信息可视化：动画的多维可视化

李升锐 张志 王星 李俊彦

摘要：随着信息技术的快速发展，信息如何快速的理解成为关注的重点，信息可视化无疑是最有效的途径，而交互性动画对抽象数据的可视化处理又将进一步降低认知负荷。探索数据信息自有的特点和结构，选择合适的视觉化呈现方式，确保合理有效的视觉映射，将更易于解決动画可视化设计中的实际问题。

关键词：信息可视化；信息设计；视觉传达；动画

引言

在大数据时代，信息量迅猛增长，人们慢慢已陷入信息焦虑和信息过载造成的困境之中。如何在海量的信息中迅速而准确的获取重要信息，变得尤为困难。信息组成的主要元素便是数据，而数据往往都是以散乱无规律的形式呈现，因此厘清繁冗复杂的数据关系便成为信息时代的一大困惑。如何将数据信息准确而有效的传达给使用者，让使用者更好的理解并高效探索有价值的意义成为一个重要的课题。

1、信息可视化概述

信息可视化（Information Visnalization）旨在研究抽象数据信息（数值数据、非数值数据）的视觉呈现，将抽象数据利用图形图像等技术与方法清晰而有效的呈现。信息可视化通过跨专业学科达到交流和传播之目的，综合图形图像处理、计算机技术、人机交互、心理学、文化研究等多个学科领域。

信息可视化是将抽象数据转化为间接可观察的视觉形式的过程，可以增强数据呈现效果，提高了人脑加工和处理信息的效率，被广泛运用到了生物学、医学、工学、金融、商业服务等领域，给决策提供了一定的依据。在研究视域，信息可视化可以分为两个方面，一是针对数据本身的可视化表达，二是针对数据呈现关系的可视化表达。数据本身的可视化表达，即通过图形图像处理，将抽象数据进行直观的视觉呈现，主要是对数据本身的剖析、呈现、演绎。数据关系的可视化表达，则需要通过对数据的计算与处理，着重于数据之间关系的梳理与呈现。在应用视域，可视化应用领域涉及文本可视化、数据挖掘可视化、社交可视化、生物医疗可视化、艺术品可视化等。

2、信息可视化中动画的多维可视化

2.1 信息可视化中动画的概念

信息可视化中的动画主要是将可视化的抽象数据转化为动态变化的过程。我们从许多信息可视化的实例中可以发现，阅读者在与用户界面产生交互时，表现信息的图例会以动态方式呈现，这个过程中的动画是依据时间维度的变化所对应的数据的变化。动画的呈现形式，是由连续的静态图形或者影像承载于时间轴上不断变化的结果，通过利用人眼的视觉暂留的特性对视觉产生连续的动作错觉。从本质上来看，所有的动画都是向阅读者展现的一系列随时间推移而连续快速变化的图形或影像。从动画表现主体的研究角度来讲，可将其分为两类。

2.1.1 表现物体的运动的过程

表现物体的运动过程的动画，常以动画短片形式呈现。在常见的动画作品中，设计者往往以现实世界物体为原型加以夸张的表现手法，着重表现事物的运动过程，通过计算机动画（Computer Graphics）的方式表现人物、动物、物品等的动作。现在已有相当完备的准则来协助设计者创作这一类型的动画作品。

2.1.2 表现抽象数据的变化

表现抽象数据变化的动画，是由科学可视化发展而来的，这其中的抽象数据既含有数值数据（报表、财务数据、股票数据等），也含有非数值数据（地理信息、文本信息等）。它们的可视化表现都是基于现实模型数据变化而来的，将抽象数据可视化有利于帮助用户更好更快速的获取最新资讯。可视化动画将能够呈现信息随着时间推移的步骤和转化过程。例如（图1）所呈现的是2015年182个国家的预期寿命和收入，每个圆圈都代表一个国家，大小是人口规模，颜色是区域。GapMinder通过可视化动画直观的呈现出182个国在2015年人口寿命和收入的预期。

表现抽象数据变化的动画，在可视化图像抽象数据的同时还能将数据随时间的变化加以动态的呈现，协助用户剖析信息中隐藏的数据关系并高效的加以反馈。其动态性与时间序列性这一个性化特点无疑对信息阅读者具有极强的吸引力，较文字类描述更具生动性和真实性，较静态图像更容易让阅读者发现核心的数据关系及内涵。这一类型的动画被称之为信息动画（Information animation），是信息可视化中的一个新维度，通过动作和交互的形式增强了可视化信息的直观性、准确性和高效性。

2.2 信息可视化中动画应用的利弊

信息可视化动画被广泛应用于用户界面之中，一系列文献表明，动画能大大提高信息的交互性与理解程度：1）运动物体更容易吸引用户的注意力，动画相较于静态图像而言，能够承载更多的信息数据，可展现数据信息的大关系，更易于发觉数据的核心内涵；2）动画在信息识别上具有独特的优势，能展现对象的变化过程，包括位置、颜色、形状等轨迹信息，让阅读者发掘对象的运动变化过程；3）动画有利于因果关系和指向性的表达，动态化的视觉展现方式更容易引起用阅读者的兴趣，阅读者对信息的视觉感知和结构理解将更为高效。

当然，动画在信息识别中也存在着一些缺点：1）动画中在数据可视化转换过程中可能会让阅读者注意到无价值的信息，因此动画相较于静态图像会具有一定的信息过量威胁，容易导致阅读者的误解，需要阅读者具有一定的认知能力，增加了阅读者对信息的认知成本；2）动画容易分散阅读者的注意力，容易导致阅读者的焦点集中于某一部分而忽略了其他区域的重要信息，干扰了对数据的深层认知，导致难以发掘数据信息之间的相关程度与核心内涵，使信息获取变得碎片化，不易于信息识别；3）动画具有时间帧这一特殊性质，动画速度过快不利于数据信息的获取与理解，动画速度过慢则耽误阅读者时间，动画的最佳速度由阅读者的使用背景和应用场景的复杂程度决定，因此不易于确定。且动画存在第二帧取代第一帧的情形，将会进一步增加对阅读者的认知要求。阅读者在获取后一帧的信息时必须及时在大脑中储备前帧的数据信息，在达到一定信息量后，势必又将增加阅读者的认知成本。

2.3 信息可视化中动画的应用情境及原则

2.3.1 信息可视化中动画的应用情境

Danyel Fisher在一篇研究动画可视化的文章中提到，数据可视化的一个维度：“展现-探索”。因此，从功能主义角度研究信息可视化上看，主要可分为两个方面。第一个方面为“展现”，主要强调对数据信息的呈現，设计者通过可视化处理着重于诠释数据内容，阅读者理解和接受观点。第二个方面为“探索”，设计者呈现数据信息，阅读者主动探索数据内容。这里将“展现”和“探索”区分开进行探讨，实则“展现”和“探索”并不是完全分离的，许多交互的Web应用允许用户去探索一些维度同时并没有出现原始数据。因此，“展现”和“探索”之间的关系意味着设计者需要考虑可视化的目的。

那么，“展现”和“探索”具有怎样的差异呢？其中，“展现”（Presentation）着重于设计者诠释数据，让阅读者接受观点，使数据得以稳定的呈现。达到选择性的突出关键，逐一维度的清晰表达以及清晰描述轨迹信息之目的；“探索”（Explorer）着重于设计者呈现数据，让阅读者直接探索数据，其数据显示实时因操作而产生变化。将有利于数据信息的多维度分析，多次改变映射关系，以寻找数据趋势以及漏洞，最终使阅读者的认知成本达到最低化。

上文虽然分析了信息可视化中动画应用中存在的一些缺点，但其仍然在说明趋势、运动和描述轨迹信息上占据着较强的优势。在信息可视化动画中，使阅读者高效的认知信息是设计者的目的及核心要点。 “展现”型动画中只能展示较少的维度，对于多维度、复杂性的信息的展示则存在着较大的难度。因此，“探索”型的交互控制动画常用于复杂的、多维度信息数据的展示。灵活的交互表现方式将会使阅读者主动探索数据信息并合理的分解信息结构，最大程度上的降低阅读者的认知成本，提供最佳的视觉感受。

“探索”型的交互动画主要突出主动控制这一特征，数据同阅读者产生交互，即交互性动画。交互性动画将使阅读者高效主动地获取信息，有效降低了认知成本。但在降低阅读者认知成本的同时，也势必会造成其他认知问题的产生。例如：1）对缺少交互性动画使用经验的人群，交互性动画将增加阅读者的学习成本；2）设计者对交互性动画的程序设计不当，将会导致数据呈现存在缺陷；3）分段展示设计不科学，不利于阅读者的控制。因此，用户的交互控制能力与动画的科学分段展示将是动画可视化成功与否的重要影响因素。

动画可视化设计上存在着关系的权衡，要使其不仅仅适用于动画而且适用于更为普遍的方方面面。

2.3.2 确保动画可视化有效的原则

对于确保动画可视化有效的原则，Tversky、Morrison及Bétrancour在其2002年的论文中指出两条通用性的指导原则：可视化应该保持一致性和易理解性。一致性也就意味着呈现的信息符号必须和底层数据密切关联。易理解性则表示可视化必须易于阅读者的理解。因此，所有的原则都应该在这两条通用性指导原则的范畴之内，坚持正确的原则将会确保信息可视化动画向着最优方向演进。

确保动画可视化有效的原则有三点，即分段展示原则、必要移动原则及有意义移动的原则。分段展示原则，逐个展现维度，确保可视化不需要同时做出多个变化。即可视化被分解为多个步骤，每阶段可确保在下一步开始前已经完成；必要移动原则，确保有效映射，每一步的任意时刻都需要确保可视化具有意义。即确保存在一个从数据到可视化的映射，设计者只对变化信息进行动画展示；有意义移动原则，保留有意义映射并维持不变，移动的坐标和类型应该都是具有实际意义的。

2.4 信息可视化的动画设计框架

在信息可视化动画研究领域以外的动画相关研究已经形成了较为完备的体系，在传统的动画的视觉设计中一般包括造型设计、色彩设计、文字叙述、动作设计、转场设计、动画制作等。这样的设计方式对信息可视化动画具有一定的参考价值，但信息可视化动画设计中在注重图像识别的基础上更应厘清元素之间的信息关系，在以“信息传递”为主要目标的信息可视化动画中，可视化视觉表达是为信息设计所服务的，所以可视化表达的准确性与信息之间的匹配性将是重中之重，理想化的信息可视化是让阅读者最高效的获取信息。因此，在参考传统动画设计方式及综合信息可视化动画遵从原则及目的后，归纳出信息可视化动画的设计框架。

2.4.1 图形元素设计

图形元素是可视化表达的重要载体媒介，是信息可视化最基本、最实质性的元素，图形元素的形态变化将会引导阅读者感知动画的呈现过程。对图形元素的设计涵盖两方面，一为元素自身外形的设计，依据信息展示特点，设计出在视觉感官上有利于高效引导阅读者理解数据信息的图形元素。二为图形元素变化形状的设计，动画是承载于时间轴上不断变化的结果，“变”才是其中的核心要素，有目的有意义的形状变化将会使可视化数据更直观有效的呈现。例如我们常用形状的放大和缩小来表示数据的增加或减少这一过程，这一形状上的变化便有利于阅读者高效理解所传递的信息内容。

2.4.2 动作设计

动画动作设计，其主要包括这样几个方面，分别是方向、速度、运动轨迹的设定与呈现。在动画的观察过程中，阅读者将主要依据元素形状、形态的变化或和周围元素间产生的对比等关系来判断数据所传递的核心信息。往往以元素的位置、大小或速度的变化为判断的先行条件。这些特征都将映射于信息可视化中，这些有效且有意义的映射都能直观展现元素在时间轴上的维度变化。

2.4.3 节奏设计

对于动画设计者而言，节奏的设计在传统动画设计中就是分镜头设计，主要依据动画内容确定动画表现的出现时间、展现形式、情境的调节，使动画情节更为生动有趣。而信息可视化中节奏的设计，首先要从可视化内容和结构切入，依据信息展示特点进行节奏的把握，继而确定动画情节出现与消失的时间、动画持续的时长、展示的频率等要素。

在信息展现过程中，不论是图形元素、动作设计还是节奏设计，每一次的变化都应是有助于阅读者理解信息的合理视觉呈现。

3、结语

在信息可视化大环境下，动画的多维信息可视化成为一种越来越重要的展现形式，这一表征形式因其轻松有趣的特点获得多数受众的欢迎。可视化的呈现方式则成为了设计者们关注的重点，在迎合阅读者的同时更不能忽视动画因自身特点所带来的认知负荷问题。要从数据信息自身的特点和结构切入，选择合适的视觉化呈现方式，确保合理有效的视觉映射，才是信息可视化设计的正确打开方式。同时，在动画可视化设计上存在着关系的权衡，要使其不仅仅适用于动画而且适用于更为普遍的方方面面。

参考文献：

[1] 付心仪，刘世霞，徐迎庆.信息可视化的发展与思考[J].装饰，2017， （04）：16-19.

[2] 杨彦波，刘滨，祁明月.信息可视化研究综述[J].河北科技大学学报， 2014，（01）：91-102.

[3] Julie Steele，Noah Iliinsky编. 数据可视化之美[M].北京： 机械工业出版社， 2011：323-324.

[4] 陈为，沈则潜.大数据丛书：数据可视化[M].北京：电子工业出版社，

2013.

作者简介：

李升锐，现就读于武汉工程大学艺术设计学院16级视觉传达设计专业，主要研究方向为视觉传达设计、信息可视化；

张志，副教授，现就职于武汉工程大学，主要研究方向为电子商务，新媒体营销方向；

王星，现就读于武汉工程大学艺术设计学院16级视觉传达设计专业，主要研究方向为视觉传达设计；

李俊彦，现就读于武汉工程大学艺术设计学院16级视觉传达设计专业，主要研究方向为视觉传达设计。