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Dr. Ralf Dörner

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Vorlesung 16

WS 2002/20032Visualisierung – Vorlesung 16Dr. Ralf Dörner

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� Lesen Sie

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noch einmal komplett ...!!!

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� Externalisierung der Daten als Grundlage� Einfaches Browsen vs. Formen eines

mentalen Modells� Eigenschaften eines mentalen Modells:

� Unvollständigkeit: Cognitive Map vs. CognitiveCollage

� Trägheit� Robustheit

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� Gedächtnis wird entlastet durch fehlerfrei reproduzierbare Visualisierungen

� Unterstützung von Denkprozessen (z.B. spatial reasoning)

� Direkte Erweiterungen der Kognition durch den Computer


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� Visuell-Manuelle Kontrolle

� Interaktive Techniken für Focus&Context

� Interaktive Exploration

� Mentale Modelle

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� Low-level Kontrollschleifen� Echtzeitanforderungen� Verschiedene Techniken der interaktiven

Visualisierung� Interaktive Visualisierungen haben einen

signifikanten Mehrwert� Cognitive Augmentation� Externe Repräsentationen von Kognition

Dr. Ralf Dörner

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Teil K

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� Visualisierung bezeichnet den Vorgang der Sichtbarmachung von Materie, Energie, Information oder Prozessen.

� In der Informatik reduziert sich dieses auf die Visualisierung von Daten, Informa-tionen, Modellen, ...

� „In der Tat ist der Mensch ein Augentier“.Herbert W. Franke


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� Hohe Bandbreite zum Gehirn (70% allerRezeptoren ,40+% des Cortex, 4 MilliardenNeuronen)

� Verstehen von riesigen Datenmengen (Millionenvon Messwerten können in einem Bild dargestelltwerden)

� Wir können mehr sehen, als wir uns mental vorstellen können

� Erkennen von Mustern in Daten� …

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explorative Analysekonfirmative Analyse

Präsentation+ Kommunikation

Erkenntnisgewinnung

Kenntnisvermittlung(Training)

Noch keine Hypothesen bekannt,interaktive, oft ungerichtete Suche��Formulierung einer Hypothese

��: Bestätigen oder Verwerfen einer Hypothese

Ergebnisse und Fakten für Dritte erkennbar darstellen


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definiert sich durch den Grad, in dem die bildliche Darstellung das Ziel der Visualisierung erreicht.

Sie läßt sich als das Verhältnis von der vom Betrachter in einem Zeitraum wahrgenommenen Information zu der im gleichen Zeitraum zu vermittelnden Information beschreiben.

Mentale Modelle (Form der Wissensrepräsentation beim Menschen, Begriff aus der kognitiven Psychologie)müssen im Betrachter entwickelt oder geeignet adressiert werden. Wie gut gelingt dies durch eine Visualisierung?

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Eine Visualisierung soll

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� möglichst �� und dabei

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sein.


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Die drei wesentlichen Schritte :

��: „Datenaufbereitung“

��: Erzeugung eines Graphischen Modells (Geometrie + Merkmale): Visualisierung im engeren Sinn

�� : „Bildgenerierung“

(nach Haber: �� , 1990)

Filtering

Mapping

Rendering

Daten

Bild

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Kontrollfluß (rot) im erweiterten Modell

Bild

Visualisierungssystem

Roh-daten

Analyse

��Spezifikation derVisualisierung

BeobachtungMessung

Modellierung

SimulationBerechnung

Daten-analyse

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� Beschreibung der Daten� Datenquellen� Beobachtungsraum� Datenmerkmale

� Datenspezifikation� Datenformate� Reduktion einer Datenmenge

� Projektion� Selektion

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� Nutzer hat� Ziele� Visuelle Eigenheiten (z.B. farbenblind)� Hintergrund (Kultur, Ausbildung, ...)� Ressourcen

� Benötigen diese Information über den Nutzer, um erfolgreich zu visualisieren


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�� Elementare �� Directed SearchInformationen Erkennen von Werten

für einen PunktInformationen bezogen �� Comparisionauf Teilbereiche Erkennen von Werten

in einem lokalen

Zusammenhang

Informationen bezogen �� Explorationauf den gesamten Erkennen der globalenBeobachtungsraum Verteilung der Werte im

Beobachtungsraum

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

� die Position auf der Ebene � 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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Sehwinkel

Stärke einer Linse wird in Dioptrien (dpt) gemessen.Bsp. 2 dpt => 1/f = 2m-1 => f = 0.5 m

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

Akkomodationsbandbreite: Kindern > 12 dpt60-jährigen fast 0

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III

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111

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Von links nach rechts:� Punktsehschärfe ca. 1‘� Rastersehschärfe ca. 1‘-2‘� 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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Konturen, FarbeTexturen,Räumliche Wahrnehmungseffekte

Räumliche Anordung

Wahrnemungfür Aktionen

Objekterkennung

Visueller Langzeitspeicher

MotorischeAusgabe

Sprachzentrum

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Schnelle ParallelarbeitExtraktion von Konturen, OrientierungenFarbe, Texturen, Muster, BewegungBildgedächtnis �,FRQLF 6WRUH�

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Langsame serielle Verarbeitung

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


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(128,128,128)

(185,185,185)

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� Retinale Prozesse� Rezeptoren: drei Zapfenarten

� Empfindung:� Farbton (hue): Farbkreis (rot-gelb-grün-blau)� Helligkeit (brightness): hell - dunkel� Sättigung (saturation): Grad der “Farbigkeit”

� Sehnerv (Ganglienzellen)� Helligkeit & Gegenfarben: R-Gr,B-Ge


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© Detlef Krömker

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0,1

0,2

0,3

0,4

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Original

Auswirkung derProtanopie

(Rotschwäche)

Auswirkung derDeuteranopie(Grünschwäche)

Auswirkung derTritanopie

(Blau-Gelb-Schwäche)

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a

b

c

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Small field tritanopiaChromatic contrast


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Farbton-Skala ��

Regenbogenskala

Temperaturfarbskala

Magenta-Farbskala

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� Farbe ist ein sehr breites und komplexes Gebiet

� Viele Wahrnehmungseffekte erklären sich durch die Gegenfarbentheorie

� Luminanzunterschiede sind mit einer wesentlich höheren Ortsauflösung wahrnehmbar.

� Farbe ist effektiv für nominale, ordinale und quantitative Wertebereiche


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� Luminanz für Details, Kontur und Form� Farbkodierung nur mit wenig Farben� Kontrasteffekte minimieren� Starke Farben für kleine Flächen – Kontrast

mit Hintergrund durch Luminanz� Schwache Farbunterschiede (16 Mio

Farben) für Segmentierung von Flächen

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Reptilienhaut (D3) Kiesstrand (D23)


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Sieben robuste Regeln, die insbesondere beschreiben, wie unser visuelles System Elemente nach bestimmten �� zusammenfaßt.

Die damaligen Erklärungen entsprechen nicht dem heutigen Wissensstand – die Regeln (besser Prinzipien) selbst sind jedoch nach wie vor gültig und sehr wichtige Designprinzipen:� Prinzip der Nähe (�� )� Prinzip der Ähnlichkeit (�� )� Prinzip der stetigen Fortsetzung (�� Prinzip der Symmetrie (�� Prinzip der Konvexität (Geschlossenheit, ��)� Prinzip der Relativen Größe (��)� Prinzip der Figur-Grund-Trennung (Figure and Ground)

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� Es werden eher einfache, regelmäßigere, glatte oder kontinuierliche Formen wahrgenommen – im Gegensatz zu solchen mit abrupten Änderungen


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Imagens

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Visual System

AuditorySystem

Verbal

Visual Image Information

InformationFrom speech

Text Information

Associate structure

Logogens Verbalresponses

Non-verbalresponses

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

7,07,027,0

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4,11

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πKorrigierteDarstellung mit Kreisflächen


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Darstellung hydrologischer Parameter im Tiefenprofil der Ostsee für ausgewählte Meßpunkte

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Sehr intuitiv ist auch die Veran-schaulichung eines Geschwin-digkeitsfeldes durch ��, besonders wenn die Geschwindigkeit der Strömung direkt an die Geschwindigkeit der Partikel gekoppelt ist. Die Berechnung der Partikelbewegung erfolgt nach demselben Algorithmus wie die Berechnung von Bahnlinien: die Ausgabe der Partikel erfolgt nach jedem Zeitschritt der numerischen Integration.

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Es wird nicht mehr mit einer Textur-vorlage gearbeitet, sondern jeder Stromlinie ein separater, zufälliger Grauwert zugewiesen. Die Durchschnittswerte werden nach

folgender Formel berechnet:

� elektrostatisches Feld eines Wassermoleküls,

� elektrostatisches Feld eines Benzolmoleküls

� Ausschnitt der Umströmung eines Zylinders

� elektrisches Feld einer Dipolantenne

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++++++=

...21...2 21


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��7��./3

A. Was bedeutet Visualisierung?� Einführung� Definition� Semiotik

B. Wann ist eine Visualisierung gut?� Ziele, Anforderungen, Gütekriterien

C. Der Visualisierungsprozess� Visualisierungspipeline� Referenzszenarien

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��7��.23

D. Was kann visualisiert werden?� Daten und Information� Datenarten, Datenquellen, Datenformate

E. Über den Nutzer� Ziele bei der Visualisierung� Vorwissen und kulturelle Unterschiede

F. Auge und Display� Grundlagen des Sehens� Das ideale Display


��7��.=3

G. Einige Wahrnehmungsprozesse� Helligkeit, Kontrast und Farbe� Gestalt und vis. Grammatik f. Diagramme� Modell Perceptual Processing� Visual Pre-processing, Attention, Suche

H. Grundlegende Visualisierungstechniken� Mapping auf Geometrie, Farbe, Textur� Visuelle Objekte, Datenobjekte, Glyphen� Bild. vs Wort

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��7��.B3

I. Spezielle Visualisierungstechniken� Multiparameter, Volumen, Strömung� Raumwahrnehmung & 3D Visualisierung� Informationsvisualisierung

J. Interaktive Visualisierung� Human Computer Interaction� Navigation� Visual Thinking

K. Zusammenfassung, Rückblick, Ausblick


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� Diese Vorlesung basiert auf Material von� Prof. Dr. Detlef Krömker� Prof. Dr. Colin Ware

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