信息可视化与知识可视化的发展方向

1.3.4　信息可视化与知识可视化的发展方向

1.3.4.1　以评价推动技术更新

通过评价现有的可视化工具可以发现其优势与不足，找到用户的真正需求，进而革新实现产品化。可视化技术的评标方法很多，例如设计元素的对照实验、工具可用性评价、多个工具的对照实验及实证研究等。

可视化作为一个学术研究领域已经相对成熟，但是商业却少之又少，如何将可视化技术转化为商业产品成了一个关键问题，在InfoVis05上专门邀请了高校可视化技术研究方面的知名专家，包括Shneiderman、Andrews以及可视化技术产品化比较成功的公司的负责人，包括Inxight、Spotfire、Macrofocus、Hive Group、Tableau Software等进行座谈探讨可视化技术的产品化问题（Shneiderman.B，2005）。在产品化过程中，说服一些喜欢新事物、意愿新尝试的冒险家是比较容易的，而说服仅愿意接受可靠、适用的实用主义者是非常困难的，但后者才是产品化成功的关键。一个成功的软件应具备以下要求：①解决某一重要问题；②效益是可以测量的；③不需要其他构件；④集成培训和技术支持；⑤让用户成为英雄；⑥为管理人员提供报告。例如，HiveGroup公司开发的Honeycomb是采用Treemap技术取得商业应用的成功范例。

案例研究通过调查现实生活中的实际现象来认识、分析事物的本质。案例研究首先需要建立案例调查的结构体系，特别是指标体系的建立，然后根据这些指标进行调查。同样，针对可视化应用的案例研究也需要构建评价的指标体系，在对可视化技术进行评价的过程中，不同的学者从不同的方面构建了一系列指标，包括是视觉表示、交互机制、效果及表现力等（Zeiller.M，2005），如表1-5所示。

表1-5　可视化技术的评价指标体系

可视化技术指标体系的建立为可视化应用的案例研究提供了重要基础，进而为推动可视化技术更新起到重要作用。随着应用的开展、环境的变化，指标体系也将变化，但针对可视化应用的案例将不断开展，使得可视化技术能够普遍运用于实践之中。

1.3.4.2　以组件简化应用开发

可视化应用开发是一项比较复杂、相对困难的任务，原因在于：一是它需要深厚的数学功底及大量的编程经验，而计算机图形学及算法研究均是比较难的课题；二是可视化应用在不同领域中的设计要求和实现策略是不相同的。为了使得可视化应用的开发简单易行，业界开发了一系列开源的可视化组件，包括IVC、InfoVis、Piccolo及Prefuse等，利用这些组件应用开发只需要针对性的二次开发。

（1）IVC组件

IVC（Information Visualization CyberInfrastructure）组件开发的目的是促进各种数据分析、建模及可视化算法的集成，主要定位于两种用户群：一是有兴趣将他们的新的数据分析、建模和可视化算法散布给他们的同行的开发者；二是诸如研究者和教师等需要先进分析算法和可视化交互技术的用户。IVC使用JAVA编程语言，进行了严格的版本控制；数据格式采用了元数据的思想、同时支持基于XML的格式；采用基于插件的软件架构，扩展性好；采用菜单驱动的交互界面，跟踪用户打开数据集、选择可用的算法并提供持续的反馈信息给用户，具有很强的可用性。IVC组件主要包括5个组成部分：①核（Core），所有系统构件和资源的管理器；②数据模型，IVC的内部数据结构，存储着数据的元信息；③持久层（Persistence），提供数据物理存取的方法；④图形用户界面，菜单驱动的交互界面；⑤插件、分析、建模以及可视化的算法。

（2）Piccolo组件

Piccolo 组件由美国马里兰大学人机交互实验室开发，支持开发二维图形界面程序及缩放用户界面。Piccolo采用三维设计下常用的场景图模式（Secene-graph model），维护了一系列对象和照相机的层次结构，允许应用开发者以多种方式选择、组织及管理对象。Piccolo提供了一系列机制，包括屏幕重画、绑定管理、事件机制、聚焦功能、动画设计等，可以让开发者避开底层代码编写的繁琐工作，专心完成具体应用的封装。其最大的特点是基于二维图形的缩放机制，使得浏览信息更为清晰、简单。Piccolo基于底层图形API编写，目前有3个版本：①Pccolo.Java；②Piccolo.NET；③PocketPiccolo.NET（支持.NET框架的精简版），应用于PDA编程。其中，.NET版本完全采用C语言编写。Java版本基于Java2平台，利用Java2D API实现可视化展现；.NET版本基于.NET框架，利用GDI+API实现可视化展现。

（3）InfoVis组件

InfoVis组件开发的目的是支持高级二维信息可视化应用的构建、扩展和集成，使得应用组件能够用于Java Swing之中。InfoVis组件的特点是：①适合可视化应用的数据结构；②可视化数据结构的特定算法；③可视化对象的直接操作；④支持检索、过滤及其他信息可视化任务；⑤支持标记和变形。InfoVis主要有5个组成部分：数据表、数据列、可视化、构件及输入/输出。InfoVis支持数据表、树及图等数据结构，支持散列图、时间序列、平行坐标、填充式树、点线式树、邻接矩阵图等可视化形式。所有这些可视化形式均能使用鱼眼视图和动态标签功能。另外，它还支持通过Agile2D实现硬件加速。

（4）Prefuse组件

Prefuse组件是一个支持开发交互可视化应用的软件框架，利用Java语言编写。利用Prefuse可以开发独立的应用，大型应用的可视化组件，也可以构建Web Applet。Prefuse旨在简化以下过程：描述并高效处理数据，将数据映射到可视化对象及直接操作各种与可视化数据的交互。Prefuse支持表格、树、图等数据结构，提供了一系列可视化技术的编码和显示算法，支持动画技术、动态查询、集成检索，同时支持数据库连接。Prefuse的数据源可以是各种格式化文档，如XML，也可以是SQL数据库。Prefuse集成了类似SQL语言的表达式语言，用于构建可视化数据结构的查询并生成继承的数据字段，同时支持SQL数据库的查询功能，能够将数据库查询结构直接映射到可视化数据结构。

四个组件均是开源免费的，适合于学习和研究的需要，同时都利用Java语言编写（Piccolo还提供了基于.NET框架的C#版本）。但是它们的框架体系也有非常大的区别。IVC是基于插件的结构，提供了基于菜单驱动的用户界面，而且为用户实时提供反馈信息，比较适合于研究和学习新的可视化技术，但不易于开发具体应用。Piccolo采用的场景图模式使得开发人员易于创建和管理各种对象，定位在开发缩放用户界面，利用它开发各种高级的交互界面非常合适。InfoVis和Prefuse支持多种数据结构，包括表、树、图等，也支持多种可视化展示技术。但是，InfoVis并没有完全参照信息可视化的参考模型，而且没有专门的网站提供学习和交流的空间，同时给出的工具包由于没有说明文档支持，进行二次开发比较困难。Prefuse则完全体现了信息可视化参考模型，同时提供了专门网站，而且提供了比较规范的用户手册。再者，Prefuse支持B/S结构的部署，提供了数据库接口，并利用Eclipse环境开发易于应用开发环境的部署。

1.3.4.3　以整合探索新的应用

可视化技术旨在通过可视化工具和方法揭示数据、信息或知识的结构或模式以促进信息和知识资源的利用，在信息管理、数据挖掘、知识管理、教育及电子学习等得到了广泛应用。然而，这些领域的应用从不同角度出发，研究人员具有不同的知识背景，取得了一定的效果，但是这些研究和应用需要整合以探索新的应用思路和研究方法。例如，信息检索可视化的相关技术以及概念图等知识可视化工具并没有很好地整合到电子学习环境中去；而相关的学习理论也没有很好地体现在可视化技术的设计当中。因此，通过整合现有的可视化研究成果，并结合相关应用领域的成果，探索可视化技术应用的新思路成为可视化研究的新课题。

Burkhard（2006）提出从信息构建的视角来整合可视化科学，信息构建通过设计各种结构组织、可视化以及利用数字化或物理信息。信息构建是一个宽泛而且又明确的概念。信息构建可以作为整合以前及目前可视化研究的理论基础，可以用以分析研究目标、起源、应用领域以及与相关领域的关系。因此，这种整合思路基于语义层次，将相关研究的重要术语进行罗列、分类，然后找出一个较宽泛的概念并分析该概念与其他概念之间的区别来认识这一领域的研究概貌。

Tergan和Keller编写的题为《知识与信息可视化：探索整合》的论文集中收集20篇论文，其中11篇探讨了有关信息可视化与知识可视化的整合，可以分为两种整合方法：①知识与信息可视化相结合以促进学习和教育；②以知识为导向组织信息以促进信息利用，如表1-6所示。这种整合思路以应用为出发点，重点考虑利用可视化技术来管理和利用各种信息和知识资源，探索可视化技术新的应用。其中，多篇论文探讨了信息可视化和知识可视化工具在以资源为导向的电子学习环境中的应用前景，例如Webster、ParIS、LEO等。因此，这些成果是借鉴电子学习理论，以及信息管理、知识管理的方法，探讨可视化技术的整合问题，但是涉及的可视化技术有限，而且是通过论文集的方式，没有进行系统研究并建立理论框架指导实践工作的开展，仅仅给出了一些整合的方法和思路，尚需进一步的研究与扩展。

表1-6　信息可视化与知识可视化整合系列论文

可视化技术的不断发展，使其应用也迅速推进，伴随可视化技术评价的发展、可视化技术组件的开发以及现有可视化技术的整合，可视化技术的应用将会更加普及和简单。但是，由于可视化技术应用领域广泛，众多学科正在或试图利用可视化技术支撑本领域相关任务的完成，进行一个系统研究是相当困难的。不过，从一个宽泛的概念出发，结合具体应用，并吸收相关学科的研究成果，界定可视化技术的应用，不仅能够推动可视化技术的发展，也能通过可视化技术提高相关工作的效率和效果。知识转化是知识管理的核心内容，与信息管理、组织学习等密切相关，因此探讨知识转化中可视化技术的支撑作用是非常有意义的。