認(rèn)知圖式導(dǎo)向下動(dòng)態(tài)可視化界面特征*

陳叢哲，薛澄岐，王海燕，彭寧玥

(東南大學(xué)， 江蘇 南京 211189)

認(rèn)知圖式導(dǎo)向下動(dòng)態(tài)可視化界面特征*

陳叢哲，薛澄岐，王海燕，彭寧玥

(東南大學(xué)， 江蘇 南京 211189)

數(shù)據(jù)的多樣性決定了可視化界面的復(fù)雜性，如何將數(shù)據(jù)更好的表達(dá)出來供從業(yè)者進(jìn)行相關(guān)的研究分析，也是當(dāng)今數(shù)據(jù)可視化的難點(diǎn)之一。文中利用認(rèn)知心理學(xué)中的相關(guān)理論對(duì)界面特征元素進(jìn)行提取。從形態(tài)特征、語義特征兩個(gè)層面入手，并結(jié)合圖式等認(rèn)知心理學(xué)理論，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可視化的快速理解，幫助從業(yè)者從動(dòng)態(tài)可視化界面中快速抓取必要信息并做出相應(yīng)的決策。

界面特征；認(rèn)知圖式；數(shù)據(jù)可視化

引 言

數(shù)據(jù)可視化通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及圖像處理技術(shù)，將復(fù)雜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形語言，通過更加直觀的可視化界面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理和分析，發(fā)現(xiàn)其中的某些未知信息的交互處理方法、技術(shù)和理論。由于數(shù)據(jù)的時(shí)效性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處于轉(zhuǎn)換與提取的一種動(dòng)態(tài)變化中，而針對(duì)這種時(shí)序性數(shù)據(jù)，從而衍生出了數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)可視化。

由于數(shù)據(jù)的變化，動(dòng)態(tài)可視化界面中的意象特征會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，而用戶對(duì)于這些動(dòng)態(tài)變化的理解是根據(jù)其先驗(yàn)知識(shí)來決定的，如何根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)更加快速、高效地抓取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可視化界面機(jī)制，幫助用戶理解可視化圖形背后隱藏的數(shù)據(jù)信息，是本文需要研究的重點(diǎn)。利用認(rèn)知心理學(xué)的相關(guān)知識(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)可視化的界面特征元素進(jìn)行提取，從形態(tài)特征和語義特征的兩個(gè)層面并結(jié)合認(rèn)知圖式的理論知識(shí)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可視化界面特征的快速抓取是本文研究的目的。其創(chuàng)新點(diǎn)在于利用認(rèn)知圖式理論為動(dòng)態(tài)可視化研究搭建基石，為判定動(dòng)態(tài)可視化特征的合理性給出相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而推動(dòng)對(duì)可視化特征的進(jìn)一步理解。

1 相關(guān)理論研究

“認(rèn)知圖式”是瑞士心理學(xué)家皮亞杰提出的認(rèn)知發(fā)展理論的一個(gè)核心概念，是個(gè)體與環(huán)境不斷相互作用的知識(shí)構(gòu)建過程，其內(nèi)部的心理結(jié)構(gòu)是不斷變化的，“圖式”正是人們?yōu)榱藨?yīng)付某一特定情境而產(chǎn)生的一種認(rèn)知結(jié)構(gòu)。對(duì)外界知識(shí)的不斷攝取會(huì)補(bǔ)充既有的知識(shí)結(jié)構(gòu)——即先驗(yàn)知識(shí)(Prior knowledge)，形成個(gè)體全新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象被稱為圖式的同化與順應(yīng)，如圖1所示[1]。

圖1 知識(shí)建構(gòu)中的同化與順應(yīng)

同化與順應(yīng)是在感受到外界刺激時(shí)，能夠瞬間將新的信息納入先驗(yàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)中；同時(shí)，對(duì)于與先驗(yàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)不一致的信息，也能夠迅速找到相似的知識(shí)結(jié)構(gòu)予以標(biāo)記，或者創(chuàng)造一個(gè)新的知識(shí)結(jié)構(gòu)來接納這類信息。而這些外來刺激中的數(shù)據(jù)信息與動(dòng)態(tài)可視化中的意象特征是相關(guān)聯(lián)的，利用認(rèn)知圖式理論分離、規(guī)范化這些特征，幫助用戶更快速地理解可視化圖形所要表達(dá)的內(nèi)容信息[2]。

1.1 界面特征的分類

1.1.1 形態(tài)特征

形態(tài)特征主要包含兩個(gè)要素：色彩和形狀。不同用戶對(duì)于色彩的敏感度不同，在溫度控制的動(dòng)態(tài)可視化界面中，通過互補(bǔ)色來表征溫度的變化，而在其他領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)可視化界面中，亦可以用互補(bǔ)色來表征運(yùn)動(dòng)或者靜止；同理，溫度、數(shù)值的變化，也可由形狀來表征，通過不同長度的矩形，不同角度的扇面，或是不規(guī)則的幾何圖形來表征數(shù)據(jù)信息。而這些形狀變化的由來或許就是用戶大腦中先驗(yàn)圖式觸發(fā)的結(jié)果[3]。

1.1.2 語義特征

語義是對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)的解釋，數(shù)據(jù)就是一種符號(hào)，本身并沒有任何含義，只有被賦予了相應(yīng)含義的數(shù)據(jù)才能夠被作為信息來使用。對(duì)于動(dòng)態(tài)可視化中出現(xiàn)的大量非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，需要對(duì)這類無法直接處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行語義分離，對(duì)其中的特征元素可視化處理，這其中涉及到激活擴(kuò)散模型(spreading activation theory)的理念。

科林斯與洛夫特斯在語義網(wǎng)絡(luò)模型中增加了聯(lián)結(jié)意義的關(guān)聯(lián)度和加工過程的概念，他們用兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的距離來表征語義關(guān)聯(lián)度，當(dāng)語義加工某個(gè)特定概念的時(shí)候，可以通過概念間的聯(lián)結(jié)關(guān)系產(chǎn)生平行的激活擴(kuò)散，如圖2所示。

1.1.3 首因效應(yīng)

首因效應(yīng)是指?jìng)€(gè)體在社會(huì)認(rèn)知過程中，通過“第一印象”最先輸入的信息對(duì)客體以后的認(rèn)知產(chǎn)生的影響作用。對(duì)于這種因信息輸入順序而產(chǎn)生效應(yīng)的現(xiàn)象，有種種不同的原因說法。

圖2 激活擴(kuò)散模型

一種說法認(rèn)為，最先獲取的信息所形成的最初印象，構(gòu)成腦中的知識(shí)結(jié)構(gòu)和記憶結(jié)構(gòu)。后輸入的其他信息只是被整合到這個(gè)記憶圖式中去，即這是一種同化模式，后續(xù)的信息被同化進(jìn)了由最先輸入的信息所形成的記憶結(jié)構(gòu)中，因此后續(xù)的新的信息也就會(huì)受到先驗(yàn)圖式的影響而含有最初知識(shí)屬性的痕跡[4]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備是Tobii公司生產(chǎn)的X2-30Compact型便攜式眼動(dòng)儀，用于對(duì)被試的眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

2.2 實(shí)驗(yàn)人員

本實(shí)驗(yàn)由兩部分組成，分別為未設(shè)置先驗(yàn)刺激與設(shè)置先驗(yàn)刺激的部分，其中設(shè)置先驗(yàn)刺激的為實(shí)驗(yàn)組，未設(shè)置先驗(yàn)刺激的為對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組中男性7人，女性3人；同理對(duì)照組中男性7人，女性3人。選取的20名被試在實(shí)驗(yàn)前沒有接觸過本實(shí)驗(yàn)所使用的實(shí)驗(yàn)素材。

2.3 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

在正式實(shí)驗(yàn)前，會(huì)有練習(xí)階段幫助被試盡快熟悉任務(wù)流程。在實(shí)驗(yàn)組中，第1階段會(huì)出現(xiàn)3組特征方向隨機(jī)的圖形，被試被要求在第1階段，如圖3(a)所示，搜尋一個(gè)任務(wù)提示的可視化圖形。第2階段，如圖3(b)所示，會(huì)出現(xiàn)4組形狀不同界面特征，要求被試根據(jù)提示的詞語(儀表可視化)在隨即出現(xiàn)的界面特征中搜尋與詞語相對(duì)應(yīng)的可視化特征。選取特定的特征并在接下來的圖片中向被試詢問是否被試所認(rèn)定的結(jié)果與選取的結(jié)果相一致，以此來檢測(cè)問題的正確率。第3階段采用的界面特征與第2階段一致，加入色彩特征，如圖3(c)所示，在保持形狀特征一致的基礎(chǔ)上測(cè)試色彩對(duì)于被試認(rèn)知效力的影響程度。第4階段含有3組形狀特征一致的圖形界面，在色彩特征的基礎(chǔ)上添加語義特征，如圖3(d)所示，在形狀特征一致的基礎(chǔ)上，要求被試選取最符合提示詞語的可視化特征。由于色彩選擇的傾向性，所以在添加色彩元素之后，關(guān)鍵詞(車載儀表可視化)的范圍進(jìn)一步縮小，適當(dāng)降低用戶的認(rèn)知負(fù)荷。在對(duì)照組中，去除最初的搜尋任務(wù)，在沒有為被試建立先驗(yàn)圖式的基礎(chǔ)上進(jìn)行接下來的實(shí)驗(yàn)。

圖3 測(cè)試界面

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

2.4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段

準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料，選擇舒適、干擾小的試驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境，檢查并調(diào)試器材，保證其正常運(yùn)行；尋找被試，最好是專業(yè)相關(guān)人員，有較高的教育經(jīng)歷。在開始實(shí)驗(yàn)前，為被試講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮途唧w的操作方法，確保被試在實(shí)驗(yàn)過程中避免帶著疑問進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確并高效地完成實(shí)驗(yàn)。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)練習(xí)階段

設(shè)置練習(xí)階段任務(wù)，幫助被試能夠盡快對(duì)實(shí)驗(yàn)有大致的了解，減少實(shí)驗(yàn)誤差，降低出錯(cuò)的概率，從而提高實(shí)驗(yàn)精度。在實(shí)驗(yàn)的每個(gè)階段前設(shè)置練習(xí)任務(wù)，實(shí)驗(yàn)組設(shè)置為3組，對(duì)照組設(shè)置為2組。

2.4.3 正式實(shí)驗(yàn)階段

排除其他因素干擾，從旁協(xié)助被試順利完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。

2.5 實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)興趣區(qū)域進(jìn)行眼動(dòng)數(shù)據(jù)分析，并通過SPSS與EXCEL軟件處理數(shù)據(jù)，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差和均值。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的正確率來判斷先驗(yàn)圖式在可視化的認(rèn)知過程中是否產(chǎn)生決定性的影響，被試亦可通過外界先驗(yàn)刺激加深對(duì)動(dòng)態(tài)可視化的進(jìn)一步理解；在添加了色彩特征與語義特征后，通過頁面的訪問時(shí)間和注視點(diǎn)數(shù)測(cè)試形狀特征、色彩特征語義特征之間的聯(lián)系。

3 討論

3.1 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組數(shù)據(jù)選擇正確率分析

被試在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)要求選擇與對(duì)應(yīng)詞語相匹配的可視化圖形，而在缺乏先驗(yàn)圖式的情況下，被試的選擇會(huì)與存在先驗(yàn)圖式情況下的選擇有些許出入。

表1顯示了實(shí)驗(yàn)組中被試回答問題的總正確率，可以看出在進(jìn)行過第1階段任務(wù)的實(shí)驗(yàn)組，在后來的實(shí)驗(yàn)中正確率普遍偏高，而表2中的正確率除去第4階段普遍偏低；因?yàn)榈?階段中實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組中實(shí)驗(yàn)材料一致，第4階段正確率仍舊保持50%以上，對(duì)于相同材料的判斷，在未進(jìn)行過第1階段任務(wù)的情況下也不會(huì)存在太大影響。第1階段任務(wù)的關(guān)鍵在于通過不斷的搜尋給定的圖形可視化，為被試腦海中建立先驗(yàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)，由表1和表2可以得出，2組行為數(shù)據(jù)的差異較為明顯。

表1 實(shí)驗(yàn)組提示問題正確率

表2 對(duì)照組提示問題正確率

3.2 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組同一界面下一致率分析

由表3、表4可以看出，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的一致率都達(dá)到了70%以上，在4個(gè)階段中形狀特征一致的情況下，色彩特征對(duì)于被試的影響不大，但色彩對(duì)對(duì)照組的影響要略微勝過實(shí)驗(yàn)組，能夠理解為在具備先驗(yàn)圖式的基礎(chǔ)上，在色彩特征的影響下被試的決策意圖更為明確，更不易更改。

表3 被試對(duì)于添加色彩特征后同一界面的判斷

續(xù)表

表4 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的一致率對(duì)比

3.3 色彩語義分析

此外，在色彩特征一致的情況下，被試對(duì)不同形狀的可視化圖形的判斷也存在差異，線條的粗細(xì)、形狀的改變都會(huì)對(duì)被試的認(rèn)知產(chǎn)生影響，如圖4所示。

由表5數(shù)據(jù)可以看出，第2個(gè)界面的正確率與另外2個(gè)界面相比偏低，尤其是在擁有先驗(yàn)圖式的實(shí)驗(yàn)組，因此形狀的差異會(huì)影響被試對(duì)于儀表可視化的認(rèn)知。而先驗(yàn)圖式則會(huì)優(yōu)化被試對(duì)于相似圖形可視化的選擇與判斷。

圖4 不同色彩測(cè)試界面

界面4(a)界面4(b)界面4(c)實(shí)驗(yàn)組正確數(shù)959總數(shù)101010正確率90.00%50.00%90.00%對(duì)照組正確數(shù)656總數(shù)101010正確率60.00%50.00%60.00%

3.4 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組眼動(dòng)分析數(shù)據(jù)

3.4.1 注視點(diǎn)數(shù)分析

從表6和表7中數(shù)據(jù)可看出，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組中平均注視點(diǎn)數(shù)差異較小，分別是23.81與23.06。說明被試在完成任務(wù)中先驗(yàn)圖式對(duì)于注視點(diǎn)數(shù)目影響較小，被試是否擁有先驗(yàn)圖式在被試進(jìn)行任務(wù)時(shí)會(huì)輔助被試的決策；反之，由于先驗(yàn)圖式的存在，導(dǎo)致被試過于關(guān)注腦海中的先驗(yàn)知識(shí)而使用較多的注視點(diǎn)數(shù)。從圖5中可以看出，2個(gè)組別的注視點(diǎn)數(shù)基本處于持平階段，最高點(diǎn)與最低點(diǎn)也較為一致。因此，注視點(diǎn)數(shù)并非一個(gè)主要的影響因素。

表6 實(shí)驗(yàn)組中被試注視點(diǎn)數(shù)描述統(tǒng)計(jì)

表7 對(duì)照組中被試注視點(diǎn)數(shù)描述統(tǒng)計(jì)

圖5 被試興趣區(qū)域的平均注視點(diǎn)數(shù)

3.4.2 注視持續(xù)時(shí)間分析

從表8和表9中數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)組的平均注視時(shí)間要短于對(duì)照組的平均注視時(shí)間，說明先驗(yàn)圖式可以幫助被試快速的選擇與先驗(yàn)圖式相匹配的目標(biāo)，更快的理解數(shù)據(jù)圖形，被試只需花費(fèi)更少的時(shí)間與認(rèn)知效力即可完成實(shí)驗(yàn)組的任務(wù)。此情況在圖6中也有所體現(xiàn)，對(duì)照組大部分情況下都處于實(shí)驗(yàn)組上方，說明了先驗(yàn)圖式在被試任務(wù)進(jìn)行中起到了一定的作用。

表8 實(shí)驗(yàn)組中被試注視持續(xù)時(shí)間描述統(tǒng)計(jì)

表9 對(duì)照組中被試注視持續(xù)時(shí)間描述統(tǒng)計(jì)

圖6 被試興趣區(qū)域的平均注視時(shí)間

4 結(jié)束語

本文給出了2組對(duì)比性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)組添加第1階段的搜尋給定圖形的任務(wù)，對(duì)照組則未添加，依照認(rèn)知心理學(xué)中的認(rèn)知圖式理論，對(duì)動(dòng)態(tài)可視化能夠幫助被試更快地理解動(dòng)態(tài)可視化中的界面特征。表1與表2結(jié)果說明先驗(yàn)圖式對(duì)于問題正確率存在較為顯著的影響。在既有先驗(yàn)知識(shí)的基礎(chǔ)上，被試在認(rèn)知的過程中會(huì)受到無形的干擾；表3與表4則體現(xiàn)了色彩特征對(duì)于對(duì)照組的影響要稍稍大于實(shí)驗(yàn)組，對(duì)于問題的正確率來說影響不大；表5則顯示形狀特征對(duì)于被試的選擇判斷的影響還是非常明顯的，尤其是與先驗(yàn)圖式有較大差異的形狀特征。在此基礎(chǔ)上形狀的優(yōu)先級(jí)要略微大于色彩的優(yōu)先級(jí)，語義特征則是在這二者的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的深化；表6與表7則顯示先驗(yàn)圖式對(duì)于注視點(diǎn)數(shù)的影響并不明顯，對(duì)照組的注視點(diǎn)數(shù)反而比實(shí)驗(yàn)組要略微高一些，這種影響微乎其微；反之，先驗(yàn)圖式對(duì)注視時(shí)間確實(shí)有一定的影響，在具備先驗(yàn)知識(shí)的基礎(chǔ)上，被試只需花費(fèi)更少的時(shí)間與認(rèn)知效力就能完成這項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)。由此來看，大腦中的先驗(yàn)結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)可視化界面特征的認(rèn)知過程中占據(jù)了較為重要的位置，適當(dāng)?shù)乩盟瑫?huì)幫助用戶高效、快捷地理解數(shù)據(jù)可視化，從而做出關(guān)鍵性的決策。在今后的研究中，會(huì)以此為基礎(chǔ)，在動(dòng)態(tài)可視化中的“動(dòng)”中下著手，給出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)可視化界面特征評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為動(dòng)態(tài)可視化的前沿研究給出一定的理論指導(dǎo)。

[1] 陳為, 沈則潛, 陶煜波. 數(shù)據(jù)可視化[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2013.

[2] (日)箱田裕司. 認(rèn)知心理學(xué)[M]. 上海: 華東師范大學(xué)出版社, 2013.

[3] 閆國利. 眼動(dòng)研究心理學(xué)導(dǎo)論[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012.

[4] 王基祥. 淺談首因效應(yīng)的影響因素及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用[J]. 科技信息: 科學(xué)教研, 2007(36): 133-133.

[5] 李鐵萌, 鄺野, 孫煒, 等. 基于實(shí)體用戶界面的智能手機(jī)直覺化交互方式[J]. 中國科技論文, 2013, 8(10): 1021-1024.

陳叢哲(1991-)，男，研究生，主要從事大數(shù)據(jù)界面設(shè)計(jì)研究、人機(jī)交互設(shè)計(jì)。

Dynamic Visualization Interface Feature Under the Guide of Cognitive Schemata

CHEN Cong-zhe，XUE Cheng-qi，WANG Hai-yan，PENG Ning-yue

(SouthEastUniversity,Nanjing211189,China)

The diversity of data determines complicated visual interface, one of the difficult points to be handled nowadays is how to transfer data into what for practitioners to conduct related research and analysis. This paper exploits knowledge of cognitive psychology to extract interface feature. Starting with dimensions of morphological characteristics and semantic feature and combining with cognitive schemata, it is possible to accomplish the quick comprehension of data dynamic visualization, helping user to catch necessary information quickly when they want to make decisions.

interface feature; cognitive schemata; data visualization

2016-09-06

TP391.412

A

1008-5300(2016)05-0039-05