Abbildung auf Position, Größe und Orientierung Visualisierung · Am Anfang schuf Gott Himmel und Erde. 2 Und die Erde war wüst und leer und es war finster auf der Tiefe; Und der

Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Goethe-Universität, FrankfurtGraphische Datenverarbeitung

Visualisierung

Abbildung auf Position, Größe und Orientierung

WS 2000/20012

Visualisierung6. Abbildung auf Position, Größe, Orientierung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Die AuflösungGenesis

1Am Anfang schuf Gott Himmel und Erde.

2Und die Erde war wüst und leer

und es war finster auf der Tiefe;

Und der Geist Gottes schwebte auf demWasser.

3Und Gott sprach: Es werde Licht.

Und es ward Licht.

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RückblickAuswahlfaktoren für Visualisierungsverfahren

� (Spezielle) Bearbeitungsziele� Anwendung� Allgemeine Wahrnehmungsfähigkeiten des Menschen (noch nicht

behandelt)� Nutzer� Ressourcen

„Bildarten“: � Presentational Pictures� Abstract - Graphical Pictures� Pictograms (Ikonen – Symbole – Index)� Diagramme = Charts (Diagrams, Graphs, Maps)

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Visuelle Variablen (nach Bertin 1982)

Für statische 2D-Darstellungen gibt es prinzipiell achtverschiedene visuelle Variablen, die konstruktiv zur Generierung graphischer Darstellungen eingesetzt werden können:

� die Position auf der Ebene (2 Achsen = 2 vis. Variablen)� die Größe (Länge, Fläche/Volumen)� der Helligkeitswert,� die Musterung oder Textur,� die Farbe,� die Richtung oder Orientierung sowie� die Form des Elementes

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Ergänzungen und Verfeinerungen(nach Mackinlay / Cleveland)

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Ergänzungen und Verfeinerungen(nach Mackinlay / Cleveland)

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Übersicht1. Sensorische und willkürliche visuelle Kodes

(Zeichen, Symbole, Bilder)2. Eigenschaften des Visuelles Systems zur

Wahrnehmung von Positionen, Größen und Orientierungen

� Sehwinkel (Visual Angle)� Bildschärfe

3. Eigenschaften eines optimalen Displays4. Elementare Mappingverfahren

� Positionen� Längen, Flächen, � Winkel

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Übersicht (Fortsetzung)

4. Einige spezielle Diagramme5. Zusammenfassung 6. Glossar7. Ausblick – Nächste Schritte

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Sensorische oder willkürliche Symbole und Bilder

� Theorie der Sensorischen (Bild-)Sprachen basiert auf der Idee, dass das menschliche Visuelle System sich entwickelt hat, um eine (natürliche) Umwelt wahrzunehmen und in ihr zu überleben.

� Das Visuelle System ist keine „Universal-Maschine“, sondern hat viele spezialisierte Verarbeitungseinheiten

� Aber: Die Entwicklung ist zum Zeitpunkt der Geburt nicht abgeschlossen � viel Raum für kulturelle Einflüsse und Entwicklungen.

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Eigenschaften sensorischer Bilder

� werden ohne spezielles Training verstanden� sind unempfindliche gegenüber instructional bias� werden unmittelbar und direkt wahrgenommen� sind in verschiedenen Kulturen gültig

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� werden ohne spezielles Training verstandenDer Betrachter musslediglich wissen, dasseine Kommunikationgewünscht wird.

� sind unempfindliche gegenüber instructional bias� werden unmittelbar und direkt wahrgenommen� sind in verschiedenen Kulturen gültig

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� werden ohne spezielles Training verstanden� sind unempfindliche gegenüber instructional bias

Vorspannung, Vorurteil, Verzerrung durch den Instruktor veranlaßt

viele sensorische Bilder,wie z.B. Illusionen wirken,selbst wenn man weiss,dass es sich um solchehandelt. biologisch „hardwired“

� werden unmittelbar und direkt wahrgenommen� sind in verschiedenen Kulturen gültig

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� werden ohne spezielles Training verstanden� sind unempfindliche gegenüber instructional bias� werden unmittelbar und direkt wahrgenommen

sehr schnell wirksam,häufig durch Eigen-schaften des frühenSehens bewirkt

� sind in verschiedenen Kulturen gültig

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� werden ohne spezielles Training verstanden� sind unempfindliche gegenüber instructional bias� werden unmittelbar und direkt wahrgenommen� sind in verschiedenen Kulturen gültigViele Wahrnehmungen können allerdings durch kulturelle Einflüsse

„überschrieben“ werden.

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� werden ohne spezielles Training verstanden� sind unempfindliche gegenüber instructional bias� werden unmittelbar und direkt wahrgenommen� sind in verschiedenen Kulturen gültig

Welche Untersuchungsmethoden werden benutzt?Welche (Unter-)fachgebiete existieren?

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Untersuchungsmethoden

� Neurophysiologie

� PsychophysikMessungen nach physikalischen Prinzipien: Reiz-Reaktion. Vor allem für

Phänomene des „Frühen Sehens“ möglich.

� Kognitive PsychologieDas Gehirn wird als Menge von verbundenen Informationsverarbeitungs-

module betrachtet. Typische Messungen: Reaktionszeit, Fehlerraten, ...Heute erlauben MRI-Techniken die Aktivitätszentrenbei der Erledigung bestimmter Aufgaben direkt Sichtbar zu machen

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Untersuchungsmethoden (2)� StrukturanalyseInterviews, bei denen die Versuchspersonen über ihr Verstehen oder ihre

Wahrnehmungen berichten. Dient vor allem der Formulierung von Hypothesen.Für die Untersuchung von Benutzungsschnittstellen oft hilfreich:

Quantitative Untersuchungen durch Einstufungsskalen (rating scales)

� interkulturelle StudienBeispiel: Berlin und Kay (1969):

Farbbeschreibungen in mehr als 100 Sprachen; siehe dortsehr aufwendig und durch Globalisierung der Medien in Zukunft quasi

� Entwicklungsstudien (Kinderstudien)basieren auf der Annahme, dass sehr junge Kinder vergleichsweise wenige

visuelle Konventionen kennen (bis ca. 5 Jahre)

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Eigenschaften willkürlicher Bilder, Symbole, Zeichen

� Schwer zu erlernen� Leicht zu vergessen� Eingebettet in Kultur oder Anwendung� Formal sehr mächtig� Schnell zu verändern

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Eigenschaften willkürlicher Bilder

� Schwer zu erlernenZum Beispiel Lesen und Schreiben benötigt tausende Übungsstunden,

auch wenn man schon perfekt spricht.Dieses gilt auch (oder erst recht) für Bildalphabete, z.B. das chinesische

Alphabet oder mathematische Symbole.

� Leicht zu vergessen� Eingebettet in Kultur oder Anwendung� Formal sehr mächtig� Schnell zu verändern

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� Schwer zu erlernen� Leicht zu vergessenSolange diese nicht „überlernt“ sind werden sie leicht vergessen oder

verwechselt.Aber einige Symbole, z.B. Zahlen sind „überlernt“ und werden damit

auch nicht mehr vergessen

� Eingebettet in Kultur oder Anwendung� Formal sehr mächtig� Schnell zu verändern

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� Schwer zu erlernen� Leicht zu vergessen� Eingebettet in Kultur oder Anwendung

z.B. � Bedeutung von Farben� Smilies in emails � � ;-) ;-( ...� „Häufig ist „gutes“ Design ein standardisiertes Design“

Technische Zeichnugen, Karten, ...

� Formal sehr mächtig� Schnell zu verändern

Gehe hin!

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� Schwer zu erlernen� Leicht zu vergessen� Eingebettet in Kultur oder Anwendung� Formal sehr mächtigBekanntestes Beispiel: Satz mathematischer SymboleAber für viele Menschen schwer zu erlernen.Die Tatsache, dass es ein visueller Kode ist, heißt nicht zwingend, dass

er einfach zu verstehen ist

� Schnell zu verändern

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� Schwer zu erlernen� Leicht zu vergessen� Eingebettet in Kultur oder Anwendung� Formal sehr mächtig� Schnell zu verändernSensorische Kodes haben sich teilweise in Millionen von Jahren

entwickelt.Willkürliche Kodes benötigen oft nur wenige Jahre (Smilies) oder eben

einige tausend Jahre (Ziffern und Zahlen).

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� Schwer zu erlernen� Leicht zu vergessen� Eingebettet in Kultur oder Anwendung� Formal sehr mächtig� Schnell zu verändern

Welche Untersuchungsmethoden werden benutzt?Welche (Unter-)fachgebiete existieren?

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Untersuchungsmethoden� aus Soziologie� aus Anthroposophie� aus Philosophie

Prinzipiell gilt: Die Wissenschaft der Visualisierung ist sicher noch ganz am Anfang. Vieles in diesem Bereich ist mehr ein Handwerk oder eine Kunst als eine Wissenschaft.

Insofern gilt heute (noch): eine künstlerische Ausbildung ist mindestens so nützlich wie eine wissenschaftliche Ausbildung (und Kenntnisse) in Wahrnehmungspsychologie.

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Grobstruktur des Visuellen Systems(Two-Visual-System Hypothesis)

MILNER, GOODALE 1995

Frühes Sehen:Konturen, FarbeTexturen,Räumliche Wahrnehmungseffekte

Räumliche Anordung

Wahrnemungfür Aktionen

Objekterkennung

Visueller Langzeitspeicher

MotorischeAusgabe

Sprachzentrum

Stufe II

Schnelle ParallelarbeitExtraktion von Konturen, OrientierungenFarbe, Texturen, Muster, BewegungBildgedächtnis (Iconic Store)

Stufe I

Langsame serielle Verarbeitung

Einbeziehung des LangzeitgedächtnissesVerarbeitung willkürlicher BilderZwei Wege: Visuell gesteuerte Bewegung und Objekterkennung

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Die wichtigsten Wege durchs Visuelle System und deren Funktionen

NACH DISTLER 1993

V1 – V4 visual areas (V1 = area 17) PO parieto-occipital areasMT middle temporal area (V5)DP dorsal prestiate areaPP posterior parietal area

STS superiotemporal slcus complexIT inferotemporal cortex

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Eigenschaften des Visuelles Systems zur Wahrnehmung von

Positionen, Größen, Orientierungen

Schematischer Schnitt durchdas rechte Auge –Ansicht von oben

Foto der Retina

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Sehwinkel (Visual Angle)

Sehwinkel

Wenn d und r in Meter angegeben werden, dann wird 1/f in Dioptrien dpt gemessen

Näherung: Frontkrümmung der Linse ca. 40 dptca 19 dpt von der variablen Linse

Akkomodationsbandbreite: Kindern ca. 12 dpt60-jährigen fast 0

fernnah ffD

fff

LinsenVerbundenerdf

LinseacheE

d

h

11

111

111inf

22

tan

123

−=

+=

+=

=α

h

d

r

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Tiefenschärfe

unendlich1,5 m3 m

6,0 m1,2 m2 m1,5 m75 cm 1m

60 cm43 cm50 cm

FernNahAbstand

Bei 3 mm Pupillenöffnungund 1/3 dpt Tiefenschärfewertgilt folgendes Intervall �

�

��

�

−−

+ 33,

33

dd

dd

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Bildschärfenbestimmung

Von links nach rechts: Daumenregel:� Punktsehschärfe ca. 1‘ 1cm Objekt in� Rastersehschärfe ca. 1‘-2‘ 57 cm Abstand = 10

Liniensehschärfe ca. 0,5‘‘� Doppellinien ca. 30‘‘� Vernier Sehschärfe

Nonius Sehschärfe 5‘‘-7‘‘� Snellen-Optotypen 30‘‘ (5‘ Buchstabengröße)� Landolt-Ringe 30‘‘

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Gesamtsehfeld und Sehschärfe als Funktion der Auslenkung

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Visueller Stress

Großflächige sich wiederholende Blitze oder Streifenmuster mit z.B. 3 Zyklen / Grad und Flickerraten von 20 Hz lösen bei fast allen

Betrachtern visuellen Stress aus, bis hin zu krampfartigen Anfällen

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Eigenschaften eines optimalen Displays

� In der fovea: Zapfendichte von ca. 180/Grad � 4k x 4k Display (ohne Beachtung des Noniussehens)

� Warum werden dann Laserprinter mit 1200 dots /inch = 460 dots/cm hergestellt?

� Wegen� Aliasing� Grauwerterzeugung� Noniussehen (Super/HyperAcuity)

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Aliasing in Kürze

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Noniussehen

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Eigenschaften des Rechnerbildes am Monitor

� Typisches CRT oder auch LCD-Display nur ca. 72 dpi:� Probleme mit feinen Strukturen� Pixel Struktur oder Phosphor-Muster kann zusätzliche

Effekte erzeugen� Typischer Monitor reitzt nur 5-10% des visuellen

Sehfeldes, doch dieses entspricht ca. 50% der visuellen Verarbeitungsleistung.

� Für 3D-Szenen fehlt die Notwendigkeit zur Fokussierung � Fehleinschätzungen

� Zeitliche Anforderungen besprechen wir später

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Elementare Mappingverfahren

Grundverfahren des Mappings auf Geometrie� Position� Größe� Winkel

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Positionen

� 1-dimensional, 2-dimensional, 3dimensional einsetzbar� Skalierung der Achsen möglich entsprechend der Werte� Vergleiche möglich, aber auch Größenschätzungen� eine gemeinsame Achse ist effizienter als relative Achsen� auch für ordinal und nominaldaten Nutzbar

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Längen, Flächen

� Längen werden gut geschätzt (Ungenauigkeit entsprechen dem Weberschen Gesetz)

� auch die Abbildung auf Flächen ist möglich: � VORSICHT: Geschätzt (interpretiert) wird die Fläche –

nicht der Radius oder die Kantenlänge

.constLL =∆

FALSCH

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Kreisdarstellungenfür Quantitative Größen

Flächenwahrnehmung erfolgt gemäß der Steven‘schen Potenzfunktion mit Exp. 0,7

7,07,027,0

2

4,11

)2('

2

WWrrAA

rnehmungFlächenwahWrrA

≈≈�==

≈�=

π

πKorrigierteDarstellung mit Kreisflächen

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Orientierungen und Winkel

� Zeigermetapher� Winkel zwischen 0 und 90 Grad werden vergleichsweise

genau geschätzt� Stumpfe Winkel oder Winkel mit horizontaler

Winkelhalbierenden werden überschätzt� Spitze Winkel oder Winkel mit einer vertikalen

Winkelhalbierenden werden unterschätzt� Für ordinale Größen höchstens 6-8 Hauptrichtungen

wählen

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Einige spezielle DiagrammePunktediagramme (Scatterplot)

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

präoperativer Visus

post

oper

ativ

er V

isus

� zwei orthogonale Skalen� Abszisse i.d.R. als

unabhängige Variable� Datenwerte werden durch

Punkte, Kreuze, Karos, etc. markiert

� eignen sich besonders, um Korrelationen zwischen zwei Variablen zu erkennen

� für beliebige Relationen geeignet

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Obere Reihe Verschiedene Stärken der Korreraltionen a) starke Korrelation, b) schwache Korrelation und c) keine Korrelation;

Mitte: Ausprägungen der Korrelation: d) direkt/positiv, e) indirekt/negativ und f) keine Korrelation;

Unten: Formen der Korrelation: g) linear, h) exponentiell und i) komplex

a) b) c)

d) e) f)

g) h) i)

Hinweise auf Korrelationen in Scatterplots

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Linien- und Kurvendiagramme

� Sehr gut für funktionale Zusammenhänge geeignet

� Für Daten mit stetigen Definitionsbereich ist es die effektivsten Methode

� Induziert den Eindruck einer kontinuierlichen Größe auf der Abszisse

� Mehrere (3-4) von einer Größe abhängige Merkmale können in ein Diagramm eingetragen werden

� Poligonal oder Interpoliert (z.B. Spline) möglich

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Weitere Diagrammtypenz.B. in Excel

� Flächendiagramm� Säulendiagramm� Balkendiagramm� Kreisdiagramm� Ringdiagramm� Kursdiagramm� Blasendiagramm� Netzdiagramm� Flächendiagramm� Kegel, Zylinder,

Pyramidendiagramm

Excel starten

Help

Suchen „Beispiele für Diagrammtypen“

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Typische Formen von Histogrammen (nach [Harris 96]).Oben: a) Normalverteilung, b) bimodal geformte Kurve (indiziert, daß Merkmale zweier

verschiedener Populationen vorliegen) und c) multimodal geformte Kurve (indiziert, daß Merkmale mehrerer verschiedener Populationen vermischt wurden);

Mitte: d) schiefe Häufigkeitsverteilung (linkssteil), e) schiefe Häufigkeitsverteilung (rechtssteil) und f) gestauchte Kurve (indiziert eine sehr konzentrierte Verteilung)

Unten: g) sehr flache Kurve (indiziert Werte aus verschiedenen Populationen), h) abgeschnittene Kurve (indiziert, daß ein Teil der Population fehlt oder entfernt wurde) und i) gestauchte Kurve mit Spitze (indiziert, daß alle Elemente über einer bestimmten Grenze zusammengefaßt wurden)

b)a) c)

d) e) f)

g) h) i)

Sonderform des Säulendiagramms:Histogramm

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Zusammenfassung

Unterscheide: Sensorische und willkürliche visuelle Kodes (Zeichen, Symbole, Bilder)

Eigenschaften des Visuelles Systems zur Wahrnehmung von Positionen, Größen und Orientierungen

Elementare MappingverfahrenSpezielle Diagramme

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Glossar

� Glossar der Begriffe� Definieren Sie die Fachausdrücke, wie sie

zu diesem Thema verwendet werden.

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Weitere Informationen

� Nennen Sie Bücher, Artikel, elektronische Quellen.

� Beratungsdienste, andere Quellen

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Ausblick – Nächste Schritte

� Gestaltregeln� Eine Wahrnehmungs-Syntax für

Diagramme� Wahrnehmung von Helligkeit � Kontrast� Abbildung auf Helligkeit

Gestaltregeln – Diagramme – Helligkeit

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