读数据可视化07视觉编码原则

1. 相对判断和视觉假象

1.1. 人类感知系统的工作原理决定于对所观察事物的相对判断

1.2. 视觉假象

• 1.2.1. Visual Illusion

• 1.2.2. 指人们通过眼睛所获得的信息被大脑处理后形成的关于事物的感知，与事物在客观世界中的物理现实并*不一致的现象

2. 标记和视觉通道

2.1. 可视化将数据以一定的变换和视觉编码原则映射为可视化视图

2.2. 可视化编码

• 2.2.1. Visual Encoding

• 2.2.2. 是信息可视化的核心内容

• 2.2.3. 是将数据信息映射成可视化元素的技术

• 2.2.4. 通常具有表达直观、易于理解和记忆等特性

• 2.2.5. 由两方面组成：*标记（图形元素）和用于控制标记的视觉特征的视觉通道

2.3. 标记

• 2.3.1. 是数据属性到可视化元素的映射，用于直观地代表数据的性质分类

• 2.3.2. 标记具有分类性质，因此不同的标记可用于编码不同的数据属性

• 2.3.3. 标记可以根据空间自由度进行分类

• 2.3.3.1. 点具有零自由度

• 2.3.3.2. 线、面、体分别具有一维、二维和三维自由度

• 2.3.4. 标记的选择通常基于人们对于事物理解的*直觉感知

2.4. 视觉通道

• 2.4.1. 是数据的值到标记的视觉表现属性的映射，用于展现数据属性的定量信息

• 2.4.2. 不仅具有分类性质，也具有定量性质

• 2.4.3. 一个视觉通道可以编码不同的数据属性（如形状）​，也可以用于编码一个属性的不同值（如长度）​

• 2.4.4. 可视化设计人员首先必须了解和掌握每个视觉通道的特性，以及它们可能存在的*相互影响

2.5. 两者的结合可以完整地对数据信息进行可视化表达

3. 视觉通道的概念

3.1. 视觉感知系统是迄今为止人类所知的具有最高处理带宽的生物系统

3.2. 人眼具有很强的模式识别能力，对可视化符号的信息获取能力远高于对文本和数字的直接识别

3.3. 将数据信息以可视化视图进行呈现，其关键步骤是对数据信息进行编码，即将数据属性以标记呈现后，通过视觉通道控制标记的呈现方式

3.4. 视觉通道的类型

• 3.4.1. 数据通常以有序的和分类的两种形式存在，而视觉通道在表现上也存在两种不同的功能

• 3.4.2. 视觉通道的性质类型（定性、定量、分组）基本决定了不同的数据所采用的视觉通道

• 3.4.3. 定性性质或分类性质

• 3.4.3.1. 即描述对象是什么或在哪里

• 3.4.3.2. 定性的视觉通道适合编码分类的数据信息

• 3.4.4. 定量性质或定序性质

• 3.4.4.1. 即描述对象某一属性的具体数值是多少

• 3.4.4.2. 定量或定序的视觉通道适合编码有序的或者数值型的数据信息

• 3.4.5. 分组性质

• 3.4.5.1. 分组通常是针对多个或多种标记的组合描述的

• 3.4.5.2. 最基本的分组通道是接近性，根据*格式塔原则

• 3.4.5.3. 适合将存在相互联系的分类的数据属性进行分组，从而表现数据的内在关联性

3.5. 视觉通道的表现力

• 3.5.1. 主要定义为视觉通道在编码数据信息时，需要表达且仅表达数据的完整属性

• 3.5.2. 要求视觉通道*仅仅编码数据包含的所有信息

• 3.5.3. 视觉通道在对数据进行编码的时候，需要*尽量忠于原始数据所包含的信息

• 3.5.4. 人类感知系统对于不同的视觉通道具有不同的理解与信息获取能力

• 3.5.4.1. 可视化设计者就应该很自然地使用高表现力的视觉通道编码更重要的数据信息，从而使得可视化的用户可以在更短的时间内更加精确地获取数据信息

• 3.5.5. 表现力判断标准

• 3.5.5.1. 精确性

3.5.5.1.1. 主要描述了人类感知系统对于可视化的判断结果和原始数据的吻合程度

3.5.5.1.2. 改变刺激人体感觉器官的物理强度值并不能使得人对信号的感知得到成比例的响应

• 3.5.5.2. 可辨认性

3.5.5.2.1. 视觉通道可以具有不同的取值范围，然而如何调整取值使得人们能够区分该视觉通道的两种或多种取值状态，是视觉通道的可辨认性问题

3.5.5.2.2. 如何在给定的取值范围内，选择合适数目的不同取值，使得人们的感知系统能够轻易地区分它们

• 3.5.5.3. 可分离性

3.5.5.3.1. 在同一个可视化结果中，设计者通常会同时表达数据的多个属性以方便对数据的分析及比较，而一个视觉通道的使用可能会影响人们对另外视觉通道的正确感知，从而影响用户对可视化结果的信息获取

3.5.5.3.2. 描述了其在被用于表达数据属性的时候，两两之间的干扰现象

• 3.5.5.4. 视觉突出

3.5.5.4.1. 指仅仅在很短的时间内（200～250ms）​，人们可以仅仅依赖感知的前向注意力（Preattentive）直接发觉某一对象和其他所有对象的不同

3.5.5.4.2. 前向注意力是指人的一种无意识的信息积累和处理

3.5.5.4.3. 在信息可视化中，视觉突出效果使得人们对特殊对象的发现所需要的时间不会随着背景对象的数量变化而变化

3.5.5.4.4. 颜色也并非是唯一的可被用于视觉突出的通道

3.6. 视觉通道的有效性

• 3.6.1. 不同的视觉通道具有不同的表现力

• 3.6.2. 一个好的可视化设计需要根据每个数据属性的重要性，使用合适的视觉通道进行编码

• 3.6.3. 利用具有高表现力的视觉通道编码更重要的数据属性，从而使用户可以更容易地获取数据中的相对重要信息

3.7. 指导可视化设计者如何挑选合适的视觉通道，对数据信息进行完整而具有目的性的展现

3.8. 根据表现力和有效性对视觉通道的排序

4. 视觉通道的特性

4.1. 合理地使用视觉通道是设计优秀的信息可视化的关键因素

4.2. 平面位置

• 4.2.1. 可视化设计大多在二维空间，平面位置对于任何数据都非常有效，甚至是最有效的

• 4.2.2. 水平位置和垂直位置*属于平面位置的两个可以分离的视觉通道，当需要编码的数据属性是一维时，可以仅选择其一

4.3. 颜色

• 4.3.1. 在所有的视觉通道中，颜色是最复杂的，也是可以编码大量数据信息的视觉通道之一

• 4.3.2. 颜色分为亮度、饱和度和色调三个视觉通道，其中前两个可以认为是定量或定序的视觉通道，而色调属于定性的视觉通道

• 4.3.3. 亮度

• 4.3.3.1. 适合于编码有序的数据，然而需要注意的是亮度通道的可辨性较小，一般情况下，在可视化中*尽量使用少于6个不同的可辨的亮度层次

• 4.3.3.2. 亮度的对比度所形成的*边界现象更加明显

• 4.3.4. 饱和度

• 4.3.4.1. 另一个适合于编码有序数据的视觉通道

• 4.3.4.2. 作为一个视觉通道，饱和度与尺寸视觉通道之间存在非常强烈的相互影响

4.3.4.2.1. 在小尺寸区域上区分不同的饱和度明显要比在大尺寸区域上区分困难得多

• 4.3.4.3. 点和线是典型的小块区域的标记

4.3.4.3.1. 使用饱和度编码具有不同意义的点和线时能够容易被辨认的饱和度层次较低，通常只有三层

• 4.3.4.4. 对于大区域的标记，如面积，可以使用的饱和度层次则会略多

• 4.3.5. 色调

• 4.3.5.1. 色调非常适合于编码分类的数据属性，并且也提供了*分组编码的功能

• 4.3.6. 配色方案

• 4.3.6.1. 在信息可视化设计中，配色方案关系到可视化结果的信息表达和美观性

• 4.3.6.2. 由于数据具有定性、定量的不同属性，因此将数据进行可视化的时候需要设计不同的配色方案

4.4. 尺寸

• 4.4.1. 尺寸是定量/定序的视觉通道，因此*适合编码有序的数据属性

• 4.4.2. 通常对其他视觉通道都会产生或多或少的影响

• 4.4.2.1. 尺寸变小的时候，其他视觉通道所表达的视觉效果会被抑制

• 4.4.3. 长度是一维的尺寸，包括垂直尺寸（或称高度）和水平尺寸（或称宽度）

• 4.4.4. 面积是二维的尺寸

• 4.4.5. 体积则是三维的尺寸

4.5. 斜度和角度

• 4.5.1. 斜度是指在二维坐标轴平面中，*方向和0度坐标轴的夹角

• 4.5.2. 斜度也就可以通过4个象限的区分来对分类的数据进行编码

• 4.5.3. 角度是指*任意两条线段之间的夹角测量

• 4.5.4. 根据角度的值我们可以分为锐角、直角、钝角

4.6. 形状

• 4.6.1. 形状是人们通过前向注意力就能识别的一些低阶视觉特征

4.7. 纹理

• 4.7.1. 纹理可以被认为是多种视觉变量的组合，包括*形状（组成纹理的基本元素）​、颜色（纹理中每个像素的颜色）和方向（纹理中形状和颜色的旋转变化）​

• 4.7.2. 具有不同颜色的形状也常常用作纹理

• 4.7.3. 纹理通常用于填充多边形、区域或者表面

• 4.7.4. 在三维应用中，纹理一般作为几何物体的属性，用来表示高度、频率和方向等信息

• 4.7.5. 对于二维的图形物体，我们可以通过使用不同的纹理来表示不同的数据范围或分布

• 4.7.6. 形状或颜色的变化都可以用来组成不同的纹理

• 4.7.7. 作为一种特殊的纹理效果，点画图案在可视化中也较为常见

• 4.7.7.1. 点画图案通常被用作区分类别型数据属性的编码方式

• 4.7.7.2. 在二维空间的视觉通道上，点画图案与亮度视觉通道存在较为严重的影响

• 4.7.7.3. 在识别点画图案和亮度的时候可能存在分歧，从而会导致一个失败的可视化结果

• 4.7.7.4. 由于彩色打印的低廉成本和流行趋势，点画图案在图像领域的应用也逐渐减少，但是在图形学和可视化领域作为一种艺术表达形式仍然具有长久的生命力

• 4.7.8. 应用纹理可以避免在可视化设计中使用过多的色彩，同时也*可以照顾到色盲、色弱用户的理解

4.8. 动画

• 4.8.1. 由计算机生成的连续播放的静态图像所形成的动态效果的图画作品

• 4.8.2. 利用了人的生理上的视觉残留现象和人们趋向将连续类似的图像在大脑中组织起来的心理作用

• 4.8.3. 人的大脑将这些视觉刺激能动地识别为动态图像，使两个孤立的画面之间形成顺畅的衔接，从而产生视觉动感

• 4.8.4. 动画作为视觉通道的一种，也可以用于可视化表达

• 4.8.5. 动画的优势和缺点都在于其完全吸引了用户的注意力，因此在突出可视化的视觉效果的同时，用户通常也无法忽略动画所产生的效果

• 4.8.6. 视觉通道的可分离性保证了用户可以自主地选择需要观察的那一部分可视化，动画与其他视觉通道具有天然的分离性

4.9. 视觉多通

• 4.9.1. 空间上的分割：由空间邻域D的不同可视编码构成

• 4.9.2. 时间上的分割：即动画，由时间邻域T的不同可视编码构成

• 4.9.3. 部分遮挡：由不透明色块的堆叠构成，但有可能因为遮挡造成信息缺失

• 4.9.4. 空心：由空心形状的堆叠构成，但空心形状之间的距离可以编码速度等信息

• 4.9.5. 半透明遮挡：由半透明色块的堆叠构成，但有可能因为半透明造成的色差引起信息误解

• 4.9.6. 多视觉通道整合：由多个视觉通道的组合（颜色与形状、颜色与大小等）构成

• 4.9.7. 连续场：由向量场、等值线、高度场等连续场构成，结合周围的视觉元素可以判断方向、大小等信息

• 4.9.8. 视觉元素的位移：位置p的编码可以移位到p的附近，根据格式塔原则的相近原则依然可以正确解码

• 4.9.9. 周期性动画：由多帧的周期性动画构成