Inhaltsverzeichnis. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 53

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1 Inhaltsverzeichnis 2.Visuele Wahrnehmung 1.Funktionsweise des menschlichen Auges 2.Wahrnehmung von 1.Heligkeit 2.Kontrast 3.Farbsysteme 4.Farbtheorie 3.Visuele Aufmerksamkeit 4.Objekte und Gruppen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 53

2 Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 54

3 Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 55

4 Nutzen der Farbwahrnehmung Farbwahrnehmung ist nur eingeschränkt relevant im täglichen Leben, da zum Beispiel Farbenblinde das Defizit oft jahrelang selbst nicht bemerken. Andere Charakteristika von Objekten wie die Form, die Lage im Raum oder desen Bewegungsrichtung sind wesentlich wichtiger und können ohne Farbe wahrgenommen werden. Farbsicht erleichtert einige Aufgaben jedoch immens: Sie hilft Tarnungen zu durchschauen. Sie hilft Objekte in einer charakteristischen Farbe schnel zu identifizieren. Sie hilft Objekteigenschaften zu bestimmen, wie zum Beispiel ob ein Apfel reif oder Fleisch frisch ist. Daher solte Farbe eher als Atribut eines Objekts betrachtet werden, anstat als sein charakteristische Eigenschaft. gut für: markieren, kategorisieren eher schlecht zum Darstelen von Form, Detail oder Raum. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 56

5 Dreifarbenlehre Der Mensch besitzt drei Typen von Zapfen, wobei jeder seine maximale Sensitivität bei einer anderen Welenlänge hat (S = blau, M = grün und L= rot). (Hühner haben z.b. 12 Typen.) Die Sensitivität der Zapfen ist sehr unterschiedlich. Da es nur drei verschiedene Zapfen gibt, die durch unterschiedlich starke Stimulation ale Farben wahrnehmen können, reicht ein Farbsystem bestehend aus drei Grundtönen um ale vom Menschen wahrnehmbaren Farben darzustelen ( Dreifarbenlehre). Farben werden deshalb in einem 3D Farbraum dargestelt. Je nach Anwendung haben diese eine unterschiedliche Basis. 10% der Männer und 1% der Frauen weisen eine Farbschwäche auf. Dabei handelt es sich häufig (99%) um das Fehlen der Zapfen für die Wahrnehmung von grün oder rot. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 57

6 Farbmetrik Man kann eine beliebige (Licht)Farbe C mitels der Grundfarben (Licht oder physische Farbe) Rot (R), Grün (G) und Blau (B) als ausdrücken. C=r R gg bb Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 58

7 Gamut Ein Gamut gibt an, welche Farben des Farbraums mit einem Gerät (Sender und Empfänger) verarbeitet werden kann. Das Bild unten zeigt den Gamut eines Standardmonitors graues Hufeisen: ale wahrnehmbaren Farben farbiges Dreieck: ale am Monitor darstelbaren Farbarten (helste darstelbare RGB-Farbe in jedem Punkt) Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 59

8 Gamut anderer Systeme [wikipedia] Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 60

9 CIE Standard für Farben Das Commision Internationale de l'eclairage (CIE) System verwendet drei abstrakte Primärfarben X, Y, Z, die gute mathematische Eigenschaften aufweisen. Y entspricht der Leuchtdichte (Heligkeit von Lichtflächen). Wahrnehmbare Farben sind als graues Volumen dargestelt. Die Mesungen stammen von vor 1931 (CIE Normalvalenzsystem Bild unten gibt den Spektralfarbenzug für 2 (1931) und 10 (1964) an). Die Farben die durch drei farbige Lichter in rot, grün und blau erzeugt werden können sind durch die einbeschriebene Pyramide gekennzeichnet. 61

10 CIE Standard für Farben Farben in XYZ Koordinaten sind nur schwer zu verstehen. Leichter verständlich ist die Repräsentation in Farbwertanteilen (chromaticity coordinates). x=x/ X Y Z y=y / X Y Z z=z/ X Y Z Wegen x + y + z = 1, reicht es die x und y Werte anzugeben. Üblicherweise werden Farben in Form von (x, y, Y) spezifiziert, wobei Y die Heligkeit angibt. Die inverse Transformation ist gegeben durch X=Y x/ y Y=Y Z= 1 x y Y / y Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 62

11 CIE Normfarbtafel Die CIE Normfarbtafel hat einige interesante Eigenschaften: Wenn zwei farbige Lichtquelen als Punkte im Diagramm dargestelt werden, liegen die Farben die als Mischung dieser beiden Lichtquelen erzeugt werden können auf einer Linie. Ale Farben innerhalb eines Dreiecks, desen Eckpunkte drei farbige Lichtquelen repräsentiert, können mit Hilfe dieser Lichtquelen erzeugt werden. Die hufeisenförmige Spektralfarblinie enthält ale Farben mit den höchsten Sätigungsgraden in den einzelnen Farbtönen. Man sieht sie, wenn man Licht betrachtet, das nur aus einer Welenlänge besteht. Die Purpurline verbindet die beiden Enden der Spektralfarblinie. Der Weißpunkt hat die Koordinaten x = und y = Auf der Verbindungslinie zwischen Weißpunkt und Spektralfarbe ändert sich der Farbton nicht. Komplementärfarben findet man entlang der Verbindungslinie durch den Weißpunkt. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 63

12 Der CIEluv und CIElab Farbraum In einigen Anwendungen ist es von Vorteil einen Farbraum zu haben bei dem der räumlichen Abstand zwischen zwei Farben dem wahrgenommenen Abstand entspricht. Anwendungen: Spezifikation von Farbtoleranzen ( akzeptable Abweichung) Farbkodierung ( gute Unterscheidbarkeit) Pseudofarben in Karten ( gleichmäßige Abstände) Der CIEluv- und CIElab-Raum sind solche Farbräume. CIEluv ist gegeben durch L * =116(Y /y n ) 1/3 16 u * =13L * (u' u' n ) v * =13L * (v' v' n ) mit u'= v'= 4X X 15Y 3Z 9Y X 15Y 3Z u' n = u'= 4X n X n 15Y n 3Z n 9Y n X n 15Y n 3Z n u', v' beschreiben eine perspektivische Transformation des x,y-raumes. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 64

13 Der CIEluv und CIElab Farbraum CIEluv ist gegeben durch 1 L * =116 Y /y n 3 16 u * =13L * u' u' n v * =13L * v' v' n mit u'= v'= 4X X 15Y 3Z 9Y X 15Y 3Z u' n = u'= 4X n X n 15Y n 3Z n 9Y n X n 15Y n 3Z n u', v' beschreiben eine perspektivische Transformation des x,y-raumes. Die (wahrgenommene) Distanz zweier Farben ist Die Distanz * E u,v =1 E * u,v = L * 2 u * 2 v * 2 entspricht der gerade wahrnehmbaren Diferenz. Wesentlicher Unterschied zwischen CIEluv und CIElab ist, das im CIEluv-Raum die Mischfarbe aus zwei Farben auf der Gerade liegt, die die beiden Ursprungsfarben miteinander verbindet. Dies gilt nicht für CIElab. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 65

14 Anmerkungen zu gleichabständige Farbräumen xyy Farbraum CIEluv oder UCS Farbraum Gleichabständige Farbräume geben nur eine ungefähre Schätzung der tatsächlich wahrgenommen Diferenzen wieder, da die Wahrnehmung durch viele Außenfaktoren beeinflust wird: Kontrastefekte (Hintergrundfarbe vs. Objektfarbe) Größe der Farbflächen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 66

15 Inhaltsverzeichnis 2.Visuele Wahrnehmung 1.Funktionsweise des menschlichen Auges 2.Wahrnehmung von 1.Heligkeit 2.Kontrast 3.Farbsysteme 4.Farbtheorie 3.Visuele Aufmerksamkeit 4.Objekte und Gruppen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 67

16 Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 68

17 Gegenfarbentheorie Die Gegenfarbentheorie (~1874) ist eine Gegentheorie zur Dreifarbentheorie (Farbwahrnehmung über unterschiedliche Stimulation der drei Zapfentypen). Einige Phänomene können mit der Dreifarbentheorie nicht erklärt werden: Warum gibt es keine Farben die gelbliches Blau oder rötliches Grün heißen? Warum sieht man, wenn man lange eine farbige Fläche betrachtet und anschließend auf eine weiße blickt dort die Komplementärfarbe? In der Gegenfarbentheorie wird die Farbwahrnehmung mitels drei Gegenfarbpaaren erklärt. Diese sind Blau-Gelb, Rot-Grün und Schwarz-Weiß. Farben werden dann als Kombination dieser drei Empfindungsdimensionen definiert. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 69

18 Verarbeitung der Rezeptorinformation im Gegenfarbenmodel Sensorische Verarbeitung von Farbe im Gegenfarbenmodel: Heligkeitskanal: Verarbeitung aler drei Farben Rot-Grün-Kanal: Diferenz zwischen Rot und Grün Blau-Gelb-Kanal: Blau (Rot + Grün) Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 70

19 Benennung von Farben Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 71

20 Farbnamen Untersuchungen über die Benennung von Farben haben folgende Ergebnise gebracht (z.b. Post und Green (1986) für 210 verschiedene Farbtöne, 2, schwarzer Hintergrund) Nur acht Farben und weiß wurden von mind. 75% der Teilnehmer gleich benannt. Diese werden leicht erinnert. (Wichtig wenn Farben als Kategorien verwendet werden solen.) Das Rot am Monitor wird oft als Orange wahrgenommen (wahres Rot hat einen kleinen Blauanteil). Reines Gelb kann sehr exakt bestimmt werden (±2 nm). Bei Grün gibt es zwei Modellwerte (2/3 für 514 nm, 1/3 bei 525 nm eher türkis) Die Größe der Regionen mit gleichem Farbnamen hat wenig Ausagekraft, da dies stark vom Hintergrund abhängt. Dunkles Gelb wird als Braun wahrgenommen. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 72

21 Farbwahrnehmung Abhängig von vielen äußeren Faktoren können Farben sehr unterschiedlich erscheinen. Wenn sicher gestelt werden sol, das eine Farbe in einem bestimmten Ton wahrgenommen wird, müsen diese äußeren Faktoren eingerechnet werden. Entweder man past also die äußeren Faktoren einem Standard an oder die Farbe den äußeren Faktoren. Ähnlich der Anpasung an verschiedene Heligkeiten, kann sich das Auge auch an verschiedene Beleuchtungsfarben anpasen. Wird ein Raum z.b. mit blauem Licht beleuchtet pasen sich die Photorezeptoren an und reagieren weniger sensitiv auf blaues Licht, so das Farben konstant wahrgenommen werden können. Ähnliche Efekte kann man beim Tragen von farbigen Sonnenbrilen beobachten. Ähnlich der Kontrastilusion für Graustufen haben auch Farben Wechselwirkungen, und je nach Hintergrund können sie verschieden wahrgenommen werden. Farben werden häufig mit zusätzlichen Adjektiven wie intensiv, leuchtend, fahl oder mat beschrieben. Diese Eigenschaften spiegeln sich in der Sätigung das Farbtons wieder. (Hohe Sätigung entspricht der Volfarbe, niedrige Sätigung geht in Richtung schwarz/weiß/grau.) Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 73

22 Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 74

23 Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 75

24 Isoluminanz Isoluminanz bedeutet, das sich zwei Farben lediglich in ihrem Farbton unterscheiden, nicht in ihrer Heligkeit. Farben gleicher Heligkeit erscheinen seltsam nebeneinander und Grenzen sind schwer zu erkennen. (Bei Text auf farbigem Grund solte man Isoluminanz also vermeiden.) Claude Monet Impresion, Sonnenaufgang Isoluminanz bei Text Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 76

25 Isoluminanz Isoluminanz bedeutet, das sich zwei Farben lediglich in ihrem Farbton unterscheiden, nicht in ihrer Heligkeit. Farben gleicher Heligkeit erscheinen seltsam nebeneinander und Grenzen sind schwer zu erkennen. (Bei Text auf farbigem Grund solte man Isoluminanz also vermeiden.) Da Formen nur über Heligkeitswerte verarbeitet werde, stört es nicht, wenn Objekte in falschen Farben gemalt werden, so lange die Heligkeit stimmt. Claude Monet Impresion, Sonnenaufgang André Derain Isoluminanz bei Text Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 77

26 Farbwahldialoge In vielen Anwendungen mus der Benutzer die Möglichkeit haben selber Farben zu spezifizieren. Dies kann mitels Farbnamen, Farbpaleten oder mitels eines Kontrolmenüs zur Eingabe eines Punktes in 3D geschehen. Die meiste Freiheit bieten Kontrolmenüs. Da die Spezifikation einer Farbe mitels RGB Werten für die meisten Menschen eher schwierig ist, werden häufig Menüs verwendet die die Kontrolparameter in Farbton (hue), Sätigung (saturation) und Helwert (value) aufteilen (HSV Model). Keines der Modele ist perfekt und eine optimale Darstelung bisher noch nicht gefunden. Sätigung (saturation) Farbton (hue) Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 78

27 Farbkodierung von Objekten Bei der Verwendung von Farbe zur Unterscheidung von Merkmalen müsen einige Punkte beachtet werde: Unterscheidbarkeit: Die Farben sol leicht voneinander zu unterscheiden sein. ( CIEluv Raum). Wenn es darum geht ein Objekt einer bestimmten Farbe schnel zu finden, solte diese außerhalb der konvexen Hüle der anderen Farben liegen. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 79

28 Farbkodierung von Objekten Bei der Verwendung von Farbe zur Unterscheidung von Merkmalen müsen einige Punkte beachtet werde: Unterscheidbarkeit: Die Farben sol leicht voneinander zu unterscheiden sein. ( CIEluv Raum). Wenn es darum geht ein Objekt einer bestimmten Farbe schnel zu finden, solte diese außerhalb der konvexen Hüle der anderen Farben liegen. Eindeutige Farbtöne: Die Gegenfarben haben in den meisten Kulturen und Sprachen einen eigenen spezifischen Namen und werden leicht erkannt. Sie sind zu bevorzugen, wenn nur wenige Farben benötigt werden. Auch solte wenn möglich nicht mehrere Farben aus der gleichen Farbfamilie zur Kodierung verwendet werden. Kontrast zum Hintergrund: Es mus beachtet werden, das Farben auf unterschiedlichem Hintergrund unterschiedlich wirken können. Wechselwirkungen können durch eine einheitliche Kontur (z.b. schwarz oder weiß) verkleinert werden. Isoluminanz zwischen Objekt und Hintergrund ist zu vermeiden. Farbschwäche: Da es relativ viele Menschen mit Farbschwäche gibt solten Farbkodierung basierend auf rot-grün Kontrasten vermieden werden. Anzahl: Nur 5 bis 10 Farben können schnel unterschieden werden. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 80

29 Farbkodierung von Objekten Größe der Farbfläche: Die Größe der farblich kodierten Objekte solte nicht zu klein sein, da sie sonst nicht unterschieden werden können. Algemein gilt: Für kleine Farbflächen solten stark gesätigte und stark unterschiedliche Farben verwendet werden, für große Flächen eher Farben mit niedrigerer Sätigung und geringerem Abstand. Bei farbig hinterlegtem Text solte eine hele Farbe gewählt werden. Konventionen: Einige Farben haben bestimmte Bedeutungen Rot = heiß oder Gefahr Blau = kalt Grün = Leben Man beachte: Andere Länder, andere Siten! (z.b. in China gilt rot = Leben oder Glück und grün = Tod) Folgende Farben werden für die Kodierung empfohlen: Rot, Grün, Gelb, Blau, Schwarz, Weiß, Pink, Cyan, Grau, Orange, Braun, Lila Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 81

30 Farbskalen zur Wertekodierung Zur farbigen Darstelung von kontinuierlichen Werten werden häufig Farbreihen (color maps) verwendet, die jedem Wert eineindeutig eine Farbe zuordnen. In der Falschfarbendarstelung werden gezielt Farben verwendet, die nicht dem natürlichen Farbeindruck entsprechen, z.b. blaues Pferd. Anstat der Grauwertdarstelung von Skalarwerten können Falschfarben eingesetzt werden, die den einzelnen Grauwerten unterschiedliche Farben zuordnen. Dadurch fält es leichter Muster zu erkennen und Werte exakt abzulesen. In den Naturwisenschaften wird häufig die Regenbogenfarbskala verwendet. Problem hierbei: Es gibt keine natürliche Ordnung für die enthaltenen Farben. Ein weiteres Beispiel ist die Schwarzkörperstrahlung, die gewöhnlich bei Wärmebildaufnahmen verwendet wird. Auch bei Farbskalen solten Reihen vermieden werden, die ungünstig für Menschen mit Farbschwäche sind. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 82

31 Inhaltsverzeichnis 2.Visuele Wahrnehmung 1.Funktionsweise des menschlichen Auges 2.Wahrnehmung von 1.Heligkeit 2.Kontrast 3.Farbsysteme 4.Farbtheorie 3.Visuele Aufmerksamkeit 4.Objekte und Gruppen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 83

32 Wo ist Walter? Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 84

33 Anwendungen in der Visualisierung In diesem Abschnit geht es um die Frage, wie wir visuele Information im Gehirn verarbeiten. Beispiele für die Visualisierung: In (Wander-)Karten wird häufig viel Information gleichzeitig dargestelt (Straßen und Wege, Vegetation, Restaurants und Schutzhüten, Höheninformation, Sehenswürdigkeiten,.). Wie kann man die visuele Kodierung gestalten, so das sowohl ein Überblick über eine bestimmte Kategorie gewonnen werden kann, als auch in einem Bereich deren Zusammenspiel analysiert werden kann? Welche Kodierungskanäle können wir gut unterscheiden und wir können wir einzelne Elemente in unserer Graphik hervorheben, so das sie sofort ins Auge springen? (Bsp. Standpunkt in Karten, ausgewählte Elemente in einer interaktiven Graphik) Bei der Verarbeitung gibt es drei wesentliche Schrite: Paralele Verarbeitung grundlegender Merkmale Mustererkennung und -segmentierung Aufgabenorientierte Verarbeitung Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 85

34 Forschungsgebiete für visuele Informationsverarbeitung Die Verarbeitung von visueler Information wird mit vielfältigen Methoden untersucht: Psychophysik: Übertragung physikalischer Mesprinzipien auf die menschliche Wahrnehmung, etwa zum Festlegen der kleinsten wahrnehmbaren Heligkeitsunterschiede. (Meswerte: Sichtbarkeitsgrenzen, Fehleraten) Kognitionspsychologie: Betrachtung des Gehirns als Verband von Zentren mit festen Aufgaben. Diese Zentren werden häufig mitels funktioneler Magnetresonanztomographie (fmrt) untersucht. (Meswerte: Reaktionszeiten, aktive Hirnregionen) Strukturele Analyse: Einfach Handlungen von Versuchspersonen zusammen mit Interviews zu deren Wahrnehmung und Verständnis solen schnel Hypothesen zu Vorgängen im Gehirn liefern. (Meswerte: Bewertung auf Skala, Antworten auf Fragenkatalog, Anforderungsliste) Interkulturele Studien: Wenn gewise Aspekte der Wahrnehmung für ale Menschen gleich sein solen, kann man dies durch interkulturele Studien verifizieren. Durch die globalen Medien, werden solche Studien zunehmend unmöglich. Studien an Kindern: Da Kinder noch keine/wenig Erfahrung mit Visualisierungen haben, geben ihre Reaktionen auf einfache Muster Aufschlus über grundlegende Verarbeitungsprozese. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 86

35 Verarbeitung visueler Information Die Verarbeitung visueler Information ist ein komplexer Prozes. Man unterscheidet grob drei Stufen der Verarbeitung: Stufe 1: Paralele Erfasung grundlegender Merkmale Im ersten Verarbeitungschrit erfasen Miliarden Neuronen gleichzeitig unterschiedliche Merkmale des visuelen Feldes, z.b. Heligkeit, Farbe und Orientierung von Kanten. Diese initiale Verarbeitung ist zum größten Teil unabhängig davon, worauf wir unsere Aufmerksam richten. Wichtige Merkmale: Schnele paralele Verarbeitung Extraktion fundamentaler Merkmale Information wird nur kurz gespeichert Datenbasiertes botom-up Model der Verarbeitung In der ersten Stufe kann sehr viel visuelle Information parallel verarbeitet werden. Dies kann in der Visualisierung genutzt werden um die Aufmerksamkeit zu lenken und bestimmte Aspekte hervorzuheben. So kann man den Betrachter dabei unterstützen wichtige Informationen schnell zu erkennen. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 87

36 Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 88

37 Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 89

38 Präatentive Wahrnehmung Die erste Stufe der Verarbeitung visueler Information erfast das gesamte visuele Feld. Dieser Schrit wird präatentiv genannt, da in ihm Informationen erfast werden noch bevor Aufmerksamkeit (atention) darauf gerichtet wird. Ob ein Reiz präatentiv ist wird experimentel bestimmt, indem man die Zeit mist, die Testpersonen brauchen um den Zielreiz in einer Menge von Distraktoren zu finden. Bei Verarbeitungszeiten <10 msec pro Zielreiz geht man von einem präatentiven Reiz aus. nicht präattentiv präattentiv Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 90

39 Verarbeitung visueler Information Stufe 2: Mustererkennung und -segmentierung Im zweiten Verarbeitungschrit wird das visuele Feld in Regionen mit ähnlichen Eigenschaften unterteilt. Hierzu gehören gleiche Farbe, gemeinsame Kontur, gleiche Textur, Bewegung. Wichtige Merkmale: Langsame seriele Verarbeitung Verwendung von Kurzzeit- und Langzeitgedächtnis Wechsel zwischen Merkmalsverarbeitung (botom-up) und Aufmerksamkeit (topdown) Symbole erhalten mehr Beachtung Texturen können zur Strukturierung von Daten verwendet werden. Dies solte jedoch mit Bedacht geschehen, da das Bild leicht unübersichtlich wird. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 91

40 Verarbeitung visueler Information im Gerhirn Visuele Information wird mit dem Auge aufgenommen und entlang des Sehnervs (2 Mio. Zelen) zum Gehirn weitergeleitet. Dort wird sie in mehreren Schriten weiterverarbeitet und gelangt in den visuelen Kortex (Miliarden Zelen), wo spezialisierte Zelen existieren, die auf einen bestimmte grundlegende visuele Eigenschaften wie Orientierung, Größe und Farbeigenschaft reagieren. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 92

41 Verarbeitung von Textur Ein Typ spezialisierter Neuronen im Gehirn dient der Erfasung von Orientierung und Größe. Sie dienen z.b. der Auswertung von Texturen und Objektkanten. Ein einfaches mathematisches Model, das häufig verwendet wird um ein solches Neuron zu modelieren, ist das Gabormodel (Produkt eines symmetrischen Gaußkerns mit orientierter Sinusfunktion): F x =Ccos O x S exp x 2 1 x 2 2 S mit Kontrast C, Ausdehnung S und Rotationsmatrix O. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 93

42 Neuronen spezialisiert auf Orientierung und Größe Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 94

43 Verarbeitung visueler Information Stufe 3: Aufgabenorientierte Verarbeitung Im driten Verarbeitungschrit wird die Aufmerksam gezielt auf relevant Aspekte des visuelen Feldes gerichtet und wenige relevante Objekte werden im Kurzzeitgedächt-nis gespeichert. Wichtige Merkmale: Langsame seriele Verarbeitung Verwendung von Kurzzeit- und Langzeitgedächtnis Top-down Verarbeitung Verarbeitung richtet sich nach der Fragestelung Verschiedene Objekte in einer Visualisierung sollte deutlich unterscheidbar sein, um diesen Prozess zu beschleunigen (vergleiche Wo ist Walter? ). Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 95

44 Wo ist Walter? Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 96

45 Augenbewegung Um die Aufmerksamkeit auf bestimmte Aspekte zu lenken und ale Bereiche des Sichtfeldes scharf zu sehen, mus sich das Auge bewegen und verschiedene Aspekte scharfstelen. Man unterscheidet drei Formen der Augenbewegung: Sakkaden: Das Auge führt 2-5 ruckartige Bewegungen pro Sekunde durch, bei denen die Bewegung ms dauert und bis zu 900 /s schnel ist. Diese Bewegungen werden von ms langen Fixierungen unterbrochen. Verfolgungsbewegungen: Das Auge kann ein sich relativ gleichmäßig durch das Sichtfeld bewegendes Objekt verfolgen und somit beständig fixieren. Konvergente Bewegungen: Die beiden Augen können ein sich näherndes Objekt durch konvergente Bewegung fixieren. Analog erfolgt die Fixierung eines sich entfernenden Objektes durch divergente Bewegung. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 97

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47 Visuele Aufmerksamkeit: Die Scheinwerfertheorie Die Scheinwerfertheorie erklärt wie die Aufmerksamkeit beim Betrachten einer Szene gesteuert wird. Grundannahme ist das die Aufmerksamkeit wie ein Scheinwerfer ist, der verschiedene Aspekte einer Szene beleuchten kann. Fält die Aufmerksamkeit des Betrachters auf einen kleinen Teil der Szene, kann man dort genaue Details wahrnehmen. Die Verarbeitung erfolgt seriel, so das der Aufmerksamkeitscheinwerfer von einem Punkt zum nächsten geleitet wird. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 99

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49 Lektionen für die Visualisierung Einige präatentive Reize sind Form: Orientierung, Länge und Breite von Linien, Größe, Krümmung Farbe: Farbton, Intensität Bewegung: Flackern, Bewegungsrichtung Räumliche Position Werden zu viele unterschiedliche Reize verwendet, stechen die einzelnen Reize weniger hervor. Wichtig sind hierbei: Unterschied zwischen Zielreiz und Distraktor und Unterschiede zwischen den Distraktoren. (Quinlan und Humphreys 1987, Duncan und Humphreys 1989) Kombinationen mehrerer Atribute sind im Algemeinen ebenfals nicht präatentiv. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 101

50 Inhaltsverzeichnis 2.Visuele Wahrnehmung 1.Funktionsweise des menschlichen Auges 2.Wahrnehmung von 1.Heligkeit 2.Kontrast 3.Farbe 4.Farbtheorie 3.Visuele Aufmerksamkeit 4.Objekte und Gruppen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 102

51 Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 103

52 Gestaltpsychologie In der Gestaltpsychologie wird untersucht durch welche Mechanismen man die Verbindung von Einzelteilen als Ganzheit wahrnimmt. Begründet wurde sie zu Beginn des 20. Jahrhundert von Max Westheimer, Kurt Kofka und Wolfgang Kohler Berliner Schule der Gestaltpsychologie. Gestaltgesetze: Gesetz der Nähe: Elemente die nahe beieinander liegen werden als zusammengehörig wahrgenommen. Nützt wenn die Zusammengehörigkeit von Elementen dargestellt werden soll. Gesetz der Ähnlichkeit: Gleich oder ähnliche Objekte werden gruppiert. Hilft bei der Konzentration auf verschiedene Aspekte/Hierarchien der Daten. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 104

53 Gestaltpsychologie Gestaltgesetze: Gesetz der verbundenen Elemente: Verbundene Objekte werden als Ganzes wahrgenommen. Hilft beim Darstellen von Zusammenhänge zwischen unähnlichen Objekten. Gesetz der Kontinuität: Glatte kontinuierlich Objekte werden eher zusammengefasst als solche mit abrupten Änderungen. Macht sich schneidende Linien leichter lesbar. Gesetz der Geschlossenheit: Objekte die einen geschlossenen Umriss haben oder die von einer Linie umfasst sind werden als Ganzes gesehen. Bei Unterbrechungen ergänzt das Gehirn bereitwillig. Hilft beim Strukturieren und beim Darstellen von überlappenden Objekten. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 105

54 Visualisierung von Vektordaten Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 106

55 Literatur T. Munzner. Visualization Design and Analysis: Abstractions, Principles, and Methods. Online Version des aktuelen Buchs Sept A. C. Telea. Data Visualization: Principles and Practice, A K Peters, Ltd., W. Schroeder, K. Martin and W. Lorensen. The Visualisiation Toolkit: An Object-Oriented Approach to 3-D Graphics, Third edition. Englewood Clifs, NJ: Prentice Hal, C. Ware. Information Visualization: Perception for Design. Morgan Kaufmann, second edition, C. Ware. Visual Thinking for Design. Morgan Kaufmann, Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 107

56 Verarbeitung visueler Information im Gehirn Entsprechend der Two-Streams Theorie wird die optische Information danach in zwei Systemen weiterverarbeitet, dem dorsalen Wo-System und dem ventralen Was-System. Das dorsale System (grün) ist u.a. für die Wahrnehmung von Bewegung, Tiefe, räumlicher Organisation und für die Planung von Handlungen (z.b. Greifen) verantwortlich. Das ventrale System (lila) gleicht die aufgenommene Information mit vorhandenem Wisen ab und ordnet das Gesehene ein. Es ist u.a. verantwortlich für das Wahrnehmung von Objekten, Formen und Gesichtern und für die Einschätzung ihrer Wichtigkeit. Dorsales System (Wo) Ventrales System (Was) Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 108

57 Beispiele zur Informationsverarbeitung in den zwei Systemen Nach Schädigung des dorsalen Systems können Menschen noch die einzelnen Bestandteile eines Objekts wahrnehmen, sie aber nicht mehr richtig anordnen. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 109

58 Beispiele zur Informationsverarbeitung in den zwei Systemen Nach Schädigung des dorsalen Systems können Menschen noch die einzelnen Bestandteile eines Objekts wahrnehmen, sie aber nicht mehr richtig anordnen. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 110

59 Beispiele zur Informationsverarbeitung in den zwei Systemen Nach Schädigung des dorsalen Systems können Menschen noch die einzelnen Bestandteile eines Objekts wahrnehmen, sie aber nicht mehr richtig anordnen. Und Nummer 2: Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 111

60 Beispiele zur Informationsverarbeitung in den zwei Systemen Nach Schädigung des dorsalen Systems können Menschen noch die einzelnen Bestandteile eines Objekts wahrnehmen, sie aber nicht mehr richtig anordnen. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 112

61 Beispiele zur Informationsverarbeitung in den zwei Systemen Nach Schädigung des dorsalen Systems können Menschen noch die einzelnen Bestandteile eines Objekts wahrnehmen, sie aber nicht mehr richtig anordnen. und? Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 113

62 Beispiele zur Informationsverarbeitung in den zwei Systemen Nach Schädigung des dorsalen Systems können Menschen noch die einzelnen Bestandteile eines Objekts wahrnehmen, sie aber nicht mehr richtig anordnen. Thatcher-Efekt: Wir sind gewohnt Gesichter richtig herum zu sehen, deshalb nehmen wir es kaum wahr, wenn die einzelnen Bestandteile in einem auf dem Kopf stehenden Bild falsch herum eingefügt sind. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 114

63 Beispiele zur Informationsverarbeitung in den zwei Systemen Nach Schädigung des dorsalen Systems können Menschen noch die einzelnen Bestandteile eines Objekts wahrnehmen, sie aber nicht mehr richtig anordnen. Thatcher-Efekt: Wir sind gewohnt Gesichter richtig herum zu sehen, deshalb nehmen wir es kaum wahr, wenn die einzelnen Bestandteile in einem auf dem Kopf stehenden Bild falsch herum eingefügt sind. Auch Picasso nutzt die Tatsache, das Gesichter erkannt werden können, wenn die Einzelteile richtig sind. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 115