1.4 數(shù)據(jù)可視化的流程和設(shè)計框架

1.數(shù)據(jù)可視化的流程

數(shù)據(jù)可視化的流程以數(shù)據(jù)流向為主線，其核心流程主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和變換、可視化映射和用戶感知4個步驟。整個可視化過程可以看成是數(shù)據(jù)流經(jīng)過一系列處理步驟后得到轉(zhuǎn)換的過程。用戶可以通過可視化的交互功能進行互動，通過用戶的反饋提高可視化的效果。

（1）數(shù)據(jù)采集

可視化的對象是數(shù)據(jù)，而采集的數(shù)據(jù)涉及數(shù)據(jù)格式、維度、分辨率和精確度等重要特性，這些都決定了可視化的效果。因此，在可視化設(shè)計過程中，一定要事先了解數(shù)據(jù)的來源、采集方法和數(shù)據(jù)屬性，這樣才能準(zhǔn)確地反映要解決的問題。

（2）數(shù)據(jù)處理和變換

這是數(shù)據(jù)可視化的前期準(zhǔn)備工作。原始數(shù)據(jù)中含有噪聲和誤差，還會有一些信息被隱藏。可視化之前需要將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成用戶可以理解的模式和特征并顯示出來。所以，數(shù)據(jù)處理和變換是有必要的。它包括去噪、數(shù)據(jù)清洗、提取特征等流程。

（3）可視化映射

可視化映射過程是整個流程的核心，其主要目的是讓用戶通過可視化結(jié)果去理解數(shù)據(jù)信息以及數(shù)據(jù)背后隱含的規(guī)律。該步驟將數(shù)據(jù)的數(shù)值、空間坐標(biāo)、不同位置數(shù)據(jù)間的聯(lián)系等映射為可視化視覺通道的不同元素，如標(biāo)記、位置、形狀、大小和顏色等。因此，可視化映射是與數(shù)據(jù)、感知、人機交互等互為依托，共同實現(xiàn)的。

（4）用戶感知

可視化映射后的結(jié)果只有通過用戶感知才能轉(zhuǎn)換成知識和靈感。用戶從數(shù)據(jù)的可視化結(jié)果中進行信息融合、提煉、總結(jié)知識和獲得靈感。數(shù)據(jù)可視化可讓用戶從數(shù)據(jù)中獲取新的信息，也可證實自己的想法是否與數(shù)據(jù)所展示的信息相符，用戶還可以利用可視化結(jié)果向他人展示數(shù)據(jù)所包含的信息。用戶可以與可視化模塊進行交互。交互功能在可視化輔助分析決策方面發(fā)揮了重要作用。

目前，還有很多科學(xué)可視化和信息可視化工作者不斷地優(yōu)化可視化工作流程。

圖1-10所示為Haber和McNabb這兩位學(xué)者提出的可視化流水線，描述了從數(shù)據(jù)空間到可視空間的映射，包含了數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)可視映射和繪制4個階段。這個流水線常用于科學(xué)計算可視化系統(tǒng)中。

圖1-11所示為圖書情報領(lǐng)域信息可視化流程模型，該模型把流水線改成了回路，用戶可在任何階段進行交互。

可以看出，不管在哪種可視化流程中，人都是核心要素。雖然機器可承擔(dān)對數(shù)據(jù)的計算和分析工作，而且在很多場合比人的效率高，但人仍是最終決策者。

2.數(shù)據(jù)可視化的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計數(shù)據(jù)可視化時，我們應(yīng)遵守以下可視化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

① 表達力強。能真實全面地反映數(shù)據(jù)的內(nèi)容。

② 有效性強。一個有效的可視化設(shè)計應(yīng)在短時間內(nèi)把數(shù)據(jù)信息以用戶容易理解的方式顯示出來。

③ 能簡潔地傳達信息。簡潔地傳達信息能在有限的畫面里呈現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)，而且不容易讓用戶產(chǎn)生誤解。

④ 易用。用戶交互的方式應(yīng)該簡單、明了，用戶操作起來更方便。

⑤ 美觀。視覺上的美感可以讓用戶更易于理解可視化要表達的內(nèi)容，提高工作效率。

3.數(shù)據(jù)可視化的設(shè)計框架

數(shù)據(jù)可視化的設(shè)計框架分為4個層次，如圖1-12所示。

第一層描述現(xiàn)實生活中用戶遇到的實際問題。在第一層中，可視化設(shè)計人員會用大量的時間與用戶接觸，采用有目的的采訪或軟件工程領(lǐng)域的需求分析方法來了解用戶需求。首先，設(shè)計人員要了解用戶的數(shù)據(jù)屬于哪個特定的目標(biāo)領(lǐng)域。因為每個領(lǐng)域都有其特有的術(shù)語來描述數(shù)據(jù)和問題，通常也有一些固定的工作流程來描述數(shù)據(jù)如何用于解決每個領(lǐng)域的問題。其次，描述務(wù)必細(xì)致，因為這可能是對領(lǐng)域問題的直接復(fù)述或整個設(shè)計過程中數(shù)據(jù)的描述。最后，設(shè)計人員需要收集與問題相關(guān)的信息，建立系統(tǒng)原型，并通過觀察用戶與原型系統(tǒng)的交互過程來判斷所提出方案的實際效果。

第二層是抽象層。它將第一層確定的任務(wù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信息可視化術(shù)語。這也是可視化設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)之一。在數(shù)據(jù)抽象過程中，可視化設(shè)計人員需要考慮是否將用戶提供的數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)化為其他形式，以及使用何種轉(zhuǎn)化方法，以便選擇合適的可視編碼，完成分析任務(wù)。

第三層是編碼層，設(shè)計視覺編碼和交互方式，是可視化研究的核心內(nèi)容。視覺編碼和交互這兩個層面通常相互依賴。為應(yīng)對一些特殊需求，第二層確定的抽象任務(wù)應(yīng)被用于指導(dǎo)視覺編碼方法的選取。

第四層則需要具體實現(xiàn)與前3個層次匹配的數(shù)據(jù)可視化展示和交互算法，相當(dāng)于一個細(xì)節(jié)描述過程。它與第三層的不同之處在于第三層確定應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)的內(nèi)容及呈現(xiàn)的方式，而第四層解決的是如何完成的問題。

框架中的每個層次都存在不同的設(shè)計難題，第一層需要準(zhǔn)確定義問題和目標(biāo)，第二層需要正確處理數(shù)據(jù)，第三層需要提供良好的可視化效果，第四層需要解決可視化系統(tǒng)的運行效率問題。各層之間是嵌套關(guān)系，外層的輸出是內(nèi)層的輸入。