數(shù)字界面用戶信息獲取的可視化研究綜述

張偉偉 吳曉莉 華飛

【摘 要】界面信息的可視化是將復(fù)雜無序的信息進(jìn)行圖形化、符號化以增強(qiáng)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(guān)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(rèn)知過程利于界面信息可視化設(shè)計(jì)的研究，使界面更好地適應(yīng)于操作人員。本文對用戶信息獲取的視覺認(rèn)知過程和界面信息可視化方法進(jìn)行了探索歸納，并研究了相關(guān)文獻(xiàn)，提出了個(gè)人的評述與展望。

【關(guān)鍵詞】信息界面；可視化；視覺認(rèn)知；信息獲取

中圖分類號：TP391.1 文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)算機(jī)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字界面用戶信息的獲取也愈加復(fù)雜。復(fù)雜的數(shù)字化人機(jī)交互界面讓用戶幾乎達(dá)到信息辨別、認(rèn)知、和理解的認(rèn)知負(fù)荷極限。如何通過設(shè)計(jì)提高用戶對界面信息的認(rèn)知績效，增強(qiáng)復(fù)雜信息的交互效率和準(zhǔn)確性、保障系統(tǒng)高效運(yùn)行，已成為設(shè)計(jì)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、系統(tǒng)工程、人機(jī)功效學(xué)等學(xué)科和領(lǐng)域共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題。由此一個(gè)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(shù)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(lǐng)域變得越來越受關(guān)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(bǔ)認(rèn)知資源有限的不足，幫助人將內(nèi)部認(rèn)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(rèn)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(jìn)行信息可視化的過程中對于人的視覺認(rèn)知規(guī)律、心理認(rèn)知過程方面的研究也必不可少。

2 用戶信息獲取的心理認(rèn)知過程

信息獲取的心理認(rèn)知過程是指信息的接受、編碼、貯存、提取和使用過程。認(rèn)知心理學(xué)的核心觀點(diǎn)是將認(rèn)知看作一個(gè)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(guān)注用戶在信息認(rèn)知時(shí)如何輸入信息、存儲信息以及處理信息。視覺信息認(rèn)知流程可分為信息輸入、信息認(rèn)知加工、信息認(rèn)知決策以及信息認(rèn)知行為反應(yīng)這四個(gè)階段，如圖1所示所示的視覺信息認(rèn)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(guān)的元素，確定視野中有與任務(wù)相關(guān)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(jìn)行識別。薛澄岐[5]在《復(fù)雜信息系統(tǒng)人機(jī)交互數(shù)字界面設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用》指出用戶的視覺感知過程實(shí)際上經(jīng)歷了6個(gè)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(yùn)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(qiáng)與目標(biāo)相關(guān)的信息并抑制不太相關(guān)的信息，指引眼睛關(guān)注目標(biāo)潛在區(qū)域，進(jìn)一步構(gòu)建詳細(xì)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(biāo)獲取所需信息。

2.2 信息認(rèn)知加工階段

信息認(rèn)知加工是視覺認(rèn)知流程的關(guān)鍵步驟，在信息認(rèn)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(shí)記憶以及長時(shí)記憶三個(gè)階段，如圖3[4]。

記憶中的感覺記憶屬于信息輸入過程，此時(shí)能感覺到信息的具體性和特殊性。在界面信息的認(rèn)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(fù)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(dāng)時(shí)情景、過去的經(jīng)驗(yàn)或兩者共同產(chǎn)生的期望所引導(dǎo)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(jìn)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(jìn)行推理。判斷推理是認(rèn)知過程中最為復(fù)雜的信息加工過程，判斷的準(zhǔn)確與否將影響到用戶決策及反應(yīng)是否正確。

2.3 認(rèn)知決策階段

認(rèn)知決策是大腦對執(zhí)行任務(wù)與否的判斷，是對數(shù)字界面視覺信息認(rèn)知過程進(jìn)行抽象的結(jié)果。認(rèn)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(dǎo)出決策。

2.4 認(rèn)知決策階段

行為反應(yīng)主要體現(xiàn)用戶對界面交互指令的反應(yīng)，將認(rèn)知決策轉(zhuǎn)換為行為反應(yīng)，從而完成交互。如何根據(jù)用戶的視覺認(rèn)知過程、認(rèn)知規(guī)律及心智模型等對視覺信息進(jìn)行可視化，從而快速有效地感知并獲取目標(biāo)信息是界面設(shè)計(jì)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(qiáng)，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(shù)的需求日益增加。數(shù)據(jù)可視化技術(shù)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(jìn)行可視化表達(dá)，以增強(qiáng)人的認(rèn)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(rèn)為，信息可視化是一個(gè)從抽象數(shù)據(jù)到可視化形式的映射過程，并通過人機(jī)交互機(jī)制來提高人的感知能力。信息可視化可以被應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、社交、交通、文本和生物醫(yī)藥等可視化領(lǐng)域，現(xiàn)階段信息可視化囊括了科學(xué)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(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(guān)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(guān)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(rèn)知規(guī)律和認(rèn)知過程進(jìn)行的可視化映射，包括圖形化設(shè)計(jì)、符號化設(shè)計(jì)等。

（3）可視化視圖顯示設(shè)計(jì)：根據(jù)認(rèn)知規(guī)律對可視化結(jié)果進(jìn)行界面顯示和布局，包括視圖的大小、位置、顏色、線框的粗細(xì)等。

（4）交互設(shè)計(jì)：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(jī)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(jìn)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(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了分析。考慮到可視化過程中認(rèn)知過程規(guī)律對可視化設(shè)計(jì)的影響，首先從認(rèn)知心理學(xué)角度進(jìn)行了研究，陳叢哲，薛澄岐等[10]利用認(rèn)知心理學(xué)提取界面特征元素，實(shí)現(xiàn)復(fù)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(shí)驗(yàn)方法，分析視覺搜索過程中信息疏漏、錯(cuò)誤感知的根本原因。官睿，薛澄岐等[15-16]從認(rèn)知心理學(xué)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(rèn)知過程發(fā)現(xiàn)界面中不同圖標(biāo)特征、顯著刺激、用戶意圖和任務(wù)目標(biāo)均會影響用戶搜索策略。岳金星， 呂陽[20-21]從降低認(rèn)知負(fù)荷出發(fā)，提出可視化設(shè)計(jì)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(rèn)知評價(jià)模型。黃雅梅[24]從用戶認(rèn)知模型發(fā)現(xiàn)用戶始終依據(jù)色彩特征來進(jìn)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(jìn)行視覺感知分層。依據(jù)George A.Miller心理學(xué)家的研究得出，人類一次性接受認(rèn)知的信息數(shù)量應(yīng)在7±2比特。

對用戶認(rèn)知過程的研究有助可視化的進(jìn)行，在此基礎(chǔ)上有學(xué)者對信息可視化原則、模型等進(jìn)行研究。Annie[26]和Dong Seok[27]針對汽車導(dǎo)航分別進(jìn)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃头抡姝h(huán)境方面的深入研究；Khairi Reda[28]等研究了在復(fù)合現(xiàn)實(shí)環(huán)境下如何實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)集可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)可視化；Basole Rahul C[29]等探討了以節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)的多種視圖方式來實(shí)現(xiàn)多關(guān)聯(lián)項(xiàng)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(dǎo)構(gòu)造可視化管理在企業(yè)實(shí)施中的方法框架。林村[32]認(rèn)為信息通過文字、聲音、圖形、圖表等進(jìn)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(dǎo)用戶的認(rèn)知，提升用戶分析和推理的效率。李晶，薛澄岐等[34]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，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(xiàn)[35-40]對可視化技術(shù)進(jìn)行了研究，并歸納出其原理特征、發(fā)展趨勢及應(yīng)用方法。魏園，姜婷婷，杜雅文等[41-46]研究提出可視化設(shè)計(jì)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(bào)告中指出信息可視化的研究人員應(yīng)該加強(qiáng)對于一些高層次且具一定普遍意義的具體指導(dǎo)原則、領(lǐng)域模型和框架進(jìn)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(rèn)知規(guī)律和認(rèn)知過程出發(fā)，對信息獲取時(shí)的可視化相關(guān)研究進(jìn)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(shù)方面。如今，以用戶為中心是用戶界面設(shè)計(jì)的重要原則，強(qiáng)調(diào)基于用戶的認(rèn)知規(guī)律和認(rèn)知過程進(jìn)行可視化，專注于信息加工過程中認(rèn)知層面的作用機(jī)制，以怎樣的方式讓信息更易使用戶快速準(zhǔn)確的獲取，這種信息表現(xiàn)機(jī)制與認(rèn)知心理學(xué)理論有著千絲萬縷的聯(lián)系，在認(rèn)知心理學(xué)和人機(jī)交互的角度來看用戶信息獲取的可視化研究，這是一個(gè)還沒有得到充分研究的領(lǐng)域。雖然已經(jīng)有不少學(xué)者進(jìn)行了認(rèn)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(dǎo)原則、設(shè)計(jì)模型和框架。所以信息可視化的未來研究方向應(yīng)向可視化的具體指導(dǎo)原則、設(shè)計(jì)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(gè)內(nèi)容。

（1）基于認(rèn)知規(guī)律的圖標(biāo)可視化（編碼）。圖標(biāo)作為一種高效的傳遞模式在信息可視化設(shè)計(jì)過程中起著重要作用，對圖標(biāo)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(gè)站點(diǎn)配備操作員進(jìn)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(shù)（硬件設(shè)備）方面已經(jīng)有較多的研究成果，但界面布局顯示技術(shù)研究尚緩，所以應(yīng)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(jìn)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(yīng)用在更多的領(lǐng)域。

（4）加快可視化在各領(lǐng)域的發(fā)展?？梢暬揪褪嵌囝I(lǐng)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(lǐng)域加入進(jìn)來，同時(shí)這些領(lǐng)域也使可視化技術(shù)更加完善，相輔相成。

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