本文摘要：摘要：在數據可視化中，色彩的合理利用是重要的一環，色彩的合理使用使得可視化結果更加清晰、準確、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用規律，并從色彩錯視和色彩感知障礙的角度出發，探索用戶色彩感知的角度考量建立
摘要：在數據可視化中，色彩的合理利用是重要的一環，色彩的合理使用使得可視化結果更加清晰、準確、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用規律，并從色彩錯視和色彩感知障礙的角度出發，探索用戶色彩感知的角度考量建立普適、準確的可視化配色規律。
關鍵詞：數據可視化,色彩,色彩錯視,色彩感知障礙
1色彩與數據可視化
數據可視化起源于計算機圖形學，指的是通過使用圖形圖像方面的技術和方法，幫助人們理解和分析數據，達到讓人更迅速、更清楚地理解數據所傳達的內容的目的。認知心理學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，然后才會繼續觀察形狀、內容等，并且色彩自身就能攜帶相當豐富的信息。
因此，色彩在數據可視化中占據非常重要的位置。好的配色方案雖然容易獲得，但由于信息圖表的特殊性，找到合適的數據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據可視化顯示。現階段的配色應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，可能會導致用戶產生疑惑，從而降低可視化的易讀性。用戶在觀看可視化數據的反應包括情感反應、認知反應和行為反應。其中認知反應包括察覺、理解、記憶、錯覺等信息處理，是用戶通過可視化內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、純度特征以及在數據可視化的應用，并從色彩面積錯視和色彩感知障礙的角度出發，對數據可視化提出視覺設計的要求。
2色彩的刺激與感知
從視覺傳達的角度來說，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，闡述這3個方面在數據可視化中的應用規律。
2.1…色相
色相是一種顏色測量術語，它是用于區分各種顏色(如紅色、黃色、藍色和綠色)的顏色屬性之一。我們在日常生活學習中閱讀文件或文章時，常常喜歡用顏色來標記重點內容，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，這與數據可視化使得用戶快速注意到重要信息的領域目的不謀而合。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，并且可視化設計的成本最小。
在圖中的數字，人們第一眼就先會觀察到數字“8”，這種注意是迅速而無意識的。在與背景產生重要的區分度，吸引用戶的程度最大色彩的選取上，Smallman認為，與背景顏色區分度比較高的有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、藍色和黃色。[3]
因此，當背景顏色不同于這6種的時候，可選擇這幾種區分度較高的顏色吸引用戶的眼球，減輕用戶的認知負擔。確定好前注意色彩的同時，對于細節的部分也要進行選擇，在細節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。從純粹的數學角度來看，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。這種現象的原因是我們已經習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生不舒適的感覺。
2.2…明度和純度
表達同一類型數據不同程度的情況，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知負荷。色彩的明度對比是所有色彩因素中最容易區別的特征。但是在日常生活中，我們發現，雖然人們對明度區分比較容易，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，在進行可視化視圖設計時，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，不會產生是否設計者用錯顏色明度的疑惑，降低用戶的認知負擔，增加可視化數據的可讀性，減少用戶心理上產生挫敗感。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。純度的表達上與色彩的面積之間有著強烈的影響，面積較小的區域上的純度表達比面積大的區域上困難一些。為了能夠使用戶更清晰地分辨，小面積區域一般用飽和度高的顏色填充，大面積區域則用低飽和度的顏色填充。
3數據可視化中色彩錯覺的考量
當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，會產生特殊的視覺效果。特定的顏色組合可能會產生錯覺，并使設計師難以實現期待結果。因為人們對純度的認知很大程度基于周圍環境，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，要適當考慮環境色對可視化圖表的影響。對色彩的面積錯視的考量，是數據可視化中重要的一環。
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，冷色調的顏色具有收縮效果，從而導致視覺顏色區域的差異。我們看到的法國國旗均分的藍色、白色、紅色實際上三色比例為37∶30∶33，視覺效果才相對一致。應用到數據可視化上我們可以看到，此數據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期壽命，面積相等，均為73歲。我們可以看到，在數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。灰色可以起到一定程度的同化色彩的作用，達到一種調和的感覺。與此同時，不同的色調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記從熱到冷的區域。波長較長且明度較高的暖色有前進感，而波長較短且明度低的冷色調有后退感。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
調查顯示，色覺障礙是全球范圍內普遍存在的問題。實際的原因是人眼中的三種錐形細胞分別受到紅色、綠色和藍色3種光的波長信號的刺激，從而產生我們所觀察的真實世界。但是這3種錐狀細胞若有一種或幾種受到損傷，就導致感知色彩出現異常，甚至不能產生感知現象。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。主要區別在于紅色無法區分，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。藍黃色盲，也被稱為第三種色盲，藍色和黃色混淆，紅色，綠色可見。全色盲是一種完全的圓錐形細胞功能障礙，這與夜盲癥(棒狀細胞功能障礙)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的信息，因此，設計者在進行可視化設計時，也要把這部分人考慮進來，建立一個普適的設計方案。可以建立視覺模型，將正常顏色與色彩障礙后的顏色一一對應，使可視化設計者能了解色彩認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是有限的，紅綠色盲的認知圖譜比較相似。而由于紅色和綠色盲的數量占色盲總數的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則：第一，紅綠色盲難以區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，藍色和紫色(藍+紅)，綠色和棕色，紅色和棕色等。第二，紅色和綠色盲人對藍色更敏感。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分綠色和藍綠色(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，色盲者難以區分文章中的深紅色。
第四，盡管色盲的人認識色調的能力較弱，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，需要仔細選擇色彩匹配，以避免選擇混淆的色彩區域。[7]然而，對具有各種色覺能力的人進行色彩匹配并不容易，包括色盲、色弱和正常色覺的人。尤其是當相同的界面需要以多種顏色出現時，它會讓設計師非常頭疼。
日本的研究已經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置高對比度圖像。
4.2…綜合其他視覺元素綜合表達
在保持可視化設計需要表達內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分的顏色方案。同時，我們可以采用多種方式來解決色彩認知障礙問題。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，可以準確分清信息。
5結語
色彩是視覺設計的重要組成部分，合理利用色彩會使數據可視化的效果更加清晰。本文總結了以下顏色和基本原則：第一，應用特征整合理論將數據顯示劃分為預注意階段和詳細關注階段。在預注意階段，使用突出顯示的顏色來編碼重要信息;在細節注意階段，要注意與自然顏色變化的規律相統一。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域，并用高飽和度顏色填充小尺寸區域。
第三，考慮人的視覺特征，將色彩的純度、面積錯視等考慮進去，避免誤導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，適當變換配色方案或適當增加視覺元素的綜合表達。反觀近年來的可視化設計，可以看到在色彩運用上仍有很多改進的空間，可視化色彩設計原則能提升今后可視化方案設計，優化用戶體驗。
相關論文投稿知識：可視化專業論文發表期刊
《信息技術》期刊于1977年創刊。《信息技術》是專業與普及相結合的高科技刊物。期刊是由黑龍江省行政管理局主管，黑龍江省信息技術學會、中國電子信息產業發展研究院、中國信息產業部電子信息中心主辦的科技期刊。收錄可視化方面的論文。
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