本文摘要：摘要：在數(shù)據(jù)可視化中，色彩的合理利用是重要的一環(huán)，色彩的合理使用使得可視化結(jié)果更加清晰、準(zhǔn)確、易懂。本文從色彩感知和刺激的角度闡述了色相、明度、純度在可視化中的應(yīng)用規(guī)律，并從色彩錯視和色彩感知障礙的角度出發(fā)，探索用戶色彩感知的角度考量建立
摘要：在數(shù)據(jù)可視化中，色彩的合理利用是重要的一環(huán)，色彩的合理使用使得可視化結(jié)果更加清晰、準(zhǔn)確、易懂。本文從色彩感知和刺激的角度闡述了色相、明度、純度在可視化中的應(yīng)用規(guī)律，并從色彩錯視和色彩感知障礙的角度出發(fā)，探索用戶色彩感知的角度考量建立普適、準(zhǔn)確的可視化配色規(guī)律。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)可視化,色彩,色彩錯視,色彩感知障礙
1色彩與數(shù)據(jù)可視化
數(shù)據(jù)可視化起源于計算機圖形學(xué)，指的是通過使用圖形圖像方面的技術(shù)和方法，幫助人們理解和分析數(shù)據(jù)，達(dá)到讓人更迅速、更清楚地理解數(shù)據(jù)所傳達(dá)的內(nèi)容的目的。認(rèn)知心理學(xué)家通過大量實驗證明，人類獲得的信息中有83.3%來自視覺，可以預(yù)見視覺對信息識別的重要性。而在視覺中，人們第一印象就是色彩，然后才會繼續(xù)觀察形狀、內(nèi)容等，并且色彩自身就能攜帶相當(dāng)豐富的信息。
因此，色彩在數(shù)據(jù)可視化中占據(jù)非常重要的位置。好的配色方案雖然容易獲得，但由于信息圖表的特殊性，找到合適的數(shù)據(jù)可視化配色方案仍然很困難。在確保顏色清晰可辨的同時，我們還必須滿足豐富且有組織的數(shù)據(jù)可視化顯示�，F(xiàn)階段的配色應(yīng)用大都是按照直覺配色或者任意用色，并沒有遵循色彩的基本原理，缺乏對用戶注意力特點的考慮，可能會導(dǎo)致用戶產(chǎn)生疑惑，從而降低可視化的易讀性。用戶在觀看可視化數(shù)據(jù)的反應(yīng)包括情感反應(yīng)、認(rèn)知反應(yīng)和行為反應(yīng)。其中認(rèn)知反應(yīng)包括察覺、理解、記憶、錯覺等信息處理，是用戶通過可視化內(nèi)容獲取信息的重要過程。[1]
本文主要討論色彩的三要素色相、明度、純度特征以及在數(shù)據(jù)可視化的應(yīng)用，并從色彩面積錯視和色彩感知障礙的角度出發(fā)，對數(shù)據(jù)可視化提出視覺設(shè)計的要求。
2色彩的刺激與感知
從視覺傳達(dá)的角度來說，影響可視化的因素有很多，包括紋理、面積、方向、位置、色彩等。而在用戶觀看的過程中，色彩給人印象更深、沖擊力更強。色彩的三要素為色相、明度、純度，我們從這3個角度出發(fā)，闡述這3個方面在數(shù)據(jù)可視化中的應(yīng)用規(guī)律。
2.1…色相
色相是一種顏色測量術(shù)語，它是用于區(qū)分各種顏色(如紅色、黃色、藍(lán)色和綠色)的顏色屬性之一。我們在日常生活學(xué)習(xí)中閱讀文件或文章時，常常喜歡用顏色來標(biāo)記重點內(nèi)容，原因是在背景相同的情況下，色彩影響了用戶的前注意階段，[2]可以將所要注意的信息凸顯出來，這與數(shù)據(jù)可視化使得用戶快速注意到重要信息的領(lǐng)域目的不謀而合。影響前注意階段的因素非常多，如紋理、形狀、面積等。相比較其他的視覺因素，色彩對前注意階段的影響更大，并且可視化設(shè)計的成本最小。
在圖中的數(shù)字，人們第一眼就先會觀察到數(shù)字“8”，這種注意是迅速而無意識的。在與背景產(chǎn)生重要的區(qū)分度，吸引用戶的程度最大色彩的選取上，Smallman認(rèn)為，與背景顏色區(qū)分度比較高的有9種顏色，其中6種顏色有相對較高的使用頻率，它們是紅色、綠色、黑色、白色、藍(lán)色和黃色。[3]
因此，當(dāng)背景顏色不同于這6種的時候，可選擇這幾種區(qū)分度較高的顏色吸引用戶的眼球，減輕用戶的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。確定好前注意色彩的同時，對于細(xì)節(jié)的部分也要進(jìn)行選擇，在細(xì)節(jié)顏色選擇的同時要仿照自然的配色，因為并非所有顏色給人的感受都是均等的。從純粹的數(shù)學(xué)角度來看，從淺紫色到深黃色的過渡可能類似于從淺黃色到深紫色的過渡。這種現(xiàn)象的原因是我們已經(jīng)習(xí)慣了自然界長期存在的那些變化，再看到相同的漸變時就會讓我們感覺舒適。例如，在美麗的夕陽下，我們可以看到明亮的黃色到深紫色的漸變，而背離自然漸變的顏色會使用戶產(chǎn)生不舒適的感覺。
2.2…明度和純度
表達(dá)同一類型數(shù)據(jù)不同程度的情況，盡量使用明度或純度這一視覺元素，因為過多的色彩元素會增加用戶的認(rèn)知負(fù)荷。色彩的明度對比是所有色彩因素中最容易區(qū)別的特征。但是在日常生活中，我們發(fā)現(xiàn)，雖然人們對明度區(qū)分比較容易，但是多個明度等級放在一起的時候分辨能力還是比較弱。
所以，在進(jìn)行可視化視圖設(shè)計時，盡量使用不超過6個層次的明度等級;同時盡量等距地增大色彩明度之間的跨度，[4]使用戶觀看的時候可以明確分清楚，不會產(chǎn)生是否設(shè)計者用錯顏色明度的疑惑，降低用戶的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，增加可視化數(shù)據(jù)的可讀性，減少用戶心理上產(chǎn)生挫敗感。純度取決于顏色中顏色成分和無色成分(灰色)的比例。顏色分量越大，飽和度越大;無色成分越大，飽和度越低。純度的表達(dá)上與色彩的面積之間有著強烈的影響，面積較小的區(qū)域上的純度表達(dá)比面積大的區(qū)域上困難一些。為了能夠使用戶更清晰地分辨，小面積區(qū)域一般用飽和度高的顏色填充，大面積區(qū)域則用低飽和度的顏色填充。
3數(shù)據(jù)可視化中色彩錯覺的考量
當(dāng)我們的眼睛同時受到不同顏色的刺激時，由于顏色之間的相互干擾，會產(chǎn)生特殊的視覺效果。特定的顏色組合可能會產(chǎn)生錯覺，并使設(shè)計師難以實現(xiàn)期待結(jié)果。因為人們對純度的認(rèn)知很大程度基于周圍環(huán)境，高純度底色上的色彩顯得純度底，而一些低純度的底色的色彩相反。因此，要適當(dāng)考慮環(huán)境色對可視化圖表的影響。對色彩的面積錯視的考量，是數(shù)據(jù)可視化中重要的一環(huán)。
由于顏色具有膨脹或收縮的感覺，即暖色的顏色具有視覺擴散的感覺，冷色調(diào)的顏色具有收縮效果，從而導(dǎo)致視覺顏色區(qū)域的差異。我們看到的法國國旗均分的藍(lán)色、白色、紅色實際上三色比例為37∶30∶33，視覺效果才相對一致。應(yīng)用到數(shù)據(jù)可視化上我們可以看到，此數(shù)據(jù)可視化表示的是兩個國家壽命情況的對比，左右兩個圓的面積表示兩個國家人口的預(yù)期壽命，面積相等，均為73歲。我們可以看到，在數(shù)值情況一致的情況下，左邊的圓圈采用了膨脹感強的橘色，而右邊圓圈采用了收縮感強的藍(lán)色。
盡管兩個圓面積一致，給人造成的感覺是左邊的圓明顯大于右邊的圓。這也是面積錯視需要注意的一點。在視覺設(shè)計中，這種無意的幻覺會引起用戶理解困難。Mitelstädt等人通過不斷迭代像素的顏色值以獲得最佳效果，[5]充分考慮人的感知，避免增加用戶的疑惑。
除了對像素偏差值進(jìn)行補償之外，我們也可以考慮使用灰色來弱化顏色特點的信息�；疑梢云鸬揭欢ǔ潭鹊耐实淖饔茫_(dá)到一種調(diào)和的感覺。與此同時，不同的色調(diào)也會給人不同的心理感受，比如溫暖，重量和距離，所以在視覺設(shè)計中要充分利用這一特性。[6]比如中國城市溫度變化圖可使用溫暖感程度由高到低的色彩來標(biāo)記從熱到冷的區(qū)域。波長較長且明度較高的暖色有前進(jìn)感，而波長較短且明度低的冷色調(diào)有后退感。我們可以了解不同顏色的溫暖感、興奮感、重量感、距離感。
4色彩感知障礙的考量
調(diào)查顯示，色覺障礙是全球范圍內(nèi)普遍存在的問題。實際的原因是人眼中的三種錐形細(xì)胞分別受到紅色、綠色和藍(lán)色3種光的波長信號的刺激，從而產(chǎn)生我們所觀察的真實世界。但是這3種錐狀細(xì)胞若有一種或幾種受到損傷，就導(dǎo)致感知色彩出現(xiàn)異常，甚至不能產(chǎn)生感知現(xiàn)象。最常見的情況是紅綠色盲占色盲感覺障礙患者的90%。
四種色盲如下：紅色盲又稱第一色盲。主要區(qū)別在于紅色無法區(qū)分，綠色也變得更輕。綠盲也稱為第二種色盲，是最常見的色盲。他們眼中的顏色亮度會降低，特別是綠色和紅色。藍(lán)黃色盲，也被稱為第三種色盲，藍(lán)色和黃色混淆，紅色，綠色可見。全色盲是一種完全的圓錐形細(xì)胞功能障礙，這與夜盲癥(棒狀細(xì)胞功能障礙)恰恰相反。多彩的世界在它的眼中是深灰色，就像黑白電視一樣，只有明暗相間，但沒有色差。
4.1…建立普適的色彩方案
有色彩感知障礙的用戶難以正常理解可視化所表達(dá)的信息，因此，設(shè)計者在進(jìn)行可視化設(shè)計時，也要把這部分人考慮進(jìn)來，建立一個普適的設(shè)計方案�？梢越⒁曈X模型，將正常顏色與色彩障礙后的顏色一一對應(yīng)，使可視化設(shè)計者能了解色彩認(rèn)知障礙人眼中的世界，在選擇配色時有這方面的考量。通過紅綠色盲的色譜圖，我們可以觀察到色盲可以識別的色調(diào)是有限的，紅綠色盲的認(rèn)知圖譜比較相似。而由于紅色和綠色盲的數(shù)量占色盲總數(shù)的99%，我們需要更多地了解他們可以看到的顏色。
以下是一些紅綠色盲的顏色視覺規(guī)則：第一，紅綠色盲難以區(qū)分的兩種差異是只帶有紅色或綠色元素的顏色。如紅色和綠色，藍(lán)色和紫色(藍(lán)+紅)，綠色和棕色，紅色和棕色等。第二，紅色和綠色盲人對藍(lán)色更敏感。例如，他們會混淆紅色和綠色，黃色和黃綠色，但他們可以清楚地區(qū)分綠色和藍(lán)綠色(翠綠色)。第三，紅綠色盲的紅色不是一種明亮、引人注目的顏色。相反，紅色對他們來說很深，而深紅色幾乎是黑色。因此，色盲者難以區(qū)分文章中的深紅色。
第四，盡管色盲的人認(rèn)識色調(diào)的能力較弱，但他們對亮度和飽和度非常敏感。第五，低飽和度色彩比高飽和度色彩難以識別。如天藍(lán)色和粉紅色。選擇正常人與色彩缺陷人群共同能分清的色彩。對于色盲人士的色彩識別能力，需要仔細(xì)選擇色彩匹配，以避免選擇混淆的色彩區(qū)域。[7]然而，對具有各種色覺能力的人進(jìn)行色彩匹配并不容易，包括色盲、色弱和正常色覺的人。尤其是當(dāng)相同的界面需要以多種顏色出現(xiàn)時，它會讓設(shè)計師非常頭疼。
日本的研究已經(jīng)提出了一套無障礙的顏色匹配建議，在這里供大家參考。這組顏色對于色盲和非色盲都是可讀的。例如，它選擇朱紅色代替紅色，藍(lán)綠色代替綠色，紫色代替紫色。為了減少色盲的問題，它適用于顯示和打印，并且所有顏色的名稱也很容易定義。與此同時，Machado等提出實施一種顏色重建方法，[7]為具有顏色感知障礙的人設(shè)置高對比度圖像。
4.2…綜合其他視覺元素綜合表達(dá)
在保持可視化設(shè)計需要表達(dá)內(nèi)容意圖不變的情況下，將適合正常人類色彩方案替換為視力缺陷人群易于區(qū)分的顏色方案。同時，我們可以采用多種方式來解決色彩認(rèn)知障礙問題。綜合利用色彩信息與其他視覺元素共同來編碼信息。除了使用顏色信息之外，還可以結(jié)合使用各種可視變量，例如形狀、大小、注釋等。形狀可以包含多個方面，如幾何圖形的變換、實線虛線點線的變換、字母數(shù)字的變換等。如下圖5所示，給柱狀圖增加形狀底紋的信息，可以準(zhǔn)確分清信息。
5結(jié)語
色彩是視覺設(shè)計的重要組成部分，合理利用色彩會使數(shù)據(jù)可視化的效果更加清晰。本文總結(jié)了以下顏色和基本原則：第一，應(yīng)用特征整合理論將數(shù)據(jù)顯示劃分為預(yù)注意階段和詳細(xì)關(guān)注階段。在預(yù)注意階段，使用突出顯示的顏色來編碼重要信息;在細(xì)節(jié)注意階段，要注意與自然顏色變化的規(guī)律相統(tǒng)一。第二，明度選取最好不要超過6個。用低飽和度顏色填充大尺寸區(qū)域，并用高飽和度顏色填充小尺寸區(qū)域。
第三，考慮人的視覺特征，將色彩的純度、面積錯視等考慮進(jìn)去，避免誤導(dǎo)用戶對可視化的理解。第四，考慮用戶的色彩感知障礙的因素，適當(dāng)變換配色方案或適當(dāng)增加視覺元素的綜合表達(dá)。反觀近年來的可視化設(shè)計，可以看到在色彩運用上仍有很多改進(jìn)的空間，可視化色彩設(shè)計原則能提升今后可視化方案設(shè)計，優(yōu)化用戶體驗。
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