2.2视觉

视觉感知是人类大脑的最主要功能之一。眼睛是人体的视觉感知器官，它有着接收及分析视像的高级能力，最高带宽可达2.3GB/s。人脑功能的50%用于对视觉感知所得信息的处理。在日常学习和工作中，我们也能注意到视觉感知活动的重要性。例如，报刊、幻灯片、动态图、电影、展板等大量媒介手段都是利用了人类视觉感知的功能。数据可视化提供的直观的可视界面，就是让用户通过视觉感知器官获取经过可视编码的信息，经过大脑解码并形成认知，在交互分析过程中洞悉信息的内涵，最终获取解决问题的方法。

图2-1呈现了一个用户在客观世界中进行可视分析和事件处理的简化过程：数据经过自动或手工的分析方法（如机器学习、统计分析等）进行处理并可视化后，被用户所理解，饼状范围⑤表示了由用户、数据处理和可视化三者组成的一个直接交互过程；当多个用户参与这个过程时，相互之间就产生了群组协作⑥的效果。然而人的作用远不止于此，可视化的数据来自现实世界（或模拟仿真），人们利用这些数据做出一些决定，从而影响了他们在世界中的行为，最终对现实世界产生影响。

 

图2-1用户在客观世界与社会环境中进行数据处理与可视分析的框架

客观世界和虚拟社会中存在并源源不断地产生大量的数据，而人类处理数据的能力已经远远落后于获取数据的能力。众所周知，人眼是一个具有高度并行处理能力的器官，人类视觉具有迄今为止最高的处理带宽。视觉分为低阶视觉和高阶视觉，人工智能的发展使得计算机已经能够部分模仿低阶视觉，然而在高阶视觉方面仍然力不从心。另一方面，人类视觉对于以数字、文本等形式存在的非形象化信息的直接感知能力远远落后于对于形象化视觉符号的理解。例如，人们需要顺序地浏览一份数字化报表，才能获悉某一商品各月份的销量，在这个过程中还需要占用一定的大脑记忆进行存储。而采用柱状图的方式来可视化销量数据，用户可以快速直观地获得各月份销量的对比和变化趋势。

了解数据的来源、数据的类型、数据的结构等信息。对数据的理解可以帮助你更好地使用数据，而数据可视化技术数据可视化技术正是这种将数据转换为易被用户感知和认知的可视化视图的重要手段，这个过程涉及数据处理、可视化编码、可视化呈现和可视交互等流程，每一步骤的设计都需要根据人类感知和认知的基本原理进行优化。

2.2.1视觉感知与认知的定义

视觉感知是指客观事物通过人的视觉器官在人脑中形成的直接反映。人类感觉器官包括眼、鼻、耳，以及遍布身体各处的神经末梢等，对应的感知能力分别称为视觉、嗅觉、听觉和触觉等。视觉感知是视觉的内在表象，它包括视觉低级和视觉高级两个不同的感知层次。视觉的低级感知层次与物体性质相关，包括深度、形状、边界、表面材质等。视觉高级感知层次包括对物体的识别和分类，属于人类的认知能力的重要组成部分。其中，低阶视觉已经在信息可视化和可视分析的研究中得到了广泛验证。

感知指客观事物通过感觉器官在人脑中的直接反映。认知指在认识活动的过程中，个体对感觉信号接收、检测、转换、简约、合成、编码、储存、提取、重建、概念形成、判断和问题解决的信息加工处理过程。

人类只有通过“视觉感知”才能达到“视觉认知”。也就是说，视觉感知的进一步就是视觉认知。视觉认知是把视觉感知的信息加以整合、解释、赋以意义的心理活动，是关于怎样理解和解释所观察到的客观事物的过程。

视觉认知是一个复杂的过程，涉及到多个阶段和大脑皮质的多个区域。在这个过程中，我们的眼睛首先接收到视觉信息，然后将感知变为知觉，并进行知觉整合。所以说，“视觉感知”是“视觉认知”的前提。

2.2.2视觉感知处理过程

视觉感知的处理过程是一个一项重要的心理调节活动。通常，实际场景图像除了包含感兴趣的目标之外，还包含着大量干扰信息。

例如，一个人可以通过词语“汽车”想象一辆汽车，或者可以通过汽车的心理映像而想象一辆汽车；在相互关系上，一个人可以想象出一辆汽车，然后用语言描述它，也可以读或听关于汽车的描述后，构造出汽车的心理映像。通过实验还发现，如果给被试者以很快的速度呈现一系列图画或字词，被试者回忆出来的图画数目远多于字词数目。这个实验说明，非语言信息的加工具有一定的优势，也就是说，大脑对于视觉信息的记忆效果和记忆速度好于对语言的记忆效果和记忆速度。这也是可视化有助于数据信息表达的一个重要的理论基础。

 

图2-2视觉感知的处理过程

视觉感知的处理过程可以分为6个步骤：

（1）视觉寻找：在视线所能达到的范围内搜寻目标。

（2）寻找：当发现视觉探测到的对象与预期所需目标相符合时，则排除其他对象，锁定目标。

（3）分辨：对多个相似的对象的信息进行深入探测。

（4）识别：根据视觉特征信息和细节信息的差异，识别目标的含义。

（5）确定：锁定的对象与记忆中的存储信息相吻合，确认目标。

（6）记忆搜索：是以上视觉过程的基础，以上视觉所获得的信息都要与记忆信息对比，然后做出判断。

2.2.3格式塔理论

格式塔心理学诞生于1912年，是心理学中为数不多的理性主义理论之一。它强调经验和行为的整体性，反对当时流行的构造主义元素学说和行为主义“刺激-反应”公式。格式塔心理学认为，整体不等于部分之和，意识不等于感觉元素的集合，行为不等于反射弧的循环。在格式塔心理学家看来，感知的事物大于眼睛见到的事物；任何一种经验现象，其中每一成分都牵连到其他成分，每一成分之所以有其特性，是因为它与其他部分具有关系。由此构成的整体，并不决定于其个别的元素，而局部过程却取决于整体的内在特性。完整的现象具有完整特性，它不能分解为简单的元素，其特性也不包含于元素之内，如图2-3所示。

 

图2-3左：很容易看出是蝴蝶和花瓣；右：更容易看出是一个女人的形象

格式塔理论最基本的法则是简单精炼法则，认为人们在进行观察的时候，倾向于将视觉感知内容理解为常规的、简单的、相连的、对称的或有序的结构。同时，人们在获取视觉感知的时候，会倾向于将事物理解为一个整体，而不是将事物理解为组成该事物所有部分的集合。格式塔法则又称为完图法则，主要包括以下原则。

（1）贴近原则

贴近原则是指当视觉元素（即一些被人识别的视觉感知对象）在空间距离上相距较近时，视觉上容易组成整体。在图2-4中，“联合利华公司”图标中，不同花纹颜色一致，由于空间距离贴近，因此被识别为组成一个大写的英文字母“U”。图2-5中，视觉上人们会把它归为三组，因为当视觉元素在空间距离上相距较近时，人们通常倾向于将它们归为一组。

 

图2-4联合利华公司的图标利用贴近原则分图案与文字

 

图2-5人们通常倾向于将空间距离上相距较近的归为一组

（2）相似原则

相似原则是指人们在观察事物的时候，容易根据事物的相似性进行感知分组，分组依据通常为形状、颜色、光照或其他性质的感知。例如，在图2-6中，相同形状的图标被自动识别为同一类，处于同一行。

 

图2-6相似原则举例

（3）连续原则

连续原则是指对线条的一种知觉倾向。当人们在观察事物时，会很自然地沿着物体的边界，将不连续的物体视为连续的整体。例如，在图2-7中，人们在观察事物的时候会很自然地沿着物体的边界，将不连续的物体视为连续的整体。

 

图2-7连续原则举例

（4）闭合原则

在某些视觉映像中，物体可能是不完整的或者不是闭合的，然而格式塔心理学认为，只要物体的形状足以表征物体本身，人们就会很容易地感知整个物体而忽视未闭合的特征。例如，在图2-8中，呈现的是一只不完整的熊猫，但是只要物体的形状足以表征物体本身，人们会很容易地感知整个物体而忽略未闭合的特征。

 

图2-8闭合原则举例

（5）共势原则

共势原则指如果一组物体具有沿着相似的光滑路径运动趋势或相似的排列模式，人眼会将它们识别为同一类物体。例如，如果有一堆点同时向下运动，另一堆点同时向上运动，人们自然地分辨出它们是两组不同的物体。图2-9显示了一堆杂乱的字母，但是人眼下意识地识别出具有相同布局的字母并自动识别出语句“lookatme,followme,readme!”。

 

图2-9共势原则举例

（6）好图原则

好图原则指人眼通常会自动将一组物体按照简单、规则、有序的元素排列方式进行识别。个体识别世界的时候通常会消除复杂性和不熟悉性，并采纳最简化的形式。这种复杂性的消除有助于产生对识别物体的理解，而且在人的意识中这种理解高于空间的关系。图2-10展现了对五环形状的两种识别：奥运五环标志和割裂的五个圆环。在描述这种形状时，人们倾向于将其描述成一系列圆环，而不是直接描述为一种特殊的形状。

 

图2-10好图原则举例

（7）对称性原则

对称性原则指人的意识倾向于将物体识别为沿某点或某轴对称的形状。因此，将数据按照对称性原则分为偶数个对称的部分，对称的部分会被下意识地识别为相连的形状，从而增强认知的愉悦度。如果两个对称的形状彼此相似，它们更容易被认为是一个整体。图2-11展示了某国男女人口随年龄的分布情况。

 

图2-11对称性原则举例，按照男女将年龄分布数据对称排列，增强数据的可读性

（8）经验原则

经验原则指在某些情形下视觉感知与过去的经验有关。如果两个物体看上去距离相近，或者视觉间隔小，那么它们通常被识别为同一类。图2-12中上下两图分别将同一个形状放置在两个字母和两个数字之间，造成的识别结果分别是B和13。

 

图2-12经验原则举例，将一个形状放在字母（上）和数字（下）之间给人不同的认知暗示

由上面的描述不难看出，格式塔原则的基本思想是：视觉形象首先是作为统一的整体被认知的，而后才以部分的形式被认知，也就是说，人们先“看见”一个构图的整体，然后才“看见”组成这一构图整体的各个部分。

 

图2-13整体的统一感知

可视化设计必须遵循心理学关于感知和认知的理论研究成果。格式塔心理学是对心理感知和认知进行的一整套完整的心理学研究，并由此而产生的完备理论。尽管格式塔心理学的部分原理对可视化设计没有直接的影响，但是在视觉传达设计的理论和实践方面，格式塔理论及其研究成果都得到了应用。