呈现复杂结构的展示机制

4.3.1　呈现复杂结构的展示机制

如何在有限的屏幕空间上呈现复杂的知识结构是利用可视化技术表示知识的一项重大挑战。在可视化展示中，面对的数据空间的维度和密度常常是很大的，其中的数据元素成千上万，而每个数据元素又由一系列属性组成，将数据元素映射为可视化对象空间的一个节点、将数据元素的属性映射成每个节点的可视化属性是常见的映射方案，但由于数据集合的庞大，简单的映射必定带来节点分布稠密、连线交叉严重等问题；在可视化绘制中，由于人脑知识的丰富性，也会产生大量的元素，同时由于希望不同类型的元素使用不同的图例，而图例中又有各种说明、图例之间又存在诸多关联，如何很好地将各种图例组织起来而不出现混杂、不清楚的状况也同样关键。目前，常用的办法是分层显示或分区显示，将需要程序的复杂结构分为若干个层次或区域，首先呈现顶层或整体的结构，然后逐层或分块深入浏览，通过在不同层次或区域的跳转实现对整个结构的浏览。为了将复杂结构有效地呈现出来，展示机制的构建可以从以下三个方面入手：

（1）降低认知难度

当需要显示节点数量多、并且每个节点又有诸多属性时，需要设计合理的呈现方案进行展示，以降低认知难度让人们快速识别知识结构。图4-2是一家多媒体公司的专家识别地图（Eppler，2001），清晰描绘了24名专家的4个属性特征。

该专家识别地图显示了每位专家的姓名、所处位置、产品线及业务领域。图中每一个椭圆代表一位专家；不同的椭圆填充颜色反映专家所处位置的不同；由内到外的三个同心圆分别代表CD-ROM、独立系统以及Web三个产品线；将三个同心圆划分为五块的五个扇形区域分别代表图形设计、动画、数据库、技术人员以及项目管理五个业务领域。这样，根据代表每位专家的相应椭圆的填充颜色、所处同心圆及所处扇形区域就了解该专家的相关情况。

图4-2　多媒体公司的专家识别地图

（2）优化空间组织

空间组织是可视化空间的整体布局，包括如何在显示区域定位相应的元素，元素按照怎样的顺序进行分布。点线式树布局的一般思路是：从根节点出发，按深度优先分布各点，一个节点布局完成后，立即对其子节点进行布局，直到所有节点布局完成（苏勇，2006）。而子节点布局方法是：依据子树的节点数多少按适当的规律排列相邻次序，可以使节点较多的子树和节点较少的子树在区域安排上更合理、更均匀及美观。子节点布局时遵照以下几条规则：①每个节点从父节点分得一块扇形区域，该节点将被布局到区域的中轴线上；②子节点依据子树的节点数目按一定的规律排列相邻顺序；③根据各子树的节点数分配各子树的区域范围大小，并确定各子节点的值。但是，当需要显示的元素数量非常多时，是很难将所有元素一次性清晰完整地呈现出来的。这就需要一定的优化空间组织的方法，包括鱼眼视图、导航视图及多比例缩放等。图4-3的鱼眼树视图（Fisheye Tree Views）则是利用鱼眼失真技术改善传统树结构的空间组织效果（Christian Tominski等，2006）。

图4-3　鱼眼树视图

图4-3给出了三种情况下的界面效果，最左边一幅未使用鱼眼技术即为传统树视图方式，中间及右边两幅分别使用了不同程度的鱼眼失真技术，右边的失真程度较高。在传统树视图中，当节点数量比较大时难以在有限的屏幕上将树的所有节点显示出来，一定这么做，则每个节点分配的屏幕空间十分有限，使得任何一个节点的显示都模糊难辨；尽管可以通过添加滚动条，在保证节点显示效果的基础上，让用户通过滑动滚动条查看需要的信息，但是这样就不能将整个树的概貌显示出来。因此传统树视图针对每个节点“平均用力”，即分配相同的空间给任何节点。使用了鱼眼失真技术后，在保证显示树的整体结构的基础之上给焦点区域分配更多的屏幕空间，对用户当前查看的内容使用大尺寸显示，而离焦点越远的节点使用越小的尺寸显示。鱼眼树视图是“按需用力”，而不是“平均用力”。这样，就能够很好地满足了用户浏览庞大型树结构的需要，不仅能够看到整体结构，而且能够清晰定位局部细节内容。

（3）平滑状态转换

在可视化对象空间生成后，避免不了用户对可视化对象进行相应的操作，操作就意味着系统要根据用户需要重建可视化对象空间，譬如焦点区域的改变、呈现层次的改变及缩放比例的改变等。然而，可视化对象空间状态的改变应该是逐步过渡实现而不是瞬间发生的。节点从一个位置到另一个位置应是沿着一定的路线慢慢推进，而不是一下子出现在另外一个位置。因此，需要设计一定的动画效果来平滑状态转换。这样不仅能够满足用户的视觉需要，而且让用户有可能发现静止状态下难以发现的规律和模式。图4-4的双视图（DualView）则使用了两种状态转换技术（Quang Vinh Nguyen和Mao Lin Huang，2005）。

图4-4　双视图

两种状态转换技术分别是浏览转换（Browsing Transformation）和鱼眼失真转换（Fisheye-like Distortion Transformation）。浏览转换是在浏览大的层次结构或网络结构过程中，降低计算代价而提高响应速度的技术，其基本思路是制定动态查看节点的移动原则：①离中心节点距离越近，移动速度越快；②所有节点不能移动出显示区域。这样，离中心节点越近的节点移动越快更能吸引用户的注意力，并且为中心节点留出更多的空间位置，将中心节点更为直观地呈现出来，整个转换过程舒缓、连续并能反映节点之间的关联程度。鱼眼失真转换则通过放大焦点区域改善局部细节的显示效果，以满足浏览转换的不足。图4-4中左边一幅图是没有利用转换技术显示大约3900个节点的情景，中间一幅图使用了浏览转换，右边一幅使用了浏览转换和鱼眼失真转换。两种状态转换技术的应用不仅实现了状态转换过程中节点移动的连续性和动画效果，而且优化了空间组织效果，能够在有限空间展示大量节点。