數(shù)據(jù)可視化課件：數(shù)據(jù)可視化的理論基礎(chǔ)

數(shù)據(jù)可視化的理論基礎(chǔ)1.

視覺感知和認知2.

格式塔理論3.

視覺通道4.

色彩主要內(nèi)容視覺感知1.什么是視覺感知？感知是指客觀事物通過人的感覺器官在人腦中形成的直接反映感覺器官眼、耳、鼻、神經(jīng)末梢那么，視覺感知就是客觀事物通過人的視覺在人腦中形成的直接反映視覺感知感知：關(guān)于輸入信號的本質(zhì)；看見的東西認知：關(guān)于怎樣理解和解釋看到的東西什么是認知？認知心理學將認知過程看成由信息的獲取、分析、歸納、解碼、儲存、概念形成、提取和使用等一系列階段組成的按一定程序進行的信息加工系統(tǒng)?？茖W領(lǐng)域中，認知是包含注意力、記憶、產(chǎn)生和理解語

言、解決問題，以及進行決策的心理過程

的組合。認知“當人們觀察事物時，人們所看到的依賴于事物本身是什么。將事物看做什么，取決于人們對看到的事物了解多少。”可視化致力于外部認知，也就是說，怎樣利用大腦以外的資源來增強大腦本身

的認知能力。“Visualization

is

really

about

external

cognition,that

is,how

resources

outside

the

mind

can

be

used

to

boost

thecognitive

capabilities

of

the

mind.”Stuart

Card交叉點上的黑色圓點在跳躍變化有多少黑點感知系統(tǒng)基于相對判斷，而非絕對判斷(Weber’sLaw)相對性&絕對性BABAAA和B那一個更高？有線框

未對齊無線框

未對齊無線框B感知系統(tǒng)基于相對判斷，而非絕對判斷(Weber’sLaw)相對性&絕對性A和B哪一個更亮？2.格式塔理論最大的特點是強調(diào)研究心理對象的整體性整體性思想的核心是有機體或統(tǒng)一的整體大于各部分單純相加之和。整體論思想最早出現(xiàn)在古希臘和古羅馬時代，但真正體現(xiàn)是在黑格爾

(G.W.F.Hegel)的哲學之中。黑格爾用有機體的整體論來解釋人類的歷史，認為人類歷史的基本單位是國家和民族，歷史事件不能簡

單還原為個人行為。

Wolgang

K?hler1887‐1967為什么我們在觀看事物的時候會把一部分當做前景，其余部分當做背景？Kurt

Koffka1886-1941為什么我們能

區(qū)分形狀？Max

Wertheimer1880-1943什么形狀是好的？1.

接近(或鄰近)原則2.

相似原則3.

封閉(閉合)原則4.

連續(xù)原則5.

簡單原則6.共勢原則7.好圖原則

8.

對稱原則9.

經(jīng)驗原則格式塔(gestalt)原則兩個對象在空間或時間上比較接近或鄰近

時，則這兩個對象就傾向于被一起感知為一個整體。D1.接近(或鄰近)ProximityD

刺激物的形狀、大小、顏色、強

度等物理屬性方面比較相似時,這些刺激物就容易被組織起來而構(gòu)

成一個整體。?

主體在感知物體時有一種能自行填補缺口

使其閉合將其知覺為

一個整體的傾向。D

我們傾向于完整地連接一個圖形，而不是觀察殘缺的線條或形狀。人們對一個復雜對象進行知覺時，如沒有特殊要求，

常常傾向于把對象看作是有

組織的簡單的規(guī)則圖形。D

如果一組物體沿著相似的光滑路徑有運動趨勢或具有相似的排列模式，

人們會將他們識別為同一物體。共勢原則(common從一堆字符中認知語句fate)

6.D

好圖原則指人眼通常會自動的將一組物體按照簡單、規(guī)則、有序

的元素排列方式識別。即個體識

別世界的時候通常會消除其中的

復雜性和不熟悉性，采納最簡化

的形式。

7.好圖原則(Good上：奧運環(huán)；下:

割裂的圓環(huán)。Figure)8.對稱原則(Symmetry)D

人的意識傾向于將物體識別為

沿某點或某軸對稱的形狀。某國男女人口隨年齡的分布情況9.

經(jīng)驗原則(Past

Experience)D

是指在某些情形下，視覺感知與過去的經(jīng)驗有

關(guān)。如果兩個物體看上去距離相近，或者時間

間隔小，那么它們通常被識別為同一類。

3.視覺通道

將數(shù)據(jù)信息以可視化視圖呈現(xiàn)，其核心內(nèi)容是可視化編碼，它是將數(shù)據(jù)信息映射成可視化元素的技術(shù)?？梢暬幋a由幾何標記(圖形元素)和視覺通道兩部分組成。D

幾何標記：

可視化中標記通常是一些幾何圖形元素，例如：點、線、面、體。D

視覺通道：

用于控制幾何標記的展示特性，為標記提供視覺特征，包括標記的位置、大小、形狀、方向、色調(diào)、飽和度、亮度等?？梢暬幋aD

定量(連續(xù)、有序)的視覺通道：

如直線的長度、區(qū)域的面積、空間的體積、斜度、角度、顏色的飽和度和亮度等。D

定性(分類)的視覺通道：

如形狀、顏色的色調(diào)、空間位置。視覺通道的類型色調(diào)配色方案透明度方向形狀紋理動畫空間位置尺寸顏色亮度飽和度視覺通道的特性是放置所有可視化元素的容器?？梢允牵篋

一維：

溫度計……。設(shè)計和結(jié)構(gòu)簡單。D

二維：

手機、電視……最常見。D

三維：

虛擬現(xiàn)實……。

和人類視覺的生理構(gòu)造相對應。通常采用平面像素而不是三維像素成像，

通過跟蹤用戶位置和視角不斷更新，

讓

空間用戶產(chǎn)生置身于現(xiàn)實三維環(huán)境中的感受。D

既可以用于編碼分類的數(shù)據(jù)屬性，又可以編碼定序或者定量的數(shù)據(jù)屬性的視覺通道。

如果是平面上的接近性，還可以參與分組。D

平面位置的兩個可以分離的視覺通道是水平位置和垂直位置。位置尺寸1尺寸是定量或定序的視覺通道，適合編碼有序的數(shù)據(jù)屬性。1長度是一維的尺寸，包括垂直尺寸和水平尺寸，即高度和寬度。1面積是二維的尺寸。1體積是三維的尺寸。維度越高判斷越來越不準確。顏色最復雜的，也是可以編碼大量數(shù)據(jù)信息的視覺通道之一。D

亮度

(明度)

(Brightness)

(定量或定序)D

飽和度

(彩度)

(Saturation)

(定量或定序)D

色調(diào)

(Hue)

(定性或分類)D

關(guān)系到信息表達和美觀?？梢詰靡恍┸浖诰€配色，比如：D

ColorBrewer配色系統(tǒng)：

http://colorbrewer2.org/D

Adobe的Kuler配色系統(tǒng)：

https://color.adobe.com/zh/create配色方案

方向D

紋理被認為是多種視覺變量的組合，包括形狀、顏色和方向。(1

)形狀組成紋理。(2

)顏色是紋理中每個像素點的顏色。(3

)方向是紋理中形狀和顏色的旋轉(zhuǎn)變化。D

二維應用：不同的數(shù)據(jù)范圍或者分布。D

三維應用：一般作為幾何物體的屬性，表示高度、頻率、方向等。紋理

動畫

指由計算機生成的連續(xù)播放的靜態(tài)圖像所形成的動態(tài)效果的圖畫作品。利

用人的視覺殘留現(xiàn)象，產(chǎn)生視覺動感。

視覺通道主要是：

運動的方向(編碼定性的數(shù)據(jù)屬性)

運動的速度(編碼定量的數(shù)據(jù)屬性)

閃爍的頻率等(編碼定量的數(shù)據(jù)屬性)

特點

：完全吸引了人的注意力，觀察其中的非動畫部分非常困難。?精確性

(準確編碼數(shù)據(jù)包含的所有信息，要盡量忠于原始數(shù)據(jù))?可辨性?可分離性?視覺突出視覺通道的表現(xiàn)力和有效性

精確性D

研究表明，人類感知系統(tǒng)對于不同的視覺通道感知精確性是不同的。D

美國心理物理學家史蒂文斯在1953年提出了心理物理學定律，也稱作“史蒂文斯冪次法

則”。該定律認為，感覺量的大小與刺激量的乘方成正比，也即心理量是物理量的冪函數(shù)。用公式表示為：DS=K·I^n其中S為心理量，K為常數(shù)，I為物理量，n因不同的感覺而異。下表為史蒂文斯冪次法則所描述的一些視覺通道的冪次。表示了視覺通道的實際變化量與人類主觀感知存在的聯(lián)系。表

不同視覺通道對應的n值視覺通道亮度面積長度灰對比度冪次0.50.71.01.2視覺通道感知的精確性將影響可視化結(jié)果對數(shù)據(jù)信息

傳遞的準確性，因此在表達定量數(shù)據(jù)的時候，通常采

用一端對齊射線的長度或柱狀圖的高度進行表示。可辨性D

視覺通道可以有不同的取值范圍，調(diào)整