数据可视化基础学习(1) | 青训营笔记

看天的小猪
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这是我参与「第四届青训营 」笔记创作活动的第22天。

笔记小结：  本节课何菲菲老师详细讲解了数据可视化的基本概念，拓展了可视化设计的基本原则以及面向前端的可视化工具……因讲解详尽，内容较多，我分两篇笔记进行记录，此部分包含前三章节的笔记内容。现对照课程内容顺序将笔记补充如下。
拓展链接： 【前端专场 学习资料六】第四届字节跳动青训营 - 掘金 (juejin.cn)

01. 什么是数据可视化

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数据可视化，是关于数据视觉表现形式的科学技术研究。其中，这种数据的视觉表现形式被定义为，一种以某种概要形式抽提出来的信息，包括相应信息单位的各种属性和变量。

它是一个处于不断演变之中的概念，其边界在不断地扩大。主要指的是技术上较为高级的技术方法，而这些技术方法允许利用图形、图像处理、计算机视觉以及用户界面，通过表达、建模以及对立体、表面、属性以及动画的显示，对数据加以可视化解释。与立体建模之类的特殊技术方法相比，数据可视化所涵盖的技术方法要广泛得多。

数据可视化分类

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  • 科学可视化
    • 科学实验数据的直观展示
  • 信息可视化
    • 对抽象数据的直观展示
  • 可视分析
    • 对分析结果的直观展现，及交互式反馈，是一个跨领域的方向

为什么需要可视化

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  • 记录信息
  • 分析推理
  • 证实假设
  • 交流思想

eg.安斯库姆四重奏Anscombe's Quartet

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  • x与y的关系似乎可以用直线关系刻画，也不排除用曲线关系刻画，对吧。看完这张图，至少了解到就该样本数据拟合线性关系是可以尝试的，曲线关系有，不是很明显，样本量增加后再做考虑
  • 为什么强调开始回归前，一定要散点图观察线性关系呢？大家看下面这个统计学发现。
  • 1973年，统计学家F.J. Anscombe构造出了四组奇特的数据。它告诉人们，数据分析之前，描绘数据所对应的可视化图形有多么的重要！

02. 可视化设计原则和方法

可视化设计原则

能够正确地表达数据中的信息而不产生偏差与歧义

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常见的错误可视化

  • 透视失真
  • 图形设计&数据尺度
  • 数据上下文

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透视失真

  • 如果数字是由视觉元素表示的，那么它们应该与视觉元素的感知程度成正比。
  • 使用清晰、详细和彻底的标签，以避免图形失真和含糊不清。

图形设计&数据尺度

  • 图形的每一部分都会产生对其的视觉预期(visual expectation) :
    • 这些预期往往决定了眼睛实际看到的东西;
    • 错误的数据洞察，产生于在图形的某个地方发生的不正确的视觉预期推断。
  • 一个典型的例子:轴刻度，我们期望它从始至终能够保持连贯且一致。

数据上下文

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谎言因子

  • 控制图形中的谎言因子(Lie Factor, LF) :
    • 谎言因子:衡量可视化中所表达的数据量与数据之间的夸张程度的度量方法。
      • 当LF=1时，我们认为图表没有对数据实时进行扭曲，是一个可信的可视化设计。
      • 在实际当中，应当确保各部分图形元素的LF在[0.95,1.05]范围内，否则，所产生的图表认为已经丧失了基本可信度。

可视化设计原则

  • An excellent visualization design givesto the viewer the greatest number ofideas in the shortest time with the leastink in the smallest space ———— Edward R.Tufte

一个出色的可视化设计可在最短的时间内，使用最少的空间、用最少的笔墨为观众提供最多的信息内涵。

  • 准确地展示数据
    • Show the data, and tell the truth。
  • 节省笔墨
    • Use the least amount of ink
  • 节省空间
    • Don't waste space
  • 消除不必要的“无价值”图形
    • Eliminate non-essentials and redundancies
  • 在最短时间内传达最多的信息
    • Give the viewer the greatest number of ideas in the shortest time

Data-ink Ratio

最大化数据墨水占比(Data-Ink Ratio)

  • 可视化图形由墨水和空白区域构成
  • 数据墨水:可视化图形当中不可擦除的核心部分被称之为“数据墨水”
  • 擦除数据墨水将减少图形所传达的信息量
  • 数据墨水占比:可视化图形中用于展示核心数据的“墨水”在整体可视化所使用的墨水中的比例 image.png

Data-ink

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Data-ink Ratio案例

  • 绝大多数墨水都是数据墨水
    • 用于绘制散点和对应标签
  • 10%-20%的墨水是非数据墨水
    • 用于绘制坐标轴和刻度线
    • 并非所有的非数据墨水都没有用(例如坐标轴信息)。

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提高Data-ink ratio

  • 两个擦除原则:
    • 擦除非数据墨水
    • 擦除冗余的数据墨水
  • 非数据墨水是指不能描绘有价值信息的墨水:
    • 有时，非数据墨水会使数据变得混乱不堪
    • 并非所有的非数据墨水都没有用（例如坐标轴信息）。
  • 冗余的数据墨水描述了信息，但它重复显示了信息。

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可视化设计方法

  • 最重要的是展现数据
    • Above all show the data
  • 合理范围内，最大化数据墨水占比
    • Maximize the data-ink ratio, within reason.
      • 擦除非数据墨水
        • Erase non-data-ink, within reason.
      • 擦除冗余的数据墨水
        • Erase redundant data-ink.

03. 视觉感知

可视化致力于外部认知，也就是说，怎样利用大脑以外的资源来增强大脑本身的认知能力。

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什么是视觉感知

  • 感知
    • 是指客观事物通过人的感觉器官在人脑中形成的直接反映。
  • 感觉器官
    • 眼、耳、鼻、神经末梢
  • 视觉感知
    • 就是客观事物通过人的视觉在人脑中形成的直接反映

认知过程

认知心理学将认知过程看成由信息的获取、分析、归纳、解码、储存、概念形成、提取和使用等一系列阶段组成的按一定程序进行的信息加工系统。
科学领域中，认知是包含注意力、记忆、产生和理解语言、解决问题，以及进行决策的心理过程的组合。

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结论

  • 人类视觉系统观察的是变化，而不是绝对值，并且容易被边界吸引。
  • 在可视化设计中，设计者需要充分考虑到人类感知系统的这些现象，以使得设计的可视化结果不会存在阻碍或误导用户的可视化元素。

视觉突出

研表究明，汉字的序顺并不定一自影阅响读。
Aoccdrnig to rscheearch at Cmabrigde Uinervtisy, it deosn't mttaer in waht order the Itteers in a wrod are, the olny iprmoetnt tihng is that the frist and lsatltteer be at the rghit pclae. The rset can be a toatl mses and you can sitll raedit wouthit a porbelm.Tihs is bcuseae the human mnid deos not raed erveylteter by istlef, but the wrod as a wlohe.

视觉感知

  • 引导注意力，高效传达信息
    • 研究表明，人类对于颜色、形状、运动，这些视觉属性，是在不同通道上并行处理的，并且人类能在200ms以内快速辨别，这些属性被称作具有 “预感知” 特性。
    • 在一个通道中表达的信息，不会干扰(很多)在另一个通道上表达的信息，应当使用不同的视觉通道来描画数据不同方面的特征。(例如一个标记的颜色，并不会影响)
    • 格式塔理论(Gestalt Laws） 较为系统的对人类如何发现图形元素之间的相关性进行了全面总结，被广泛的应用在了视觉设计当中。

格式塔学派

  • 格式塔学派的理论核心是整体决定部分的性质，部分依从于整体。结构比元素重要，视觉形象首先作为统一的整体被认知。感知的事物大于眼睛见到的事物。
  • 格式塔理论(Gestalt Laws) 较为系统的对人类如何发现图形元素之间的相关性进行了全面总结,被广泛的应用在了视觉设计当中。

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就近原则(Proximity)

  • 当视觉元素在空间距离上相距较近时，人们通常倾向于将他们归为一组。
  • 将数据元素放在靠近的位置，可以突出它们之间的关联性。

相似原则(Similarity)

  • 形状、大小、颜色、强度等属性方面比较相似时，这些物体就容易被看作一个整体。

连续性原则(Continuation)

  • 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。

闭合原则(Closure)

  • 有些图形可能本身是不完整或者不闭合的，但主体有一种使其闭合的倾向，人们就会很容易地感知整个物体而忽略未闭合的特征。

共势原则(Common movement)

  • 如果一个对象中的一部分都向共同的方向去运动，那这些共同移动的部分就易被感知为一个整体。

对称性原则(Symmetry)

  • 对称的元素被视为同一组的一部分。

图形与背景关系原则(Figure-ground)

  • 大脑通常认为构图中最小的物体是图形，而更大的物体则是背景。
  • 跟凹面元素相比，凸面元素与图形相关联更多些。

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