Visualisierung, WS07/08 9. November Visualisierung. Visuelle Variablen, Standardgraphen

Transkript

1 Visualisierung, Standardgraphen Detlef Krömker Uni Frankfurt, Graphische Datenverarbeitung Wolfgang Müller PH Weingarten, Mediendidaktik und Visualisierung Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 1 Übersicht Wiederholung Standard-Graphen Zusammenfassung Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 2 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 1

2 Übersicht Wiederholung Standard-Graphen Zusammenfassung Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 3 Gestalt-Prinzipien "Laws of Oranization in Perceptual Forms" (Wertheimer 1923) Prinzip der Nähe (Proximity) Prinzip der Ähnlichkeit (Similarity) Prinzip der stetigen Fortsetzung (Continuity) Prinzip der Konvexität (Geschlossenheit, Closure) Prinzip des Gemeinsamen Schicksals (Common Fate) Prinzip der Prägnanz Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 4 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 2

3 Optische Täuschungen Beispiel: "Vertikalentäuschung" Beispiel: Ponzo-Täuschung Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 5 Mentale Modelle (Mental Models) Versuch: Nachvollziehen von Rotationen realer Objekte in der Vorstellung Resultate Lineare Korrelation zwischen Rotationswinkel und der Zeit zur Erkennung eines rotierten Objektes Folgerung Korrelation zwischen der Repräsentation von Objekten im 3D-Raum und in der Vorstellung Mentale Bilder, mentale Modelle Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 6 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 3

4 Zusammenfassung Formwahrnehmung Präferenz spezifischer Formen, Strukturen, Konfigurationen Frühe Einbeziehung von Wissen" Räumliche Wahrnehmung Einbeziehung von Wissen" über häufig auftretende oder typische Strukturen bei der Interpretation visueller Faktoren Mentale Modelle Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 7 Übersicht Wiederholung Standard-Graphen Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 8 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 4

5 Übersicht Wiederholung Standard-Graphen Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 9 Graphische Semiologie (Graphical Semiotics) Graphische Semiologie Wissenschaft der graphischen Zeichen und Symbole Basiert auf tausende Jahre alten Traditionen Wissenschaften mit Bezug zu dieser Thematik Theologie, Philosophie, Anthropologie, Psychologie,..., Kartographie,..., Visualisierung Grundlegende Arbeiten von Jacques Bertin The Semiology of Graphics, 1982 Grundlage der modernen Visualisierung Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 11 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 5

6 8 nach Bertin, 1982 Position (x und y) Textur Fläche, Größe Neigung, Orientierung Helligkeit Form, Gestalt Farbe Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 13 Zusätzliche visuelle Variablen Länge Volumen Farbton Sättigung Winkel Verbindung Enthaltung Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 14 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 6

7 Zusätzliche visuelle Variablen Bewegung Blinken Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 15 Eigenschaften Visueller Variablen Selektiv Spontane Gruppierung beim menschlichen Betrachter Besonders nützlich zur Visualisierung nominaler Daten Assoziativ vs. nicht assoziativ Assoziativ: alle Variablen haben bei Benutzung dieser Variablen weiterhin die gleiche Sichtbarkeit Ordinal Spontane Anwendung einer Ordnung beim menschlichen Betrachter Besonders nützlich zur Visualisierung ordinaler Daten Proportional Spontane Anwendung einer Ordnung beim menschlichen Betrachter Direkte Assoziation eines Wertes Besonders nützlich zur Visualisierung ordinaler und quantitativer Daten Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 16 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 7

8 Bertin Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 20 Effektivität Visueller Variablen Quantitativ Ordinal Nominal Hohe Effektivität Geringe Effekt. Position Länge Winkel Neigung Fläche Volumen Helligkeit Sättigung Farbton Textur Verbindung Enthaltung Form Position Helligkeit Sättigung Farbton Textur Verbindung Enthaltung Länge Winkel Neigung Fläche Volumen Form Position Farbton Textur Verbindung Enthaltung Helligkeit Sättigung Form Länge Winkel Neigung Fläche Volumen Nach Mackinlay 1986 mit Adaptionen Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 28 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 8

9 Weitere Faktoren Weitere Faktoren, welche die Effektivität einer Visualisierung beeinflussen können (Peeck, 1987) Ästhetische und künstlerische Aspekte, technische Qualität Beispiel: Farbwahl (Color Balance) Authentizität Grad in dem der Betrachter das Dargestellte glaubt Informationsdichte Anzahl der visuellen Elemente und Detailgrad eines jeden Elements Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 29 Übersicht Wiederholung Standard-Graphen Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 30 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 9

10 Graph Eigenschaften eines Graphen Visuelle Darstellung, die eine oder mehrere Beziehungen zwischen Elementen darstellt Prägnante Form zur Präsentation von Informationen Erlaubt es, Trends, Muster oder Vergleiche einfach zu erkennen bzw. zu verstehen Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 31 Aspekte Aufgabenorientierte Herangehensweise ist unabdingbar: Warum wird der Graph benötigt? Welche Fragen sollen beantwortet werden? Welche Daten sind notwendig, um diese Fragen zu beantworten? Wer ist die Zielgruppe? Was ist das Medium? money time Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 32 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 10

11 Komponenten eines Graphen Rahmen (Framework) Maßeinheiten, Skalierung Inhalt Marken, Linien, Punkte Beschriftungen (Labels) Titel, Achsen, Skalen Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 33 Typische Formen von Graphen Liniengraph Säulendiagramm Punktediagramm (Scatterplot) X-Achse: quantitativ Y-Achse: quantitativ Ziel: Erkennung von Änderungen über nachfolgende Werte X-Achse: qualitativ Y-Achse: quantitativ Ziel: relativer Vergleich von Punktwerte X-Achse: qualitativ/quantitativ Y-Achse: qualitativ/quantitativ Ziel: Analyse der Korrelation zwischen Variablen (linear, komplex, keine) Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 34 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 11

12 Richtlinien zur Gestaltung von Graphen Typische Anwendung: Vergleich quantitativer Variablen (z.b. Temperatur über die Zeit) Abhängige Variable ändert sich relativ zur unabhängigen Variable Unabhängige Variable als Referenz Unabhängige vs. abhängige Variablen X-Achse zur Darstellung der unabhängigen Variable Y-Achse zur Darstellung der resultierenden abhängigen Variable Bei der Darstellung von 2 unabhängigen Variablen Abbildung der unabhängigen Variablen auf Achsen Variation des verwendeten Symbols/Marke zur Darstellung der abhängigen Variable (z.b. durch unterschiedliche Farben) Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 35 1,2,3 Variablen A B C D E A B C D E A B C D E Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 36 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 12

13 Standard-Graphen Eine Reihe von Graphen werden seit langem erfolgreich zur Visualisierung eingesetzt Beispiele Sequence Charts Punktediagramm (Scatterplots) Liniendiagramme (Line Graphs) Time Series (Strip Charts) Stabdiagramm (Dot Plots) Säulendiagramm, Balkendiagramm (Bar Charts) Tortendiagramme (Pie Charts) Kreisdiagramme (Circle Graphs) Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 37 Punktediagramm (Scatterplot) Darstellung der Relationen zwischen 2 Variablen Hilfreich zur Identifizierung von Korrelationen zwischen Variablen Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 39 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 13

14 Korrelationen in Punktediagrammen Starke Korrelation Schwache Korrelation Keine Korrelation Positive/direkte Korrelation Negative/indirekte Korrelation Keine Korrelation Lineare Korrelation Exponentielle Korrelation Komplexe Korrelation Visualisierung - D.Krömker, W.Müller nach Harris Liniengraph Liniengraph, Liniendiagramm (Line Graph) Erweiterung des Punktediagramms durch Verbindung der Marken mit Linienelementen zur Betonung der zeitlichen Relation Vorteile Verbesserte Erkennung von Unterschieden in kontinuierlichen Werten Möglichkeit zur Integration verschiedener Sequenzen/Graphen in einer Graphik Abhängig von den konkreten Daten, maximal 2-8 Sequenzen Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 41 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 14

15 3D-Liniengraphen 3D-Version eines Liniengraphen zur Visualisierung zeitvarianter Daten mit Bezug auf eine weitere, freie Variable Möglichkeit der Nutzung vin Animation zur Visualisierung weiterer zeitlicher Aspekte Beispiel: Visualisierung von Aktienwerten Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 42 Isoplethen Isoplethen (Isoline Graphs) Linien gleichen Zahlenwertes einer Größe, die von 2 weiteren Parametern abhängt Beispiele: Höhenlinien, Schichten- bzw. Konturlinien (engl. Contours) in einem Graphen Spezielle Formen Isobaren: Linien gleichen Luftdruckes Isothermen: Linien gleicher Temperatur Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 43 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 15

16 Isoplethen Nutzung von Farbe zur Verdeutlichung von Aspekten und zur Visualisierung zusätzlicher Größen Linien Resultierende Flächen Erweiterung auf 3D möglich Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 44 Säulendiagramm, Balkendiagramm Säulendiagramm, Balkendiagramm (Bar Chart) Säulen bzw. Balken zur Darstellung von Merkmalen an einem Punkt im Beobachtungsraum Eigenschaften Verbesserte Vergleichbarkeit von Merkmalen relativer Vergleich von Punktwerten Unabhängige Variable diskret Unabhängige Variables quantitativ Farbe/Textur kann zur Visualisierung zusätzlicher Merkmale genutzt werden Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 45 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 16

17 Histogramm Histogramm Spezielle Form des Säulendiagramms zur Darstellung der Verteilung einer Population über dem Beobachtungsraum Beispiel Darstellung von Schulnoten einer Klasse Klassenspiegel für Klausurnoten Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 46 Typische Strukturen in Histogrammen Normalverteilung Bimodale Verteilung Multimodal distribution Asymmetrische, positiv verzerrte Verteilung Asymmetrische, negativ verzerrte Verteilung Spitze, leptokurtische Verteilung Flache, platykurtische Verteilung Visualisierung - D.Krömker, W.Müller Harris (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 17

18 Gantt Chart Gantt Chart Spezielle Form eines Balkendiagramms Balken zur Darstellung von Anfang und Dauer eines Prozesses Ggf. weitere Marken zur Darstellung zeitlicher Ereignisse Häufig genutzt zur Planung, Verwaltung und Kontrolle von Projekten Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 48 Kreisdiagramm Kreisdiagramm (Circle Chart, Pie Chart) Auch: Kuchendiagramm, Tortendiagramm Diagramm zu Anzeige der Anteilswerte der Ausprägungen einer diskreten Variablen Eigenschaften Maßeinheiten üblicherweise in Prozent 0% und 100% typischerweise an oberster Stelle im Kreis positioniert Information typischerweise im Uhrzeigersinn angeordnet (Meaningful Order) Im Allgemeinen nur für Variablen mit maximal sechs oder sieben Werten geeignet Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 49 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 18

19 Bubble Graph Bubble Graph Spezielle Form des Punktediagramms Variation der Markengröße zur Darstellung einer quantitativen Größe Bemerkung: Der wahrgenommene Wert mit Bezug auf die Größe der Marke korrespondiert zur Flächen nicht zum Durchmesser! Jung Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 52 Whisker Charts Whisker Chart, Box-Whisker Plot Spezielle Form des Punktediagramms zur Visualisierung mehrerer quantitativer Merkmale durch Variation des Whisker-Körpers und der Whisker-Glieder Nutzung typischerweise zur Visualisierung zweier abhängiger Variablen sowie folgender Größen der zweiten abhängigen Variable Median (2. Quartil) Median 1. Quantil (25%-Quartil) Median 3. Quantil (75%-Quartil) Kleinster Wert Größter Wert Farbe kann zur Darstellung weiterer Merkmale genutzt werden Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 53 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 19

20 Whisker Charts Konstruktion eines Whisker Charts Bestimmung von Median (2. Quartil) Median des 1. Quartil Median des 3. Quartil Kleinster Wert Größter Wert Beispiel Median = 80 Median 1. Quartil = 70 Median 3. Quartil = 90 Kleinster Wert = 65 Größter Wert = Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 54 Circular Area Graph Circular Area Graph Abbildung des Liniengraphen in Kreiskoordinaten Typischerweise verwendet im Fall von zyklischen Prozessen Beide Achsen repräsentieren quantitative Größen A kleine Anzahl von Graphen kann zum Vergleich in einem einzigen Graphen kombiniert werden Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 55 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 20

21 Übersicht Wiederholung Standard-Graphen Zusammenfassung Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 56 Übersicht Wiederholung Standard-Graphen Zusammenfassung Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 57 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 21

22 Zusammenfassung Grundelemente für die Visualisierung Unterschiedliche Expressivität und Effektivität bei den verschiedenen Datentypen Standardgraphen Grosses Repertoire Zumeist 2D und nicht interaktiv Häufigster Ansatz: Nutzung von Position, Farbe Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 58 ENDE Visualisierung - D.Krömker, W.Müller 59 (c) 2007 D.Krömker, W. Müller 22