信息可視化研究概述

高屹++陳小瑩++孫海霞

摘 要：當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)和科技高速發(fā)展的社會(huì)，各種先進(jìn)的技術(shù)被應(yīng)用到生產(chǎn)以及生活活動(dòng)之中。其中可視化技術(shù)就是一個(gè)非常顯著的體現(xiàn)。通過信息可視化，我們可以更加直觀的分析數(shù)據(jù)，此時(shí)使用人能夠非常直觀的查看數(shù)據(jù)，進(jìn)而得知其中隱藏的關(guān)系等。如今該項(xiàng)技術(shù)被大范圍的運(yùn)用，具體來講主要被用到如下幾個(gè)層面中：數(shù)據(jù)挖掘可視化、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可視化、社交可視化、交通可視化、文本可視化、生物醫(yī)藥可視化等。

關(guān)鍵詞：信息可視化；可視化技術(shù)；人機(jī)交互；數(shù)據(jù)挖掘

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）20-0167-03

可視化技術(shù)最早被人們運(yùn)用是上個(gè)世紀(jì)的末期，通過將其合理的運(yùn)用信息工作中，我們能夠?qū)⑿畔⒕珳?zhǔn)的變化為視覺模式，能夠便于我們更加直觀的查看數(shù)據(jù)，此時(shí)使用人能夠很直觀的分析數(shù)據(jù)，便于我們得知其中隱藏的各種聯(lián)系，在過去的時(shí)候很顯然這是無法做到的。進(jìn)入到新的發(fā)展時(shí)期之后，由于電腦技術(shù)高速發(fā)展，此時(shí)數(shù)據(jù)處理工作也迎來了全新的發(fā)展局面，其處理能力明顯提升，而且方式也明顯增加，此時(shí)使用人能夠隨意地查看自己所需的各種信息內(nèi)容，目前該技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣。

1 信息可視化的過程

1.1 Card信息可視化模型

在Card等提出的信息可視化模型中，我們可將其過程分成三個(gè)具體的步驟，即：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。

1.2 信息可視化過程

按照上述的模型，我們可以將該可視化活動(dòng)分成如下的幾個(gè)步驟。

第一，預(yù)處理數(shù)據(jù)。具體來講，把獲取的信息提前處理，方便人們理解，便于將其錄入到模塊之中。而預(yù)處理內(nèi)容包括數(shù)據(jù)格式及其標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)變換技術(shù)、數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮等。對(duì)于一些特殊的數(shù)據(jù)還要對(duì)其進(jìn)行特殊處理，比如要降維。

第二，繪制。通過繪制我們可以將數(shù)據(jù)變成具體的圖形。具體來講在繪制的時(shí)候一定要認(rèn)真分析使用人的需求，然后再結(jié)合該技術(shù)加以體現(xiàn)。

第三，顯示以及交互。所謂的顯示，具體來講是把繪制得到的圖形，依據(jù)使用人的規(guī)定對(duì)其合理輸出。同時(shí)還應(yīng)該將使用人反饋的內(nèi)容合理的傳輸給軟件，只有這樣才能夠真正的實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。

2 信息可視化技術(shù)

根據(jù)SHNEIDERMAN的分類，信息可視化的數(shù)據(jù)分為以下幾類：一維數(shù)據(jù)；二維數(shù)據(jù)；三維數(shù)據(jù)；多維數(shù)據(jù)；時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)；層次數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。在上述的類型中，后面的幾種是我們當(dāng)前工作的重點(diǎn)，接下來具體針對(duì)它們展開細(xì)致的論述和分析。

2.1 多維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

對(duì)于多維數(shù)據(jù)來講，如果使用以前的二維圖的話，其弊端較多，不能夠滿足當(dāng)前的工作需要，比如無法確保信息量，無法滿足其復(fù)雜性等。而多維數(shù)據(jù)的運(yùn)用就能夠很好的解決上述的弊端。目前多維數(shù)據(jù)可視化的類型非常多，接下來具體闡述幾種目前應(yīng)用率較高，具有典型性的方法。

2.1.1 基于幾何的可視化方式

（1）平行坐標(biāo)系。它主要是運(yùn)用平行的軸線來體現(xiàn)維度，具體來講是在軸線上刻畫數(shù)據(jù)，并用折線相連某一數(shù)據(jù)項(xiàng)在所有軸上的坐標(biāo)點(diǎn)，這樣就可以在二維模式之中看到多維數(shù)據(jù)了。點(diǎn)的位置使用彈簧模型計(jì)算得到。不過它也有缺點(diǎn)，即如果數(shù)據(jù)規(guī)模非常大的話，就會(huì)導(dǎo)致我們?cè)谝曈X上有一種混亂的感覺，干擾使用人理解可視化內(nèi)容。

（2）散點(diǎn)圖矩陣。具體來講，它指的是借助二維坐標(biāo)中的具體的點(diǎn)來體現(xiàn)變量的聯(lián)系。一般情況下，我們常把這個(gè)方法和別的方法組合到一起使用，這樣做的好處是能夠明顯的增強(qiáng)數(shù)據(jù)的顯示效果，能夠體現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠以非?？斓乃俾实弥蓪?duì)變量的聯(lián)系，不過它也有不利點(diǎn)存在，即如果維度非常大的話，由于屏幕有限，因此無法體現(xiàn)矩陣數(shù)據(jù)的總量，此時(shí)必須借助交互技術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)我們觀察數(shù)據(jù)的目的。

（3）Andrews曲線法。其指的是借助二維坐標(biāo)體現(xiàn)數(shù)據(jù)，把多維空間的各種信息借助函數(shù)體現(xiàn)到曲線之中，經(jīng)由觀察曲線，我們能夠得知數(shù)據(jù)的各種聚類情況。

2.1.2 基于圖標(biāo)的可視化方式

基于圖標(biāo)的可視化方法用具備可視特征的幾何形狀作為圖標(biāo)來刻劃多維數(shù)據(jù)，這些圖標(biāo)的每一個(gè)可視化屬性如大小、長(zhǎng)度、形狀、顏色可以作為維度，通過多維數(shù)據(jù)到這些圖標(biāo)屬性的映射來實(shí)現(xiàn)可視化效果，代表性的方法包括星繪法和Chernoff面法等。星繪法采用由一點(diǎn)向外輻射的多條線段代表數(shù)據(jù)維度，各種線段的長(zhǎng)度體現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的維度數(shù)。Chernoff面法指的是借助人臉的特點(diǎn)來體現(xiàn)維度，通過繪制臉圖得到多維數(shù)據(jù)，依據(jù)特定策略對(duì)其排序，以此能夠確保數(shù)據(jù)以可視化模式體現(xiàn)出來。它的優(yōu)點(diǎn)是較之于別的圖形更加的吸引人的注意，因此廣大用戶們喜歡花費(fèi)很多時(shí)間來研究它們，所以其展現(xiàn)的效果更好，除此之外，它還能夠幫助我們更好的識(shí)別要素的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

2.1.3 動(dòng)畫的多維可視化技術(shù)研究現(xiàn)狀

眾所周知，由于動(dòng)畫能夠更加直觀的體現(xiàn)內(nèi)容，給我們帶來更加完美的視覺體驗(yàn)，因此它被大量的運(yùn)用到使用人的界面里面。通過研究我們發(fā)現(xiàn)，使用動(dòng)畫能夠幫助我們獲取更高的交互性，而且更加便于理解。具體來講有以下四點(diǎn)體現(xiàn)。第一，較之于靜止不動(dòng)的物體來講，移動(dòng)的物體可以更加的吸引我們的目光。第二，通過動(dòng)畫，我們能夠得知對(duì)象的變化情況，比如它的方位以及形態(tài)和色澤等，此時(shí)我們可以很明顯的感受到客體的改變情況。第四，比對(duì)于靜止的物體來講，廣大用戶對(duì)移動(dòng)的物體更加的感興趣，在查閱數(shù)據(jù)的時(shí)候心情更加的舒暢。怎樣做好動(dòng)畫設(shè)計(jì)工作，確保其更好的被使用人所理解就成為了當(dāng)前工作的重中之重。具體來講，目前常用的方法有兩種，其一，在編碼的時(shí)候運(yùn)用動(dòng)作，將其變成附加的變量。其二，借助動(dòng)畫確保各種轉(zhuǎn)換都能夠很好的被理解。錐樹在樹的多個(gè)層次上利用動(dòng)畫的旋轉(zhuǎn)使選定的項(xiàng)目進(jìn)入觀察者的視野。SpaceTrees和DOITrees利用動(dòng)畫動(dòng)態(tài)地展示樹的枝葉展開和折疊的情形。同時(shí)，假如動(dòng)畫的變化速率非常慢的話，無疑是一種對(duì)時(shí)間的浪費(fèi)，相反的如果太快的話就會(huì)使得人們無法很好的理解。因此我們一定要確定好其速度，一般來講主要是依據(jù)場(chǎng)景的狀態(tài)和使用人的背景來明確，在具體的運(yùn)用的時(shí)候一定要認(rèn)真分析。

2.2 時(shí)間序列數(shù)據(jù)的可視化

所謂的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，具體來講指的是有著時(shí)間特性的數(shù)據(jù)集，具體來講，其可視化形式有以下的幾種。

第一，線形圖。它是最為常見的一種形式。借助點(diǎn)來體現(xiàn)數(shù)據(jù)以及時(shí)間發(fā)展。如果數(shù)據(jù)有很多的時(shí)間維度，那么我們就可以為所有的維度創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)，讓它們對(duì)齊，這樣做的目的是為了對(duì)比事件的發(fā)展方向。

第二，堆積圖。它體現(xiàn)的是事件序列的累積模式，我們可以借助這種方法獲知序列總和。它的優(yōu)點(diǎn)是可以很好的體現(xiàn)出序列的總和，不過它也有缺點(diǎn)，即無法對(duì)比所有的序列，而且如果處理的時(shí)候出現(xiàn)了負(fù)數(shù)的話，其效果也不是很好。

第三，動(dòng)畫。比對(duì)于靜態(tài)的圖畫來看，它的優(yōu)點(diǎn)是可以體現(xiàn)時(shí)間序列是否改變。不過它的缺點(diǎn)是無法很精準(zhǔn)的體現(xiàn)數(shù)據(jù)。

第四，時(shí)間線。具體來講，它指的是借助時(shí)間軸，把數(shù)據(jù)以圖形的形式體現(xiàn)到坐標(biāo)中。

2.3 層次數(shù)據(jù)的可視化

在各種數(shù)據(jù)中，層次數(shù)據(jù)的出現(xiàn)幾率非常高，它能夠被用以繪制各種生物以及組織形式和社會(huì)關(guān)系網(wǎng)等。其形式有兩種，接下來分別論述。

（1）節(jié)點(diǎn)鏈接圖。節(jié)點(diǎn)鏈接圖是將層次數(shù)據(jù)組織成一個(gè)類似于樹的節(jié)點(diǎn)的連接結(jié)構(gòu)，繪制節(jié)點(diǎn)等來體現(xiàn)數(shù)據(jù)與它們的內(nèi)在聯(lián)系，一般來講節(jié)點(diǎn)非常小，無法涵蓋很多內(nèi)容。它的鏈接圖可以很清楚的體現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，不過它們之間存在很大的空白，這就導(dǎo)致嚴(yán)重的浪費(fèi)，如果數(shù)據(jù)非常多的話，這些分支就會(huì)聚集到一起，很明顯此時(shí)的局面就會(huì)非?；靵y，導(dǎo)致我們從視覺上無法加以判斷。

（2）樹圖。上世紀(jì)末期，有專家提出樹圖技術(shù)。它可以在特定的空間里體現(xiàn)很多的數(shù)據(jù)，不過它的缺陷是不能夠具體的體現(xiàn)一些細(xì)節(jié)。為了很好的體現(xiàn)它的細(xì)節(jié)，科研人員研發(fā)出了基于“焦點(diǎn)+上下文”技術(shù)的交互方法。

2.4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可視化

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。自動(dòng)布局算法是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可視化的核心，有3種具體的類型：一是仿真物理學(xué)中力的概念來繪制網(wǎng)狀圖，即力節(jié)點(diǎn)鏈接圖二是分層布局（hierarchical layout）；三是網(wǎng)格布局（grid layout）。目前許多的科研工作都是以上述算法為基礎(chǔ)的。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可視化中，如果節(jié)點(diǎn)有非常多的連接的話，就會(huì)形成邊交叉，進(jìn)而使得我們?cè)谝曈X上有一種非?；靵y的感覺。為此，我們研究了集束邊技術(shù)，它能夠很好的處理上述的弊端。其類型非常多，比如力導(dǎo)向的集束邊技術(shù)、層次集束邊技術(shù)、基于幾何的邊聚類技術(shù)等。

3 其他研究熱點(diǎn)

3.1 可視化圖形的視覺因素研究

目前很多的科研工作者都意識(shí)到視覺要素會(huì)對(duì)可視化有很明顯的影響，比如其位置以及色彩等。通過評(píng)價(jià)此類要素對(duì)使用人的感知方面的影響效果，使得設(shè)計(jì)工作者可以不斷的優(yōu)化發(fā)展，是當(dāng)前工作的重點(diǎn)內(nèi)容。BER-TIN首次進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，研究了視覺要素在名義、序列和度量數(shù)據(jù)可視化中的效果，CLEVELAND等采用基于人類的主觀認(rèn)知的科學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了可視化要素的影響。SIMKIN等測(cè)試了人類對(duì)條形圖和餅形圖的認(rèn)知差異。通過自適應(yīng)可視化技術(shù)，可以為使用人調(diào)整可視方式等。目前按照研究人員的工作情況，我們可以將其分成如下的幾種類型，分別是自適應(yīng)可視化展示、自適應(yīng)資源模型、自適應(yīng)用戶模型。

（1）自適應(yīng)可視化展示。具體來講，它指的是結(jié)合使用人的特點(diǎn)，自行為他們提供所需的各種類型，它能夠自行確定內(nèi)容和布局等，同時(shí)還可以自動(dòng)變化色彩和圖標(biāo)之類的內(nèi)容。

（2）自適應(yīng)資源模型。其目的是為了切實(shí)提升技術(shù)的性

能。

（3）自適應(yīng)用戶模型。它指的是經(jīng)由體現(xiàn)使用人的模型內(nèi)容來確保使用人可以自行編輯數(shù)據(jù)，確保他們能夠操控?cái)?shù)據(jù)。

通過上述我們可知，該技術(shù)是靜態(tài)存在的，在交互性方面表現(xiàn)的較差，無法幫助用戶深入學(xué)習(xí)各種信息。

3.2 可視化效果的評(píng)估

在MORSE等人看來，當(dāng)前關(guān)于該技術(shù)的評(píng)價(jià)不是很多，展開的研究課題非常少。MEYER指出沒有普遍接受的關(guān)于最優(yōu)數(shù)據(jù)展示的標(biāo)準(zhǔn)，部分原因在于缺乏實(shí)證證據(jù)和可視化方法種類太多。PURCHASE認(rèn)為評(píng)估只是根據(jù)美學(xué)因素或計(jì)算效率評(píng)價(jià)可視化是不可取的，而是應(yīng)該考慮可視化對(duì)用戶績(jī)效的提升能力。通過分析我們發(fā)現(xiàn)界面是否美觀和其績(jī)效之間有著非常緊密的關(guān)系。雖然美學(xué)因素經(jīng)常和感知易用性相聯(lián)系，但是感知易用性和實(shí)際的可用性可能是不相關(guān)的。目前還有一些研究人員認(rèn)為可以借助表現(xiàn)力來開展評(píng)價(jià)工作，當(dāng)然也有人認(rèn)為需要借助有效性來評(píng)價(jià)。

目前一些研究人員將工作重點(diǎn)放到評(píng)估特定行業(yè)的可視化情況。不過，DOWELL等看來，由于其只是針對(duì)特定行業(yè)開展的，因此它的推廣效益不是很好。而最常見的評(píng)價(jià)措施是借助心理學(xué)知識(shí)，運(yùn)用各種可視化措施展開具體的測(cè)試活動(dòng)，然后分析被測(cè)試人的回答，以及他們回答的精確性和回答過程中的自信程度以及所耗費(fèi)的時(shí)間等要素，比對(duì)各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

總的來說，它的評(píng)價(jià)措施以及系統(tǒng)等目前受到很多研究工作者的關(guān)注，不過相應(yīng)的研究成果并不是很多，發(fā)展較為落后，所以對(duì)于這種狀況，我們當(dāng)務(wù)之急的工作是要將精力集中放到評(píng)價(jià)理論以及運(yùn)用情況等的分析工作之中。

4 結(jié)束語

通過上述內(nèi)容我們可知，當(dāng)前時(shí)期信息可視化技術(shù)已經(jīng)被大范圍的應(yīng)用到我們的工作之中，其研究活動(dòng)也開展得如火如荼。經(jīng)過相關(guān)工作者的不斷努力，目前已經(jīng)在這方面積累了很多的經(jīng)驗(yàn)，而且也在不斷的朝著新的方向發(fā)展。按照其原則，在具體的運(yùn)用的時(shí)候要切實(shí)遵守如下的要素：直觀化、關(guān)聯(lián)化、藝術(shù)化、交互化。同時(shí)，還要切實(shí)將它和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)聯(lián)系到一起，確保其得到更好的運(yùn)用，目前該技術(shù)的應(yīng)用區(qū)間非常廣，使用人的反饋也很好，我們堅(jiān)信隨著時(shí)代的發(fā)展，該技術(shù)一定會(huì)發(fā)展得越來越好，我們國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)工作也一定會(huì)更加的輝煌。

參考文獻(xiàn)：

[1]DEFANTI T A，BROWN M D，MCCORMICK B H.Visualization：Expanding scientific and engineering research opportunities[J].Corn-puter，1989，22（8）：12-16.

[2]ROBERTSON G，CARD S K，MACKINLAY J D.The cognitive coprocessor architecture for interactive user interfaces[A].Proceedingsof the 2nd Annual ACM SIGGRAPHSymposium on User interface Software and Technology[C].New York：ACM，1989：10-18.

[3]SINDIY 0，LITOMISKY K，DAVIDOFF S，et a1.Introduction to information visualization（InfoVis）techniques for Model-Based systems engineering[J].Procedia Computer Science，2013（16）：49-58.

[4]陳建軍，于志強(qiáng)，朱昀.數(shù)據(jù)可視化技術(shù)及其應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2001，30（5）：339-342.

[5]任磊，王威信，周明駿，等.一種模型驅(qū)動(dòng)的交互式信息可視化開發(fā)方法口[J].軟件學(xué)報(bào)，2008，19（8）：1947-1967.

[6]劉大海.海量數(shù)據(jù)可視化方法的研究[D].天津：天津大學(xué)，2009.

[7]楊峰，李月華.高維信息可視化方法研究綜述[J].情報(bào)理論與實(shí)踐，2012，35（9）：125-128.

[8]盛秀杰，金之鈞，王義剛.一種新的面向多元統(tǒng)計(jì)分析的信息可視化技術(shù)[J].石油地球物理勘探，2013，48（3）：488-496.

[9]SIIRTOLA H.Direct manipulation of parallel coordinates[A].CHI'00 Extended Abstracts on Human Faetors in Computing Systems[C].New York：ACM，2000：373-378.