数据可视化 课件 第2章 数据可视化的理论基础

第二章 数据可视化的理论基础主要内容视觉感知和认知格式塔理论视觉通道色彩1.视觉感知什么是视觉感知？视觉感知感知是指客观事物通过人的感觉器官在人脑中形成的直接反映感觉器官眼、耳、鼻、神经末梢那么，视觉感知就是客观事物通过人的视觉在人脑中形成的直接反映感知：关于输入信号的本质；看见的东西认知：关于怎样理解和解释看到的东西什么是认知？认知认知心理学将认知过程看成由信息的获取、分析、归纳、解码、储存、概念形成、提取和使用等一系列阶段组成的按一定程序进行的信息加工系统。科学领域中，认知是包含注意力、记忆、产生和理解语言、解决问题，以及进行决策的

心理过程

的组合。“当人们观察事物时，人们所看到的依赖于事物本身是什么。将事物看做什么，取决于人们对看到的事物了解多少。”“Visualizationisreallyaboutexternalcognition,thatis,howresourcesoutsidethemindcanbeusedtoboostthecognitivecapabilitiesofthe

mind.”Stuart

Card可视化致力于外部认知，也就是说，怎样利用大脑以外的资源来增强大脑本身的认知能力。有多少黑点交叉点上的黑色圆点在跳跃变化相对性&绝对性感知系统基于相对判断，而非绝对判断(Weber’sLaw)无线框未对齐有线框未对齐ABABAB无线框A和B那一个更高？相对性&绝对性感知系统基于相对判断，而非绝对判断(Weber’sLaw)A和B哪一个更亮？2.格式塔理论最大的特点是强调研究心理对象的整体性整体性思想的核心是有机体或统一的整体大于各部分单纯相加之和。整体论思想最早出现在古希腊和古罗马时代，但真正体现是在黑格尔（G.W.F.

Hegel）的哲学之中。黑格尔用有机体的整体论来解释人类的历史，认为人类历史的基本单位是国家和民族，历史事件不能简单还原为个人行为。Wolgang

Köhler1887‐1967Kurt

Koffka1886-1941Max

Wertheimer1880-1943为什么我们在观看事物的时候会把一部分当做前景，其余部分当做背景？为什么我们能区分形状？什么形状是好的？格式塔（gestalt）原则1.

接近（或邻近）原则2.

相似原则3.

封闭（闭合）原则连续原则简单原则6.共势原则7.好图原则对称原则经验原则

1.接近（或邻近）Proximity两个对象在空间或时间上比较接近或邻近时，则这两个对象就倾向于被一起感知为一个整体。刺激物的形状、大小、颜色、强度等物理属性方面比较相似时,这些刺激物就容易被组织起来而构成一个整体。主体在感知物体时有一种能自行填补缺口使其闭合将其知觉为一个整体的倾向。我们倾向于完整地连接一个图形，而不是观察残缺的线条或形状。人们对一个复杂对象进行知觉时，如没有特殊要求，常常倾向于把对象看作是有组织的简单的规则图形。6.共势原则（common

fate）如果一组物体沿着相似的光滑路径有运动趋势或具有相似的排列模式，人们会将他们识别为同一物体。从一堆字符中认知语句7.好图原则（Good

Figure）好图原则指人眼通常会自动的将一组物体按照简单、规则、有序的元素排列方式识别。即个体识别世界的时候通常会消除其中的复杂性和不熟悉性，采纳最简化的形式。上：奥运环；下:

割裂的圆环。8.对称原则（Symmetry）人的意识倾向于将物体识别为沿某点或某轴对称的形状。某国男女人口随年龄的分布情况9.

经验原则（PastExperience）是指在某些情形下，视觉感知与过去的经验有关。如果两个物体看上去距离相近，或者时间间隔小，那么它们通常被识别为同一类。3.视觉通道可视化编码将数据信息以可视化视图呈现，其核心内容是可视化编码，它是将数据信息映射成可视化元素的技术。可视化编码由几何标记（图形元素）和视觉通道两部分组成。几何标记：可视化中标记通常是一些几何图形元素，例如：点、线、面、体。视觉通道：用于控制几何标记的展示特性，为标记提供视觉特征，包括标记的位置、大小、形状、方向、色调、饱和度、亮度等。视觉通道的类型定性（分类）的视觉通道：如形状、颜色的色调、空间位置。定量（连续、有序）的视觉通道：如直线的长度、区域的面积、空间的体积、斜度、角度、颜色的饱和度和亮度等。视觉通道的特性空间位置尺寸颜色亮度饱和度色调配色方案透明度方向形状纹理动画空间三维：虚拟现实……。是放置所有可视化元素的容器。可以是：一维：温度计……。设计和结构简单。二维：手机、电视……最常见。和人类视觉的生理构造相对应。通常采用平面像素而不是三维像素成像，通过跟踪用户位置和视角不断更新，让用户产生置身于现实三维环境中的感受。位置既可以用于编码分类的数据属性，又可以编码定序或者定量的数据属性的视觉通道。如果是平面上的接近性，还可以参与分组。平面位置的两个可以分离的视觉通道是水平位置和垂直位置。尺寸尺寸是定量或定序的视觉通道，适合编码有序的数据属性。长度是一维的尺寸，包括垂直尺寸和水平尺寸，即高度和宽度。面积是二维的尺寸。体积是三维的尺寸。维度越高判断越来越不准确。颜色最复杂的，也是可以编码大量数据信息的视觉通道之一。亮度

(明度)

(Brightness)

(定量或定序)饱和度

(彩度)

(Saturation)

(定量或定序)色调

(Hue)

(定性或分类)配色方案关系到信息表达和美观。可以应用一些软件在线配色，比如：ColorBrewer配色系统：

/Adobe的Kuler配色系统：

/zh/create方向纹理纹理被认为是多种视觉变量的组合，包括形状、颜色和方向。形状组成纹理。颜色是纹理中每个像素点的颜色。方向是纹理中形状和颜色的旋转变化。二维应用：不同的数据范围或者分布。三维应用：一般作为几何物体的属性，表示高度、频率、方向等。动画

指由计算机生成的连续播放的静态图像所形成的动态效果的图画作品。利用人的视觉残留现象，产生视觉动感。视觉通道主要是：运动的方向（编码定性的数据属性）运动的速度（编码定量的数据属性）闪烁的频率等（编码定量的数据属性）特点：完全吸引了人的注意力，观察其中的非动画部分非常困难。精确性（准确编码数据包含的所有信息，要尽量忠于原始数据）可辨性可分离性视觉突出视觉通道的表现力和有效性精确性研究表明，人类感知系统对于不同的视觉通道感知精确性是不同的。美国心理物理学家史蒂文斯在1953年提出了心理物理学定律，也称作“史蒂文斯幂次法则”。该定律认为，感觉量的大小与刺激量的乘方成正比，也即心理量是物理量的幂函数。用公式表示为：S=K·I^n其中S为心理量，K为常数，I为物理量，n因不同的感觉而异。下表为史蒂文斯幂次法则所描述的一些视觉通道的幂次。表示了视觉通道的实际变化量与人类主观感知存在的联系。视觉通道亮度面积长度灰对比度幂次0.50.71.01.2表

不同视觉通道对应的n值视觉通道感知的精确性将影响可视化结果对数据信息传递的准确性，因此在表达定量数据的时候，通常采用一端对齐射线的长度或柱状图的高度进行表示。可辨性视觉通道可以有不同的取值范围，调整取值范围能让人们区分该视觉通道的状态，便于辨认。图