3. Visuele Wahrnehmung

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1 3. Visuele Wahrnehmung Vorlesung: Mo, 11:00 13:00, INF Do, 11:00 13:00, INF 350 OMZ, U014 Übung: Mo, 9:00 11:00, INF 350 OMZ, U011 JProf. Dr. Heike Leite htp:/

2 Inhaltsverzeichnis 1.Einführung 2.Datentypen, Datenrepräsentation und Visualisierungspipeline 3.Wahrnehmung 4.Skalardaten 5.Statistische Graphiken 6.Interaktion und Datenexploration 7.Graphen 8.Vektordaten Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 2

3 W. S. Gilbert Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 3

4 The door experiment htp:/ [Ware 04] Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 4

5 Inhaltsverzeichnis 2.Visuele Wahrnehmung 1.Funktionsweise des menschlichen Auges 2.Wahrnehmung von 1.Heligkeit und Kontrast 2.Farbe 3.Visuele Aufmerksamkeit 4.Objekte und Gruppen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 5

6 Das menschliche Auge Kurze Erklärung der wichtigsten Komponenten des menschlichen Auges: Iris: Reguliert die Menge des einfalenden Lichts Linse: Fokusiert ein kleines Abbild der Realität auf die Netzhaut. Netzhaut: ist mit Lichtsinneszelen bedeckt die optische Reize (Stäbchen: Heligkeit, Zapfen: Farbe) wahrnehmen. Gelber Fleck: nur hier kann man scharf sehen (5% des Sichtfeldes). Blinder Fleck: hier verläst der Sehnerv das Auge. wikipedia] Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 6

7 Licht und das sichtbare Spektrum Das sichtbare Lichtspektrum ( nm) ist ein kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums. Manche Tiere können zusätzlich noch im Infrarotbreich sehen (Schlangen) oder ultravioletes Licht wahrnehmen (Insekten). Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks] Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 7

8 Visualisierungsmedien Print Interaktiv Bildschirm Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung wikipedia] 8

9 Sehwinkel Der Sehwinkel eines Objekts ist der Winkel unter dem das Objekt wahrgenommen wird. Faustregel: Daumennagel auf Armlänge entspr. 1 Die Fovea Centralis (Bereich höchster Schärfe) ist 1,5-2 groß. Berechnungsformel: =2arctan h 2d Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung [Ware 04] 9

10 Fokussierung und Tiefenschärfe In dieser Vorlesung beschäftigen wir uns auschließlich mit Visualisierungen, die auf einem 2D Medium präsentiert werden. Deshalb können wir die Tiefenschärfe außer Acht lasen, da stets nur auf eine Ebene fokusiert werden mus. Für 3D Visualisierungsumgebungen wie zum Beispiel Head-Mounted-Displays oder Cave mus zusätzlich noch die Tiefenschärfe und Schärfentiefe berücksichtigt werden. Die Tiefenschärfe ist der Bereich der scharf erscheint, wenn das Auge auf eine bestimmte Tiefe fokussiert ist. Er ist abhängig von der Größe der Pupille. Tiefenschärfe für Monitore (d = 50 cm): 43 cm 60 cm Head mounted display (d = 2 m): 1,2 m 6,0 m d = 3 m: 1,5 m Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 10

11 Sehschärfe Die Sehschärfe beschreibt die Genauigkeit des menschlichen Sehens und gibt Grenzen bei denen verschiedene Muster und Objekte noch unterschieden werden können. Wichtige Grenzen sind: Punktschärfe: Zwei benachbarte Punkte werden separat wahrgenommen (1 Bogenminute = 1/60 ). Giterschärfe: Ein Balkenmuster wird als solches wahrgenommen und nicht als graue Fläche (1-2 Bogenminuten). Buchstabenschärfe: Ein Buchstabe ist erkennbar (5 Bogenminuten). Stereoschärfe: Wahrnehmung von Objekten in räumlicher Tiefe (10 Bogensekunden). Vernierschärfe: Fähigkeit zu Bestimmen, ob zwei Liniensegmente kolidieren (10 Bogensekunden entspr. 1/10 Pixel). Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 11

12 Buchstabenschärfe Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 12

13 Auflösung im Sichtfeld [Ware 04] Auflösung im gesamten Sichtfeldes Auflösung am Rand des Sichtfeldes

14 Sichtbares Feld und Schärfeverteilung Test: Sichtbarkeit von Händen Sehschärfe [Ware 04] Blickfeld der beiden Augen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 14

15 Eye Chart (Anstis) Wenn man das Zentrum fixiert ist jeder Buchstabe so skaliert, das er die fünfache Größe des kleinsten wahrnehmbaren Buchstaben hat. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 15

16 Der optimale Bildschirm Ein Bildschirm mit einer Auflösung von 1000x1000 Pixeln hat in etwa 35 Pixel/cm. Dies entspricht 40 Zyklen/Deg bei üblichem Abstand vom Monitor. In der Fovea besitzt der Mensch etwa 180 visuele Rezeptoren/Deg. (Durch Kombination der Information mehrere Sinneszelen können Menschen teilweise sogar noch feinere Details wahrnehmen). Ein Bildschirm mit einer Auflösung von 4000x4000 Pixeln (= 16 Mio Pixel) wäre optimal für menschliche Bedürfnisse. Antialiasing kann helfen Probleme einer (zu) niedrigen Auflösung zu überwinden. Drucker nutzen zwar 1200 dpi (460 Punkte/cm), dies dient jedoch vor allem der Vermeidung von Aliasing Effekten und der korrekten Darstellung von Graustufen (Reduktion der Auflösung um mindestens Faktor 10). Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 16

17 Inhaltsverzeichnis 2.Visuele Wahrnehmung 1.Funktionsweise des menschlichen Auges 2.Wahrnehmung von 1.Heligkeit und Kontrast 2.Farbe 3.Visuele Aufmerksamkeit 4.Objekte und Gruppen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 17

18 Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 18

19 Wahrnehmung von Heligkeit Die Retina besteht aus Photorezeptoren und mehreren Neuronenschichten. Jedes Neuron ist mit mehreren Komponenten der darunterliegenden Schicht verbunden, so das jede Ganglionzele permanent die gebündelte Information aus vielen Photorezeptoren in Form von Impulsen an das Gehirn weiterleitet. (126 Mio. Rezeptoren, 1 Mio. Ganglienzelen) Das reziptive Feld einer Zele ist der Bereich der Photorezeptoren, der Informationen an diese Zele sendet. Bei Ganglionzelen ist das rezeptive Feld rund. Ganglienzellen Fotorezeptoren Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 19

20 Wahrnehmung von Heligkeit Die Retina besteht aus Photorezeptoren und mehreren Neuronenschichten. Jedes Neuron ist mit mehreren Komponenten der darunterliegenden Schicht verbunden, so das jede Ganglionzele permanent die gebündelte Information aus vielen Photorezeptoren in Form von Impulsen an das Gehirn weiterleitet. (126 Mio. Rezeptoren, 1 Mio. Ganglienzelen) Das reziptive Feld einer Zele ist der Bereich der Photorezeptoren, der Informationen an diese Zele sendet. Bei Ganglionzelen ist das rezeptive Feld rund. Das reziptive Feld wird in ein Zentrum und ein Umfeld unterteilt und man unterscheidet On-Zentrum-Neurone und Of-Zentrum-Neurone. On-Zentrum-Neurone haben ein eregendes Zentrum und ein hemmendes Umfeld, bei Of-Zentrum Neuronen verhält es sich umgekehrt. Durch Eregung und Hemmung wird die Feuerate des Neurons manipuliert. Beleuchtung (weiß) und Feuerrate eines On-Zentrum-Neurons Feuerrate beim Betrachten einer Kante Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 20

21 Wahrnehmung von Heligkeit Als Model für das konzentrische reziptive Feld dient eine Diferenz von Gaußverteilungen (DOG) f (x)=α 1 e (x/w 1 )2 α 2 e (x/w 2 )2 1 2 w 1 w 2 wobei die Verstärkung, die Abschwächung, die Breite des Zentrums, die Breite der Umgebung und x der radiale Abstand zum Mittelpunkt ist. Die Rezeptoren im Auge reagieren also auf Differenzen und messen nicht exakte numerische Helligkeitswerte. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 21

22 Optische Täuschungen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 22

23 Optische Täuschungen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 23

24 Optische Täuschungen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 24

25 Optische Täuschungen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 25

26 Optische Täuschungen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 26

27 Optische Täuschungen Mit dieser Theorie kann man einige optische Täuschungen erklären. Hermann Giter (links): Schwarze Punkte erscheinen an den Schniten weißer Geraden. Kontrast Ilusion (rechts): Abhängig von der Hintergrundfarbe wird ein und derselbe Grauton unterschiedlich wahrgenommen. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 27

28 Optische Täuschungen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 28

29 Optische Täuschungen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 29

30 Optische Täuschungen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 30

31 Optische Täuschungen Machsche Streifen: Werden Flächen unterschiedlicher Graufärbung (ohne Gradient) nebeneinander abgebildet, sieht man an den Übergängen Machsche Streifen, d.h. der Kontrast an den Grenzen wird verstärkt. Cornsweet Ilusion: Auf einer einfarbigen Fläche wird eine Kante eingezeichnet die auf der einen Seite dunkel und auf der anderen hel ausläuft. Dadurch erscheinen die beiden Flächenstücke in unterschiedlichen Grautönen. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 31

32 Optische Täuschung in der Visualisierung Optische Täuschungen können starken Einfluß auf die Güte von Visualisierungen haben, z.b. wenn Werte in einer Karte in Grautönen kodiert sind. Hier treten Ablesefehler von bis zu 20% auf [W.S. Cleveland und R.A. McGil. A color-caused optical ilusion on a statistical graph. American Statistician 37(2): ; C. Ware und J.C. Beaty. Using color dimensions to display data dimensions. Human Factors 30(2): , 1988.]. Artefakte treten auch bei der Betrachtung von 3D Objekten auf, wenn vereinfachte Schatierungstechniken (Flächenbasierte Schatierung, Gouraud- Schatierung) verwendet werden. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 32

33 Optische Täuschung in der Visualisierung [Ware 04] Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 33

34 Optische Täuschung in der Visualisierung Optische Täuschungen können auch hilfreich sein, wenn es z.b. darum geht Objekte hervorzuheben. Hier kann die veränderte Wahrnehmung genutzt werden um Kanten zu verstärken. George Seurat Bathers at Asnières (1884) (Schwarz-weiß-Version des farbigen BIldes) Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 34

35 Optische Täuschung in der Visualisierung [ Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 35

36 Anpassung an verschiedene Lichtverhältnisse Die Wahrnehmung von Licht in Form von Diferenzen ist wichtig für die Anpasung an unterschiedlichste Beleuchtungsituationen. Die physikalische Intensität des Lichtes in unserer Umgebung ist sehr variabel (heles Sonnenlicht bis schwaches Sternenlicht). Das menschliche Auge kann sich diesem breiten Spektrum an Lichtverhältnisen gut anpasen. Dies geschieht zum einen durch Verengung der Pupile und zum anderen durch Änderung der Sensitivität der Photorezeptoren. Die Sensitivität der Photorezeptoren wird durch die Anzahl aktiver Photopigmente gesteuert. Bei viel Licht wird ein Teil gebleicht. Bei wenig Licht werden die Photopigmente wieder regeneriert und das Auge ist sensitiver. Abgesehen von den kurzen Anpasungsperioden bei Wechsel zwischen helen und dunklen Räumen nehmen wir die Anpasung kaum wahr. Veränderung der Lichtverhältnise um einen Faktor zwei werden kaum wahrgenommen. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 36

37 Subjektive Wahrnehmung der Leuchtintensität Den Zusammenhang zwischen physikalischer Intensität I und wahrgenommener Intensität S kann man für Licht in abgedunkelten Räumen gut durch Stevensche Potenzfunktion beschreiben S=a I n Der Wert n hängt von der Größe des betrachten Lichtfeldes ab. Bei runden Flächen der Größe 5 des Sichtfeldes ist n = 0.333, bei Lichtpunkten n = 0.5. Die Normierungskonstante a wird auf 1 gesetzt. Wahrgenommene Intensität bei steigender physikalischer Intensität für flächige Lichtquellen (n=0.333, blau) und Punktlichter (n=0.5, rot). Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 37

38 Physikalische und wahrgenommene Intensität Zum Vergleich hier die Kurven einiger anderer sensorischer Kanäle Wahrgenommene Intensität Elektrische Schocks n=3,5 Rotsätigung n=1,7 Heligkeitskontrast (Grauwerte) n=1,2 Länge n=1,0 Fläche n=0,7 Lautstärke und Tiefe n=0,67 Heligkeit Punktlicht n=0,5 Heligkeit Fläche n=0,33 Physikalische Intensität Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 38

39 Kanalefektivität Hieraus läst sich eine Rangfolge für die Kanalefektivität (stetige Atribute) ableiten [Munzner 12]: Position Länge Winkel/Neigung Fläche Krümmung Volumen Heligkeit (schwarz/weiß) Farbsätigung Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 39

40 Anpassung an verschiedene Lichtverhältnisse Eine weitere Anpasung an die altäglichen Lichtverhältnise auf der Erde ist die unterschiedliche Sensitivität für verschiedene Welenlängen/Farben. Die Wahrnehmung von Heligkeit durch das menschliche Auge hängt stark von der Welenlänge des Lichts ab. Die spektrale Sensitivität V(λ) für unterschiedliche Wellenlängen λ ist in einem Standard der Commission Internationale de l'eclairage (CIE) festgehalten. Die wahrgenommene Leuchtdichte (Heligkeit einer Fläche) ergibt sich als Integral über das Produkt aus spektraler Sensitivität und Lichtverteilung E(λ): 700 L= 400 V E d Die Sensitivität für blaue Farbe (~450 nm) auf dem Bildschirm beträgt nur 4% der Sensitivität von grün (~560 nm). Dies ist von Vorteil, wenn man lange große blaue Flächen (Himmel) betrachtet (weniger anstrengend), aber von Nachteil in Grafiken und formatiertem Text (Luminanzkontrast, Chromatische Aberration). Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 40

41 Chromatische Aberation Chromatische Aberation: Licht unterschiedlicher Welenlänge wird unterschiedlich stark gebrochen und wird dadurch in unterschiedlicher Tiefe fokusiert. Efekte: Betrachtet man roten oder weißen Text auf schwarzem Grund, erscheint nebenstehender blauer Text unleserlich Wird gleichzeitig blauer und roter Text auf schwarzem Grund dargestelt, erscheint dieser oft unterschiedlich tief (60% sehen rot näher, 30% blau näher, 10% keinen Unterschied). Den meisten Menschen erscheint rot näher als blau. Manchen Menschen erscheint dies jedoch genau anders herum. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 41

42 Unterscheidung von Grautönen Ein weiterer wichtiger Aspekt der visuelen Wahrnehmung ist die wahrgenommene Distanz zwischen in der Szene enthaltenen Grautönen und ihre Unterscheidbarkeit. Auch nach diesem Kriterium kann man Visualisierungsarten empfehlen, indem man diejenigen auswählt, die das genaueste Ablesen der Daten ermöglichen. Bei der subjektiven Wahrnehmung von Grautönen gilt für die kleinste wahrnehmbare Intensitätsdiferenz nach dem Weberschen Gesetz, I I =0.005 d.h. eine Veränderung von 0.5% kann wahrgenommen werden. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 42

43 Isoluminanz Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 43

44 Isoluminanz Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 44

45 Visuele Sensitivität bei räumlichen Kontrasten Die Fähigkeit Kontraste wahrzunehmen wir mit Hilfe eines Sinusmusters untersucht: wobei a der Kontrast (Amplitude), ω die Wellenlänge, Φ die Phase, x die Bildschirmposition und L [0;1] die Helligkeit ist. Es können folgende Parameter verändert werden: Räumliche Frequenz (Anzahl der Streifen pro Grad des visuelen Feldes) Orientierung L=0.5 a 2 sin 2 x Kontrast (Amplitude der Sinusfunktion) Phase (Seitliche Verschiebung) Größe des überdeckten Sichtfeldes Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 45

46 Visuele Sensitivität bei räumlichen Kontrasten In Experimenten wird nun getestet wo die Grenzen der Wahrnehmbarkeit bei verschiedenen Parametereinstelungen liegen. Frequenz Kontrast Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 46

47 Visuele Sensitivität bei räumlichen Kontrasten In Experimenten wird nun getestet wo die Grenzen der Wahrnehmbarkeit bei verschiedenen Parametereinstelungen liegen. Als Kenngröße benötigt man den Kontrast C: C= L max L min L max L min Minimale Helligkeit Maximale Helligkeit Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 47

48 Visuele Sensitivität bei räumlichen Kontrasten In Experimenten wird nun getestet wo die Grenzen der Wahrnehmbarkeit bei verschiedenen Parametereinstelungen liegen. Frequenz Kontrast Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 48

49 Unterscheidbarkeit in der Visualisierung In der Visualisierung solte man darauf achten, solte man darauf achten, das die Anzahl der Klasen so gewählt ist, das ihre Elemente unterschieden werden können. Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 49

50 Visueler Stress Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 50

51 Visueler Stress Visueler Stres kann durch verschiedene visuele Stimuli ausgelöst werden, die in Raum oder Zeit Muster bilden. Beispiele Streifenmuster Schneles wiederholtes Aufleuchten von grelen Lichtern Gleichmäßig bewegte Muster Symptome Übelkeit Probleme beim Lesen von Text (ähnliches Muster) Bis hin zu epileptischen Anfälen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 51

52 Moireefekt in Diagrammen Grundlagen SciVis 3. Wahrnehmung 52

53 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 53