Grundlagen der wissenschaftlichen Visualisierung

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1 Grundlagen der wissenschaftlichen Visualisierung Vorlesung: Mo + Mi, 9:15 10:45, INF Übung: Mi, 14:15 15:45, INF 350 (OMZ) U011 JProf. Dr. Heike Leitte Einführung 1

2 Übungen Erstes Übungsblatt wird heute online gestellt. Bearbeitungszeit variiert. Bitte angegebenen Termin beachten! Abgabetermin: Di, , 23:59 Übung diese Woche: Gemeinsames Durchgehen des Übungsblatts Möglichkeit Fragen zu stellen Bewertung: 0-1 Punkte 0 Pkt.: nicht, fehlerhaft oder unzureichend bearbeitet 1 Pkt.: Aufgabe korrekt gelöst 2 Pkt.: Zusatzleistungen erbracht Klausurzulassung: 50% der Übungspunkte 3

3 4. Menschliche Wahrnehmung 4

4 W. S. Gilbert 5

5 The door experiment [Ware 04] 6

6 Inhaltsverzeichnis 1. Funktionsweise des menschlichen Auges 2. Wahrnehmung von 1. Helligkeit und Kontrast 2. Farbe 3. Visuelle Aufmerksamkeit 4. Objekte und Gruppen 7

7 Aufbau des menschlichen Auges Kurze Erklärung der wichtigsten Komponenten des menschlichen Auges: Iris: Reguliert die Menge des einfallenden Lichts Linse: Fokussiert ein kleines Abbild der Realität auf die Netzhaut. Netzhaut: ist mit Lichtsinneszellen bedeckt die optische Reize (Stäbchen: Helligkeit, Zapfen: Farbe) wahrnehmen. Gelber Fleck: nur hier kann man scharf sehen (5% des Sichtfeldes). Blinder Fleck: hier verlässt der Sehnerv das Auge. wikipedia] 8

8 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 ultraviolettes Licht wahrnehmen (Insekten). Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks] 9

9 Visualisierungsmedien Druck Interaktiv Bildschirm wikipedia] 10

10 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: θ=2arctan h 2d ( ) [Ware 04] 11

11 Fokussierung und Tiefenschärfe In dieser Vorlesungsreihe beschäftigen wir uns ausschließlich mit Visualisierungen, die auf einem 2D Medium präsentiert werden. Deshalb können wir die Tiefenschärfe außer Acht lassen, da stets nur auf eine Ebene fokussiert werden muss. Für 3D Visualisierungsumgebungen wie zum Beispiel Head-Mounted-Displays oder Cave muss 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 12

12 Eye Chart (Anstis) Wenn man das Zentrum fixiert ist jeder Buchstabe so skaliert, dass er die fünffache Größe des kleinsten wahrnehmbaren Buchstaben hat. 13

13 Auflösung im Sichtfeld [Ware 04] Auflösung im gesamten Sichtfeld Auflösung am Rand des Sichtfeldes 14

14 Sichtbares Feld und Schärfeverteilung Test: Sichtbarkeit von Händen Sehschärfe [Ware 04] Blickfeld der beiden Augen 15

15 Augenbewegung Um die Aufmerksamkeit auf bestimmte Aspekte zu lenken und alle Bereiche des Sichtfeldes scharf zu sehen, muss sich das Auge bewegen und verschiedene Aspekte scharfstellen. 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 schnell 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. 16

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17 Visuelle Aufmerksamkeit: Die Scheinwerfertheorie Die Scheinwerfertheorie erklärt wie die Aufmerksamkeit beim Betrachten einer Szene gesteuert wird. Grundannahme ist dass die Aufmerksamkeit wie ein Scheinwerfer ist, der verschiedene Aspekte einer Szene beleuchten kann. Fällt die Aufmerksamkeit des Betrachters auf einen kleinen Teil der Szene, kann man dort genaue Details wahrnehmen. Die Verarbeitung erfolgt seriell, so dass der Aufmerksamkeitsscheinwerfer von einem Punkt zum nächsten geleitet wird. 18

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19 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 visuelle Rezeptoren/Deg. (Durch Kombination der Information mehrere Sinneszellen 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). 22

20 Inhaltsverzeichnis 1. Funktionsweise des menschlichen Auges 2. Wahrnehmung von 1. Helligkeit und Kontrast 2. Farbe 3. Visuelle Aufmerksamkeit 4. Objekte und Gruppen 23

21 Hermann Gitter 24

22 Wahrnehmung von Helligkeit Die Retina besteht aus Photorezeptoren und mehreren Neuronenschichten. Jedes Neuron ist mit mehreren Komponenten der darunterliegenden Schicht verbunden, so dass jede Ganglionzelle permanent die gebündelte Information aus vielen Photorezeptoren in Form von Impulsen an das Gehirn weiterleitet. (126 Mio. Rezeptoren, 1 Mio. Ganglienzellen) Das reziptive Feld einer Zelle ist der Bereich der Photorezeptoren, der Informationen an diese Zelle sendet. Bei Ganglionzellen ist das rezeptive Feld rund. Ganglienzellen Fotorezeptoren 25

23 Wahrnehmung von Helligkeit Die Retina besteht aus Photorezeptoren und mehreren Neuronenschichten. Jedes Neuron ist mit mehreren Komponenten der darunterliegenden Schicht verbunden, so dass jede Ganglionzelle permanent die gebündelte Information aus vielen Photorezeptoren in Form von Impulsen an das Gehirn weiterleitet. (126 Mio. Rezeptoren, 1 Mio. Ganglienzellen) Das reziptive Feld einer Zelle ist der Bereich der Photorezeptoren, der Informationen an diese Zelle sendet. Bei Ganglionzellen ist das rezeptive Feld rund. Das reziptive Feld wird in ein Zentrum und ein Umfeld unterteilt und man unterscheidet On-Zentrum-Neurone und Off-Zentrum-Neurone. On-Zentrum-Neurone haben ein erregendes Zentrum und ein hemmendes Umfeld, bei Off-Zentrum Neuronen verhält es sich umgekehrt. Durch Erregung und Hemmung wird die Feuerrate des Neurons manipuliert. Beleuchtung (weiß) und Feuerrate eines On-Zentrum-Neurons Feuerrate beim Betrachten einer Kante 26

24 Wahrnehmung von Helligkeit Als Modell für das konzentrische reziptive Feld dient eine Differenz von Gaußverteilungen (DOG) ( x / w 1)2 f ( x )=α 1 e α 2 e wobei α die Verstärkung, α die Abschwächung, w die Breite des Zentrums, w 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. 1 ( x / w 2 )

25 Optische Täuschungen 28

26 Optische Täuschungen 29

27 Optische Täuschungen 30

28 Optische Täuschungen 31

29 Optische Täuschungen 32

30 Optische Täuschungen Mit dieser Theorie kann man einige optische Täuschungen erklären. Hermann Gitter (links): Schwarze Punkte erscheinen an den Schnitten weißer Geraden. Simultankontrast (rechts): Abhängig von der Hintergrundfarbe wird ein und derselbe Grauton unterschiedlich wahrgenommen. 33

31 Optische Täuschungen 34

32 Optische Täuschungen 35

33 Optische Täuschungen 36

34 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 Illusion: Auf einer einfarbigen Fläche wird eine Kante eingezeichnet die auf der einen Seite dunkel und auf der anderen hell ausläuft. Dadurch erscheinen die beiden Flächenstücke in unterschiedlichen Grautönen. 37

35 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. McGill. A color-caused optical illusion on a statistical graph. American Statistician 37(2): ; C. Ware und J.C. Beatty. Using color dimensions to display data dimensions. Human Factors 30(2): , 1988.]. Artefakte treten auch bei der Betrachtung von 3D Objekten auf, wenn vereinfachte Schattierungstechniken (Flächenbasierte Schattierung, GouraudSchattierung) verwendet werden. 38

36 Design besserer Falschfarbabbildungen schwarz/weiß leichter lesbar als rot/grün [Ware 04] kontinuierlicher akkurater aber weniger präzise beim Ablesen als diskret 39

37 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) 40

38 Optische Täuschung in der Visualisierung [ 41

39 Optische Täuschungen in der Visualisierung Robert Carnecky 42

40 Anpassung an verschiedene Lichtverhältnisse Die Wahrnehmung von Licht in Form von Differenzen ist wichtig für die Anpassung an unterschiedlichste Beleuchtungssituationen. Die physikalische Intensität des Lichtes in unserer Umgebung ist sehr variabel (helles Sonnenlicht bis schwaches Sternenlicht). Das menschliche Auge kann sich diesem breiten Spektrum an Lichtverhältnissen gut anpassen. Dies geschieht zum einen durch Verengung der Pupille 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 Anpassungsperioden bei Wechsel zwischen hellen und dunklen Räumen nehmen wir die Anpassung kaum wahr. Veränderung der Lichtverhältnisse um einen Faktor zwei werden kaum wahrgenommen. 43

41 Subjektive Wahrnehmung der Leuchtintensität Den Zusammenhang zwischen physikalischer Intensität I und wahrgenommener Intensität S kann man für Licht in abgedunkelten Räumen gut durch Stevenssche 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). 44

42 Physikalische und wahrgenommene Intensität 1,2 Lä ng e n= 1, 0 rau wer te) n= Hel ligk eits ko ntra st (G n=1,7 Rotsättigun g Elektrische Schocks n=3,5 Zum Vergleich hier die Kurven einiger anderer sensorischer Kanäle Wahrgenommene Intensität n=0,7 Fläche e n=0,67 f ie T d n ke u Lautstär Helligkeit Punktlicht n=0,5 Helligkeit Fläche n=0,33 Physikalische Intensität 45

43 Kanaleffektivität Hieraus lässt sich eine Rangfolge für die Kanaleffektivität (stetige Attribute) ableiten [Munzner 12]: Position Länge Winkel/Neigung Fläche Krümmung Volumen Helligkeit (schwarz/weiß) Farbsättigung 46

44 Anpassung an verschiedene Lichtverhältnisse Eine weitere Anpassung an die alltäglichen Lichtverhältnisse auf der Erde ist die unterschiedliche Sensitivität für verschiedene Wellenlängen/Farben. Die Wahrnehmung von Helligkeit durch das menschliche Auge hängt stark von der Wellenlänge 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 (Helligkeit einer Fläche) ergibt sich als Integral über das Produkt aus spektraler Sensitivität und Lichtverteilung E(λ): 700 L= 400 V λ E λ d λ 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). 47

45 Chromatische Aberration Chromatische Aberration: Licht unterschiedlicher Wellenlänge wird unterschiedlich stark gebrochen und wird dadurch in unterschiedlicher Tiefe fokussiert. Effekte: Betrachtet man roten oder weißen Text auf schwarzem Grund, erscheint nebenstehender blauer Text unleserlich Wird gleichzeitig blauer und roter Text auf schwarzem Grund dargestellt, 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. 48

46 Unterscheidung von Grautönen Ein weiterer wichtiger Aspekt der visuellen 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 Intensitätsdifferenz nach dem Weberschen Gesetz, ΔI =0.005 I d.h. eine Veränderung von 0.5% kann wahrgenommen werden. 49

47 Visuelle Sensitivität bei räumlichen Kontrasten Die Fähigkeit Kontraste wahrzunehmen untersuchen wir mit Hilfe eines Sinusmusters. Es können folgende Parameter verändert werden: Räumliche Frequenz (Anzahl der Streifen pro Grad des visuellen Feldes) Orientierung Kontrast (Amplitude der Sinusfunktion) Phase (Seitliche Verschiebung) Größe des überdeckten Sichtfeldes Als Kenngröße benötigt man den Kontrast C: Lmax Lmin C= Lmax + Lmin 50

48 Visuelle Sensitivität bei räumlichen Kontrasten In Experimenten wird nun getestet wo die Grenzen der Wahrnehmbarkeit bei verschiedenen Parametereinstellungen liegen: a 2π x ϕ L=0.5+ sin ω + ω 2 Wellenlänge, Φ die Phase, x die wobei a der Kontrast (Amplitude), ω die Bildschirmposition und die Helligkeit ist. L [0 ; 1] ( ) Kontrast Frequenz 51

49 Unterscheidbarkeit in der Visualisierung In der Visualisierung sollte man darauf achten, dass die Anzahl der Klassen so gewählt ist, dass ihre Elemente unterschieden werden können. 52

50 Visueller Stress 53

51 Visueller Stress Visueller Stress kann durch verschiedene visuelle Stimuli ausgelöst werden, die in Raum oder Zeit Muster bilden. Beispiele Streifenmuster Schnelles wiederholtes Aufleuchten von grellen Lichtern Gleichmäßig bewegte Muster Symptome Übelkeit Probleme beim Lesen von Text (ähnliches Muster) Bis hin zu epileptischen Anfällen 54

52 Moireeffekt in Diagrammen 55

53 Inhaltsverzeichnis 1. Funktionsweise des menschlichen Auges 2. Wahrnehmung von 1. Helligkeit 2. Kontrast 3. Farbsysteme 4. Farbtheorie 3. Visuelle Aufmerksamkeit 4. Objekte und Gruppen 56

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56 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 dessen 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 schnell zu identifizieren. Sie hilft Objekteigenschaften zu bestimmen, wie zum Beispiel ob ein Apfel reif oder Fleisch frisch ist. Daher sollte Farbe eher als Attribut eines Objekts betrachtet werden, anstatt als sein charakteristische Eigenschaft. gut für: markieren, kategorisieren eher schlecht zum Darstellen von Form, Detail oder Raum. 59

57 Drei Sorten von Photorezeptoren Der Mensch besitzt drei Typen von Zapfen, wobei jeder seine maximale Sensitivität bei einer anderen Wellenlänge 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 alle Farben wahrnehmen können, reicht ein Farbsystem bestehend aus drei Grundtönen um alle vom Menschen wahrnehmbaren Farben darzustellen ( Dreifarbenlehre). Farben werden deshalb in einem 3D Farbraum dargestellt. Je nach Anwendung haben diese eine unterschiedliche Basis. Ca. 8% der Männer und ca. 1% der Frauen weisen eine Farbschwäche auf. Dabei handelt es sich häufig (99%) um das Fehlen der Zapfen sensitiv für Grün oder Rot. 60

58 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: alle wahrnehmbaren Farben farbiges Dreieck: alle am Monitor darstellbaren Farbarten (hellste darstellbare RGB-Farbe in jedem Punkt) 61

59 Dreifarbtheorie Man kann eine beliebige (Licht)Farbe C mittels additiver Mischung der Grundfarben (Licht oder physische Farbe) Rot (R), Grün (G) und Blau (B) als ausdrücken. C=r R+g G +b B 62

60 CIE Standard für Farben Das Commission Internationale de l'eclairage (CIE) System verwendet drei abstrakte Primärfarben X, Y, Z, die gute mathematische Eigenschaften aufweisen. Y entspricht der Leuchtdichte (Helligkeit von Lichtflächen). Wahrnehmbare Farben sind als graues Volumen dargestellt. Die Messungen 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. 63

61 CIE Normfarbtafel Die CIE Normfarbtafel hat einige interessante Eigenschaften: Wenn zwei farbige Lichtquellen als Punkte im Diagramm dargestellt werden, liegen die Farben die als Mischung dieser beiden Lichtquellen erzeugt werden können auf einer Linie. Alle Farben innerhalb eines Dreiecks, dessen Eckpunkte drei farbige Lichtquellen repräsentiert, können mit Hilfe dieser Lichtquellen erzeugt werden. Die hufeisenförmige Spektralfarblinie enthält alle Farben mit den höchsten Sättigungsgraden in den einzelnen Farbtönen. Man sieht sie, wenn man Licht betrachtet, dass nur aus einer Wellenlänge 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. 64

62 Munsell Farben Beschreibt den Raum der Farben unter Verwendung psychologischer Aspekte: Helligkeit, Farbwert und Chromatizität. Der Unterschied zwischen Nachbarfarben ist ungefähr gleich, Komplementärfarben liegen gegenüber. 65

63 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. CIELAB ist gegeben durch b* =200[ f (Y / Y n ) f (Z /Z n)] {( ) t * L =116 f (Y /Y n ) 16 a* =500 [ f ( X / X n ) f (Y /Y n)] mit f (t )= 1 / t wenn t> 29 3 ( ) sonst Die (wahrgenommene) Distanz zweier Farben ist für kleine Farbdifferenzen u', Δ E * = (Δ L * )2 +(Δ a * )2 +(Δ b * )2 v' Die Distanz Δ E* =1 entspricht der gerade wahrnehmbaren Differenz. 68

64 Anmerkungen zu gleichabständige Farbräumen Bild: Wikipedia Gleichabständige Farbräume geben nur eine ungefähre Schätzung der tatsächlich wahrgenommen Differenzen wieder, da die Wahrnehmung durch viele Außenfaktoren beeinflusst wird: Kontrasteffekte (Hintergrundfarbe vs. Objektfarbe) Größe der Farbflächen In CIELAB liegen Mischfarben nicht mehr auf Geraden 69

65 Inhaltsverzeichnis 1. Funktionsweise des menschlichen Auges 2. Wahrnehmung von 1. Helligkeit 2. Kontrast 3. Farbsysteme 4. Farbtheorie 3. Visuelle Aufmerksamkeit 4. Objekte und Gruppen 70

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67 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 mittels drei Gegenfarbpaaren erklärt. Diese sind Blau-Gelb, Rot-Grün und Schwarz-Weiß. Farben werden dann als Kombination dieser drei Empfindungsdimensionen definiert. 72

68 Verarbeitung der Rezeptorinformation im Gegenfarbenmodell Sensorische Verarbeitung von Farbe im Gegenfarbenmodell: Helligkeitskanal: Verarbeitung aller drei Farben Rot-Grün-Kanal: Differenz zwischen Rot und Grün Blau-Gelb-Kanal: Blau (Rot + Grün) 73

69 Benennung von Farben 74

70 Farbnamen Untersuchungen über die Benennung von Farben haben folgende Ergebnisse 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 sollen.) 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 Aussagekraft, da dies stark vom Hintergrund abhängt. Dunkles Gelb wird als Braun wahrgenommen. 75

71 Farbwahrnehmung Abhängig von vielen äußeren Faktoren können Farben sehr unterschiedlich erscheinen. Wenn sicher gestellt werden soll, dass eine Farbe in einem bestimmten Ton wahrgenommen wird, müssen diese äußeren Faktoren eingerechnet werden. Entweder man passt also die äußeren Faktoren einem Standard an oder die Farbe den äußeren Faktoren. Ähnlich der Anpassung an verschiedene Helligkeiten, kann sich das Auge auch an verschiedene Beleuchtungsfarben anpassen. Wird ein Raum z.b. mit blauem Licht beleuchtet passen sich die Photorezeptoren an und reagieren weniger sensitiv auf blaues Licht, so dass Farben konstant wahrgenommen werden können. Ähnliche Effekte kann man beim Tragen von farbigen Sonnenbrillen beobachten. Ähnlich der Kontrastillusion 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 matt beschrieben. Diese Eigenschaften spiegeln sich in der Sättigung das Farbtons wieder. (Hohe Sättigung entspricht der Vollfarbe, niedrige Sättigung geht in Richtung schwarz/weiß/grau.) 76

72 Isoluminanz 77

73 Isoluminanz 78

74 Isoluminanz Isoluminanz bedeutet, dass sich zwei Farben lediglich in ihrem Farbton unterscheiden, nicht in ihrer Helligkeit. Farben gleicher Helligkeit erscheinen seltsam nebeneinander und Grenzen sind schwer zu erkennen. (Bei Text auf farbigem Grund sollte man Isoluminanz also vermeiden.) Claude Monet Impression, Sonnenaufgang Isoluminanz bei Text 79

75 Isoluminanz Isoluminanz bedeutet, dass sich zwei Farben lediglich in ihrem Farbton unterscheiden, nicht in ihrer Helligkeit. Farben gleicher Helligkeit erscheinen seltsam nebeneinander und Grenzen sind schwer zu erkennen. (Bei Text auf farbigem Grund sollte man Isoluminanz also vermeiden.) Da Formen nur über Helligkeitswerte verarbeitet werde, stört es nicht, wenn Objekte in falschen Farben gemalt werden, so lange die Helligkeit stimmt. Claude Monet Impression, Sonnenaufgang André Derain Isoluminanz bei Text 80

76 Farbwahldialoge In vielen Anwendungen muss der Benutzer die Möglichkeit haben selber Farben zu spezifizieren. Dies kann mittels Farbnamen, Farbpaletten oder mittels eines Kontrollmenüs zur Eingabe eines Punktes in 3D geschehen. Die meiste Freiheit bieten Kontrollmenüs. Da die Spezifikation einer Farbe mittels RGB Werten für die meisten Menschen eher schwierig ist, werden häufig Menüs verwendet die die Kontrollparameter in Farbton (hue), Sättigung (saturation) und Hellwert (value) aufteilen (HSV Modell). Keines der Modelle ist perfekt und eine optimale Darstellung bisher noch nicht gefunden. Farbton (hue) Sättigung (saturation) 81

77 Farbkodierung von Objekten Bei der Verwendung von Farbe zur Unterscheidung von Merkmalen müssen einige Punkte beachtet werde: Unterscheidbarkeit: Die Farben soll leicht voneinander zu unterscheiden sein. Wenn es darum geht ein Objekt einer bestimmten Farbe schnell zu finden, sollte diese außerhalb der konvexen Hülle der anderen Farben liegen. 82

78 Farbkodierung von Objekten Bei der Verwendung von Farbe zur Unterscheidung von Merkmalen müssen einige Punkte beachtet werde: Unterscheidbarkeit: Die Farben soll leicht voneinander zu unterscheiden sein. Wenn es darum geht ein Objekt einer bestimmten Farbe schnell zu finden, sollte diese außerhalb der konvexen Hülle 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 sollten, wenn möglich, nicht mehrere Farben aus der gleichen Farbfamilie zur Kodierung verwendet werden. Kontrast zum Hintergrund: Es muss beachtet werden, dass 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 sollten Farbkodierung basierend auf rot-grün Kontrasten vermieden werden. Anzahl: Nur 5 bis 10 Farben können schnell unterschieden werden. 83

79 Farbkodierung von Objekten Größe der Farbfläche: Die Größe der farblich kodierten Objekte sollte nicht zu klein sein, da sie sonst nicht unterschieden werden können. Allgemein gilt: Für kleine Farbflächen sollten stark gesättigte und stark unterschiedliche Farben verwendet werden, für große Flächen eher Farben mit niedrigerer Sättigung und geringerem Abstand. Bei farbig hinterlegtem Text sollte eine helle Farbe gewählt werden. Konventionen: Einige Farben haben bestimmte Bedeutungen Rot = heiß oder Gefahr Blau = kalt Grün = Leben Man beachte: Andere Länder, andere Sitten! (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 84

80 Farbskalen zur Wertekodierung Zur farbigen Darstellung von kontinuierlichen Werten werden häufig Farbreihen (color maps) verwendet, die jedem Wert eineindeutig eine Farbe zuordnen. In der Falschfarbendarstellung werden gezielt Farben verwendet, die nicht dem natürlichen Farbeindruck entsprechen, z.b. blaues Pferd. Anstatt der Grauwertdarstellung von Skalarwerten können Falschfarben eingesetzt werden, die den einzelnen Grauwerten unterschiedliche Farben zuordnen. Dadurch fällt es leichter Muster zu erkennen und Werte exakt abzulesen. In den Naturwissenschaften 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 sollten Reihen vermieden werden, die ungünstig für Menschen mit Farbschwäche sind. 85

81 Inhaltsverzeichnis 1. Funktionsweise des menschlichen Auges 2. Wahrnehmung von 1. Helligkeit 2. Kontrast 3. Farbsysteme 4. Farbtheorie 3. Visuelle Aufmerksamkeit 4. Objekte und Gruppen 86

82 Wo ist Walter? 87

83 Anwendungen in der Visualisierung In diesem Abschnitt geht es um die Frage, wie wir visuelle Information im Gehirn verarbeiten. Beispiele für die Visualisierung: In (Wander-)Karten wird häufig viel Information gleichzeitig dargestellt (Straßen und Wege, Vegetation, Restaurants und Schutzhütten, Höheninformation, Sehenswürdigkeiten,...). Wie kann man die visuelle Kodierung gestalten, so dass 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 wie können wir einzelne Elemente in unserer Graphik hervorheben, so dass sie sofort ins Auge springen? (Bsp. Standpunkt in Karten, ausgewählte Elemente in einer interaktiven Graphik) Bei der Verarbeitung gibt es drei wesentliche Schritte: Parallele Verarbeitung grundlegender Merkmale Mustererkennung und -segmentierung Aufgabenorientierte Verarbeitung 89

84 Forschungsgebiete für visuelle Informationsverarbeitung Die Verarbeitung von visueller Information wird mit vielfältigen Methoden untersucht: Psychophysik: Übertragung physikalischer Messprinzipien auf die menschliche Wahrnehmung, etwa zum Festlegen der kleinsten wahrnehmbaren Helligkeitsunterschiede. (Messwerte: Sichtbarkeitsgrenzen, Fehlerraten) Kognitionspsychologie: Betrachtung des Gehirns als Verband von Zentren mit festen Aufgaben. Diese Zentren werden häufig mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fmrt) untersucht. (Messwerte: Reaktionszeiten, aktive Hirnregionen) Strukturelle Analyse: Einfach Handlungen von Versuchspersonen zusammen mit Interviews zu deren Wahrnehmung und Verständnis sollen schnell Hypothesen zu Vorgängen im Gehirn liefern. (Messwerte: Bewertung auf Skala, Antworten auf Fragenkatalog, Anforderungsliste) Interkulturelle Studien: Wenn gewisse Aspekte der Wahrnehmung für alle Menschen gleich sein sollen, kann man dies durch interkulturelle 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 Aufschluss über grundlegende Verarbeitungsprozesse. 90

85 Verarbeitung visueller Information Die Verarbeitung visueller Information ist ein komplexer Prozess. Man unterscheidet grob drei Stufen der Verarbeitung: Stufe 1: Parallele Erfassung grundlegender Merkmale Im ersten Verarbeitungsschritt erfassen Milliarden Neuronen gleichzeitig unterschiedliche Merkmale des visuellen Feldes, z.b. Helligkeit, Farbe und Orientierung von Kanten. Diese initiale Verarbeitung ist zum größten Teil unabhängig davon, worauf wir unsere Aufmerksam richten. Wichtige Merkmale: Schnelle parallele Verarbeitung Extraktion fundamentaler Merkmale Information wird nur kurz gespeichert Datenbasiertes bottom-up Modell 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. 91

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88 Präattentive Wahrnehmung Die erste Stufe der Verarbeitung visueller Information erfasst das gesamte visuelle Feld. Dieser Schritt wird präattentiv genannt, da in ihm Informationen erfasst werden noch bevor Aufmerksamkeit (attention) darauf gerichtet wird. Ob ein Reiz präattentiv ist wird experimentell bestimmt, indem man die Zeit misst, die Testpersonen brauchen um den Zielreiz in einer Menge von Distraktoren zu finden. Bei Verarbeitungszeiten <10 msec pro Zielreiz geht man von einem präattentiven Reiz aus. nicht präattentiv präattentiv 94

89 Verarbeitung visueller Information Stufe 2: Mustererkennung und -segmentierung Im zweiten Verarbeitungsschritt wird das visuelle Feld in Regionen mit ähnlichen Eigenschaften unterteilt. Hierzu gehören gleiche Farbe, gemeinsame Kontur, gleiche Textur, Bewegung. Wichtige Merkmale: Schnelle parallele Verarbeitung Verwendung von Kurzzeit- und Langzeitgedächtnis Wechsel zwischen Merkmalsverarbeitung (bottom-up) und Aufmerksamkeit (topdown) Symbole erhalten mehr Beachtung Texturen können zur Strukturierung von Daten verwendet werden. Dies sollte jedoch mit Bedacht geschehen, da das Bild leicht unübersichtlich wird. 95

90 Verarbeitung visueller Information Stufe 3: Aufgabenorientierte Verarbeitung Im dritten Verarbeitungsschritt wird die Aufmerksam gezielt auf relevant Aspekte des visuellen Feldes gerichtet und wenige relevante Objekte werden im Kurzzeitgedächtnis gespeichert. Wichtige Merkmale: Langsame serielle Verarbeitung Verwendung von Kurzzeit- und Langzeitgedächtnis Top-down Verarbeitung Verarbeitung richtet sich nach der Fragestellung Verschiedene Objekte in einer Visualisierung sollte deutlich unterscheidbar sein, um diesen Prozess zu beschleunigen (vergleiche Wo ist Walter? ). 98

91 Wo ist Walter? 99

92 Lektionen für die Visualisierung Einige präattentive 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 Attribute sind im Allgemeinen ebenfalls nicht präattentiv. 100

93 Visuelles Herausspringen (visual pop-out) [Ware 08] 101

94 Visuelles Herausspringen (visual pop-out) [Ware 08] 102

95 Visuelles Herausspringen (visual pop-out) [Ware 08] 103

96 Visuelles Herausspringen (visual pop-out) [Ware 08] 104

97 Visuelles Herausspringen (visual pop-out) [Ware 08] 105

98 Inhaltsverzeichnis 1. Funktionsweise des menschlichen Auges 2. Wahrnehmung von 1. Helligkeit 2. Kontrast 3. Farbe 4. Farbtheorie 3. Visuelle Aufmerksamkeit 4. Objekte und Gruppen 106

99 107

100 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 Koffka und Wolfgang Kohler Berliner Schule der Gestaltpsychologie. 108

101 Gesetz der Nähe Elemente die nahe beieinander liegen werden als zusammengehörig wahrgenommen. Nützt wenn die Zusammengehörigkeit von Elementen dargestellt werden soll. 109

102 Gesetz der Ähnlichkeit Gleiche oder ähnliche Objekte werden gruppiert. Hilft bei der Konzentration auf verschiedene Aspekte/Hierarchien der Daten. 110

103 Gesetz der verbundenen Elemente Verbundene Objekte werden als Ganzes wahrgenommen. Hilft beim Darstellen von Zusammenhänge zwischen unähnlichen Objekten. 111

104 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. 112

105 Gesetz der Kontinuität Glatte kontinuierlich Objekte werden eher zusammengefasst als solche mit abrupten Änderungen. Macht sich schneidende Linien leichter lesbar. 113

106 Visualisierung von Vektordaten 114

107 Literatur T. Munzner. Visualization Design and Analysis: Abstractions, Principles, and Methods. Online Version des aktuellen 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 Cliffs, NJ: Prentice Hall, C. Ware. Information Visualization: Perception for Design. Morgan Kaufmann, second edition, C. Ware. Visual Thinking for Design. Morgan Kaufmann,