復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面中不確定性元信息的視覺顯示設(shè)計(jì)方法研究

夏雪

摘要：在人機(jī)交互界面中，信息要素的呈現(xiàn)方式影響了用戶的決策能力。這種能力不僅依賴于對(duì)任務(wù)決策領(lǐng)域相關(guān)信息的理解，還依賴于信息本身的屬性，即元信息。文章闡明了元信息的概念、類型和元信息視覺顯示設(shè)計(jì)對(duì)任務(wù)決策的影響，并以不確定性為例對(duì)元信息的視覺顯示設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了總結(jié)比較。最后針對(duì)臺(tái)風(fēng)擴(kuò)散范圍不確定性進(jìn)行了多種不同方法的元信息可視設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)得出利于用戶決策的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：元信息;任務(wù)決策;不確定性;視覺顯示;設(shè)計(jì)方法

中圖分類號(hào)：J524 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）03-0074-02

在人機(jī)交互界面中，信息要素的呈現(xiàn)方式?jīng)Q定了用戶從界面中提取、整合和利用信息的效率，從而影響了基于人機(jī)交互界面的決策能力。決策導(dǎo)致任務(wù)成功的能力在很大程度上取決于用戶在理解和處理信息方面的技能和經(jīng)驗(yàn)。這種能力從根本上不僅依賴于對(duì)任務(wù)決策領(lǐng)域相關(guān)信息的理解，還依賴于信息本身的屬性，即元信息。元信息可以批判性地影響用戶如何處理信息、理解信息，并根據(jù)這些信息作出決定。然而，在現(xiàn)有的決策支持系統(tǒng)中，關(guān)鍵的元信息經(jīng)常沒有得到充分的顯示或根本不顯示。

1 元信息

1.1 元信息的概念和類型

元數(shù)據(jù)和元信息分別是特定情況下數(shù)據(jù)和信息的特征或限定詞。元數(shù)據(jù)可以用于各種計(jì)算系統(tǒng)中，用于過濾、管理和處理數(shù)據(jù)，然后將其作為決策過程的輸入。元信息則可以被認(rèn)為是功能信息的屬性或特征，允許用戶根據(jù)需要正確解釋功能信息[1]。

功能信息和元信息是由用戶從數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和整合中得到的。簡(jiǎn)單的說，數(shù)據(jù)：由人或機(jī)器系統(tǒng)輸出（加工或未加工的數(shù)據(jù)源）;信息：是針對(duì)目標(biāo)導(dǎo)向的決策過程的輸入;元數(shù)據(jù)：是數(shù)據(jù)的特征或限定符;元信息：是影響用戶信息處理、態(tài)勢(shì)感知和決策行為的信息的特征或?qū)傩訹2]。

元信息的常見實(shí)例主要有不確定性、模糊性、來源的可靠性、相關(guān)性、信息源的特性、信息的抽象程度等[3]。

1.2 元信息與任務(wù)決策

Pfautz等人利用認(rèn)知任務(wù)分析研究了軍事情報(bào)作業(yè)環(huán)境中元信息對(duì)決策的影響。除了提供其他信息外，還提供元信息可能導(dǎo)致信息過載，元信息可能影響多方面的知識(shí)，包括實(shí)體識(shí)別、定位、方向、速度等[2]。Kirschenbaum等人則研究了不確定性表示對(duì)復(fù)雜可視化任務(wù)的性能影響，數(shù)據(jù)表明，信息呈現(xiàn)對(duì)決策的影響取決于經(jīng)驗(yàn)，專家差異較小，而非專業(yè)人員差異很大。專家經(jīng)過高度實(shí)踐，可以通過任何信息和顯示來完成任務(wù)，而非專業(yè)人員的任務(wù)績(jī)效則可以通過合理的信息呈現(xiàn)來顯著改善[4-5]。

眾多研究表明，復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面中元信息的視覺顯示對(duì)任務(wù)決策有積極影響，但是不合理的元信息視覺顯示設(shè)計(jì)不僅不會(huì)幫助任務(wù)決策，還會(huì)增加記憶負(fù)荷，造成錯(cuò)誤判斷，并且對(duì)態(tài)勢(shì)感知、對(duì)象識(shí)別、閱讀和語言處理都產(chǎn)生消極影響。

2 不確定性元信息的視覺顯示設(shè)計(jì)方法

不確定性作為最常見的一種元信息，常用于表述信息來源的偏差、信息可變性、可信度等，在信息采集，變化和視覺表征過程中都存在著不確定性。以下總結(jié)了五種較為常用的不確定性信息視覺顯示設(shè)計(jì)方法。

1）圖標(biāo)法。圖標(biāo)法是最早出現(xiàn)的不確定性信息視覺顯示設(shè)計(jì)方法，常用誤差條圖、盒須圖來表示，誤差條圖是由帶標(biāo)記的一系列線條組成，只能表示單維不確定性，因此二維不確定性則常用箭頭，向量等圖標(biāo)進(jìn)行編碼。這種方法較多的適用于具有統(tǒng)計(jì)特性的專業(yè)界面，對(duì)于普通用戶而言，這種方法需要用戶對(duì)統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行一定程度的學(xué)習(xí)和理解。界面中大量的圖標(biāo)布局會(huì)造成界面混亂，影響視覺搜索，所以圖標(biāo)法適用于數(shù)量較少的不確定性元信息視覺顯示設(shè)計(jì)。

2）視覺信息編碼法。常見的視覺信息編碼方法有顏色、形狀、方向、紋理、清晰度、不透明度等。顏色變量已被許多研究人員用來編碼不確定性元信息，例如在地圖上使用色調(diào)來編碼預(yù)測(cè)風(fēng)速的范圍或最壞情況值，以及平均速度;或使用飽和度更高的色調(diào)顯示更大的范圍，更多的不確定性等等。這種設(shè)計(jì)方式在界面顯示上非常直接，可以幫助用戶迅速的定位需要的信息，有效地改善任務(wù)中的非專業(yè)決策，但是編碼方式的選擇影響到用戶的心理感知，因此在界面設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)選擇最為合適的視覺信息編碼方式。

3）三維表示法。三維表示法主要借助立體幾何的知識(shí)，使用幾何物體的布局或者屬性來編碼不確定性信息，三維幾何表示法與圖標(biāo)法有相似之處，但是表征結(jié)果比圖標(biāo)法更為直接，這種方法的優(yōu)勢(shì)在于可以編碼高維不確定性，但是在引入幾何物體時(shí)，由于物體的干擾也可能使原有的確定性的信息造成混亂。

4）引入動(dòng)畫法。動(dòng)畫的引入也是不確定性信息的常見視覺顯示設(shè)計(jì)方法，認(rèn)知學(xué)的眾多研究表明，在人類視覺系統(tǒng)的前注意處理過程（pre-attentive process）中，運(yùn)動(dòng)具有極高的處理優(yōu)先級(jí)[6]。使用動(dòng)畫參數(shù)來編碼不確定性信息更加生動(dòng)形象，也能更直觀的顯示變化過程，然而這種方法同時(shí)也要求了用戶必須長(zhǎng)時(shí)間不間斷的關(guān)注界面，容易造成視覺疲勞，影響決策。

5）心理視覺法。多聲道綜合感知的心理映射，例如聲音、觸覺和視覺，可用于表示信息的不確定程度。信息可以通過視覺界面和聲音、體感的方式呈現(xiàn)，經(jīng)過多通道處理進(jìn)行編碼和篩選。工作記憶將完成對(duì)大部分多通道信息的處理，大腦中的集成機(jī)制也將整合和重新組織不同類型的元信息，從而得到綜合的多通道感知處理結(jié)果[7]。

3 不確定性元信息的視覺顯示設(shè)計(jì)實(shí)踐

當(dāng)空間擴(kuò)散程度作為不確定性元信息顯示時(shí)，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致觀察者得出錯(cuò)誤的結(jié)論。以圖1中國(guó)天氣臺(tái)風(fēng)網(wǎng)用來顯示臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)路徑及其擴(kuò)散范圍不確定性的圓錐圖為例，圓錐部分是由沿著預(yù)測(cè)軌跡（每6、12或36小時(shí)）的一組圓圈（未顯示）掃出的區(qū)域包圍而形成的。每個(gè)圓圈的大小經(jīng)過計(jì)算，使得過去5年的歷史樣本中，官方預(yù)測(cè)誤差值的70%落在圓圈內(nèi)。

然而，這種常見的表示方法也造成了部分用戶對(duì)臺(tái)風(fēng)擴(kuò)散范圍的誤解——用戶往往理解為，圖中顯示臺(tái)風(fēng)的擴(kuò)散范圍是隨著時(shí)間的推移而增加的。因此，為了評(píng)估文章第二部分提出的不確定性元信息視覺顯示設(shè)計(jì)方法在幫助用戶評(píng)估臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)方面的有效性，采用其中幾種設(shè)計(jì)方法對(duì)原顯示方法進(jìn)行了重設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了一項(xiàng)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)。

如圖1原設(shè)計(jì)僅顯示預(yù)期臺(tái)風(fēng)中心擴(kuò)散范圍的 70%的可信區(qū)間，如圖2（a）。在此基礎(chǔ)上，采用視覺信息編碼法中的顏色編碼來分別表示50%、70%和95%的區(qū)間，以提供給用戶更多、更可靠的信息，如圖2（b）。采用標(biāo)準(zhǔn)圖標(biāo)，加以數(shù)字標(biāo)注臺(tái)風(fēng)中心及擴(kuò)散范圍（數(shù)字越高擴(kuò)散范圍越大），如圖2（c）。盡管圖2（c）圖標(biāo)標(biāo)注法描繪了一組臺(tái)風(fēng)中心位置的預(yù)測(cè)，并用數(shù)字加以注釋，但并沒有直接顯示可能受臺(tái)風(fēng)力量影響的區(qū)域范圍。為了解決這一問題，引入動(dòng)畫進(jìn)行設(shè)計(jì)，將樣本信息用圖形圓形表示，其半徑與5干牛風(fēng)速時(shí)距中心的預(yù)測(cè)擴(kuò)散距離相對(duì)應(yīng)，創(chuàng)建動(dòng)態(tài)更新顯示，圖2（d）顯示了這種動(dòng)畫設(shè)計(jì)方法的快照。

在實(shí)驗(yàn)中，被試者通過簡(jiǎn)短的描述被告知每種展示的內(nèi)容。例如，在看到圖2（d）之前，被告知“你會(huì)看到一系列的圓，它們會(huì)出現(xiàn)和消失。每個(gè)圓圈代表臺(tái)風(fēng)中心的可能位置和擴(kuò)散大小”。實(shí)驗(yàn)指示被試者判斷臺(tái)風(fēng)影響石油平臺(tái)（圖中藍(lán)點(diǎn)表示）的可能性，并根據(jù)屏幕上顯示的預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)中心位置及擴(kuò)散大小估計(jì)平臺(tái)將遭受的損害程度，由1到9表示，其中石油平臺(tái)和臺(tái)風(fēng)的位置都是隨機(jī)呈現(xiàn)的。最后，要求被試者填寫七道是非判斷題，以評(píng)估他們對(duì)設(shè)計(jì)顯示的理解。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，用戶在遇到單一的原設(shè)計(jì)和圖標(biāo)標(biāo)注法時(shí)，作出選擇所需的時(shí)間更長(zhǎng)。顏色編碼方法和動(dòng)畫法則在所有試驗(yàn)中的結(jié)果相近，包括平均總體損害等級(jí)和損害等級(jí)隨中心擴(kuò)散范圍的變化而發(fā)生變化的曲線。

4 結(jié)語

盡管視覺信息編碼法和動(dòng)畫法被驗(yàn)證更有利于用戶對(duì)信息的判斷和決策，并減少了一部分誤解，但問卷的回答顯示，對(duì)這些顯示設(shè)計(jì)方法的其他誤解仍然存在，例如，部分被試者將動(dòng)畫顯示的過程視為時(shí)間流逝的指示。一個(gè)有趣且出乎意料的結(jié)果是，即使這兩種元信息視覺顯示設(shè)計(jì)方法在視覺呈現(xiàn)上并不相似，卻引發(fā)了非常相似的判斷，這表明元信息視覺顯示對(duì)決策的影響可能是由空間屬性驅(qū)動(dòng)的，為未來的研究提供了方向。

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