[论文解读] Accessible Color Sequences for Data Visualization

Matthew A. Petroff|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2021

Color perception and designPsychology被引用 20

一句话总结

本文提出了一种数据驱动的、可访问的颜色序列，用于类别数据可视化，该序列在美观性与色觉缺陷用户、灰度打印以及高对比度背景的可访问性之间取得平衡。通过众包调查数据和机器学习方法，作者开发了优化的六色、八色和十色序列，其可访问性优于常见默认配色方案，同时保持了良好的视觉吸引力。

ABSTRACT

Color sequences, ordered sets of colors for data visualization, that balance aesthetics with accessibility considerations are presented. In order to model aesthetic preference, data were collected with an online survey, and the results were used to train a machine-learning model. To ensure accessibility, this model was combined with minimum-perceptual-distance constraints, including for simulated color-vision deficiencies, as well as with minimum-lightness-distance constraints for grayscale printing, maximum-lightness constraints for maintaining contrast with a white background, and scores from a color-saliency model for ease of use of the colors in verbal and written descriptions. Optimal color sequences containing six, eight, and ten colors were generated using the data-driven aesthetic-preference model and accessibility constraints. Due to the balance of aesthetics and accessibility considerations, the resulting color sequences can serve as reasonable defaults in data-plotting codes, e.g., for use in scatter plots and line plots.

研究动机与目标

• 解决科学制图中类别数据可视化缺乏可访问且美观的颜色序列的问题。
• 开发对色觉缺陷者（包括绿色-红色色觉缺陷、红-绿色色觉异常及其他常见缺陷）具有感知差异性的颜色序列。
• 通过强制不同颜色之间的最小明度差异，确保在灰度打印中可读。
• 通过限制极端明度值，保持与白色背景的高对比度，避免深色或浅色颜色占据主导地位。
• 通过整合颜色显著性评分，提升颜色在口头和书面描述中的易命名性与可描述性。

提出的方法

• 通过在线调查收集众包的审美偏好数据，用于训练机器学习模型，以预测颜色序列的偏好。
• 采用多目标优化框架，将审美偏好模型与色觉缺陷者感知距离约束相结合。
• 应用最小明度距离约束，以确保在灰度和黑白打印中具有可读性。
• 强制执行最大明度约束，以保持与白色背景的对比度，避免深色或浅色颜色视觉主导。
• 整合基于语言依赖模型的颜色显著性评分，以提升颜色在文本中命名和描述的便捷性。
• 通过数据驱动的多准则优化方法，平衡这些相互竞争的约束，生成最优颜色序列。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用真实用户数据，定量建模颜色序列的审美偏好？
• RQ2 针对色觉缺陷者的感知距离约束在多大程度上提升了颜色序列的可访问性？
• RQ3 明度约束在灰度和高对比度环境中的可用性方面产生何种影响？
• RQ4 颜色显著性评分能否提升颜色在书面和口头交流中的可描述性？
• RQ5 与现有默认颜色序列相比，生成的颜色序列在可访问性和视觉吸引力方面表现如何？

主要发现

• 所提出的颜色序列（提供六色、八色和十色版本）在审美偏好与可访问性约束之间实现了良好的平衡。
• 这些序列在色觉缺陷者（特别是红-绿色色觉缺陷者）的可访问性方面显著优于常用默认调色板。
• 审美偏好与较高的平均饱和度及较低的最大饱和度相关，表明用户偏好中等饱和度的颜色。
• 审美偏好与颜色显著性评分之间未发现显著相关性，表明显著性可提升可描述性而不损害视觉吸引力。
• 这些序列被设计为散点图和折线图的一般默认配色方案，当类别数量较少时仅使用前几个颜色。
• 完整数据集、训练模型和分析代码已公开，以支持在数据可视化工具中的采用与扩展。