楊峰　李蔚

[摘要]優(yōu)化技術(shù)用來加強(qiáng)、改善信息可視化基本技術(shù)的效果。本文對(duì)現(xiàn)有的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了分類，在研究他們特點(diǎn)的基礎(chǔ)上總結(jié)了實(shí)現(xiàn)思路，并對(duì)典型技術(shù)及在應(yīng)用時(shí)存在的問題進(jìn)行了總結(jié)。

[關(guān)鍵詞]可視化技術(shù)；可視化效果；優(yōu)化

DOI：10.3969/j.issn.1008—0821.2012.05.008

[中圖分類號(hào)]G250.78

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1008—0821（2012）05—0034—03

為適合不同目的的可視化問題，人們研究開發(fā)了大量形式各異的可視化技術(shù)。對(duì)于眾多的可視化具體技術(shù)，可以從不同角度進(jìn)行分類，可視化的技術(shù)方法根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)可分為不同類別。目前的可視化分類主要有5個(gè)分類角度，即數(shù)據(jù)類型、顯示類型、交互方式、任務(wù)分析和基于模型的分類。所有這些技術(shù)都會(huì)遇到一個(gè)共同問題，當(dāng)顯示復(fù)雜的信息結(jié)構(gòu)時(shí)，用戶不僅需要輕松觀察對(duì)象的局部細(xì)節(jié)，也要同時(shí)觀察到該細(xì)節(jié)部分在全局結(jié)構(gòu)的位置。如何在有限的屏幕同時(shí)顯示更多的低層次細(xì)節(jié)和更多的高層次全局結(jié)構(gòu)是一矛盾。為解決這類問題，人們研究了一些方法來同時(shí)照顧這兩個(gè)方面。本文將他們稱為優(yōu)化方法。筆者首先分析這些方法的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，將他們按照時(shí)空利用特點(diǎn)分成3類，并對(duì)典型技術(shù)及應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

1 典型方法

優(yōu)化方法往往不單獨(dú)使用，即每當(dāng)進(jìn)行可視化時(shí)，先根據(jù)實(shí)際問題需要，選擇基本可視化方法。當(dāng)問題的規(guī)模較大時(shí)，再用優(yōu)化技術(shù)來幫助。其中空間分離的方法最為熟知。以多比例顯示的時(shí)間分離方法；空間變形的典型技術(shù)有透視墻顯示，魚眼視圖顯示，以及雙曲視圖顯示（Hyperbolic browser）等。

1.1多比例顯示

多比例顯示的觀點(diǎn)和技術(shù)在遙感圖片處理和地理信息系統(tǒng)等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中使用多年，效果相當(dāng)好?？s放用戶界面最為必需的條件是允許用戶根據(jù)不同層次的細(xì)節(jié)，輕松自由地放大和縮小?？s放用戶界面與Fumas提出的多比例界面概念接近。

縮放用戶界面的典型代表是Pad++，這是一個(gè)多比例顯示工具。Pad++實(shí)現(xiàn)的縮放用戶界面使得用戶能夠在一個(gè)尺度寬廣范圍內(nèi)縮放，縮放用戶界面允許用戶在不同的水平瀏覽同一個(gè)物理對(duì)象。Pad++屬于一個(gè)數(shù)據(jù)可視化工具。信息可視化中則要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義縮放（Semantic zooming）。首先根據(jù)信息單元的關(guān)系，構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)太大時(shí)，也可以通過縮放顯示不同級(jí)別的結(jié)構(gòu)。

1.2透視墻視圖

Spence和Apperley最早提出了這一想法，即在計(jì)算機(jī)屏幕上以平行線條方式顯示信息。線條的寬度不同，中間線條最寬，顯示較詳細(xì)；周圍線條收縮，忽略細(xì)節(jié)，但可顯示所有線條，以表示總體狀況。用戶通過鼠標(biāo)選中某個(gè)線條，它便移到中心進(jìn)行細(xì)節(jié)顯示。

Mackinlay等人提出的透視墻視圖是一計(jì)算機(jī)化的、自動(dòng)的雙焦點(diǎn)顯示的三維實(shí)現(xiàn)，如圖1（a）。透視墻具有3個(gè)面板。中間面板顯示用戶正在聚焦的信息。2個(gè)側(cè)面板，收縮在遠(yuǎn)處，生成上下文信息。用戶可以方便地把上下文信息拖到焦點(diǎn)面板。

1.3魚眼視圖

Fumas在1986年的研究了魚眼視圖顯示方法，如圖1（b）。他使用興趣程度（Degree of interest，DOI）的概念，用以確定在魚眼視圖中對(duì)象的顯示比例應(yīng)該以怎樣的速度減小。魚眼視圖是透視視圖和語(yǔ)義視圖的結(jié)合。一般而言，邊緣對(duì)象看起來要比處在焦點(diǎn)位置的對(duì)象小。然而在引入了DOI概念后情況就發(fā)生了一些改變，當(dāng)對(duì)象具有高D01分?jǐn)?shù)時(shí)，這一規(guī)則可以改寫。在一個(gè)透視視圖，各個(gè)對(duì)象的顯示比例與他們的DOI成比例。普通魚眼技術(shù)的透視視圖可看成是中心的DOI最高的結(jié)果。Corpendale等人提出讓每個(gè)焦點(diǎn)的周圍具有較低的頂點(diǎn)密度，以使它們具有較高的可讀性。

1.4雙曲視圖

為了解決在全局結(jié)構(gòu)顯示的同時(shí)，又可以觀察局部細(xì)節(jié)，一個(gè)比較好的方法是運(yùn)用Focus+Context技術(shù)將抽象信息可視化。在提供給用戶全局信息結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過顯示一些特定對(duì)象的細(xì)節(jié)信息，將那些對(duì)用戶理解全局關(guān)系所需要的非常有用的局部信息提供給用戶。Focus+Conte～t技術(shù)的特點(diǎn)是可把與用戶有關(guān)的信息詳細(xì)地顯示出來，并與其他信息平穩(wěn)過渡；可同時(shí)在不同的抽象層次上進(jìn)行信息可視化，并平衡局部信息和全局結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；適用于幾乎各種不同類型的信息種類。

雙曲視圖是為大型信息集合的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化的系統(tǒng)，它在顯示結(jié)構(gòu)層次的同時(shí)使用Focus+Context技術(shù)（如圖2）。與魚眼透視不同，它利用雙曲線的指數(shù)增長(zhǎng)原理來分配空間顯示區(qū)域的大小，在全局和細(xì)節(jié)的顯示上提供了一個(gè)更平滑的、有效的平衡方法。在該系統(tǒng)中，首先用樹的方式來表先各個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的空間關(guān)系。樹的根節(jié)點(diǎn)位于一個(gè)圓形平面的中間，占據(jù)較多的顯示空間。樹的各個(gè)分支節(jié)點(diǎn)向圓的外周延伸，離中心越遠(yuǎn)，占據(jù)的顯示空間越少。

用戶通過拖動(dòng)平面中的節(jié)點(diǎn)，可以改變?cè)摻Y(jié)點(diǎn)所占據(jù)的顯示空間的位置，隨著位置的不同，其占據(jù)的顯示空間的大小跟著發(fā)生變化，從而達(dá)到瀏覽整個(gè)系統(tǒng)的不同區(qū)域的目的。比如，對(duì)于可視化圖的圓周邊上的節(jié)點(diǎn)，把它拖到圖的中間，它的顯示空間就會(huì)增大最多倍數(shù)。

1.5預(yù)處理

對(duì)于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，如WWW系統(tǒng)，一般總是需要同時(shí)顯示全局結(jié)構(gòu)和局部詳細(xì)信息，才能達(dá)到較好的效果。在WWW的可視化中，主要使某些局部結(jié)點(diǎn)信息以非常顯眼的方式從全局結(jié)構(gòu)信息中突顯出來，讓整個(gè)全局信息充當(dāng)宏觀環(huán)境，突顯的局部信息相當(dāng)于微觀部分，從而使用戶注意力聚集于微觀部分。于是在WWW可視化過程中必須使用優(yōu)化技術(shù)。由于經(jīng)典的魚眼視圖法最多也只能呈現(xiàn)100個(gè)結(jié)點(diǎn)的全局圖，而WWW系統(tǒng)的結(jié)點(diǎn)數(shù)很顯然遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)目。所以在可視化前，還要用各種不同的技術(shù)對(duì)信息空間進(jìn)行預(yù)處理，例如WebCutter系統(tǒng)。這些預(yù)處理技術(shù)主要有：

1.5.1過濾

不是將整個(gè)超媒體信息空間可視化，而是通過對(duì)空間進(jìn)行過濾，將用戶感興趣的進(jìn)行可視化。當(dāng)搜索結(jié)果很多，或者太少時(shí)，可以對(duì)搜索進(jìn)行可視化。例如，Carriere提出的Web Query系統(tǒng)運(yùn)用過濾技術(shù)將與搜索查詢問題有關(guān)的結(jié)果用一個(gè)原始的結(jié)果頁(yè)面顯示出來。另外也可用過濾將圖可視化形成簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。

1.5.2抽象化

抽象化就是簡(jiǎn)化信息空間，將一般信息聚集形成一個(gè)高層次的結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化。傳統(tǒng)的信息提取聚類技術(shù)可以作為一個(gè)新技術(shù)用于WWW的開發(fā)。研究者已經(jīng)開發(fā)了相關(guān)的可視化技術(shù)用來聚集相關(guān)頁(yè)面。例如，WebBook可以將相關(guān)的Web頁(yè)面進(jìn)行組織，并允許用戶在3D空間中進(jìn)行各種操作。Terveen開發(fā)了一個(gè)部落圖形可視化技術(shù)，將相關(guān)站點(diǎn)作為交互和分析的基本單元。

2 思路歸納

當(dāng)用戶要同時(shí)觀察全局結(jié)構(gòu)與某一部分細(xì)節(jié)時(shí)，就需要在有限的屏幕空間上顯示盡可能多的信息，對(duì)重要的必須仔細(xì)觀察的細(xì)節(jié)部分就可以進(jìn)行優(yōu)先顯示。通過總結(jié)目前已有的方法，我們可以將上述方法歸納為以下幾種思路。

時(shí)間分離法，這種思路實(shí)際上是前后不同屏幕上顯示，但不是進(jìn)行屏幕切換，而是連續(xù)變化，從而有“同時(shí)”觀察的效果。例如視圖縮放方法，即以不同比例顯示對(duì)象，也稱作多比例顯示。這是從電子地圖借鑒過來的一種技術(shù)，例如Google地圖。所不同的是Google地圖顯示的是實(shí)際存在的一副圖像，信息可視化中要對(duì)人為構(gòu)造的抽象圖進(jìn)行縮放。

空間分離法，將屏幕分成不同視圖窗口，分辨顯示全局和細(xì)節(jié)信息。該方法一般是在兩個(gè)窗口中完成可視化工作，也稱為全局/局部視圖法。其中，一個(gè)窗口顯示信息的全局結(jié)構(gòu)，另一窗口顯示局部細(xì)節(jié)，細(xì)節(jié)部分是全局窗口中對(duì)應(yīng)的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。如Windows的資源管理器就使用了這種思路。

空間變形法，該方法是在一個(gè)視圖上完成全局結(jié)構(gòu)和突出細(xì)節(jié)的工作。首先顯示全局結(jié)構(gòu)，對(duì)于鼠標(biāo)指向的當(dāng)前焦點(diǎn)位置，采用幾何失真法（如局部放大）顯示局部細(xì)節(jié)，這是全局+細(xì)節(jié)的思路。失真顯示技術(shù)是實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)+全局視圖方法的一個(gè)關(guān)鍵。一般而言，失真顯示技術(shù)在同一視圖中包含多個(gè)比例，焦點(diǎn)區(qū)域以較好的比例顯示，邊緣區(qū)域以較為粗糙的比例顯示。

3 存在問題

雖然這些優(yōu)化技術(shù)在對(duì)可視化效果有一定的作用，但在將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可視化時(shí)還面臨很多問題，主要包有以下幾個(gè)方面。

3.1在簡(jiǎn)易、方便及整體效果方面，這些方法各有各的優(yōu)勢(shì)和不足

時(shí)間分離法會(huì)暫時(shí)失去全局信息；縮放顯示在用戶放大、縮小過程中改變比例，但用戶一次只能看到一個(gè)比例。該方法在處理層次結(jié)構(gòu)信息的可視化方面很難應(yīng)用。當(dāng)這些技術(shù)應(yīng)用到復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，將會(huì)解決部分難題；空間分離法使用戶不得不在不同窗口中顯示的全局信息和細(xì)節(jié)視圖之間來回移動(dòng)；空間變形法在用戶過多轉(zhuǎn)換細(xì)節(jié)時(shí)，會(huì)失去對(duì)細(xì)節(jié)觀察的連續(xù)性。如果將不同策略結(jié)合起來，則能夠得到滿意結(jié)果。

3.2從結(jié)點(diǎn)顯示轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)細(xì)節(jié)顯示的平滑過渡比較困難

全局顯示時(shí)用戶能對(duì)網(wǎng)絡(luò)的信息空間結(jié)構(gòu)有一個(gè)整體了解，但是要使局部結(jié)點(diǎn)信息與其相對(duì)應(yīng)的文本信息的融合，既要保證兩者在空間上能同時(shí)共存，又要保證兩者之間能平滑過渡，使用戶在瀏覽過程中非常自然的把它們作為整體而不是單獨(dú)的兩部分看待，還是非常困難。

3.3可視化系統(tǒng)的綜合性不強(qiáng)

在以往對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息可視化系統(tǒng)的研究和應(yīng)用中，都只涉及網(wǎng)絡(luò)瀏覽、網(wǎng)絡(luò)搜索、網(wǎng)絡(luò)歷史交互和網(wǎng)絡(luò)用戶交互等多個(gè)方面的一個(gè)方面，很少將各方面綜合考慮并予以開發(fā)研究，而作為一個(gè)較好的可視化系統(tǒng)應(yīng)該全面考慮用戶的需要，盡量從各方面去減少或者避免用戶的迷路和認(rèn)知超負(fù)荷問題。

3.4網(wǎng)絡(luò)成分可視化不全面

一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)可用性3個(gè)成分。有效的可視化系統(tǒng)應(yīng)該讓用戶觀察到信息空間的所有成分。以上技術(shù)都只解決對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容進(jìn)行可視化，而對(duì)網(wǎng)絡(luò)和可用性方面的可視化技術(shù)的研究較少。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)可視化技術(shù)的顯示效果問題進(jìn)行總結(jié)研究。因?yàn)槠聊豢臻g的有限性，當(dāng)顯示對(duì)象規(guī)模較大時(shí)，可視化效果一般會(huì)下降。優(yōu)化技術(shù)是針對(duì)這一現(xiàn)象而設(shè)計(jì)的，他們一般不單獨(dú)使用。在必須對(duì)結(jié)構(gòu)可視化時(shí)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可視化時(shí)，一般需要進(jìn)行優(yōu)化技術(shù)補(bǔ)充。使得用戶可以同時(shí)觀察全局和細(xì)節(jié)。這些技術(shù)方法大體可以分為3類，在實(shí)際使用中，在有些領(lǐng)域取得了顯著成績(jī)，例如數(shù)據(jù)可視化，但在復(fù)雜的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)中還存在不少問題。