在2D+时间轨迹上评估对时间和速度的感知(Assessing the Graphical Perception of Time and Speed on 2D+Time Trajectories)

时序数据在历史,气象,金融,地理,运动等许多领域都很普遍。文献中有许多在2D路径上进行时间和/或速度编码的研究,经常使用的视觉变量有大小,色彩亮度和段长度等。 然而到目前为止还没有研究来评估这些可视编码的相对可解释性。该工作[1]实验性地评估了人们在2D路径上感知非恒定时间和速度的程度。 在该图形感知研究中,作者评估了文献中所存在的关于直线和曲线路径上映射时间和/或速度的九种编码。 当x和y轴已经编码其他数据维度时,例如位置信息,在此基础上可视化时间和速度信息是一个挑战。 该研究成果为InfoVis设计人员提供了在2D路径上进行时间和/或速度编码的指导方针。其中,作者建议尽可能使用颜色值来编码速度和路径的分段长度来编码时间。

在进行评估实验前,首先要确定实验者要执行的任务,2D路径的属性,包括曲度、方向、长度等,时间函数来确定速度和时间分布的范围,以及背景和纹理,例如轨迹在地图上绘制。首先在轨迹上读取时间的任务是在轨迹上寻找一个代表经过了特定时间的点,例如代表总时间百分之五十的时间点。在速度方面的任务是寻找代表最大或者最小速度的点。这两个基本的任务在现实生活中能组合成更高层次的任务。

图1 九种编码方式

在2D路径上进行时间和速度的编码方式上,如图1所示,作者从文献中确定了九种常用的组合方式。仅对于时间属性编码的视觉变量包括颜色,大小(轨迹的厚度),以及分段的长度。仅对速度属性编码的视觉变量包括颜色和大小。对速度和时间同时进行编码的包括四种方式:1,速度使用颜色,时间使用大小。2,速度使用颜色,时间使用分段长度。3,速度使用大小,时间使用颜色。4,速度使用大小,时间使用分段。

在实验之前,作者首先做出了三种猜想。Hnull speed worse:对于图1的第一列,没有对速度编码,仅对时间使用颜色或大小的两种方式将会比仅对时间使用分段长度编码产生更多的错误(速度可以根据分段长度推断出来)。Hnull time worse:对于时间属性,没有对时间属性编码的(图1第一行)比起对时间编码的方式将会产生更多的错误。 Hvalue time bad:对于时间属性,使用颜色编码比使用大小或者分段长度编码会产生更多的错误。

图2 完成时间和准确性统计

实验设计:实验中有三个因素是九种编码方式,两种任务和路径的形状(直线和曲线),有36种组合。总共召集了18名实验参与者(平均年龄25.4),每个参与者会进行6组重复性的训练,这样总共会有3888次。对于时间任务是确定对于总时间的20%,50%,70%的点,速度任务是确定代表最大最小速度的点。如图2所示,统计完成任务的时间和准确性,并且要求参与者对编码方式进行打分(图3)。

从完成时间来看,大部分人完成一次任务的时间都要少于10秒钟。对于直线中的速度任务,不编码速度,仅使用分段长度来编码时间的方式要花费更多时间,这是因为速度属性需要在分段长度中推测。时间任务中,使用分段长度来编码时间的方式需更多的时间,可以推测比较多个分段的长度需要花费更多的精力。

从错误率来看,对于速度属性,符合Hnull speed worse假设:使用颜色优于使用大小,最差的是没有对颜色编码(除了对时间使用分段长度的情况)。对于时间属性,同时符合Hnull time worse和Hvalue time bad假设。同时对于曲线来说,使用大小来编码速度,分段长度来编码时间会产生更多的错误,因为轨迹的大小(厚度)扭曲了曲线的形状。

图3 评分统计

在参与者的评分结果中,可以看到对于速度编码评分较高的是使用颜色编码速度,分段长度编码时间的方式或仅使用分段长度编码时间的方式,这两种方式同样错误率较低。对于时间编码同样是这两种方式评分高。

图4

最后根据实验结果,作者给出的对于2D路径上进行时间和/或速度编码的建议是:1,对于仅编码速度,首先使用颜色,其次是使用分段长度来编码时间(速度可以推测)。2,对于仅编码时间,首选使用分段长度,并且不建议使用颜色编码时间。3,对于同时编码时间和速度属性,优先使用分段长度(时间),其次是使用分段长度(时间)和颜色(速度),最后一种可选方案是使用颜色(速度)和大小(时间)。

 

参考文献:

[1] C. Perin, T. Wun, R. Pusch and S. Carpendale, “Assessing the Graphical Perception of Time and Speed on 2D+Time Trajectories,” in IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, vol. 24, no. 1, pp. 698-708, Jan. 2018.

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