了得網計算機/網絡_信息可視化：設計感知（原書第4版） [美]柯林·魏爾

編輯推薦

本書基於感知和可視化科學，介紹了大量提升可視化效果的關鍵原則和方法。新版增加了可視化領域的最新進展，特別是增加了神經科學感知相關的可視化內容。主要內容包括：數據可視化應用科學的基礎，環境、光學、分辨率和顯示，明度、亮度、對比和恆定性，顏色，查找和讀取數據圖示符，靜態與動態的模式，空間感知，視覺對像與數據對像，用於解釋的圖像、敘事和手勢，與可視化進行交互，使用可視化的方式思考問題，設計認知高效的可視化。本書適合作為高校計算機、大數據及相關專業的研究人員、學生和技術人員的參考書。

內容簡介

本書基於感知和可視化的科學，介紹了大量應用的提升可視化效果的關鍵原則和方法。新版增加了可視化領域的新進展，特別是增加了神經科學感知相關的可視化內容。

作者簡介

柯林·魏爾（Colin Ware）美國新罕布什爾大學計算機科學和海洋工程繫榮休教授，曾任該校數據可視化研究實驗室主任。他擁有滑鐵盧大學計算機科學專業碩士學位和多倫多大學感知心理學博士學位。他在頂級期刊以及會議上發表了超過150篇文章，其中大多數文章與顏色、紋理、動畫、3D在信息可視化中的應用有關。魏爾教授開發了商業化的可視化軟件繫統。當前的研究方向包括數據解釋軟件開發、海洋洋流的可視化，以及顏色映射的優化等。

目錄
Information Visualization: Perception for Design, Fourth Edition
譯者序
前言
第1章數據可視化應用科學的基礎1
可視化步驟3
基於感知的實驗符號學4
圖形的符號學4
圖像可以是任意的嗎5
感官與任意符號6
感官表示的特性8
關於感官表示的測試主張10
任意表示10
任意慣例符號的研究11目錄
Information Visualization: Perception for Design, Fourth Edition
譯者序
前言
第1章數據可視化應用科學的基礎1
可視化步驟3
基於感知的實驗符號學4
圖形的符號學4
圖像可以是任意的嗎5
感官與任意符號6
感官表示的特性8
關於感官表示的測試主張10
任意表示10
任意慣例符號的研究11
吉布森的供給理論12
感知處理的模型14
步驟1：從視覺場景中提取底層
特征的並行處理14
步驟2：模式感知15
步驟3：視覺認知15
可視化的成本和收益16
數據類型17
實體18
關繫18
實體和關繫的屬性18
數據維度：一維、二維、三維等18
數據質量18
不確定性19
可作為數據的操作19結論20
第2章環境、光學、分辨率和顯示21
環境21
可見光21
生態光學22
光流23
紋理表面和紋理梯度24
表面繪制模型24
眼睛27
視角定義28
晶狀體29
光學和增強現實繫統30
虛擬現實顯示器中的光學32
色差32
受體33
簡單視敏度33
視敏度分布與視野34
大腦像素和最佳屏幕36
空間對比靈敏度函數39
視覺壓力42
最佳顯示43
走樣43
點數44
超視敏度和顯示44
最佳顯示的時間要求45
結論45
第3章明度、亮度、對比和恆定性47
同時性亮度對比50
馬赫帶50
Chevreul錯覺51
圖閱讀中的同時性對比和錯誤51
計算機圖形學中的對比效果和偽影51
邊緣增強52
光亮度、亮度、明度和伽馬值54
恆定性54
光亮度55
顯示細節56
亮度56
顯示器的伽馬值57
適應性、對比和明度恆定性57
對比和恆定性58
紙上和屏幕上的對比58
表面明度的感知59
明度差和灰度60
對比銳化61
顯示器照明和顯示器周圍62
結論64
第4章顏色65
三色視覺理論66
色盲67
顏色測量67
三原色變換69
色度坐標70
色差和均勻顏色空間72
拮抗理論74
命名75
跨文化的命名75
獨特的色調75
神經生理學75
分類顏色76
顏色通道的屬性76
空間靈敏度76
立體深度78
運動靈敏度78
形狀78
顏色外觀79
顯示器周圍79
顏色恆定性80
顏色對比80
飽和度和彩度80
棕色81
顏色在可視化中的應用82
應用1：顏色規範界面和顏色空間82
用於選擇顏色的顏色空間82
顏色命名和采樣繫統84
調色板84
應用2：顏色標簽（標稱編碼）84
應用3：數據地圖的偽顏色序列89
均勻性和解析能力90
整體特征解析能力93
感知單調性、光亮度和形狀感知93
螺旋顏色圖94
間隔偽顏色序列94
用顏色圖表示零值94
適用於色盲人群的序列95
雙變量顏色序列95
應用4：顏色還原97
結論99
第5章視覺顯著性：查找和讀取
數據圖示符100
眼球運動101
適應101
眼球運動控制回路101
V1、通道和調諧受體102
視覺通道理論104
形式素104
用於精細區分的差異機制107
視覺搜索特征圖、通道和經驗107
預注意處理和易於搜索108
注意力和期望111
高亮顯示和不對稱性113
使用特征組合編碼113
使用冗餘屬性編碼113
什麼是不容易找到的：特征的連接114
高亮顯示兩個數據維度：可見的
連接114
整體和可分維度：圖示符設計116
受限分類任務117
加速分類任務118
整體-可分維數對119
表示數量120
長度、面積和體積121
感數122
單調性123
表示絕對數量123
多維離散數據：統一表示與多通道123
星形和須形125
探照燈隱喻與皮質放大125
有效視野125
隧道視覺、壓力和認知負荷126
運動在吸引注意力中的作用126
作為用戶中斷的運動127
結論128
第6章靜態與動態的模式129
格式塔理論130
鄰近性130
相似性131
連通性132
連續性132
對稱性133
閉合性和公共區域134
圖形和背景137
更多關於輪廓的理論138
表征矢量場：感知方位和方向139
比較二維流可視化技術140
顯示方向142
顯示速度143
動畫的二維流可視化144
紋理：理論和數據映射144
信息密度的權衡：不確定性原則146
紋理的主要感知維度146
紋理對比效果147
視覺紋理的其他維度148
標稱紋理編碼148
花邊149
將紋理用於單變量和多變量映射
顯示150
定量紋理序列153
用均勻的顏色感知透明度154
連續線圖中的感知模式155
多維離散數據中的感知模式155
模式感知與深度學習

前言

前言
Information Visualization: Perception for Design, Fourth Edition
近年來認知神經科學取得了快速進展。2000年本書第1版面世時，對於人類如何進行視覺思考還沒有統一的模型。在此之後，出現了預測認知（predictive cognition）理論，為本版的後面幾章提供了更新、更堅實的理論基礎。現在人們首先認為大腦是一個預測引擎。例如，關於人類如何預測未來和記住過去的相關理論已經得到統一。為了回憶過去，人類不是簡單地像視頻回放一樣將其從記憶中提取出來，而是使用少量記憶片段加上對世界的認知模型的相關因素，構建一個與可能發生了的事情相似的場景。預測未來使用了相似的機制，不同的是此時基於當前擁有的知識和相同的世界認知模型構建了一個可能的未來場景。我們記住過去是為了預測未來，對應的神經機制也是相同的。另外，認知過程以分布式形式進行，且將大腦功能與認知工具（如可視化）相結合的思想成了主流。我們都是認知的電子人。新版為了反映這個新的理解，重新編寫、重新組織、擴展了相應的章節。其中，第10章是關於交互的，第11章是關於視覺思考過程的，第12章是關於有效思考工具設計的。前言
Information Visualization: Perception for Design, Fourth Edition
近年來認知神經科學取得了快速進展。2000年本書第1版面世時，對於人類如何進行視覺思考還沒有統一的模型。在此之後，出現了預測認知（predictive cognition）理論，為本版的後面幾章提供了更新、更堅實的理論基礎。現在人們首先認為大腦是一個預測引擎。例如，關於人類如何預測未來和記住過去的相關理論已經得到統一。為了回憶過去，人類不是簡單地像視頻回放一樣將其從記憶中提取出來，而是使用少量記憶片段加上對世界的認知模型的相關因素，構建一個與可能發生了的事情相似的場景。預測未來使用了相似的機制，不同的是此時基於當前擁有的知識和相同的世界認知模型構建了一個可能的未來場景。我們記住過去是為了預測未來，對應的神經機制也是相同的。另外，認知過程以分布式形式進行，且將大腦功能與認知工具（如可視化）相結合的思想成了主流。我們都是認知的電子人。新版為了反映這個新的理解，重新編寫、重新組織、擴展了相應的章節。其中，第10章是關於交互的，第11章是關於視覺思考過程的，第12章是關於有效思考工具設計的。
除了上述大的修改，本版進行了繫統的修訂和更新，以反映最新的研究進展。很多地方修改不大，要麼是替換了插圖，要麼是替換了相關研究的簡短描述。另外一些地方，整節進行了重寫以反映當前對這個話題的思考，例如關於敘事的章節。
下面讓我講一講這本書的由來。1973年，我獲得了視覺心理學的碩士學位，但對過於側重用學術性方法研究感知問題而感到沮喪。受20世紀60年代末和70年代初自由傳統氛圍的啟發，我決定成為一個藝術家，以另外一種方法對感知問題進行探索。不過，在經歷了三年不是很成功的嘗試後，盡管對藝術家擁有了更深刻的認識，也對他們更為尊重，並且對呈現信息的方式和觀察信息的方式間的關繫越發感興趣，但我還是抱著愧疚的心理回歸了學術領域。在多倫多大學獲得感知心理學博士學位之後，我仍然困惑於下一步應該做什麼。我通過滑鐵盧大學及另外一個學位進入了計算機科學領域，之後一直從事數據可視化相關的工作。因此，本書可以看作我持續嘗試在對感知進行科學化研究與傳遞有意義的信息之間取得平衡的直接結果。從“形式應該服從功能”的角度來說，這是一本關於藝術的書。它也是一本關於科學的書，因為感知科學可以告訴我們，到底什麼樣的模式是最容易被人感知的。
可視化為什麼會引起人類的興趣？這是因為人類的視覺繫統是一個集超強能力與敏銳性於一體的模式發現者。眼睛與大腦的視覺皮質一起構成了一個大規模並行處理器，為通往人類認知中心提供了最高帶寬的通道。在信息處理的最高層，感知和認知是密切相關的，這解釋了為什麼“看到”（see）和“理解”（understand）是同義詞。然而，視覺繫統有其自身的規則。我們可以很容易地看到以某種方式呈現的模式，但如果換一種呈現方式，就看不到它們了。例如，將goggle這個詞放到與其一起顯示的圖片的底端比放到頂端更容易讓這個詞被看到，盡管這個詞相同的部分在兩種放置方式下都是可見的，且圖底比圖頂有更多無關的“噪聲”。適用於此的規則顯然是，當缺失的部分被解釋為前景對像時，更容易推測背景字母片段間的連續性。更一般化的觀點是：當數據以某種方式呈現時，其模式更容易被感知。如果我們能夠理解感知如何工作，那麼我們擁有的知識就可以轉換成用於信息顯示的指南。按照基於感知的規則，我們可以這樣呈現數據：突出顯示更重要、更具知識性的模式。如果不遵守這些規則，將導致我們的數據無法理解甚至存在誤導。
這是一本講述感知科學如何幫助我們實現可視化的書籍。關於我們所看到的是如何被發現的，存在一個信息的金礦，視覺研究人員對此有超過一個世紀的深入研究。本書旨在從這些大量的研究文獻中提取出適用於高效信息顯示的設計準則。
有多種研究可視化的方式。可以從藝術學校的圖形設計傳統中研究它，也可以從計算機圖形學角度將它作為與顯示數據所需的算法相關的領域進行研究，還可以將它視為符號學的一部分—符號繫統的構建方法來研究。這些都是有效的方法，但基於感知的科學方法的獨特之處是提供比難以預測的設計時尚更強的設計規則，並構建於相對穩定的人類視覺繫統結構之上。
心理學家和神經科學家在感知方面的研究在過去三十年取得了巨大進步，對於我們如何看待感知是與數據可視化相關的，可能會有很多說法。然而這些觀點大都以難以理解的語言形式發表在非常專業的雜志上，隻有從事研究的科學家纔能獲得。涉及人類感知的研究文獻浩如煙海。每個月都會發表數百篇新的文章，其中很多文章與信息顯示應用有關。不管是為了避免錯誤還是為了跟上最原創的方案，這些信息對我們設計更好的顯示方案都至關重要。本書旨在讓非科學家也能研究這門科學及其應用。它適合致力於高效顯示數據的任何人群，並為以下受眾特別設計：專門從事可視化工作的多媒體設計人員、工業和學術界的研究人員、致力於進行高效信息顯示的人士。本書呈現了大量關於不同視敏度、閾值、人類視覺基本特性的技術信息，也包含專門的指南和推薦。
本書依據自底向上的感知規則來組織內容。第1章提供了一個通用的概念框架和基於視覺科學方法的理論背景。後續4章討論了所謂的低層視素：顏色、紋理、運動素。這些視覺告訴我們如何設計捕獲注意力的特征，以及能夠讓一個物體與另外一個物體迥然不同的最佳數據編碼方式。後面各章繼續討論如何感知數據中的模式，先是二維模式感知，然後是三維空間感知，並對可視化設計、數據空間導航、交互技術和視覺問題求解等都做了詳細討論。
下面介紹一下本書的思路：一般而言，每章的模式是先描述人類視覺繫統的某些方面，再將這些信息應用到可視化的某些問題中。第1章是後續章節知識構建的基礎。不過，為了學個特定主題，隨機閱讀也是可以的。需要時，缺失的背景信息也可通過以下簡述得到。
第1章基於人類感知的可視化設計使用的概念框架。主要講清楚了關於感官表示的主張的本質，特別強調了感知理倫家吉布森的研究。這個分析用來定義基於設計的方法和基於感知科學的方法之間的差異。該章提供了抽像數據類型的分類方法，作為將數據映射成可視化表達的基礎。
第2章該章主要討論與感知輸入有關的基礎理論。以光的物理學和光與環境中物體的交互作為開篇。中心概念包括光到達特定視點時的結構、光陣攜帶的與交互有關的物體和表面信息。接著討論視覺光學的基礎和一些問題，例如我們能夠分辨多少細節等。討論了人類視敏度測量方式並用於顯示設計。
討論的應用包括三維環境的設計、視覺顯示繫統需要多少像素、像素更新的速度、對虛擬現實顯示繫統的需求、使用圖形和文本可以顯示多少細節，以及弱目標的檢測。
第3章視覺繫統並不測量環境中的光量，而是測量光線和顏色的變化。該章介紹了大腦如何使用這些信息去發現環境中物體表面的特性。這與數據編碼和顯示繫統的設置等問題息息相關。
討論的應用包括將顯示集成在一個觀察環境中、目標被檢測到的最小條件、創建用於編碼數據的灰度等級的方法、對比效果引發的錯誤等。
第4章該章從受體和三原色理論開始，介紹顏色視覺的科學。然後介紹顏色測量繫統和顏色標準。隨後給出CIE標準的標準公式和CIELUV的均勻顏色空間，進而介紹了拮抗理論（opponent theory），以及使用光亮度和色度顯示數據的方式。
討論的應用包括顏色測量和規範、顏色選擇界面、顏色編碼符號、科學數據的顏色映射、顏色還原，以及用於多維離散數據的顏色等。
第5章介紹了一種視覺顯著性的“探照燈”模型，用於描述眼球移動（用於掃描信息）的方式。該章主要介紹將視覺圖像分解成顏色、形式、素的大規模並行處理過程。預注意處理理論應用於區分一個數據對像與另外一個數據對像的關鍵問題。還討論了使數據可以被整體感知或者可分感知的編碼方法。
討論的應用包括快速理解的顯示、信息編碼、使用紋理進行數據編碼、符號學設計、多維離散數據顯示。
第6章該章關注過程，大腦借之將世界分成區域、查找連接、結構以及原型物體。這些都被轉化成一繫列用於信息顯示的設計指南。
討論的應用包括數據的顯示（以便可以感知模式）、信息布局、圖、節點連接圖和分層顯示。
第7章漸漸地從在二維基於屏幕的布局中顯示信息轉向在三維虛擬空間中顯示信息。該章介紹了不同的空間線索和感知它們的方式。後半章講解一繫列空間任務以及相關聯的感知問題。
討論的應用包括三維信息顯示、立體顯示、二維或三維可視化的選擇、三維圖觀察和虛擬環境等。
第8章該章回顧了基於圖像的和基於三維結構的對像感知理論。介紹了對像顯示這一使用虛擬對像進行信息組織的方法。
討論的應用包括圖像數據的呈現、使用三維結構組織信息、顯示對像等。
第9章大腦處理視覺信息和語言信息的方式不同，所用的腦區也不同。它們有著各自的優勢，在一個展示方案中常常組合使用。該章解決了什麼時候使用視覺表達和語言表達，以及如何對兩種信息進行連接，並討論了如何構建視覺敘事。
討論的應用包括圖像和文字的集成、視覺敘事、視覺編程語言、有效圖表等。
第10章定義了主要的交互循環。在此框架中，討論了低級數據操作、對數據視圖的動態控制、數據空間導航等。
討論的應用包括使用可視化發現數據中的模式。
第11章該章對涉及使用可視化進行思考的認知繫統進行了概述。這些過程部分發生在計算機中，部分發生在用戶的視覺大腦中。計算機的輸出是用戶視覺繫統處理過的一繫列視覺圖像。用戶的輸出是一繫列認知行為，例如點擊一個物體或者移動一個滑塊，這引發了計算機對可視化進行某種形式的改變。
討論的應用包括使用可視化進行問題求解、交互式繫統的設計、創造等。
第12章介紹了產生認知上有效可視化的設計方法學。方法包括七步。第一步是高層級的認知任務描述，第二步是數據清單，第三步是認知任務的細化，第四步是識別適合的可視化類型，第五步是為提升認知效率而應用視覺思考設計模式（VTDP），第六步是原型開發，第七步是評估。該章大部分用於講解VTDP。該章描述了已經凸顯價值的交互式可視化方法，以及與這些可視化方法的使用、應用指南相關的感知和認知問題。設計模式提供了設計交互時解決感知和認知問題的方法，尤其是與視覺思考過程中關鍵瓶頸有關的問題，例如有限的視覺工作記憶容量。同時提供了用視覺查詢概念根據感知詞彙進行符號學問題推理的方式。
這對可視化設計而言是激動人心的時刻。生成可視化使用的計算機技術已經到了可以使用筆記本計算機、平板計算機甚至手機產生復雜數據交互視圖的階段。新聞媒體如《紐約時報》在其在線編輯器中包含了交互可視化。朝著越來越多視覺信息發展的趨勢在加速，可幫助我們處理海量和復雜信息體繫的新型可視化技術正爆發式湧現。這些創造性的階段不會持續很久。隨著新技術的出現，經常是很快就會迸發出創造性設計，進而標準化的力量將使新的方法成為傳統方法。毋庸置疑，現在剛剛出現的很多可視化技術在不久的將來會成為常規工具，甚至粗制濫造的設計會成為工業標準。為了感知和認知進行的設計可以幫助我們避免這樣的錯誤。如果能使用我們在視覺思考方面積累的知識，我們將可以為有效推理數據創造更有效的認知工具。
我希望借此機會感謝幫助我完成本書的人們。影響我思考感知和可視化最多的人是Donald Mitchell、John Kennedy和William Cowan。通過與Larry Mayer以及很多我的同事，特別是Kelly Booth、Dave Wells、Scott Mackenzie、Jennifer Dijkstra、John Kelley和David Wiley一起開發繪制海洋地圖的新工具，我收獲頗多。與能提供數據和有趣的可視化問題的科學家與工程師一起工作，使得數據可視化學科具有無限價值。我也很有幸與聰明睿智的研究生和研究助理一起研究了可視化相關的項目，他們是Daniel Jessome、Richard Guitard、Timothy Lethbridge、Sean Riley、Serge Limoges、David Fowler、Stephen Osborne、Dale Chapman、Pat Cavanaugh、Ravin Balakrishnan、Mark Paton、Monica Sardesai、Cyril Gobrecht、Justine Hickey、Yanchao Li、Kathy Lowther、Li Wang、Greg Parker、Daniel Fleet、Jun Yang、Graham Sweet、Roland Arsenault、Natalie Webber、Poorang Irani、Jordan Lutes、Irina Padioukova、Glenn Franck、Lyn Bartram、Matthew Plumlee、Pete Mitchell以及Dan Pineo。這裡談到的很多想法都有他們的心血，是在其想法的基礎上精化後纔有的。
Peter Pirolli、Leo Frishberg、Doug Gillan、Nahum Gershon、Ron Rensink、Dave Gray以及Jarke van Wijk給出了很多有價值的建議，幫助我修改了本書手稿。我還想感謝Morgan Kaufmann出版社的編輯，包括Diane Cerra、Belinda Breyer以及Heather Scherer等。由於Morgan Kaufmann被Elsevier收購，因此Nate McFadden 和Beth LoGiudice在出版過程中為我提供了大量幫助。最後感謝我的夫人Dianne Ramey，她閱讀了四遍書稿，讀了書稿中的每個單詞，使書稿可讀性更好，她是我一直前行的動力。

圖當疊加的長條可見時，詞goggle更易讀［根據Nakayama、Shimono和Silverman（1989）的作品重繪］

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