以静态信息图为例的可视化作品评判指标研究.pdf

第 44 卷 S1 期 包 装 工 程 2023 年 4 月 PACKAGING ENGINEERING 133 收稿日期：20221219 作者简介：杨淑霞（1998），女，硕士生，主攻信息可视化设计。通信作者：蒋琤琤（1985），女，博士，副教授，主要研究方向为信息可视化、融媒体产品设计与数字出版。以静态信息图为例的可视化作品评判指标研究 杨淑霞，蒋琤琤（杭州电子科技大学，杭州 310018）摘要：目的目的 针对目前可视化作品评价方法分散且无明确的评价标准的现状，建立一个能系统有效反映读者读图主观感知与信息图客观设计效果相关性的评价体系。方法方法 以信息感知与视觉认知理论为基础，分析总结高传播度、高认可度的静态可视化作品共性，查阅现代信息可视化设计研究，归纳可视化作品的评价维度，构建可视化作品的评价指标。结果结果 总结出从受众感知认知与设计构成 2 个视角出发的可视化作品评价指标，并通过实验应用验证了评价指标指导设计的可行性。结论结论 可视化评价指标从客观与主观 2 个角度出发，提供了可复用、可量化的评价维度与指标项，为信息可视化作品提供了评价途径并通过实验分析论证了该评价指标的可行性。关键词：信息可视化；设计评价；图元编码；主观感知；心理认知 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)S1-0133-06 DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.S1.021 可视化是一门跨专业的学科，在瓦解曾经横亘在艺术和人文学科，以及自然科学之间的障碍方面取得了巨大的进步。信息可视化综合设计、心理学、统计学、哲学、认知科学和其他领域知识，成为了创意文化中平衡技术和专业的关键催化剂。尽管人们很少对可视化之于社会、文化和科技领域所带来的重要而深远的影响产生争议，但当涉及可视化领域的内涵甚至是最基本的定义时却未能达成一致，如何判断一个可视化作品的优劣，至今没有标准的评价体系。1 信息可视化的发展与应用 信息可视化的发展，从最原始的洞穴壁画图形，到早期统计图表，发展至 20 世纪图形研究高峰，再到电子计算机的诞生，信息可视化发展到了顶峰，呈现出各种媒介和载体的视觉作品1。1931 年亨利贝克绘制的地铁图，如电路图般的节点图并未保留地理精准度，但是却极大地满足了用户定位站点方向。1983 年爱德华塔夫特发布数据图形学理论，为信息可视化的发展鉴定了重要基石2。计算机的普及带来了更为便捷的可视化软件，使得更多的人可以参与到可视化创作中。信息载体的改变，使得信息可视化设计从单一静态扩展至动态呈现，重视图像交互性，以此在有限的界面中展示更多的数据。现在被人们熟知的可视化技术可以分为 4 类，分别是科学可视化、数据可视化、信息可视化和知识可视化。其中信息可视化的研究开始于 20 世纪 90 年代初期，被广泛应用于商业、财务、行政管理、数字媒体等领域，为抽象的异质性数据集的分析工作提供支持，其本质上是针对大尺度高维复杂数据，从不同的分析视角表达非空间性数据，使用图形设计简化信息，减少视觉混淆对有效信息的干扰3。信息可视化的应用得益于技术发展在如今已十分普遍，从表现形式上可以简单将可视化图像归纳为仅可读的静态数据可视化、基于软件框的数据分析可视化、基于网页框架的可交互式可视化、数据可视化说明视频 4 类4。在实际应用中数据看板、数据大屏、信息展示网站、科普动画、数据新闻、数据报表等在生活中被广泛使用。尤其在数据新闻、商业分析看板与大众科普，这几个领域的可视化应用传播日渐成熟。在疫情期间，地域病例统计可视化为疫情防控工作提供了精准辅助，而普通民众可以通过这类公开信息获知疫情防控措施与最新疫情状况5。2 优秀可视化作品的共同特征 可视化工具的普及降低了实现难度，但对可视化设计师们设计能力的要求不降反增。可视化的旺盛发展丰富了视觉元素的可选范围，同时受益于计算机程序开发，从专业数据库、金融软件到基于各种编程语言的可视化库、即用型数据分析软件和在线可视化网站，大大降低了信息可视化设计者的准入门槛，人人134 包 装 工 程 2023 年 4 月 都在成为数据可视化的生产者。由于设计者的专业素养不一，在没有明确判定可视化标准的情况下，无法界定可视化的优劣，同时虽然可视化设计中有一些元素的使用建议，但未形成完整的设计规范，如何设计出高效传达信息且吸引人阅读的可视化是可视化制作者的最大挑战。本文从海量的静态信息图表中，搜寻高传播、高认可度的可视化静态图并进行分析研究，得到其共同特征，为可视化评价维度的建立提供参考。2.1 符合人类认知感觉系统 优秀的可视化通常能让读者在最短时间内完成复杂信息的理解。对人类而言，陌生信息内容从被接收开始，经历了从视觉感受到心理认知的过程，其中包括对信息收集、分析、归纳、解码、存储、概念、提取和使用等一系列处理阶段6-8。每个环节都需要不同的人体组织和器官协作。人类认知过程要求可视化设计师在设计时必须符合人类认知感觉规律。2.2 采用合适的视觉要素 在视觉设计中，图形化呈现是本质，逻辑构建是基础，视觉元素是设计的关键。从数据到可视化元素的映射需要充分利用目标受众现有的先验知识9，从而减少对信息感知认知所需的时间。在图表表达时不同视觉编码带来的主观认知差异很大，对基本数据类型、数据及其关系可以通过使用不同的视觉通道来表达，对应的最优可视化编码方案依据具体展现情景的不同而变化。在一般情况下，数值类型适用坐标、长度等能量化的视觉通道表示，若使用颜色表示则效果会大大降低，容易引起歧义；序列类型适合区分明显的视觉通道，类别型优先考虑分组的视觉通道10。2.3 严格遵循设计目的 优秀的可视化作品通常具备很强的主题统一性，从信息内容到视觉呈现保持一致。可视化设计在视觉时代的应用越来越广泛，表达形式多样，典型的应用如数据新闻、商业看板、数据驾驶舱、图解海报、科普动画等，在制作时需要根据项目用途与受众特征明确其视觉风格、编码模式、内容解读角度11-12。对信息预设需要传达的主题主线，选择能够清晰表达的信息重点，并取最想传达的信息作为重点。在设计前预设受众，从受众角度考虑信息编码的设定、图形图表的选择、数据维度与展示情境，确保受众正确高效读懂图表中的数据。2.4 给受众更高的期待值 优秀的可视化通常在视觉表现或数据解读上具有优异的表现，优秀的视觉呈现吸引读者兴趣，合理的信息层级使人高效获取信息，新颖的数据视角阐述层次丰富的数据故事。在内容结构上，优秀的可视化要跨越读者知识领域的边界，让读者对信息图内容有很高的阅读兴趣。最好能让读者看完后感到惊讶，愿意深入思考并主动分享给别人，在读完后能获得特别的思考角度。在保证信息传达效率的可视化中，若是能有更具创意的视觉呈现，更多维度的数据细节分析，或者是更独特的分析视角，通常能给受众带来惊喜感。3 可视化信息图评判指标研究 3.1 现有可视化设计研究 可视化的发展应用已经发展了数百年，但直到18 世纪末数据图形学诞生，抽象信息视觉表达揭示数据及其隐藏模式逐渐形成研究领域。功能是设计的核心目的，信息可视化的目的就是为了解读数据。1983 年，爱德华塔夫特提出被认为是数据可视化设计中心指标的数据墨迹比。数据墨迹比是指表现数据的油墨量和用于表示整个数据可视化的油墨量的百分比。塔夫特建议，良好的数据可视化设计应尽可能使数据墨迹比接近 113。2012 年，凡斯兰布鲁克在论文中提出数据可视化应该由设计、数据和故事性所构成。可视化设计的研究从最开始关注可视化画面呈现的数据量到人的主观感知与信息实质传达效率，期间对可视化设计的内容有了相对一致的结论，但对如何判定一个可视化作品的优劣，更多是从客观画面内容的信息复杂度去对可视化作品分析，对人的主观感知影响下的判定并没有形成体系，可视化设计师们无法直接使用其理论来辅助指导设计。3.2 可视化作品评判指标构建 可视化作品评价指标的构建不仅能评判设计方案的优劣，更能够指导改进设计，提升设计效率。本文从高传播度、被广泛好评认可的优秀静态可视化作品的共性与前人对可视化设计内容的研究中总结，围绕如何有效评价可视化设计方案，从受众主观认知与客观设计构成 2 个视角，列举二级、三级指标项，见表 1，其中三级指标可拓展细化，需依据作品的实际情况自定义考量增减。3.2.1 受众角度下的指标项 从受众的角度来看，对信息图的兴趣度、理解程度和信息传达效率是判定一个可视化作品最重要的指标。信息可视化设计的目的是传播知识、传达信息，在信息传递的第一环节读者的兴趣决定了是否会阅读信息图，而对信息图内容的理解程度越高，意味着更多的阅读时间与深入思考，有了思考才能给受众留下更深的记忆留存度。3.2.1.1 兴趣度 在目标受众的范围内，对兴趣度的衡量方式除了个人的主观满意度评价以外，自然状态下的读图时间 第 44 卷 S1 期 杨淑霞，等：以静态信息图为例的可视化作品评判指标研究 135 表 1 信息可视化评价指标 维度 一级指标 二级指标 三级指标 主观满意度 信息架构 视觉设计 交互体验 兴趣度 阅读时长 自然状态浏览时长注视时长 记忆留存率 短时记忆留存率长时记忆留存率理解程度 内容解读率 主线故事复述 细节信息复述 信息记忆率 图形与文字比率画面记忆重点 受众主观认知 信息传达效率 信息记忆有效率 数据问题正确率视觉复杂度 配色种数 图表类型 编码对应率 文字墨迹比 多维度图表数 信息复杂度 数据复杂度 数据维度 数据类型 数据关系 数据问题 补充图表数 补充视觉元素占比设计客观构成 故事性 故事情境 关联数据指标 是更准确的反映。在这个视觉感知到心理认知的过程中，注视是最常见的行为模式14。主观满意度反映的是受众主观读图感受，可以将其分为信息架构、视觉设计和交互体验。视觉形态极大影响受众读图的浏览过程，而信息架构决定可视化信息层级的呈现逻辑。3.2.1.2 理解程度 理解程度可判定受众对信息图内容传达的接收比例，这是可视化信息图本质功能性的验证。信息图的理解程度是受众复盘读图后，个人认知中数据故事的内容主线与信息细节对比原数据故事及细节。其后的记忆留存是指读者在阅读可视化信息图后间隔一定时间后对信息图内容的复述，记忆回顾中清晰准确的部分即为信息图向受众传递的最突出内容。通过受众记忆回顾与信息图内容的比较，能较为清晰地反映受众个体间的信息传递效果。3.2.1.3 信息传达效率 提升信息传达效率是信息可视化的本质目的，受众对可视化作品信息内容的接收效率是可视化使用功能完成度的重要指标。受众的信息接收效率可以表现为单位时间内对可视化作品的信息内容的记忆理解比例。在平面信息传达中主要有 2 个维度，即传达效率与接收有效性，信息传达效率应包含这两者。信息传达中影响受众接收率的主要因素有受众个体差异与用户场景。个体差异包括阅读习惯、知识储备、兴趣、色彩偏好等，用户场景则是指阅读客观情境。3.2.2 设计构成角度下的指标项 从信息图的组成来看，信息复杂度和故事性是其重要指标。可视化转换是对数据信息空间中多维关联层次属性和复杂空间结构的视觉设计，包括可视化变量的图形语言和编码设计。其中图形语言包括点、线、面、网络等和视觉变量的编码包括形状、尺寸、位置、纹理、颜色、方向等。另外，还要满足视觉元素的物理表现和使用者的心理对应匹配，这需要借助具体事物与抽象信息的紧密兼容来设计视觉元素15，通过数字转换、抽象表示、映射转换来实现。3.2.2.1 信息复杂度 数据的视觉复杂度是描述数据信息内在复杂性，涉及可视化图像中的各种组成部分和影响因素，是数据与图形表达的关联性映射，直观地把人的感知和认知能力从视觉上融入数据中。视觉维度的复杂性包括人感知认知的全过程，直接影响用户的认知表现和决策，如信息识别、选择注意、空间分布、目标信息提取等。同时，视觉复杂性还会影响视觉维度的可记忆性、快速识别等质量因素，以及注意力、兴趣等情感因素。数据维度的复杂度是数据自身的属性所带来的，即数据类型、数据维度与数据关系，可视化的过程便是从其中找出并简明表达数据的内在模式。3.2.2.2 故事性 信息可视化是在尊重数据的客观性的基础上，展现对数据的思考。其中的故事性便是不同可视化设计师的不同思考角度，优秀的可视化应该是基于真实的数据，清楚地讲述一个故事。在可视化设计中，数据故事是由数据问题、可视化呈现和故事情境组成的。围绕一个主题，完整叙述数据背后的故事，这是优秀的信息可视化的表现之一。可视化主题在此时是最大的数据问题，为完整表达其主题，会有一些相关的数据问题作为补充说明。例如 1861 年法国工程师查尔斯约瑟夫米纳德绘制的数据统计图表1812 1813 对俄战争中法军人力持续损失示意图。围绕这场战役，他在图中呈现了拿破仑军人数、距离、温度、经纬度、移动方向和时间地点关系这 6 个维度的信息。这张图中的主要数据问题是对俄战争中法军的人力持续损失的数量，故事情境是拿破仑的大军在长途跋涉和严寒后最终溃散。4 静态信息可视化作品的主观认知实验 4.1 实验目的 本实验应用文中提出的可视化评价指标体系，通136 包 装 工 程 2023 年 4 月 过记录分析被试对 12 组国内外静态可视化信息图的主观感受与客观表达指标数值，验证指标体系评价可视化作品并指导设计。4.2 实验内容 实验开始前需要选择指标项与数据收集方式，见表 2。本次实验使用指标筛选自表 1，其中对设计构成部分采用了三级指标项，更细化设计呈现对用户认知感知的影响。除指标项以外，本实验还补充了用户读图时个人主观阅读障碍原因与读图印象最深的要素区域这 2 个用户访谈题。表 2 实验使用指标与数据来源 指标名称 数据收集方式 兴趣度、视觉设计；理解程度；信息记忆有效率；主观画面复杂度；在线问卷（李克特九级量表）自然状态浏览时长 自然浏览眼动实验配色种数、图表类型、文字墨迹比、多维度图表数；数据维度、数据类型、数据关系；补充图表数、关联数据指标；统计计数 阅读障碍的因素、读图印象最深的要素/区域 用户访谈 由于实验指标限定，本次实验过程分 3 部分进行，分别是自然读图眼动记录、在线问卷与用户访谈。除了针对被试的数据收集外，还将刺激材料的设计呈现对应的指标项拆解计数。首先请具有专业设计背景但不涉及信息可视化领域的被试在不受限制下自然读图通过眼动仪记录阅读时长。在这个过程中，刺激材料的先后顺序随机排列，并且不对被试读图时长限定要求，完全由被试的主观阅读兴趣主导。其次是对被试进行主观认知的问卷收集。问卷的发放时间设定在眼动仪实验结束的次日，弱化被试在眼动实验中集中读图的疲劳感知影响。问卷以在线形式发放，内容是对眼动实验中刺激材料的主观感知指标打分，选项使用李克特九级量表。最后在问卷回收后，对被试进行访谈，了解被试个体对刺激材料中各信息图印象最深的区域或要素，谈谈刺激材料设计表达妨碍其阅读的因素。在选择刺激材料时，主要依据作品发布的时间、传播度、关注度，共选定 14 张静态可视化信息图，11 组作品。第一类为早期经典静态可视化图（2 张）；第二类为近期高传播度国外设计师的静态可视化作品（4 张）；第三类为国内高浏览、高传播度的可视化作品（5 组，9 张），其中 2 组为多张组成的作品，见图 1。4.3 实验数据分析 1）由主观认知指标建立的雷达图直观反映了被试对刺激材料的认知评价，见图 2。实验使用的主观认知指标分别为兴趣度、理解程度与记忆有效率，视觉设计与自然浏览时长是兴趣度的补充，由于自然浏览时长的数值类型不同于其他维度，在此处数据分析时只加入了视觉设计的维度。由于问卷采用九级量表，故评分雷达图的尺度为 19，数值越大分值越高。在处理数据时去除最值，取平均数得到指标对应的分值。其中刺激材料编号 1 和编号 2 为早期经典可视化，36 号为现代国外高传播度可视化，711 号为现代国内高点赞可视化，其中 8 号和 10 号为多组图。2）信息图整体视觉表现是被试感知认知最重要的影响因素，在设计时配色种数受数据维度数量影响大，具有较高传播度的信息图设计表达时倾向于使用更多的配色与文字注释说明多维度信息。实验部分指标相关系数热力图见图 3。3）信息图中的文字设计是关键。在针对 12 组信息图回收的 88 条数据中，有 35 条被试的反馈数据中主动提及了信息图中使用文字类型会妨碍理解。语言的选择与转换需要选择信息图受众的常用语言，人们对母语有更高的信息获知效率。在对使用中文且同主题不同内容的信息图组测试中，被试对信息内容的理解程度高。并且认可组图传递的高信息量。图 1 刺激材料节选 第 44 卷 S1 期 杨淑霞，等：以静态信息图为例的可视化作品评判指标研究 137 图 2 刺激材料主观认知评价 图 3 实验部分指标相关系数热力图 4）在眼动实验中，组图的自然阅读时间中前 2张图的阅读时间较长，后续图的阅读时间会较短。虽然有组图中各张图信息容量不同的影响，但更多是由于设计排版、色彩、元素等视觉表现一致，在多张组图阅读中出现视觉疲劳，组图后续内容阅读兴趣降低。组图中单张图自然阅读时长见图 4。图 4 组图中单张图自然阅读时长 138 包 装 工 程 2023 年 4 月 4）问卷中主观阅读兴趣度评分低的信息图，被试反馈其评分原因有 3 种，分别为画面过于复杂、视 觉设计没有创意、画面呈现过于简单。4.3 结论 本文提出的指标项在实验中可量化评估可视化作品，建立主观评价坐标系直观体现被试对可视化作品的认知感知评分，同时从指标项数据分析中能明显获得被试对设计表达的倾向，给出一定的设计建议，具备指导评估可视化设计的作用。5 结语 通过查阅现有可视化设计研究，并对高传播、高认可的可视化作品特征分析，提出了从受众认知和设计构成出发的可视化评价指标。与已有研究相比，本文提出的可视化评价指标更关注受众实际阅读到信息转化接收的认知过程与设计表达的关系，列举可复用的明确指标项，具备一定的普适性。由于本文是基于静态可视化研究分析，所以动态或交互型可视化在使用指标时需要结合实践调整。再则本文并未对指标项权重进行计算定义，故还需进一步调整评价指标体系，使其更具操作性。现今的信息可视化设计要求设计师在设计时兼顾实用性与艺术性16，在设计时如何平衡可视化的艺术性与功能性是一个值得探讨的话题，结构化的评价指标可以很大程度辅助设计。望文中提出的可视化评价指标体系能对信息可视化的发展有所助益。参考文献：1 问媛.高山冰缘带植物的动态信息可视化设计应用研 究D.昆明:云南艺术学院,2021.2 RENDGEN S.Information GraphicsM.Kln:TASCHEN,2020.3 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