可视化任务的设计空间(A Design Space of Visualization Tasks)

可视化任务通常指出于一定的目的在数据的可视表示中采取的交互性的行为。在数据可视化以及可视分析中,用户通过完成一定规模的可视化任务,才有机会从数据中发掘出有价值的内容。对应于各项可视化任务,可视化工作者可以提出丰富多彩的可视化设计,而对于可视化任务的深刻理解将十分有助于其选择或者开发合适的可视化设计。本文通过对可视化任务的详细解析,提出了一种描述可视化任务共性的概念模型——设计空间。

作者首先根据5W+1H原则将可视化原则解构为六个不同的侧面:

  • 为什么(Why)要实行一个可视化任务?即可视化任务的目标。
  • 这个可视化任务怎样(How)被执行的?即可视化任务中采取的手段。
  • 这个可视化任务寻找什么(What)内容?即可视化任务所要寻找的数据特征。
  • 这个可视化任务着眼于数据的哪个部分(Where)?即蕴含在数据集中的目标以及其基数。
  • 何时(When)实施这个可视化任务?即可视化任务间的先后顺序。
  • 谁(Who)来执行这个任务?即用户的类型。

在接下来的讨论中,我们将看到在这六个侧面中,前四个侧面被用于构造可视化任务的设计空间。在这个设计空间的基础上,可视化任务的先后次序(When)也能得到合理的表示。最后,用户通过设计合适的操作界面来提供与用户匹配的可视化设计的解决方案。

作者提出的设计空间包含5个维度:

  • 可视化任务的目标(goal)。包括探索性的分析,验证性的分析以及用于展示介绍。这三项类别大致对应于用可视化中发掘知识的三个步骤。
  • 可视化任务所采用的手段(means),包括导航手段,数据重组织的手段以及关联手段。这里作者有意使用了比较抽象的术语,目的是为了避免受限于可视化中所采用的具体技术。例如,诸如缩放操作、透镜效果实际都属于导航手段,而数据采样、数据筛选等等都数据数据重组织手段。
  • 可视化任务所寻找的数据特征(characteristics),包括低等特征以及高级特征。这里的低等特征指数据项与数据取值之间的对应关系,通常可以通过简单的查找操作来获得。而高级特征则包括时变趋势、聚类、空间分布等等代表数据“大局”的内容。
  • 可视化任务的目标(Target)数据成分,即对数据的哪些部分进行操作。作者将其划分为属性关系与结构关系。属性关系即数据项与属性值之间的关系,其中时变关系与空间关系是常见的两个例子。结构关系则指数据项之间的关系,包含拓扑关系、先后次序、等价关系等等。
  • 所操作数据的基数(cardinality),分为单单实例,多实例以及全部实例。通常的可视化任务操作的对象为多个数据项或全部数据项,也有对单数据项的高亮操作。

在定义了设计空间的这5个维度之后,可视化任务就可以用一个五元组来表示。例如下面这个五元组表示用户在所有数据项的时间属性上寻找变化趋势,是一个探索性的可视化任务。

图1:使用五元组表示单一可视化任务

图1:使用五元组表示单一可视化任务

还可以用五元组来表示复合的可视化任务。例如下面这个五元组表示在时间属性上寻找变化趋势以及离群值的任务。甚至可以使用通配符来表示一类可视化任务。

图2:使用五元组表示复合可视化任务

图2:使用五元组表示复合可视化任务

在此基础上,对于由多个可视化任务组成的工作流,我们可以使用有向无环图来表示。例如,对于可视化大师Sheinderman提出的Information Seeking Mantra可以表示为图3中的流程。

图3:使用设计空间来表示Information Seeking Mantr

图3:使用设计空间来表示Information Seeking Mantr

最后,作者以气象研究为例子讲述了设计空间的使用方式。作者首先以问卷形式,从气象专家获取他们想要支持的可视化任务。然后通过作者筛选、加工之后,得到一个简化的列表,由气象专家进行评估。最后作者总结了所需要支持的任务列表,并用所提出的五元组进行表示,如图4所示。

图4:气象研究所需支持的可视化任务列表及其表示

图4:气象研究所需支持的可视化任务列表及其表示

图5:可视化工具Gobbi和ComVis所支持的可视化任务

图5:可视化工具Gobbi和ComVis所支持的可视化任务

另一方面,作者对已有的可视化工具所能支持的任务进行评估,同样使用五元组进行表示,如图5。这样,通过对比,用户可以很容易地看到所选工具对所需任务的支持程度。

但是,这样的方法仍然不适合给普通用户使用。作者提出使用XML格式来表示五元组,可视化开发者能够比较容易地接受这种表示方法。同时对于可视化的作者,则可以使用简单的图形界面来录入、查看可视化任务。最后对于气象专家,则使用推荐界面直接选取匹配度较好的可视化技术。

图6:作者提出的XML描述示例以及图形化交互界面

图6:作者提出的XML描述示例以及图形化交互界面

总起来看,这篇文章的贡献在于提出了一个完整的可视化任务的设计空间,并且能够合理地统一前人的工作。同时,作者实现了一个图形界面来支持普通用户使用这个设计空间。

[1] Hans-Jörg Schulz, Thomas Nocke, Magnus Heitzler, and Heidrun Schumann. A Design Space of Visualization Tasks. Visualization and Computer Graphics, IEEE Transactions on, 19(12), 2366-2375.

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