賈倩文，柴春雷，蔡蕊屹

（1.天津天獅學院，天津 301738；2.浙江大學，杭州 310027）

在信息爆炸的時代下，數(shù)據可視化為人們快速獲取知識與洞察規(guī)律提供了快捷方式，好的數(shù)據表現(xiàn)形式能夠化繁為簡，幫助人們快速達到“視物致知”的目的；錯誤的表示會對數(shù)據傳播造成一定的損害，給使用者的判斷造成部分或全部的誤導。隨著科技的不斷發(fā)展，用戶對數(shù)據可視化的需求也隨之升級，一個有效的可視化設計不僅包括數(shù)據的挖掘與篩選、交互邏輯與技術選擇，還包括可視化形式中的視圖選擇與設計美學等相關研究。

本文圍繞數(shù)據可視化中設計美學研究進行綜述，首先從“數(shù)據分類–可視化形式–交互方式與技術”三個方面介紹了數(shù)據可視化的研究現(xiàn)狀；其次從“設計美學–需求分析–美學要素–應用原則”四個方面對數(shù)據可視化中的設計美學相關研究與問題進行闡述；再次從傳統(tǒng)美學評價與數(shù)據可視化中美學評價的異同對現(xiàn)有方法進行梳理；最后對數(shù)據可視化中設計美學研究發(fā)展進行思考和展望。

1 數(shù)據可視化

狹義上的數(shù)據可視化是指運用計算機圖形學和圖像處理技術，借助人腦的視覺思維能力，將抽象的數(shù)據表現(xiàn)為可見的圖形或圖像，幫助人們發(fā)現(xiàn)數(shù)據中隱藏的內在規(guī)律，并進行交互處理的理論、方法和技術；廣義上的數(shù)據可視化則是數(shù)據可視化、信息可視化和科學可視化等多個領域的統(tǒng)稱，其中“可視化”除了可被理解為“看見”之外，還可以被理解為“易于理解”。隨著科學技術的不斷進步，數(shù)據的定義從常規(guī)認知觀念中數(shù)字、符號也逐步延伸到動作、表情、心率等可被監(jiān)測的生理或者肢體行為[1]。作為交叉學科的數(shù)據可視化根據其數(shù)據呈現(xiàn)過程，可將其研究對象分為數(shù)據、表現(xiàn)形式、可視化技術三個方面。因此，本文就此三個方面按照時間順序進行綜述[2]。

1.1 數(shù)據的分類

基于狹義的數(shù)據概念，可將數(shù)據根據其自身變化分為自變量、因變量、干涉變量、控制變量等數(shù)據類型；基于廣義的數(shù)據概念，可將數(shù)據從使用目的分為存儲數(shù)據與統(tǒng)計數(shù)據。其中存儲數(shù)據又可分為物化存儲數(shù)據與數(shù)字化數(shù)據，具有存儲功能的物化數(shù)據泛指地圖、表格、影像、磁帶、紙帶等；數(shù)字化數(shù)據又可分為矢量數(shù)據、格網數(shù)據等；統(tǒng)計數(shù)據又可分為4 種類型：一是定類數(shù)據，多從類別而非順序上進行區(qū)分，多是由定類尺度計量形成的；二是定序數(shù)據——表現(xiàn)為類別，但有順序，是由定序尺度計量形成的；三是定距數(shù)據——表現(xiàn)為數(shù)值，可進行加、減運算，是由定距尺度計量形成的；四是定比數(shù)據——表現(xiàn)為數(shù)值，可進行加、減、乘、除運算，是由定比尺度計量形成的。此外，國內外部分學者按照自身需求與理解從整體上將數(shù)據分為兩大類，一是按照數(shù)據特征與任務關系進行分類，二是按照不同應用領域中的使用目標進行分類。

從數(shù)據特征及其任務關系出發(fā)，Stevens[3]基于數(shù)據分析目的將數(shù)據分為類別型數(shù)據、有序型數(shù)據、區(qū)間型數(shù)據和比值型數(shù)據；Shneiderman[4]按照任務分類法在實驗中將數(shù)據分為7 類，分別是一維數(shù)據、二維數(shù)據、三維數(shù)據、時間數(shù)據、多維數(shù)據、樹狀數(shù)據、網絡數(shù)據；田雷等[5]將數(shù)據可視化之間的關系分為5類，分別是單個數(shù)據的可視化、流關系數(shù)據的可視化、對比關系數(shù)據的可視化、層次關系數(shù)據的可視化和邏輯關系數(shù)據的可視化；陳為等[6]從宏觀上將數(shù)據分為時空數(shù)據和非時空數(shù)據，從關系模型的角度和數(shù)據屬性的角度對數(shù)據進行分類，從關系模型將數(shù)據分為實體和關系兩部分，從數(shù)據屬性分為離散和連續(xù)；孫東偉等[7]將數(shù)據按性質與表現(xiàn)形式分別進行分類，首先從數(shù)據性質將其分定位數(shù)據、定性數(shù)據、定量數(shù)據與定時數(shù)據，接著她從表現(xiàn)形式上又將數(shù)據分別分為數(shù)字數(shù)據與模擬數(shù)據。

從數(shù)據的應用領域出發(fā)，數(shù)據分類依據與結果通常因學者研究背景差異而不同，如鄭婭峰等[8]從教育領域的數(shù)據可視化角度將數(shù)據分為文本數(shù)據、多維數(shù)據、網絡數(shù)據、時間序列數(shù)據與地理空間數(shù)據；劉書含等[9]從工業(yè)應用領域中數(shù)據可視化角度出發(fā)，按照工業(yè)生產順序劃分為設計規(guī)劃、生產制造和產品運維等3 個階段對數(shù)據進行分類；王藝等[10]將醫(yī)療領域的數(shù)據主要分為臨床實驗數(shù)據、生物醫(yī)藥數(shù)據、電子病歷與診斷書數(shù)據、個體健康信息；JO[11]從AR 應用領域出發(fā)，從整體上將數(shù)據分為現(xiàn)實數(shù)據與增強數(shù)據，數(shù)據分類總覽見表1。

表1 數(shù)據分類Tab.1 Data classification

1.2 數(shù)據可視化表現(xiàn)形式的發(fā)展

數(shù)據可視化美學設計的起源可追溯至著名天文學家Halley 于1702 年徒手繪制的地圖，這一時期較有代表性的還有Wiliam Playfair 在1765 年創(chuàng)造的第一張時間線圖。現(xiàn)代可視化設計的開端可追溯到1801 年英國地質學家William Smith 的一張“改變世界的地圖”，他在地圖上用不同的曲線表現(xiàn)出不同的數(shù)量信息，這一舉動突破了傳統(tǒng)地質圖可視化的表現(xiàn)方式，并在地圖繪制領域掀起了一股潮流，隨后法國工程師Charles Joseph Minard 用二維的表現(xiàn)手法展示了6 張拿破侖戰(zhàn)爭時期軍隊損失的統(tǒng)計圖，標志著19 世紀上半葉數(shù)據制圖的黃金時期的到來。1855 年南丁格爾繪制了一張英國軍隊士兵死亡原因圖，圖中用簡單的表現(xiàn)形式深刻地解釋了死亡背后的原因，充滿了情感化，見圖1。1879 年Luigi Perozzo 開創(chuàng)性地以三維立體有彩金字塔的表現(xiàn)形式繪制了一張瑞典人口普查數(shù)據圖，這種表現(xiàn)形式不僅提高了受眾對信息獲取的感知力與速度，還突破了當時已有的表現(xiàn)形式。

圖1 南丁格爾玫瑰圖Fig.1 The Nightingale Rose chart

縱觀18 世紀多種數(shù)據可視化表現(xiàn)形式與方法的涌現(xiàn)，意味著人們開始意識到數(shù)據可視化的美觀性對數(shù)據獲取有效性之間的影響，隨著人們意識的覺醒，諸學者也逐步開始對數(shù)據可視化更高維度的表現(xiàn)形式、方法和其在不同領域的匹配相適度進行嘗試與探索[12]。

20 世紀，隨著各種數(shù)據生成與繪制軟件的普及，各研究單位逐漸開始使用數(shù)字化表現(xiàn)手段取代手繪圖形，各種新型的數(shù)據可視化表現(xiàn)形式與方法開始出現(xiàn)，見圖2。20 世紀80 年代至今，多維空間中動態(tài)交互式的數(shù)據可視化方式成為新的發(fā)展主題[13]，部分學者如芮小丹等[14]將可視化形式分別從靜態(tài)、動態(tài)進行梳理，其中靜態(tài)圖形包含極區(qū)圖、桑基圖、矩形式圖、熱力圖、樹狀圖、Hypobarictree 圖、氣泡圖、地圖、Andrews 曲線法、投影法、星繪法（Star plots）、體模型法、星狀坐標系統(tǒng)的多維信息顯示方法和Chernoff 面法、彈性網絡圖等形式；動態(tài)可視化形式包括以動畫形式為主的動態(tài)圖表，相關工具主要有Processing、Ocam、Adobe premiere、Adobe effect 等；陳為等[6]根據時空維度將數(shù)據細分為數(shù)十種形式并對可視化形式與方法展開說明。

圖2 數(shù)據可視化形式發(fā)展Fig.2 List of data visualization form development

1.3 數(shù)據可視化的交互方式與技術

交互方式與技術是相互促進、相互影響的關系，技術的發(fā)展能為用戶創(chuàng)造體驗更好的交互方式，對用戶交互方式背后需求的深入挖掘又能對交互技術的發(fā)展起到激勵作用，最終交互方式與技術的變革又會對交互模式產生影響?；谙嚓P文獻分析，本文從交互任務、交互空間、交互通道對可視化交互方式與技術進行梳理。

從交互任務出發(fā)，陳為等[6]在Amar 提出的七大可視化任務基礎上，將可視化系統(tǒng)中的交互技術補充為選擇、導航（縮放、平移、旋轉）、重配、編碼、抽象-具體、過濾、關聯(lián)、概覽+細節(jié)、焦點+上下文（變形、加層）；劉濱等[15]依據數(shù)據特征將現(xiàn)有的數(shù)據可視化技術主要分為基于幾何技術、基于圖標技術、基于降維技術、面向像素技術、基于時間序列技術、基于網絡數(shù)據技術的數(shù)據可視化方法，以及層次可視化技術和分布技術等；Jaemin 等[16]基于Spark 的流式處理方式，利用亞馬遜EC2 集群開發(fā)了適用于大規(guī)模高維數(shù)據可視分析系統(tǒng)“SwiftTuna”；Nostalgia[17]從情感可視化的角度研發(fā)出VisAP 智能模型，模型會根據用戶自主輸入的故事中不同情節(jié)與角色進行情感權重分析，最后通過可視化界面進行展示。

交互空間宏觀上主要分為傳統(tǒng)物理空間和數(shù)字信息空間，具體又可細分為屏幕空間、數(shù)據值空間、數(shù)據結構空間、屬性空間、對象空間和可規(guī)劃結構空間，現(xiàn)有的交互通道主要是以視、聽、觸3 種感官通道的多重交互為主，不同的交互通道與空間對交互技術的要求也各不相同。隨著虛擬現(xiàn)實技術的普及，數(shù)字空間中的混合可視化技術進入諸學者視野，如Moller 等[18]對虛擬數(shù)字可視化形式進行了創(chuàng)新，算法設計者可以對可視化形式的顯示屬性如空間化、時間、顏色、和透明度等要素進行自主選擇，生成具有個人風格的可視化界面；Cheng Li 等[19]提出Virtual Retractor 技術，這項技術可以在不影響數(shù)據特征的前提下，允許用戶模擬像切割和分割實際物體一樣直接操縱和探索數(shù)據，多角度的切割與轉換可以使用戶更輕易、直觀地感受到數(shù)據的變化，見圖3；Gerard Jounghyun 等[20]對增強現(xiàn)實中數(shù)據可視化的操控技術進行探索，將柱狀圖與增強現(xiàn)實技術相結合，通過手勢控制其變化使數(shù)據觀測更為直觀；Kostoláni 等[21]將AR 技術應用在工廠的監(jiān)控系統(tǒng)中，此舉可使用戶走在工廠中就能實時觀察到數(shù)字儀表盤和信息圖表的變化，實現(xiàn)了人與場景數(shù)據的動態(tài)融合。

圖3 Virtual Retractor 技術Fig.3 Virtual Retractor Technology

2 數(shù)據可視化中的設計美學研究現(xiàn)狀

2.1 研究方法

本研究主要采用文獻分析法與內容分析法，首先將標題關鍵詞進行拆分，利用CNKI 數(shù)據庫對1984年至2022 年的文獻進行搜索，通過對不同研究模塊的文獻資料進行梳理，得出“設計美學”相關文獻1 888 余篇、“數(shù)據可視化”相關文獻15 355 篇。然后以“數(shù)據可視化中的設計美學”完整標題，利用VOSviewer 與Cite space 等文獻分析軟件對來自知網數(shù)據庫和Web of Science 數(shù)據庫檢索后的2 000 余篇文章進行關鍵詞共現(xiàn)分析，設置關鍵詞最小出現(xiàn)頻次為5，在檢測出的7 337 個關鍵詞中最終得到符合要求的237 個關鍵詞與17 個聚類，得出排名前15 的高頻關鍵詞和關鍵詞共現(xiàn)網絡圖譜（見表2、圖4）。最后根據分析對象形成關于數(shù)據可視化中設計美學與應用的歷史脈絡。

圖4 數(shù)據可視化設計美學研究貢獻網絡關鍵詞Fig4. Data visual design aesthetics research contribution network keywords

表2 高頻關鍵詞Tab.2 High-frequency keywords

根據共現(xiàn)分析可得出在可視化的發(fā)展過程中，“界面設計、信息美學、交互設計、美學”等詞是聯(lián)系設計美學與數(shù)據可視化的關鍵橋梁；而“數(shù)據可視化”與“設計美學”巨大的文獻數(shù)量差異背后反映出，雖然在實際的數(shù)據可視化實踐中，相關研究者與用戶對可視化表現(xiàn)形式的美學追求一直處于快速迭代的狀態(tài)，但在理論研究方面，數(shù)據可視化中設計美學的研究較少。

2.2 設計美學的概念界定

數(shù)據可視化中的設計美學研究可以從設計美學的起源發(fā)展進行回顧，美學最初的意義是“對感觀的感受”，由德國哲學家Baumgarten 在他的《美學》中首次提出，此書是歷史上的第一部美學專著。在Baumgarten 之后，Immanuel Kant 與Hegel 也就美學進行了相關的討論并著有《美學》等相關書籍，整體來看西方初期關于美學的討論主要以思辨的形式分，別從美學研究的主客觀性、美學的精神性、物質性等方面進行了討論。

國際上設計美學的研究可追溯到20 世紀30 年代技術美學的誕生，其主要包含兩個方面內容，一方面是生產中的美學問題，也就是生產美學、勞動美學等問題；另一方面是研究勞動生產中與美學問題密切相關的藝術設計，即“迪扎因”（design）問題，這種設計不僅涉及現(xiàn)代科學技術的最新成果，而且還涉及整個社會生活的美化。從19 世紀中下葉開始，相關研究人員進一步對美學領域從宏觀研究與微觀研究、綜合研究與分門研究、理論探討與實際應用展開了深入研究[22]。

回顧我國以設計美學命名的著作可追溯到1989年翟光臨編著的《設計美學》，以此書為始，據不完全統(tǒng)計，我國關于設計美學的專著現(xiàn)有30 部左右，相關學者對美的理解與研究視角也各不相同。朱光潛、葉郎等對美的形態(tài)中的“態(tài)”通常更多地從儒釋道中所謂的“意境”“氣韻”“道法”等方面進行更深入的闡述；章利國、陳望衡、徐恒醇[23]3 位則圍繞設計過程的美學、設計美學與美學的關系等視角展開討論；黃柏青[24]、梁梅分別從設計美學的現(xiàn)象、要素與表現(xiàn)、不同時期的設計美學側重點等方面進行討論。

此外，我國在對設計美學的對象、本質、范圍的相關定義也各不相同，如張黔[25]認為“設計藝術之美的本質是在解決人的實用功能的前提下能體現(xiàn)人對自由的追求的人為性形式，美源自于勞動”；徐恒醇提出“設計美學是探討設計藝術實踐的美學意義及人類如何通過按照美的規(guī)律進行創(chuàng)造性的設計活動”；梁梅[26]提出設計美學是一個時期、一個民族審美觀念的物化。在多樣化且無法統(tǒng)一的定義背后，究其原因，一方面是由于研究者個人審美體驗的相對主觀性所導致的評價差異化，另一方面是由于不同時代背景下我國設計學科的定義、研究范疇與地位一直處于動態(tài)變化之中[27]。

2.3 數(shù)據可視化中需求驅動的設計美學研究發(fā)展

基于對數(shù)據可視化與設計美學相關概念的梳理，數(shù)據可視化中的設計美學研究可以定義為，以設計為橋梁實現(xiàn)數(shù)據可視化中的審美體驗研究，在保證用戶高效地獲得所需內容的同時能夠喚起用戶情緒反應。數(shù)據可視化中美學需求的發(fā)展與計算機學科技術的發(fā)展息息相關，在早期計算機學科領域的研究重點多以解決功能性需求為主，對數(shù)據可視化中關于“美”的作用與研究較少[28]。

20 世紀之前，數(shù)據可視化技術正處于啟蒙期，此間多是圍繞網頁相關的基礎運行與美化進行研究，數(shù)據可視化中設計美學系統(tǒng)研究相對較少。如John Boyle 等[29]于1993 年對數(shù)據可視化的數(shù)據庫問題和用戶界面交互和演示進行研究；Schenkma 等[30]對網頁的美學偏好進行研究并提出4 個關于網頁審美的維度即插圖、文本，概述和結構，梳理出網頁對用戶的吸引力與功用性中所包含的不同要素。

20 世紀之后，數(shù)據可視化的美學研究轉為對可視化全流程中綜合因素的分析。如Robert Kosara[28]提出信息美學與環(huán)境可視化密切相關；Tateosian 等[31]提出提高可視化的藝術價值會產生更有效的視覺分析；Sara Diamond[32]從數(shù)據可視化多元美學視角出發(fā)，提出一個成功的可視化能跨越多個邊界并為同一數(shù)據集提供不同的視角，她圍繞數(shù)據可視化中的多元美學就“可用性與美感”“沉浸美學”“基于美學的數(shù)據可視化附加值”等方面進行了綜合性提問；Moere等[33]提出數(shù)據獲取過程中數(shù)據環(huán)境的可視化美學設計對用戶獲取數(shù)據的效用影響同等重要；Kostelnick等[34]提出當代數(shù)據可視化可通過顏色、新穎性和多模態(tài)特征等方面的設置使用戶產生與已有體驗類似的情感訴求，值得注意的是，在傳統(tǒng)的研究中設計美學通常關注激發(fā)用戶的正面情緒，而Kostelnick 提出悲情訴求也是當代數(shù)據可視化不可或缺的一部分。

數(shù)據可視化中美學需求的進步表明了新技術背景下用戶對數(shù)據獲取便利性、精準性和數(shù)據獲取過程中的體驗性等方面的意識覺醒，其中用戶需求與認知又會受大的時代技術背景的限制。在需求驅動與技術約束相互作用中，設計美學在數(shù)據可視化領域中發(fā)揮的作用除了幫助用戶更快速、清晰、有效地識別與獲取數(shù)據外，對改善用戶的獲取感受與保持識記等方面同樣發(fā)揮了重要的作用。

2.4 數(shù)據可視化中設計美學要素

數(shù)據可視化中的設計美學要素與用戶的審美體驗息息相關，審美體驗又受主客觀因素共同制約[35]。根據對相關文獻的梳理，數(shù)據可視化中的美學要素可從主、客觀層面歸納為四個方面，主觀上包括用戶個人與審美過程兩個方面，客觀上包括數(shù)據特征與交互過程兩方面，本文按照主、客觀順序分別進行說明，并將數(shù)據可視化中的美學要素進行整理，見圖5。

圖5 基于數(shù)據特征的可視化美學要素Fig.5 Visual aesthetic elements based on data characteristics

1）從用戶個人角度出發(fā)，可細分為性別、設計才智、個性等方面。在性別上，Eckerman 與Harrison等[36]提出美學刺激會因性別不同導致一定的判斷差異，與女性更喜歡曲線柔和系的顏色和造型相比，男性更傾向于選擇色彩相對鮮艷的直線型造型，此外在復雜程度上男性通常不容易受到圖片復雜度的影響，而女性則表現(xiàn)在信息圖的選擇上傾向于選擇顏色豐富但較為簡單的圖片；Seifert 等[37]在研究中提出“設計才智”一詞，他認為用戶的設計才智會影響他們做出不同的評價結果，具有高設計才智的消費者對產品的感覺鏈接方面的能力與速度相對更快更強；Annemarie Quispel 等基于信息設計者角度提出清晰度和美學是決定可視化吸引力水平的主要影響因素，其中清晰度是最為重要的。

2）從審美過程出發(fā)，可分為審美反應、審美體驗與認知偏好等方面。Hekkert 提出人們對于審美需求源自“進化美學”，即人類在進化的過程中由于使用產品時自然產生需求升級而導致審美需求不斷變化，包括人們所有感官得到滿足度與人們賦予產品的意義，以及引發(fā)的情感體驗源于進化美學引起的感官適應等；李東進[38]等提出審美體驗的情感反應過程中，反應時間、處理流暢度、愉悅喚起、認知負荷四個方面會影響用戶審美體驗；胡佳寶等[39]提出個體差異是大眾與個人審美品位比例發(fā)生改變的重要來源，其中個體差異包括專業(yè)性、文化背景、先前經驗、年齡等因素，這與Vittotio Gallese 于2009 年提出的美感體驗不僅源于對藝術作品的純粹視覺感知，還受情感共振與歷史文化影響的觀點相似。

3）從數(shù)據特征出發(fā)，可分別從數(shù)據與數(shù)據集相關的特征進行分析。Bertin[40]從圖形符號學的角度將影響視覺熟悉感的組織層次分為平面、大小、紋理、顏色、方向、形狀等要素；Wilkinson 等[41]基于圖形語法提出美學屬性五個方面即形式、表面、運動、聲音、文字，并對其進行細化；Kong 等[42]提出數(shù)據集包含8 種美學因素，分別是平衡、顏色和諧型、趣味、景深、光照、主體、顏色豐富性；曾瓊等[43]提出數(shù)據可視化中的色彩設計能讓用戶高效地理解數(shù)據、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、探索任務，其色相、色彩傾向、明度、飽和度等，顏色偏好又會由于文化、生命周期和其他人口統(tǒng)計學特征而變化，多明格斯魯埃等[44]提出在數(shù)據可視化美學建模中包括點線面肌理、版式編輯與界面分割、動態(tài)與靜態(tài)比例、明暗等基本要素。

4）從交互過程出發(fā)，包括交互環(huán)境與模式、交互媒介、交互次序等方面。在交互模式上，Langner等[45]于2018 年提出可視化交互媒介與交互環(huán)境互相影響，隨后其團隊在2021 年提出“Marvis”概念框架，即通過移動設備和頭戴式增強現(xiàn)實設備（AR）可在顯示器周圍顯示額外的2D 和3D 信息并進行視覺數(shù)據分析，從而實現(xiàn)有限屏幕空間的擴展[46]；在交互媒介即數(shù)據可視化的物質載體上，目前主要呈現(xiàn)出智能化、輕薄化、符號化、多設備交互的趨勢，在美學要素上大體可歸納為功能、材料、形式等方面；Kim 等[11]提出交互次序對數(shù)據可視化美學感受會產生一定的影響，他提出不論時間跨度的長短，如果個體的先前經驗不同，序列依賴效應會影響當下的審美活動并導致不同程度的個體差異。

3 數(shù)據可視化中設計美學要素應用原則與評價方法

3.1 基于數(shù)據可視化的美學應用原則

2000 年之前，相關研究者多是將藝術學領域中的美學法則直接應用于基礎的數(shù)據可視化表現(xiàn)中。藝術學領域下的美學原則最早可追溯到1892 年Boselie等[47]首次提出的多樣性統(tǒng)一原則。隨后在美術與藝術設計相關應用領域使用較多的便是形式美法則。此外還有部分學者從心理學角度對美學相關的法則與應用原則展開了研究，如Hekkert[48]于2006 年從進化心理學的角度出發(fā)，提出設計中審美愉悅的四個原則，即最大效果的最小手段原則、統(tǒng)一的多樣性原則、最先進的但可接受原則和最佳匹配原則。

隨著技術的完善，設計美學在數(shù)據可視化中的作用與應用原則方面的研究逐漸出現(xiàn)在研究者視野中。2014 年劉智慧等[49]基于數(shù)據的5V 特征（Volume、Variety、Velocity、Value、Veracity）提出在數(shù)據可視化中應注意信息分級原則，設計師在面向可視化設計時應注意其顯示中的版式圖形設計、色彩搭配、插圖運用等方面，強調作品功能性的基礎上應該良好平衡其藝術性，從而防止數(shù)據過載、防止思維過度發(fā)散等技術要點；Quispel 等[50]基于設計師視角對可視化美學進行研究，提出數(shù)據來源的可靠性與通用性會影響到可視化的效果，因此，在進行可視化設計時應遵循數(shù)據可靠性與通用性原則；田雷等基于大數(shù)據背景之下結合形式美法則，選取可視化中形狀與色彩2 個因素對形式美法則的關聯(lián)性進行研究，探討了美學在信息圖設計中的重要性；陳偉峰提出在信息傳達過程中的良好展示與數(shù)據傳達的準確性是可視化設計中的首要任務，為了保證數(shù)據交互中操作的直觀性、易理解性和易記憶性，他將可視化的美學法則提煉為聚焦、平衡、簡單等三個方面；于靜等[51]指出可視化視覺編碼所依賴的最基本視覺心理是格式塔法則。

由此可見，早期可視化美學應用原則上主要有六個方面，分別是：形式美法則；多樣統(tǒng)一性原則；最大效果的最小手段原則；統(tǒng)一的多樣性原則；最先進的但可接受原則；最佳匹配原則。隨著對數(shù)據特征的深入研究，部分學者提出基于數(shù)據特征的可視化美學原則四個方面，分別是：表達性和有效性原則；可靠性與穩(wěn)定性原則；信息分級原則；格式塔原則。

3.2 傳統(tǒng)美學與數(shù)據可視化中設計美學評價異同

我國傳統(tǒng)美學評價可追溯到新石器時期和先秦時期的美學思想，新石器的出現(xiàn)標志著人們對美的意識的形成，但并未形成相應的美學評價體系，到了先秦時期則出現(xiàn)了有關美的評價，如孔子的“中和之美”、老子的“美言可以市尊”、荀子的“萬物之美可以養(yǎng)樂”，但這些都是從日常言行上對美展開討論。到了戰(zhàn)國時期，《考工記》從工藝角度提出“材有美”、繼而到魏晉南北朝時期，書法美術作品的盛行催生了“傳神寫照”“氣韻生動”“得意忘象”等美學觀點；明清時期則出現(xiàn)了諸多關于工藝設計的美學討論，如丁佩提出的“能、巧、妙、神”美學原則等。

國外的審美評價可追溯到石器與巖畫的出現(xiàn)時期。西方主要是以哲學研究為代表的審美體系形成，如亞里士多德提出“美的主要形式是秩序、均勻和確定性”，隨著文明的覺醒與藝術的發(fā)展，出現(xiàn)了專業(yè)的藝術史家，如西塞羅提出“適宜”的美學概念，到了中世紀，由于宗教的影響哥特式風格崛起，再到工業(yè)革命時期水晶宮博覽會引發(fā)的功能與形式的長期討論。由此可見，傳統(tǒng)美學研究的對象通常指工藝美術作品相關范疇，審美評價的主觀性較高，在發(fā)展中又根據不同國家的文化與發(fā)展歷史不同，呈現(xiàn)出了不同的特點[52]。

與傳統(tǒng)美學評價相比，數(shù)據可視化中的設計美學評價多是依托大數(shù)據與人機智能協(xié)同評價的結果，呈現(xiàn)出更加智能高效與客觀精準等特點。隨著數(shù)據可視化審美對象范疇的擴展，其審美評價對象除了數(shù)據可視化的視覺審美以外，還包含了用戶獲取數(shù)據的整個范疇，如數(shù)據加工流程中所涉及的環(huán)境美學、交互美學和可視化形式背后體現(xiàn)的文化品位、藝術形式及風格等精神美學方面的研究[53]。由此可見，傳統(tǒng)美學與數(shù)據可視化中的審美評價在以人為中心的審美感受層次與情感體驗上又呈現(xiàn)出趨同性，在對象、方式、過程等方面又各不相同，見表3。

表3 傳統(tǒng)審美評價與數(shù)據可視化審美評價異同Tab.3 Differences evaluation between traditional aesthetic and data visual aesthetic

3.3 評價方法

數(shù)據可視化中的美學評價方法根據其應用領域、信息密度與時空維度不同，其評價方法會隨研究對象中的關鍵指標因子與指標權重而發(fā)生一定變化。整體來看，數(shù)據可視化美學評價方法多是采用心理學與感性工學領域的相關研究方法，借助生電類監(jiān)測設備、人工智能學習系統(tǒng)與統(tǒng)計學相關方法，對用戶在數(shù)據可視化過程中諸如視覺吸引力、美感體驗、任務完成與延遲率、精準性等方面進行數(shù)據采集，進而進行對比分析與評價[54]。

在視覺美學評價方面，基于視覺通道的數(shù)據可視化美學評價方法，主要是圍繞圖形學相關要素對用戶獲取數(shù)據過程中視覺美感與情感體驗等方面進行綜合評估。Nguyen 等[55]提出圖形可視化中包括三個方面忠實性指標：信息表現(xiàn)的忠實性、任務的支持度和數(shù)據微變化的敏感度；阮杰等[56]發(fā)明公開了一種基于跨模態(tài)協(xié)同推理的圖像美學質量評價的方法；郭斌等[57]提出現(xiàn)階段視覺美學度量工作主要集中在數(shù)字圖像作品美感度量、情感度量，以及基于信息論的美學評價，主要包括視覺美學美感與情感的評價、基于信息論的美學評價即結合信息論挖掘分析美學規(guī)律；姜家俊通過分階段多任務訓練方式提出基于多任務的個性化美學評分系統(tǒng)MTPAA。

在美感體驗中，Lau 等[44]提出信息美學主要由數(shù)據、交互和美學三個方面構成，并根據這三點提出了信息美學模型，見圖6。Andrea Lau 提出該模型可以被來自不同領域的可視化設計者使用，信息可視化相關美學效果評估應綜合考慮這三個方面因素。但隨著交互技術的進步，用戶多重感官的參與度不斷提高，數(shù)據可視化的評價方法不僅局限于視覺吸引，如可視化美學中聽覺方面的研究多是在視覺評價的基礎上，利用已有的量化工具分析不同環(huán)境下聲音的類別、聲量大小和形式對用戶情感喚醒、判斷與決策等方面的影響。如針對情緒效價、情緒喚醒度開發(fā)、測量體驗情感方面的“日內瓦情感輪”。

圖6 信息美學模型Fig.6 Model of Information Aesthetics

在任務完成效率方面，可從任務完成時間、放棄和延遲指標、精準性等方面進行展開。如Tractinsky等[58]通過隱式反應延遲測量，驗證了網頁界面的審美感知研究的結果；Cawthon 等[59]選取了11 種數(shù)據可視化圖形并將元素拆分后通過對285 名參與者的主觀輸入，建立了數(shù)據可視化技術的定量排序，通過迫使受測者使用這些數(shù)據可視化技術，對數(shù)據可視化中美學和可用性的影響進行分析，驗證了美學和有效性的客觀指標，以及錯誤反應中任務放棄和延遲的指標；Andrew Vande Moere[60]提到衡量信息可視化的“成功”通常是主觀和高度復雜的，評價信息可視化的“成功”的標準應該在效用、可靠性和吸引力等方面之間達成一個平衡，其中吸引力并不局限于視覺形式，它還包括原創(chuàng)性、創(chuàng)新性、新穎性等模糊方面，以及構成用戶體驗的其他主觀因素。

雖然眾多學者基于不同的視角對數(shù)據可視化中的美學評價進行了探索與驗證，但美學和藝術相關原則總是會隨著時間推移和社會背景的不同發(fā)生根本性變化，大眾審美會隨著技術的發(fā)展與體驗維度的擴展而發(fā)生系列變化[61]，在某個時刻被認為是美麗的，在另一個時刻可能很快被認為是丑陋的，正如葉朗[62]在《美學原理》中提到“美是歷史的范疇，沒有永恒的美”，人們很難就一套普遍的美學維度達成一致[63]。

4 數(shù)據可視化中設計美學研究展望

4.1 基于多感官交互的敘事型數(shù)據可視化設計

技術的進步使人們能夠利用多種媒介超越物理時空的局限，為用戶創(chuàng)造更多的數(shù)據可視化體驗，并增強用戶對數(shù)據獲取場景的記憶，增強情景記憶中事實與情感的鏈接力，延長用戶在面向復雜數(shù)據時的注意時長，降低認知負荷與記憶負荷。良好的數(shù)據可視化除了體現(xiàn)在對數(shù)據的快速讀取與識別之外，還包括對數(shù)據的回憶與識記，為了使數(shù)據信息轉化為知識，便于識記并喚醒用戶相應的情感，2010 年Segel 和Heer 提出將信息可視化與講故事機制相結合，用講故事的方式幫助用戶在所表示的復雜數(shù)據之間建立聯(lián)系以幫助用戶識記與回憶，即“敘事可視化”[64]。

在數(shù)據敘事可視化中主要包括探索數(shù)據、制造故事和敘述故事這3 個階段[65]。然而目前數(shù)據敘事可視化的研究多是與視覺通道相關，基于多感官交互的敘事型數(shù)據可視化設計研究報道較少。多感官交互下的敘事型數(shù)據可視化是通過調動用戶多重感官通道，將數(shù)據轉化為視覺共享的線性或者非線性敘事故事的形式，以增強用戶的情感體驗與黏度[64]，是在虛擬現(xiàn)實技術的基礎上將視覺傳輸轉化為數(shù)據體驗，目標在于為用戶創(chuàng)造更好的可視化感受[66]。2020 年初韓國MBC 電視臺播出的節(jié)目《遇見你》，為了幫助一位失去自己女兒的母親實現(xiàn)與女兒好好告別的愿望，節(jié)目組利用當事人提供的照片結合智能計算對其女兒的身高、年齡、面部特征等數(shù)據進行計算得出其女兒現(xiàn)階段可能存在的形象后，利用虛擬現(xiàn)實技術設計相關場景讓當事人母親與過世的女兒進行互動，在彌補了這位母親遺憾的同時，引爆了無數(shù)人的淚點，見圖7。

圖7 《遇見你》母女重見場景Fig.7 "Meet You": the mother met her daughter again

4.2 基于自然數(shù)據的可視化美學評價機制研究

腦機接口、移動計算、可穿戴計算、通信技術、傳感技術等先進技術的發(fā)展為數(shù)據可視化交互方式升級提供了強大的技術支撐，與問卷法、訪談法等傳統(tǒng)方法所得到的數(shù)據相比，模擬場景下用戶無意識的表情、情緒、姿態(tài)、生理信號等自然數(shù)據最能表示用戶的真實狀態(tài)，目前基于自然數(shù)據的收集與分析技術相對豐富，但在數(shù)據可視化美學評價中的應用相對較少。

數(shù)據可視化美學評價機制建設過程中需融合不同學者基于多種感官的美學評價方法，根據實際應用場景從主客觀與人機融合角度，搭建相對完整的數(shù)據可視化美學評價機制架構與體系；構建合理的自然數(shù)據采集標準并探索更高的數(shù)據融合方式，關注不同數(shù)據類別的時間順序特點與周圍環(huán)境之間的關系，對自然數(shù)據間的語義相關性的挖掘與獲取進行深入研究，建立不同數(shù)據之間的映射關系，提高自然數(shù)據的準確率；深入洞察用戶在數(shù)據可視化美學需求背后的數(shù)據認知習慣與情感訴求，關注用戶外顯行為背后內隱數(shù)據所呈現(xiàn)出的規(guī)律特征；提升多維度大規(guī)模數(shù)據的有效降維率，分析不同的數(shù)據可視化應用領域并進行歸類，在合并同類或相似領域的同時，拉開不同類型領域的差異化與層次。

4.3 多維空間中數(shù)據動態(tài)協(xié)同下美學形式一致性研究

虛擬現(xiàn)實技術的普及，使大量的數(shù)據符號轉變?yōu)榭蓪崟r動態(tài)交互的虛擬場景與可視化模型，用戶在獲取信息的過程中可以利用各種虛擬輔助設備從不同角度查看這些“可見的”數(shù)據并與之進行互動。在交互過程上中，其關鍵要素、感官刺激源與交互關系都會隨之變化，相比物理空間中依托紙媒和數(shù)屏以視覺刺激中的色、形、比例等為主的數(shù)據可視化形式，虛擬空間多強調空間、方向與平衡等要素。此外，用戶在使用過程中，在感官交互層面會由物理空間中基于視覺識別次序型互動關系，轉向數(shù)字虛擬空間中基于重力感應與體感檢測的觸摸、語音、用戶位移等自然語言的動態(tài)協(xié)同。

隨著用戶自身對可視化形式的參與度與控制度的提高，數(shù)據間的聯(lián)系與差別會隨著用戶向虛擬多維空間轉換而放大，用戶的感受力與接受力也會變得更敏感直接。因此，海量數(shù)據中多維空間的數(shù)據轉換，對用戶適應力與反應敏感度等方面均提出了更高的要求，如何根據數(shù)據與其應用領域特征、目標用戶的認知模式為之設計相匹配的場景與互動方式，從而保持數(shù)據可視化形式美學上的一致性，對降低用戶在數(shù)據獲取過程中空間轉換所造成的感知覺不適性、提高可視化交互的流暢性與數(shù)據獲取有效率、良好的體驗感受等方面至關重要。

4.4 基于計算概念譜系的數(shù)據可視化設計美學研究

數(shù)據可視化中的設計美學主要是計算機學科背景下以用戶為中心，以數(shù)據識記為目的，借助人工智能技術與設計等手段，對能被用戶感知的數(shù)據可視化形式進行表現(xiàn)與迭代。其中，計算機概念譜系可細分為算勢、算力、算術、算法、算禮等內容，移動設備與數(shù)字技術的普及，越來越多的數(shù)據場景對人機交互中設備的延遲速度提出了更高要求。其中算力作為人工智能發(fā)展的關鍵技術支撐，其服務效果決定了數(shù)據傳輸與用戶識別的精準性與高效性、可視化美學形式轉換的流暢性、用戶的體驗感等方面，足夠的算勢是數(shù)據可視化相關程序或計算任務能夠運行的基礎，算法通常用來解決常規(guī)性可視化運算問題，算禮是關于計算如何在計算機系統(tǒng)上進行的制度規(guī)范，更關注計算機系統(tǒng)的整體。

目前，數(shù)據可視化形式的研究多集中在視覺圖形界面的表現(xiàn)與交互方面，對于計算機譜系與可視化形式間的關系與相互作用并未進行過多闡釋[67]，而計算機譜系中不同的部分對數(shù)據可視化美學研究影響又各不相同。因此，厘清計算機概念譜系與數(shù)據可視化設計美學研究間的關系，找到其對應關系并進行優(yōu)化，對數(shù)據可視化美學形式與數(shù)據獲取有效性等方面的提升意義重大[68]。

5 結語

數(shù)據可視化中設計美學研究的發(fā)展，是可視化技術不斷完善與全民審美水平日漸提高的背景下，用戶需求不斷深化與豐富的表現(xiàn)，其目的仍是提升用戶在數(shù)據獲取與識記過程中的高效性與體驗性。作為計算機學科中的數(shù)據可視化與藝術學科下的設計美學研究，更應該以數(shù)據的高效獲取為目標、以數(shù)字化技術與美學設計為手段、以體驗升級為重點，利用人工智能相關技術將客觀數(shù)據與用戶主觀判斷有機融合，不斷深化數(shù)據可視化中設計美學相關領域的研究，為用戶創(chuàng)造更好、更高效的數(shù)據獲取體驗。未來隨著元宇宙與虛擬現(xiàn)實混合技術的發(fā)展，多維空間中數(shù)據動態(tài)協(xié)同下美學形式一致性研究、基于用戶偏好的敘事型交互場景搭建、多感官交互下交互模式創(chuàng)新，以及與之配套的評價機制等方面的研究，將逐漸成為數(shù)據可視化美學研究中的熱點問題。