Diplomarbeit. Konzeption einer Visualisierung eines Enterprise Social Networks. Vorgelegt von: Marcus König

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1 Diplomarbeit Konzeption einer Visualisierung eines Enterprise Social Networks Vorgelegt von: Marcus König Zur Erlangung des akademischen Grades Diplom Medieninformatiker (Dipl.-Medieninf.) Betreuender Professor: Prof. Dr.-Ing. habil. Rainer Groh Technische Universität Dresden Fakultät Informatik Institut für Software- und Multimediatechnik Lehrstuhl Mediengestaltung Betreuer: Dipl.-Medieninf. Marius Brade Technische Universität Dresden Klaus Engel T-Systems Multimedia Solutions GmbH

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3 Selbstständigkeitserklärung Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst habe und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet sowie Zitate kenntlich gemacht habe. Dresden, den 22. August 2010 Marcus König iii

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5 Danksagung An dieser Stelle möchte ich all denjenigen danken, die mich bei der Anfertigung meiner Diplomarbeit unterstützt haben. Besonderer Dank gilt an dieser Stelle Dipl.-Medieninf. Marius Brade und Klaus Engel, die mir stets mit Rat und Tat zur Seite standen und mich in diesem schwierigen Zeitabschnitt meines Lebens begleitet haben. Da diese Arbeit höchstwahrscheinlich das Ende meines Studiums bedeutet, möchte ich hier auch meinen Eltern einen besonderen Dank aussprechen. Sie haben mich während meines gesamten Studiums unterstützt und mich ohne jeden Leistungsdruck an diesen Punkt meines Lebens gebracht. Vielen Dank auch an Herrn Sebastian Meyer, der sich selbst bei strahlendem Sonnenschein nicht davon abbringen lassen hat, mich bei der Vollendung meiner Arbeit zu unterstützen. Vielen Dank. v

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7 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Grundlagen Begrisklärung Grundlagen der menschlichen Wahrnehmung Aufbau des Auges Wahrnehmung durch das Auge Einussfaktoren der Wahrnehmung Techniken und Methoden der Visualisierung Visualisierungstechniken Interaktionstechniken Gestaltgesetze Zusammenfassung Verwandte Arbeiten Visualisierung von Netzwerken Makro Semantische Visualisierung (MaseVis Erstellen von hierarchischen Taxonomien in Tag-Systemen Bestario Knowledge Network My Map eyeplorer Citation Patterns Zusammenfassung Informationsvisualisierung durch natürliche Strukturen Informationsvisualisierung BWAIN Knowledge Visualization Browser Statistik als Jahresringe Zusammenfassung Fazit vii

8 viii INHALTSVERZEICHNIS 4 Konzeption Anforderung Bearbeitungsziel Art und Struktur der Daten Die Darstellungsmetapher Der Anwender Darstellungsmedium Benutzeroberäche Zusammenfassung Visuelle Metapher Die Makroebene Die Mikroebene Die Mesoebene Zusammenfassung Visuelle Variablen Merkmale der graschen Darstellung Merkmale der Quelldaten Festlegen der Variablen Zusammenfassung Visualisierungskonzept Makroebene Mikroebene Mesoebene Benutzeroberäche Zusammenfassung Fazit Prototypische Realisierung Processing Framework Vorteile Einführung Realisierung Architektur Aspekte der Implementierung Zusammenfassung Zusammenfassung Auswertung Ausblick

9 INHALTSVERZEICHNIS ix Abbildungsverzeichnis 133 Algorithmenverzeichnis 135 Literaturverzeichnis 135 A Use Cases des Komplexpraktikums 141

10 Kapitel 1 Einleitung Die Verbreitung von virtuellen Netzwerken hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Mit dem Erfolg der sozialen Netzwerke im Internet integrierten auch Unternehmen sogenannte Enterprise Social Networks in ihre internen Plattformen. Diese werden von den Mitarbeitern bevorzugt angenommen, was dazu führt, dass täglich enorme Datenmengen generiert werden. Motivation Diese Datenmenge ist nicht mehr überschaubar. Dem Nutzer werden zwar Möglichkeiten geboten, die Informationsmenge hinsichtlich seiner Wünsche zu untersuchen, jedoch bleiben komplexe Zusammenhänge im Verborgenen. Die Gesamtheit der Daten ist nicht als Ganzes ersichtlich. Die Informationen werden in groÿen Datenbanken gespeichert, in denen sie nur in Form von Listen betrachtet werden können. Ein Betrachter kann jedoch immer nur einen Ausschnitt davon erfassen und analysieren. Würden die Daten jedoch so dargestellt werden, dass der Betrachter die Datenmenge als Gesamtheit überschauen könnte, wäre es möglich, Trends schneller zu erkennen und komplexere Schlüsse zu ziehen. Besonders interessant sind dabei zeitbezogene Daten. Diese werden meist automatisch aufgezeichnet und sind aufgrund der Redundanz der Einträge untereinander sehr schwer in ihrer Rohform zu verstehen. Aus einer verständlicheren Darstellung dieser Daten könnten Schlüsse über die Entwicklung von Datenwerten gezogen werden. Ähnlich dem Vorgehen an der Aktienbörse können durch den Datenverlauf der Vergangenheit, Aussagen über den Fortgang in der Zukunft getroen werden. So werden Probleme frühzeitig erkannt und entsprechend verhindert. 1

11 2 KAPITEL 1. EINLEITUNG Zielsetzung Die Natur hat sich oft als Vorbild für technische Entwicklungen bewährt. Die evolutionsbedingte Perfektion der Beschaenheit natürlicher Strukturen bedingt ihre maximale Anpassung an ihre Funktion. Durch ihr reelles Vorkommen sind diese Strukturen zudem meist bekannt, so dass sie einem Betrachter auch im kontextbefreiten Raum logisch und intuitiv erscheinen. In dieser Arbeit soll gezeigt werden, dass sich die Natur auch im Bereich der Visualistik als Vorbild eignet. Dazu wird ein Visualisierungskonzept entwickelt, das die Daten des Enterprise Social Networks Teamweb 1 durch die Darstellung einer natürlichen Struktur repräsentiert. So sollen die menschlichen und maschinellen Fähigkeiten maximal ausgenutzt werden. Die Maschine soll dabei enthaltene Informationen durch Klassizieren, Ordnen und Anwenden von Regeln oen legen. Der Analyst kann somit Probleme und versteckte Zusammenhänge erkennen. Zunächst soll die Fragestellung beantwortet werden, wie die Ansprüche eines Nutzers des Teamwebs an eine solche Visualisierung deniert sind. Dazu werden Anwendungsszenarien entwickelt. Deren Erfüllung stellt das Ziel der Visualisierung dar. Die graphische Darstellung der Daten orientiert sich an der Natur. Dazu werden Kriterien entwickelt, welche die Eignung einer natürlichen Struktur als Metapher in dieser Visualisierung sicherstellt. Die gefundene Struktur bildet dann die Grundlage für die Entwicklung des Konzepts. Sowohl statische, als auch zeitbestimmte Daten des Teamwebs sollen dabei in einer graschen Abbildung kodiert werden. Durch die Bereitstellung von Interaktions- und Navigationsmöglichkeiten soll der Anwender in der Lage sein, sein Problemfeld einzugrenzen, um somit eine intensive und komplexe Analyse durchführen zu können. Das Ziel der Arbeit ist also die Entwicklung einer graschen Repräsentation der Daten des Teamwebs. Die Orientierung an der Natur soll dabei, aufgrund der Bekanntheit der Struktur seitens des Anwenders, zur intuitiven Handhabung der interaktiven Visualisierung führen. Neben der Maximierung der Intuition muss bei der Konzeption auf eine hohe Ausprägung der Qualitätsmerkmale Übersichtlichkeit und Expressivität 2 geachtet werden. Um die Qualität und Einsetzbarkeit des Konzepts zu überprüfen, ist eine prototypische Umsetzung dessen zu erstellen. Diese soll in Bild und Text vorgestellt werden. Die Umsetzung muss als Inspirationen für die Weiterentwicklung des Konzepts fruchtbar gemacht werden. 1 Das Teamweb bezeichnet das interne Enterprise Social Network der T-Systems Multimedia Solutions GmbH 2 Eine Visualisierung wird als expressiv bezeichnet, wenn sie die Daten exakt und unverfälscht grasch widerspiegelt.

12 Zu Erarbeitung des Konzepts soll sich unter anderem auf das Ergebnis eines Komplexpraktikums zu dem Thema bezogen werden, welches zeitgleich zu dieser Arbeit durchgeführt wurde. 3 Ergebnis Das Ergebnis dieser Arbeit ist das Konzept einer interaktiven Visualisierung des Enterprise Social Networks Teamweb der T-Systems Multimedia Soulutions GmbH. Diese stellt die Zusammenhänge zwischen Themen, Artikeln und Mitarbeitern durch abstrahierte natürliche Strukturen dar. Die Konzeption wurde im Anschluss prototypisch umgesetzt, um die Tauglichkeit der konzeptionellen Arbeit zu überprüfen. Das Resultat wurde schlieÿlich dazu verwendet, Inspirationen für Weiterentwicklungen und Verbesserungen zu entwickeln. Aufbau der Arbeit Für die allgemeine Verständlichkeit wurde die Arbeit in fünf Kapitel gegliedert, die auf die Konzeption hinarbeiten und diese auswerten. Im Folgenden wird daher kurz erläutert, wie die Arbeit aufgebaut ist. In Kapitel 2 ist die Grundlage dieser Arbeit dargestellt. Dabei werden die wichtigsten Begrie erklärt und der derzeitige Forschungstand beleuchtet. Zum einen wird die Wahrnehmung von visuellen Reizen durch den Menschen untersucht. Zum anderen wird betrachtet, wie diese Eigenschaften bei einer visuellen Abbildung im Darstellungsmedium genutzt werden können. Um diese theoretischen Erkenntnisse zu vertiefen, werden in Kapitel 3 ausgewählte praktische Arbeiten vorgestellt. Einerseits ieÿen Werke, die sich mit der Visualisierung von Netzwerken befassen, in die Betrachtung ein. Andererseits werden Konzepte einbezogen, die natürliche Strukturen als Lösungsansatz eines Problems gewählt haben. Aus diesen Arbeiten werden sowohl Erkenntnisse zur Betrachtung der Problemstellung, als auch Inspirationen zur Gestaltung des Lösungsansatzes gewonnen. Den Hauptteil dieser Arbeit bildet das Kapitel 4. Darin wird ein mögliches Konzept für die Visualisierung des Enterprise Social Network der T-Systems MMS erarbeitet. Mit Hilfe der Erkenntnisse der vorherigen Kapitel werden zunächst Anforderungen an das Visualisierungskonzept erstellt. In diesem werden Fragestellungen erarbeitet, die durch das Konzept beantwortet werden sollen. Weitere Anforderungen betreen die Datengrundlage, auf der die Visualisierung basieren soll, und die visuelle Metapher, die zur graschen Darstellung dient. Darauf aufbauend wird ein Konzept evaluiert, welches den gestellten Anforderungen genügen muss. Das Resultat bildet eine Grak, die sich an der natürlichen Struktur orientiert. Ihr Aufbau ist in der Zusammensetzung der Quelldaten begründet. Um das Konzept praktisch zu testen, wurde es prototypisch umgesetzt. Kapitel 5 stellt das Ergebnis vor. Dabei wird die Vorgehensweise zur Umsetzung erläutert und auf Ab-

13 4 KAPITEL 1. EINLEITUNG weichungen zum Konzept eingegangen. Aspekte der Implementierung verschaen einen Einblick über die technischen Besonderheiten des Prototyps. Anschlieÿend wird die Arbeit in Kapitel 6 zusammengefasst und ausgewertet. Dabei wird beurteilt, inwieweit das Konzept den Anforderungen genügt und ob der Prototyp zum praktischen Einsatz geeignet ist. Weiterhin werden Inspirationen zur prototypischen sowie konzeptionellen Weiterentwicklung vorgestellt. Den Abschluss jedes Kapitels bildet eine Zusammenfassung. Darin werden die jeweils wichtigsten Erkenntnisse der Ausführung zusammengetragen und in den Gesamtkontext der Arbeit eingegliedert. Da der gewählte Forschungsansatz Themen der Biologie und Informatik behandelt, werden die jeweiligen Fachbegrie zur Schilderung eines Sachverhalts verwendet. Diese werden bei der ersten Benutzung in der Arbeit erklärt.

14 Kapitel 2 Grundlagen Im folgenden Kapitel sollen die Grundlagen für diese Arbeit benannt und erklärt werden. Dabei werden zuerst einige Begriichkeiten erläutert, die zum korrekten Verständnis der Arbeit beitragen sollen. Nachfolgend werden im Teilkapitel 2.2 Grundkenntnisse der menschlichen Wahrnehmung dargestellt, mit deren Hilfe dann die Techniken und Methoden der Visualisierung in Teilkapitel 2.3 vorgestellt werden können. 2.1 Begrisklärung Visual Data Mining Visual Data Mining beschreibt einen Vorgang. Diesem Vorgang liegt häug eine sehr groÿe Menge von Daten zu Grunde, die durch ein so genanntes Data Mining System verarbeitet werden. Als Verarbeitungsschritte stehen diesem System die Operationen der Klassikation, des Clusterings, der Zeitreihenanalyse und das Aufstellen von Assoziierungsregeln zur Verfügung. Die entsprechend gelterten Daten werden dann visuell dargestellt. Das Ziel einer solchen Visualisierung soll sein, eine Schnittstelle zwischen dem Betrachter und den vorliegenden Daten zu bilden. Dabei sind verschiedene Visualisierungstechniken anzuwenden, um das schnelle und intuitive Begreifen des Dargestellten sicherzustellen. Durch geeinete Interaktionsmöglichkeiten soll der Benutzer den Fokus des Betrachtens verändern können. Zoom, Pan, Verknüpfung und Einfärbung sind gängige Techniken zur Interaktion und Navigation. Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit stellt die Totale einen Informationsüberblick dar, der durch eine entsprechende Navigation an bestimmten Stellen detaillierter werden kann. Bei entsprechender Visualisierung ist sogar eine maschinelle Auswertung der Darstellung möglich. Der gewünschte Eekt von Visual Data Mining ist also das Extrahieren von Wissen, respektive von verborgenen Daten aus einer meist unüberschaubaren Menge von Daten. 5

15 6 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN Enterprise Social Network Um die Bedeutung eines Enterprise Social Networks zu erläutern, soll zunächst dargelegt werden, durch welche Eigenschaften sich ein soziales Netzwerk auszeichnet. Laut [KRS07, Seite 449] ist unter einem sozialen Netzwerk eine abgegrenzte Menge von Knoten in der Form von Akteuren oder Akteursgruppen und einer Menge von Kanten zwischen diesen Knoten zu verstehen. Diese Aussage beschreibt die Struktur der Quelldaten eines solchen Netzwerks. Darin existieren lediglich Mitglieder des Netzwerks und ihre Beziehung zueinander. Im Internet beschäftigt sich eine Vielzahl von Portalanbietern mit dem Aufbau solcher sozialer Netzwerke in der digitalen Welt. Dazu wird dem Nutzer geboten, sich mit anderen Mitgliedern zu vernetzen und mit diesen zu kommunizieren. Im Wesentlichen dient dies dem Pegen vorhandener und dem Finden neuer Kontakte. Im Unternehmensbereich wird eine vergleichbare Plattform als Enterprise Social Network bezeichnet. Eine passende Denition für Enterprise Social Networks verfasste AIIM in einem Blogbeitrag (vgl. [AII10]): An Enterprise Social Network [...] is a system of web-based technologies that provide rapid and agile collaboration, information sharing, emergence and integration capabilities in the extended enterprise Dabei wird zwischen oenen und geschlossenen Systemen unterschieden (siehe auch [KRS07, Seite 452]). Oene Systeme sind frei zugänglich und dienen hauptsächlich der Expertensuche und Kontaktpege. Geschlossene Systeme sind hingegen nur durch das interne Netzwerk des Unternehmens nutzbar und bieten eine Reihe von zusätzlichen Funktionen und Möglichkeiten der Kommunikation. Unter einem geschlossenem Enterprise Social Network versteht man im Wesentlichen eine Plattform, die zum Wissensaustausch innerhalb des Unternehmens genutzt wird. Generell bietet es Mitarbeitern die Möglichkeit, sich untereinander zu vernetzen. Dabei haben sie die Möglichkeit, ihre Arbeiten zu dokumentieren und gleichzeitig ihr Wissen und ihre Erkenntnisse mit anderen Mitarbeitern zu teilen. In dieser Arbeit wird sich auf das geschlossene Enterprise Social Network der T-Systems MMS bezogen. Das Teamweb 1 ist im täglichen Gebrauch der Firma und hat sich zu einem bedeutenden Kommunikationsmittel entwickelt. Jeder Mitarbeiter ist automatisch ein Nutzer dieser Plattform und hat dadurch mehrere Interaktionsmöglichkeiten. Zum einen kann er Wissen in Form von Artikeln und Kommentaren ablegen. Artikel können mit Tags 2 versehen werden. Durch diese Tags soll es wieder- 1 Enterprise Social Network der T-Systems MMS 2 Ein Tag ist ein Schlagwort, dass zur semantischen Aufbereitung von Inhalten dient.

16 2.2. GRUNDLAGEN DER MENSCHLICHEN WAHRNEHMUNG 7 um für andere Nutzer möglich sein, Informationen zu bestimmten Themen zu nden und abzurufen. Zum anderen kann ein Anwender der Plattform den Aktivitäten eines bestimmten Nutzers oder eines Themas folgen. Somit wird er stets benachrichtigt, sobald ein Artikel oder ein Thema des Nutzers geändert wurde. Durch diese Aktionen innerhalb der Plattform entsteht ein Netzwerk von Beziehungen, das Enterprise Social Network (nachfolgend mit ESN abgekürzt.) 2.2 Grundlagen der menschlichen Wahrnehmung Hier wird die Grundvoraussetzung für die Konzeption einer Visualisierung beschrieben: die menschliche Wahrnehmung. Im Wesentlichen erfolgt die Wahrnehmung von äuÿeren Reizen über die fünf Sinne des Menschen: Sehen, Hören, Riechen, Schmecken und Tasten. Laut [Dah06] werden die Sinneseindrücke, in Computergröÿen umgerechnet, mit einem Datendurchsatz von ca. 8 MBit/s verarbeitet - dabei liefert circa 80% das Auge. Da sich auch eine Visualisierung, wie der Name schon sagt, mit der visuellen Darstellung beschäftigt, wird im Folgenden lediglich die Funktionsweise des menschlichen Auges beschrieben. Reiz Sensor Auge Filter Vorverarbeitung Sensorisches Arbeitsgedächtnis Kurzzeitgedächtnis - Arbeitsgedächtnis Perzeptions- Prozesse Kognitive Verarbeitung Aufmerksamkeit Bewusstsein Langzeitgedächtnis Erinnerungen Erfahrungen Vorwissen Erkennen Aktor Hand... (weitere Aktoren) Abbildung 2.1: Einfaches Blockschaltbild der menschlichen Informationsverarbeitung. Quelle [Dah06, Seite 40], verändert In Abbildung 2.1 ist der Prozess der Wahrnehmung schematisch am Beispiel des Sehens dargestellt. Der visuelle Reiz wird vom Sensor, dem Auge, aufgenommen und über Nervenbahnen in das sensorische Kurzzeitgedächtnis geleitet. Von dort aus werden die

17 8 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN Bildinformationen zuerst an das Kurzzeit- bzw. Arbeitsgedächtnis und letztendlich in das Langzeitgedächtnis überführt. In jeder dieser Stationen wird die Bildinformation mit den vorliegenden gespeicherten Informationen abgeglichen. Durch diesen Vorgang des Abgleichens und Abspeicherns wird das Gesehene erst wahrgenommen. Die Informationen und Erfahrungen ermöglichen dem Gehirn konkrete Objekte als solche zu erkennen. Ist ein Objekt zum Beispiel nicht vollständig im Bild abgebildet, so wird, sofern möglich, der fehlende Teil durch die Erfahrungen im Gedächtnis ergänzt. Erfordert also das Gesehene eine Handlung, so folgt der Handlungsbefehl zu einem Aktor, z.b. einer Hand bzw. einem Finger Aufbau des Auges In Abbildung 2.2 ist eine vereinfachte Version eines Querschnitts des Auges dargestellt. Der Vorgang des Sehens beginnt mit dem Einfallen eines Lichtstrahls auf der Linse. Diese bricht das Licht so, dass ein vollständiges Bild auf die Netzhaut projiziert wird. Dieses Bild wird durch lichtempndliche Rezeptoren, Stäbchen und Zapfen wahrgenommen und über den Sehnerv ins Gehirn geleitet. Stäbchen reagieren sehr stark auf Helligkeitsunterschiede und bilden insgesamt 95% aller Rezeptoren auf der Netzhaut. Die verbleibenden 5% werden durch die so genannten Zapfen belegt. Diese ermöglichen Farbsehen, so dass Helligkeitsabstufungen auf den drei Farbkanälen Rot, Grün und Blau wahrgenommen werden können. Der Groÿteil der Zapfen bendet sich konzentriert in der Fovea, welche sich im Zentrum der Netzhaut bendet und dem Menschen das scharfe Sehen ermöglicht. Abbildung 2.2: Schematischer Aufbau des Auges. Quelle [Dah06, Seite 42] Wahrnehmung durch das Auge Um ein gesehenes Bild im Gedächtnis abzubilden, bedarf es dreier entscheidender Fähigkeiten: Hell-Dunkel-Sehen, Farbsehen und Scharfsehen. Hell-Dunkel-Sehen Wie bereits vermerkt, sind die Stäbchen für das Wahrnehmen der Helligkeitsunterschiede verantwortlich. Laut [Dah06, Seite 42] können diese nur ca. 200 bis 250 Graustufen unterscheiden. Dieser Kontrastumfang kann noch zusätzlich durch die Anpassung der Irisönung (Pupille) erweitert werden. Die Iris schlieÿt sich bei hohem

18 2.2. GRUNDLAGEN DER MENSCHLICHEN WAHRNEHMUNG 9 Lichteinfall und önet sich bei Dunkelheit. Dieser Vorgang wird Adaption genannt und reguliert die Menge des Lichts das auf die Netzhaut einfällt. Dadurch gilt der Kontrastumfang zu jeder Helligkeitseinstellung der Pupille und summiert sich dadurch auf über unterscheidbare Graustufen. Farbsehen Die Wahrnehmung von Farben wird durch die Zapfen geregelt. Im menschlichen Auge existieren drei verschiedene Zapfenarten: jeweils eine für rotes, blaues und grünes Licht. Die Information, die also jeder Zapfen bietet, ist die Höhe der Intensität der roten, blauen, bzw. grünen Farbe. Durch addieren der Intensitäten von drei nah beieinander liegenden unterschiedlichen Zapfen können auch Farben dargestellt werden, die nicht zu diesen drei Grundfarben gehören. Der Raum der durch diese Farben aufgespannt wird, wird im Allgemeinen als RGB-Farbraum bezeichnet (siehe auch Abbildung 2.3). Diese Prozedur wird auch additive Farbmischung genannt und ndet ebenfalls Anwendung in der Farbdarstellung sämtlicher Anzeigegeräte, wie Monitor, Mobiltefon und Beamer. Abbildung 2.3: Der RGB-Farbraum in Würfeldarstellung. Dabei bilden die Grundfarben rot, grün und blau die Basisvektoren, so dass Mischfarben nur Linearkombinationen dieser sind. Quelle , http: //de.wikipedia.org/wiki/rgb-farbraum Abbildung 2.4: Zapfenverteilung in der Fovea. Die Farben beschreiben die Rezeptorart des jeweiligen Zapfen. Quelle , [Geg10] Die Zapfen kommen verstärkt in der Fovea vor. Eine ungefähre Verteilung der einzelnen Zapfentypen stellt die Abbildung 2.4 dar. Dabei ist auällig, dass blaue Rezeptoren sehr rar besetzt sind, sie bilden nur ca. neun Prozent der Gesamtheit aller Zapfen. Die Rezeptoren für rotes und grünes Licht bilden den Rest, wobei Rotzapfen doppelt so häug vorkommen wie Grünzapfen (vgl. Abbildung 2.4). Aber auch auÿerhalb der Fovea existieren Zapfen, obgleich ihre Auösung dort sehr viel geringer ist. Ein Objekt wird im sogenannten peripheren 3 Blickfeld nur dann als farbig wahrgenommen, wenn seine Farbe bereits bekannt ist oder es groÿ genug ist, um durch die geringe Auösung der Zapfen abgetastet zu werden. wird 3 bezeichnet das Blickfeld auÿerhalb des Fokus bzw. der Bildbereich der auÿerhalb der Fovea abgebildet

19 10 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN Scharf Sehen Wie bereits angedeutet, liegt das Herz des scharfen Sehens in der Mitte des Blickfeldes und wird Fovea genannt (siehe auch Abbildung 2.2). Der Mensch versucht also immer, wenn er etwas fokussieren möchte, das Auge so zu bewegen, dass der Bereich des Interesses 4 auf den Bereich der Fovea abgebildet wird. Abbildung 2.5: Akkomodation der Linse für nahe und entfernte Objekte. Quelle [Dah06, Seite 44] Um das Licht genau so zu brechen, dass der Bereich des Interesses auf die Netzhaut abgebildet wird, ist das Auge mit einer Linse ausgestattet. Diese Linse kann durch Muskeln gestreckt oder gestaucht werden. Wie in Abbildung 2.5 ersichtlich, wird durch Stauchung eine höhere Brechkraft erzielt und nahe Gegenstände können scharf abgebildet werden. Um entfernte Bereiche scharf zu sehen, wird die Linse gestreckt und die Muskel entspannen sich Einussfaktoren der Wahrnehmung Bisher wurden die grundsätzlichen Prinzipien der visuellen Wahrnehmung erläutert. Darauf aufbauend soll folgendes Kapitel über Phänomene des Sehens, die unter bestimmten Voraussetzungen auftreten, aufklären. Abbildung 2.6: Beispiel für Simultankontrast bei Grauächen. Quelle [Dah06, Seite 47] Abbildung 2.7: Beispiel für Simultankontrast bei Farbächen. Quelle [Dah06, Seite 50] Laterale Hemmung Laterale Hemmungen bezeichnen nichts Anderes als die seitliche Verknüpfung von Sehzellen in der Netzhaut[Dah06, Seite 48]. Durch diese Eigenschaft können Farben und Kontrastwerte durch ihre Umgebung verfälscht werden. Ein Beispiel dafür ist der so genannte Simultankontrast. Dabei erscheinen Grauächen in heller Umgebung dunkler als in dunkler Umgebung. In Abbildung 2.6 tritt der Simultankontrast bei den inneren kleinen Rechtecken auf. Obwohl beide Rechtecke im gleichen Grauton dargestellt sind, erscheint das Linke dunkler als das Rechte. Bei Farbächen wird durch die 4 gemeint ist hier der Bereich des Blickfeldes, den der Betrachter fokussieren möchte.

20 2.2. GRUNDLAGEN DER MENSCHLICHEN WAHRNEHMUNG 11 Umgebungsfarbe nicht nur die Helligkeit beeinusst sondern auch der Farbton. In Abbildung 2.7 wird deutlich, dass obwohl beide blaue Rechtecke exakt die selbe Farbe haben, das Linke in seiner Umgebung matt erscheint, während das Rechte eher glänzend wirkt. Eine weiteres Phänomen, dass durch laterale Hemmungen zu begründen ist, wird durch das so genannte Hermann-Gitter (siehe Abbildung 2.8) deutlich. Hierbei erscheinen die Abbildung 2.8: Hermann-Gitter. Quelle [Dah06, Seite 49] Kreuzungen der hellen Streifen als dunkle Punkte, da sie von allen vier Seiten gehemmt 5 werden. Abbildung 2.9: Empndlichkeitsbereiche der Rezeptortypen auf der Netzhaut. Quelle [Dah06, Seite 49] Subjektive Farben Die Farbe in Bezug auf die Farbwahrnehmung meint in der Realität das Eintreen von Licht einer bestimmten Wellenlänge auf der Netzhaut. Abbildung 2.9 zeigt die Empndlichkeitsbereiche der unterschiedlichen Rezeptortypen (Zapfen). Demnach hat ein reines Rot eine Wellenlänge von circa 585 nm, was aber nicht unbedingt genau das gleiche Rot sein muss was ein bestimmter Mensch als reines Rot empndet, da die Benennung und Beurteilung von Farben [..] eine vollkommen subjektive Angelegenheit[Dah06, Seite 52] ist. Wieder sei hierbei auf das Blockschaltbild 2.1 zur Wahrnehmung von visuellen Reizen verwiesen. Zum Erkennen einer Farbe wird die gesehene Farbäche mit den Erfahrungen und dem Wissen aus dem Gehirn beurteilt und somit das Rot letztendlich als Selbiges erkannt. Dadurch ist die Farbname-Farbwert-Zuordnung nicht eindeutig, sondern 5 bezieht sich hier auf die Entfaltbarkeit der Farbe.

21 12 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN variiert zwischen einzelnen Individuen. Dieses Phänomen kann eine besondere Rolle spielen, wenn Farbe eine besondere Wirkung erzielen soll (zum Beispiel Rot als Symbolfarbe für Liebe, Feuer, Gefahr). Tiefeneindruck Der Computerbildschirm an sich hat lediglich die Möglichkeit, Objekte zweidimensional darzustellen. Um dennoch einen dreidimensionalen Eindruck eines Objekts oder Raums zu kreieren, existieren folgende Kriterien, die einen Tiefeneindruck entstehen lassen. Verdeckt ein Objekt ein Anderes, so erscheint es dem Betrachter, als würde das verdeckte Objekt auch räumlich hinter dem Verdeckendem liegen (vgl. Abbildung 2.10). Weiterhin Abbildung 2.10: Objekte im Vordergrund verdecken diejenigen im Hintergrund. Quelle [Dah06, Seite 55] Abbildung 2.11: Objekte im Vordergrund sind gröÿer als Objekte im Hintergrund. Quelle [Dah06, Seite 55] Abbildung 2.12: Objekte im Vordergrund erscheinen niedriger als Objekte im Hintergrund. Die gekrümmte Linie stellt eine Art Horizont dar und bildet somit ein Bezugsobjekt. Quelle [Dah06, Seite 55] gilt, dass Objekte im Vordergrund generell gröÿer dargestellt sind, als Objekte im Hintergrund (vgl. Abbildung 2.11). Auÿerdem lässt sich über die Höhe der Objekte eine entsprechende Aussage treen. Nahe Objekte sind niedriger dargestellt als entfernte Objekte. Dabei muss jedoch die Höhe der Objekte durch eine Bezugslinie oder ähnliches verdeutlicht sein (vgl. Abbildung 2.12). Durch perspektivische Verzerrung und Beleuchtungs- und Schatteneekte lassen sich, wie in Abbildung 2.13 ersichtlich, bereits sehr realistische Darstellungen erzielen. Abschlieÿend sei an dieser Stelle noch die Tiefenschärfe als weiteres Kriterium, das einen Tiefeneindruck entstehen lässt, genannt. Sie stellt das fokussierte Ob-

22 2.3. TECHNIKEN UND METHODEN DER VISUALISIERUNG 13 Abbildung 2.13: Realistische Abbildung durch perspektivische Verzerrung und Schattenwurf. Quelle [Dah06, Seite 56] jekt und alle in dieser Entfernungsebene 6 liegende Objekte scharf und nähere oder fernere Objekte unscharf dar. Abbildung 2.14: Darstellung von Tiefenschärfe. 2.3 Techniken und Methoden der Visualisierung Nachdem nun die Grundlagen vorgestellt wurden, nach denen der Mensch in der Lage ist, visuelle Informationen wahrzunehmen, ist es nun Aufgabe dieses Abschnitts, die gängigen Techniken und Methoden darzulegen, die das Verstehen des Visualisierten erleichtern. Über der gesamten Visualisierung soll das Information Seeking Mantra von Shneiderman [Shn96] stehen: Satz. Overview rst, then zoom and lter, details on demand. Es beschreibt, wie die Visualisierung aus Benutzersicht aussehen soll, um den gewünschten Eekt zu erzielen. Zuerst muss ein Überblick über die Daten geschaen werden. Dabei wird das Ausmaÿ der Daten deutlich und der Benutzer erkennt erste Gruppierungen. Durch Interaktion mit der Anwendung, durch zoomen und ltern, hat der Benutzer nun die Möglichkeit, den Bereich seines Interesses näher zu betrachten und zu analysieren. Ist dieser nun bestrebt, die Analyse in dem ausgewählten Betrachtungsbereich zu vertiefen, so soll weiterhin die Möglichkeit bestehen Detailinformationen zu einzelnen Objekten abzubilden. Um eine Visualisierung zu entwickeln, die dem Nutzer genau diesen Eekt von Shneiderman intuitiv vermittelt, sind einige Grundkenntnisse nötig, die nachfolgend erläutert werden. Im ersten Teil dieses Abschnitts werden daher gängige Visualisierungstechniken 6 Entfernungsebene meint hier eine Gruppierung von Objekten, die den selben Abstand zum Betrachter haben.