Визуализация без зрения: Новые горизонты изучения структур данных

Автор: Денис Аветисян

Исследователи разработали систему, позволяющую незрячим и слабовидящим пользователям понимать и взаимодействовать со структурами данных, используя не только визуальные, но и другие сенсорные каналы.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"

Система «Арборетум» представляет собой веб-интерфейс, предназначенный для генерации доступных диаграмм базовых структур данных - табличных, навигационных и тактильных - демонстрируя, как единая бинарная структура дерева может быть представлена в различных форматах для обеспечения инклюзивности и понимания. — Система «Арборетум» представляет собой веб-интерфейс, предназначенный для генерации доступных диаграмм базовых структур данных — табличных, навигационных и тактильных — демонстрируя, как единая бинарная структура дерева может быть представлена в различных форматах для обеспечения инклюзивности и понимания.

Система Arboretum генерирует доступные представления структур данных (массивов, бинарных деревьев) из структурных спецификаций, обеспечивая мультимодальный доступ и упрощая создание учебных материалов для преподавателей.

Обучение основам информатики, в частности, пониманию структур данных, представляет значительные трудности для студентов с нарушениями зрения из-за преобладания визуальных методов представления. В работе ‘Nonvisual Support for Understanding and Reasoning about Data Structures’ предложена система Arboretum, автоматически генерирующая доступные представления структур данных — табличные, навигационные и тактильные — на основе их структурной спецификации. Полученные в ходе пользовательских исследований результаты демонстрируют эффективность тактильных графических элементов для сложных задач, таких как бинарный поиск, и выявляют ограничения существующих методов навигации для анализа структуры данных. Возможно ли создание действительно инклюзивной образовательной среды в области информатики, где доступ к знаниям не зависит от визуальных способностей?

За пределами визуального: Разрыв доступности в структурах данных

Традиционные методы визуализации структур данных, широко используемые в обучении и практике информатики, в значительной степени полагаются на зрительное восприятие. Это создает серьезные препятствия для людей с нарушениями зрения, а также для тех, кто использует альтернативные способы взаимодействия с компьютером, такие как скринридеры или голосовые интерфейсы. Вместо представления информации через расположение элементов на экране, многие структуры данных, такие как деревья или графы, требуют понимания связей и отношений между компонентами. Визуальные представления, хоть и интуитивно понятны зрячим, зачастую не содержат достаточной семантической информации, необходимой для незрячих пользователей, что затрудняет их доступ к знаниям и участию в разработке программного обеспечения. Отсутствие адекватных альтернатив приводит к тому, что эта важная область компьютерных наук становится недоступной для значительной части населения.

Существенные препятствия в изучении информатики и профессиональной деятельности возникают для значительной части населения из-за зависимости традиционных методов обучения от визуального восприятия. Для людей с нарушениями зрения, а также для тех, кто использует не-визуальные интерфейсы, понимание сложных концепций, таких как деревья или графы, становится крайне затруднительным. Это не только ограничивает возможности получения образования, но и препятствует участию в разработке программного обеспечения и анализе данных, лишая общество ценного вклада со стороны талантливых специалистов. Отсутствие адекватных альтернативных способов представления информации о структурах данных создает реальный барьер, требующий немедленного решения для обеспечения равного доступа к технологическим знаниям и возможностям.

Существующие вспомогательные технологии, предназначенные для обеспечения доступа к информации, зачастую оказываются недостаточно эффективными при работе со сложными структурами данных. Традиционные программы чтения с экрана, например, могут последовательно озвучивать элементы, но не способны передать иерархические связи, взаимозависимости или логическую организацию, присущие таким структурам, как деревья или графы. Это приводит к тому, что пользователи, полагающиеся на незрительные методы взаимодействия, испытывают значительные трудности в понимании принципов работы алгоритмов и структур данных, что серьезно ограничивает их возможности в обучении и профессиональной деятельности. Неспособность адекватно передать пространственные и логические отношения внутри данных препятствует эффективному решению задач и формированию целостного представления о структуре информации.

Для обеспечения подлинной инклюзивности в области информатики необходим переход к структурному моделированию данных, не зависящему от визуального представления. Традиционные методы, ориентированные на визуализацию, создают непреодолимые препятствия для людей с нарушениями зрения или использующих не-визуальные интерфейсы. Вместо акцента на графическом отображении, следует сосредоточиться на внутренней логике и взаимосвязях элементов данных, описывая структуру через абстрактные модели, доступные для интерпретации различными способами. Это предполагает использование альтернативных методов представления информации, таких как тактильные дисплеи, звуковые кодировки или программные интерфейсы, которые позволяют исследовать структуру данных посредством навигации и манипулирования, а не визуального восприятия. Такой подход позволит расширить возможности обучения и профессиональной деятельности в сфере информатики для более широкой аудитории, устраняя барьеры, связанные с визуальной зависимостью.

Для обеспечения доступности бинарного дерева для людей с нарушениями зрения предложены три представления: табличное отображение узлов, навигационная структура для скринридеров и тактильное представление с использованием шрифта Брайля.

Арборетум: Система для структурно доступных представлений

Арборетум — это веб-система, предназначенная для автоматического создания доступных представлений структур данных на основе стандартизированной Спецификации Диаграмм. Система принимает в качестве входных данных диаграммы, описанные в соответствии с установленным форматом, и генерирует различные форматы представления, ориентированные на разные способы восприятия информации. Это позволяет обеспечить единообразное и надежное представление структур данных для пользователей с различными потребностями и возможностями, избегая зависимости от конкретного визуального отображения. Веб-архитектура системы обеспечивает доступность функциональности через стандартные веб-браузеры, что упрощает развертывание и использование.

Система Arboretum предлагает альтернативные способы представления структур данных, выходящие за рамки визуализации. Помимо стандартных графических схем, Arboretum генерирует табличные представления, обеспечивающие структурированный текстовый формат для чтения с экрана; навигационные представления, позволяющие пользователям перемещаться по структуре данных с помощью клавиатуры или других устройств ввода; и тактильные представления, разработанные для использования с тактильными дисплеями или другими устройствами, предназначенными для незрячих и слабовидящих пользователей. Каждый тип представления оптимизирован для конкретного способа доступа к информации, что обеспечивает универсальность и доступность данных для широкого круга пользователей.

Система Arboretum обеспечивает согласованный и надежный доступ к информации о структуре данных благодаря разделению логической структуры и ее представления. В традиционных подходах представление структуры тесно связано с визуализацией, что создает барьеры для пользователей, использующих вспомогательные технологии или альтернативные способы восприятия информации. Arboretum, напротив, хранит структуру данных независимо от конкретного формата отображения. Это позволяет генерировать различные представления — табличные, навигационные и тактильные — из единого источника достоверных данных. Такой подход гарантирует, что все пользователи, независимо от используемых ими инструментов или модальностей доступа, получают одинаково точную и полную информацию о структуре данных, избегая расхождений или потерь, возникающих при жесткой привязке структуры к визуализации.

Система Arboretum использует принципы структурного моделирования для обеспечения сохранения ключевых взаимосвязей внутри структуры данных во всех генерируемых представлениях. Это достигается путем явного определения и кодирования отношений между элементами структуры, таких как иерархия, последовательность или ассоциация, независимо от конкретного формата представления — табличного, навигационного или тактильного. В результате, вне зависимости от способа доступа к информации, пользователи получают последовательное и точное представление о структуре данных и связях между ее компонентами, что критически важно для понимания и анализа.

Режим редактора Arboretum позволяет преподавателям создавать спецификации диаграмм и просматривать синхронизированные доступные результаты.

Проверка доступности посредством многомодальной оценки

Для оценки эффективности представлений, реализованных в Arboretum, в качестве эталонной алгоритмической задачи был выбран алгоритм бинарного поиска. Этот алгоритм позволяет оценить способность пользователей к последовательному поиску и сравнению данных в упорядоченном наборе. Выбор бинарного поиска обусловлен его четкой структурой и предсказуемостью, что упрощает оценку производительности пользователей, взаимодействующих с различными модальностями представления данных, включая тактильные и навигационные интерфейсы. Результаты выполнения задачи бинарного поиска позволили сопоставить эффективность использования Arboretum с традиционными визуальными методами.

В ходе оценки эффективности представлений Arboretum, пользователи, взаимодействующие с Навигационным и Тактильным представлениями, продемонстрировали сопоставимую точность выполнения алгоритмической задачи — двоичного поиска — с пользователями, использующими традиционные визуальные представления. В ходе тестирования, все участники, независимо от используемого метода взаимодействия, достигли 100% точности при решении задачи двоичного поиска, что свидетельствует о равноценной функциональности и доступности альтернативных представлений данных.

В ходе выполнения задания, связанного с массивами данных, пользователи, взаимодействовавшие с системой Arboretum, продемонстрировали 91.67% точность выполнения. Данный показатель свидетельствует о высокой эффективности системы в обработке различных структур данных и подтверждает её способность обеспечивать корректное восприятие и обработку информации, представленной в виде массивов. Успешное выполнение задания с такой высокой точностью указывает на то, что Arboretum предоставляет пользователям инструменты, необходимые для эффективной работы с массивами данных, независимо от их визуальных способностей.

В ходе пользовательских тестов было установлено, что участники использовали тактильные графические представления для более чем 89% времени выполнения задач. Это свидетельствует о выраженной предпочтительности данной модальности и ее эффективном использовании для восприятия и обработки информации. Данный показатель подтверждает, что тактильные графики являются не просто вспомогательным инструментом, а основным способом взаимодействия с данными для пользователей в контексте проведенных испытаний.

Arboretum представляет собой систему, преобразующую структурированные данные и спецификации диаграмм Mermaid в доступные визуализации посредством этапов ввода, компиляции в промежуточное представление и генерации выходных данных.

Расширение доступа и содействие инклюзивному вычислению

Подход многомодального представления, реализованный в Arboretum, обладает потенциалом коренным образом изменить образование в области информатики, значительно расширив круг доступных для обучения. Эта система предоставляет альтернативные способы визуализации и взаимодействия с данными, позволяя людям с нарушениями зрения, двигательными ограничениями или когнитивными особенностями полноценно участвовать в изучении сложных концепций. Вместо полагаться исключительно на традиционные визуальные диаграммы, Arboretum использует комбинацию текстовых описаний, звуковых сигналов и тактильных интерфейсов, обеспечивая более инклюзивный и адаптивный процесс обучения. Данный подход не только облегчает понимание материала для людей с ограниченными возможностями, но и может улучшить восприятие информации для всех учащихся, предлагая разнообразные каналы для освоения сложных алгоритмов и структур данных.

Система Arboretum предоставляет альтернативные способы представления информации, что значительно расширяет возможности участия в области компьютерных наук для людей с различными ограничениями. В частности, для лиц с нарушениями зрения, двигательными функциями или когнитивными особенностями, традиционные визуальные методы обучения могут быть недоступны или сложны для понимания. Предоставляя, например, тактильные или звуковые альтернативы, система позволяет этим людям полноценно изучать структуры данных и алгоритмы, участвовать в разработке программного обеспечения и вносить свой вклад в развитие этой важной области. Это не просто адаптация существующих материалов, а создание принципиально новых способов взаимодействия с информацией, открывающих двери в мир программирования для тех, кто ранее сталкивался с серьезными препятствиями.

Разработанная стандартизированная спецификация диаграмм позволяет создавать доступные схемы структур данных для широкого спектра приложений — от учебников и методических пособий до интерактивных онлайн-курсов. Данный подход обеспечивает единообразие представления информации, что критически важно для пользователей, использующих вспомогательные технологии, такие как программы чтения с экрана или альтернативные методы ввода. Благодаря стандартизации, диаграммы могут быть автоматически преобразованы в различные форматы, включая текстовые описания, аудио-сопровождение или тактильные представления, что значительно расширяет возможности обучения для людей с различными потребностями. Эта универсальность способствует созданию более инклюзивной образовательной среды, где сложные концепции компьютерных наук становятся понятными и доступными для всех желающих.

Данная работа вносит значительный вклад в формирование более инклюзивного и равноправного будущего для сферы информатики, стремясь к тому, чтобы каждый человек, независимо от своих возможностей, имел возможность обучаться и вносить свой вклад в развитие технологий. Создавая условия для участия людей с различными особенностями, проект открывает новые горизонты для инноваций и расширяет спектр перспектив в области вычислений. Это не просто адаптация существующих инструментов, а принципиально новый подход, направленный на устранение барьеров и создание действительно доступной среды для обучения и профессиональной деятельности в сфере компьютерных наук. В результате, потенциал для развития технологий расширяется за счет привлечения разнообразных талантов и перспектив, что способствует более справедливому и прогрессивному будущему для всех.

Для обеспечения доступности массива для людей с ограниченными возможностями зрения предложены различные представления: табличное с индексами и значениями, навигационное для скринридеров и тактильное с использованием шрифта Брайля.

Система Arboretum, представленная в работе, стремится не просто предоставить доступ к структурам данных, но и создать среду, в которой эти структуры могут быть осмыслены и изучены. Это подход, который резонирует с мыслями Роберта Тарьяна: «Любая программа, которую можно написать, можно написать плохо.». Действительно, простое отображение данных в доступной форме недостаточно; необходимо учитывать способы их представления, чтобы избежать создания нового слоя сложности. Arboretum пытается вырастить понимание, а не навязать его, предлагая multimodal access к структурам данных, что согласуется с идеей о том, что надежные системы возникают из органичного роста, а не из жесткого планирования. Архитектура системы, ориентированная на гибкость и адаптацию к потребностям обучающихся, демонстрирует глубокое понимание сложности создания действительно доступных и эффективных инструментов.

Что дальше?

Система Arboretum, представляющая структуры данных в доступной форме, — это не триумф инженерии, а скорее признание неизбежной сложности. Каждая новая архитектура обещает свободу от визуальной зависимости, пока не потребует жертвоприношений в виде трудоемкой спецификации структур. Иллюзия “готового” решения таит в себе опасность: ведь в конечном итоге, любая автоматизация — это просто перенос бремени ответственности.

Порядок — это временный кэш между сбоями. Вместо того чтобы стремиться к идеальной репрезентации, стоит задуматься о гибкости. Как Arboretum адаптируется к меняющимся потребностям обучающихся? Как система справляется с динамическими структурами данных, которые меняются в процессе обучения? И, что важнее, как она позволяет пользователю ошибаться и учиться на этих ошибках, а не просто предоставляет готовый ответ?

Эта работа — не финал, а лишь начало. Экосистема доступного образования требует не просто инструментов, но и сообщества, способного совместно создавать и поддерживать эти инструменты. Задача не в создании «идеальной» системы, а в создании платформы, на которой каждый может внести свой вклад в общее дело, помня, что каждая новая абстракция несет в себе потенциал для новых сложностей.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.19168.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-01-28 14:49