时间序列可视化的复合视觉编码

用于时间序列可视化的复合可视化映射阿里·贾巴里引用此版本：阿里·贾巴里。用于时间序列可视化的复合视觉映射计算机算术。格勒诺布尔阿尔卑斯大学，2018年。英语。NNT：2018年GREAM035。电话：01913579HAL ID：电话：01913579https://theses.hal.science/tel-01913579提交日期：2018年11月HAL是一个多学科的开放存取档案馆，用于存放和传播科学研究论文，无论它们是否被公开。论文可以来自法国或国外的教学和研究机构，也可以来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaire论文要获得的等级格勒诺布尔阿尔卑斯大学社区博士专业：计算机科学部长令：2016年提交人阿里·贾巴里论文由Sophie Dupuy-Chessa指导，共同指导雷诺·布兰奇在格勒诺布尔计算机科学实验室人机交互工程团队内编写和数学、信息科学与技术、计算机科学博士学院时间序列的复合视觉编码用于时间序列可视化的复合可视化映射论文于2018年7月4日在评审团面前公开答辩，评审团成员包括：M.乔治-皮埃尔·博诺格勒诺布尔-阿尔卑斯大学教授M.克里斯托弗·赫特国立民用航空学院教授蒙塔兹·哈斯科夫人蒙彼利埃大学高级讲师M.大卫·奥伯波尔多大学高级讲师索菲·杜普伊-切萨格勒诺布尔-阿尔卑斯大学教授M.雷诺·布兰奇格勒诺布尔-阿尔卑斯大学格勒诺布尔计算机科学实验室讲师，论文摘要时间序列是各种科学、工业和金融领域中最常见的记录数据类型之一。根据上下文，时间序列分析用于各种目的：预测、估计、分类、趋势和事件检测。由于人类视觉感知的卓越能力，可视化仍然是数据分析（尤其是时间序列数据）最强大的工具之一。随着数据集的数量和复杂性的增加，显然需要新的可视化技术来改进数据分析。他们希望在特定情况、任务或无指导的探索性分析中促进视觉分析。可视化基于视觉映射，其包括将数据值与视觉通道相关联，例如图形元素的位置、大小和颜色。在这种情况下，时间序列可视化的最熟悉的形式，即线图，由数据值到线的垂直位置的映射组成。然而，单一的视觉映射并不适用于所有情况和分析目的。我们的目标是引入传统视觉映射的替代方案，并在新方法补偿现有技术的简单性和熟悉性的情况我们对现有的时间序列可视化文献进行了回顾，然后重点介绍了现有的可视化映射方法接下来，我们介绍我们的贡献。 我们的第一个贡献是对复合视觉映射的系统研究，该映射包括使用视觉通道的组合来传达时间序列的不同方面。通过几项用户研究，我们将新的可视化映射与现有的参考技术进行比较，并测量用户在不同分析任务中的速度和准确性我们的研究结果表明，新的视觉设计导致分析性能接近那些现有的技术，而不一定是复杂的或需要培训。此外，一些所提出的映射在空间受限的情况下优于现有技术。空间效率对于同时可视化大量数据或在小屏幕上可视化非常重要这两种情况都是当前信息可视化面临的挑战。iii.摘要时间序列是根据具体情况，进行由于人类视觉感知的卓越能力，可视化仍然是随着数据集的数量和复杂性的增长，显然需要新的可视化技术它们的目的是在明确规定情况或任务的情况下促进可视化基于在这方面，最著名的时间序列可视化形式，即然而，单一的视觉编码并不适用于所有的分析情况和目标。我们的目标是我们回顾了然后，我们介绍我们的贡献。我们的第一个贡献是对复合视觉编码的系统研究通过几个用户实验，我们将新的视觉编码与现有的参考技术进行了比较，并测量了用户在不同任务中的速度和准确我们的研究结果表明，新的视觉设计可以产生接近现有技术的性能，而不会变得不必要的复杂或需要学习。此外，在空间限制的情况下，一些提出的编码优于现有技术空间效率对于同时查看大量数据或在小屏幕上查看数据非常重要。这两种情况都是当前信息可视化挑战的一部分V内容。图九列表表XI列表承认十三.引言1最先进技术水平91背景111.1可视化111.1.1参考模型12的可视化1.1.2人类互动161.2可视化标准161.2.1可视化方面：目标和任务171.2.2可视化方面：数据181.2.3可视化方面：表示221.3时间性231.3.1时间基元：点与点间隔231.3.2时间结构：线性与循环251.4空间效率管理技术261.5摘要262视觉通道&它们的连接点272.1标记和视觉通道272.2视觉频道列表2.2.1位置292.2.2尺寸332.2.3Hue 342.2.4色度342.2.5亮度352.2.6纹理和图案362.2.7视觉通道的分类2.3视觉通道连接382.3.1双变量地图382.3.2梯子操纵技术412.3.3Midgaard 41的生命线2.3.4色彩场技术442.3.5云线442.3.6星等级标记452.3.7光滑的图形462.3.8地平线图472.4相关作品的讨论七八、内容物2.5摘要50二、捐款533复合视觉映射553.1承诺563.2分解函数563.2.1模运算573.2.2对数变换573.2.3频率分离583.3复合视觉地图的系统研究593.3.1实施623.3.2现有的复合视觉映射643.4摘要644复合视觉映射的评估654.1可视化评估的挑战4.2方法和方法674.2.1实验方案674.2.2图表一代704.3评估的复合映射704.4结果714.4.1通过数据转换实现性能724.4.2视觉映射性能4.4.3按层数列出的性能754.4.4按实际价值划分的绩效差异754.4.5关于结果的讨论794.5局限性和前景804.6摘要805复合视觉映射&空间效率835.1视觉映射和图表高度845.2方法和方法845.2.1实验方案855.2.2图表一代855.3评估的视觉映射865.488年试点研究5.4.1试点项目I：制图选择895.4.2试点II：配色方案选择905.4.3试点III：纹理选择91.........................................................................................5.5主实验915.5.1结果925.5.2调查问卷的结果955.5.3关于结果的讨论975.6设计含义975.7限制和前景995.8摘要99结论101附录105数据生成107B复合视觉映射示例的构造参考文献115图列表1Playfair的......................................................................................................................1.1参考模型12的可视化1.2不合适的视觉映射示例151.3可视化标准171.4维度层次结构示例1.5平行坐标图中尺寸排序的影响211.6时间基元252.1视觉通道形状............................................................................................................. 282.2视觉通道位置............................................................................................................. 302.3二维表示的图形强加312.4图表的图形强加2.5相同数据的线性和圆形表示322.6可视通道尺寸............................................................................................................. 332.7颜色视觉通道：色调、色度和亮度352.8视觉通道纹理............................................................................................................. 372.9模式重复的振动效应2.10 Mackinlay.......................................................................................................................2.11 双变量图402.12 双刻度图422.13 生命线432.14 Midgaard可视化系统432.15 用于多分辨率视图的色彩映射442.16 平均45岁的色彩映射2.17 云线462.18 星等级标记47九2.19 光滑图形482.20 地平线图502.21 Qualison图形513.1复合视觉映射探索性表583.2具有频率分离的复合映射603.3交互式复合视觉映射表623.4将模子值映射到视觉通道4.1显示典型试验的实验图形界面694.2在第一个实验中评估的视觉映射4.3变换函数的影响：模与对数734.4所选复合映射的性能比较744.5分层效果：两层与三层764.6实际值差异对准确性的影响774.7实际值差异对速度78的5.1第二个实验中检查的视觉映射5.2中试I 89中折线图和水平图的绝对估计误差5.3在试点II 90中评估的配色方案5.4在试点III 91中评估的纹理模式5.5Tukey比较两个映射之间的时间分辨..........................................................................5.6所有图表高度上视觉映射估计误差的分布5.7图表高度94上估计准确度的Tukey比较5.895种映射之间的Tukey估计准确性比较5.9图表高度96上的估计时间比较5.10 参与者报告总体满意度965.11 沿图表高度98的评估映射的线性回归线A.1受约束随机行走一代110A.2实际价值差异的分布111B.1 构建示例复合视觉映射114x表列表xi表列表1.1数据表示例131.2可视化技术的一般分类2.1视觉通道的总结特征2.2相关可视化技术概述49确认书这篇论文在许多人的帮助和支持下成为我要感谢索菲和雷诺对我博士研究的持续支持，感谢他们的耐心、奉献和丰富的知识。感谢我的导师们，我想感谢我的论文委员会的所有成员对我的工作和他们的宝贵反馈的审查。我也衷心感谢我的博士生们的反馈、合作和友谊。最后但并非最不重要的是，我想感谢我的家人：我的妈妈谁支持我通过这个企业和我的生活一般和朱莉为她的爱和无尽的支持，特别是在困难时期。十三简介“A full 90 percent of all the data in the world has been generated over thelast two- 奥斯德拉格兰，SINTEF你一定听说过这个有趣的事实或类似的最近。大数据、数据挖掘或数据科学都是近年来的热门词汇。从行业流程到个人活动，每秒钟都会创建数TB的数据。然而，大量的数据收集是徒劳的，除非存储数据，否则将对其进行处理和分析。数据分析是检查数据的过程，目的是从收集的数据中发现信息并构建有用的知识。数据分析是工业中所有科学研究和问题解决的重要组成部分。数据分析有不同的方法。在最基本的层面上，描述性统计得出了数据值的平均值和方差等聚合信息，这有助于分析人员了解数据的总体属性最近，数据挖掘和机器学习方法被应用于提取数据中的类别、模式和异常记录除了计算方法之外，视觉化还喜欢通过数据的绘图和图形表示来传达信息可视化被用作呈现发现信息的工具，但也被用作检查数据和提取信息的探索性工具在数据分析方法中，数据可视化是人类认知技能最重要的环节。分析师不需要任何复杂的技能就能理解数据的可视化表示虽然计算方法需要定义的分析目标，但数据可视化允许对数据进行非指导性的探索和非结构化的洞察。这种数据探索只受人类视觉感知、创造力和想象力的限制。考虑到其特点，数据可视化和可视化分析领域与数据架构、人机交互、视觉感知和图形设计等其他领域密切相关。用于数据演示和探索的可视化的巨大便利性使其成为不同领域的通用工具。各种数据可视化的应用12引言技术领域的分析，以更容易为公众所用的领域，即商业分析和数据驱动的新闻。兴趣和目标的多样性导致了可视化技术的巨大多样性。在本文中，我们只关注特定类型数据的可视化，即，时间序列数据。首先，我们激发了我们对时间序列可视化的兴趣，并指出了该领域当前的挑战。焦点：时间序列可视化时间序列是按时间顺序索引的一组观测值（即事件或测量值）时间序列广泛应用于科学、工程、金融和工业领域。以这种形式收集的数据的可视化是许多领域（气候学、金融市场、生产监测、仅举几例）的专家做出决策、检测事件和异常现象以及预测未来事件或趋势的重要工具。尽管近年来出版了大量的出版物，但时间序列的可视化仍然是一个值得研究的开放问题。所提出的大多数方法仅针对特定的分析问题。如此多的目的构建的存在主要是由于这样一个事实，即在可视化时间序列时，很难考虑所涉及的所有任务、数据和表示相关方面每种方法都可以通过在特定数据集上执行的一组特定任务来最好地增强视觉分析。例如，适用于平滑周期时间序列的可视化技术可能与噪声时间序列不兼容，在噪声时间序列中，不需要的噪声掩盖了数据的周期性。随着时间序列可视化应用领域的扩大，对该领域的新这一前景使我们将研究重点放在时间序列可视化的改进上。本工作中提出的解决方案旨在满足当前面临的时间序列可视化的几个要求。数据量和复杂性管理可视化是理解可用数据并帮助用户分析和推理的一种手段。数据中时间维度的存在带来了进一步的含义。具体地说，对一段时间内的数据进行分析有助于了解数据源的行为这种推理使用户能够模拟数据过去的行为并预测其未来的演变。这种分析过程是从工业过程到科学测量的许多领域研究的关键部分。引言3随着传感器技术和其他数据收集技术的进步，对数据参数可视化的需求面临着几个挑战。首先，数据参数的数量正在增长，导致由数百个数据变量组成的多维数据集。更高的维度必然会并发所有数据参数的同时概览。第二，记录的数据量不断增长，每个数据变量的记录数超过了过去的数万亿条。在这种情况下，在没有信息丢失的情况下可视化所有数据实际上是不可能的。我们正在寻找能够可视化复杂数据集而不会导致过度信息丢失的解决方案要求：高空间效率可视化的数据通常显示在工作站屏幕上的可视化仪表板中。在涉及多数据可视化的许多场景中（例如，对10个或100个生产过程进行模拟监控），人工分析师对在有限的屏幕大小上同时可视化和比较大量数据变量感兴趣。近年来，固定式仪表板、手持设备（例如触摸屏平板电脑）已经出现，作为一种新的可视化介质，其以较低的可利用屏幕房地产为代价提供更多的移动性。在这两种情况（具有多个时间序列的固定仪表板和移动设备）的核心，一个共同的挑战是可用屏幕空间在可用像素方面的限制屏幕空间是可视化系统中的一个有价值的商品，因为它与可以可视化的数据量有关。Tufte [81]引入了数据与墨水的比率，作为致力于数据的非冗余可视化的图形墨水（或数字媒体中的像素）的比例，并认为数据与墨水的比率应该总是在合理的范围内最大化 在过去，已经提出了各种技术来增强空间效率管理。我们在第1章中总结了这些技术。这些技术要么控制任何给定时间的可视化数据量，要么扭曲可视化配置以更有效地表示信息。尽管之前做出了所有努力，但数据集的维度和数量不断增加，这使得可视化的空间效率成为一个持续的挑战。我们的视觉设计的紧凑性是使它们适合于当前应用中的时间序列可视化的品质之一要求：最少视觉伪影实际上，随着图形对象（点和线）的数量与屏幕上可用的像素相比变得很大，不可能准确地可视化数据。一次4引言当图形对象的数量超过一定程度时，由于遮挡，人类将结果可视化为无形状的斑点。由此产生的视觉杂波使数据结构模糊不清，并使数据探索变得极其困难。为了解决这个反复出现的问题，文献中已经提出了几种方法。一些方法通过采样数据点或维度来减少图形实体的数量，而另一些方法通过维度减少或维度重新排序技术来减少杂波。虽然这些方法在一定程度上解决了视觉混乱，但需要适当的交互技术来保持数据的完整性和可视化的表现力。此外，随着数据大小的增加，动态表示（例如动画）变得混乱。此外，由于增加的重叠和遮挡，数据的3D表示变得低效，并且需要密度控制措施来穿过3D空间。视觉杂乱仍然是新可视化设计中一个持续的我们决定在可视化技术的设计中尽可能避免这种视觉限制。可能的解决方案我们可以概述两种应对这一挑战的方法。第一种方法喜欢通过卷和复杂性管理技术使复杂的数据集适应传统的可视化技术。虽然这一系列的计算技术超出了本文的范围，但我们在第一章简要概述无论如何，这些技术可以适应于集成到任何可视化技术中。与本文相关的第二种方法是设计新的可视化技术或增强现有的可视化技术，以使它们与复杂的数据集兼容用于可视化时间数据的最著名的技术是折线图。自18世纪引入以来，折线图已在许多领域用于可视化数据随时间的趋势-一个随着数据集变得越来越大、越来越复杂，分析目标变得越来越复杂，这种简单的可视化技术需要改进以保持准确性和速度。在这方面，新的可视化技术利用了人类的视觉能力，或为复杂的数据集提供可视化技术。新技术应最大限度地增加所传达的信息量，同时考虑到数据的复杂性和数量、人类视觉的局限性以及对查看空间的谨慎使用在这篇论文中，我们寻找新的视觉设计，以改善信息交流，提高空间效率，并利用人类视觉的未使用的能力。引言5图1：Playfair的这里显示了英国、丹麦和挪威之间的贸易差额我们认为可视化映射是可视化过程中最关键的一步。我们在对现有工作的回顾中注意到，可视化映射的改进可以显著提高用户在所评估的分析任务中的表现。最密切相关的现有技术已经成功地在时间序列可视化系统中实现。他们使我们相信，传统视觉制图的替代方案值得进行系统的研究。方法和贡献我们的时间序列视觉设计方法是基于视觉通道的概念。视觉通道作为任何可视化的基础，其适当的选择和修改可以提高可视化的整体质量我们采用视觉渠道的组合来加强信息交流。我们使用额外的视觉通道来传达有关数据所需属性的附加信息。该辅助信息基于分析的目的确定例如，如果分析师对比较不同点的数据值感兴趣，则这种辅助可能是数量级。以这种方式分离数据的不同方面允许将全范围视觉通道（例如色彩饱和度）专用于数据的最重要方面，并且允许用户选择性地期望数据的这些特征。我们称这种方法为复合视觉映射。6引言在这篇文章中，我们回顾了文献，重点是视觉映射的类型。接下来，我们系统地研究了视觉通道与严重分解操作的可能组合。我们在这个设计空间中选择了一些有前途的技术进行进一步的深入研究。我们的第二个贡献是一项实证研究，我们将我们选择的技术与现有的技术参考进行比较。Hori- zon图在一些常见的分析任务。我们的结果表明，我们的技术总体上与技术参考一致我们假设我们的一些视觉渠道在特定场景中的表现优于现有技术我们的第三个贡献是对不同图表大小的复合映射的选择的性能的实证研究。我们表明，至少有一些被检查的复合视觉映射在小尺寸下比现有技术表现得更准确或更快。总的来说，我们证明了我们的可视化映射方法可以改善目标信息的通信，特别是在空间受限的情况下。这是在有限的屏幕空间上查看大量数据时反复出现的情况与此同时，新的视觉设计变得易于用户学习，并允许受益于人类视觉未充分利用的能力，而不一定复杂。此外，感谢我们的经验评估，我们提出了几个符号指南，用于实施复合映射和视觉通道的组合。论文大纲本论文结构如下：在第一章中，我们介绍了我们工作的理论背景。我们提供了时间数据可视化的定义和一般概念。我们还分析了基于不同可视化标准的可视化技术的总体分类由于视觉渠道的概念在我们的工作中的重要性，我们在第二章专门介绍了当前工作和最相关的现有工作中使用的视觉渠道。我们从视觉映射和视觉通道组合的角度对文献进行在第三章中，我们介绍了复合视觉映射和分解函数的概念然后，我们使用探索表描述了我们对整个设计空间的系统审查第4章描述了我们对一些复合视觉映射的初步评估该评估使我们能够确定我们方法的总体优势和局限性，并为后续研究完善我们的视觉设计。最后，第5章介绍了我们对复合视觉使用的第二次评估。