可视化隐喻 基于隐喻视角的信息可视化系统比较研究

　　[摘要]隐喻在信息可视化系统中有着普遍和广泛的应用。从隐喻视角设计出可视化系统的三个特征维：隐喻喻体、隐喻本体和可视化变量，并对1995-2008年出现的13个典型的信息可视化系统从三个维度进行比较分析。认为从可视化技术发展的长远看，仍然会以文本可视化、社会可视化为主。时间隐喻和空间隐喻是可视化隐喻中最常见、最基本的两类。选取合适的源域和喻体表示时间和空间概念，能创造最佳的可视和交互效果。构建隐喻模型能辅助系统设计和实施，也能引导用户在熟悉的认知环境下理解和使用系统。
　　[关键词]信息可视化可视化系统可视化隐喻时间隐喻空间隐喻
　　[分类号]G202
　　
　　1　引言
　　
　　信息可视化，广义上就是指对数据或概念的图形化表达方式，狭义上是指计算机支持的、抽象数据的交互式可视化显示，以增强并扩大人们对于信息的认知。信息可视化属于人机交互的一个研究领域，20世纪中期开始召开的IEEE InfoVis和IEEEⅣ两大国际会议推动了信息可视化的迅速发展。目前国外的信息可视化技术已呈现出产品化、商品化的趋势。笔者通过对众多信息可视化系统的考察，发现这些系统模型大都与隐喻息息相关，研究文献中也多对本系统使用的隐喻作了很详细的说明和追溯。作为人类重要的认知思维方式，隐喻早已不局限于传统语言学、修辞学的研究领域，而涉及认知科学、心理学、计算机科学等多个学科领域。本文试图从隐喻的角度，考察各种可视化系统潜在的关联与差异，探寻信息可视化技术在隐喻结构上的模式和特征。
　　
　　2　隐喻在信息可视化系统中的认知意义
　　
　　2.1隐喻的认知基础
　　从修辞学角度说，隐喻是比喻中的一种，等同于暗喻。从语言结构的角度说，隐喻由喻体、本体、喻词、喻底4个要素构成。但是从根本上说，隐喻是一种认知转换，就是根据另一种经验来理解和体验某个事物。具体来说，通过相似属性的比较，隐喻常常会用熟悉的、简单的、具体的、直觉的、众所周知的概念或事物，来解释和描述另一个崭新的、复杂的、抽象的、不知名的概念或事物。其目的无非是让后者更容易被识别、交流、理解和记忆。当代的隐喻研究者大都同意这样一种看法，即隐喻是人类认知的基本方式。
　　隐喻是现实世界和抽象世界的映射关系。根据结构映射理论，隐喻由源域、源域子项、目标域、目标域子项、映射关系5个要素构成。源域指隐喻的来源，是现实世界在人脑中的反映。目标域是隐喻中需要被解释和描述的对象域。子项代表源域或目标域中的概念、要素、组成部分等，是映射关系一一对应的喻体和本体。隐喻在本质上不只是喻体和本体的相似性联系，而是源域和目标域之间的基于人类共同经验的类同。
　　
　　2.2隐喻在可视化系统中的作用
　　在人机交互界面设计中，隐喻被广泛使用，因为人机交互的过程其实就是人们认知的过程。使用隐喻来设计各种模型，可以使得人机交互更加便利。信息可视化系统从设计、开发、实现到使用过程中，存在三种模型：设计模型、系统模型和用户模型。隐喻在其中充当了桥梁和纽带的作用，负责沟通三种模型所要传达的概念、意义、属性和功能等(见图1)。适当隐喻的选取，可以使得系统设计人员、系统开发实施人员、系统用户三方对系统的理解处在同样的认知基础上。由于设计模型和系统模型都是在熟悉的隐喻背景下形成，两个模型间不协调的程度大大降低；另一方面，用户通过隐喻可以越过系统模型，直接理解设计模型所表达的意义，这又减少了用户和系统设计者之间交流的中介，避免了由交流媒介所带来的噪音。
　　
　　
　　
　　3　基于隐喻的可视化系统特征维设计
　　
　　3.1源域――隐喻喻体的来源
　　对各个可视化系统喻体抽取的结果进行分析，得到了表1所示的结果。
　　
　　3.2目标域――可视化对象
　　可视化隐喻的目标域，就是可视化所要传达的主旨和描述的对象。可视化对象按媒介类型可分为：文本信息、图像信息、多媒体信息、计算机媒介交流信息(CMC)。
　　以文本信息可视化为例，各种无结构文档或半结构数据经过一系列信息处理与分析技术后，如自动标引、自动分类，再通过可视化隐喻模型设计，最后以各种2D、3D视图形式在人机交互界面上呈现。典型的可视化系统架构如图2所示：
　　CMC信息是特殊的一类，存储的不仅是被交流和共享的知识与信息，也存储有交流活动参与者的行为信息。人们的信息行为和信息活动记录，与交流的信息本身一样，具有重要的价值。比如参与者的活跃程度，对社区的认同感，特定域中最活跃的参与者是谁。这些信息可以帮助人们寻找合适的社区以及寻找社区中某个领域的专家。CMC系统包括讨论区(论坛、聊天室)、电子邮件、新闻组等。CMC信息可视化也叫社会可视化。
　　
　　3.3隐喻喻体的可视化变量
　　可视化变量是人的视觉器官可以感知的符号类型，与喻体及其子项组合，可以传达更多的视觉信息。传统上有7种可视化变量：位置、形状、尺寸、方向、色彩、纹理、灰度(见表3)。这些变量的不同组合还可以构成其他的表现形式，同时可视化变量在表示空间信息的属性方面是不一样的。可视化变量选取是否妥当将直接影响到信息表示的质量，因此十分重要。
　　鉴于西方世界对信息可视化的研究较为成熟，本文根据ELSEVIER和SPRINGER LINK两大西文数据库检索结果(以IV和metaphor为主要检索词)，从隐喻喻体、隐喻本体、可视化变量三个维度加以比较分析。本文主要选择那些在隐喻上有显著特征并有较为细致的隐喻描述、具有代表性的可视化系统。经过调研，筛出13个典型的信息可视化系统，按出版的时间先后排列，如表4所示：
　　对部分系统的隐喻描述如下：
　　?ThemeRiverL6j：主题词，用从左向右流动的河流隐喻文档集中随时间变化的主题流。河流下面对应着一条时间线，水平线上两点间的距离表示时间间隔。水流宽度表示某个主题的文献量或强度。河流由不同颜色的水流组成，每种颜色代表一个主题。
　　?PeopleGarden和CommunicationGarden ：这两个可视化系统具有相似之处，都用“花”来隐喻计算机媒介交流的参与者和参与讨论的话题。当花隐喻讨论主题时(见图3)，花瓣数表示该主题下张贴的消息数，叶子数表示该主题参与人数，茎高表示该主题的生存时间，话题的起始时间和所属的主题域用花的位置来表示；当花隐喻参与者时(见图4)，花瓣数等于此人发表的消息数，叶子数表示此人参与的话题数，茎高表示此人在某个主题域停留的时间。
　　?NCS Lsj：导航分类可视化系统。针对某个领域的初学者，在使用信息检索系统时，将导航分类图用隐喻的形式显示出来，以辅助检索。该分类图使用了船和船在海上航行的隐喻。航船好比是某知识领域的新手，船在某片陌生的水域上行驶好比新手在某个不熟 悉的主题领域进行信息检索；海上的灯塔负责导航和指引方向，灯塔及其周围的地形，如高处的山脉和低处的岩石，隐喻专业主题词表的等级体系；城堡表示航行的目的地，隐喻用户的检索目标，即成功找到用户需要的信息。
　　?Newsmap：新闻地图。可视化对象为在线新闻或消息，使用海岛图的隐喻。经过对新闻内容的自动抽词和聚类分析，每一个类别用海上的一个岛屿来表示，岛周围用浅蓝色表示浅水域，不同层次的渐变绿色表示子类在结构树中所处的深度。岛的大小暗示了该类别中新闻的数量。
　　?Tree_Ring LtOl：用树的年轮隐喻时间。传统树型结构在表示层次信息时，总会遇到数据量变大屏幕不够显示的问题(见图5)。形同年轮的同心圆视图可以同时显示时间信息和树型结构信息，且不用因为数据量的庞大而在水平方向来回拖动。与其他同心圆隐喻不同，同心圆上的点不再表示同一深度，而是表示同一时间，如图6所示：
　　
　　5　分析与讨论
　　
　　5.1 隐喻对象的类型分析
　　调研发现，目前大部分可视化系统以文本信息和CMC信息为主要可视对象。图像信息可视化和多媒体信息可视化系统非常少见。这与图像和多媒体信息本身的视觉效果就非常突出有很大的关系。从人类的认知角度说，文本信息和CMC信息的视觉效果最差，认知难度大，难于发现其中的模式、规律等。同时这也符合技术发展的一般规律。图像和多媒体信息可视化，需要更为复杂的技术，实现起来比文本、CMC信息难度要大。
　　文本信息依然是人类目前存储知识最重要、最基本的方式。典型的文本信息资源有：领域知识(期刊、图书、会议录、报告、学位论文等)、新闻消息、专利、时空型数据(如事件、犯罪纪录、临床纪录、通信纪录)等。从可视化技术发展的长远看，仍然会以文本可视化、社会可视化为主，但是图像、多媒体信息可视化技术会有更大的发展潜力。
　　
　　5.2隐喻来源分析
　　信息可视化的隐喻中有两类最重要和最常见的隐喻：时间隐喻和空间隐喻。
　　5.2.1 时间隐喻 表1中隐喻时间的有水平线S1(或时间线)、河流S5、年轮S8。其中使用水平线隐喻的最为常见。表3中的可视化变量V5(方向)，与喻体一起可以完整的表达时间。表4中有7个系统均使用了水平线，占到一半以上。使用河流隐喻时间较为新颖，利用河流从左到右流动的方向作为时间的方向。同时，河流的宽度、河水的颜色均可以隐喻更多的对象。年轮隐喻时间，具有独创性，以圆心为时间起点，沿半径向外发散(见图6)。在表示与时间有关的层次型数据时，比传统用水平线隐喻时间的方法具有更好的可视和交互效果。
　　5.2.2空间隐喻人机交互界面设计中，传统的空间隐喻有窗口、面板、桌面等，新的研究还包括办公室、房间、城市等。表1中除了sl水平线，其余喻体均有空间隐喻的能力。表3中的7个可视化变量，有3个与空间隐喻有关：位置V1、形状v2、尺寸v3。表4中与位置V1有关的可视化系统就有11个之多。此外，全部系统均使用了V1、v2、V3的全部或部分变量。
　　
　　5.3隐喻模型构建
　　根据结构映射理论，隐喻由源域、源域子项、目标域、目标域子项、映射关系5个要素构成。通过构建合适的隐喻模型，使得信息表示更加有效，增强用户的信息交互效果。这个构建的过程可以分解为以下几个步骤：①目标域确定；②目标域子项分解图；③源域选择；④作源域各子项的树型层次分解图；⑤各源域子项对应的可视化变量确定；⑥建立映射关系，即源域子项――可视化变量――目标域子项。其关键在于源域的选择和子项分解图。通常，并非所有源域和目标域子项都能建立映射关系，只能实现部分匹配。好的映射应有助于用户将一个陌生的系统环境轻松地转化为一个熟悉的认知环境，使得一个新系统更容易被用户所接受和使用。
　　
　　6　结语
　　
　　选取合适的隐喻，可以使信息可视化系统的设计、实现与运用达到事半功倍的效果，可以为系统设计人员、开发人员和用户创造一个共同熟悉的认知背景，减少设计模型、系统模型和用户模型间的交流障碍。本文从隐喻视角设计出可视化系统的三个特征维：喻体、本体、可视化变量，并对1995-2008年出现的13个典型信息可视化系统进行了内容、特征和发展趋势的比较分析。进一步的研究将放在可视化系统用户的认知过程和系统评价上。

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