信息可視化顯示效果的優化方法研究

楊峰　李蔚

[摘要]優化技術用來加強、改善信息可視化基本技術的效果。本文對現有的優化技術進行了分類，在研究他們特點的基礎上總結了實現思路，并對典型技術及在應用時存在的問題進行了總結。

[關鍵詞]可視化技術；可視化效果；優化

DOI：10.3969/j.issn.1008—0821.2012.05.008

[中圖分類號]G250.78

[文獻標識碼]A

[文章編號]1008—0821（2012）05—0034—03

為適合不同目的的可視化問題，人們研究開發了大量形式各異的可視化技術。對于眾多的可視化具體技術，可以從不同角度進行分類，可視化的技術方法根據不同的標準可分為不同類別。目前的可視化分類主要有5個分類角度，即數據類型、顯示類型、交互方式、任務分析和基于模型的分類。所有這些技術都會遇到一個共同問題，當顯示復雜的信息結構時，用戶不僅需要輕松觀察對象的局部細節，也要同時觀察到該細節部分在全局結構的位置。如何在有限的屏幕同時顯示更多的低層次細節和更多的高層次全局結構是一矛盾。為解決這類問題，人們研究了一些方法來同時照顧這兩個方面。本文將他們稱為優化方法。筆者首先分析這些方法的特點，在此基礎上，將他們按照時空利用特點分成3類，并對典型技術及應用的優缺點進行了總結。

1 典型方法

優化方法往往不單獨使用，即每當進行可視化時，先根據實際問題需要，選擇基本可視化方法。當問題的規模較大時，再用優化技術來幫助。其中空間分離的方法最為熟知。以多比例顯示的時間分離方法；空間變形的典型技術有透視墻顯示，魚眼視圖顯示，以及雙曲視圖顯示（Hyperbolic browser）等。

1.1多比例顯示

多比例顯示的觀點和技術在遙感圖片處理和地理信息系統等計算機系統中使用多年，效果相當好。縮放用戶界面最為必需的條件是允許用戶根據不同層次的細節，輕松自由地放大和縮小。縮放用戶界面與Fumas提出的多比例界面概念接近。

縮放用戶界面的典型代表是Pad++，這是一個多比例顯示工具。Pad++實現的縮放用戶界面使得用戶能夠在一個尺度寬廣范圍內縮放，縮放用戶界面允許用戶在不同的水平瀏覽同一個物理對象。Pad++屬于一個數據可視化工具。信息可視化中則要實現語義縮放（Semantic zooming）。首先根據信息單元的關系，構造網絡，當網絡太大時，也可以通過縮放顯示不同級別的結構。

1.2透視墻視圖

Spence和Apperley最早提出了這一想法，即在計算機屏幕上以平行線條方式顯示信息。線條的寬度不同，中間線條最寬，顯示較詳細；周圍線條收縮，忽略細節，但可顯示所有線條，以表示總體狀況。用戶通過鼠標選中某個線條，它便移到中心進行細節顯示。

Mackinlay等人提出的透視墻視圖是一計算機化的、自動的雙焦點顯示的三維實現，如圖1（a）。透視墻具有3個面板。中間面板顯示用戶正在聚焦的信息。2個側面板，收縮在遠處，生成上下文信息。用戶可以方便地把上下文信息拖到焦點面板。

1.3魚眼視圖

Fumas在1986年的研究了魚眼視圖顯示方法，如圖1（b）。他使用興趣程度（Degree of interest，DOI）的概念，用以確定在魚眼視圖中對象的顯示比例應該以怎樣的速度減小。魚眼視圖是透視視圖和語義視圖的結合。一般而言，邊緣對象看起來要比處在焦點位置的對象小。然而在引入了DOI概念后情況就發生了一些改變，當對象具有高D01分數時，這一規則可以改寫。在一個透視視圖，各個對象的顯示比例與他們的DOI成比例。普通魚眼技術的透視視圖可看成是中心的DOI最高的結果。Corpendale等人提出讓每個焦點的周圍具有較低的頂點密度，以使它們具有較高的可讀性。

1.4雙曲視圖

為了解決在全局結構顯示的同時，又可以觀察局部細節，一個比較好的方法是運用Focus+Context技術將抽象信息可視化。在提供給用戶全局信息結構的基礎上，通過顯示一些特定對象的細節信息，將那些對用戶理解全局關系所需要的非常有用的局部信息提供給用戶。Focus+Conte～t技術的特點是可把與用戶有關的信息詳細地顯示出來，并與其他信息平穩過渡；可同時在不同的抽象層次上進行信息可視化，并平衡局部信息和全局結構之間的關系；適用于幾乎各種不同類型的信息種類。

雙曲視圖是為大型信息集合的層次結構進行可視化的系統，它在顯示結構層次的同時使用Focus+Context技術（如圖2）。與魚眼透視不同，它利用雙曲線的指數增長原理來分配空間顯示區域的大小，在全局和細節的顯示上提供了一個更平滑的、有效的平衡方法。在該系統中，首先用樹的方式來表先各個結點之間的空間關系。樹的根節點位于一個圓形平面的中間，占據較多的顯示空間。樹的各個分支節點向圓的外周延伸，離中心越遠，占據的顯示空間越少。

用戶通過拖動平面中的節點，可以改變該結點所占據的顯示空間的位置，隨著位置的不同，其占據的顯示空間的大小跟著發生變化，從而達到瀏覽整個系統的不同區域的目的。比如，對于可視化圖的圓周邊上的節點，把它拖到圖的中間，它的顯示空間就會增大最多倍數。

1.5預處理

對于數據結構復雜的系統，如WWW系統，一般總是需要同時顯示全局結構和局部詳細信息，才能達到較好的效果。在WWW的可視化中，主要使某些局部結點信息以非常顯眼的方式從全局結構信息中突顯出來，讓整個全局信息充當宏觀環境，突顯的局部信息相當于微觀部分，從而使用戶注意力聚集于微觀部分。于是在WWW可視化過程中必須使用優化技術。由于經典的魚眼視圖法最多也只能呈現100個結點的全局圖，而WWW系統的結點數很顯然遠大于這個數目。所以在可視化前，還要用各種不同的技術對信息空間進行預處理，例如WebCutter系統。這些預處理技術主要有：

1.5.1過濾

不是將整個超媒體信息空間可視化，而是通過對空間進行過濾，將用戶感興趣的進行可視化。當搜索結果很多，或者太少時，可以對搜索進行可視化。例如，Carriere提出的Web Query系統運用過濾技術將與搜索查詢問題有關的結果用一個原始的結果頁面顯示出來。另外也可用過濾將圖可視化形成簡單的結構。

1.5.2抽象化

抽象化就是簡化信息空間，將一般信息聚集形成一個高層次的結構進行可視化。傳統的信息提取聚類技術可以作為一個新技術用于WWW的開發。研究者已經開發了相關的可視化技術用來聚集相關頁面。例如，WebBook可以將相關的Web頁面進行組織，并允許用戶在3D空間中進行各種操作。Terveen開發了一個部落圖形可視化技術，將相關站點作為交互和分析的基本單元。

2 思路歸納

當用戶要同時觀察全局結構與某一部分細節時，就需要在有限的屏幕空間上顯示盡可能多的信息，對重要的必須仔細觀察的細節部分就可以進行優先顯示。通過總結目前已有的方法，我們可以將上述方法歸納為以下幾種思路。

時間分離法，這種思路實際上是前后不同屏幕上顯示，但不是進行屏幕切換，而是連續變化，從而有“同時”觀察的效果。例如視圖縮放方法，即以不同比例顯示對象，也稱作多比例顯示。這是從電子地圖借鑒過來的一種技術，例如Google地圖。所不同的是Google地圖顯示的是實際存在的一副圖像，信息可視化中要對人為構造的抽象圖進行縮放。

空間分離法，將屏幕分成不同視圖窗口，分辨顯示全局和細節信息。該方法一般是在兩個窗口中完成可視化工作，也稱為全局/局部視圖法。其中，一個窗口顯示信息的全局結構，另一窗口顯示局部細節，細節部分是全局窗口中對應的當前節點。如Windows的資源管理器就使用了這種思路。

空間變形法，該方法是在一個視圖上完成全局結構和突出細節的工作。首先顯示全局結構，對于鼠標指向的當前焦點位置，采用幾何失真法（如局部放大）顯示局部細節，這是全局+細節的思路。失真顯示技術是實現細節+全局視圖方法的一個關鍵。一般而言，失真顯示技術在同一視圖中包含多個比例，焦點區域以較好的比例顯示，邊緣區域以較為粗糙的比例顯示。

3 存在問題

雖然這些優化技術在對可視化效果有一定的作用，但在將這些技術應用于復雜的網絡結構可視化時還面臨很多問題，主要包有以下幾個方面。

3.1在簡易、方便及整體效果方面，這些方法各有各的優勢和不足

時間分離法會暫時失去全局信息；縮放顯示在用戶放大、縮小過程中改變比例，但用戶一次只能看到一個比例。該方法在處理層次結構信息的可視化方面很難應用。當這些技術應用到復雜的網絡結構上，將會解決部分難題；空間分離法使用戶不得不在不同窗口中顯示的全局信息和細節視圖之間來回移動；空間變形法在用戶過多轉換細節時，會失去對細節觀察的連續性。如果將不同策略結合起來，則能夠得到滿意結果。

3.2從結點顯示轉向對應細節顯示的平滑過渡比較困難

全局顯示時用戶能對網絡的信息空間結構有一個整體了解，但是要使局部結點信息與其相對應的文本信息的融合，既要保證兩者在空間上能同時共存，又要保證兩者之間能平滑過渡，使用戶在瀏覽過程中非常自然的把它們作為整體而不是單獨的兩部分看待，還是非常困難。

3.3可視化系統的綜合性不強

在以往對網絡信息可視化系統的研究和應用中，都只涉及網絡瀏覽、網絡搜索、網絡歷史交互和網絡用戶交互等多個方面的一個方面，很少將各方面綜合考慮并予以開發研究，而作為一個較好的可視化系統應該全面考慮用戶的需要，盡量從各方面去減少或者避免用戶的迷路和認知超負荷問題。

3.4網絡成分可視化不全面

一個復雜的網絡結構包括網絡拓撲結構、網絡內容和網絡可用性3個成分。有效的可視化系統應該讓用戶觀察到信息空間的所有成分。以上技術都只解決對網絡結構或者網絡內容進行可視化，而對網絡和可用性方面的可視化技術的研究較少。

4 結束語

本文對可視化技術的顯示效果問題進行總結研究。因為屏幕空間的有限性，當顯示對象規模較大時，可視化效果一般會下降。優化技術是針對這一現象而設計的，他們一般不單獨使用。在必須對結構可視化時，特別是網狀結構可視化時，一般需要進行優化技術補充。使得用戶可以同時觀察全局和細節。這些技術方法大體可以分為3類，在實際使用中，在有些領域取得了顯著成績，例如數據可視化，但在復雜的語義網絡中還存在不少問題。