張偉偉 吳曉莉 華飛

【摘 要】界面信息的可視化是將復雜無序的信息進行圖形化、符號化以增強數(shù)據(jù)呈現(xiàn)效果，并發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱藏的特征、關系和模式以提高用戶觀察、瀏覽數(shù)據(jù)的效率。用戶獲取信息絕大部分依賴視覺獲取，探索用戶的視覺認知過程利于界面信息可視化設計的研究，使界面更好地適應于操作人員。本文對用戶信息獲取的視覺認知過程和界面信息可視化方法進行了探索歸納，并研究了相關文獻，提出了個人的評述與展望。

【關鍵詞】信息界面；可視化；視覺認知；信息獲取

中圖分類號：TP391.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）33-0032-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.013

【Abstract】The visualization of interface information is to graphically and symbolize complex out-of-order information to enhance data presentation， and discover hidden features， relationships and patterns in the data to improve the user's efficiency in viewing and browsing data. User access to information most dependent on visual access， explore the user's visual cognition process will benefit the study of information visualization interface design， make the interface better adapted to the operator. This paper explores and summarizes the visual cognitive process and interface information visualization methods of user information acquisition， studies relevant literature， and puts forward personal comments and prospects.

【Key words】Information interface； visualization； Visual cognition； Information acquisition

1 研究背景

隨著計算機和控制技術的快速發(fā)展，數(shù)字界面用戶信息的獲取也愈加復雜。復雜的數(shù)字化人機交互界面讓用戶幾乎達到信息辨別、認知、和理解的認知負荷極限。如何通過設計提高用戶對界面信息的認知績效，增強復雜信息的交互效率和準確性、保障系統(tǒng)高效運行，已成為設計科學、認知科學、系統(tǒng)工程、人機功效學等學科和領域共同關注的熱點問題。由此一個試圖研究大規(guī)模數(shù)據(jù)信息的視覺呈現(xiàn)，利用圖形圖像的視覺呈現(xiàn)技術與方法，將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成圖形語言幫助人們快速理解和分析數(shù)據(jù)信息的研究領域變得越來越受關注——信息可視化研究。信息可視化是作為一種外部顯示手段彌補認知資源有限的不足，幫助人將內(nèi)部認知和記憶問題轉(zhuǎn)化為感知系統(tǒng)問題[1]。這種外部顯示也被稱為外部記憶，可視化因此被認為是人記憶能力的拓展和延伸[2]。另一方面，視覺是人類獲取信息最重要的通道，超過50%的人腦功能用于視覺的感知，包括解碼可視信息、高層次可視信息處理和思考可見符號[3]。因此在進行信息可視化的過程中對于人的視覺認知規(guī)律、心理認知過程方面的研究也必不可少。

2 用戶信息獲取的心理認知過程

信息獲取的心理認知過程是指信息的接受、編碼、貯存、提取和使用過程。認知心理學的核心觀點是將認知看作一個信息加工系統(tǒng)，包括用戶的感知、判斷、篩選、解碼、儲存、記憶和決策等，關注用戶在信息認知時如何輸入信息、存儲信息以及處理信息。視覺信息認知流程可分為信息輸入、信息認知加工、信息認知決策以及信息認知行為反應這四個階段，如圖1所示所示的視覺信息認知流程[4]。

2.1 信息輸入階段

信息輸入是數(shù)字界面首先作用于感官而產(chǎn)生的，主要體現(xiàn)對界面元素的感知、記憶及注意過程。視覺感知的早期階段是視覺低級感知層次，其功能之一是排除與自身無關的元素，確定視野中有與任務相關的元素并集中注意，視覺感知的晚期階段則是對物體和圖形進行識別。薛澄岐[5]在《復雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面設計方法及應用》指出用戶的視覺感知過程實際上經(jīng)歷了6個心理過程：尋找、分辨、識別、確定等，如圖2所示。

數(shù)字界面中用戶的視覺感知過程有著一般規(guī)律，眼睛運動獲取界面信息的粗略特征圖，并將其傳遞至大腦，根據(jù)注意力的需要，大腦加強與目標相關的信息并抑制不太相關的信息，指引眼睛關注目標潛在區(qū)域，進一步構(gòu)建詳細特征圖，通過對界面信息連續(xù)的選擇和過濾，用戶最后鎖定目標獲取所需信息。

2.2 信息認知加工階段

信息認知加工是視覺認知流程的關鍵步驟，在信息認知加工階段主要包括視覺信息的記憶、理解及判斷。記憶加工主要分為感覺記憶、短時記憶以及長時記憶三個階段，如圖3[4]。

記憶中的感覺記憶屬于信息輸入過程，此時能感覺到信息的具體性和特殊性。在界面信息的認知過程中還存在自下而上和自上而下兩種常見的知覺加工模型，自下而上的加工是由刺激開始，感覺接收器記錄環(huán)境中的物理刺激，產(chǎn)生的信息被傳遞到直覺系統(tǒng)中更高級更復雜的水平上。視覺加工的最初部分可能是自下而上的加工，頃刻之后，第二部分的加工開始了，即自上而下（概念驅(qū)動）的加工，是指由當時情景、過去的經(jīng)驗或兩者共同產(chǎn)生的期望所引導的加工過程[6]。

信息的理解是用戶對視覺信息的讀取和解碼過程，它幫助用戶更好地進行下一步的判斷。判斷是用戶依靠記憶及邏輯分析對界面視覺信息進行推理。判斷推理是認知過程中最為復雜的信息加工過程，判斷的準確與否將影響到用戶決策及反應是否正確。

2.3 認知決策階段

認知決策是大腦對執(zhí)行任務與否的判斷，是對數(shù)字界面視覺信息認知過程進行抽象的結(jié)果。認知決策的方式主要有三種：直覺決策，模板匹配決策和推理導出決策。

2.4 認知決策階段

行為反應主要體現(xiàn)用戶對界面交互指令的反應，將認知決策轉(zhuǎn)換為行為反應，從而完成交互。如何根據(jù)用戶的視覺認知過程、認知規(guī)律及心智模型等對視覺信息進行可視化，從而快速有效地感知并獲取目標信息是界面設計的重要方面。

3 數(shù)字界面的信息可視化

3.1 信息可視化概念

人類產(chǎn)生與獲取數(shù)據(jù)的能力越來越強，儲存的信息總量也日益龐大。為了讓這些數(shù)據(jù)得以直觀呈現(xiàn)，人類對數(shù)據(jù)可視化技術的需求日益增加。數(shù)據(jù)可視化技術主要研究如何利用人的感知能力以貼近人類自然感知的圖形化展現(xiàn)方式，對數(shù)據(jù)交互進行可視化表達，以增強人的認知，呈現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱含的信息，發(fā)掘數(shù)據(jù)中所包含的規(guī)律[7]。斯圖爾特？卡德等人在其著作《Reading in information visualization》中認為，信息可視化是一個從抽象數(shù)據(jù)到可視化形式的映射過程，并通過人機交互機制來提高人的感知能力。信息可視化可以被應用于網(wǎng)絡技術、社交、交通、文本和生物醫(yī)藥等可視化領域，現(xiàn)階段信息可視化囊括了科學可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息圖形可視化、知識可視化，以及視覺設計等諸多方面[8]。

3.2 信息可視化過程

在CARD等提出的信息可視化模型中，信息可視化可以劃分為3個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程：原始數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)表的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)表到可視化結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換、可視化結(jié)構(gòu)到視圖的轉(zhuǎn)換，如圖4[9]。

根據(jù)CARD的信息可視化模型可以將信息可視化的過程分為以下4個階段：

（1）源信息分類分析：篩選原始數(shù)據(jù)信息量、確定主次關系、創(chuàng)建層次結(jié)構(gòu)等，找出信息之間的層級、結(jié)構(gòu)關系以便編碼和表征。

（2）可視化映射：將已分類的信息依據(jù)心理認知規(guī)律和認知過程進行的可視化映射，包括圖形化設計、符號化設計等。

（3）可視化視圖顯示設計：根據(jù)認知規(guī)律對可視化結(jié)果進行界面顯示和布局，包括視圖的大小、位置、顏色、線框的粗細等。

（4）交互設計：注重信息反饋，包括色彩反饋、形狀反饋、邊界反饋、陰影反饋和附加說明反饋等，以高效完成人機交互過程。

4 數(shù)字界面用戶信息獲取的可視化研究現(xiàn)狀

本文圍繞用戶界面信息獲取的可視化進行研究，為了全面掌握可視化理論的研究成果，把握其發(fā)展趨勢，對可視化相關文獻進行了分析?？紤]到可視化過程中認知過程規(guī)律對可視化設計的影響，首先從認知心理學角度進行了研究，陳叢哲，薛澄岐等[10]利用認知心理學提取界面特征元素，實現(xiàn)復雜數(shù)據(jù)動態(tài)可視化的快速理解。吳曉莉[11-14]研究信息交互界面的視覺局限生理實驗方法，分析視覺搜索過程中信息疏漏、錯誤感知的根本原因。官睿，薛澄岐等[15-16]從認知心理學角度對可視化布局提出優(yōu)化意見。邵將，薛澄岐等[17-19]從用戶認知過程發(fā)現(xiàn)界面中不同圖標特征、顯著刺激、用戶意圖和任務目標均會影響用戶搜索策略。岳金星， 呂陽[20-21]從降低認知負荷出發(fā)，提出可視化設計策略；汪海波，薛歧澄等[22-23]圍繞信息視覺搜索和信息加工， 提出了基于搜索深度-搜索廣度、內(nèi)斂度-發(fā)散度的數(shù)字界面認知評價模型。黃雅梅[24]從用戶認知模型發(fā)現(xiàn)用戶始終依據(jù)色彩特征來進行“信息分組”。李晶，薛澄岐[25]發(fā)現(xiàn)可以根據(jù)注意捕獲程度進行視覺感知分層。依據(jù)George A.Miller心理學家的研究得出，人類一次性接受認知的信息數(shù)量應在7±2比特。

對用戶認知過程的研究有助可視化的進行，在此基礎上有學者對信息可視化原則、模型等進行研究。Annie[26]和Dong Seok[27]針對汽車導航分別進行數(shù)字界面的對比方法、可視化呈現(xiàn)方法、界面元素的實驗模型和仿真環(huán)境方面的深入研究；Khairi Reda[28]等研究了在復合現(xiàn)實環(huán)境下如何實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)集可擴展的數(shù)據(jù)可視化；Basole Rahul C[29]等探討了以節(jié)點為基礎的多種視圖方式來實現(xiàn)多關聯(lián)項大數(shù)據(jù)的可視化；Christopher Mueller[30]等利用圖形排序算法來使用視覺相似性矩陣數(shù)據(jù)的可視化分析。羅文超[31]以理論函數(shù)為指導構(gòu)造可視化管理在企業(yè)實施中的方法框架。林村[32]認為信息通過文字、聲音、圖形、圖表等進行傳遞。馬廣韜等[33]研究發(fā)現(xiàn)界面中色彩1～4種最佳，最多不宜超過7種。李安[25]發(fā)現(xiàn)合理的信息布局可以引導用戶的認知，提升用戶分析和推理的效率。李晶，薛澄岐等[34]進行了信息多維屬性與可視化結(jié)構(gòu)的映射關系研究，歸納出信息可視化結(jié)構(gòu)映射的6種基本結(jié)構(gòu)。文獻[35-40]對可視化技術進行了研究，并歸納出其原理特征、發(fā)展趨勢及應用方法。魏園，姜婷婷，杜雅文等[41-46]研究提出可視化設計的一些方法和原則。在北戴河信息可視化戰(zhàn)略研討會總結(jié)報告中指出信息可視化的研究人員應該加強對于一些高層次且具一定普遍意義的具體指導原則、領域模型和框架進行系統(tǒng)的研究[47]。

5 總結(jié)與展望

本文從用戶信息獲取的認知規(guī)律和認知過程出發(fā)，對信息獲取時的可視化相關研究進行了分析和歸納。信息可視化研究已取得了一些很有意義的成果，尤其在可視化技術方面。如今，以用戶為中心是用戶界面設計的重要原則，強調(diào)基于用戶的認知規(guī)律和認知過程進行可視化，專注于信息加工過程中認知層面的作用機制，以怎樣的方式讓信息更易使用戶快速準確的獲取，這種信息表現(xiàn)機制與認知心理學理論有著千絲萬縷的聯(lián)系，在認知心理學和人機交互的角度來看用戶信息獲取的可視化研究，這是一個還沒有得到充分研究的領域。雖然已經(jīng)有不少學者進行了認知心理方面的信息可視化研究，但是并沒有得出普遍意義的具體指導原則、設計模型和框架。所以信息可視化的未來研究方向應向可視化的具體指導原則、設計模型和框架以及評估方法方面努力。數(shù)字界面用戶信息獲取的可視化的未來研究方向可以包括以下幾個內(nèi)容。

（1）基于認知規(guī)律的圖標可視化（編碼）。圖標作為一種高效的傳遞模式在信息可視化設計過程中起著重要作用，對圖標可視化的研究也是信息可視化的重要內(nèi)容之一。

（2）大屏幕總控界面的可視化?，F(xiàn)在大多工廠的流水線模式需要每個站點配備操作員進行流程監(jiān)控和操作，如何把所有信息集中顯示在大屏幕上以快速發(fā)現(xiàn)問題、提高工廠效率是可視化未來研究的方向之一。在大屏顯示技術（硬件設備）方面已經(jīng)有較多的研究成果，但界面布局顯示技術研究尚緩，所以應加快對大屏顯示界面布局可視化的研究。

（3）對信息可視化（編碼）流程及界面可視化流程進行深入研究，以期得出信息編碼和界面可視化流程的模型，讓信息可視化能夠快速有效地應用在更多的領域。

（4）加快可視化在各領域的發(fā)展?？梢暬揪褪嵌囝I域交叉研究的方向，如今，隨著可視化發(fā)展的深入，越來越多的領域加入進來，同時這些領域也使可視化技術更加完善，相輔相成。

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