beat365beat365袁曉如課題組和考古文博學院張海課題組合作取得重要跨學科研究進展，研發幫助考古學家追蹤和分析彩陶花紋演變的可視分析系統。工作近日被可視化領域國際會議IEEE PacificVis 2024期刊軌征文接收，論文将直接發表于可視化領域旗艦期刊 IEEE TVCG（CCF A類）。
彩陶在中國史前文化中占有重要地位。特别仰韶文化彩陶是中國古代分布最廣、最具影響力的文化元素，被譽為“早期華夏族的象征”或“觀念上最早的中國”。花紋是繪制在陶器上的一種裝飾元素，通常具有重要的主題含義。同一時期的花紋一般都遵循共同的規範和風格。花紋演變是指同一主題的花紋随時間的發展、變換和傳播，通常由不同部族之間的交流和影響導緻。對花紋演變的分析可以揭示文化在不同時代和地區的傳播和發展。圖1展示了一類魚頭紋的演變過程。
花紋演變分析仍是一項具有挑戰性的任務，尤其是在花紋選擇方面。作為藝術創作，花紋在外觀上擁有很大的自由度。某些主題的花紋變化可能過于劇烈而難以識别。如果沒有适當的策略，選擇過程會費時費力。此外，相似或相同主題的花紋不一定具有演變關系。受當時生産力水平限制，花紋在長時間或遠距離産生持久影響的可能性較小。引入時空約束會進一步增加選擇複雜性。另一方面，記錄演變的方法也存在諸多不便。目前演變僅以文字形式呈現，與花紋圖像并列，導緻考古學家在記錄過程中不得不經常轉移焦點。缺乏多樣化的注釋選項（例如突出圖案的特定部分）也降低了記錄過程的有效性。
為了解決這些挑戰、進一步提升花紋演變分析的效率，beat365課題組提出可視分析系統PM-Vis。PM-Vis整合花紋時間、空間和外觀特征，通過“選擇-組織-記錄”工作流程提供對花紋演變分析的全過程支持。如圖2所示，在選擇階段，三重投影顯示花紋的外觀相似性和時空接近性。用戶可以全局或根據特定花紋切換布局，以識别具有演變聯系的花紋。組織階段幫助建立演變序列，并根據花紋的變化程度将其劃分為更有組織的子組。最後，記錄階段為這些花紋提供更具針對性的可視化，并支持考古學家通過多種形式的原位注釋記錄觀察結果和見解。
選擇階段根據外觀、空間和時間幫助用戶識别具有演變聯系的花紋。首先，系統提供花紋概覽（圖3），幫助用戶選擇一個或多個感興趣的花紋。概覽中的空間樹（圖3a）和時間線（圖3b）分别用于展示花紋的高層次空間和時空分布。三重投影（圖3c）用于展示具體的花紋關系，包括外觀相似度、時間和空間接近性。用戶可以通過調整三角控件（圖3d）内部錨點的位置來控制外觀、時間和空間關系的權重。當花紋之間存在重疊時，用戶可以通過擴散透鏡（圖3e）來緩解視覺混亂。當對某個特定花紋感興趣時，用戶可以通過點擊的方式激活餅狀菜單（圖4a），然後直接創建花紋組。後續針對該組的花紋添加和移除都可以通過雙擊對應花紋來完成。
之後，為了方便用戶選擇具有演變聯系的花紋全集，系統提供基于花紋的搜索功能（圖4）。搜索可以從外觀相似度、時間和空間三個方面進行。如圖4a所示，搜索功能通過餅狀菜單觸發。相似度搜索會将目标花紋置于視圖中心，其他花紋按照與目标花紋的相似度由内到外排布，角度差編碼了它們之間的相似度（圖4b）。空間和時間搜索如圖4c和d所示。系統在界面頂端提供了對當前搜索的描述。
組織階段幫助用戶在搜索完成後确定這些花紋的演變序列和演變分組（圖5）。在該階段，界面隻展示選中的花紋，并且花紋的水平方向表示時間，豎直方向表示外觀相似度。在序列創建模式下，用戶依次點擊兩個在演變上相鄰的花紋對，即可構建指示演變方向的線段。在分組模式下，用戶可以創建、修改、删除子組以及加入注釋。
記錄階段用于總結花紋演變過程，其界面如圖6所示。界面保留了空間樹和時間線，并在其中加入當前花紋的縮略圖。我們為這些花紋提供了兩種布局：基于序列的布局（圖6a）以及基于空間的布局（圖6b）。用戶可以通過标注面闆（圖6c）向布局中加入文字描述、高亮花紋局部的輪廓以及标簽。标簽分為整體标簽和成對标簽兩種，分别用于指示所有花紋的整體演變趨勢以及前後兩個花紋之間的變化。
在案例分析中，考古學家探索了最早出現在仰韶文化中的相向弧邊三角紋。花紋選擇和組織過程見圖7。最初，考古學家将三重投影的時間權重設置為1，在仰韶文化中發現了兩個三角紋（圖7a）。随後，他對這些花紋進行了相似性和空間搜索，發現了另外兩個三角紋（圖7b至d）。疊代式地進行相似性搜索又發現了三個新花紋（圖7e至g）。由于基于這三個花紋的後續搜索沒有新的發現（圖7h和i），考古學家結束了花紋選擇。随後，考古學家構建演變序列，并将花紋劃分為四個子組（圖7j）。最後，他通過記錄界面總結發現（圖6）。
本工作第一作者是beat365beat365博士生李金城，通訊作者是beat365袁曉如。其它合作者還包括賴楚凡（現任職于中國科學院空間應用工程與技術中心），beat365考古文博學院張海。工作得到國家自然科學基金項目NSFC 62272012支持。本工作将作為期刊軌論文（TVCG Track）在2024年4月于日本東京召開的可視化領域國際會議IEEE PacificVis作全文宣講，論文将直接發表于可視化領域旗艦期刊 IEEE TVCG（CCF A類）。該會議此次TVCG Track論文接收率為11.5%。
近年來，跨學科研究引起越來越多關注。beat365将2022年作為數字與人文年。可視化通過将數據轉化為可交互圖形，為領域學者提供強大分析工具。beat365beat365袁曉如課題組近年來與包括天文地理、醫療衛生、曆史中文、國際關系在内的多個科學與人文領域學者合作，為一些具有挑戰性的領域問題提供可視化解決方案和工具。除了本項針對考古的可視分析工作，2023年度實驗室已經發表了包括支持空間不确定性挑戰的古籍流傳可視分析、集合自動分析與用戶交互決策的複雜天文光譜分類可視分析系統、全球各國曆史早期可視化數據集等交叉合作工作。
