交互式可视化系统VisBubbles的分析与开发教学文稿.docx

此文档收集于网络，如有侵权请联系网站删除

浙江大学硕士学位论文 摘要

摘要

工作流的方式是分析大规模数据集及验证假设最成功的方法，而为生物数据 设计一个易变的工作流通常是一个比较困难的问题。尽管科学家分析步骤很明确， 准备数据、数据分析、展示结果、保存工作等等，但是不同步骤之间数据格式和 编程语言会有所不同。本文对用于数据分析中基于工作流的工具进行了研究，设 计并实现了交互式可视化系统VisBubbles，它是支持数据分析工作流中的编程、 可视化、交互于一体的集成环境。VisBubbles最显著的特点是把静态的多视图显 示扩展到气泡的隐喻界面中，这样可以自由地布局来支持数据分析任务。每一个 气泡是一个功能单元，可以用于编程计算，也可以用来创建一个可视化实例。从 某种意义上说，气泡类似于窗口，但是不会重叠，只会碰撞。为了增强用户体验， 支持多个气泡组成一个组的操作，同一组中的气泡操作统一化。我们把 VisBubbles系统应用于蝙蝠飞行的数据分析，进化生物学家参与了系统设计以及 测试。本文也说明了系统能够回答他们一些研究问题，并能灵活地实现一些著名 的数据分析方法。
为了进一步增强系统交互性，本文对自然手人机交互进行了深入研究，把基 于Kinect的自然手交互应用于VisBubbles系统中。在OpenNI及NITE的框架下 本文实现了指尖点及稳定手点的检测跟踪，建立了单手指尖点抓放移动物体、双 手缩放旋转物体的自然手交互方式。

关键词： 数据分析工作流，用户界面设计，自然交互，交互式可视化工具

此文档仅供学习和交流

浙江大学硕士学位论文 Abstract

Abstract

One method to successfully analyze large data sets and to validate hypothesis is to use scientific workflow．Designing fluid workflow for biological data analysis is a difficult problem．Although it is clear that scientists take steps in the process，i．e．， preparing data，running analysis，presenting results，and preserving the work,these steps are often loosely coupled in terms of data format and programming language．We present VisBubbles，an integrated env打onment supporting programming，visualization and interaction concurrently for data analysis workflow．A key aspect of VisBubbles is its extension of static multiple views to a metaphorical interface of bubbles that becomes flexible layout to support analysis．Each bubble represents a function unit that is valid for programming and Call be interpreted to create visualization．In a sense， similar to windows，but these bubbles do not overlap and just collide．To further improve the user experience，bubbles Call be grouped to synchronize action behaviors． Our VisBubbles is a general visualization framework for analyzing experimentally
captured biological motion data．Evolutionary biologists participated in designing this system and we demonstrate its use in answering their questions and its flexibility in constructing several well-known data analysis methods．
To further improve the interactivity of Our system，we do some work on natural
hand gesture interaction and apply natural hand interactive method based on Kinoct to Our VisBubbles．Based on the framework of OpenNl and NITE，we implement the hand point and finger point tracking algorithm．Our designed interactive method is to
use the fingers of one hand to grab，move and release objects，and use tWO hands to
rotate and scale all object．

Keywords：Data Analysis Workflow,User Interface Design，Natural Interaction，

Interactive Visualization System

浙江大学硕士学位论文 图目录

图目录

图1．1可视化过程流程图 3
图1．2基于可视分析的研究模型 ．．： ．4 图1．3蝙蝠动力学数据分析过程的工作流 ．5 图1．4蝙蝠尾翼上的标记 品 5
图1．5 ParaView图形用户界面 8

图1．6 Polaris用户界面 9
图2．1 Matlab程序流 一1 6
图2．2 Matlab重流的技巧 ．．17
图3．1同组中气泡的两种排列方式 2l
图3．2插入元素与最接近元素的九种位置关系 22
图3．3整齐排列插入算法描述 22
图3．4基于线的放置算法的描述 23
图3．5 VisBubbles系统结构 ： 23
图3．6一致性组操作 ．．27
图3．7日志文件 ．．28
图3．8 XML文件格式 28
图3．9 VisBubbles系统界面 29
图3．10 3D网格气泡 ．．3l
图3．11 Matlab模块 ．．32
图3．12比较操作 33
图4．1动态手势应用于虚拟驾驶 35
图4．2空中手书 。36
图4．3动态手势应用于射击游戏 ．．36
图4．4 Kinect感应器装置 37
图4．5基于Kinect手势交互的图片浏览 37
图4．6多目标跟踪系统的框架图 39
图4．7团块层跟踪的四种情况 ．．40
图4．8 PETS2009跟踪结果 ．40
图4．9两种外观模型的跟踪结果对比 ．4l 图4．10基于Kinect自然手交互系统流程图 42
图4．1l OpenNI体系层次 ．43
图4．12 NITE层次结构 44
图4．13曲率计算 45
图4．14物体选取、移动、释放的操作实例 46
图4．15物体旋转、缩放的操作实例 46

IU

塑坚奎兰堡圭兰垡丝奎 图目录
图4．16 VisBubbles系统中指尖操作选取数据 ．47
图4．17 VisBubbles系统中双手操作旋转蝙蝠 ．47

IV

浙江大学硕士学位论文 第1章绪论

第1章绪论

现实生活中充满着各种各样的信息，利用计算机对信息进行加工处理已经变 得越来越普遍。近年来，随着计算机应用的普及和科学技术的迅速发展，来自超 级计算机、卫星遥感、CT、天气预报以及地震勘测等领域的数据量越来越大，但 由于没有有效的处理和观察理解手段，科学家们和工程师们惊呼“我们可以做的 仅仅是将数据收集和存放起来”；另一方面，由于计算机技术的高速发展， 使 得计算成本不断下降，计算精度和速度不断提高。这使得对复杂问题的数值模拟 成为一种更直接、更有效的方法。而三维大规模数值模拟可产生上百兆、上千兆 的大量数据，我们已无法用传统的方法来理解大量科学数据中包含的复杂现象和 规律。研究表明，人通过视觉所获得的信息占获取信息总数的80％以上【l】。因此， 数据可视化技术已经成为科学研究中的必不可少的手段，它是科学工作者以及工 程技术人员洞察数据内涵信息，确定内在关系与规律的有效方法，使科学家和工 程师以直观形象的方式揭示理解抽象科学数据中包含的客观规律，从而摆脱直接 面对大量无法理解的抽象数据的被动局面。
当前数据可视化的研究内容和方向主要为：体可视化、流场可视化、可视化 人机交互、可视化的数据建模、可视化基本原理的研究、复杂对象形状的建模和 复杂数据集基于模型的可视化等【2】。其中可视化人机交互是数据可视化中最具挑 战性的研究课题之一。随着数据获取变得越来越便利，在理解不断增长的数据中 的价值的过程中，有效的、良好设计的、易于交互的数据分析工具也越来越重要。 本文在可视化工具及自然三维交互方面做了一些研究工作。

1．1研究背景

1．1．1可视化理论基础
数据可视化领域的起源可以追溯N--十世纪50年代计算机图形学的早期。 当时，人们利用计算机创建出了首批图形图表。1987年，有布鲁斯．麦考梅格、

浙江大学硕士学位论文 第l章绪论

托马斯。德房蒂和玛克辛．布朗编写的美国国家科学基金会报告Visualization in Scientific Computing))(“科学计算之中的可视化”)，对于这一领域产生了大幅度 的促进和刺激【3】。这份报告中强调了新的基于计算机的可视化技术方法的必要性。 随着计算机运算能力的迅速提升，人们建立了规模越来越大、复杂程度越来越高 的数值模型，从而造就了形形色色、体积庞大的数值型数据集。同时人们不但 利用医学扫描仪和显微镜之类的数据采集设备产生大型的数据集，而且还利用可 以保存文本、数值和多媒体信息的大型数据库来收集数据。因而，通常我们需要 高级的计算机图形学技术与方法来处理和可视化这些规模庞大的数据集。近来， 可视化也日益关注来自商业、财务、行政管理、数字媒体等方面的大型异质性数 据集合。二十世纪90年代初期，人们发起了一个新的，称为“信息可视化’’的 研究领域，旨在为许多应用领域之中对于抽象的异质性数据集的分析工作提供支 持。因此，目前人们正在逐渐接受这个新生术语“数据可视化’’，它同时涵盖科 学可视化与信息可视化。现代的数据可视化(Data Visualization)技术指的是运用 计算机图形学和图像处理技术，将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并 进行交互处理的理论、方法和技术【4】。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算 机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域。
数据可视化可以大大加快数据的处理速度，使每时每刻都在产生的海量数据 得到有效利用；可以在人与数据、人与人之间实现图像通信，从而使人们能够观 察到数据中隐含的现象，为发现和理解科学规律提供有力工具；可以实现对计算 和编程过程的引导和控制，通过交互手段改变过程所依据的条件，并观察其影响。 怎样来分析大量、复杂和多维的数据呢?答案是提供像人眼一样的直觉的、交互 的和反应灵敏的可视化环境。

将计算或试验中的数据转换为可视信息的可视化流程如图1．1所示，一般可 视化为四个步骤：数据预处理、映射、绘制和显示【5】。
(1)数据预处理：对原始数据进行预处理，可以转换数据形式、滤掉噪声、 抽取感兴趣的数据等；
(2)映射：将过滤得到的数据映射为几何元素，常见的几何元素有点、线、

2

．塑坚奎堂堡主兰垒垒奎——————————————————————————————————————————————————一 第l章绪论
一 ：：：：=：：：：
面图元、三维体图元和更高位的特征图标等； (3)绘制：几何元素绘制，得到结果图像； (4)显示：显示图像，并分析得到的可视结果。

互 口
交

操
作 表示数据交
和 换语义层次
数 据
反 。
馈

表示数据 交换模块

图1．I可视化过程流程图

随着计算机应用的普及和科学技术的迅速发展，科学家及工程师们更多地通 过可视化系统来理解大量科学数据中包含的复杂现象和规律。越来越多的研究人 员把研究重点放在可视化系统上，怎样能更好地方便科研人员验证猜想、发现知

浙江大学硕士学位论文 第1章绪论

识以及理解规律。但是由于不同领域的数据规模、内在联系各方面的不同，几乎 所有可视化系统都不是通用的，一般可视化系统都是特定的针对某一领域的数据 集的。图1．2是一个基于可视分析的研究模型。

计算或实验模型 计算或实验数据

图1．2基于可视分析的研究模型

1．1．2蝙蝠飞行数据分析过程
本文设计实现了交互式可视化系统VisBubbles，为易变的数据分析的工作流 提供便利，现在仅应用于蝙蝠飞行的运动数据集中。进化生物学领域的一些研究 者每天都需要分析蝙蝠飞行的动力学。蝙蝠是翼手目动物的总称，翼手目是哺乳 动物中仅次于啮齿目动物的第二大类群，现生物种类共有19科185属962种， 除极地和大洋中的一些岛屿外，分布遍于全世界。蝙蝠类是唯一真正能够飞翔 的兽类，它们虽然没有鸟类那样的羽毛和翅膀，飞行本领也比鸟类差得多， 但其前肢十分发达，上臂、前臂、掌骨、指骨都特别长，并由它们支撑起一 层薄而多毛的，从指骨末端至肱骨、体侧、后肢及尾巴之间的柔软而坚韧的 皮膜，形成蝙蝠独特的飞行器官一翼手。蝙蝠尾翼动力学的研究对于基于柔
性翼飞行器的设计以及哺乳动物进化的理解都有重要意义。 图1．3以工作流的形式描述了生物学家的分析过程。如图所示，生物学家意

4

．m墼ill堑坠丝墼———一．．‘。。。。’。。‘。。。。_·__l___--_l-I·-____ 一．．■■I苎1 4主0．丝迨j焉‘匕
义建构漉(Sense-making flow)从通过视频捕获一些飞行敛据开始．一般捕获一

个蝙蝠个体的多次飞行数据．第二步，通过计算尾翼上一些标记‘如图1．4所示) 的位置重建出三堆尾翼的几何结构．每一段飞行数据包含多个扑梭‘wingbeat)．

■1．3螬曩动力学敦蠢分析过程的工作蠢

圈1．4■蝠尾一上的标记

浙江大学硕士学位论文 第1章绪论

选择第二步中的每段飞行数据中最好的～个扑棱用作数据分析。在第三步中，把 每个扑棱分为两段扇动：上扇和下扇，分别表示尾翼向上和向下的运动。根据重 建的尾翼的几何信息可以通过Matlab计算出一些动力学参数【61，即时飞行速度、 平均飞行速度、扑棱帧数和尾翼跨度等等，其中有些数据是随时间变化的。
一个比较具有挑战性的问题是需要分析不同类型的数据，提出一些假设引导 科学规律的发现。蝙蝠飞行本质上是三维运动，对于每一段飞行数据，都需要处 理复杂的尾翼变形，展现出尾翼与空气之间复杂的交互。为了完成最有效的数据 分析，生物学家必须能够可视化尾翼结构，理解不同的飞行数据、不同蝙蝠个体 以及不同种类在不同飞行速度时的关系。
研究蝙蝠的生物学家们的主要研究问题包括：怎样描述蝙蝠的飞行?同一蝙 蝠种类和不同蝙蝠之间是不是存在一致性?不同速度或者不同种类运动是怎样 随时间变化的?尾翼的形状是怎样变形的?在这个工作流中的每一步都需要可 视化，用来验证，对比，数据查询等等。当获取了新的数据集，重复整个流程。 随着获取的关于蝙蝠飞行知识的增加，在第六步中做出的一些研究假设也频繁改 变。这个简单的模型描述了捕获到数据之后生成一些科学见解的基本工作流，也 可以一致地应用于其他领域中对通过传感器获得数据的分析。这里的假设测试是 科学知识生成的一个过程，通常在可视化的辅助下会产生一些深刻的见解。而数 据分析一般是通过数据挖掘或者可视化实现，从而形成一些科学结论。

1．2国内外研究现状

在科学可视化的领域中，已经定义了至少三种工作流环境的类型。最著名的 是犹他大学(University ofUtah)开发的数据源管理系统VisTrailsIv]，提供对数据 查询及可视化的支持。Vistrails虽然在VTK(Visualization Tool Kit)上建立的， 但是在基础结构上是有创新的。它把传统的因果数据可视化的过程变为一个流水 线的方法，通过提供一些细节的历史信息自动完成一些重复的任务。这个工具把 可视知识发现与数据源管理技巧联系起来了。
工作流对于生物科学中校准来自复杂的电脑模拟的试验以及自动化数据分

6

浙江大学硕士学位论文 第i章绪论

析的分布式资源是非常重要的is]。Tavema提供了一套工具，支持分子生物学数据 集的设计、执行和分析管理【9】。为了提供一个流水线的方法分析，它的网络界面 能够无缝地支持NCBI，EBI，DDBJ数据集。通过这种方式，科学家不需要关注 工具操作的底层细节，而只需要关注一些科学协议。另外还有一些类似的环境 Bol，㈣已经解决了很具挑战性的不同应用之间数据映射的问题。
第三种是以更小规模的方法解决数据分析工作流的问题。一个比较常用的方 法是在适合可视分析的某一个层次设计一些交互式可视化。在信息可视化以及可 视分析领域有很多开发数据分析构建模块的类似工作。
本文涉及到的一些技术方法是从工具构建的一些知识中获取灵感的。AVS (Advanced visual system)，SCIRun和ParaView要求用户通过用户界面人工地修 改一些参数，根据不同的参数不同地执行一个固定的流水线。类似于Polaris[12】 和Show me[”1中的一些方法，在本文的Visbubbles环境中也有一条可视的管线， 通过提供一些良好的默认设置使用户能够更方便地创建一些可视化实例。下面介
绍一些比较成熟的可视化工具。 (1)AVS系统
AVS系统是居于世界领先水平的多维可视化开发平台，广泛应用于工程分析、 航空航天、国防、油气田、地理信息与遥感、环境、医学图像、流体力学计算、 有限元分析、电信、金融等领域。从1991年至今，已经帮助2000多个公司、软 件开发人员、研究人员进行数据分析。AVS开发版是一个可在多种操作系统下开 发可视化应用程序的平台，使用它可以快速建立具有交互式可视化和图形功能的 科学和商业应用程序。开发者可以使用其面向对象的可视化编程环境，在一个开 放和可扩展的环境下快速建立应用程序原型，处理海量数据问题。同时它也提供 了有关图形、图像、数据可视化、数据库借口、注释和硬拷贝输出等方面的许多 先进技术。
(2) SCIRun

SCIRun是犹他大学在1995年开发的科学计算编程环境。它支持大规模科学 计算的交互式建立、调试、控制操作。使用这种“计算平台”，科学家可以通过

7

浙江人学颂lj学位论文 第l章绪论

一个数据流编程模型交互式的设计修改整个模拟计算的过程。如果科学家们设计 修改’‘些模型，SCIRun会自动改变参数、边界条件以及精确地数值计算中网格 离散化需要的其它的一些值。在一般典型的离线(off-line)模拟的状态中，科学 家们人工地设置一些参数，计算出一些结果，通过一个可视化工具包可视化这些 结果数据．然后重新开始。不同于这种离线模式．SCIRun支持用户在模拟的设 计和计算两个阶段之问交互式地变化。
(3)ParaView

ParaView是Kitware公司开发的一个开源的、多平台的数据分析和可视化的 应用．如图1．5所示。ParaView用户能够使用大量高质量的技巧迅速地建立一些 可视化实例去分析他们的数据．而且对数据的探索分析可以在三维环境中交互式 地完成，也可以用ParaView的批令令处理功能编程实现．ParaView可以通过使 用分布式内存计算支援规模巨大的数据集的分析．它可以运行在超级计算机上分

1 I～l ‘r
一
：- ：_
I～一 ■
·．u一 ■
瀚三薯L一

图I．5 ParaView图形用户界面

浙江大学硕士学位论文 第1章绪论

析垓(Terascale)级别的数据集．也可以运行在笔记本电脑上处理小规模的数据

集。

(4)Polaris

Polaris是由斯坦福大学的Chris Smite等研发的用于多维关系数据库的查询、 分析、可视化的系统．Polaris界面，知圈1．6所示，由数据透视表(Pivot Table) 扩展而来．可以直接生成图形曼示的表义丰膏的集合。Polaris量显著的特点是创 建基于表的图形显示的视觉描述以及从视觉接述中生成关系查询的精确的集合 的能力．当数据分析员执行一些复杂的查询以及可视化的操作后．视觉描述可以 快速增量似地生成．给分析员视觉上的反馈．

量篡点受i：l：==浆吉ttm漱冀z嚣；箸：恐兰曼}：；；怒嚣翟：翟。蠹舅量：喙黑箸嚣器=：竺。。■山●●-K佃憎协口一啪m揣yhH■日^—口呻c一■曲Ⅲn旧■Lh幽■日t崎t州一 删 哪‘Imu■_■哪r"■
o-垃令_r＼ l 铷I
_m”哆7"m—————一◆． f’ ¨ - 川

”刚一 。一 -：．=-二·。韬醅_-·薯 -l o__-_“M-_，F。_-．_-I_l◆ ” I --．-¨ 黧弋‘葶≯t-叩一。lr。a≯{{瓣静罾＼燮]1一j枣一。暑 。≯。J。：I
墓_圣茸■唪。≯．．。∥。∥；I¨”■M∞“n-__·l·__·--+- ·l■一 5 I n ．I
”一 ” 二i三=j I_j≯‘ 盖．． 。．叠” ．i‘ ：I
器==：翟2是 ．． ·一E二二)』 {9 I
咿 呵 吩

_-m¨rⅣ“h霎Laplo。：—一5邑。“{-蛰+，∥》·∥1-j ’■-mlValt．：
岬～。，一g‰．：= “i．{。。+， o。’a 。。 。．。9 I
”州““
’一扭’ —
≯ ≯ ≯’
k_“嗍“
Sllm jI
搿裟拳”
一 ’!。 l_{．。·。· ．。．。；l
一一。 咤k二，羔二．篡二￡{
一 一 一
·-u--‘H____-_
圈1．6 Polm'is用户界面 ‘5) ShowMe

Show Me是由Tableau公司开发的，用户界面命令以及默认设置的整合的集 合．已经应用于商业可视分析系统Tableau中．Show Me使用描述视图的语言 viSQL扩展生成视图表的自动化展现．Show Me的用户经验设计为新用户以及赫

浙江大学硕士学位论文 第1章绪论

练的用户两种。Automatic Marks默认设置用VizQL的行列结构默认设置一个视 图的类型。Add to Sheet命令用视图的域和ⅥzQL描述的属性添加一个单独的属 性用一个经过实践最好设计的图添加到一个视图中。Show Me和Show Me Alternative命令用VizQL为一些域的集合根据草图创建一些视图。
本文中VisBubbles的基本思想是有效地连接数据分析管线的不同阶段，以减 少创建可视化实例以及程序转移的消耗。从根本上来说，本文讨论的是动态分析 过程中的科学工作流【14】的问题。近年来，这类的研究工作有很大的进展，尤其是 把基于因果关系的数据探索转变为流水线的方法方面，这种方法可以支持程序、 自动化执行重复性的任务【151、数据捕获记录以及不同细节层次上的复杂数据分析 过程的重用【161之间的转移。通过使用这些思想完成我们的主要目标，在一个更广 泛的框架中为程序流水线提供更多的便利。

1．3本文工作与论文组织

本文对用于数据分析的基于工作流的工具进行了研究，设计实现了交互式可 视化系统VisBubbles，它是支持数据分析工作流中的编程、可视化和交互于一体 的集成环境。VisBubbles最主要的特点是把静态的多视图显示扩展到“气泡” (bubble)的隐喻界面中，这样可以自由地布局来支持数据分析的任务。每一个 气泡是一个功能单元，可以用于编程计算，也可以用来创建一个可视化实例。从 某种意义上说，类似于窗口，但是气泡不会重叠，只会碰撞。为了增强用户体验， 支持多个“气泡”组成一个组的操作，同一组中的气泡操作同一化。我们把 VisBubbles系统应用于蝙蝠飞行的数据分析，进化生物学家参与了系统设计以及 测试，本文也验证了系统在回答他们一些研究问题上的可用性以及实现一些著名 的数据分析方法的灵活性。为了进一步增强系统交互性，本文对自然手人机交互 进行了比较深入研究，提出把基于Kinoct的自然手交互应用于VisBubbles系统中。
在具体的内容安排上，首先在第一章，对可视化的基本理论、蝙蝠飞行数据 的分析流程以及近年来基于工作流的可视化工具的相关研究工作做了介绍。第二 章分析了基于工作流的系统设计的三个问题，通过面谈与调查问卷的实行对系统

10

浙江大学硕士学位论文 第l章绪论

设计做了一些需求分析，然后针对前面提到的三个问题，介绍了VisBubbles的系 统设计。第三章主要介绍系统实现，首先介绍了气泡隐喻界面及气泡的两种排列 方式，然后从Qt相关技术、界面组件和主要功能模块三方面介绍了系统实现。 第四章对基于Kinect自然手交互的一些关键技术进行了研究，并把这种交互方式 应用于VisBubbles系统中。最后在第五章总结全文工作，并对未来的工作做出了 展望。

浙江大学硕士学位论文 第2章VisBubblcs系统设计

第2章Vi sBubbles系统设计

由于科学数据的专业性，科学可视化工具总是有一些特性。本文的交互式可 视化工具VisBubblcs应用于蝙蝠飞行动力学的研究，本章对蝙蝠飞行数据分析任 务需求进行深入分析，从可用性及有用性两方面出发对VisBubbles工具做系统设 计。

2．1系统设计中考虑的几个问题

在与蝙蝠飞行研究者的长期合作中，我们发现现有的一些工作流工具不能很 好地支持意义建构过程的循环‘171。一般科学家的意义建构过程从数据采集完成开 始，到从数据中获取一些有意义的知识结束。在系统设计中主要考虑到以下三个 问题：
第一个问题是独立分开的程序实现和数据分析，这就迫使科学家们要在多个 工作环境中切换。进化生物学家用Matlab执行分析，然后实现计算结果的可视化 来验证假设或者生成新的假设。如果需要做更多的分析，他们又需要切换回Matlab 环境做一些改变。不用的应用程序使用不同的数据格式，科学家们会因为需要适 应这些变化，导致数据分析过程受到严重的干扰，再现一些科学结果也变得困难。 总之在Matlab和数据分析过程之间来回切换会直接引入上下文切换的消耗。可视 界面必须能适应不同的应用环境，数据分析能够在一个独立的管线中执行，用户
不需要建立不同应用程序之间的联系。

第二个问题是现在的一些可视化的实现要求用户选择一些编码方法在数据 与标记之间建立映射。但是选择合适的从数据到可视的组成部分的映射一般是比 较困难的，尤其是对于多样的数据。我们的合作者也表示不愿意花很大的精力处 理这个步骤，他们更希望能集中精力在分析任务和数据处理上。数据中的一些本 能够在可视化中发现的异常在更靠后的分析阶段中才被检测到，这就导致了明显 的效率损耗。因此，可视界面设计应该考虑到数据以及可以合理使用的可视化类 型。

12

浙江大学硕士学位论文 第2章VisBubbles系统设计

第三个问题是可视界面没能对动态的数据分析过程提供足够的支持。生物学 家的分析过程一般是动态的。数据探索分析的路径是无法预测的，因此我们意识 到一些设计需求。他们需要大数据量容易获取，数据内容能够通过他们的分析推 理得到，而且需要界面能支持同时执行的多任务类型。因此，为了快速改善分析 任务与假设，界面必须能够适应分析过程中的不同阶段。正如van Wijk所陈述的 一样【18】，有时我们不知道我们在探寻的数据特征是怎样的，可能对于任何数据分 析都是如此。一个视觉界面必须能够支持通过循环迭代的推理不断改善一些假设。
为了解决前面提到的几个问题，我们提出了一个集成框架VisBubbles，它集 成编程、可视化和用户交互于一个框架中，更好地支持数据分析工作流。界面设 计是由Code BubblesCl91中的气泡隐喻界面扩展而来的。一个气泡是一个工作集驱 动的轻线程的窗口。之所以应用气泡隐喻界面是因为：通过把人脑中的信息释放 到界面中，编程方法可以减少人类认知的负担(说明第一个问题)：界面中的气 泡可以适应不同的数据及可视化类型(说明第二个问题)；通过气泡的操作我们 可以设计多种交互技巧，例如组成员一致性操作、可视化聚集的信息场景、直接 操作的可视集成、通过草图查找等等，这是为了满足推理任务不同阶段的操作需 求(说明第三个问题)。

2．2需求分析
为了能够帮助用户完成数据分析理解的任务，本文对特定的问题领域做任务 分析，并以此引导VisBubbles的设计。在系统设计时我们采用交互式设计方法， 以确保系统具有有用性，能提供用户确实需要的一些功能；同时具有可用性，使 用户能通过简单方便地操作使用这些功能。
首先我们从与来自不同领域的生物学家的讨论中收集了一些重要的系统设 计需求。如果只有系统设计者和蝙蝠飞行数据的研究者参与系统设计，我们的系 统很有可能过于特例化。为了避免这种特例化，这些生物学家包括两个研究蝙蝠 飞行的专家、四个研究生物信息学的专家以及两个研究扩散张量M砒的专家。与 不同领域的科学家交谈能帮助我们了解到对不同的生物学研究都很重要的一般

浙江大学硕士学位论文 第2章VisBubb|cs系统设计

意义建构(se