认知图式导向下动态可视化界面特征*

陈丛哲，薛澄岐，王海燕，彭宁玥

(东南大学， 江苏 南京 211189)

认知图式导向下动态可视化界面特征*

陈丛哲，薛澄岐，王海燕，彭宁玥

(东南大学， 江苏 南京 211189)

数据的多样性决定了可视化界面的复杂性，如何将数据更好的表达出来供从业者进行相关的研究分析，也是当今数据可视化的难点之一。文中利用认知心理学中的相关理论对界面特征元素进行提取。从形态特征、语义特征两个层面入手，并结合图式等认知心理学理论，实现复杂数据动态可视化的快速理解，帮助从业者从动态可视化界面中快速抓取必要信息并做出相应的决策。

界面特征；认知图式；数据可视化

引 言

数据可视化通过计算机图形学以及图像处理技术，将复杂数据转换为图形语言，通过更加直观的可视化界面对数据进行梳理和分析，发现其中的某些未知信息的交互处理方法、技术和理论。由于数据的时效性，导致数据处于转换与提取的一种动态变化中，而针对这种时序性数据，从而衍生出了数据的动态可视化。

由于数据的变化，动态可视化界面中的意象特征会发生相应的变化，而用户对于这些动态变化的理解是根据其先验知识来决定的，如何根据先验知识更加快速、高效地抓取动态数据可视化界面机制，帮助用户理解可视化图形背后隐藏的数据信息，是本文需要研究的重点。利用认知心理学的相关知识对动态可视化的界面特征元素进行提取，从形态特征和语义特征的两个层面并结合认知图式的理论知识，实现复杂动态数据可视化界面特征的快速抓取是本文研究的目的。其创新点在于利用认知图式理论为动态可视化研究搭建基石，为判定动态可视化特征的合理性给出相应的评价指标，从而推动对可视化特征的进一步理解。

1 相关理论研究

“认知图式”是瑞士心理学家皮亚杰提出的认知发展理论的一个核心概念，是个体与环境不断相互作用的知识构建过程，其内部的心理结构是不断变化的，“图式”正是人们为了应付某一特定情境而产生的一种认知结构。对外界知识的不断摄取会补充既有的知识结构——即先验知识(Prior knowledge)，形成个体全新的认知结构，这种现象被称为图式的同化与顺应，如图1所示[1]。

图1 知识建构中的同化与顺应

同化与顺应是在感受到外界刺激时，能够瞬间将新的信息纳入先验知识结构中；同时，对于与先验知识结构不一致的信息，也能够迅速找到相似的知识结构予以标记，或者创造一个新的知识结构来接纳这类信息。而这些外来刺激中的数据信息与动态可视化中的意象特征是相关联的，利用认知图式理论分离、规范化这些特征，帮助用户更快速地理解可视化图形所要表达的内容信息[2]。

1.1 界面特征的分类

1.1.1 形态特征

形态特征主要包含两个要素：色彩和形状。不同用户对于色彩的敏感度不同，在温度控制的动态可视化界面中，通过互补色来表征温度的变化，而在其他领域的动态可视化界面中，亦可以用互补色来表征运动或者静止；同理，温度、数值的变化，也可由形状来表征，通过不同长度的矩形，不同角度的扇面，或是不规则的几何图形来表征数据信息。而这些形状变化的由来或许就是用户大脑中先验图式触发的结果[3]。

1.1.2 语义特征

语义是对数据符号的解释，数据就是一种符号，本身并没有任何含义，只有被赋予了相应含义的数据才能够被作为信息来使用。对于动态可视化中出现的大量非结构化、半结构化数据，需要对这类无法直接处理的数据进行语义分离，对其中的特征元素可视化处理，这其中涉及到激活扩散模型(spreading activation theory)的理念。

科林斯与洛夫特斯在语义网络模型中增加了联结意义的关联度和加工过程的概念，他们用两个结点之间的距离来表征语义关联度，当语义加工某个特定概念的时候，可以通过概念间的联结关系产生平行的激活扩散，如图2所示。

1.1.3 首因效应

首因效应是指个体在社会认知过程中，通过“第一印象”最先输入的信息对客体以后的认知产生的影响作用。对于这种因信息输入顺序而产生效应的现象，有种种不同的原因说法。

图2 激活扩散模型

一种说法认为，最先获取的信息所形成的最初印象，构成脑中的知识结构和记忆结构。后输入的其他信息只是被整合到这个记忆图式中去，即这是一种同化模式，后续的信息被同化进了由最先输入的信息所形成的记忆结构中，因此后续的新的信息也就会受到先验图式的影响而含有最初知识属性的痕迹[4]。

2 实验设计

2.1 实验设备

本次实验使用的设备是Tobii公司生产的X2-30Compact型便携式眼动仪，用于对被试的眼动数据进行采集。

2.2 实验人员

本实验由两部分组成，分别为未设置先验刺激与设置先验刺激的部分，其中设置先验刺激的为实验组，未设置先验刺激的为对照组。实验组中男性7人，女性3人；同理对照组中男性7人，女性3人。选取的20名被试在实验前没有接触过本实验所使用的实验素材。

2.3 实验任务

在正式实验前，会有练习阶段帮助被试尽快熟悉任务流程。在实验组中，第1阶段会出现3组特征方向随机的图形，被试被要求在第1阶段，如图3(a)所示，搜寻一个任务提示的可视化图形。第2阶段，如图3(b)所示，会出现4组形状不同界面特征，要求被试根据提示的词语(仪表可视化)在随即出现的界面特征中搜寻与词语相对应的可视化特征。选取特定的特征并在接下来的图片中向被试询问是否被试所认定的结果与选取的结果相一致，以此来检测问题的正确率。第3阶段采用的界面特征与第2阶段一致，加入色彩特征，如图3(c)所示，在保持形状特征一致的基础上测试色彩对于被试认知效力的影响程度。第4阶段含有3组形状特征一致的图形界面，在色彩特征的基础上添加语义特征，如图3(d)所示，在形状特征一致的基础上，要求被试选取最符合提示词语的可视化特征。由于色彩选择的倾向性，所以在添加色彩元素之后，关键词(车载仪表可视化)的范围进一步缩小，适当降低用户的认知负荷。在对照组中，去除最初的搜寻任务，在没有为被试建立先验图式的基础上进行接下来的实验。

图3 测试界面

2.4 实验步骤

2.4.1 实验准备阶段

准备实验材料，选择舒适、干扰小的试验场地环境，检查并调试器材，保证其正常运行；寻找被试，最好是专业相关人员，有较高的教育经历。在开始实验前，为被试讲解实验目的和具体的操作方法，确保被试在实验过程中避免带着疑问进行实验，准确并高效地完成实验。

2.4.2 实验练习阶段

设置练习阶段任务，帮助被试能够尽快对实验有大致的了解，减少实验误差，降低出错的概率，从而提高实验精度。在实验的每个阶段前设置练习任务，实验组设置为3组，对照组设置为2组。

2.4.3 正式实验阶段

排除其他因素干扰，从旁协助被试顺利完成整个实验过程。

2.5 实验分析

对兴趣区域进行眼动数据分析，并通过SPSS与EXCEL软件处理数据，计算标准差和均值。通过对比实验组与对照组的正确率来判断先验图式在可视化的认知过程中是否产生决定性的影响，被试亦可通过外界先验刺激加深对动态可视化的进一步理解；在添加了色彩特征与语义特征后，通过页面的访问时间和注视点数测试形状特征、色彩特征语义特征之间的联系。

3 讨论

3.1 实验组与对照组数据选择正确率分析

被试在实验过程中会要求选择与对应词语相匹配的可视化图形，而在缺乏先验图式的情况下，被试的选择会与存在先验图式情况下的选择有些许出入。

表1显示了实验组中被试回答问题的总正确率，可以看出在进行过第1阶段任务的实验组，在后来的实验中正确率普遍偏高，而表2中的正确率除去第4阶段普遍偏低；因为第4阶段中实验组与对照组中实验材料一致，第4阶段正确率仍旧保持50%以上，对于相同材料的判断，在未进行过第1阶段任务的情况下也不会存在太大影响。第1阶段任务的关键在于通过不断的搜寻给定的图形可视化，为被试脑海中建立先验知识结构，由表1和表2可以得出，2组行为数据的差异较为明显。

表1 实验组提示问题正确率

表2 对照组提示问题正确率

3.2 实验组与对照组同一界面下一致率分析

由表3、表4可以看出，实验组与对照组的一致率都达到了70%以上，在4个阶段中形状特征一致的情况下，色彩特征对于被试的影响不大，但色彩对对照组的影响要略微胜过实验组，能够理解为在具备先验图式的基础上，在色彩特征的影响下被试的决策意图更为明确，更不易更改。

表3 被试对于添加色彩特征后同一界面的判断

续表

表4 实验组与对照组的一致率对比

3.3 色彩语义分析

此外，在色彩特征一致的情况下，被试对不同形状的可视化图形的判断也存在差异，线条的粗细、形状的改变都会对被试的认知产生影响，如图4所示。

由表5数据可以看出，第2个界面的正确率与另外2个界面相比偏低，尤其是在拥有先验图式的实验组，因此形状的差异会影响被试对于仪表可视化的认知。而先验图式则会优化被试对于相似图形可视化的选择与判断。

图4 不同色彩测试界面

界面4(a)界面4(b)界面4(c)实验组正确数959总数101010正确率90.00%50.00%90.00%对照组正确数656总数101010正确率60.00%50.00%60.00%

3.4 实验组与对照组眼动分析数据

3.4.1 注视点数分析

从表6和表7中数据可看出，实验组与对照组中平均注视点数差异较小，分别是23.81与23.06。说明被试在完成任务中先验图式对于注视点数目影响较小，被试是否拥有先验图式在被试进行任务时会辅助被试的决策；反之，由于先验图式的存在，导致被试过于关注脑海中的先验知识而使用较多的注视点数。从图5中可以看出，2个组别的注视点数基本处于持平阶段，最高点与最低点也较为一致。因此，注视点数并非一个主要的影响因素。

表6 实验组中被试注视点数描述统计

表7 对照组中被试注视点数描述统计

图5 被试兴趣区域的平均注视点数

3.4.2 注视持续时间分析

从表8和表9中数据可以看出，实验组的平均注视时间要短于对照组的平均注视时间，说明先验图式可以帮助被试快速的选择与先验图式相匹配的目标，更快的理解数据图形，被试只需花费更少的时间与认知效力即可完成实验组的任务。此情况在图6中也有所体现，对照组大部分情况下都处于实验组上方，说明了先验图式在被试任务进行中起到了一定的作用。

表8 实验组中被试注视持续时间描述统计

表9 对照组中被试注视持续时间描述统计

图6 被试兴趣区域的平均注视时间

4 结束语

本文给出了2组对比性实验，实验组添加第1阶段的搜寻给定图形的任务，对照组则未添加，依照认知心理学中的认知图式理论，对动态可视化能够帮助被试更快地理解动态可视化中的界面特征。表1与表2结果说明先验图式对于问题正确率存在较为显著的影响。在既有先验知识的基础上，被试在认知的过程中会受到无形的干扰；表3与表4则体现了色彩特征对于对照组的影响要稍稍大于实验组，对于问题的正确率来说影响不大；表5则显示形状特征对于被试的选择判断的影响还是非常明显的，尤其是与先验图式有较大差异的形状特征。在此基础上形状的优先级要略微大于色彩的优先级，语义特征则是在这二者的基础上进一步的深化；表6与表7则显示先验图式对于注视点数的影响并不明显，对照组的注视点数反而比实验组要略微高一些，这种影响微乎其微；反之，先验图式对注视时间确实有一定的影响，在具备先验知识的基础上，被试只需花费更少的时间与认知效力就能完成这项试验任务。由此来看，大脑中的先验结构在动态可视化界面特征的认知过程中占据了较为重要的位置，适当地利用它，会帮助用户高效、快捷地理解数据可视化，从而做出关键性的决策。在今后的研究中，会以此为基础，在动态可视化中的“动”中下着手，给出相应的动态可视化界面特征评价标准，为动态可视化的前沿研究给出一定的理论指导。

[1] 陈为, 沈则潜, 陶煜波. 数据可视化[M]. 北京: 电子工业出版社, 2013.

[2] (日)箱田裕司. 认知心理学[M]. 上海: 华东师范大学出版社, 2013.

[3] 闫国利. 眼动研究心理学导论[M]. 北京: 科学出版社, 2012.

[4] 王基祥. 浅谈首因效应的影响因素及现实应用[J]. 科技信息: 科学教研, 2007(36): 133-133.

[5] 李铁萌, 邝野, 孙炜, 等. 基于实体用户界面的智能手机直觉化交互方式[J]. 中国科技论文, 2013, 8(10): 1021-1024.

陈丛哲(1991-)，男，研究生，主要从事大数据界面设计研究、人机交互设计。

Dynamic Visualization Interface Feature Under the Guide of Cognitive Schemata

CHEN Cong-zhe，XUE Cheng-qi，WANG Hai-yan，PENG Ning-yue

(SouthEastUniversity,Nanjing211189,China)

The diversity of data determines complicated visual interface, one of the difficult points to be handled nowadays is how to transfer data into what for practitioners to conduct related research and analysis. This paper exploits knowledge of cognitive psychology to extract interface feature. Starting with dimensions of morphological characteristics and semantic feature and combining with cognitive schemata, it is possible to accomplish the quick comprehension of data dynamic visualization, helping user to catch necessary information quickly when they want to make decisions.

interface feature; cognitive schemata; data visualization

2016-09-06

TP391.412

A

1008-5300(2016)05-0039-05