интервалы перед крайними группами элементов; усилить акценты на центральных группах с применением вспомогательных средств (размеров, надписей, цвета и т. д.); включить в крайние группы инородные элементы.
Обрамление существенно влияет на то, что данное информационное средство воспринимается как самостоятельный, замкнутый зрительный объект или как один из элементов какого-то комплекса. Если это самостоятельный зрительный объект, то обрамление четкое.
Контраст и нюанс. Контраст - резко выраженная противоположность, преувеличение различий воспринимаемых графических форм. Например: черный цвет рядом с белым выглядит еще чернее; серый квадрат на красном фоне кажется зелено-голубым, а на синем - оранжевым. Наиболее резко контраст выражен на границе двух областей.
Нюанс - незначительные различия между однородными свойствами. Контраст и нюанс одновременно присутствуют в композиционном решении, поскольку один из этих приемов подчеркивается и усиливается вторым, придавая особую выразительность композиции в целом.
Масштабность. При создании графической информационной модели существуют трудности с выбором масштаба, поскольку с одной стороны такая модель рассматривается как самостоятельное средство небольших габаритов, а с другой - она является визуальной моделью отображаемого объекта, целой системы или явления. При такой точке зрения модель должна строиться как уменьшенная модель «большой формы». Однако визуальная модель (графическая модель) объекта не должна содержать подробности оригинала, так как это приводит к перегрузке графического средства излишними информационными деталями.
Примеры выбора графической модели в зависимости от цели передачи информации
Грамотность выбора графического средства представления информации заключается в эффективности использования цели, которая лежит в основе передачи информации. В зависимости от цели передачи информация подразделяется следующим образом:
- информация, отвечающая на вопрос что? Это внешний и внутренний вид объекта, его физическое строение (рисунок 7). Под объектом понимается предмет, имеющий геометрическую форму и размеры. Внешний вид - это характеристики объекта с теми их особенностями, которые воспринимаются зрительно. При создании более реалистического изображения внешнего вида чаще всего используют различные виды перспективы, светотени. Фон может опускаться для придания большей выразительности основным физическим характеристикам;
- информация, отвечающая на вопросы как? когда? Это информация, касающаяся физического движения объекта (рисунок 9), логики, отношения общего движения объекта и движения его частей, функционирования объекта как последовательного ряда взаимосвязанных событий, а также информация, отображающая систему (рисунок 8). Процесс представляет собой ряд последовательных действий объекта. Графическими средствами эти действия очень трудно описать в их естественной активной форме, поэтому они отражаются в виде статических элементов (рисунок 10);
- информация, отвечающая на вопрос сколько? Это количественная сторона понятия об объектах, касающаяся их физических размеров, тенденции возрастания или уменьшения, соотношения частей с целым. В
качестве графических моделей чаще всего используются таблицы и различные виды диаграмм;
- информация, отвечающая на вопрос где? Это информация о расположении объекта в пространстве или по отношению к другим объекта.
Рисунок 7. Графическое представление формы и структуры объекта
Рисунок 8. Графическое представление системы «Движение»
Рисунок 9. Графическое представление процесса
Рисунок 10. Графическое представление информации «Система»