虚拟现实环境中的数据可视化设计

王潇潇

摘要：研究分析了数据可视化设计在虚拟现实环境中的特点与未来发展方向。分别分析了数据可视化设计与虚拟现实的概念与发展，结合国外虚拟现实空间中的数据可视化设计经典案例进行剖析。研究分析了现有虚拟现实空间中数据可视化设计的设计特点、优势与不足之处。虚拟现实空间中的数据可视化设计将传统可视化设计由“数据传达”转变为“数据体验”，是可视化设计的巨大变革，但需避免形式大于内容的设计。

关键词：虚拟现实 数据可视化设计 体验 交互 感知

中图分类号：TB47

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2019）12-0115-03

引言

随着数据体量的惊人增长，传统数据可视化方法已难以满足日渐庞大复杂的可视化需求。而近年来，虚拟现实技术的不断革新发展则为数据可视化设计提供了新的研究空间。2014年，Ciro Donalek等学者就在文献中研究了虚拟现实在数据可视化设计领域的潜在影响。如今，大批数据可视化设计公司也对虚拟现实空间中的数据可视化设计展开了探索，针对虚拟现实空间的沉浸感与多通道交互等特点去重构数据可视化设计为人们带来的体验，将可视化设计从“数据传达”发展为“数据体验”，为数据可视化设计提供了新的思路。文章举例分析了虚拟现实可视化设计中的几个典型案例，论述其设计思路与理论，肯定了设计革新的优越之处，也明确了需要避免“形式大于内容”的设计原则。另外，由于虚拟现实技术本身发展不够成熟等原因，虚拟现实环境中的数据可视化研究还有许多难点等待克服。

一、数据可视化设计的概念与发展

（一）数据可视化设计的概念

数据可视化可的目的是“让数据说话”，让经过图形化设计的数据帮助人们更易感知其背后的特征与规律，从而协助人们进行重要决策或传达不同理念。它将数据库中的每一项数据图像化处理，这些图像（或称元素）组合、架构成为完整的数据图像，通过交互设计让人们得以与数据进行交互，从而满足不同观察维度的需求，进而对数据进行更为深入的分析与观察。

不同的设计人员往往对数据可视化设计有着不同的理解：注重数据科学的科研人员大多偏好齐全的功能与数据传达的精准性，对于设计的美学形式与交互体验设计没有过多着墨;而有着艺术设计学科背景的研究人员可能更为注重可视化设计的美观程度与交互体验设计，但许多情况下难以较好平衡“设计”与“实用”两者。单从设计理论而言，我们很容易明白这两种设计思路都不是最为可取的——研究人员应将美学设计与严谨数据有机结合，以最“美”的形式传达最准确、有用的信息。但在实际数据可视化设计操作中，找准美学设计与严谨数据的平衡点仍较为抽象，需要不同领域数据可视化设计的长久共同打磨来为人们提供相应经验。

目前，数据可视化设计被广泛地应用于金融、教学、医疗、民生、食品安全、航空航天等领域，数据、科学、美学的结合催生着优秀的数据可视化设计，以帮助社会向更好的方向发展。

（二）数据可视化设计的发展研究数据可视化设计的发展，离不开数据可视化设计的载体。在数据可视化设计发展伊始，二维平面作为其主流载体，受限于

其平面的结构特点，人们主要使用传统柱状图、折线图、饼图、散点图、K线图等设计方法。不同的设计方法传达着不同的数据表现需求或言适用场景，也有着各自的优劣之处。例如：柱状图适用于单一维度的数据集，即每个数据点只包含两个值，柱状图能够直观反映数据值大小的差异，但由于数据点之间存在的空间空隙等原因，难以清晰反映数据高低走向且柱状图只能够容纳较小规模的数据集。相较于柱状图，折线图除了同样只能容纳较小规模数据集的特点，在表现数据浮动趋势上具有极大优势，人们很容易通过折线发掘数据走向。饼图则是指以圆形为基础针对数据进行变化涉及的数据可视化设计方法，针对需要表现不同数据占比的情况下使用，但难以精准表现数据体量。雷达图适用于多维数据，但最多只能容纳六个维度，否则肉眼易对复杂的图形走向感到迷惑。雷达图能够较好地表现出在一个数据及之中不同数据的程度占比，被大量应用在商业、游戏、教学等领域，但雷达图可视化设计方法具有一定的浏览门槛，在用户对其不够熟悉的情况下，难以第一时间感知到可视化设计想要传达的信息。

除了上述介绍的几种主流可视化设计方法，另外还有散点图、地图、盒须图、热力图、关系图、路径图、树图等许多适合不同场景的设计方法。但这些可视化方法都是基于二维平面诞生的。随着3D技术的发展，3D数据可视化开始崭露头角，并以传统二维数据可视化设计环境为温床开始了新一轮的设计改革。例如，针对“地图”的可视化设计方法，设计人员将地图进行三维建模，这样人们就不必局限于传统二维地球可视化设计方法只能观察某一地区相关数据的缺陷，而是能站在全局的角度，自由选择想要仔细观察的数据节点。柱状图也是如此，设计人员对柱状图进行三维建模，将原本的二维数据转化为拥有x、y、z三个维度的立体可视化设计，从而使其能容纳更多的数据维度与体量。

同时，数据总量的飞速增长成为数据可视化设计面临的一大难题：人类有史以来的数据总量每过18个月就会翻一番：2004年，全球数据总量为30EB，2006年则达到了161EB，2017年成为了惊人的7900EB，预计至2020年，数据总量将突破35000EB。由于空間不足、交互方式单一等原因，如果继续依赖传统二维屏幕为载体的数据可视化设计，想要对如此庞大体量的数据进行规律、特征的解读与研究难如登天。这一难点，随着虚拟现实技术的发展及数据可视化设计在虚拟现实空间中的展露头角，虚拟现实空间中的数据可视化设计又将产生巨大变革，下文将对这一设计变革进行较为详实的分析。

二、数据可视化在虚拟现实环境中的设计研究

（一）虚拟现实的概念与发展

虚拟现实，又称灵境技术，最初发展与20世纪。虚拟现实技术（VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。

虚拟现实空间具有沉浸性、交互性、多感知性、构想性、自主性五大特性。其中，沉浸性、交互性、多感知性最能够体现虚拟现实空间的特点。沉浸性指的是让用户成为空间的一分子，全身心地投入在对虚拟空间的感知之中。人们对虚拟现实空间中的一切刺激具有与生俱来的思维共鸣的能力，而专注的精神也能进一步深化这种沉浸感。交互性指的是用户在虚拟现实空间中可以以多种通道与空间或者空间内的事物进行交互，人们通常称其为多通道交互。用户可以通过触觉、嗅觉、听觉、语音系统等方式在虚拟现实空间中进行交互，丰富的交互方式也令虚拟现实空间带来的质感更为真实与自然。多感知性指虚拟现实空间中的听觉，触觉、嗅觉等感知方式互相融合，共同协助用户在虚拟现实环境中自然交互。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能，但由于目前技术发展的局限性，多数虚拟现实空间所具有的感知功能只有视觉、听觉、触觉、运动等。

目前，虚拟现实技术较为广泛的应用于设计、教育、影视、医学、军事、航空航天等领域，并有着相当突出的表现，例如在室内设计中，设计师可以将虚拟现实技术与室内设计相结合，将布局、陈列、物件等现实中的室内设计制作成为一个栩栩如生的虚拟空间，不仅能够让设计师对作品有着更全面真实的感官，从而更好地修正设计作品，在实际商业运用中，也能够让客户直观、全面地感知到设计作品本身的样貌与风格，比起复杂枯燥的图纸更易理解、观感更好，效率也更高。

（二）虚拟现实环境中的数据可视化设计

相较于国内，国外的虚拟现实数据可视化设计发展时间更为久远，发展度也较领先。

Ana Asnes Becker及她的数据可视化团队在OPENVIS CONFERENCE大会上对其团队的虚拟现实数据可视化设计进行了较为详尽的介绍。Ana Asnes Becker以折线图可视化设计为基础，在虚拟现实空间绘制了某大数据的折线图可视化，与传统折线图可视化设计不同的是，观看者不再是从整体的、平面的角度去接收数据信息，而是在紧贴折线图的位置设计了一个“视角”，让人们能够身处于折线图之上，再以折线图为“轨迹”，缓缓推进视角，将折线图与“过山车”的概念相融合，将用户转变为处于折线图过山车上的“游玩者”，随着数据值的大小的高低变化，人们在折线图上体验了一把高空俯冲、慢速上坡、平缓前进，仿佛置身于真实的过山车项目中。随着行进位置的数据信息的不断改变，用户可以看到相关的数据年份及数据关键词，从而结合自身感官更全面理解数据，如图1所示。对这样设计可视化内容的理由，团队解释道：我们想要改变传统上人们观看数据可视化设计的视角与方式。人们在陡峭的地方会让人感到危险，平缓的地形让人感到平静，基于这种情绪上感知的数据可视化设计，能够让人们对数据的变化有着更深刻的认识，每一次数据的走向变化对用户而言不再是冰冷的信息传达，而是化作一种体验融入用户情绪，使用户对传达的数据信息有印象深刻的体验，从而更好地理解数据。Ana Asnes Becker团队将折线图数据可视化设计与虚拟现实空间相结合，在虚拟现实的多维空间基础之上构建可视化设计，将数据传达转变为数据体验是一种大胆新颖的尝试，但笔者认为，在实际设计项目中也应考虑到制作成本与收益之间的比例是否恰当，避免“形式大于内容”的设计。

美国数据可视化分析公司Looker在产品lookVR中对虚拟现实数据可视化形式进行了大胆实践，以柱状图为可视化设计基础，让柱状图成为一座座“山”，用户通过佩戴VR眼镜与操作手柄能够想上攀爬，并最终站在柱状图顶部俯瞰可视化全局内容，体验“一览众山小”的感觉，如图2所示。因为不同体量数据的攀爬与登顶感受是不同的，所以人们能够在获得独特体验的同时更深刻理解数据概念。如同虚拟现实可视化软件DeathTools创始人AliEslami所说，“人类难以从字面或图形理解较大体量的数据。例如1、2、14、20、50我们常常遇到，所以会理性地对它们形成一种思维模式。但是当人们遇到1000、10000、20000时，数字的概念化会越来越难”。这正是lookVR的“攀岩游戏设计”改变、解决的问题。除了“攀岩游戏”，Look VR还能实现不同可视化内容的调出与关闭，与对其进行缩放或改变观察角度以便观察各个数据节点的细节的交互操作。另外，用户还可以在立体柱状图之间自由行走，选择想要的观察的角度;能够按照自身需求对想要观察的数据进行选择、跳转，突出显示某一节点或深入观察某一部分数据。

LookVR与Ana Asnes Becker团队都将可视化设计由“数据传达”转变为“數据体验”的道路上向前推进了一步，这是虚拟现实数据可视化设计的一种新颖思路，而Adobe公司最近推出的名为Project Newview的虚拟现实数据可视化应用程序，如图3所示。似乎为数据可视化设计的未来发展指明了一条更清晰的道路：设计师通过在虚拟现实环境中建立了以柱形图为可基础的可视化设计，以矩形方阵的形式将分散的柱状图组合在一起，完成了基于各个国家的各类商业占比数据分布的数据可视化模型，它能够对Adobe公司的业务和营销数据进行可视化呈现。

用户可以通过软件内置的智能语音助手Sensei进行实时语音交互，可通过佩戴手部可穿戴设备进行手势识别从而与可视化设计进行互动，也可以旋转可视化模型来选取想要的观察角度，还能够自由与各个节点是数据交互，调出某一节点数据的详细可视化信息来满足不同的数据内容浏览需要，内置人工智能也满足了数据的分析与提取需求。值得一提的是，Project Newview将社交元素与数据可视化设计相融合，每个用户都拥有一个独一无二的虚拟形象，通过手部可穿戴设备的佩戴，将手部动作复刻进入虚拟现实环境，从而与数据或其他用户互动。用户可以自行选择想要协同操作的其他用户，满足了多人同时在线对可视化内容进行操作的需求。

相较于传统的二维屏幕柱状图可视化设计呈现，Project Newview极大程度发挥了虚拟现实空间的优势：容纳了更多数据维度，更有沉浸感与参与感，实现了智能语音助手、人工智能、可穿戴设备、社交元素的齐头并进，不论是在数据呈现还是用户体验上，Project Newview都达到了传统二维可视化设计难以达到的效果，从这个角度来看，未来的可视化设计也许不仅仅是图形设计本身，而是融合了多种数码技术或艺术的综合体，而这也是科技发展大背景下的必然趋势。

三、数据可视化在虚拟现实环境中的设计展望

笔者认为，截止目前，各大设计公司在虚拟现实数据可视化中的设计思路更多的是如何将数据可视化的侧重点由数据传达转变为数据体验，将想要传达的数据信息内化成人们情绪、感知的一部分。

例如Ana Asnes Becker团队与LookVR团队所做的可视化设计，这类设计较为成功的地方是变革了传统数据可视化的数据传达模式，即改变人们花费脑力去阅读、分析数据可视化设计传达的信息，而是让人们成为可视化设计内容的参与者或身临其境的感知者。它改变了人们对于数据可视化内容的情感，但就长久来看，并不是数据可视化设计的未来走向，因为人们在花费了相当多的时间后只获得了及其少量的有效数据信息，大部分时间都耗费在“体验”过程之中，这就与数据可视化设计的初衷相违背了。

数据可视化的目的始终是以一种更形象、更易感知的设计形式来帮助人们挖掘数据内涵，能够从实处帮助人们高效解决问题。因此，笔者认为Project Newview的出现为未来虚拟现实可视化设计指引了一条可能的道路：在充分发挥虚拟现实的空间特点、多通道感知等优势的基础之上，挖掘更多潜在的与可视化设计内容适配的交互形式如智能语音助手、手势识别、眼球追踪、团队协作等，从而在有限的空间里清晰、准确传达更多维度的数据。未来的可视化设计应是融合了多种数码技术与艺术的综合体。同时，虚拟现实数据可视化目前面临的问题也不容忽视。由于目前虚拟现实头显的视野仍较为狭窄等原因，人们需要不断变化面向来改变画面，这极易引起恶心等生理上的不适，对可视化体验造成了较大的负面影响。另外，头显与显示器的匹配度不高也可能会导致某个像素的数据点在虚拟现实中丢失，这也会成为用户观察数据的障碍之一。

最后，需要肯定的是虚拟现实数据可视化研究在未来极大的发展潜力，但研究人员需避免形式大于内容的单纯“炫技”，而是应从用户体验与数据特点的角度出发，提供人们真正需要的可视化设计。

参考文献

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