基于腦電信號的數(shù)據(jù)可視化設計研究

摘要：基于數(shù)據(jù)可視化設計的理論方法，總結探索當前腦電數(shù)據(jù)可視化的特征及設計策略。探討與分析腦電數(shù)據(jù)可視化的基本要素，結合腦電可視化案例分析比較，歸納其設計特征以及類別，從建立視覺符號、選擇映射關系、設定模態(tài)交互3個方面構思腦電數(shù)據(jù)可視化的交互設計策略?？偨Y腦電數(shù)據(jù)可視化的三大特征以及進一步推導出可視化的設計方法。該研究可為腦電數(shù)據(jù)可視化設計及創(chuàng)新應用提供參考，幫助設計研究者理解和制訂合適的研究路徑。

關鍵詞：據(jù)可視化設計；腦電數(shù)據(jù)；視覺隱喻；映射關系；模態(tài)交互

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2024）12-0035-03

Abstract：Based on the theory and method of data visualization design，this paper summarizes and explores the characteristics and design strategies of current EEG data visualization. This paper discusses and analyzes the basic elements of EEG data visualization，combines the case analysis and comparison of EEG visualization，summarizes its design characteristics and categories，and conceiving the interaction design strategy of EEG data visualization from three aspects：establishing visual symbol，selecting mapping relationship and setting modal interaction. The three characteristics of EEG data visualization are summarized and the visualization design method is further deduced. This study can provide reference for the design and innovative application of EEG data visualization，and help design researchers to understand and develop appropriate research paths.

Keywords：Data visualization；Eeg data；Image schema；Mapping relation；Modal interaction

引言

近年來，由于大數(shù)據(jù)技術的興起與發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)類型被廣泛應用于新聞傳播、藝術展覽、醫(yī)療科普等場景中。與此同時，數(shù)據(jù)可視化設計作為衍生而起的信息傳達表現(xiàn)形式，通過篩選、組織和呈現(xiàn)，幫助人腦有效降低信息過載的價值逐步凸顯。

隨著人類精神文化需求的日益增長與設計理念的不斷創(chuàng)新，傳統(tǒng)單向、低維的閱讀的形式已轉向更高維、多元化、沉浸性的多模態(tài)交互形式中去。腦機接口技術作為新興的交互形態(tài)，已逐漸從醫(yī)療科研領域慢慢滲透向藝術設計領域，具有很強的拓展性和創(chuàng)新價值，但目前國內外相關的研究尚處于起步階段。本文將基于數(shù)據(jù)可視化設計的背景及理論，對腦電數(shù)據(jù)可視化設計的要素和特征進行深入研究，為腦電信號與可視化設計的有機融合提供創(chuàng)作思路。

一、腦電信號在設計領域的應用概述

腦電信號作為一種生理信號與人類的情緒、精神狀態(tài)、情感傳達有著密切的關聯(lián)，與其他生理信號：如心電、肌電相比，對人類感性的認知有著更為精確和敏銳的反饋[1]。當前，不少設計者跨領域進行了實驗與研究，Mirjana Prpa[2]等人提出了一種基于現(xiàn)有分類法中藝術品相似性的系統(tǒng)分類方法，通過輸入形式、映射模式、輸出形式、展示方式以及觀眾的主被動5個維度對1965到2018年61件腦電藝術作品進行了分類；Zhichuan Tang[3]等人提出了一種基于腦電數(shù)據(jù)的藝術治療評估方法，主要是依靠情緒刺激和繪畫治療；Piera Riccio[4]等人推出了一款基于人工智能的腦機接口程序，以人機交互的形式從藝術中表達人類的情緒。在實踐方面，由于腦電數(shù)據(jù)藝術與個體的強關聯(lián)性與創(chuàng)作的多元性，被應用在各種藝術裝置、大型展覽和展演中，例如北京冬殘奧會的開幕式短片《綻放》、吉他演奏家劉義軍在成都藝術雙年展的腦電音樂舞臺等，都以獨特的編碼邏輯與互動語言將隱藏在大腦中的節(jié)律通過藝術手段呈現(xiàn)出極大的視聽沖擊。

有別于一般數(shù)據(jù)可視化設計，基于腦電信號的可視化設計主體在創(chuàng)作者或是體驗者自身，主要通過五感互動或結合兩種主流情緒模型進行實踐創(chuàng)作，將不可見的信號轉化成能感知的視覺符號和交互體驗。由此，將隱秘在人腦中的電波信號與主觀呈現(xiàn)的設計意圖、視覺隱喻、交互形式之間建立關聯(lián)是腦電數(shù)據(jù)可視化設計的關鍵任務。

二、腦電數(shù)據(jù)可視化設計基本要素

英國數(shù)據(jù)記者和信息設計師大衛(wèi)·麥坎德利斯曾表示：我們接收的信息中80%來自視覺。借助圖形化的手段能夠以簡單、優(yōu)雅的方式來查看可能太復雜抽象或分散而無法掌握的信息。此外，他也將數(shù)據(jù)可視化歸納為信息、故事、目標與視覺形式四大要素[5]。有別于一般的數(shù)據(jù)可視化，腦電數(shù)據(jù)可視化是作為直接鏈接人體世界與外部外界的認知紐帶，在形式上更為貼近內容本身，表現(xiàn)形式更具多元化和創(chuàng)造力；在功能上更加強化了對個體的具身性認知。由此，筆者根據(jù)目前已有的研究范例衍生歸納出腦電可視化設計具備的三大要素：概念隱喻、場景數(shù)據(jù)與形式表現(xiàn)。

（一）概念隱喻：“概念隱喻”屬于認知語言學中的一個概念，最早由萊考夫和約瑟遜提出，與“隱喻”概念不同在于“概念隱喻”是深層次的，是人們利用在具體事物中形成的認知思維去映射到另一個抽象概念中，用一個事物去經(jīng)歷和理解另一個事物是概念隱喻的本質[6]。在《我們賴以生存的隱喻》一書中歸納定義了3種概念隱喻，即方位隱喻、本體隱喻和結構隱喻。在可視化設計范疇中，這樣的隱喻關系擺脫單一的文本層面，通過裝置藝術表現(xiàn)得更為直觀和立體。腦電數(shù)據(jù)藝術作品《無想之想》 很好地體現(xiàn)了結構隱喻（以一個具體的概念去理解抽象的概念）。此作品將“聚焦式冥想”這一概念通過6個主題性沉浸式自然場景為內容載體予以映射體現(xiàn)，體驗者佩戴腦電采集儀進入“專注模式”，凝視屏幕，當專注度高時，畫面中的雨滴會規(guī)律地落下、魚兒成群地游過、小鳥停在電線桿上……屏幕中的自然界形成一定的秩序。內心的“寧靜”與自然界的“寧靜”以體驗者的自主意識驅動達到相通的狀態(tài)，使體驗者在一次互動實驗中獲得了對冥想的認識。

（二）場景數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析是數(shù)據(jù)可視化的重要環(huán)節(jié)，也是腦電數(shù)據(jù)可視化的關鍵部分。而腦電數(shù)據(jù)的選取，通常是由“概念”中的場景生發(fā)而來，構建場景成為獲取數(shù)據(jù)的必要前提。例如，清華大學未來實驗室作品《腦機繪夢》中，目標是將人在睡夢中的腦電信號變化通過抽象畫面?zhèn)鬟_出來，由此構建的場景數(shù)據(jù)則是被試者在睡夢中（快速動眼期）的腦電信號；媒體藝術家Refik Anadol的作品《融化的記憶》旨在表現(xiàn)有關大腦記憶的物質性，所構建的場景則是讓體驗者進入特定的長期記憶中；在《巴甫洛夫很忙——大腦認知訓練游戲》設定的場景是要求體驗者佩戴耳機，聆聽一段節(jié)奏變化的音樂，由音樂刺激提取腦電信號的變化……由于腦電信號在不同的場景與刺激反饋中存在特殊性，可通過信號中的頻率、幅度等特征表現(xiàn)出來，因此成為腦電可視化設計不同于其他數(shù)據(jù)可視化的特征與要素所在。

（三）形式表現(xiàn)：形式表現(xiàn)亦離不開隱喻的傳達，通過代表項和喻指對象之間的相似性與關聯(lián)性來進行視覺表征，視覺符號在其中作為一種聯(lián)系本體喻體之間的橋梁，充分反映了設計者的抽象思維與通感表達。同時，形式表現(xiàn)又包含著媒介選擇和交互體驗，腦電可視化的形式表達與“概念”緊密結合，突破了單純依靠圖表、圖像、視頻、交互的創(chuàng)作手法，而是進行了有機的融合，在北京冬殘奧會開幕式上，張藝謀導演的作品《綻放》由一群殘障人士佩戴腦電提取器，通過意念將裝有顏料的氣球引爆，顏料最終噴灑到巨型畫布上，形成一幅獨一無二的“笑臉”[7]，如圖1。提取每位殘障人士的腦電波寓意殘奧會精神意志的總和，“引爆”氣球的概念隱喻奧運精神的迸發(fā)，不同顏色喻指來自五湖四海匯聚一堂的人們。作品最大程度展現(xiàn)了腦電可視化藝術的特點，即將人類內在精神的迸發(fā)顯化，與外在世界形成一致性，突破了對空間的設計，將數(shù)據(jù)的理性與藝術的張力進行融合，同時也蘊含著深刻的人文價值。

三、腦電數(shù)據(jù)可視化設計特征

可視化設計的目的是“讓數(shù)據(jù)說話”。打破數(shù)據(jù)本來模式化、公式化的屬性特征，與圖形圖像語言產(chǎn)生耦合[8]。腦電數(shù)據(jù)可視化由于其數(shù)據(jù)提取的特殊性，具備以下發(fā)展特征：主體參與的沉浸性、數(shù)據(jù)提取的特定性、人機交互的情感性。

（一）主體參與的沉浸性：隨著數(shù)據(jù)可視化逐步滲透向敘事學領域，要求可視化設計不僅滿足觀眾對信息認知層面的理解，還要讓作品具備情感化和沉浸性。敘事學家瑪麗·勞爾·瑞安將沉浸劃分為空間沉浸、時間沉浸、認知沉浸、情感沉浸和社會沉浸[9]。英國創(chuàng)意科技工作室Random Quark的作品The Art of Feeling創(chuàng)作了一個將用戶的積極記憶轉化為數(shù)字繪畫的藝術實驗，每個參與者收集的數(shù)據(jù)被輸入群體可視化系統(tǒng)，這樣每個數(shù)字筆刷就遵循一定的規(guī)則轉化成一群復合筆刷的效果，如圖2。每位參與者都會通過引導而產(chǎn)生情感沉浸，進入回憶同時也進入了時間與空間的沉浸。每位體驗者都會收到一幅獨一無二的數(shù)字繪畫，反映了他們回憶起快樂經(jīng)歷時個人腦電信號的變化。

（二）數(shù)據(jù)提取的特定性：數(shù)據(jù)從目標需求與理解上分為兩大類，即按照數(shù)據(jù)特征與任務關系進行分類，以及按照不同應用領域中的使用目標進行分類[10]。腦電信號數(shù)據(jù)就屬于第一種類型，存在著不同任務關系下對應不同數(shù)據(jù)的情境，通過控制變量設定不同場景，而將不同場景下產(chǎn)生的信號作為特定研究對象進行實踐。例如，清華大學的夢境生成實驗就是基于睡眠場景來進行數(shù)據(jù)采集，由被試者睡醒后對回憶的夢境狀態(tài)制定情緒標簽，情緒標簽對應快速眼動期睡眠的數(shù)據(jù)，經(jīng)過踩點將其分為不同情緒對應的數(shù)據(jù)段[11]?？梢暬O計是通過選擇腦電數(shù)據(jù)幾個通道的不同情緒數(shù)據(jù)段來控制編程中筆刷的某些元素，對應到繪制的大小、位置等信息。

（三）人機交互的情感性：鐘鳴等[12]基于通感轉化理論研究，指出交互裝置設計可以通過用戶感知引導與環(huán)境引導推進通感體驗與情感體驗的升級。腦電波藝術的情感性可以通過外部刺激和腦電的情感識別系統(tǒng)進行頻帶探究來體現(xiàn)。讓體驗者通過外界刺激（氣味、圖片、音樂、視頻等）產(chǎn)生情感變化（高興、悲傷等）并記錄下此時的腦電信號。再對腦電信號做預處理，降噪去偽跡，最后提取出與情感相關的特征，從而實現(xiàn)基于腦電的情感識別。腦電可視化裝置《伊于胡底》為體驗者營造了一個關于“感受平靜”的體驗空間，裝置的起伏能夠影響體驗者的情緒，而體驗者需要感知自己的情緒進而去控制裝置起伏波動的大??；在格蕾絲·萊斯利的音樂作品Vessels中，通過電極設備獲取的腦電數(shù)據(jù)驅動合成器生成音樂，同時藝術家將配合此音樂進行長笛演奏，構成了具有不同音色、聲部的完整音樂作品。在腦電波藝術的體驗過程中，體驗者會不斷嘗試與互動載體形成內在平衡，打破對立視角，引入對自身的情緒及思維把握中去，即在交互中感知情緒的流動。

四、腦電數(shù)據(jù)可視化的交互設計策略

楊彥波等[13]在信息可視化研究綜述中指出，可視化技術與應用的實現(xiàn)方向，需從直觀化、關聯(lián)化、藝術化、交互化實現(xiàn)即時數(shù)據(jù)操作。由于腦電數(shù)據(jù)可視化獲取的數(shù)據(jù)更為抽象和隱晦，在構建數(shù)據(jù)可視化的設計路徑中，本文基于其特點，從表現(xiàn)形式、內部邏輯與交互方式提出了3個維度的設計策略：建立視覺符號、選擇映射關系、設定模態(tài)交互。圖3為筆者針對上述系統(tǒng)構思總結整理的腦電數(shù)據(jù)可視化設計流程和交互策略。

（一）建立視覺符號

1.意象圖式與視覺符號：在構建腦電可視化整體邏輯之初，首先需要特定的概念隱喻將其支撐起來，意象圖式是概念隱喻的具體表達，最初是由認知語言學家喬治·萊可夫和馬克·約翰遜提出[14]。其將看似無關聯(lián)的抽象活動賦予具體結構，從而重新給一些日常生活中無關聯(lián)意義的事物建立一定的規(guī)則和聯(lián)系[15]。

基于意向圖示延伸出了視覺符號。在可視化設計中，不同的視覺符號給人帶來不同的感知。人們能夠通過這種帶有強烈情感色彩的“視覺符號”語言來表達自己意識中存在的情感態(tài)度，視覺符號的建立是對概念隱喻的具體構思與集中展現(xiàn)。

2.腦電信號的視覺符號提?。涸谀X電可視化設計中，視覺符號作為信息的中轉，與腦電信號和受眾感知緊密相連，符號的造型、大小、色彩、光影等都影響著受眾的理解，要求設計者更好地把握腦電信號所代表的個體情緒，以便于將視覺符號建立有效的信息對稱，降低受眾對作品的誤讀。

在媒體藝術家Refik Anadol的作品《融化的記憶》中，參與者被指定進入特定的長期記憶中，捕捉的腦電數(shù)據(jù)實時反饋到定制的LED媒體墻上。在微觀上，視覺符號所承載的元素喚醒觀眾對于腦中記憶的共同認知，例如沸騰的漩渦、波濤洶涌的海浪代表急促的記憶；盛開的花朵和流動的沙子則表達舒緩的回憶。在宏觀上，這些可視化的元素探討了大腦記憶的物質性，記錄記憶檢索的過程，將沉浸式互動體驗從空間沉浸內化到認知沉浸、情感沉浸，消解了現(xiàn)實環(huán)境與內在環(huán)境的邊界，充分地融合觀眾的心智模式與情感共鳴，挖掘了互動藝術更多的可能性，形成了超越空間的互動體驗。

在腦電數(shù)據(jù)可視化設計中，運用意象圖式理論建立的腦電視覺符號有助于我們構建整體的概念隱喻，有利于體驗者從直觀而整體的角度聯(lián)想和思考主題，建立語義聯(lián)系，并進一步感知作品賦予的特殊含義。

（二）選擇映射關系：圍繞腦電可視化人機交互情感性的特征，在交互表現(xiàn)手法上對數(shù)據(jù)與形式的映射選擇尤為重要。映射是將數(shù)值數(shù)據(jù)轉變成幾何數(shù)據(jù)的功能，因此映射功能實質上完成的是數(shù)據(jù)建模功能，是可視化技術的核心[16]。數(shù)字技術能夠動態(tài)匹配數(shù)據(jù)的變化范圍從而實現(xiàn)映射關系，通過算法的邏輯完成互動[17]。不同映射關系在形式上存在差異，但出發(fā)點都是一致的：為消除信息閱讀障礙，幫助受眾更好地進行體驗。筆者根據(jù)現(xiàn)有腦電可視化設計歸納總結以下3種映射關系：直覺映射、邏輯映射與多通道映射，給設計者提供不同場景下的參考。

“直覺映射”是指從自身主觀認識出發(fā)，包括通過意識和潛意識來判斷信息之間的相對聯(lián)系，多依賴于自身情感與經(jīng)驗的主導，以人類普遍的認知體系為基礎，探究人類在處理視聽語言之間關聯(lián)性時具有的共通心理傾向。例如聽一段低沉的音樂能讓人聯(lián)想到某些悲傷的回憶，看一幅明亮歡快的畫作能讓人感到愉悅等。當需要以“情緒情感”作為主題的腦電可視化設計創(chuàng)作中，“直覺映射”通常作為一種用來檢測實驗是否滿足設想的驗證工具，與常見的Ekman情緒模型相結合，將情緒與色彩、音樂、氛圍一一對應。

“邏輯映射”是指根據(jù)預先設置的邏輯關系來判斷信息間的匹配規(guī)則。在眾多藝術表現(xiàn)形式中都存在著各自的邏輯系統(tǒng)，例如，音樂藝術存在著音高、音色、旋律、節(jié)奏，而繪畫藝術又存在著形狀、明暗、疏密、冷暖等內在邏輯，在這種內部邏輯中找到與之相對的關系稱為“邏輯映射”。在腦電數(shù)據(jù)可視化設計中根據(jù)設計創(chuàng)意的出發(fā)點選擇與之相對應的藝術表現(xiàn)形式，例如腦電數(shù)據(jù)聲音化的過程，即是在實時傳輸?shù)哪X電數(shù)據(jù)中將不同波形的振幅強度反映在聲音輸出的強度（音量、音高、速度）上，使之完成內部邏輯的映射關系。

“多通道映射”源于計算機技術名詞，原指計算機與人類感官系統(tǒng)相對應的多個信息輸入和輸出通道。在腦電數(shù)據(jù)可視化的運用中，多通道的映射關系理解為將腦電信號與多感官、行為、情感等信息之間建立起多重的映射通道，并以不同的形式傳達。存在一對多、多對一或者多對多的映射模式。最常見的是將腦電數(shù)據(jù)與視聽進行同步映射。

（三）設定模態(tài)交互：在數(shù)字媒體交互語言中，無外乎將感官通道與媒介進行融合，多感官模態(tài)理論包含3種不同維度的意義：第一層指聯(lián)合感官機能，使信息接收過程更沉浸和直觀；第二是從藝術傳播形式出發(fā)，單一的視覺傳播形式通過感官和生理特征得到了延展，擴充了藝術表現(xiàn)形式；第三是指在情感連接層面獲得更準確和有效的信息傳達和體驗感受[18]。下文基于數(shù)字體驗設計基礎認知，從感官層、行為層和意識層具體分析腦電可視化模態(tài)交互形式的設定（圖4）。

1.感官層：在數(shù)字體驗中，通過感官接受信息具有本能和主動的特征。場景數(shù)據(jù)作為腦電數(shù)據(jù)可視化的基本要素，其設計特征體現(xiàn)在數(shù)據(jù)提取的特定性上，這種特定性通常與感官系統(tǒng)相聯(lián)系。例如，圣羅蘭的“電波穿香室”利用嗅覺與腦電信號變化的聯(lián)系去推薦匹配個體喜好的香水；格蕾絲·萊斯利的音樂作品Vessels 探索了在腦電信號控制下產(chǎn)生的音樂和在音樂控制下產(chǎn)生的腦電變化，以及聽覺與腦電變化互相聯(lián)動的關系。對于設計師來說，把握好感官系統(tǒng)能夠營造更為貼切的設計場景，提升受眾體驗，同時讓作品更具說服力。

2.行為層：模態(tài)交互形式的選擇取決于研究目的與主題設定，體驗是人與環(huán)境相互作用的結果。在行為探索階段，分析受眾在活動中的行為，能夠挖掘用戶行為背后的認知心理，從而確定匹配的交互形式進行有效的信息傳遞?；右曨l裝置《混亂的故事線》采集體驗者在觀看《哈姆雷特》影片時的腦電數(shù)據(jù)，在觀眾集中注意力觀看影片時影片會正常播放，而當觀眾走神時，影片會亂序。此作品針對用戶正常的觀看習慣進行研究，分析視覺及專注度與腦電變化的聯(lián)動關系。

3.意識層：意識層作為數(shù)字體驗的最高層級，旨在基于用戶心智將思維聯(lián)通、情感化表達融入交互設計中。在腦電可視化設計中，通過腦電信號對用戶的情感狀態(tài)、認知和思維過程以及體驗感受進行深入分析和理解，可以提供更加智能化、個性化和具有情感共鳴的交互體驗。例如，在情感研究學家Suzanne Dikker的裝置Mutual Wave Machine中，讓兩名體驗者進入一個親密膠囊中，彼此對望，靠意念驅動膠囊使其接近或拉開距離，在體驗期間，腦電波越同步則表現(xiàn)出更連貫和可識別的視聽模式，而不同步則表現(xiàn)出趨向于黑暗的混亂視聽。此實驗設計進一步將腦電信號與個體意識和情感的鏈接通過裝置藝術顯化出來。

結語

腦電可視化的核心是將大腦的情緒與感覺以映射的形式展示于外界，結合視覺、聽覺、觸覺等感知覺以及空間的營設，完成對身體數(shù)據(jù)的多元化數(shù)字建構。從另一種意義上來說，腦電波藝術創(chuàng)作，打破了原有的設計與藝術的門檻，使所有人都可以成為自己的創(chuàng)作者，個體的不可替代性得到了極大程度的彰顯。本文基于腦電技術，探討了當前腦電數(shù)據(jù)可視化設計的基本要素、設計特征，以及提出了從視覺符號、映射關系、模態(tài)交互3個層面出發(fā)的設計策略。無疑，腦電數(shù)據(jù)可視化已經(jīng)突破了傳統(tǒng)藝術的概念，互動藝術與生理信號的碰撞結合，將激發(fā)數(shù)字生態(tài)領域更多元化的應用前景。

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