针对节点链接图中的动态编码方法的设计空间以及初步评估(Animated Edge Textures in Node-Link Diagrams: a Design Space and Initial Evaluation)

节点链接图是可视化中广泛应用的一类可视化方法。节点链接图中的视觉元素主要有节点以及节点之间的链接,目前存在很多的研究工作研究它们的视觉映射方法。本文主要针对的是节点之间的链接的视觉映射方法,在传统的视觉映射方法中,节点之间的链接可以使用颜色,透明度,链接边的粗细,链接边的模式等视觉映射进行编码,然而当前存在的映射数据视觉通道非常有限,在某些情况下,节点链接图中的链接存在的属性值远远超过映射数据的视觉通道,因此本文希望解决的问题是对于节点链接图中链接的视觉映射方法进行拓展,从而支持在链接中映射更多的属性值。

节点链接图中的链接中增加动画是通过在链接中增加一系列动态的符号完成的,这些动态的符号沿着节点之间的链接移动。节点链接图中的动画主要分为两种,一种代表的是实际节点的移动,在链接中移动的粒子与实际移动的物体之间存在一一对应关系,比如说在航空轨迹可视化中,航线中移动的粒子所代表的是实际的航班;除此之外,动画中移动的节点与实际物体之间不存在一一对应关系,在链接中移动的节点相当于循环的纹理,其中动画的性质代表所映射的属性值,主要包括粒子移动的速度,粒子的频率以及链接上粒子的模式。尽管节点链接图中的动画能够大大的扩展属性的视觉映射方法,同时当前也存在一些工作将属性映射到链接的动画中,然而当前的问题并没有一个工作探索动态编码方法的设计空间指导用户设计节点链接图,同时也没有工作具体评估用户对于动态编码的节点链接图的感知认知的效果。本文主要针对这两个问题,对于动态链接图中的动态编码方法进行了系统的探索,同时设计初步的用户调研方法评估了动态的节点链接图的感知认知效率。

首先对于节点链接图的动态编码方法的设计空间,本工作将设计空间主要划分为三个维度,分别是移动粒子的模式,移动粒子的频率,移动粒子的速度,如图1所示。节点链接图中的动画最简单的定义方式是选择一种链接的模式,在链接中不断地重复添加粒子的模式,并且逐渐增加粒子移动的偏移,从而实现动画的效果。但是仅仅采用这种方式能够将无法将动画的全部设计空间都暴露给用户,因为对于节点链接图背后的数据模型的选择需要在模型的简洁性,可视化形式的表达能力以及数据和视觉元素之间映射的间接性。

链接动画效果的设计空间的三个维度:粒子的模式,粒子发射频率,粒子移动速度

本工作对于该问题进行建模,并且提出了一下的关键概念:

1. 链接。节点之间的链接决定了在节点之间对应边的形状,链接可以被当做粒子移动的轨道。在节点之间的链接中可以使用颜色,透明度以及笔触的粗细等视觉通道进行编码。

2. 粒子发射器。粒子发射器发射粒子根据发射粒子的模式以及发射频率。在粒子发射器中定义了粒子的性状,颜色,大小以及速度,粒子发射器可以放置在节点之间的链接的任意位置处。

3. 粒子。粒子定义的是沿着连接移动的点的形状等特征,粒子可以被认为是映射数据的图形,粒子沿着链接不断地运动。

4. 关口。关口(gates)放置在节点之间的链接的任意位置处,在一个链接中可以放置多个关口。在不同的关口处发送的例子的属性值不同的,包括粒子的颜色,透明度,大小,速度等属性。在不同关口发射的粒子的属性之间,在关口附近的位置处会自动进行插值,从而保证在视觉上的平滑过渡。

5. 轨道。在一个链接的内部,可以存在多个平行的路径。所有的路径都共享相同的发射器,但是发射器所发送的粒子模式可能是不同的。

基于以上的定义,节点链接图中使用动画的方法能够支持编码各种类型的属性,

编码单个属性

编码数值型属性

在节点上的数值类型的属性可以被映射到粒子的速度以及频率等属性值中,在选择视觉通道编码属性值的原则是按照动画的语义进行映射,例如将航班的数量映射到粒子的发射频率上,将航班的飞行时间或者运输能力映射到粒子的运行速度。通过在路径中增加gate的方式,降低gate之间的粒子的透明度可以有效的降低轨迹之间的重叠交叉的问题。如下图2所示。

节点链接图中使用粒子的不同模式编码飞机航班延误的属性

节点链接图中使用在节点中增加不同的透明度减少节点之间相互的重叠

编码类别型属性

除数值型属性,在动画中可以映射类别型的属性。类别型性属性映射到粒子的模式中,比如根据运输类型的不同,航班存在不同类别,包括乘客,信件以及货物等,可以将不同的类别映射到粒子的不同模式中。在同一个航线上存在多个不同的航班类别时,可以将多个粒子模式并置的方式编码类别型的属性值。但是采用这种方式需要保证路径的长度比并置多个编码类别的长度更长。

编码多个属性

在动画中可以映射多个属性值,映射可以采用将动画的模式,速度,频率等不同的方面与粒子的颜色和大小相结合。比如对于数值类型的属性与类别型属性,可以将粒子的速度/频率和粒子的颜色等属性相结合。同时在一个链接中可以存在过个轨道,从而也支持在链接中映射多个属性值。如下图3所示,在同一个路径中使用多个轨道,从而支持编码多个属性。

在节点链接图中使用多个轨道编码多个属性

本工作探索了节点链接图中的边的纹理的设计空间,并且提供给用户框架以及api帮助用户在实际的可视化变成中使用到边的动画的视觉空间,同时对于用户对于映射的动画视觉元素进行评估。

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