曾瀟瀟

（華中科技大學，武漢 430070）

一、人類的感知特性

在人類所有的感官中，視覺被認為是一種主要的、強大的輸入通道。它吸收了我們周圍的一切事物，并將這些信息傳遞給大腦，以便對它的含義進行即時分析。在視覺與認知的密切聯(lián)系下，學習和創(chuàng)造視覺設(shè)計的第一步是通過理解人類視覺感知的工作方式。視覺感知是相對的，不斷地掃描，不斷調(diào)整焦點，不斷適應(yīng)。我們的視覺將信息傳遞給我們的大腦，我們的大腦負責處理所看到的信息，人類的視覺和認知進行特定的相互作用。更重要的是，人類視覺的復雜和神秘的本質(zhì)，它為視覺設(shè)計師創(chuàng)造了大量的機會來利用人類的視覺感知，因為它與信息可視化有關(guān)。在所有獨特的視覺特征中，兩種感知特性在信息可視化中被普遍應(yīng)用：前意識的處理和格式塔法。

（一）前意識的處理

在感官記憶中進行的前意識的視覺處理，是創(chuàng)建視覺表征的基礎(chǔ)。在沒有意識干預(yù)的情況下，觀眾可以瞬間感知到前意識關(guān)注的視覺屬性。信息可視化研究的關(guān)鍵問題之一是研究人類視覺系統(tǒng)如何處理和分析圖像，這項研究的一個重要的初步結(jié)果是，少量的視覺特性可以被“低級”視覺系統(tǒng)快速而準確地檢測出來。這些特性被稱為“前意識”，因為它們的檢測似乎是在集中注意力之前。要充分認識到這一觀點的價值可能是困難的，但理解前意識的處理對于可視化設(shè)計是很重要的。特別是，通過開發(fā)前意識的處理能力，可以回答幾個重要的設(shè)計問題，例如，可以立即感知到什么？哪些視覺特性是好的鑒別器？是什么誤導觀眾呢？怎樣才能設(shè)計出這樣引人注意的信息?

來自北卡羅來納州立大學的Christopher G. Healey創(chuàng)建了一個網(wǎng)站，以展示關(guān)于信息可視化體驗的前意識處理方法。圖1中給出了他的一個例子：該圖顯示了如何根據(jù)顏色差異搜索目標圓——在所有較亮圓圈中較暗的圓會凸顯出來。這是前意識處理的基礎(chǔ)卻普遍使用的用法。前意識設(shè)計中也會使用其他一些基本工具包括長度，寬度和強度，還有更高級的符號，包括照明和運動方向。

（二）格式塔組織法則

格式塔組織法則也被稱完形法則，描述如何在圖形顯示中安排視覺符號，以優(yōu)化圖像達到一個更好、更有效的可視化效果。這些法則關(guān)注的是人們?nèi)绾谓庾x世界，提供有關(guān)知覺組織的相關(guān)原則。格式塔法最早是由德國心理學家在20世紀初提出的，它們的主要目的是幫助理解感知模式，同時也提供對許多基本感知現(xiàn)象的清晰描述。心理學家稱他們?yōu)榉▌t，這些原則更像是啟發(fā)式，是解決問題的思維捷徑。

> 圖1 Christopher G. Healey運用顏色差異搜索目標

> 圖2 Chernoff Faces

> 圖3 用平行坐標表示汽車變量的關(guān)系

一個著名的格式塔定律被稱為“花瓶”圖，這幅圖畫出了圖形組織和邊緣分配的關(guān)鍵要素，以及它對形狀感知的影響。人們可以注意到，在花瓶畫中，感知到的形狀取決于被分配的黑白區(qū)域的邊界。與其相反，物的認知可以被認為是識別物體的基本知覺行為的一部分。必須承認格式塔法在信息可視化中起著重要的作用。這些法則適用于圖形的創(chuàng)建以避免其相互干擾。具體來說，根據(jù)格式塔法則，可視化設(shè)計應(yīng)該避免不加標記，使用感知有效的編碼，而不是分散觀眾的注意力。用真實的信息創(chuàng)建有效和富有表現(xiàn)力的視覺設(shè)計是信息可視化的重中之重。

二、信息可視化與認知

在信息可視化的一個定義中，有必要說明“使用計算機支持的交互式數(shù)據(jù)可視化來放大認知”強調(diào)信息可視化與人類認知的緊密聯(lián)系。圖形的一個顯著優(yōu)點是通過人類視覺幫助簡化任務(wù)完成所需要的信息。尤其是為了使知識具體化，僅當數(shù)據(jù)無法輕易提供信息時，使用信息可視化可以提供幫助。視覺輔助的認知是由于它增加了記憶和資源的處理，通過前意識的屬性、格式塔定律，和許多其他的知覺屬性。通過簡化對信息的搜索并增強對模式的識別，可視化可以實現(xiàn)感知推理操作。

Edward Tufte愛德華·塔夫特是《紐約時報》的“數(shù)據(jù)達芬奇”（The da Vinci of data）的作者，他用簡潔的文字和巧妙的插圖書籍顯示了數(shù)據(jù)的視覺效果。除了在信息設(shè)計方面的著述，Tufte也是該領(lǐng)域的先鋒。通過他的作品，他提出了視覺化設(shè)計的關(guān)鍵原則，為展示信息提供了實質(zhì)性的和重要的見解，以達到最大的效果。

Tufte的原則的一個后果是通過信息可視化實現(xiàn)卓越的圖形化能力。根據(jù)Tufte的說法，圖形化的卓越是“精心設(shè)計的有趣數(shù)據(jù)的展示——實質(zhì)、統(tǒng)計和設(shè)計的問題?！敝纼?yōu)秀的圖形是由復雜的想法（圖中沒有歧義或混亂）、精確性（真實的結(jié)果和不失真的演示）和效率（極少量的圖表“垃圾”）組成的，這是一個關(guān)鍵的問題。卓越的圖形能力將使觀眾在最短的時間內(nèi)獲得最多的創(chuàng)意，并且在最小的空間內(nèi)使用最少的筆墨。這樣的圖形化的優(yōu)秀通過兩個目標來實現(xiàn)：（1）通過圖形完整性原則來說明數(shù)據(jù)的真實性；（2）通過設(shè)計原則實現(xiàn)的清晰和精確的可視化。

圖形完整性原則涉及具有清晰，詳細和徹底的標簽，可用于防止圖形失真和模糊。Tufte還將“謊言因素”定義為“描述圖形中顯示的效果大小與數(shù)據(jù)中顯示的效果大小之間關(guān)系的值”。具體地說，數(shù)字的表示，就像在圖形本身表面上測量的那樣，應(yīng)該與所代表的數(shù)量成正比。Tufte介紹的另一個設(shè)計原則是“數(shù)據(jù)墨水比”。Tufte將數(shù)據(jù)墨水稱為“非可擦的圖形核心”，非冗余墨水是為了響應(yīng)數(shù)字的變化而排列的。從定義上說，非數(shù)據(jù)墨水是不傳遞信息的墨水，而是用于衡量尺度、標簽和邊緣。為了進一步擴展，數(shù)據(jù)墨水比率是“用于提供實際數(shù)據(jù)的墨水比例，與整個顯示器使用的像素總量相比?！彼羞@些細節(jié)和目標的教訓是，好的圖形應(yīng)該只包括數(shù)據(jù)墨水；應(yīng)盡可能刪除所有非數(shù)據(jù)墨水，以避免在演示文稿中引起注意力分散、無關(guān)的內(nèi)容。其目標是設(shè)計一個具有最大可能的數(shù)據(jù)——墨水比率的顯示器，而不會消除有效通信所必需的內(nèi)容。

非數(shù)據(jù)墨水的概念也導致了避免“圖表垃圾”的討論。圖表垃圾是圖表和圖表中的所有視覺元素，對于觀看者來說，沒有必要去理解圖表上的信息，或者轉(zhuǎn)移觀眾對這些信息的注意力。不需要的元素的例子包括重的或暗的網(wǎng)格線，不必要的文本，或不適當?shù)膹碗s字體。有趣的是，有研究表明人們接受這種“極簡主義”的信息可視化方法。與Tufte所寫的不一致的研究表明，在某些情況下，圖表垃圾被認為是有用和有效的。這些信息可視化學者認為，精化并非都是壞事，視覺修飾可能還有其他好處。特別是當使用圖的目的是說服或演示時，它們應(yīng)該被設(shè)計成幫助提供數(shù)據(jù)的可記憶性的特定目標。通過對現(xiàn)有研究的評價，支持數(shù)據(jù)圖形必須引起讀者的興趣，這是通過使用圖形圖像來實現(xiàn)的。

三、信息可視化技術(shù)

當涉及到信息可視化時，有很多技術(shù)可以被利用。這些技術(shù)包括簡單的圖表，如條形圖和線形圖，以及更高級的技術(shù)，如熱圖和散點圖矩陣。有些技術(shù)是為特定目的而創(chuàng)建的，因此很難對它們進行分類。在本節(jié)中，主要重點將介紹幾種常用的信息技術(shù)。

（一）多變量數(shù)據(jù)

讓我們從定義多變量數(shù)據(jù)開始，因為它是許多技術(shù)中常用的術(shù)語和概念。多變量數(shù)據(jù)指的是三維以上的數(shù)據(jù)。換句話說，在數(shù)據(jù)集中每個案例中有三個以上的變量。

可視化多變量數(shù)據(jù)的第一種方法是通過多個視圖。使用這種技術(shù)，如果一個人不能在一個圖中顯示所有的維度數(shù)據(jù)，你可以嘗試在多個圖形中顯示它們，每個圖形都傳遞一個特定的信息。思想的邏輯進展是確定一種更直觀的方式，使每個變量都有自己的顯示，每個變量得到一個圖并顯示在對應(yīng)的軸上，將多變量數(shù)據(jù)表示劃分為數(shù)個子圖，子圖再將數(shù)據(jù)映射到二維平面上。雖然這種可視化技術(shù)易于實現(xiàn)和直觀，但存在一個直接的缺點：隨著變量數(shù)量的增加，每個變量所需的子圖的數(shù)量也會增加。這增加了一次有太多子圖的風險，這增加了影響判斷的因素，使信息的理解和處理具有挑戰(zhàn)性。

一種更復雜的可視化多變量數(shù)據(jù)的方法是使用散點圖矩陣。散點圖矩陣是可視化設(shè)計人員所鐘愛的圖形工具之一。散點圖會呈現(xiàn)一個視覺顯示，以捕獲一對變量之間的相關(guān)性。給定一組n個變量，有n個選擇2對變量，因此有相同數(shù)量的散點圖。這些散點圖可以被組織成一個矩陣，使得在一個地方可以很容易地表示和觀察所有的成對關(guān)聯(lián)。

另一種有趣的視覺形象被稱為Chernoff Faces。赫爾曼·切爾諾夫是一位應(yīng)用數(shù)學家、統(tǒng)計學家、物理學家和教育家，他發(fā)明了切爾諾夫臉譜，用人臉的形狀來顯示多變量數(shù)據(jù)。Chernoff在美國統(tǒng)計學會雜志上發(fā)表的論文中他建議簡化，卡通形式的面孔形狀能夠代表數(shù)據(jù)集中的許多變量。如圖2通過映射數(shù)字頭偏心，眉形、眼大小，眼睛偏心率、瞳孔大小，鼻子大小，鼻子寬口曲率、口寬度，和嘴開放，能夠達到視覺理解。Chernoff的臉譜幫助觀眾更快更準確地檢測出模式、分組和相關(guān)性。這一理論建立在這樣一個事實基礎(chǔ)之上：人類的大腦有能力識別面部特征的細微差異，同時也能同時吸收許多面部特征。

當數(shù)據(jù)集由純分類數(shù)據(jù)組成時，就會使用一種流行的可視化工具——馬賽克圖。鑲嵌圖讓分析師可以檢驗兩個或更多的分類變量之間的關(guān)系。馬賽克圖以長度為1的正方形開始，然后根據(jù)與第一個分類變量相關(guān)聯(lián)的概率的比例水平劃分。然后，每個水平的橫條根據(jù)第二個分類變量的條件概率的比例，在垂直方向上進一步分裂?？梢允褂玫谌偷谒膫€變量，等等。

類似馬賽克圖的可視化技術(shù)是treemap。Treemaps是理想的情況，在這種情況下，需要可視化大量的樹結(jié)構(gòu)（或?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)）數(shù)據(jù)。treemap的空間首先被分割成矩形，這些矩形的大小和順序都是基于一個數(shù)量變量。通過可視化嵌套的矩形來捕獲treemap的層次結(jié)構(gòu)。例如，代表一個國家的矩形可能包含代表該國的多個矩形。表示狀態(tài)的每個矩形依次包含代表這些狀態(tài)中的城市的矩形。可以使用許多不同的算法來確定treemap中矩形的大小和順序，并考慮到treemapping的一般規(guī)則。一般來說，在treemap中，矩形的大小是:最大的矩形將被放置在左上角，最小的矩形將被放置在右下角，中間的所有東西都放在treemap的中間部分。當矩形被嵌套時，層次結(jié)構(gòu)被呈現(xiàn)。

（二）平行坐標

另一個被廣泛采用和有用的可視化技術(shù)是平行坐標。平行坐標是最著名的可視化技術(shù)之一，也是最常見的可視化學術(shù)論文主題之一。雖然一個人對平行坐標的最初印象可能是令人困惑的，一旦他們理解了，就很容易理解為什么他們是理解多維數(shù)字數(shù)據(jù)集的強大工具。如何通過一個例子更好地解釋平行坐標的作用。圖3顯示了一個平行坐標的例子，其中包含了汽車變量的關(guān)系，包括每加侖（MPG）里程、氣缸數(shù)、馬力、重量，以及它們被引入的年份。在這個可視化中，每個汽車變量都被映射到一個垂直軸上。因此，每一個數(shù)據(jù)值都在直線上的某個位置上，并被縮放到位于底部的最小值和頂部的最大值之間。對于行中的每一個情況，數(shù)據(jù)點都是連通的，并構(gòu)成折線。可以從這個可視化中獲得有用的見解。例如，圓筒軸是值得注意的，因為它只有幾個不同的值。由于柱體的數(shù)量只能是一個整數(shù)，在這個例子中只有8個值，所以所有的線都要經(jīng)過一小部分點。在MPG和氣缸之間的空間中，可以看出，八缸汽車的里程一般比六缸和四缸汽缸低。

線條的“外觀”即它們?nèi)绾谓徊嬉约叭绾握郫B，可以說明的不僅僅是數(shù)據(jù)。例如，線路的過度交叉是反向關(guān)系的指標；例如，汽缸越多，里程越低。在氣缸和馬力之間也可以發(fā)現(xiàn)類似的相關(guān)性：氣缸越多，馬力越大。還有一些交叉線表明，更多的汽缸并不總是意味著更多的權(quán)力；然而，總體趨勢顯然存在。 在馬力和重量之間，情況是相似的：更大的馬力意味著總體上更重的汽車，但是在價值上存在一些差異。 人們也可以看到，只有一個很輕的高馬力八缸汽車是個例外。最后，重量和年份之間的界線十分交叉，這意味著多年來汽車變得更輕。

結(jié)論

經(jīng)過幾十年的信息可視化的快速變化，創(chuàng)造引人注目、視覺刺激的內(nèi)容的能力比以往任何時候都要大。通過專門的努力，研究人員、學者和實踐者已經(jīng)開發(fā)出可視化的理論、技術(shù)、軟件工具和應(yīng)用程序，它們可以用于各種各樣的目的，并且可以以一種引人注目的方式面向目標受眾。為了最大限度地利用這些發(fā)現(xiàn)和技術(shù)，可視化學習者要思想開放，不斷地尋找新的知識和技能，同時跟上潮流和變化這是很重要的?！?/p>