可视化多学科设计实践

袁晓如

0 引言

可视化系统通过提供对数据的视觉表达形式帮助人们更有效地完成特定任务[1]。从展现新冠疫情态势，到描绘全球气候变化，从社会经济发展数据、城市的交通移动数据，到个人的生活起居数据，可视化帮助公众快速了解数据的全貌，发现有趣的数据模式和关联关系，并留下深刻持久的印象。近20 年来，随着互联网的发展，面向公众的可视化在理论研究和实践方面都获得了高度重视和长足发展。

1 可视化的设计挑战

可视化构型的设计空间（Visualisation Idiom Design Space），即如何确定和创建视觉表示、如何开展视觉交互，异常复杂庞大。可视化设计者需要了解目标用户的数据分析需求，与用户深入交流从而理解相应领域情况；在完成问题表征后，进行数据转化和任务抽象，摆脱原始问题中具象信息的干扰，剖析复杂的问题，明确问题所在的领域和对应的解决策略。这其中涉及各类应用领域，也包括心理、艺术设计、数学等基础学科和计算机科学，可视化的设计实现是一个典型的多领域相结合和多学科交叉的过程。

由于数据和任务的多样，产生的可视化自然应当是多姿多彩的。然而，当前的商业可视化实践中往往难以呈现出这一多样化的美感。如果在谷歌或者百度搜索引擎中检索“可视化”相关的图片，看到的几乎都是由简单图表组合而成的面板。这类暗色大屏效果是人们对可视化的刻板印象。

相比之下，可视化早期的作品往往更为丰富生动。可视化的先驱通过精心设计的图形图表生动地描绘数据，把复杂枯燥的数据变得精炼明晰，便于公众理解和记忆。虽然由于技术的局限，这些经典的可视化作品仅是静态的表达，却蕴含着丰富的视觉效果。例如苏格兰工程师威廉·泼雷费尔（William Playfair）绘制的1700-1780 年英国与丹麦和挪威的进出口顺逆差情况（图1），通过在曲线之上，用颜色和条带宽度表示进出口的顺逆差，辅以简约的标签描述，对贸易问题做出了令人印象深刻的表达。1930 年代，英国的亨利·贝克（Henry Charles Beck）改进的伦敦地铁图，用规则的横竖斜线强调拓扑关系而非绝对距离这一设计沿用至今，成为广泛应用于世界各地的经典地铁图。

1 威廉·泼雷费尔绘制 的进出口贸易时间序列图，引自参考文献[2]

2 交叉实践

对比上述现象，需要我们在教学和实践中更进一步推行多学科交叉实践，回归可视化设计的初衷。北京大学从2009 年夏天率先开始面向全国开放举办可视化暑期学校，近几年招收计算机、设计和应用领域的学员，在课程设计中混合组队，开展学科交叉教学实践。这里我们选取的2021 年暑期学校项目“历年全国十大考古新发现可视化”[3]（图2）是北京大学可视化与可视分析实验室对1990-2021 年十大考古新发现专门设计的可视化工作，为了解中国考古发展成就提供了新颖、便捷且有趣的视角。

2 历年全国十大考古发现项目概览

该项目组5 位成员分别具有计算机科学、可视化设计和数学统计的背景，在多学科的合作中激发出许多创新。在暑期学校期间，项目组前期完成数据处理和分析，讨论可视化设计需求，对数据包含的实体进行统计和分析，确定视觉编码的对象和维度，并且对数据潜在的有趣信息进一步衍生和标注。比如，提取标注每个发现的遗址类型以及发掘单位的类型，通过选取编码选定特征为不同的视觉符号，和完全相同地把所有考古发现排布在视图中的做法相比，可以帮助用户更快地识别考古发现的差别分布。指导教师同项目组同学多次讨论迭代，进一步完善设计，尝试使用不同的可视化方法和多种图形来展示数据（图3）。项目组中具有编程背景的同学则分工实现了初步的可视化界面。

3 可视化设计迭代中间过程

此后，为了更全面地展示考古发现项目在不同维度的特点，项目团队在2021 年秋季集中开展了迭代修改，并咨询了北京大学考古领域专家提供专业建议。在这个项目的基础上，项目组结合北京大学考古百年历史，在“北京大学考古 100 年、考古专业 70 年” 特展中用可视化方法展示北京大学百年考古成就，受到领域专家的一致好评（图4）。

4 北京大学考古发现成就可视化在塞克勒博物馆参与展出

在近几年的可视化暑期学校中，选择的课程设计题目涵盖历史、教育、科学以及医疗等大众关心的话题。分工小组包含可视化相关专业、艺术设计专业和应用领域（包括人文/社科/科学/工程等方面）的学员。在较短的时间里，学员们的思维碰撞摩擦出创意的火花，完成一系列富有创造力、独具特色的精美可视化作品。更多作品总结在“可视化看中国”在线栏目（http://vis.pku.edu.cn/vis4china/）。这些课题在过程中邀请到了众多相应领域专家的加入，为推进更多领域应用可视化方法开拓了新路。

3 总结

可视化能够让数据展示和分析变得更直观、快速，互动性和洞察性更强，以帮助公众方便地理解数据内容、发现数据模式、交流数据信息。在构建可视化的流程中，不同角色的成员可以分工协作，从复杂的数据中抽取重要的信息，设计美观且高效的图形图像传达信息，使用不同工具制作支持交互探索的可视化内容。在现实生活中，不同应用领域都会遇到多种多样的数据展示和分析场景，这也极大地促进了可视化在实践中的学科交叉和技术融合，让我们更加期待面向公众的可视化多学科设计实践。□（致谢：在本文写作和素材提供方面，历年全国十大考古发现项目主要参与者、北京大学硕士研究生谭绍聪亦有贡献。）