信息过载已经成为当今人机交互领域的一项主要挑战,可视化利用人类视觉认知系统的特点,将抽象数据映射为可见的图形图像,从而帮助人们从大量数据中快速有效地提取信息。可视化放大了人类的认知,然而不符合视觉认知规律的可视化会适得其反,这就对可视化的设计提出了极高的要求。因此,从视觉认知模式的角度对可视化的呈现方式、视觉认知任务及其认知效率进行研究对于可视化的设计有着重要意义。散点图是一种经典的可视化视觉结构,也是测试视觉单元编码问题的良好载体,散点图在进行设计认知相关的研究方面有着独特的优势。本文从信息可视化的视觉认知行为模式出发,首先梳理了可视化的基本视觉呈现框架、可视化认知任务的分类、可视化的认知加工过程以及可视化认知任务中的视觉感知规律,提出了一个任务驱动的可视化呈现与认知模式。其次,分析了散点图这一经典可视化结构的呈现特征和认知任务的特点,并通过行为实验具体探究了散点图类别分离任务的难度。实验结果表明散点图中两个目标类所有对象的中心点垂直距离Δ可以反映该任务的认知难度,Δ越小,认知难度越大。对于实验中的散点图设计,其难度可以通过不同的Δ取值范围具体分为四个等级:极高认知难度、高认知难度、中认知难度和低认知难度。再次,探究了可视化认知过程中的影响因素,包括可视化设计因素、客观环境因素和用户主观因素;以及可视化认知效率的评价因素,包括认知成本和认知收益。通过引入一种综合的可视化认知效率评价方法,建立了基于认知负荷和认知拟合理论的可视化认知效率模型。最后,运用主观量表、行为绩效测量的方法进行实验研究,获取了不同难度和复杂性条件下的散点图类别分离任务的综合认知效率。实验结果表明,不同任务难度之间的认知效率具有显著差异,任务难度越大,认知效率三个维度上的表现越差,综合认知效率也越低。不同设计复杂性之间的综合认知效率具有显著差异,可视化的设计复杂性越大,综合认知效率越低,并具体反映在可视化单元的视觉编码方式上。另外,任务难度因素与复杂性因素具有一定的交互效应,对视觉认知效率有着综合的影响。实验结果对于了解可视化设计因素如何影响视觉认知行为有一定的促进作用,对可视化的界面设计和任务设置有一定的指导意义。