信息可视化：基于感知的设计洞察

# 信息可视化：基于感知的设计洞察 ## 一、可视化设计的重要性与目标 在当今信息爆炸的时代，可视化设计变得至关重要。人类的视觉系统是一个强大而微妙的模式探寻器，眼睛和大脑的视觉皮层构成了一个大规模并行处理器，为人类认知中心提供了最高带宽的通道。在高级处理层面，感知和认知紧密相关，这也是“理解”和“看见”这两个词同义的原因。 然而，视觉系统有其自身的规则。当数据以特定方式呈现时，模式很容易被感知；但如果以其他方式呈现，这些模式可能就会变得不可见。例如，“goggle”这个单词，在特定呈现方式下会比其他方式更易辨认，尽管字母的可见部分相同，且某些呈现方式中还存在更多无关“噪声”。这表明，当我们理解感知的工作原理时，就可以将这些知识转化为展示信息的准则，使重要和有价值的模式凸显出来；反之，若违背这些规则，数据将变得难以理解或具有误导性。 ## 二、可视化设计的方法与原则 ### （一）多途径研究可视化 可视化可以通过多种方式进行研究。它可以遵循艺术学校的平面设计传统，也可以在计算机图形学领域中研究用于显示数据的算法，还可以作为符号学的一部分，从建构主义的角度研究符号系统。但基于感知的科学方法具有独特优势，它基于相对稳定的人类视觉系统结构，有望提供超越设计时尚变幻的设计规则。 ### （二）感知研究的进展与应用 过去三十年来，心理学家和神经科学家对感知的研究取得了巨大进展，关于人类视觉的许多知识都与数据可视化相关。然而，这些信息大多存储在高度专业化的期刊中，语言也只有研究科学家才能理解。每月有数百篇关于人类感知的新论文发表，其中许多在信息显示方面都有应用。这些知识对于设计更好的显示界面非常有用，既能避免错误，又能提出创新解决方案。 ### （三）本书的组织与内容 本书按照自下而上的感知原则进行组织。第一章提供了一个通用的概念框架，并讨论了基于视觉科学方法的理论背景。接下来的四章探讨了视觉的低级感知元素，如颜色、纹理、运动和形状元素，这些元素有助于设计吸引注意力的特征以及对数据进行编码，使不同对象能够区分开来。后续章节则讨论了如何在数据中感知模式，包括二维模式感知和三维空间感知，还涉及可视化设计、数据空间导航、交互技术和视觉问题解决等方面。 ## 三、各章节内容概述 ### （一）第一章：数据可视化应用科学的基础 1. **可视化设计的概念框架**：基于人类感知构建可视化设计的概念框架，阐述了关于感官表征的主张的本质，并特别关注了感知理论家J.J. Gibson的工作。通过这一分析，定义了基于设计的方法和基于感知科学的方法之间的差异。 2. **数据分类**：提供了抽象数据类别的分类，作为将数据映射到视觉表征的基础。数据类型包括实体、关系、实体或关系的属性、数据维度（1D、2D、3D等）、数字类型、不确定性、操作和元数据等。 ### （二）第二章：环境、光学、分辨率和显示 1. **感知的基本输入**：从光的物理特性以及光与环境中物体的相互作用开始，介绍了感知的基本输入。核心概念包括光到达视点时的结构以及该光阵列所携带的关于可交互表面和物体的信息。 2. **视觉光学与显示设计**：讨论了视觉光学的基础知识，如视觉角度的定义、透镜的作用等，还涉及了增强现实和虚拟现实显示系统中的光学问题。同时，描述了人类视力的测量方法，并将其应用于显示设计，包括3D环境的设计、视觉显示系统所需的像素数量和更新速度、虚拟现实显示系统的要求、图形和文本的显示细节以及微弱目标的检测等。 ### （三）第三章：亮度、明度、对比度和恒常性 1. **视觉系统的测量方式**：视觉系统不测量环境中的光量，而是测量光和颜色的变化。介绍了大脑如何利用这些信息来发现环境中物体表面的属性，并将其与数据编码和显示系统的设置相关联。 2. **应用场景**：包括将显示融入观看环境、检测目标的最低条件、创建用于编码数据的灰度级的方法以及由于对比度效应而产生的错误等。 ### （四）第四章：颜色 1. **颜色视觉科学**：从受体和三色理论开始介绍颜色视觉的科学知识，包括颜色测量系统和颜色标准，给出了CIE标准和CIEluv均匀颜色空间的标准方程。还引入了对立过程理论，并将其与使用亮度和色度显示数据的方式相关联。 2. **颜色的应用**：包括颜色测量和规范、颜色选择界面、颜色编码、用于映射的伪彩色序列、颜色再现以及用于多维离散数据的颜色等。 ### （五）第五章：视觉显著性与信息查找 1. **视觉注意力模型**：引入了一个“探照灯”模型来描述眼睛运动如何用于搜索信息。大部分章节描述了将视觉图像分解为颜色、形状和运动元素的大规模并行过程。 2. **数据编码与信息查找**：将前注意处理理论应用于使一个数据对象与另一个数据对象区分开来的关键问题，讨论了对数据进行编码以使其在感知上能够整合或分离的方法。应用场景包括快速理解的显示设计、信息编码、使用纹理进行数据编码、符号设计以及多维离散数据显示等。 以下是部分章节的应用场景总结表格： |章节|应用场景| | ---- | ---- | |第二章|设计3D环境、确定视觉显示系统像素数量和更新速度、满足虚拟现实显示系统要求、显示图形和文本细节、检测微弱目标| |第三章|将显示融入观看环境、确定检测目标的最低条件、创建灰度级编码数据、避免对比度效应产生的错误| |第四章|颜色测量和规范、颜色选择界面、颜色编码、伪彩色序列映射、颜色再现、多维离散数据颜色应用| |第五章|快速理解的显示设计、信息编码、纹理数据编码、符号设计、多维离散数据显示| ## 四、可视化设计各阶段的流程 ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A([开始]):::startend --> B(感知基础研究):::process B --> C(数据分类与映射):::process C --> D(视觉元素设计):::process D --> E(模式感知设计):::process E --> F(交互与导航设计):::process F --> G(视觉思维算法应用):::process G --> H([结束]):::startend ``` 这个流程图展示了可视化设计从感知基础研究开始，经过数据分类与映射、视觉元素设计、模式感知设计、交互与导航设计，最后应用视觉思维算法的整个过程。 ## 五、后续章节内容及应用 ### （一）第六章：静态和动态模式 1. **大脑的模式处理**：大脑将世界分割成不同区域，寻找链接、结构和原型对象的过程。这一过程会转化为一系列信息显示的设计准则。 2. **应用场景**：包括以可感知模式显示数据、信息布局、节点 - 链接图和分层显示等。例如，在显示数据时，可依据大脑对模式的感知规律，合理安排数据的布局和呈现方式，使数据中的模式更易被察觉。以下是一些具体的应用操作步骤： - **数据布局规划**：分析数据的特点和关系，根据大脑对模式的感知偏好，确定数据的排列方式，如按相似性、关联性等进行分组。 - **节点 - 链接图设计**：明确节点和链接所代表的含义，选择合适的图形和颜色来表示不同类型的节点和链接，以增强图的可读性。 - **分层显示设置**：根据数据的重要性和层次结构，设置不同的显示层次，突出关键信息。 ### （二）第七章：视觉对象和数据对象 1. **对象感知理论**：回顾了基于图像和基于3D结构的对象感知理论，引入了对象显示的概念，作为利用视觉对象组织信息的方法。 2. **应用场景**：包括呈现图像数据、使用3D结构组织信息和对象显示等。在呈现图像数据时，可根据对象感知理论，优化图像的显示方式，提高信息的传达效率。具体操作如下： - **图像数据预处理**：对图像进行裁剪、调整亮度和对比度等操作，以突出图像中的关键对象。 - **3D结构组织信息**：根据数据的特点和关系，构建合适的3D结构，将信息合理地分布在3D空间中。 - **对象显示设计**：选择合适的视角和显示方式，使对象能够清晰地展示其特征和关系。 ### （三）第八章：空间感知与空间数据显示 1. **空间感知与显示**：随着信息显示越来越多地在3D虚拟空间中进行，介绍了不同类型的空间线索以及我们感知它们的方式。后半部分讨论了七个空间任务以及与之相关的感知问题。 2. **应用场景**：包括3D信息显示、立体显示、2D与3D可视化的选择、3D图形查看和虚拟环境等。在进行3D信息显示时，需要综合考虑各种空间线索，以提供更真实和准确的视觉体验。操作步骤如下： - **空间线索选择**：根据显示的目的和数据的特点，选择合适的空间线索，如透视、遮挡、阴影等。 - **立体显示设置**：调整立体显示设备的参数，确保左右眼图像的正确呈现，避免出现重影等问题。 - **2D与3D可视化选择**：根据数据的维度和用户的需求，决定是采用2D还是3D可视化方式。 ### （四）第九章：图像、文字和手势 1. **信息处理与整合**：视觉信息和语言信息由大脑的不同部分以不同方式处理，各有优势，通常应在展示中结合使用。本章探讨了何时使用视觉和语言呈现以及如何将两种信息进行链接。 2. **应用场景**：包括整合图像和文字、视觉编程语言和有效图表等。在整合图像和文字时，需要确保两者之间的紧密联系，以增强信息的传达效果。具体操作如下： - **信息关联分析**：分析图像和文字所传达的信息，找出它们之间的关联点。 - **链接方式选择**：选择合适的链接方式，如使用箭头、线条等将图像和文字进行连接，或者通过文字说明来解释图像。 - **呈现方式优化**：根据展示的目的和受众的特点，优化图像和文字的呈现方式，如调整字体大小、颜色和图像的位置等。 ### （五）第十章：与可视化进行交互 1. **交互循环与操作**：定义了主要的交互循环，包括数据选择和操作循环、探索和导航循环等。在此框架内，依次讨论了低级数据操作、对数据视图的动态控制以及数据空间的导航等。 2. **应用场景**：包括与数据交互、选择、滚动、缩放界面和导航等。在进行数据交互时，需要考虑用户的操作习惯和需求，提供便捷和高效的交互方式。操作步骤如下： - **交互方式设计**：根据数据的特点和用户的需求，选择合适的交互方式，如鼠标点击、手势操作等。 - **选择和滚动功能实现**：实现数据的选择和滚动功能，确保用户能够方便地浏览和选择所需的数据。 - **缩放界面设置**：设置合理的缩放比例和方式，使用户能够清晰地查看数据的细节。 ### （六）第十一章：视觉思维过程 1. **认知系统与算法**：首先概述了与可视化思维相关的认知系统，后半部分提供了十种常见的视觉思维算法，这些算法广泛应用于交互式可视化中。这些过程部分在计算机中进行，部分在用户的视觉大脑中进行。 2. **应用场景**：包括使用可视化解决问题、交互式系统设计和创造力激发等。在使用可视化解决问题时，可根据具体问题选择合适的视觉思维算法，以提高问题解决的效率。以下是一些常见算法的应用示例： - **算法1：视觉查询**：明确查询的目标和条件，通过可视化界面输入查询信息，系统根据算法进行数据筛选和展示。 - **算法2：地图或图表上的路径查找**：确定起点和终点，系统根据地图或图表的结构，使用算法计算出最佳路径并显示。 - **算法3：结合视觉显示和心理意象进行推理**：在可视化界面上展示相关信息，用户结合自己的心理意象进行推理和分析，得出结论。 以下是各章节应用场景的总结表格： |章节|应用场景| | ---- | ---- | |第六章|以可感知模式显示数据、信息布局、节点 - 链接图、分层显示| |第七章|呈现图像数据、使用3D结构组织信息、对象显示| |第八章|3D信息显示、立体显示、2D与3D可视化选择、3D图形查看、虚拟环境| |第九章|整合图像和文字、视觉编程语言、有效图表| |第十章|与数据交互、选择、滚动、缩放界面、导航| |第十一章|使用可视化解决问题、交互式系统设计、创造力激发| ## 六、可视化设计的发展趋势与展望 当前，可视化设计正处于一个令人兴奋的时期。用于生成可视化的计算机技术已经发展到可以在笔记本电脑和平板电脑上生成复杂的交互式3D数据视图的阶段。越来越多的视觉信息趋势正在加速，新的可视化技术不断涌现，以帮助我们分析庞大而复杂的信息体。 然而，随着新技术的出现，创造性设计的爆发期往往不会持续太久。在标准化力量的作用下，新的技术很快会变成常规。因此，基于感知进行设计可以帮助我们避免设计失误，使可视化成为更透明的信息窗口。通过利用关于感知如何工作的知识，我们可以使可视化更好地展示信息，让用户更轻松地理解和分析数据。 在未来，可视化设计可能会朝着更加智能化、个性化和沉浸式的方向发展。智能化的可视化系统可以根据用户的行为和需求自动调整显示方式和内容；个性化的可视化可以根据用户的偏好和背景提供定制化的信息展示；沉浸式的可视化则可以通过虚拟现实和增强现实技术，提供更加真实和身临其境的体验。 总之，可视化设计在信息时代具有重要的意义，我们需要不断探索和创新，以满足用户对信息展示和分析的需求。通过深入理解感知原理，并将其应用于可视化设计中，我们可以创造出更加高效、准确和有吸引力的可视化作品。