Uma abordagem unificada para análise exploratória e simulação interativa visual

Abstract

Análise exploratória visual e simulação interativa visual são duas áreas afins, porém tratadas separadamente até o momento. 0 trabalho relatado neste texto objetivou a abordagem unificada destas duas classes de problemas, a partir da identificação de ambas com as questões de linguagens visuais, visualização de dados e de programas. A partir de estudos de casos considerados representativos destas duas classes (análise de dados multivariados populacionais, análise de dados multivariados espaciais, análise de dados univariados, estudo de campos eletromagnéticos a partir de resultados da análise de elementos finitos, simulação interativa visual de objetos animados dinamicamente e simulação interativa de sistemas discretos) é estabelecida uma classificação de entidades e atributos. Entidades são consideradas como pertencendo a três grandes classes: sistemas compostos por múltiplas entidades, objetos manufaturáveis e entidades ou fenômenos naturais, e são caracterizadas por atributos que podem ser analisados de acordo com sua natureza, o tipo dos valores que podem assumir, a natureza e dimensão do domínio no qual estão definidos. A seguir, são identificados os objetivos e tarefas no tratamento das entidades e atributos. Como objetivos considera-se observação de objetos num contexto, analise da estrutura dos objetos, analise das suas propriedades estáticas ou dinâmicas, analise comparativa de vários objetos e comunicação de informações. Tarefas básicas que servem a realização dos diversos objetivos são navegação, seleção, consulta, preparação e controle de processamento, anotação de textos e armazenamento de resultados. Esta classificação de tarefas permite a determinação das ferramentas básicas necessárias a realização tanto de analise exploratória como de simulação interativa, ambas visuais. E estabelecido um conjunto coordenado de ferramentas que permitem a realização das tarefas mencionadas com as diferentes classes de entidades. Essencial a estas classes de problemas é a representação visual a ser adotada como forma de transmissão de uma informação a respeito de uma entidade. Este aspecto é enfatizado neste trabalho; é estabelecida uma taxonomia para representações visuais, a saber, Ícones, gráficos e tabelas, diagramas e redes, modelos geométricos, mapas e seqüencias. de acordo com a informação fornecida e com o atendimento dos objetivos identificados anteriormente. Na seqüência, é proposta uma metodologia para a escolha de representações visuais baseada na classe das entidades sob estudo e nos objetivos do estudo (ou de uma face do estudo), numa primeira etapa, e na natureza dos atributos e dimensão de seu domínio, numa segunda etapa. A tese apresenta a abordagem baseada em ferramentas como paradigma básico de linguagem visual para analise exploratória e simulação interativa visual e estende o use da abordagem declarativa de visualização de programas a questão de visualização de dados. As classes de entidades reconhecidas ao longo do estudo são modeladas de acordo com a abordagem orientada a objetos: da mesma forma, o conjunto de ferramentas é organizado numa plataforma orientada a objetos. Esta plataforma é comparada, do ponto de vista funcional e considerando diferentes classes de usuários, com sistemas existentes. A estrutura proposta é, ainda, discutida como um modelo de referência para analise exploratória e simulação interativa visual.

Two related areas, visual exploratory analysis and visual interactive simulation, have been handled separately until now. This thesis gives an integrated approach to these two classes of problems, based on their relationships to visual languages, data visualization and program visualization. Case studies representing both areas like multivariate analysis of populational data, multivariate analysis of spatial data, analysis of univariate data, study of electromagnetic fields based on finite element analysis, dynamic graphical simulation and interactive visual discrete-event simulation, allow the construction of a taxonomy for entities and attributes. Entities are considered to belong to three classes: multiple-entity systems, manufacturable objects, and natural entities or phenomena. They are characterized by their attributes, which in turn are classified by nature, value types and nature and dimension of their definition domain. The goals and tasks in the study of entities and attributes are identified. Goals are observing an object in a context, analyzing an object structure, analyzing their static and dynamic properties, comparing objects or different states of objects and communicating information. Tasks are elementary procedures employed to achieve certain goals: navigation, selection, query, modification, processing control, text annotation and data storage. This classification of tasks determine the basic tools that a scientific user needs to visually explore data or conduct visual interactive simulation studies. These tools are organized as a set of interactive procedures that can be applied to visual representations of entities or their attributes. Visual representations are, of course, essential to visual exploratory analysis and visual interactive simulation, in order to precisely and adequately represent information about entities. This question is emphasized in this work. Based on the information conveyed by the several existing graphical representations as well as the goals established earlier, six classes of visual representations are considered: icons, graphs and tables, diagrams and networks, geometric models, maps, and sequences of these representations. A methodology for selecting the appropriate visual representation is then proposed, based firstly on the goals of the study and the classes of entities and attributes, and secondly on the nature and dimension of the attributes domain. This thesis presents a tool-centered approach as the paradigm for both visual exploratory analysis and visual interactive simulation. The thesis also extends the concept of declarative visualization employed for program visualization to scientific data visualization. The classes of entities identified in the case studies are modeled using the object-oriented approach; the set of tools defined here is also organized in an objectoriented framework. Our proposal is discussed as a reference model for visual exploratory analysis and visual interactive simulation.