李 晶 薛澄岐 史銘豪 牛亞峰 王海燕

(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 211189)

基于信息多維屬性的信息可視化結(jié)構(gòu)

李 晶 薛澄岐 史銘豪 牛亞峰 王海燕

(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 211189)

為尋找易于用戶認(rèn)知的信息可視化方法，進(jìn)行了信息多維屬性與可視化結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系研究.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論將信息分為3種表現(xiàn)形式，同時將信息的屬性歸納為實體屬性、關(guān)聯(lián)屬性和時間屬性.針對信息的屬性劃分，提出實體屬性與可視化圖形的映射關(guān)系，及關(guān)聯(lián)屬性和時間屬性與可視化結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系.通過分析信息所具有的多種關(guān)聯(lián)屬性，建立了可視化結(jié)構(gòu)的映射，歸納出信息可視化結(jié)構(gòu)映射的6種基本結(jié)構(gòu):列表式結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)、空間(地理)位置結(jié)構(gòu)、樹狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、時間流結(jié)構(gòu)、綜合結(jié)構(gòu).最后結(jié)合新聞信息可視化實例，闡述了所提出的可視化映射關(guān)系和基本結(jié)構(gòu)的應(yīng)用.

可視化映射;信息屬性;可視化結(jié)構(gòu);映射方法

信息可視化是指采用圖形語言的信息呈現(xiàn)［1］.它利用人類對視覺可視模式的快速識別能力，通過圖形結(jié)構(gòu)語言對信息的屬性進(jìn)行呈現(xiàn)，可以幫助用戶進(jìn)行信息認(rèn)知加工［2-3］.可視化結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)與人類的認(rèn)知規(guī)律相契合，有利于信息內(nèi)部結(jié)構(gòu)及關(guān)系整理的凸顯和過濾，便于人類快速、直接地獲取信息的邏輯結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)屬性，從而縮短用戶的認(rèn)知時間，減少認(rèn)知負(fù)荷，改善信息傳遞效率.

目前，多維信息可視化呈現(xiàn)是信息可視化領(lǐng)域研究的熱點問題之一［4-5］.Card 等［6］提出可視化參考模型，描述了可視化結(jié)構(gòu)和視圖間的轉(zhuǎn)換關(guān)系.周寧等［7］對信息可視化顯示方式和信息可視化的分類進(jìn)行了介紹.石慧等［8］提出約束信息可視化的4個可視化映射步驟.楊峰等［9］研究了結(jié)構(gòu)可視化中的結(jié)構(gòu)關(guān)系.許世虎等［10］指出構(gòu)建信息可視化的邏輯結(jié)構(gòu)有助于避免人們視覺思維時的混淆，降低認(rèn)知成本.但目前尚缺乏基于信息多維屬性的可視化結(jié)構(gòu)映射關(guān)系的研究.

本文研究信息多維屬性與信息可視化結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系.以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，通過信息多維屬性分析信息的圖形可視化和結(jié)構(gòu)可視化，建立基于信息多維屬性的可視化映射關(guān)系;然后根據(jù)映射關(guān)系歸納信息可視化結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行案例應(yīng)用.

1 信息的多維屬性

信息具有的性質(zhì)可稱之為信息的屬性［11］，統(tǒng)計學(xué)家Stevens將信息的屬性分為:名義屬性、序列屬性、區(qū)間屬性以及比率屬性.Ware［12］提出信息在可視化過程中的3類主要屬性分別為信息類別屬性、信息區(qū)間屬性和信息數(shù)值屬性.基于人機(jī)交互數(shù)字界面信息所具有的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性，從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)角度對信息及其屬性進(jìn)行分析，有利于尋找信息與可視化結(jié)構(gòu)之間的映射關(guān)系.

1.1 信息的分類

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是指由規(guī)模巨大的節(jié)點和鏈接關(guān)系錯綜復(fù)雜的邊構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［13］.根據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，界面信息可視為一個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括3種形式:信息實體、信息關(guān)聯(lián)和信息整體.

如圖1所示，信息實體是指信息中的元數(shù)據(jù)，在信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中處于節(jié)點位置;它具有實體屬性和關(guān)聯(lián)屬性，其中實體屬性是指信息的表現(xiàn)形式，關(guān)聯(lián)屬性是指信息實體在信息網(wǎng)絡(luò)中的層級與位置關(guān)系.信息關(guān)聯(lián)是2個或2個以上的信息實體及其之間的相互聯(lián)系;它包含信息實體和信息結(jié)構(gòu)2個要素，其中信息結(jié)構(gòu)是信息實體中關(guān)聯(lián)屬性的體現(xiàn).信息整體是指包含多個信息實體和信息關(guān)聯(lián)的集合體，可視為一個較高層的信息實體，同樣具有實體屬性和關(guān)聯(lián)屬性.在信息整體中，每個信息實體都可以看成這個信息整體的一個實體屬性.

圖1 信息實體、信息關(guān)聯(lián)和信息整體示意圖

1.2 信息的屬性

根據(jù)信息的3種表現(xiàn)形式，將信息的屬性分為實體屬性、關(guān)聯(lián)屬性和時間屬性.信息的實體屬性指定義信息個體的有效條件，包括名稱、數(shù)值、狀態(tài)等.信息的關(guān)聯(lián)屬性用來描述信息實體(整體)之間的關(guān)系屬性，包括分組/分類等關(guān)聯(lián)屬性、程度/數(shù)值等對比屬性、層次關(guān)系屬性、重要度關(guān)系和影響關(guān)聯(lián)屬性、空間方位屬性和距離關(guān)聯(lián)屬性等.信息的時間屬性指信息實體(整體)在一段時間內(nèi)隨時間變化的狀態(tài)屬性.

1.3 信息多維屬性的映射關(guān)系

根據(jù)信息具有實體屬性、關(guān)聯(lián)屬性和時間屬性這一特點，將信息編碼的可視化映射分為可視化圖形映射和可視化結(jié)構(gòu)映射.如圖2所示，信息實體屬性對應(yīng)可視化圖形映射，通過圖形元素的“定義”，對實體屬性進(jìn)行一種顯性呈現(xiàn).信息的關(guān)聯(lián)屬性和時間屬性對應(yīng)可視化結(jié)構(gòu)映射，通過空間、位置、層次等結(jié)構(gòu)進(jìn)行隱性呈現(xiàn).

圖2 信息多維屬性的可視化映射關(guān)系

2 可視化結(jié)構(gòu)映射關(guān)系

從認(rèn)知規(guī)律來看，具有邏輯性的信息整體更易于人的認(rèn)知.可視化結(jié)構(gòu)是指設(shè)計者采用某種組織方法對原始信息進(jìn)行分類、排序和控制，并采用視覺圖形化的方式將信息呈現(xiàn)給用戶［14-15］.如圖3所示，根據(jù)信息多維屬性的不同類別，分別建立可視化結(jié)構(gòu)映射關(guān)系，并將信息的可視化結(jié)構(gòu)分為六大類別:列表式結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)、樹狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、空間(地理)位置結(jié)構(gòu)、時間流結(jié)構(gòu)和綜合結(jié)構(gòu).

2.1 列表式結(jié)構(gòu)

列表式結(jié)構(gòu)是表征信息分組、分類等關(guān)聯(lián)屬性的結(jié)構(gòu).基本結(jié)構(gòu)由行/列組成，如圖4所示.行/列分別代表信息實體或信息的屬性，列表中的表格用于表示信息的某一屬性.列表式結(jié)構(gòu)將信息的屬性分類陳列出來，適用于對離散信息的歸檔工作，廣泛用于各種數(shù)據(jù)庫和資料庫.

圖3 可視化結(jié)構(gòu)分類圖

圖4 列表式結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)

坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)是表征信息的程度、數(shù)值等對比屬性的結(jié)構(gòu).此結(jié)構(gòu)由坐標(biāo)軸和信息實體/信息屬性在坐標(biāo)軸上的表征形式組成.坐標(biāo)軸的基本元素包含名稱、方向、單位刻度及坐標(biāo)軸區(qū)間等.由于信息的屬性具有多維表現(xiàn)特征，信息實體的每一維屬性都可以由一條坐標(biāo)軸表征.坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)可分為以下4種.

1)一維屬性的坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)

圖5 一維屬性的線性坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)圖

圖6 一維屬性的環(huán)狀/餅狀坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)

如圖5所示，坐標(biāo)軸結(jié)構(gòu)中展示了信息實體A，B，C，D，E關(guān)于一維屬性x的程度、數(shù)值等對比屬性的直線表征形式(此例中以點的形式表征實體屬性).圖6為一維屬性的環(huán)狀/餅狀坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)，坐標(biāo)軸為首尾相連的圓環(huán)/扇形，表征一維屬性x;信息實體A，B，C，D，E采用條狀/扇面圖形在圓環(huán)坐標(biāo)軸上進(jìn)行表征.

2)二維屬性的坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)

對具有2個維度的程度、數(shù)值等對比屬性的信息進(jìn)行表征時，可以使用二維屬性的坐標(biāo)式結(jié)構(gòu).如圖7所示，二維屬性的坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)通過2個數(shù)軸分別表征信息的2個屬性x，y.點狀結(jié)構(gòu)中，根據(jù)數(shù)軸x，y構(gòu)成的空間位置關(guān)系表征信息的程度、數(shù)值等對比屬性;柱狀結(jié)構(gòu)中，通過柱狀圖的高低、寬窄表征信息的對比屬性.

圖7 二維屬性的點狀/柱狀坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)

3)三維屬性的坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)

三維信息的坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)用于呈現(xiàn)一個或多個信息的三維的程度、數(shù)值、比例關(guān)系等關(guān)聯(lián)屬性.基于人們對三維立體的習(xí)慣性認(rèn)知，將其分為空間結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)2種，如圖8所示.

圖8 三維屬性的空間/平面坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)圖

空間結(jié)構(gòu)中，需要用結(jié)構(gòu)線表征信息實體的立體化;平面結(jié)構(gòu)中，信息通過連接線將3個關(guān)聯(lián)屬性圖形化.當(dāng)信息實體過多或信息的3個關(guān)聯(lián)屬性呈現(xiàn)不規(guī)則次序時，此結(jié)構(gòu)表征會增加用戶的認(rèn)知復(fù)雜度.

4)多維屬性的坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)

當(dāng)信息的關(guān)聯(lián)屬性多于3個時，通過多維屬性坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，如圖 9 所示，a，b，c，d，e，f為信息的多個關(guān)聯(lián)屬性.

圖9 多維屬性坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)圖

2.3 樹狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

樹狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是表征信息實體間的層級關(guān)系、重要程度關(guān)系、信息實體內(nèi)影響關(guān)系等關(guān)聯(lián)屬性的結(jié)構(gòu).

樹狀結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)為分層結(jié)構(gòu)，層級之間體現(xiàn)“父子”關(guān)系.一般情況下，父級有若干子級，子級對應(yīng)1個父級，如圖10所示.

圖10 樹狀結(jié)構(gòu)示意圖

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)沒有固定的“父子關(guān)系”.每一個節(jié)點對應(yīng)一個信息實體，信息實體之間通過關(guān)聯(lián)屬性進(jìn)行連接.圖11中是常見的2種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)示意圖.由于信息的復(fù)雜性和層級不同，需要考慮連接線的長度、方向等特點，以及圖形形式的各方面要素，確保結(jié)構(gòu)清晰明確.2.4 空間(地理)位置結(jié)構(gòu)

圖11 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)示意圖

空間(地理)位置結(jié)構(gòu)是表征信息的空間方位、距離等關(guān)聯(lián)屬性的結(jié)構(gòu).此結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的是包含空間或地理位置屬性的信息實體或信息整體.其結(jié)構(gòu)由表示空間地理位置的圖形元素和表征信息實體的圖形元素組成.其中，表示空間地理位置的圖形元素可以是與實際空間等比例表征的地圖，也可以是表示抽象的位置關(guān)系的示意圖.

2.5 時間流結(jié)構(gòu)

時間流結(jié)構(gòu)是表征信息整體或信息實體、屬性等在一段時間內(nèi)隨時間變化狀態(tài)的關(guān)聯(lián)屬性的結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)包含時間軸，通過圖形在時間軸上的變化對信息的變化進(jìn)行表征.

一般情況下，時間軸為橫向或縱向的直線式結(jié)構(gòu)，如圖12(a)所示，用于表征時間跨度比較長、范圍大的時間結(jié)構(gòu)，如年代、年、月、日等;對于周期性的時間或者與刻度表相關(guān)的時間屬性，一般采用時刻表式的時間軸，有圓形表盤式時間流結(jié)構(gòu)、扇形表盤式時間流結(jié)構(gòu)圖等，如圖12(b)所示.

圖12 時間流結(jié)構(gòu)

2.6 綜合結(jié)構(gòu)

當(dāng)信息需要不同類別的關(guān)聯(lián)屬性同時呈現(xiàn)時，需要通過以上5種基本結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，組織恰當(dāng)?shù)木C合結(jié)構(gòu).其組構(gòu)方法分為2種:第1種通過嵌套方式，以某種可視化結(jié)構(gòu)作為主要結(jié)構(gòu)，其他可視化結(jié)構(gòu)作為輔助結(jié)構(gòu)，適用于信息實體的某一種關(guān)聯(lián)屬性占重要作用，其他關(guān)聯(lián)屬性為次要作用時的情況.第2種為融合方式，在可視化結(jié)構(gòu)中，尋找圖形的匹配性，通過圖形的多維性表征多個關(guān)聯(lián)屬性.

3 新聞信息案例分析

3.1 新聞信息的關(guān)聯(lián)屬性

新聞是人們獲得各類信息的重要途徑之一.不同的用戶瀏覽信息時對新聞屬性的需求不同.

首先，新聞的事件屬性是信息的分組/分類關(guān)聯(lián)屬性.新聞信息根據(jù)事件的性質(zhì)不同可以分為多種類別，如政治、經(jīng)濟(jì)、體育、娛樂等，每一個類別的信息集合中還可以進(jìn)行不同分類.其次，新聞具有程度關(guān)聯(lián)屬性.根據(jù)新聞事件的重要情況不同，可分為微程度信息、中等程度信息、重大程度信息等.地理位置屬性也是新聞的基本屬性之一.根據(jù)地域的不同，新聞信息可以被分為國內(nèi)新聞、國際新聞;北京市新聞、江蘇省新聞等.根據(jù)新聞發(fā)生的地域級別，可以將新聞按照全球、國家、市、區(qū)等層次體系進(jìn)行劃分.最后，新聞信息也具有時間屬性.根據(jù)時間屬性的不同粒度，可以將新聞信息劃分為不同的新聞信息實體集合，如以年、月、日的時間體系對新聞內(nèi)容加以呈現(xiàn).

3.2 新聞信息的可視化設(shè)計方案

根據(jù)新聞信息具有事件類別關(guān)聯(lián)屬性、重要性程度關(guān)聯(lián)屬性、地理位置關(guān)聯(lián)屬性、時間關(guān)聯(lián)屬性等屬性的特點，對可視化結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計，如圖13所示.新聞的時間關(guān)聯(lián)屬性是通過直線坐標(biāo)式時間軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，時間粒度控制器可以通過控制點控制時間范圍的大小(世紀(jì)、年、月、天).中間的主要可視化區(qū)域為新聞信息的地理位置關(guān)聯(lián)屬性結(jié)構(gòu)圖，采用常用的地圖中的各個區(qū)域、國家的抽象圖形進(jìn)行表征，符合人的經(jīng)驗認(rèn)知規(guī)律，并通過左側(cè)的位置屬性對區(qū)域范圍的大小進(jìn)行粒度控制.右下角對新聞信息的事件類別關(guān)聯(lián)屬性采用一維屬性環(huán)狀坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，通過顏色對不同類別進(jìn)行區(qū)分.左下角為新聞信息的重要性程度關(guān)聯(lián)屬性的表征圖，圓形面積的大小表征新聞信息實體的重要程度.

圖13 新聞設(shè)計方案圖

4 結(jié)語

本文通過對信息多維屬性的研究，尋找信息可視化結(jié)構(gòu)映射方法，指導(dǎo)人機(jī)交互界面信息的有效編碼.提出復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)信息的3種表現(xiàn)形式:信息實體、信息關(guān)聯(lián)、信息整體，以及信息的實體屬性、關(guān)聯(lián)屬性和時間屬性.根據(jù)信息屬性的劃分，將信息編碼的可視化映射分為可視化圖形映射和可視化結(jié)構(gòu)映射.針對不同類別的關(guān)聯(lián)屬性，將可視化結(jié)構(gòu)映射歸納為列表式結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)、空間(地理)位置結(jié)構(gòu)、樹狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、時間流結(jié)構(gòu)、綜合結(jié)構(gòu)6種可視化結(jié)構(gòu).最后，基于可視化結(jié)構(gòu)映射關(guān)系的方法，針對新聞信息具有事件、程度、地理位置和時間關(guān)系等屬性，通過可視化結(jié)構(gòu)映射對大規(guī)模的新聞信息進(jìn)行可視化呈現(xiàn).

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Information visual structure based on multidimensional attributes of information

Li Jing Xue Chengqi Shi Minghao Niu Yafeng Wang Haiyan
(School of Mechanical Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China)

The mapping relationships between multidimensional attributes of information and visual structures are researched to seek an information visualization method which matches users’cognition.The representation of information is divided into three forms based on the complex network theory，and the attributes of information are summed up to entity attributes，associate attributes and temporal attributes.Focusing on the attribute partition of information，the mapping relationships between entity attributes and visual graphs，and the mapping relationships between associate attributes and time attributes and visual structures are put forward.Based on the analysis of multidimensional associate attributes of information，visualization structure mappings are built and six basic structures of information visualization structure mappings are concluded，i.e.，listing structure，coordinate structure，space(geographic)position structure，net or tree shaped structure，time flow structure and composite structure.Finally，combined with the design example of news information visualization，the applications of the mapping methods and basic structures are analyzed.

visual mapping;attribute of information;visual structure;mapping method

TP301

A

1001－0505(2012)06-1094-06

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.014

2012-02-23.

李晶 (1987—)，女，博士生;薛澄岐(聯(lián)系人)，男，教授，ipd_xcq@seu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(71071032).

李晶，薛澄岐，史銘豪，等.基于信息多維屬性的信息可視化結(jié)構(gòu)［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，42(6):1094-1099.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.014］