Visualisierung, WS 2007/ November Visualisierung. Nutzer und visuelles System
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- Katarina Fleischer
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1 Visualisierung Nutzer und visuelles System Detlef Krömker Uni Frankfurt, Graphische Datenverarbeitung Wolfgang Müller PH Weingarten, Mediendidaktik und Visualisierung Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 1 Übersicht Wiederholung letzte Vorlesung (Teil B+C) Was kann visualisiert werden? (Teil D) Der Nutzer (Teil E) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 2 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 1
2 Übersicht (Spezielle) Bearbeitungsziele Anwendungsmodell Nutzermodell Ressourcenmodell Kulturelle Unterschiede Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 3 Übersicht Auswahlfaktoren Bearbeitungsziele Anwendung Nutzer Ressourcen Allgemeine Wahrnehmungsfähigkeiten des Menschen Spezifikation der konkreten Problemstellung Spezifika einer konkreten Anwendung bzw. eines Anwendungsgebietes Charakteristika eines Nutzers oder einer Nutzergruppe, z.b. Präferenzen, Wissens- oder Trainingsstand Funktionalität des verwendeten Systems (Hardware und Software) Wahrnehmungspsychologie Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 4 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 2
3 Spezielle Bearbeitungsziele Wir unterscheiden: Analyse von Daten: Kenntnisgewinnung Präsentation von Ergebnissen und Sachverhalten: Kenntnisvermittlung spezielle Bearbeitungsziele... spezielle Bearbeitungsziele allgemeine Bearbeitungsziele Expressivität Effektivität Angemessenheit Visualisierungsentscheidungen Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 5 Spezielle Bearbeitungsziele der Analyse Bertin Elementare Informationen Beshers PUNKT: Erkennen von Werten für einen Punkt Robertson Directed Search Informationen bezogen auf Teilbereiche Informationen bezogen auf den gesamten Beobachtungsraum LOKAL: Erkennen von Werten in einem lokalen Zusammenhang GLOBAL: Erkennen der globalen Verteilung der Werte im Beobachtungsraum Comparison Exploration Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 6 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 3
4 Problemklassen Fragen (I) Identifikationsproblem Welchen Wert haben Daten in einem bestimmten Gebiet? Lokalisierungsproblem Wo liegen Daten eines bestimmten Wertes? Korrelationsproblem Gibt es Zusammenhänge zwischen zwei oder mehreren Variablen oder zwischen Datenwerten und bestimmten Gebieten des Beobachtungsraumes bzw. bestimmten Zeitpunkten? Vergleichsproblem Wie unterscheiden sich die Datenwerte in einem bestimmten Gebiet oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten? Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 7 Problemklassen Fragen (II) Verteilungsproblem Wo liegen Extremwerte und Ausreißer? Lassen sich Muster in den Datenwerten bzw. Trends erkennen? Häufigkeitsproblem Welche Datenwerte treten besonders häufig auf? Gruppierungsproblem Welche Datenwerte lassen sich anhand gemeinsamer Eigenschaften zusammenfassen? Welche Cluster treten auf? Kategorisierungsproblem Welche Datenwerte müssen auf Grund unterschiedlicher Eigenschaften separiert werden? Welche Klassifizierungen können vorgenommen werden? Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 8 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 4
5 Anwendung bestimmt die Rolle Detlef Krömker Rollen Eigenständiges Kommunikationsmittel Bildsprache Semiotik Vortragsunterstützung (Ergänzung einer Rede) z.b. Folien, Dias, Rechner,..., Poster Illustration (Ergänzung eines Textes) Teil einer MM-Präsentation / eines Hypermedia- Systems Interaktive Präsentation Element in der Benutzungsoberfläche u.v.a.m. Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 9 Nutzer Detlef Krömker Aspekte Unterschiedlicher Wissens- / Trainingsstand Berufsspezifische Unterschiede Kulturelle Unterschiede Individuelle Präferenzen (Geschmack) Mode... Sensorische (unmittelbar) oder willkürliche / eigenmächtige (arbitrary) (erlernte) Symbole, Ikonen,..., Bilder Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 10 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 5
6 Wissens- / Trainingsstand Detlef Krömker Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 11 Arbeitsplatz-Ressourcen Aspekte Hardware, Software, Peripherie Qualität und Kosten (Rechenzeit) von einsetzbaren Visualisierungsmethoden Verfügbare Rechnerkapazitäten Charakteristika des Ausgabemediums Verfügbare Interaktionsgeräte und -techniken Systemumgebung z.b. Stärke und Färbung des Umgebungslichts Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 13 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 6
7 Zusammenfassung Nutzer hat Ziele Visuelle Eigenheiten (z.b. farbenblind) Hintergrund (Kultur, Ausbildung,...) Ressourcen Benötigen diese Information über den Nutzer, um erfolgreich zu visualisieren Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 15 Auge und Display Teil F Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 16 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 7
8 Übersicht Licht und Umwelt Beleuchtungsmodelle Das Auge Optische Eigenschaften Auflösung und Gesichtsfeld Sensitivität für Ortsfrequenzen und Zeitfrequenzen Heutige Displays vs. Ideales Display Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 17 Sichtbares Licht (I) Sichtbares Licht Elektromagnetische Wellen zwischen ca. 400 nm und 700 nm Visible Light X-Ray UV IR microwave radio Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 18 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 8
9 Sichtbares Licht (II) Licht interagiert mit der Umgebung: Absorption Reflektion Brechung Polarisierung... Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 19 Ambient Optical Array (Gibson, 1966) Ambient Optical Array (Gibson, 1966) Umgebende optische Anordnung: Menge allen Lichts, das an einem Punkt der Umwelt ankommt Enthält Information über die Umwelt Verändert sich über die Zeit (optischer Fluss, Optical Flow) Modellierung des Ambient Optical Array Vollständige, mathematisch korrekte Beschreibung der Umwelt nicht möglich Vollständige, physikalisch korrekte Simulation zu aufwendig Folgerung: Näherungen, vereinfachte Modelle Ziel der Computergraphik (siehe auch GDV Vorlesung) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 20 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 9
10 Optischer Fluss (Optical Flow) Landwehr (1991) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 21 Visualisierung und Ambient Optical Arrays Visualisierung versucht ein Ambient Optical Array nachzubilden (basierend insbesondere auf Oberflächen) Modellierung mittels Techniken aus der GDV Realisierung mittels eines Displays Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 29 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 10
11 Visueller Sinn Aufgabe des Visuellen Sinns Extraktion von Information über die Umwelt aus dem Ambient Optical Array Ziel Erkennung von Oberflächen NICHT notwendigerweise Ebenen im geometrischen Sinne! deren Attribute (z.b. Textur) in der Umwelt Interpretation für den Lebensumstand (Ecological Optics, siehe auch Gibson) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 30 Realisierung des visuellen Sinns Augen als Sensoren für ein Ambient Optical Array Augen sind erste Stufe auf dem Weg zur visuellen Wahrnehmung Weitere Stufen der Verarbeitung visueller Reize im Gehirn Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 31 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 11
12 Übersicht: Das visuelle System Auge Netzhaut Sehnerv Chiasma Opticum Sehnerv teilt sich Fibern aus dem nasalen Bereich werden getrennt und mit Fibern des temporalen Bereichs des anderen Auges zusammengeführt Tractus Opticus Corpus geniculatum laterale Visueller Cortex Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 32 Das Auge Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 33 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 12
13 Das Auge Cornea Pupille Visuelle visuelle Achse Achse Iris Linse Netzhaut, Retina Retina Glaskörper Vitreous Humor Fovea Foveacentralis Centralis Blinder blinder Fleck Punkt Sehnerv Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 34 Das Auge Glaskörper Cornea Pupille Pupille visuelle Achse Visuelle Achse Iris Linse Iris Linse Vitreous Humor Fovea Fovea centralis Fovea Centralis blinder Fleck Blinder Punkt Sehnerv Retina Sehnerv Netzhaut, Retina Vordere Augenkammer Raum zwischen Horn- u. Regenbogenhaut Gefüllt mit Gallertartiger Flüssigkeit (n = 1.34) Linse 70% Wasser Invertiert das Bild auf dem Weg zur Netzhaut Glaskörper Gefüllt mit gallertartiger Flüssigkeit (n = 1.34) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 36 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 13
14 Die Netzhaut Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 37 Die Netzhaut Glaskörper Cornea Pupille Pupille visuelle Achse Visuelle Achse Iris Linse Iris Linse Vitreous Humor Fovea Fovea centralis Fovea Centralis blinder Fleck Blinder Punkt Sehnerv Retina Sehnerv Netzhaut, Retina Netzhaut (Retina) Bedeckt das Innere der Aughöhle Enthält die Photorezeptorzellen (Stäbchen und Zapfen) Ca. 0.4cm dick Ca. 50% des Lichtes erreicht die Netzhaut Fovea Fläche von 1.5-2mm Durchmesser Entspricht Sehwinkel von 5.2 Grad Primär mit Zapfen ausgefüllt Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 38 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 14
15 Die Netzhaut Glaskörper Cornea Pupille Pupille visuelle Achse Visuelle Achse Iris Linse Iris Linse Retina Netzhaut, Retina Vitreous Humor Fovea Fovea centralis Fovea Centralis blinder Fleck Blinder Punkt Sehnerv Sehnerv Blinder Fleck (Blind Spot) Ort, an dem der Sehnerv das Auge verlässt Fovea Centralis Kleine Mulde in der Fovea Ort des schärfsten Sehens Fläche von ca. 0.2mm Durchmesser Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 39 Sakkaden Sakkaden Schnelle, typischerweise unfreiwillige Bewegungen der Augen Geschwindigkeiten von bis zu 800º/sec bei großen Sakkaden Ziel: Abbildung der interessierenden Bereiche des retinalen Bidles auf die Fovea Dauer einer 10º Sakkade ca 45 msec Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 40 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 15
16 Die Netzhaut (Erinnerung) Bildquelle: Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 41 Signalverarbeitung in der Netzhaut Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 43 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 16
17 Rezeptortypen Stäbchen (Rods) Millionen Nur außerhalb der Fovea Eingelagerter Sehfarbstoff Rhodopsin (Sehpurpur) Maximale Empfindlichkeit bei ca. 498 nm (grün) Zapfen (Cones) 7-8 Millionen Primär in der Fovea 3 verschiedene Typen mit unterschiedlich photosensitiven Segmenten Maximale Empfindlichkeiten bei ca. 420 nm, 534 nm, 564 nm Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 45 Signalverarbeitung in der Netzhaut Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 50 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 17
18 Verteilung der Rezeptoren in der Fovea Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 51 Skotopisches und Photopisches Sehen Skotopisches Sehen Dämmerungssehen Basierend auf Stäbchen Photopisches Sehen Tagessehen Basierend auf Zäpfchen Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 52 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 18
19 Skotopisches und Photopisches Sehen Zäpfchen- Aktivität Photopishces Sehen Mespoisches Sehen Sonne zur Mittagszeit Klarer Himmel am Tag Bildschirm Bequemes Lesen Bereich des schärfsten Sehens Unter Grenze der Farbwahrnehmung Stäbchen- Aktivität Skotopisches Sehes Weißes Papier im Mondlicht Untere Grenze des Nachtsehens Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 53 Rezeptortypen (I) Horizontale Zellen Kombination der Signale mehrerer Rezeptoren in größeren Gebieten Sowohl Zellen mit und ohne farbspezifisches (rot-grün, blau-gelb) Bipolare Zellen On-Off und Off-On-Typen Center/Surround-Charakteristik Kombination der Signale mehrerer Rezeptoren Inhibitation vs. Verstärkung Kontrasterkennung Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 54 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 19
20 On-Off- und Off-On-Zellen Beispiel: On-Off-Typen + Die Ganglionen feuern mit Spontanrate Anstieg der Feuerrate, wenn Licht auf eine kleine Region der Netzhaut fällt Absinken der Rate, wenn Licht auf die Region fällt, die das empfindliche Zentrum genau umgibt Keine Veränderung der Rate, wenn Licht auf entferntere Regionen fällt Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 55 Gegenfarben-Verschaltung durch Bipolarzellen Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 56 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 20
21 Rezeptortypen (II) Amakrine Zellen On-Off-/Off-On-Typen, aber auch andere Zeitliches Verhalten Reagieren auf Signaländerungen Ganglienzellen On-Off-/Off-On-Typen, aber auch andere Zeitliches Verhalten 2 verschiedene Typen von Ganglienzellen: farbsensitiv vs. nicht farbsensitiv Farbsensitives Verhalten: (M/L (M+L)/S) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 57 Verschaltung der Bipolarzellen Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 58 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 21
22 Rezeptortypen (III) Ganglienzellen (Fortsetzung) 2 verschiedene Typen (M-Typ, P-Typ) mit Unterschieden bzgl. Größe (groß vs. klein) Größe des reziptiven Feldes (groß vs. klein) Ortsauflösung (hoch vs. niedrig) Kontrastempfindlichkeit (hoch vs. niedrig) Reaktionszeit (schnell vs. langsam) Reaktionsdauer (kurz vs. öang) Verteilung auf der Netzhaut (periphär vs. Zentral in der Fovea) Farbsensitivität (achromatisch vs. chromatisch) Erstes Anzeichen für 2 verschiedene Systeme innerhalb des visuellen Systems Magno-System Parvo-System Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 59 Zusammenfassung: Funktionen der Netzhaut Funktionen Intensitätserkennung Kantendetektoren Bewegungsdetektoren Farbkonvertierung Light Ganglienzellen Ganglienzellen Ganglienzellen Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 60 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 22
23 Beispiel: Hermann-Gitter Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 61 Count the black Dots! Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 62 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 23
24 Verlauf des Sehnerves Bildquelle: Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 63 Sehnerv Bildquelle: Chiasma Sehstrang CGL Sehstrahlung Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 64 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 24
25 Corpus geniculatum laterale (CGL) (Lateral Geniculate Nucleus, LGN) Andere Bezeichnung Seitlicher Kniehöcker Erste Stufe der Verarbeitung visueller Informationen Bereich unterhalb des Cortex 6 Ebenen, 3 für linkes und 3 für rechtes Auge Informationen der Augen also noch getrennt, d.h. keine binoculare Verarbeitung 2 magnozelluläre Ebenen (1+2) Verbunden mit M-Typ Ganglienzellen 4 parvozelluläre Ebenen (3 6) Verbunden mit P-Typ Ganglienzellen Verarbeitung von Bewegung (M-Typ) gegenüber Farbe und Form (P-Typ) in separaten Ebenen Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 65 Visueller Cortex Lage im Lobus occipitalis am hinteren Pol des Gehirnes Er erstreckt sich bis auf die Innenseite der Hirnhemisphären zu beiden Seiten des Sulcus calcarinus. Die Brodmanareale 18 und 19 sind konzentrisch um die sich vom Okzipitalpol entlang des sulcus calcarinus nach medial erstreckende Brodmannareal 17 angeordnet und werden als zirkumstriärer Cortex bezeichnet Areal 17 Areal 18 Areal 19 Bildquelle: Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 67 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 25
26 Visueller Cortex (Sehrinde) Parallele Verarbeitung visueller Signale auf 6 Ebenen V1: Primärer Visueller Cortex (Area 17, Striate Cortex) Hinterhauptlappen Erste detaillierte Analyse Ebenfalls bestehend aus 6 Ebenen Verbindungen zu anderen Arealen (18, 19) V2: Sekundärer Visueller Cortex (Colliculus Superior) Weitergehende Analyse Augensteuerung Weitere Komplexe: V3, V3a V4 Komplex V5 Komplex (MT) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 68 Primärer Visueller Cortex (V1) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 69 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 26
27 Struktur des Area 17 (V1) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 70 Augendominanzsäulen und Orientierungssäulen in V17 Bildquelle: Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 71 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 27
28 Augendominazsäulen, Orientierungssäulen und Blobs Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 72 Signalverarbeitung im visuellen Cortex Layout des visuellen Cortex V1: Allgemeines Scanning V2: Stereo Vision V3: Tiefenwahrnehmung und Abstand V4: Farbe V5: Bewegung V6: Bestimmung der objektiven (im Gegensatz zur relativen) Position von Objekten Beispiele für Informationspfade durch den Cortex: Wo: V1-V2-V3-V5-V6 Was: V1-V2-V4 Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 75 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 28
29 Optische Eigenschaften des Auges h d h " tan = 2 2 d Sehwinkel r Einfache Linse = + f d r Verbundene Linsen = + f f f D =! f nah f 1 fern Stärke einer Linse wird in Dioptrien (dpt) gemessen. Bsp. 2 dpt => 1/f = 2m -1 => f = 0.5 m Näherung: Hornhautkrümmung ca. 40 dpt ca 19 dpt von der variablen Linse Akkomodationsbandbreite: Kindern > 12 dpt 60-jährigen fast 0 Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 76 Chromatische Aberation Licht unterschiedlicher Wellenlänge wird verschieden gebrochen Linse im Auge müsste 1,5 dpt aufbringen, um Extrema (rot und blau) in Fokus zu bringen Chromatische Aberation wird im Auge nicht ausgeglichen Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 77 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 29
30 Dieser Text ist blau Dieser Text ist rot Und wieder ein blauer Text Und wieder ein roter Text Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 78 Tiefenschärfe Betrachtungsabstand 50 cm 1m 2 m 3 m Nah 43 cm 75 cm 1,2 m 1,5 m Fern 60 cm 1,5 m 6,0 m unendlich Detlef Krömker Bei 3 mm Pupillenöffnung und 1/3 dpt Tiefenschärfewert gilt folgendes Intervall bei & 3d ' 3d # Abstand d $,! % d + 3 d ' 3 " Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 79 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 30
31 Sehwinkel (Visual Angle) Definition α = arctan ( h / 2d ) Daumenregel: 1cm breites Objekt in 57 cm Abstand = 1 1 = 60 (Sehminuten) 1 = 60 (Sehsekunden) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 80 Auflösung des menschlichen Auges Zwei Maße für das Auflösungsvermögen Sehschärfe (Ortsbereich) Kontrastempfindlichkeit (Frequenzbereich) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 81 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 31
32 Sehschärfe (Acuity) Sehschärfen (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 Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 82 Sehschärfe: Verteilung Distance from Fovea (deg.) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 83 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 32
33 Rezeptoren Photorezeptoren in der Netzhaut 100 Millionen Stäbchen 6 Millionen Zapfen Irregulär angeordnet (grob hexagonal) Sehgrube (Fovea) 20 Abstand der Zapfen (d.h. 180 Rezeptoren/ 1 ) 2 Sehwinkel Größte Auflösung: 0,5 Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 84 Superacuity Grobes Modell 2 Rezeptoren werden benötigt, um zwei parallele Linien auseinander zu halten (vgl. Abtasttheorem) Folgerung Wir sollten nur Linien erkennen können, die durch 2 Rezeptorbreiten getrennt sind (in der Fovea ca. 1 ) Superacuity Menschliches visuelles Systems erreicht Auflösung von 10 (Vernier Acuity) Gründe Höhere Verarbeitungsmechanismen Information von zwei Augen Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 87 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 33
34 Visuelles Feld (Gesichtsfeld) LEFT RIGHT Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 88 Kontrast-Sensitivität Was sehen, wenn Raster paralleler Linien immer schmaler wird und auch der Kontrast (von weiß-schwarz nach grau) abnimmt? L = 0,5 + a/2 sin( 2 π x / ω + φ / ω ) L : Lichtlevel (im Intervall [0,1]) a : Amplitude x : Ort ω : Wellenlänge φ : Phasenwinkel Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 89 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 34
35 Kontrast-Sensitivität: Testgitter Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 90 Testgitter Parameter des Testgitters Ortsfrequenz (Anzahl Streifen per 1 ) Orientierung Amplitude des Sinus (Kontrast) Phasenwinkel Größe der mit dem Testgitter bedeckten Fläche Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 91 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 35
36 Resultate von Experimenten (I) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 92 Resultate von Experimenten (II) Höchste Sensitivität für Ortsfrequenzen von 2-3 Zyklen/1 bei starkem Kontrast Im Alter nimmt Sensitivität für Werte höher als 1 Zyklus / 1 ab 60 Zyklen / 1 ist Schwellwert nach oben Abfall der Sensitivität auch für < 1 Zyklus / 1 (graduelle Schwankungen) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 93 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 36
37 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 bis hin zu krampfartigen Anfällen aus Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 96 Auflösung des Auges und Displays (I) Variationen der Helligkeit auf einem Display bis zu 30% bleiben unbemerkt => Geringe Empfindlichkeit bei kleinen Ortsfrequenzen Monitor: 40 Pixel pro cm (etwa 40 Zyklen/1 ) => 180 Rezeptoren/1, brauchen 4x mehr Pixel Maximal wahrnehmbare Ortsfrequenz: 50 Zyklen/ 1 => lt. Abtasttheorem brauchen wir 100 Pixel / 1 Demnach: Optimales Display also etwa 4k x 4k Pixel Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 97 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 37
38 Auflösung des Auges und Displays (II) Drucker: 1200 dpi ( etwa 460 Zyklen / 1 ) Warum so viel? Graustufen (Dithering) Aliasing Superacuities (Noniussehen) Detlef Krömker Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 98 Noniussehen und Aliasing Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 101 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 38
39 Heutige Displays Detlef Krömker 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 reizt nur 5-10% des visuellen Sehfeldes, ABER: dieses entspricht ca. 50% der visuellen Verarbeitungsleistung. Für 3D-Szenen fehlt die Notwendigkeit zur Fokussierung Fehleinschätzungen 100 Hz, dennoch: Temporal Anti-Aliasing (Motion Blur) notwendig Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 108 Zusammenfassung Ambient Optical Array Beleuchtungsmodelle der Computergraphik Das Auge Optische Eigenschaften Auflösung und Gesichtsfeld Sensitivität für Ortsfrequenzen und Zeitfrequenzen Heutige Displays vs. Ideales Display Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 109 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 39
40 Danksagung Diese Vorlesung basiert auf Material von Prod. Dr. Wolfgang Müller Prof. Dr. Heidrun Schumann Prof. Dr. Detlef Krömker Prof. Dr. Colin Ware Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 110 ENDE Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 112 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 40
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