可视化思维中的算法应用与策略

# 可视化思维中的算法应用与策略 ## 1. 复杂路径寻路的算法支持 在处理复杂路径时，如长且蜿蜒、有许多交叉点的路径，为寻路任务提供计算机支持是很有必要的。当设计交互式节点 - 链接图或路线图时，如果路径复杂，应考虑为寻路提供算法支持。 网络图表中的路径追踪问题与地图上的路径追踪问题非常相似。以社交网络为例，节点代表人物，链接代表各种社交关系。然而，网络图表中的路径追踪可能更困难，因为在网络图表中，线条的长度没有意义，而且路径可能会交叉，特别是在密集的网络中。这意味着从朝正确方向延伸的路径开始的视觉思维启发式方法可能并不有效。 ## 2. 结合视觉显示和心理意象的推理算法 ### 2.1 实验示例 有时候，心理意象可以与外部图表结合起来帮助解决问题。Shimojima 和 Katagiri（2008）进行的一个简单实验说明了这一点。他们向受试者展示了一个简单的方块图，其中方块 A 在方块 B 上方。接着，他们让受试者考虑另一个方块 C 在方块 A 上方的情况。最后，他们问受试者：“方块 C 在方块 B 上方还是下方？” 从逻辑上来说，可以使用传递性规则来解决这个问题。但实际上，受试者似乎是通过感知来解决问题的。实验通过监测受试者的眼球运动发现，当受试者被要求执行这项任务时，他们会看向方块 B 上方的空白处，就好像他们在那里想象出了一个方块。他们就像能“看到”方块 C 在方块 A 上方一样，在想象中也能看到方块 C 在方块 B 上方。也就是说，他们使用了一种将显示中的外部信息与视觉想象的补充相结合的感知来解决问题。 另一个例子来自 Wertheimer（1959），他研究了儿童解决几何问题的过程。孩子们被要求找到一个可以用来计算平行四边形面积的公式。他们已经知道矩形的面积是宽度乘以高度，并且他们得到了如图所示的图形。为了解决这个问题，一些学生在脑海中想象出额外的辅助线，并通过检查结合后的心理图像和实际图像找到了解决方案。他们注意到，如果从平行四边形的右侧切下一个三角形并将其放在左侧，平行四边形就可以转换成矩形。这就得出了答案——平行四边形的面积也是底的宽度乘以高度。 ### 2.2 算法步骤 该算法的基本形式如下： - **感知与添加语义属性**：在显示中感知与任务相关的模式，并在心理上添加语义属性。 - **心理想象添加内容**：在心理上想象对显示的补充，以帮助进行视觉推理过程。 - **执行视觉查询**：在结合后的内部/外部图像上执行视觉查询，以解决问题。 不过，这种方法存在一定的局限性，至少对于大多数人来说，我们在心理上想象对可视化进行补充的能力是非常有限的。因此，许多最灵活和创造性的视觉思维涉及将试探性解决方案外部化，这就是创造性草图绘制，下面将详细介绍。 ## 3. 设计草图绘制算法 ### 3.1 草图的特点与优势 在纸张、黑板或平板电脑上进行草图绘制是大多数艺术家、设计师和工程师创造性过程的基础。创造性草图与完成的绘图有很大的不同。创造性草图是思维工具，主要由快速绘制的线条组成，这些线条只是意义的暗示；而完成的绘图则是对已经充分发展的想法的精致记录。 草图可以被视为心理意象的外部化。开始绘制草图的人实际上是试图在纸上表现出他所想象的东西。由于视觉成像的局限性，我们在心理上能想象的东西相当简单。如果能将代表心理图像的东西，无论多么粗糙，作为草图绘制下来，那么就可以在心理上想象对纸上已有的内容进行额外的补充。 草图受益于线条的抽象性质。一条线可以代表一条边、一个角或一个颜色区域的边界，也可以代表非常抽象的东西，如大型商店里的人流。纸上的线条可以被重新解释为具有不同的含义。例如，花园布局草图上的一个涂鸦区域可以通过想象简单地从草坪变为露台再变为菜园。心理学家 Manfredo Massironi（2004）发明的一个练习戏剧性地说明了大脑能够轻松地以不同方式解释线条。先在一张纸上画一个涂鸦——一条有三四个大圈的单线就足够了。然后，只需添加一个“<”和一个“o”，就可以尝试将涂鸦变成一只鸟。在很多情况下，原本毫无意义的圈会变成头和翅膀，从而得到非常令人满意的鸟的形象。 ### 3.2 算法步骤 创造性草图绘制算法如下： 1. **心理想象设计方面**：在心理上想象设计的某个方面。 2. **外部化想象设计**：在显示上做标记，将想象的设计方面外部化。 3. **构建分析性视觉查询**：构建分析性视觉查询，以确定设计是否满足任务要求。 4. **评估与舍弃草图**：如果发现所代表的设计存在无法轻易修复的重大缺陷（通过擦除或其他图形修正），则舍弃草图。 5. **心理想象添加或重新赋予意义**：在心理上想象对草图的设计补充和/或在心理上重新赋予特定线条和其他标记的意义。 6. **评估心理添加的价值**：执行视觉查询，以批判性地评估在现有草图背景下心理想象添加内容的价值。 7. **外部化有价值的添加**：如果认为心理添加有价值，则通过添加标记或擦除来将其外部化。 8. **重复或重新开始**：从步骤 5 开始重复，修改草图，或者舍弃草图并从步骤 1 开始。 建筑师以大量绘制草图而闻名，Suwa 和 Tversky（1997）研究了他们在设计早期阶段如何使用草图。他们发现一种分析性的观察方式很重要，而且草图线条的放置常常会产生意想不到的结果。有时，这些结果会带来以前未被注意到的建设性解决方案。例如，在一个建筑设计项目中，场地将建筑物的基本占地面积限制在两个大致勾勒出的矩形内。建筑师首先想象主入口在大矩形的中心，但立即意识到入口大厅及其相关售票厅所需的空间会