保持多個(gè)視圖一致：可視化構(gòu)建中的約束、確認(rèn)和例外

作者：Jiang, Ruike Jiang?

可視化作者創(chuàng)建和展示可視化時(shí)，經(jīng)常生成多個(gè)視圖。多個(gè)視圖之間可能存在不一致的現(xiàn)象:相同的變量可能在不同視圖中以不同方式編碼；不同的變量也可能以相同的方式編碼。

已有的可視化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則通常針對(duì)單視圖可視化。對(duì)于多視圖可視化，則需要可視化作者根據(jù)自己的準(zhǔn)則做決定。關(guān)于可視化作者何時(shí)會(huì)遵循一致性，以及會(huì)遵循什么樣的一致性，現(xiàn)在還很少有工作揭示。這篇論文[1]是第一個(gè)對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)研究的工作。

一致性約束樣例

一致性約束模型

這篇論文的作者從比例尺的角度定義一致性準(zhǔn)則。比例尺（scale）是屬性值域和視覺元素值范圍的映射和逆映射。它由三部分組成：域（domain）、范圍（range）和映射。域和范圍的概念取自D3中的定義。域與一個(gè)數(shù)據(jù)屬性相關(guān)聯(lián)，范圍則和映射資源有關(guān)。

一致性約束模型從2個(gè)高層次的約束出發(fā)。這2個(gè)約束是：

作者對(duì)這2個(gè)高層次約束，從數(shù)據(jù)類型（數(shù)值型、標(biāo)稱型）和映射通道（XY，顏色）的組合出發(fā)，擴(kuò)展成8個(gè)細(xì)節(jié)約束，再加上對(duì)常數(shù)顏色的約束，共得到9個(gè)細(xì)節(jié)約束。

下面介紹作者們關(guān)于9個(gè)細(xì)節(jié)約束進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)置

Tableau是實(shí)驗(yàn)中被試使用的軟件，因?yàn)樗С謴奶剿鞯秸故镜难杆偾袚Q，并且提供靈活的多視圖排列方式。

參與實(shí)驗(yàn)的被試是從大學(xué)的人機(jī)交互的郵件列表中選取，共有10名被試，其中4名男性，6名女性，年齡在18歲至56歲之間。他們都熟悉Tableau，并且至少在可視化方面有最基礎(chǔ)的知識(shí)。

實(shí)驗(yàn)中，被試可以從多個(gè)數(shù)據(jù)集中選取最感興趣的，以使實(shí)驗(yàn)條件更接近真實(shí)場(chǎng)景。

實(shí)驗(yàn)采取的范式為綠野仙蹤范式（Wizard-of-Oz）。實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)者聲稱有一個(gè)自動(dòng)工具對(duì)被試的可視化進(jìn)行了檢查，但實(shí)際這個(gè)工具并不存在。相反，實(shí)驗(yàn)者手動(dòng)檢查了一致性。這一范式在人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)中較為常見，用于支持快速原型驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)分為4個(gè)階段：

定義：確認(rèn)和例外

為了分析對(duì)于一致性約束，用戶是接受還是拒絕，該論文的作者們定義了確認(rèn)和例外以及計(jì)數(shù)方法。

確認(rèn)是指用戶自發(fā)遵守或者在收到警告后遵守一致性約束，例外是指用戶給予明確的理由拒絕遵守一致性約束。確認(rèn)和例外的計(jì)數(shù)方式是，如果被試遵守約束條件，他需要更改或驗(yàn)證比例尺的次數(shù)。例如，當(dāng)用戶保持兩個(gè)視圖中的y比例尺一致時(shí)，記2次確認(rèn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

數(shù)值型XY比例尺

C1.1 相同屬性?相同XY比例尺

對(duì)于域相同，要求坐標(biāo)軸有相同的最大最小值；對(duì)于范圍，要求坐標(biāo)軸有相同的長(zhǎng)度；對(duì)于映射函數(shù)，要求映射類型相同，如同為線性映射、對(duì)數(shù)映射等

確認(rèn)（28）

一些用戶手動(dòng)設(shè)置不同視圖中y軸范圍和長(zhǎng)度相同，以進(jìn)行比較。當(dāng)域的范圍相差較小時(shí)，有用戶在經(jīng)過警告后立即修改可視化以符合一致性約束。

例外（15）

當(dāng)不同視圖的坐標(biāo)軸沒有并列時(shí)，一些用戶認(rèn)為由于目標(biāo)不是進(jìn)行比較，所以不需要遵守一致性約束。

例外（18）

18個(gè)例外的原因是，如果遵守一致性約束條件，會(huì)導(dǎo)致視圖中的空白區(qū)域過多。

C2.1 不同屬性?不同XY比例尺的域

對(duì)于不同的屬性，這一約束一般會(huì)自動(dòng)得到遵守，除非不同屬性碰巧擁有相同的值域，例如，概率的取值范圍都是[0,1]。軸的長(zhǎng)度以及比例尺的映射方式可以相同或者不同。

確認(rèn)（10）

作者們只包括了經(jīng)過思索之后的確認(rèn)。一位被試對(duì)不同的屬性，對(duì)百分比的數(shù)據(jù)使用線性映射，而其它屬性則選擇對(duì)數(shù)映射。

實(shí)驗(yàn)中這一約束沒有例外情況。

標(biāo)稱型XY比例尺

C1.2 相同屬性?相同數(shù)值，且順序相同

這一約束要求比例尺擁有相同的數(shù)據(jù)域，即，相同的標(biāo)稱值；相同的視覺范圍，即相同的坐標(biāo)軸長(zhǎng)度；以及相同的映射方式，即，相同的標(biāo)稱值的順序一致。作者們有意使得這一約束嚴(yán)格，當(dāng)兩個(gè)比例尺包含的元素不完全相同時(shí)，也要求相同的部分的元素順序一致。

確認(rèn)（9）

對(duì)于不同視圖中的同一標(biāo)稱屬性，一些被試有意識(shí)地使用相同的過濾條件和排序方式，使得比例尺中包含順序相同的屬性值，即使這一屬性值可能對(duì)應(yīng)空值。

設(shè)置過濾和排序條件使得標(biāo)稱屬性的XY比例尺一致。

確認(rèn)（10）

對(duì)于Tableau中一種特殊的屬性，測(cè)量名稱（measure name），作者們發(fā)現(xiàn)一些被試在收到關(guān)于一致性約束的警告后，認(rèn)可這一警告，并進(jìn)行修改。

例外（3）

一位用戶將谷物名稱分別按照評(píng)分、大小、熱量進(jìn)行排序，所以選擇不遵守一致性約束。如圖所示：

例外：按照不同方式對(duì)標(biāo)稱屬性進(jìn)行排序。

C2.2 不同屬性?不同標(biāo)稱值

這一約束也應(yīng)該自動(dòng)符合。

確認(rèn)（4）

由于這一約束一般自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，只有少數(shù)情況被試會(huì)檢查不同屬性的值是否有重合。

數(shù)值型顏色比例尺

C1.3 相同屬性?相同顏色比例尺

這一約束要求相同的域：比例尺的開始值和結(jié)束值分別相同；相同的范圍：開始和結(jié)束顏色分別相同；相同的映射函數(shù)：相同的數(shù)值應(yīng)該被映射到相同的顏色。

確認(rèn)（2）

在實(shí)驗(yàn)中，不同視圖中使用顏色編碼相同數(shù)值型屬性的情況很少，一位被試硬編碼了顏色比例尺的域，使得兩個(gè)熱力圖的顏色比例尺相同。

這一約束沒有例外。

C2.3 不同屬性?不重疊的色度

這一約束要求域不相同，一般可以自動(dòng)達(dá)成；要求包含不同的色度，目的是使得不同的色度與不同的屬性相聯(lián)系，防止誤解。這一約束不要求顏色映射函數(shù)不同。

確認(rèn)（2）

例外（7）

一些用戶將數(shù)值分為好/壞等語(yǔ)義信息，使用不同色度代表這一語(yǔ)義。不同的數(shù)值屬性采用這種語(yǔ)義進(jìn)行映射時(shí)，色度會(huì)重疊。

標(biāo)稱型顏色比例尺

C1.4 相同屬性?相同值-顏色映射

這一約束要求比例尺之間的域、范圍和映射方式分別相同。對(duì)于測(cè)量名稱，只要求映射方式相同，因?yàn)闇y(cè)量名稱由用戶手動(dòng)指定，域可能不同。

確認(rèn)（6）

一些用戶有意識(shí)地確認(rèn)了這一點(diǎn)，并在不同視圖中使用相同的比例尺，比如溫度的冷熱分別用藍(lán)和紅編碼。

確認(rèn)（12）

關(guān)于測(cè)量名稱，一些用戶針對(duì)不同的屬性，有意識(shí)地采用與屬性綁定的顏色，比如一位用戶創(chuàng)建關(guān)于谷物各屬性值的柱狀圖時(shí)，有意使得不同屬性對(duì)應(yīng)的柱狀圖采用不同的顏色。如下圖所示：

不同標(biāo)稱屬性使用不同顏色色度案例

C2.4 不同的屬性?重疊的顏色

不同屬性的值域一般不同，C2.4要求不同屬性使用的顏色集不重疊，因此映射函數(shù)也自然滿足約束。

確認(rèn)（5）

一些被試自發(fā)地意識(shí)到這一點(diǎn)，還有一些被試因?yàn)橐粋€(gè)屬性的基數(shù)大，忽視了顏色的重疊，在接受警告后，進(jìn)行了修改。

例外（4）

一些被試認(rèn)為當(dāng)一個(gè)屬性的基數(shù)較大時(shí)，顏色只是為了區(qū)分，而非記憶，所以他們選擇不遵守一致性。

C2.5 標(biāo)稱值對(duì)應(yīng)的顏色與常量顏色不同

C2.5要求可視化中的一些常數(shù)顏色，例如柱狀圖的顏色，與標(biāo)稱值的顏色不重疊。

確認(rèn)（2）

一位被試自發(fā)地將柱狀圖的顏色從藍(lán)色改為灰色來(lái)避免沖突。

例外（2）

與C2.4相似，一些被試認(rèn)為對(duì)于基數(shù)大的屬性，可以不遵循這一約束。

對(duì)于一致性約束模型的反思

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作者們對(duì)一致性約束模型進(jìn)行了初始的評(píng)估。

在實(shí)驗(yàn)中，確認(rèn)的計(jì)數(shù)大于例外，共有90個(gè)確認(rèn)，49個(gè)例外。將確認(rèn)分為用戶自發(fā)遵守和經(jīng)過警告以后遵守一致性約束，對(duì)C1/C2，XY/顏色和數(shù)值型/標(biāo)稱型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖：

自發(fā)確認(rèn)、警告后確認(rèn)和例外按類別統(tǒng)計(jì)圖

由上圖可以發(fā)現(xiàn):

自發(fā)確認(rèn)、警告后確認(rèn)和例外按約束統(tǒng)計(jì)圖

如上圖，當(dāng)對(duì)比不同細(xì)節(jié)約束的確認(rèn)和例外數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)：

此外，作者們還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于屬性是否相同，需要更微妙的定義。一些被試會(huì)采用其它一些策略，如，坐標(biāo)軸擁有相同的值標(biāo)簽，趨勢(shì)線的一致性等。

可視化構(gòu)建工具的設(shè)計(jì)

這一工作為可視化構(gòu)建工具中的一致性的支持提供了初始的基礎(chǔ)。

自動(dòng)的不一致檢測(cè)和解決

通過將比例尺分解表示成約束模型的3個(gè)成分，施加約束，系統(tǒng)可以輸出違反一致性約束的信息。通過搜索可能的比例尺定義，實(shí)現(xiàn)對(duì)不一致性的解決。還可以利用用戶的反饋引導(dǎo)和加速這一搜索過程。

設(shè)計(jì)混合式驅(qū)動(dòng)的一致性界面

通過對(duì)被試的訪談，作者們總結(jié)了可視化系統(tǒng)中一致性的自動(dòng)支持的一些建議。

結(jié)論

這篇論文擴(kuò)展和驗(yàn)證了一致性約束模型，提供了第一個(gè)對(duì)用戶感知和遵循一致性的仔細(xì)研究。這個(gè)工作確認(rèn)了可視化作者達(dá)成一致性的策略和一些例外情形，并提供了一致性模型和工具支持的建議。

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