基于视觉探索的交互式可视化研究与设计.pdfVIP

摘要

随着大数据可视化的发展，交互式可视化被广泛应用，交互性已经成为实现视觉探索和

洞察力生成的强大工具，同时也给交互式可视化的设计带来了巨大挑战。虽然目前对于交互

式可视化的研究已经取得了阶段性的进展，但是对于交互式可视化如何支持用户进行视觉探

索的研究较少，视觉探索对于用户如何从交互式可视化中提取信息至关重要。针对现有的研

究局限，本文以视觉探索为切入点，通过对视觉探索相关理论进行分析和总结，提出一套系

统的支持视觉探索的交互式可视化的设计方法，并运用眼动追踪技术对设计方法的有效性进

行验证，并以数字孪生系统为例进行了设计实践评估了设计的有效性。本文的主要研究内容

和创新点为：

（1）梳理和总结交互式可视化视觉探索的相关理论。首先对视觉探索过程中的认知机

制进行分析并划分了视觉探索过程中的交互层次结构，包括物理事件、交互功能、具体任务

和认知过程四个层次；然后对视觉探索策略进行分析总结，提出视觉探索策略中存在的交互

功能可发现性低和视线摇摆行为的问题；最后对支持视觉探索的可供性理论和视觉隐喻理论

进行研究。

（2）提出了系统的支持视觉探索的交互式可视化的设计方法。该方法基于视觉探索过

程中的认知机制和交互层次结构自上而下进行构建，分为基于视觉探索的交互式可视化数据

分析与用户任务分析，基于视觉探索的交互式可视化交互设计和基于视觉探索的交互式可视

化视觉设计三部分，并针对视觉探索策略中出现的交互功能可发现性低和视线摇摆行为的问

题，提出了相应的解决方法。

（3）对提出的设计方法的有效性进行验证。运用眼动追踪技术对提出的提高交互功能

可发现性的设计方法和对抗视线摇摆行为的设计方法进行实验探究，通过对眼动指标的分析

和对比，验证了设计方法的有效性，为设计实践提供了理论支持。

（4）以数字孪生系统为例进行设计实践并评估设计的有效性。基于提出的支持视觉探

索的交互式可视化的设计方法，以眼动实验结果为理论依据，对某电缆中压车间数字孪生系

统进行设计实践，并运用主观评价的方法对设计的有效性进行评估。

关键词：交互式可视化、视觉探索、人机交互、界面设计、设计方法

Abstract

Withthedevelopmentofbigdatavisualization,interactivevisualizationsarewidelyused,and

interactivityhasbecomeapowerfultoolforenablingvisualexplorationandinsightgeneration,while

alsoposinggreatchallengestothedesignofinteractivevisualizations.Althoughcurrentresearchon

interactivevisualizationhasmademilestones,lessresearchhasbeenconductedonhowinteractive

visualizationcansupportusersinvisualexploration,whichiscriticaltohowusersextractinformation

frominteractivevisualization.Toaddressthelimitationsofexistingresearch,thispapertakesvisual

explorationastheentrypoint,analyzesandsummarizesthetheoriesrelatedtovisualexploration,

proposesasystematicdesignmethodforinteractivevisualizationsupportingvisualexploration,and

verifiestheeffectivenessofthedesignmethodbyusingeye-trackingtechnology,andevaluatesthe

effectivenessofthedesig