沉浸式数据可视化与可视分析

随着数字经济的高速发展，生活中的数据无处不在，其数量与复杂性远超人们的理解
与想象，数据分析不再只是科学家与专业分析师的工作，而是与每个人都息息相关。数据
可视化与可视分析作为数据分析的关键技术，能够帮助人类通过交互进行数据呈现与决策
支持。

在数据可视化领域，沉浸式数据可视化与可视分析作为一种跨学科领域和新的应用业
态，将数据可视化、可视分析、虚拟现实与人机交互等技术结合，正在被越来越多的学者
与开发者重视、研究。同样，在虚拟现实领域，随着“元宇宙”概念的提出及其应用的推
广，将数据可视化与可视分析应用于沉浸式环境也已成为一个新型的研究和应用热点。沉
浸式数据可视化与可视分析技术能为数字化特点显著、数据无处不在的虚拟世界提供更具
吸引力的数据呈现与分析应用方式，更好地支持数据理解和决策。

由于虚拟现实及数据可视化的应用发展迅速，产业界对相应的专业人才需求迫切，各
职业院校及本科院校纷纷在计算机类专业大类下增设虚拟现实相关专业方向。2018年和
2019年，分别增设了虚拟现实应用技术专科专业、虚拟现实技术本科专业，此举
得到了各类高校的积极响应，目前已经开设虚拟现实应用技术专业的学校有数百所之多。
在人才培养过程中，将虚拟现实与数据可视化技术相结合的专业课程建设及应用研究逐渐
被提上日程，但是目前市面上尚没有一本适用的教材，导致相应课程很难开设。

本书从研究者的视角创造性地将虚拟现实与数据可视化和可视分析结合起来，以期填
补国内教材在这一领域的空白，同时能对虚拟现实、大数据、数字媒体相关专业或专业方
向人才培养质量的提升起到促进作用。本书面向不同专业的青年大学生和社会从业者，为
初学者提供向导，也为沉浸式数据可视化与可视分析领域的研究者与应用者提供参考。

本书共有11章，分为4篇，即数据可视化基础、虚拟现实基础、沉浸式数据可视化
与可视分析和应用案例。第1篇（第1~3章）主要介绍相关的理论与基础概念。第1章
介绍可视化的意义与简史、数据可视化的分类与工作流程。第2章基于数据与数据分析，
阐述了视觉感知与认知、视觉编码的基本理论。第3章介绍了不同数据特性的数据可视化
基本视图及基本的交互方法，使读者对数据可视化与可视分析的基本原理有较全面的了解。
第2篇（第4~6章）主要介绍虚拟现实技术与开发工具。第4章从基本概念、发展历史、
应用分类、开发工具、硬件设备等方面介绍了虚拟现实技术。第5章以Unity引擎为例，
阐述了虚拟现实应用开发的相关技术，包括界面与场景设计、交互功能实现和项目发布。
第6章主要介绍Web端虚拟现实应用的相关概念以及基于Three.js的虚拟现实应用开发技
术。第3篇（第7~9章）与第1篇中的章节一一对应。第7章介绍了沉浸式环境下的数

据可视化基本原理、沉浸式环境的特点、3D感知与呈现以及应用开发所面临的技术挑战。
第8章介绍了基于多感官通道编码的设计框架、映射原理和基于多感知技术的沉浸式可视
分析系统。第9章主要阐述沉浸式数据可视化的界面设计原理，包括基础与进阶两个层次，
以及多人协同的交互技术。第4篇（第10、11章）通过基于Unity和Three.js的两个应用
开发案例，介绍沉浸式数据可视化应用的设计过程、开发方法及最终呈现效果。

本书由北京印刷学院新媒体学院的部分师生共同编写。程明智教授全程参与了本书
的结构讨论以及若干章节的编写与审校，为本书的出版做出了极大贡献。程明智教授团队
中2019—2021年在读的研究生均参与了书稿的准备、讨论、初始排版和内容审校。书中
的应用案例均为团队成员原创作品，但由于篇幅限制，部分案例未能全部展示。为清晰起
见，在此按贡献大小列出各章的作者：第1章主要由王佳祺、杜萌编写；第2章主要由田
晓璇、杜萌编写；第3章主要由阮若琳、吴璇、鲁伟丹、杜萌编写；第4章主要由吴瑞琪、
张灵睿、程明智编写；第5章主要由程琪、田林果、程明智编写；第6章主要由岳学行、
李宗泽、程明智编写；第7~9章主要由杜萌编写；第10章主要由田晓璇、程明智编写；
第11章主要由岳学行、程明智编写。特别感谢鲁伟丹、司芳慧，她们为全书设计并绘制插图。

在编写本书时，编著者们参考了浙江大学陈为教授出版的《数据可视化》《大数据可
视分析方法与应用》和《数据可视化的基础原理与方法》，也参考了澳大利亚莫纳什大学
金·马里奥特（Kim Marriott）等人出版的《沉浸式分析》（Immersive Analytics），还参考
了许多网络作者的研究成果，在此一并致谢。另外，感谢清华大学出版社虚拟现实技术专
业新形态教材建设委员会为本书出版给予的鼓励、关心与支持。

由于编著者编写水平有限，书中难免存在疏漏之处，敬请广大读者批评、指正。若有
任何建议，欢迎致信编者。

编 者

2022年6月

全书分4篇，共有11章。第1篇为数据可视化基础，主要阐述数据可视化的基础理论和概念，包括可视化的简史、数据可视化的分类和工作流程、数据的视觉编码和交互设计。第2篇为虚拟现实基础，主要介绍虚拟现实技术的基本概念和开发工具，包括虚拟现实应用与Web端虚拟现实的开发技术。第3篇为沉浸式数据可视化与可视分析，主要介绍沉浸式数据可视化的基础概念、多感知技术以及交互技术。 第4篇通过两个具体的应用案例，帮助读者学习并了解沉浸式可视化与可视分析作品的设计方法和开发过程。 本书可以作为虚拟现实、大数据或数字媒体相关专业的专科生、本科生和研究生的选修课程教材，也可以作为其他专业初学者的领路指南，还可以作为沉浸式可视化研究与应用的使用参考。本书讲授虚拟现实沉浸式环境下的数据可视化及可视分析的思维和实现方法，具有一定的创新性和社会效益，希望能为从事大数据可视化、虚拟现实相关工作的研究者提供帮助。

杜萌，工学博士，现就于新西兰奥克兰大学，曾任北京印刷学院讲师。中国图象图形学学会可视化与可视分析专委会委员、教育部信息技术新工科联盟虚拟现实教育工作委员会秘书处主任、国际新媒体产学研融合研究院数据可视化方向主任。研究专长包括数据可视化与可视分析、沉浸式可视化与可视分析、数字媒体技术、虚拟现实技术。

程明智，工学博士，北京印刷学院，教授，数字媒体技术专业负责人，兼任教育部信息技术新工科联盟虚拟现实教育工作委员会秘书长、教育部1+X证书“虚拟现实工程技术应用”主编专家。

第1篇数据可视化基础

第1章数据可视化简介

3

11可视化的意义3

12可视化简史3

121图表萌芽4

122物理测量5

123图形符号5

124数据图形7

125现代启蒙10

126多维信息的可视

编码11

127多维统计图12

128交互可视化14

13数据可视化的分类14

131科学可视化15

132信息可视化15

133信息图15

134可视分析16

14数据可视化的工作流程17

141数据采集17

142数据处理18

143可视编码19

144可视化呈现19

145用户感知19

15本章小结20

参考文献20

第2章数据与视觉编码

21

21数据基础与数据分析21

211数据属性21

212数据预处理21

213数据挖掘22

214可视数据挖掘与可视

分析23

22视觉感知与认知25

221感知与认知25

222格式塔理论26

23视觉标记与视觉通道30

231视觉标记30

232视觉通道31

24本章小结35

参考文献35

第3章

数据可视化的方法与

交互方式

36

31数据可视化的基本方法36

311高维多元数据可

视化36

312时序数据可视化40

313地理空间数据可

视化43

314层次和网络数据可

视化44

315跨媒体数据可视化46

32数据可视化的基本交互

方式50

321选择50

322导航52

323重配54

324过滤56

325概览与细节59

326焦点与上下文61

33本章小结68

参考文献68

第2篇虚拟现实基础

第4章虚拟现实技术概述

73

41虚拟现实基本概念73

42虚拟现实发展历史74

43虚拟现实的应用分类76

431VR应用及VR眼镜的

沉浸感原理概述77

432AR应用概述78

433MR应用概述79

434虚拟现实相关技术的

比较81

44虚拟现实应用开发工具82

441三维建模软件82

442虚拟现实开发引擎84

45虚拟现实的输入和输出

设备85

451虚拟现实输入设备85

452虚拟现实输出设备89

46本章小结93

参考文献93

第5章虚拟现实应用开发

94

51基于Unity的虚拟现实作品

UI设计94

511UGUI图形界面系统94

512虚拟现实作品界面

设计97

52基于Unity的虚拟现实场景

设计98

521Unity中的地形

系统99

522Unity中的环境

特效104

523Unity导入外部模型

资源107

53基于Unity的虚拟现实交互

功能开发110

531虚拟现实应用的人机

交互概述110

532C#脚本开发基础111

533Unity中的常用类115

54基于Unity的虚拟现实作品

发布116

541Unity项目发布到

PC平台116

542Unity项目发布到

移动终端118

543Unity项目发布到

Web平台119

55本章小结120

参考文献121

第6章

Web端的虚拟现实

应用开发

122

61Web端的虚拟现实应用

概述122

611Web3D概述122

612WebVR概述122

613WebXR概述123

62Threejs引擎介绍124

621Threejs引擎与

WebGL的关系124

622Threejs引擎的优

缺点125

623Threejs引擎与其他

Web3D框架对比127

624Threejs引擎的可扩

展性127

63基于Threejs的Web虚拟

现实应用开发举例128

64本章小结131

参考文献132

第3篇沉浸式数据可视化与可视分析

第7章

沉浸式数据可视化

基础

135

71沉浸式数据可视化概述135

711沉浸式数据可视化与

可视分析简介135

712沉浸式数据可视化的

发展历程136

713沉浸式环境下的数据

可视化应用138

72沉浸式数据可视化的特点140

721沉浸式环境的深度

信息140

722沉浸式交互空间141

723用户的参与度142

724用户的专注度144

733D感知与呈现145

7313D感知与呈现的

相关概念145

7323D感知与呈现的局

限性146

7333D、2D感知与呈现

的比较147

74沉浸式数据可视化的未来与

挑战148

741沉浸式数据可视化中

的多感知技术148

742沉浸式数据可视化中

的人机交互150

743沉浸式数据可视化中

的数据故事151

744沉浸式数据可视化中

的多人协作152

75本章小结154

参考文献154

第8章

多感知沉浸式数据

可视化

156

81多感知呈现与分析简介156

82多感知沉浸式数据分析

设计框架157

83沉浸式视觉感知与数据可

视化159

831沉浸式视觉特征159

832沉浸式视觉映射160

84多感官的感知通道161

841听觉感知161

842触觉感知163

843嗅觉与味觉感知166

85多感知沉浸式数据可视分析

系统167

851数据的多感官映射167

852人类的多感官感知168

853多感知设计的挑战

限制169

86本章小结170

参考文献170

第9章

沉浸式数据可视化

的界面与交互

技术

172

91沉浸式数据可视化交互界面

概述172

911沉浸式数据可视化中

的鸿沟与壁垒172

912沉浸式数据可视化对

交互技术的影响173

92沉浸式数据可视化交互界面

设计基础174

921交互界面设计原则174

922交互界面设计任务175

923交互界面设计方法177

93沉浸式数据可视化交互界面

设计进阶179

931后WIMP交互设计179

932“以用户为中心”的

交互设计180

94多人协同合作的沉浸式可视

分析183

941多人协同的基本

需求183

942多人协同的基本

类型184

943多人协同的交互

技术185

95本章小结187

参考文献188

第4篇应

用

案

例

第10章

《红楼一梦，一梦

三解》案例介绍

191

101案例介绍191

102环境配置192

103家谱树的制作194

1031数据获取194

1032视觉映射194

1033三维视图实现195

1034交互技术实现204

104人物关系网络206

1041数据获取206

1042视觉映射209

1043三维视图实现210

1044交互技术实现214

105人物轨迹图217

1051数据获取217

1052视觉映射218

1053三维视图实现219

1054交互技术实现222

106本章小结227

第11章

基于Threejs的

WebXR应用案例

介绍

228

111作品简介228

112环境配置228

113项目搭建233

114Web3D开发235

115WebXR开发238

1151WebVR场景

搭建239

1152手柄控制器功能

实现240

1153沉浸式数据可视

化功能实现244

116本章小结246

随着数字经济的高速发展，虚拟现实、数据可视化与可视分析作为一种新的应用业态，正在成为人们高质量生活的新助力，其应用也越来越普及。但是目前的虚拟现实应用和数据可视化与可视分析的应用无论从学界还是业界，都是相互分离的两种应用，将两者进行结合的研究或应用还比较少。本书创造性地将两者进行结合，面向青年大学生，讲授虚拟现实沉浸式环境下的数据可视化及可视分析的思维和实现方法，具有明显的创新性。