信息可視化：動畫的多維可視化

李升銳 張志 王星 李俊彥

摘要：隨著信息技術的快速發展，信息如何快速的理解成為關注的重點，信息可視化無疑是最有效的途徑，而交互性動畫對抽象數據的可視化處理又將進一步降低認知負荷。探索數據信息自有的特點和結構，選擇合適的視覺化呈現方式，確保合理有效的視覺映射，將更易于解決動畫可視化設計中的實際問題。

關鍵詞：信息可視化；信息設計；視覺傳達；動畫

引言

在大數據時代，信息量迅猛增長，人們慢慢已陷入信息焦慮和信息過載造成的困境之中。如何在海量的信息中迅速而準確的獲取重要信息，變得尤為困難。信息組成的主要元素便是數據，而數據往往都是以散亂無規律的形式呈現，因此厘清繁冗復雜的數據關系便成為信息時代的一大困惑。如何將數據信息準確而有效的傳達給使用者，讓使用者更好的理解并高效探索有價值的意義成為一個重要的課題。

1、信息可視化概述

信息可視化（Information Visnalization）旨在研究抽象數據信息（數值數據、非數值數據）的視覺呈現，將抽象數據利用圖形圖像等技術與方法清晰而有效的呈現。信息可視化通過跨專業學科達到交流和傳播之目的，綜合圖形圖像處理、計算機技術、人機交互、心理學、文化研究等多個學科領域。

信息可視化是將抽象數據轉化為間接可觀察的視覺形式的過程，可以增強數據呈現效果，提高了人腦加工和處理信息的效率，被廣泛運用到了生物學、醫學、工學、金融、商業服務等領域，給決策提供了一定的依據。在研究視域，信息可視化可以分為兩個方面，一是針對數據本身的可視化表達，二是針對數據呈現關系的可視化表達。數據本身的可視化表達，即通過圖形圖像處理，將抽象數據進行直觀的視覺呈現，主要是對數據本身的剖析、呈現、演繹。數據關系的可視化表達，則需要通過對數據的計算與處理，著重于數據之間關系的梳理與呈現。在應用視域，可視化應用領域涉及文本可視化、數據挖掘可視化、社交可視化、生物醫療可視化、藝術品可視化等。

2、信息可視化中動畫的多維可視化

2.1 信息可視化中動畫的概念

信息可視化中的動畫主要是將可視化的抽象數據轉化為動態變化的過程。我們從許多信息可視化的實例中可以發現，閱讀者在與用戶界面產生交互時，表現信息的圖例會以動態方式呈現，這個過程中的動畫是依據時間維度的變化所對應的數據的變化。動畫的呈現形式，是由連續的靜態圖形或者影像承載于時間軸上不斷變化的結果，通過利用人眼的視覺暫留的特性對視覺產生連續的動作錯覺。從本質上來看，所有的動畫都是向閱讀者展現的一系列隨時間推移而連續快速變化的圖形或影像。從動畫表現主體的研究角度來講，可將其分為兩類。

2.1.1 表現物體的運動的過程

表現物體的運動過程的動畫，常以動畫短片形式呈現。在常見的動畫作品中，設計者往往以現實世界物體為原型加以夸張的表現手法，著重表現事物的運動過程，通過計算機動畫（Computer Graphics）的方式表現人物、動物、物品等的動作。現在已有相當完備的準則來協助設計者創作這一類型的動畫作品。

2.1.2 表現抽象數據的變化

表現抽象數據變化的動畫，是由科學可視化發展而來的，這其中的抽象數據既含有數值數據（報表、財務數據、股票數據等），也含有非數值數據（地理信息、文本信息等）。它們的可視化表現都是基于現實模型數據變化而來的，將抽象數據可視化有利于幫助用戶更好更快速的獲取最新資訊。可視化動畫將能夠呈現信息隨著時間推移的步驟和轉化過程。例如（圖1）所呈現的是2015年182個國家的預期壽命和收入，每個圓圈都代表一個國家，大小是人口規模，顏色是區域。GapMinder通過可視化動畫直觀的呈現出182個國在2015年人口壽命和收入的預期。

表現抽象數據變化的動畫，在可視化圖像抽象數據的同時還能將數據隨時間的變化加以動態的呈現，協助用戶剖析信息中隱藏的數據關系并高效的加以反饋。其動態性與時間序列性這一個性化特點無疑對信息閱讀者具有極強的吸引力，較文字類描述更具生動性和真實性，較靜態圖像更容易讓閱讀者發現核心的數據關系及內涵。這一類型的動畫被稱之為信息動畫（Information animation），是信息可視化中的一個新維度，通過動作和交互的形式增強了可視化信息的直觀性、準確性和高效性。

2.2 信息可視化中動畫應用的利弊

信息可視化動畫被廣泛應用于用戶界面之中，一系列文獻表明，動畫能大大提高信息的交互性與理解程度：1）運動物體更容易吸引用戶的注意力，動畫相較于靜態圖像而言，能夠承載更多的信息數據，可展現數據信息的大關系，更易于發覺數據的核心內涵；2）動畫在信息識別上具有獨特的優勢，能展現對象的變化過程，包括位置、顏色、形狀等軌跡信息，讓閱讀者發掘對象的運動變化過程；3）動畫有利于因果關系和指向性的表達，動態化的視覺展現方式更容易引起用閱讀者的興趣，閱讀者對信息的視覺感知和結構理解將更為高效。

當然，動畫在信息識別中也存在著一些缺點：1）動畫中在數據可視化轉換過程中可能會讓閱讀者注意到無價值的信息，因此動畫相較于靜態圖像會具有一定的信息過量威脅，容易導致閱讀者的誤解，需要閱讀者具有一定的認知能力，增加了閱讀者對信息的認知成本；2）動畫容易分散閱讀者的注意力，容易導致閱讀者的焦點集中于某一部分而忽略了其他區域的重要信息，干擾了對數據的深層認知，導致難以發掘數據信息之間的相關程度與核心內涵，使信息獲取變得碎片化，不易于信息識別；3）動畫具有時間幀這一特殊性質，動畫速度過快不利于數據信息的獲取與理解，動畫速度過慢則耽誤閱讀者時間，動畫的最佳速度由閱讀者的使用背景和應用場景的復雜程度決定，因此不易于確定。且動畫存在第二幀取代第一幀的情形，將會進一步增加對閱讀者的認知要求。閱讀者在獲取后一幀的信息時必須及時在大腦中儲備前幀的數據信息，在達到一定信息量后，勢必又將增加閱讀者的認知成本。

2.3 信息可視化中動畫的應用情境及原則

2.3.1 信息可視化中動畫的應用情境

Danyel Fisher在一篇研究動畫可視化的文章中提到，數據可視化的一個維度：“展現-探索”。因此，從功能主義角度研究信息可視化上看，主要可分為兩個方面。第一個方面為“展現”，主要強調對數據信息的呈現，設計者通過可視化處理著重于詮釋數據內容，閱讀者理解和接受觀點。第二個方面為“探索”，設計者呈現數據信息，閱讀者主動探索數據內容。這里將“展現”和“探索”區分開進行探討，實則“展現”和“探索”并不是完全分離的，許多交互的Web應用允許用戶去探索一些維度同時并沒有出現原始數據。因此，“展現”和“探索”之間的關系意味著設計者需要考慮可視化的目的。

那么，“展現”和“探索”具有怎樣的差異呢？其中，“展現”（Presentation）著重于設計者詮釋數據，讓閱讀者接受觀點，使數據得以穩定的呈現。達到選擇性的突出關鍵，逐一維度的清晰表達以及清晰描述軌跡信息之目的；“探索”（Explorer）著重于設計者呈現數據，讓閱讀者直接探索數據，其數據顯示實時因操作而產生變化。將有利于數據信息的多維度分析，多次改變映射關系，以尋找數據趨勢以及漏洞，最終使閱讀者的認知成本達到最低化。

上文雖然分析了信息可視化中動畫應用中存在的一些缺點，但其仍然在說明趨勢、運動和描述軌跡信息上占據著較強的優勢。在信息可視化動畫中，使閱讀者高效的認知信息是設計者的目的及核心要點。 “展現”型動畫中只能展示較少的維度，對于多維度、復雜性的信息的展示則存在著較大的難度。因此，“探索”型的交互控制動畫常用于復雜的、多維度信息數據的展示。靈活的交互表現方式將會使閱讀者主動探索數據信息并合理的分解信息結構，最大程度上的降低閱讀者的認知成本，提供最佳的視覺感受。

“探索”型的交互動畫主要突出主動控制這一特征，數據同閱讀者產生交互，即交互性動畫。交互性動畫將使閱讀者高效主動地獲取信息，有效降低了認知成本。但在降低閱讀者認知成本的同時，也勢必會造成其他認知問題的產生。例如：1）對缺少交互性動畫使用經驗的人群，交互性動畫將增加閱讀者的學習成本；2）設計者對交互性動畫的程序設計不當，將會導致數據呈現存在缺陷；3）分段展示設計不科學，不利于閱讀者的控制。因此，用戶的交互控制能力與動畫的科學分段展示將是動畫可視化成功與否的重要影響因素。

動畫可視化設計上存在著關系的權衡，要使其不僅僅適用于動畫而且適用于更為普遍的方方面面。

2.3.2 確保動畫可視化有效的原則

對于確保動畫可視化有效的原則，Tversky、Morrison及Bétrancour在其2002年的論文中指出兩條通用性的指導原則：可視化應該保持一致性和易理解性。一致性也就意味著呈現的信息符號必須和底層數據密切關聯。易理解性則表示可視化必須易于閱讀者的理解。因此，所有的原則都應該在這兩條通用性指導原則的范疇之內，堅持正確的原則將會確保信息可視化動畫向著最優方向演進。

確保動畫可視化有效的原則有三點，即分段展示原則、必要移動原則及有意義移動的原則。分段展示原則，逐個展現維度，確保可視化不需要同時做出多個變化。即可視化被分解為多個步驟，每階段可確保在下一步開始前已經完成；必要移動原則，確保有效映射，每一步的任意時刻都需要確保可視化具有意義。即確保存在一個從數據到可視化的映射，設計者只對變化信息進行動畫展示；有意義移動原則，保留有意義映射并維持不變，移動的坐標和類型應該都是具有實際意義的。

2.4 信息可視化的動畫設計框架

在信息可視化動畫研究領域以外的動畫相關研究已經形成了較為完備的體系，在傳統的動畫的視覺設計中一般包括造型設計、色彩設計、文字敘述、動作設計、轉場設計、動畫制作等。這樣的設計方式對信息可視化動畫具有一定的參考價值，但信息可視化動畫設計中在注重圖像識別的基礎上更應厘清元素之間的信息關系，在以“信息傳遞”為主要目標的信息可視化動畫中，可視化視覺表達是為信息設計所服務的，所以可視化表達的準確性與信息之間的匹配性將是重中之重，理想化的信息可視化是讓閱讀者最高效的獲取信息。因此，在參考傳統動畫設計方式及綜合信息可視化動畫遵從原則及目的后，歸納出信息可視化動畫的設計框架。

2.4.1 圖形元素設計

圖形元素是可視化表達的重要載體媒介，是信息可視化最基本、最實質性的元素，圖形元素的形態變化將會引導閱讀者感知動畫的呈現過程。對圖形元素的設計涵蓋兩方面，一為元素自身外形的設計，依據信息展示特點，設計出在視覺感官上有利于高效引導閱讀者理解數據信息的圖形元素。二為圖形元素變化形狀的設計，動畫是承載于時間軸上不斷變化的結果，“變”才是其中的核心要素，有目的有意義的形狀變化將會使可視化數據更直觀有效的呈現。例如我們常用形狀的放大和縮小來表示數據的增加或減少這一過程，這一形狀上的變化便有利于閱讀者高效理解所傳遞的信息內容。

2.4.2 動作設計

動畫動作設計，其主要包括這樣幾個方面，分別是方向、速度、運動軌跡的設定與呈現。在動畫的觀察過程中，閱讀者將主要依據元素形狀、形態的變化或和周圍元素間產生的對比等關系來判斷數據所傳遞的核心信息。往往以元素的位置、大小或速度的變化為判斷的先行條件。這些特征都將映射于信息可視化中，這些有效且有意義的映射都能直觀展現元素在時間軸上的維度變化。

2.4.3 節奏設計

對于動畫設計者而言，節奏的設計在傳統動畫設計中就是分鏡頭設計，主要依據動畫內容確定動畫表現的出現時間、展現形式、情境的調節，使動畫情節更為生動有趣。而信息可視化中節奏的設計，首先要從可視化內容和結構切入，依據信息展示特點進行節奏的把握，繼而確定動畫情節出現與消失的時間、動畫持續的時長、展示的頻率等要素。

在信息展現過程中，不論是圖形元素、動作設計還是節奏設計，每一次的變化都應是有助于閱讀者理解信息的合理視覺呈現。

3、結語

在信息可視化大環境下，動畫的多維信息可視化成為一種越來越重要的展現形式，這一表征形式因其輕松有趣的特點獲得多數受眾的歡迎。可視化的呈現方式則成為了設計者們關注的重點，在迎合閱讀者的同時更不能忽視動畫因自身特點所帶來的認知負荷問題。要從數據信息自身的特點和結構切入，選擇合適的視覺化呈現方式，確保合理有效的視覺映射，才是信息可視化設計的正確打開方式。同時，在動畫可視化設計上存在著關系的權衡，要使其不僅僅適用于動畫而且適用于更為普遍的方方面面。

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[4] 陳為，沈則潛.大數據叢書：數據可視化[M].北京：電子工業出版社，

2013.

作者簡介：

李升銳，現就讀于武漢工程大學藝術設計學院16級視覺傳達設計專業，主要研究方向為視覺傳達設計、信息可視化；

張志，副教授，現就職于武漢工程大學，主要研究方向為電子商務，新媒體營銷方向；

王星，現就讀于武漢工程大學藝術設計學院16級視覺傳達設計專業，主要研究方向為視覺傳達設計；

李俊彥，現就讀于武漢工程大學藝術設計學院16級視覺傳達設計專業，主要研究方向為視覺傳達設計。