基于脑神经科学的可视化设计表现研究
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摘 要：随着近年来大数据与云计算的快速构建、科技发展的提速，很多早就发明的技术得以实现并在人们的视野中迅速扩大，诸如已经提及发展几十年了的人工智能、信息可视化。连脑神经科学的可视化设计也有了很多科学家和艺术家参与探索其中，数字媒体超乎想象的发展为艺术与科技相结合提供了更广阔的媒介基础，抽象的意识形态与讯息因为可视化设计的介入而变得触手可及。本文基于对脑神经科学的可视化案例进行分析研究，为脑电波感应可视化设计寻求更多元化的创作方向和内容。
关键词：脑神经科学;信息可视化;脑电波感应
0 引言
信息随着科技的发展已经变成了一种不可缺少的媒介，并且数据量的几何级增长让人们应接不暇。研究表明人的大脑接收信息五感中83%来自视觉，所以好的可视化设计，可以把海量数据更有效的呈现其背后的逻辑与规律，并使得我们更容易更生动的掌握真相。如今信息可视化的应用越来越广泛，涉及如测绘、财务测算、建筑、博物馆、汽车、资讯、社交活动、互联网技术、气象以及艺术等领域，越来越多的艺术家设计师去探究这些领域数据背后的原理，试图用这种方式重新定义这个世界。其中脑神经科学领域的可视化探索尚还在起步阶段，能否运用信息可视化的手段诠释脑?神经的运动，抑或者尝试解析脑意识形态的变化，从艺术的角度来理解脑神经科学的原理都是全新的巨大挑战，或许这也是能打开另一扇了解我们大脑深层结构的认知之门。
1 可视化设计重塑数据
作为一种新的美学形态，以数据信息为核心的可视化设计很多时候会被人认为是一种图形设计，或者是计算机技术方面的信息呈现，这种观点随着近年来的可视化数字媒体作品的不断尝试和演变逐渐被人们所摒弃，其边界在不断扩大，新的技术形式允许利用图形、图像处理、计算机视觉等通过表达、模型对平面、立体、动画、交互的方式显示，对数据进行分析、解构、重组。
数据可视化技术包含以下几个基本概念：
第一，数据空间：是由n维属性和m个元素组成的数据集所构成的多维信息空间;
第二，数据开发：是指利用一定的算法和工具对数据进行定量的推演和计算;
第三，数据分析：指对多维数据进行切片、块、旋转等动作剖析数据，从而能多角度多侧面观察数据;
第四，数据可视化：是指将大型数据集中的数据以图形图像形式表示，并利用数据分析和开发工具发现其中未知信息的处理过程。
目前可视化设计依据数据信息的内在联系和规律通过程序语言以视觉语言方式传达与沟通信息，获得深入认知。同时通过人们的感官系统感知错综复杂的过程、涉及不同学科领域的数据群以及多样化大数据集合的模拟，产生对数据信息的另一种感知。英国的数字媒体艺术家Marcus Lyall在Canary Wharf冬季灯光节上创作了一个名为“on your wavelength”互动装置作品，现场有32组铝框架构成的LED灯群以及背景声音合成构建了一个光线隧道，超过30000个led灯柱展现梦幻般的动态视觉效果其实是由体验者带上脑部传感器控制得到的，随着体验者思维模式的变化，大脑的脑电波数据可以控制音乐并创建复杂的光线模式。从这一实验互动装置来看人的大脑电波被转化成灯光与音乐另一种形态的信息，就好像不可见的意念被实体化并且通过感官可以感知了。
2 理性的数据通过可视化拥有了感性的灵魂
可视化设计的目的是“让数据说话”。也就是说让数据不再像原来的属性那么模式化、公式化，比如一直致力于交互式设计和数据可视化领域的美国设计团队Stamen Design Studio为adobe的Kuler社区进行的可视化设计项目，就是用户可以对kuler生成的套色进行评价，描述感受（为颜色增加tags）;Stamen Design Studio通过对tags数据整合梳理，可根据搜索某时某地，与某关键字匹配的数据生成色彩分析集合图形，这样设计师就能够轻易地从色彩的分布追踪到流行色的变化趋势，对下一步设计工作很有帮助。
从这些色彩中可以很容易分辨数据，大部分时候数据是冷漠的，难以理解的，可视化设计让数据有了可叙述的方式，由此很多枯燥的分析报告也可以变成有情节的故事易于被解读。2016年美国总统中期选举“卫报”采用大小不一有角度的箭头表示共和党和民主党在这些中期内的议院之间的对比情况，把当时选举民意的支持风向、走势更形象化的被解读出来。
数字化叙事赋予了可视化设计更丰富的内容，即将视頻、音频、文本、灯光等多媒体形式可视化相结合的数据交互体验，显然这就让数据的可视化设计变得具有娱乐属性，在研究和学术领域可视化通常是数据研究工具，注重精准和视觉效率，数据只要表明研究成果的证明属性就可以了，显而易见，现在数字媒体的全面崛起表明可视化的娱乐属性更易于数据的传播和人们对于数据更广泛使用的理解。random quark studio给他们的客户Saatchi&Saatchi Wellness创作了一个将情感变成彩色画作的作品，用脑电波读取器测量Saatchi&Saatchi员工的脑波，并使用先进的技术从数据中提取基本的情感信息（即愤怒、喜悦、厌恶等）。然后将其输入到编译好的生成群算法中，该算法输出复杂的绘画。情感画作在杜鲁门啤酒厂的一个展览中展出，他们的每个员工也在他们的名片后面获得情感“快照”。同时在他们的网站上，random quark studio还使用了机器学习在Twitter上来实时展示了当时情感宣泄作画的那一刻。
3 脑神经信息可视化的具体应用
信息可视化（Information visualization）是一个跨学科领域，目的是把大规模非规律化的信息数据以视觉语言来表现。与科学可视化相比，信息可视化更注重抽象数据具象化，其中如我们常用的样本元素诸如文本、线条、色彩、图形甚至高维空间当中的点（这些点并不具有固有的二维或三维几何结构）。信息可视化设计中包含了数据可视化、信息图形、知识可视化、科学可视化以及视觉设计方面的所有层面。在这种层次上，如果加以充分适当的组织整理，任何事物都是视觉样本：表格、图形、地图，甚至包括文本在内，无论其是静态的还是动态的，都将为我们提供某种方式或手段，并且能让我们观察并得到其中的规律，找到事物的本质，发现各种层次的关联，可能还会让我们找到原来领域没有发现的事物。不过，如今在科学技术研究领域，信息可视化这条术语则一般适用于大规模非数字型信息资源的可视化表达。信息可视化致力于创建那些以直观方式传达抽象信息的手段和方法，可视化设计手段与交互技术的融合是能让用户通过感官来探索以至立即理解大量的信息。 以往我们对于一些抽象信息的表达很难用科学的手段精确地描述出来，却能用艺术与设计的形式意象表达出来，信息可视化设计也许目前还无法完全把抽象信息准确的重现给人们，但确实未来很有可能实现的一种方式。科技发展到当下，我们已经可以通过脑电波感应器探测感知人们的情绪，无论是感到厌烦还是兴奋，精力是否集中的思考工作，抑或是处于放松休闲状态。甚至可以通过大脑对于肌肉控制的状态，感知人的笑容或者皱眉，以及其他的动作反应。在美国留学的Lisa Park认为人类的情感是和自身的能量波相关联，她创作了EUNOIA II这组作品是她第一次使用脑电波传感器获得她自己实时的脑电波数据和情感反应，期间传感器拾取了她挫败、兴奋、冥想的情绪值并转换成了声波通过扬声器对水产生了震动，通过这个表演，她情感的强度被同时镜像声音音量的强度上，48个不同尺寸的金属扬声器上。
在哥伦比亚大学杰罗姆·格林科学中心的公共大厅中的一面墙上，有7块可以上下滑动的72英寸显示器，该交互式数字装置作品《The Brain Index》由空间研究中心的Laura Kurgan、Mark Hansen和新媒体工作室AV&C共同创作。他们将艺术、科学、数据、通过讲故事的形式和信息设计结合起来，让你看懂大脑的活动和作用。脑神经有着重要的功能：视觉、嗅觉、听觉、味觉均由脑神经传递，人类丰富的面部表情也由脑神经控制。脑神经中的迷走神经参与自主神经系统的构成，参观的人们，可以走至跟前，触摸选择不同的关于“脑科学”的资料信息，查阅关于神经网络和DNA等直观的数字化资料。
获2017年美国国家科学基金会科学与工程可视化挑战图解类别大奖的《自我映射》（Self Reflected），是由宾夕法尼亚大学的神经科学家及艺术家Greg Dunn博士和应用物理学家及艺术家Brian Edwards博士一起创作的，他们尝试用另一种方法让人们感知大脑的运动。他们运用22k镀金反射微蚀（reflective microetching）这一革新的技术手段在肉眼可见的大脑和微小的神经之间架设了一座桥梁。自我映射在金色表面的反光下，以动画的形式记录大脑的活动，观看者可以通过这种方式感受大脑本身的神经活动。整体绚丽的展示效果向人们揭示了作为人类最神奇最奥秘的一部分组织——大脑的神奇之处大量神经活动的细节。这一个效果并非来自大脑的扫描，而是基于對神经活动的算法模拟、数字设计、光蚀、灯光设计和镀金各种艺术与科技手段相结合的一次创新，其在精度和尺度上获得的成绩是现在的扫描技术所无法实现的。
目前来看，基于脑神经感应的信息可视化设计与研究还处在起步阶段，随着脑感应硬件的快速发展以及脑神经科学的不断挖掘，会不断细分衍化，也许不久的将来我们可以通过脑神经可视化研究知道如何让儿童学习更加专注，自闭症人群在脑神经可视化设计的帮助下走出心理的阴影，期待艺术与科技完美融合后能够发挥几何式不可想象的发展空间，将科学研究与艺术设计相结合，揭开人类大脑中的奇妙世界。
参考文献：
[1] 邱南森.数据之美：一本书学会可视化设计[M].张伸，译.中国人民大学出版社，2014.
[2] Tamara Munzner . Visualization Analysis and Design（AK Peters Visualization Series·English Edition）[M]. A K Peters/CRC Press，2014.
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