可视化的设计原则、理论及成本效益分析

### 可视化的设计原则、理论及成本效益分析 #### 可视化设计的基本准则 在可视化设计中，有一条重要的准则：图形符号系统应在应用程序内部和不同应用程序之间实现标准化。不过，在此之前，这些符号系统需先确保在感知上是高效的。 #### 任意常规符号的研究方法 研究任意符号的合适方法与研究感官符号的方法大不相同。心理物理学那种聚焦狭窄问题的研究方法，并不适用于在文化背景下研究可视化。更合适的方法或许源自人类学家克利福德·格尔茨（Clifford Geertz）所倡导的“深度描述”，该方法基于仔细观察、深入文化以及将社会形式分析与具体社会事件紧密结合。卡罗尔（Carroll）及其同事借鉴社会科学，提出了一种理解复杂用户界面的“人工制品分析”方法，将用户界面视为人工制品，如同人类学家研究宗教或实用文化制品那样进行研究。在这种情况下，正式实验并不可行，因为它可能会改变正在研究的符号。而且，在许多表示中，符号的感官和任意方面相互交织，界限模糊。虽然纯粹的感官或任意编码实例可能不存在，但这并不意味着分析无效，我们需要仔细判断每个视觉编码属于哪个类别。 目前，我们对可视化工作原理的科学理解仍处于初级阶段，可视化和视觉交流更多是一门技艺而非科学。对于可视化设计师来说，艺术和设计方面的训练与感知心理学的训练同样重要。感知科学能为设计规则提供科学依据，并启发新的设计思路和数据展示方法。 #### 吉布森的可供性理论 感知理论家 J. J. 吉布森的生态光学、可供性和直接感知理论，彻底改变了我们对感知的看法。可供性理论认为，我们感知是为了对环境采取行动，感知是为行动而设计的。吉布森将可感知的行动可能性称为可供性，且认为可供性是直接、即时被感知的，而非从感官线索中推断出来的。从可视化的角度看，这个理论很有吸引力，因为大多数可视化的目标是决策。与经典心理物理学家研究相邻光点相互影响外观的方法相比，从行动角度思考感知更有用。 吉布森的理论与以往自下而上、从几何角度研究感知的理论相反。以往的理论家倾向于原子论的世界观，认为应先理解单个光点的感知，再逐步理解多个光点的相互作用。而吉布森采用自上而下的方法，认为我们感知的是行动可能性，如行走的表面、拉动的把手、导航的空间等。 沃伦（Warren）在 1984 年的实验支持了这一观点，实验表明受试者能根据自己的腿长准确判断楼梯的“可攀爬性”。吉布森的可供性理论与直接感知理论相关，他认为我们能直接、即时感知环境的可供性。 将可供性概念应用到界面设计中，一个好的界面应具备让用户任务更轻松的可供性。例如，在 3D 空间中移动对象的界面，应提供清晰的旋转和提升手柄。不过，吉布森的理论若被严格应用会存在问题： 1. **数据可视化的间接性**：即使对环境的感知是直接的，但通过计算机图形进行的数据可视化是间接的，数据与表示之间存在多层处理，数据来源可能是微观或抽象的，直接感知在这些情况下意义不大。 2. **图形用户界面缺乏明确物理可供性**：说屏幕按钮“可供”按下，就像说平面可供行走一样，有些牵强。现实世界中按钮的使用是任意的，我们需要学习其功能。在使用计算机时，感知和行动的联系更加间接。 3. **忽视视觉机制**：吉布森拒绝考虑视觉机制，然而我们对颜色等的认知是基于对感知机制的实验、分析和建模。忽视视觉机制会使大部分视觉研究变得无关紧要。 尽管存在这些问题，吉布森的理论仍有一定影响。从设计角度看，可供性概念可启发我们设计出易于操作的界面，如虚拟手柄和按钮。但在构建可视化应用科学方面，该理论的帮助有限。 #### 感知处理模型 人类视觉感知的简化信息处理模型可分为三个阶段： 1. **第一阶段：并行处理提取视觉场景的低级属性** - 视觉信息首先由眼睛和大脑后部初级视觉皮层中的大量神经元并行处理。 - 单个神经元对特定信息（如边缘方向、光块颜色）有选择性反应。 - 数十亿神经元同时从视觉场的各个部分提取特征，形成特征图。 - 此过程快速、自动，与我们的注意力选择关系不大，但与视线方向有关。 - 该阶段的重要特征包括：快速并行处理、提取特征（方向、颜色、纹理、运动模式）、信息短暂存储、自下而上的数据驱动处理以及为理解显示元素的视觉显著性提供基础。 2. **第二阶段：模式感知** - 该阶段通过快速主动过程将视觉场划分为不同区域和简单模式，如连续轮廓、相同颜色和纹理区域，运动模式也很重要。 - 此阶段受第一阶段并行处理的大量信息和视觉查询驱动的自上而下注意力的影响，具有很强的灵活性。 - 重要特征包括：较慢的串行处理、自上而下的注意力对从特征图中提取对象和模式至关重要、少量模式在自上而下的注意力作用下“绑定”并短暂保存、对象识别和视觉引导手部运动有不同路径（感知和行动通道）。模式处理路径在此分叉，形成两个视觉系统理论，即用于运动和行动的行动系统和用于对象识别的“什么”系统。 3. **第三阶段：视觉工作记忆** - 在最高感知水平，通过主动注意力将少量对象保存在视觉工作记忆中。 - 使用外部可视化时，我们构建一系列视觉查询，并通过视觉搜索策略来回答。这些对象由可能提供查询答案的可用模式和与任务相关的长期记忆信息构建而成。例如，使用地图查找路线时，视觉查询会触发对两个城市符号之间连接的红色轮廓（代表主要高速公路）的搜索。 注意力在视觉系统中起着重要作用。视觉信息通常从第一阶段流向第三阶段，但随后会有自上而下的信号巩固和增强早期阶段的处理。注意力是涉及整个视觉系统的多方面过程，第一阶段的特征图和第二阶段的模式都受其影响，眼球运动实际上是注意力重新分配的行为。通过巧妙设计的交互式可视化，注意力的影响可以延伸到大脑之外，使我们感兴趣的信息在屏幕上突出显示。视觉处理阶段之外，还存在与其他子系统的接口，如视觉对象识别与语言子系统的接口，以及行动系统与运动系统的接口。 下面用 mermaid 流程图展示感知处理的三个阶段： ```mermaid graph LR A[输入视觉信息] --> B[第一阶段：并行处理提取低级属性] B --> C[第二阶段：模式感知] C --> D[第三阶段：视觉工作记忆] D --> E[视觉思维] F[注意力] --> B F --> C F --> D ``` #### 可视化的成本和效益 交互式可视化设计的最终目标是优化应用程序，提高认知工作效率。我们使用可视化是因为它能帮助我们更快更好地解决问题或学习新知识，这些活动通常具有货币价值。可视化可从开发者和用户两个角度进行分析： 1. **用户角度** - **基本成本**：（学习使用可视化的时间 × 用户时间价值）+（执行工作的时间 × 用户时间价值） - **用户收益**：完成的认知工作 × 工作价值 - **相关准则**： - [G1.5] 当有多个工具可完成相同任务时，选择单位时间内可完成最有价值工作的工具。 - [G1.6] 只有当估计回报远大于学习成本时，才考虑采用新颖的设计方案。 - [G1.7] 除非新颖性的好处超过不一致性的成本，否则应采用与常用工具一致的工具。 2. **开发者角度** - **基本成本**：设计和实现认知工具的成本 + 营销成本 + 制造成本 + 服务成本 - **开发者收益**：（销售数量 × 单价）+ 维护合同收入 - **利润近似公式**：利润 =（销售数量 × 单价）-（创建成本 + 营销成本） 在计算机软件中，制造成本基本为零，服务成本通常包含在维护中。 下面用表格总结可视化的成本和效益： | 角度 | 成本 | 收益 | | ---- | ---- | ---- | | 用户 | 学习时间成本 + 工作时间成本 | 认知工作价值 | | 开发者 | 设计、营销、制造、服务成本 | 销售收入 + 维护收入 | 通过对可视化的设计原则、理论和成本效益的分析，我们可以更好地理解可视化的工作原理，为设计和使用可视化工具提供指导。在实际应用中，我们应综合考虑各种因素，以实现可视化的最大价值。 ### 可视化的设计原则、理论及成本效益分析 #### 对用户和开发者准则的深入探讨 上述提到的关于用户和开发者的准则，在实际的可视化应用中具有重要的指导意义。下面我们对这些准则进行更深入的探讨。 ##### 用户准则分析 - **[G1.5] 选择高价值工具** - 当面临多个可视化工具时，用户需要评估每个工具在单位时间内能够完成的工作价值。具体操作步骤如下： 1. 明确任务目标：确定需要完成的具体任务，例如分析股票市场数据、处理餐厅订单等。 2. 收集工具信息：了解每个工具的功能、特点以及使用方法。 3. 进行测试比较：在相同或相似的任务场景下，使用不同的工具进行操作，记录完成任务的时间和质量。 4. 计算价值：根据完成任务的质量和时间，结合自身时间价值，计算每个工具单位时间内的工作价值。 5. 做出选择：选择单位时间内工作价值最高的工具。 - **[G1.6] 谨慎采用新颖设计** - 新颖的设计方案可能带来更高的效率，但学习成本也可能较高。用户在考虑采用新颖设计时，可按以下步骤进行评估： 1. 评估学习成本：了解学习新设计所需的时间和精力，包括学习新的操作方法、理解新的符号含义等。 2. 预估回报：分析使用新设计可能带来的好处，如提高工作效率、获得更准确的结果等，并将其转化为可量化的价值。 3. 比较成本和回报：如果预估回报远大于学习成本，则可以考虑采用新颖设计；否则，应谨慎选择。 - **[G1.7] 优先选择一致性工具** - 为了降低认知成本，用户应优先选择与常用工具一致的工具。具体操作如下： 1. 确定常用工具：明确自己经常使用的可视化工具或相关软件。 2. 评估一致性：比较新工具与常用工具在操作方式、符号表示等方面的一致性。 3. 权衡利弊：如果新工具的新颖性带来的好处不足以弥补不一致性带来的成本，则选择与常用工具一致的工具。 ##### 开发者准则分析 开发者在设计和推广可视化工具时，也需要遵循相应的准则，以实现利润最大化。 - **控制成本** - 开发者需要严格控制设计、营销、制造和服务成本。具体措施包括： 1. 优化设计流程：采用高效的设计方法，减少设计时间和成本。 2. 合理制定营销策略：选择合适的营销渠道，提高营销效果，降低营销成本。 3. 降低制造成本：对于计算机软件，可通过优化代码、采用开源技术等方式降低制造成本。 4. 提高服务效率：建立完善的服务体系，提高服务质量和效率，降低服务成本。 - **提高收益** - 开发者可以通过以下方式提高收益： 1. 提高产品质量：设计出功能强大、易用性好的可视化工具，吸引更多用户购买。 2. 合理定价：根据产品的成本、市场需求和竞争情况，合理制定产品价格。 3. 拓展销售渠道：通过多种渠道销售产品，提高产品的销售量。 4. 提供增值服务：如维护合同、培训服务等，增加额外的收入来源。 #### 可视化在不同领域的应用案例 可视化在各个领域都有广泛的应用，下面我们通过几个具体案例来了解其实际应用效果。 ##### 金融领域 在金融领域，可视化工具可以帮助投资者快速分析股票市场数据，做出更明智的投资决策。例如，某金融机构开发了一款股票可视化分析工具，该工具通过图表、图形等方式展示股票的价格走势、成交量、市盈率等信息。投资者可以通过该工具直观地了解股票的表现，发现潜在的投资机会。具体操作步骤如下： 1. 登录工具：投资者使用账号和密码登录股票可视化分析工具。 2. 选择股票：在工具中输入要分析的股票代码或名称，选择相应的股票。 3. 查看数据：工具会自动展示所选股票的相关数据，包括价格走势、成交量、市盈率等。投资者可以通过不同的图表类型（如折线图、柱状图、K 线图等）查看数据。 4. 分析数据：投资者可以根据数据进行分析，例如比较不同股票的表现、分析股票的趋势等。 5. 做出决策：根据分析结果，投资者可以做出投资决策，如买入、卖出或持有股票。 ##### 餐饮领域 在餐饮领域，可视化工具可以帮助餐厅提高服务效率，优化运营管理。例如，某快餐餐厅使用可视化点餐系统，该系统通过大屏幕展示菜单和菜品图片，顾客可以直接在屏幕上选择菜品、数量和口味等信息。服务员可以通过系统实时接收订单信息，快速处理订单。具体操作步骤如下： 1. 顾客点餐：顾客在大屏幕上浏览菜单和菜品图片，选择要购买的菜品、数量和口味等信息，然后确认订单。 2. 订单传输：系统将订单信息实时传输到厨房和收银台。 3. 厨房处理：厨房工作人员根据订单信息准备菜品。 4. 收银结算：顾客在收银台结算订单，完成支付。 通过以上案例可以看出，可视化工具在不同领域都能发挥重要作用，提高工作效率，降低成本，为用户带来更好的体验。 #### 总结与展望 可视化作为一种重要的信息展示和分析手段，在当今社会中发挥着越来越重要的作用。通过对可视化的设计原则、理论和成本效益的分析，我们了解到可视化的设计需要考虑多个因素，包括图形符号的标准化、可供性理论的应用、感知处理模型的理解以及成本效益的平衡等。同时，我们也看到了可视化在不同领域的广泛应用，为各个行业带来了显著的效益。 在未来，随着技术的不断发展，可视化将迎来更多的机遇和挑战。例如，人工智能、大数据、虚拟现实等技术的发展将为可视化带来新的发展方向。我们可以期待更加智能、高效、个性化的可视化工具的出现，为用户提供更好的服务。同时，我们也需要不断探索和研究可视化的理论和方法，提高可视化的设计水平和应用效果，以满足不断变化的市场需求。 下面用 mermaid 流程图展示可视化的发展趋势： ```mermaid graph LR A[当前可视化技术] --> B[技术发展：人工智能、大数据、虚拟现实等] B --> C[新的可视化工具：智能、高效、个性化] C --> D[应用领域拓展：更多行业、更多场景] D --> E[用户体验提升：更好的服务、更高的效率] ``` 总之，可视化是一个充满活力和潜力的领域，我们需要不断学习和探索，以跟上时代的步伐，为推动可视化的发展做出贡献。