视觉编码原则

一、相对判断与视觉假象
人类感知系统的工作原理决定了我们在观察事物时，主要依赖于相对判断。在日常生活中，人们通常会选取一个参照物来描述另一个物体的外观变化。这种感知特性在可视化中尤为重要，因为通过相对判断精确揭示数据尺度需要一定的前提条件，例如使用相同的参照物或相互对齐，这有助于人们做出更准确的判断。同时，视觉假象（Visual Illusion）现象表明，人们通过眼睛获取的信息被大脑处理后形成的感知，有时与客观物理现实并不一致。因此，可视化设计必须避免产生阻碍或误导用户的元素。
二、标记与视觉通道的核心概念
可视化编码（Visual Encoding）是信息可视化的核心内容，指将数据信息映射成可视化元素的技术。这种编码通常由两部分组成：标记和视觉通道。
标记是数据属性到可视化元素的映射，用于直观地代表数据的性质分类。标记具有分类性质，通常表现为点、线、面、体等几何图形，并根据空间自由度进行分类（如点具有零自由度，线、面、体分别具有一、二、三维自由度）。标记的选择通常基于人们对事物理解的直觉感知。
视觉通道则是数据的值到标记的视觉表现属性的映射，用于展现数据属性的定量信息。视觉通道不仅具有分类性质，也具有定量性质。一个视觉通道可以编码不同的数据属性（如形状），也可以用于编码一个属性的不同值（如长度）。设计人员必须了解每个视觉通道的特性及其相互影响，将两者结合以完整地对数据信息进行可视化表达。
三、视觉通道的类型与表现力
视觉感知系统是迄今为止人类所知的具有最高处理带宽的生物系统，对可视化符号的信息获取能力远高于对文本和数字的直接识别。根据数据属性的不同，视觉通道主要分为三种性质类型：
定性/分类性质：描述对象是什么或在哪里，适合编码分类的数据信息。典型的定性视觉通道包括形状、颜色的色调或空间位置。
定量/定序性质：描述对象某一属性的具体数值或程度，适合编码有序的或者数值型的数据信息。大部分视觉通道属于此类，如直线长度、区域面积、空间体积、斜度、角度、颜色的饱和度和亮度等。
分组性质：针对多个或多种标记的组合描述，最基本的分组通道是接近性（基于格式塔原则），适合将存在相互联系的分类数据属性进行分组，表现数据的内在关联性。
视觉通道的表现力定义为视觉通道在编码数据信息时，需要表达且仅表达数据的完整属性，并尽量忠于原始数据。判断视觉通道表现力的标准主要包括四个维度：
精确性：描述人类感知系统对于可视化的判断结果和原始数据的吻合程度。
可辨性：在给定的取值范围内，如何调整取值使得人们的感知系统能够轻易区分该视觉通道的多种取值状态。
可分离性：在同一个可视化结果中，多个视觉通道的存在可能会相互影响，描述其在表达数据属性时两两之间的干扰现象。
视觉突出：指在很短的时间内（200～250ms），人们可以仅仅依赖前向注意力（Preattentive）直接发觉某一对象和其他所有对象的不同，且发现时间不随背景对象数量变化而变化。
四、视觉通道的有效性
不同的视觉通道具有不同的表现力，有效性要求设计者根据每个数据属性的重要性，使用合适的视觉通道进行编码。利用具有高表现力的视觉通道编码更重要的数据属性，可以使用户更容易地获取数据中的相对重要信息。根据表现力和有效性，视觉通道的排序通常为：位置 > 长度 > 角度 > 面积 > 深度 > 色温 > 饱和度 > 曲率 > 体积。
五、各类视觉通道的具体特性
合理地使用视觉通道是设计优秀信息可视化的关键因素，以下是常用视觉通道的具体特性：
平面位置：对于任何数据都非常有效，甚至是最有效的。水平位置和垂直位置属于两个可以分离的视觉通道，当编码一维数据属性时可仅选择其一。
颜色：是最复杂的视觉通道之一，分为亮度、饱和度和色调。亮度和饱和度适合编码有序数据，但亮度可辨性较小（尽量少于6个层次），且饱和度与尺寸存在强烈相互影响；色调非常适合编码分类数据并提供分组功能。
尺寸：属于定量/定序视觉通道，适合编码有序数据。尺寸变小时会抑制其他视觉通道的视觉效果。尺寸包括一维的长度（高度和宽度）、二维的面积和三维的体积。
斜度和角度：斜度指方向和0度坐标轴的夹角，可通过4个象限区分来编码分类数据；角度指任意两条线段之间的夹角测量，可分为锐角、直角、钝角。
形状：是人们通过前向注意力就能识别的一些低阶视觉特征，通常不超过10~12种为宜，且尽量使用基础几何形状。
纹理：是多种视觉变量的组合（形状、颜色、方向），通常用于填充多边形或区域。点画图案常用于区分类别型数据，但与亮度通道存在较严重的影响。纹理可以避免使用过多色彩，并照顾色盲、色弱用户。
动画：利用视觉残留和心理作用产生动态效果。其优势在于完全吸引用户注意力，且与其他视觉通道具有天然的分离性，保证用户可自主选择观察部分。
视觉多通道整合：包括空间分割、时间分割（动画）、部分遮挡、空心堆叠、半透明遮挡、多视觉通道整合（如颜色与形状组合）、连续场（向量场、等值线等）、视觉元素位移以及周期性动画等多种形式，可根据具体场景灵活调整以实现最佳的数据展现效果。