数字界面用户信息获取的可视化研究综述

张伟伟 吴晓莉 华飞

【摘 要】界面信息的可视化是将复杂无序的信息进行图形化、符号化以增强数据呈现效果，并发现数据中隐藏的特征、关系和模式以提高用户观察、浏览数据的效率。用户获取信息绝大部分依赖视觉获取，探索用户的视觉认知过程利于界面信息可视化设计的研究，使界面更好地适应于操作人员。本文对用户信息获取的视觉认知过程和界面信息可视化方法进行了探索归纳，并研究了相关文献，提出了个人的评述与展望。

【关键词】信息界面；可视化；视觉认知；信息获取

中图分类号：TP391.1 文献标识码： A 文章编号： 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

随着计算机和控制技术的快速发展，数字界面用户信息的获取也愈加复杂。复杂的数字化人机交互界面让用户几乎达到信息辨别、认知、和理解的认知负荷极限。如何通过设计提高用户对界面信息的认知绩效，增强复杂信息的交互效率和准确性、保障系统高效运行，已成为设计科学、认知科学、系统工程、人机功效学等学科和领域共同关注的热点问题。由此一個试图研究大规模数据信息的视觉呈现，利用图形图像的视觉呈现技术与方法，将数据信息转化成图形语言帮助人们快速理解和分析数据信息的研究领域变得越来越受关注——信息可视化研究。信息可视化是作为一种外部显示手段弥补认知资源有限的不足，帮助人将内部认知和记忆问题转化为感知系统问题[1]。这种外部显示也被称为外部记忆，可视化因此被认为是人记忆能力的拓展和延伸[2]。另一方面，视觉是人类获取信息最重要的通道，超过50%的人脑功能用于视觉的感知，包括解码可视信息、高层次可视信息处理和思考可见符号[3]。因此在进行信息可视化的过程中对于人的视觉认知规律、心理认知过程方面的研究也必不可少。

2 用户信息获取的心理认知过程

信息获取的心理认知过程是指信息的接受、编码、贮存、提取和使用过程。认知心理学的核心观点是将认知看作一个信息加工系统，包括用户的感知、判断、筛选、解码、储存、记忆和决策等，关注用户在信息认知时如何输入信息、存储信息以及处理信息。视觉信息认知流程可分为信息输入、信息认知加工、信息认知决策以及信息认知行为反应这四个阶段，如图1所示所示的视觉信息认知流程[4]。

2.1 信息输入阶段

信息输入是数字界面首先作用于感官而产生的，主要体现对界面元素的感知、记忆及注意过程。视觉感知的早期阶段是视觉低级感知层次，其功能之一是排除与自身无关的元素，确定视野中有与任务相关的元素并集中注意，视觉感知的晚期阶段则是对物体和图形进行识别。薛澄岐[5]在《复杂信息系统人机交互数字界面设计方法及应用》指出用户的视觉感知过程实际上经历了6个心理过程：寻找、分辨、识别、确定等，如图2所示。

数字界面中用户的视觉感知过程有着一般规律，眼睛运动获取界面信息的粗略特征图，并将其传递至大脑，根据注意力的需要，大脑加强与目标相关的信息并抑制不太相关的信息，指引眼睛关注目标潜在区域，进一步构建详细特征图，通过对界面信息连续的选择和过滤，用户最后锁定目标获取所需信息。

2.2 信息认知加工阶段

信息认知加工是视觉认知流程的关键步骤，在信息认知加工阶段主要包括视觉信息的记忆、理解及判断。记忆加工主要分为感觉记忆、短时记忆以及长时记忆三个阶段，如图3[4]。

记忆中的感觉记忆属于信息输入过程，此时能感觉到信息的具体性和特殊性。在界面信息的认知过程中还存在自下而上和自上而下两种常见的知觉加工模型，自下而上的加工是由刺激开始，感觉接收器记录环境中的物理刺激，产生的信息被传递到直觉系统中更高级更复杂的水平上。视觉加工的最初部分可能是自下而上的加工，顷刻之后，第二部分的加工开始了，即自上而下（概念驱动）的加工，是指由当时情景、过去的经验或两者共同产生的期望所引导的加工过程[6]。

信息的理解是用户对视觉信息的读取和解码过程，它帮助用户更好地进行下一步的判断。判断是用户依靠记忆及逻辑分析对界面视觉信息进行推理。判断推理是认知过程中最为复杂的信息加工过程，判断的准确与否将影响到用户决策及反应是否正确。

2.3 认知决策阶段

认知决策是大脑对执行任务与否的判断，是对数字界面视觉信息认知过程进行抽象的结果。认知决策的方式主要有三种：直觉决策，模板匹配决策和推理导出决策。

2.4 认知决策阶段

行为反应主要体现用户对界面交互指令的反应，将认知决策转换为行为反应，从而完成交互。如何根据用户的视觉认知过程、认知规律及心智模型等对视觉信息进行可视化，从而快速有效地感知并获取目标信息是界面设计的重要方面。

3 数字界面的信息可视化

3.1 信息可视化概念

人类产生与获取数据的能力越来越强，储存的信息总量也日益庞大。为了让这些数据得以直观呈现，人类对数据可视化技术的需求日益增加。数据可视化技术主要研究如何利用人的感知能力以贴近人类自然感知的图形化展现方式，对数据交互进行可视化表达，以增强人的认知，呈现数据中隐含的信息，发掘数据中所包含的规律[7]。斯图尔特？卡德等人在其著作《Reading in information visualization》中认为，信息可视化是一个从抽象数据到可视化形式的映射过程，并通过人机交互机制来提高人的感知能力。信息可视化可以被应用于网络技术、社交、交通、文本和生物医药等可视化领域，现阶段信息可视化囊括了科学可视化、数据可视化、信息图形可视化、知识可视化，以及视觉设计等诸多方面[8]。

3.2 信息可视化过程

在CARD等提出的信息可视化模型中，信息可视化可以划分为3个数据转换的过程：原始数据到数据表的转换、数据表到可视化结构的转换、可视化结构到视图的转换，如图4[9]。

根据CARD的信息可视化模型可以将信息可视化的过程分为以下4个阶段：

（1）源信息分类分析：筛选原始数据信息量、确定主次关系、创建层次结构等，找出信息之间的层级、结构关系以便编码和表征。

（2）可视化映射：将已分类的信息依据心理认知规律和认知过程进行的可視化映射，包括图形化设计、符号化设计等。

（3）可视化视图显示设计：根据认知规律对可视化结果进行界面显示和布局，包括视图的大小、位置、颜色、线框的粗细等。

（4）交互设计：注重信息反馈，包括色彩反馈、形状反馈、边界反馈、阴影反馈和附加说明反馈等，以高效完成人机交互过程。

4 数字界面用户信息获取的可视化研究现状

本文围绕用户界面信息获取的可视化进行研究，为了全面掌握可视化理论的研究成果，把握其发展趋势，对可视化相关文献进行了分析。考虑到可视化过程中认知过程规律对可视化设计的影响，首先从认知心理学角度进行了研究，陈丛哲，薛澄岐等[10]利用认知心理学提取界面特征元素，实现复杂数据动态可视化的快速理解。吴晓莉[11-14]研究信息交互界面的视觉局限生理实验方法，分析视觉搜索过程中信息疏漏、错误感知的根本原因。官睿，薛澄岐等[15-16]从认知心理学角度对可视化布局提出优化意见。邵将，薛澄岐等[17-19]从用户认知过程发现界面中不同图标特征、显著刺激、用户意图和任务目标均会影响用户搜索策略。岳金星， 吕阳[20-21]从降低认知负荷出发，提出可视化设计策略；汪海波，薛歧澄等[22-23]围绕信息视觉搜索和信息加工， 提出了基于搜索深度-搜索广度、内敛度-发散度的数字界面认知评价模型。黄雅梅[24]从用户认知模型发现用户始终依据色彩特征来进行“信息分组”。李晶，薛澄岐[25]发现可以根据注意捕获程度进行视觉感知分层。依据George A.Miller心理学家的研究得出，人类一次性接受认知的信息数量应在7±2比特。

对用户认知过程的研究有助可视化的进行，在此基础上有学者对信息可视化原则、模型等进行研究。Annie[26]和Dong Seok[27]针对汽车导航分别进行数字界面的对比方法、可视化呈现方法、界面元素的实验模型和仿真环境方面的深入研究；Khairi Reda[28]等研究了在复合现实环境下如何实现异构数据集可扩展的数据可视化；Basole Rahul C[29]等探讨了以节点为基础的多种视图方式来实现多关联项大数据的可视化；Christopher Mueller[30]等利用图形排序算法来使用视觉相似性矩阵数据的可视化分析。罗文超[31]以理论函数为指导构造可视化管理在企业实施中的方法框架。林村[32]认为信息通过文字、声音、图形、图表等进行传递。马广韬等[33]研究发现界面中色彩1～4种最佳，最多不宜超过7种。李安[25]发现合理的信息布局可以引导用户的认知，提升用户分析和推理的效率。李晶，薛澄岐等[34]进行了信息多维属性与可视化结构的映射关系研究，归纳出信息可视化结构映射的6种基本结构。文献[35-40]对可视化技术进行了研究，并归纳出其原理特征、发展趋势及应用方法。魏园，姜婷婷，杜雅文等[41-46]研究提出可视化设计的一些方法和原则。在北戴河信息可视化战略研讨会总结报告中指出信息可视化的研究人员应该加强对于一些高层次且具一定普遍意义的具体指导原则、领域模型和框架进行系统的研究[47]。

5 总结与展望

本文从用户信息获取的认知规律和认知过程出发，对信息获取时的可视化相关研究进行了分析和归纳。信息可视化研究已取得了一些很有意义的成果，尤其在可视化技术方面。如今，以用户为中心是用户界面设计的重要原则，强调基于用户的认知规律和认知过程进行可视化，专注于信息加工过程中认知层面的作用机制，以怎样的方式让信息更易使用户快速准确的获取，这种信息表现机制与认知心理学理论有着千丝万缕的联系，在认知心理学和人机交互的角度来看用户信息获取的可视化研究，这是一个还没有得到充分研究的领域。虽然已经有不少学者进行了认知心理方面的信息可视化研究，但是并没有得出普遍意义的具体指导原则、设计模型和框架。所以信息可视化的未来研究方向应向可视化的具体指导原则、设计模型和框架以及评估方法方面努力。数字界面用户信息获取的可视化的未来研究方向可以包括以下几个内容。

（1）基于认知规律的图标可视化（编码）。图标作为一种高效的传递模式在信息可视化设计过程中起着重要作用，对图标可视化的研究也是信息可视化的重要内容之一。

（2）大屏幕总控界面的可视化。现在大多工厂的流水线模式需要每个站点配备操作员进行流程监控和操作，如何把所有信息集中显示在大屏幕上以快速发现问题、提高工厂效率是可视化未来研究的方向之一。在大屏显示技术（硬件设备）方面已经有较多的研究成果，但界面布局显示技术研究尚缓，所以应加快对大屏显示界面布局可视化的研究。

（3）对信息可视化（编码）流程及界面可视化流程进行深入研究，以期得出信息编码和界面可视化流程的模型，让信息可视化能够快速有效地应用在更多的领域。

（4）加快可视化在各领域的发展。可视化本就是多领域交叉研究的方向，如今，随着可视化发展的深入，越来越多的领域加入进来，同时这些领域也使可视化技术更加完善，相辅相成。

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