visualisierung - goethe university frankfurt...semiology of graphics: diagrams networks, maps,...
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Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Goethe-Universität, FrankfurtGraphische Datenverarbeitung
Visualisierung
Prolog und Einführung
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 2Visualisierung0. Prolog und Einführung
Übersicht
1. Einordnung in GDV Veranstaltungen
2. Organisatorisches
3. Definition „Visualisierung“ und erste Beispiele
4. Themen dieser Vorlesung
5. Literaturempfehlungen + weitere Quellen
6. Ziele, Anforderungen und Qualitätskriterien
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 3Visualisierung0. Prolog und Einführung
Übersicht (Fortsetzung)
7. Zusammenfassung
8. Glossar
9. Ausblick – Nächste Schritte
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Ort und Kontakt
Prof. Dr. Detlef Krömker
Robert-Mayer-Straße 10 (Mathe-Turm) R 606
Tel.: 49 (0)69-798 - 24600
Email: [email protected]
www: http://www.gdv.informatik.uni-frankfurt.de
Sprechstunde: nach Vereinbarung
Sekretariat RM 10 R 607
Frau Goinar - Tel.: 49 (0)69 798 – [email protected]
Johann Wolfgang Goethe-Universität
Fachbereich Informatik und Mathematik
Graphische Datenverarbeitung
Robert-Mayer-Straße
Varrentrapp
straße
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
... aber erst einmal
Wer kennt mich nicht?
Ich kenne Sie nicht – zumindest nicht alle!
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Zur Veranstaltung 2V + 2Ü 6ECTS Credits
Vorlesung� Mittwochs 12.00 s.t. – 13.30 Uhr
� Sie brauchen Zeit fürs selbst machen! Implementieren � Übung!
� Forschungsnahes Lernen: Paper lesen! ... kurz und knapp wiedergeben ... bewerten in der 2. Hälfte: jede(r) einmal ... Übung oder Vorlesung
� Folien und Infos zur Veranstaltung: www.gdv.informatik.uni-frankfurt.de
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Bachelor-Master Diplom
BachelorBasismodule
PRG 1
BachelorVertiefung Angewandte Informatik ANI
Master Vertiefung VC
PRG-PR
BachelorErgänzung
OGL 6 CP 2V+2Ü
CG6 CP 2V+2Ü
DBV 6 CP 2V+2Ü
HCI4 CP 2V+1Ü
MMS3CP 2V
BVC-PR8 CP 4PR
ANI-BS3 CP 2S
PM3 CP 2V+1Ü
EDGI
NMG**)3 CP 2V+1Ü
ANIM 4 CP 2V+1Ü
VIS (E)6 CP 2V+2Ü
ADR 3 CP 2V
MR 4 CP 2V+1Ü
BK 4 CP 2V+1Ü
ROB 3 CP 2V
ROB-PR 4 CP 2V+1Ü
Zyklus Vorlesungen / Übungen Praktika Seminare
MVC-PR8 CP 4PR
SS
SS
WS
WS
WS
WSGrund-studium
Haupt-studium
ZuordnungPT 3PTBI
P5/P6
Bachelor/Master- und Diplomarbeiten
Klassische und Strukturierte Promotion ComputerGrafik
Kolloquium
CG-S.3 CP 2S
Struktur des Lehrangebotes im Bereich Visual Computing
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 8Visualisierung0. Prolog und Einführung
Organisation
�Vorlesungsfolien auf WWW Serverhttp://www.gdv.cs.uni-frankfurt.de/
� Leistungsschein (Diplom) erfolgreicheTeilnahme an der Übung!
�Master (= Prüfung)
�Rechner-Account bei GDV / AGC (nach Übungsanmeldung möglich, im Sekretariatmelden)
1. Übung: Nächste Woche (Jörg Demmer)
Leistung wird benotet!
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 9Visualisierung0. Prolog und Einführung
Definition „Visualisierung“Grundsätzliches
�Visualisierung bezeichnet den Vorgang der Sichtbarmachung von Materie, Energie, Information oder Prozessen.
� In der Informatik reduziert sich dieses auf die Visualisierung von Daten, Informa-tionen, Modellen, ...
� „In der Tat ist der Mensch ein Augentier“.Herbert W. Franke
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 10Visualisierung0. Prolog und Einführung
Etwas Altbekanntes
„Imagination oder Visualisierung und besonders die Benutzung von Diagrammen haben einen entscheidenden Anteil an der wissenschaftlichen Forschung.“
Rene Descartes, 1637
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 11
VisualisierungModerne Definition(-sversuche)
� Zwei Aspekte:� “making visible, especially to one’s mind (things not
visible to the eye)”� modernes Mikroskop, Teleskop, ... Bsp. Molekül
� “forming a mental image of something (thing notpresent to the sight, an abstraction, etc.)”�... Informationsvisualisierung ...
� the use of computers or techniques forcomprehending data or to extract knowledge fromthe results of simulations, computations, ormeasurements Mc Cormick, De Fanti, Brown 1987
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 12Visualisierung0. Prolog und Einführung
Visualisierung als Anwendung der Computergraphik -- Meilensteine
1967-81 Arbeiten + Theorien von Jacques Bertin:„Graphics is the visual means of resolving logical problems.“
� Semiology of Graphics: Diagrams Networks, Maps, Madison, University of Wisconsin Press, 1983, übersetzt von W.J. Berg (Original als französische Ausgabe, 1967).
� La Graphique et le Traitement Graphique de l‘Information, Paris 19??.(als deutsche Übersetzung erschienen: Graphische Darstellungen und die graphische Weiterverarbeitung der Information, Walter de Gruyter, Berlin 1982, auch als englische Übersetzung erschienen: Graphics and Graphics Information Processing, Walter de Gruyter, Berlin 1977 (?) /1981)
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 13Visualisierung0. Prolog und Einführung
Meilensteine (2)
1983 Edward R. Tufte
The Visual Display of Quantitative Information, Graphics Press, Cheshire,CT 1983.
Envisioning Information, Graphics Press, Cheshire,CT 1990.
Visual Explanations: Images and Quantities, Evidence and Narrative, Graphics Press, Cheshire,CT 1997.
1986 NSF/SIGGRAPH WorkshopVisualization in Scientific Computing
Mc Cormick, De Fanti, Brown, 1987
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 14Visualisierung0. Prolog und Einführung
ZwischenrufNSF – SIGGRAPH?
NSF
SIGGRAPH
National Science Foundation, US Organisation zur Forschungs-förderung, vergleichbar zur deutschen DFG (Deutsche Forschungs-gemeinschaft)
Special Interest Group on Graphics, Teil der US Organisation ACM
(Association of Computing Machinery)
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 15Visualisierung0. Prolog und Einführung
Nachdenken
„The purpose of computation is insight, not numbers.“
Hamming, 1973
„The purpose of visualization is insight, not pictures.“
Generalisierung: perceptualization, insbesondere sonification und tactilization,
haptilization, ...
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 16Visualisierung0. Prolog und Einführung
Visualisierung: unscharfe Trennung (nach Card, Mackinlay, Shneiderman)
(Scientific) Visualization
The use of computer-supported, interactive, visual representations of data to amplify cognition.
Daten sind oft technischen, naturwissenschaftlichen Ursprungs (Messung, Simulation) � oft existiert „natürliche“ , naheliegende räumliche Repräsentation
Information VisualizationThe use of computer-supported, interactive, visual representations of abstract data to amplify cognition.
„allgemeinere“ Daten: Geschäftsdaten, Finanzdaten, „Dokumente“ ... oder Datenbankinhalte = strukturierte abstrakte Daten ohne „natürliche“ , naheliegende räumliche Repräsentation
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 17Visualisierung0. Prolog und Einführung
Beispiele Scientific Visualization
a)Raumbezogene Daten
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 18Visualisierung0. Prolog und Einführung
Beispiel Informationsvisualisierung
[Ahlberg, Williamson, Shneiderman, 1992]
Klassisches Periodensystem(Mendeleyev)Ergänzt um 6 sliders:atomic massatomic numberatomic radiusionic radiusionization energyelectronegativity
Experiment: 18 chemistry students1 aktive Diagramme (dynamic queries) 2 same visualisation, but number boxes
3 textual input and output
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 19
Visualisierungs-Prinzipien
Abbildung von Daten / Informationen Freiheits-auf (visuelle) Wahrnehmungsprimitive grade(visuelle Attribute)
� Form 2 oder 3� Position, Orientierung, Größe (2+2+2) 3+3+3� Farbe 3 (aber max. 2 nutzen)� Textur 2 ... 5 � Zeit 1Achtung: - Wahrnehmung der Primitive ist nicht unabhängig
- oft Redundanz zu empfehlen / notwendig
GESTALTEN
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 20
Das Visualisierungsproblem
8 1E-09 0,39269908 0,78539816 1,17809725 1,57079633 1,96349541-6,28318531 -3,8998E-17 -3,8003E-17 -3,511E-17 -3,0583E-17 -2,4827E-17 -1,835E-17-5,89048623 -0,06496636 -0,06330941 -0,05849027 -0,05094748 -0,04135887 -0,03056849-5,49778714 -0,12861662 -0,1253363 -0,11579564 -0,10086286 -0,08187988 -0,06051772-5,10508806 -0,1809723 -0,17635667 -0,16293232 -0,14192089 -0,11521054 -0,08515253-4,71238898 -0,21220659 -0,20679434 -0,19105306 -0,16641523 -0,13509491 -0,09984914-4,3196899 -0,21387636 -0,20842152 -0,19255637 -0,16772468 -0,13615792 -0,10063481-3,92699082 -0,18006326 -0,17547081 -0,16211389 -0,14120801 -0,11463183 -0,0847248-3,53429174 -0,10827726 -0,10551569 -0,09748379 -0,08491247 -0,06893145 -0,05094748-3,14159265 7,4579E-16 7,2677E-16 6,7144E-16 5,8486E-16 4,7478E-16 3,5091E-16-2,74889357 0,13921362 0,13566303 0,1253363 0,10917317 0,08862614 0,0655039-2,35619449 0,30010544 0,29245136 0,27018982 0,23534668 0,19105306 0,14120801-1,96349541 0,47052798 0,45852733 0,42362402 0,3689943 0,29954742 0,22139658-1,57079633 0,63661977 0,62038301 0,57315917 0,49924569 0,40528473 0,29954742-1,17809725 0,7842133 0,76421222 0,70604003 0,61499051 0,49924569 0,3689943-0,78539816 0,90031632 0,87735407 0,81056947 0,70604003 0,57315917 0,42362402-0,39269908 0,97449536 0,9496412 0,87735407 0,76421222 0,62038301 0,458527332,2204E-15 1 0,97449536 0,90031632 0,7842133 0,63661977 0,470527980,39269908 0,97449536 0,9496412 0,87735407 0,76421222 0,62038301 0,458527330,78539816 0,90031632 0,87735407 0,81056947 0,70604003 0,57315917 0,423624021,17809725 0,7842133 0,76421222 0,70604003 0,61499051 0,49924569 0,36899431,57079633 0,63661977 0,62038301 0,57315917 0,49924569 0,40528473 0,299547421,96349541 0,47052798 0,45852733 0,42362402 0,3689943 0,29954742 0,221396582,35619449 0,30010544 0,29245136 0,27018982 0,23534668 0,19105306 0,14120801
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 21
Was ist dies?
0,000000001-6,283185307
-5,890486225
-5,497787144
-5,105088062
-4,71238898
-4,319689899
-3,926990817
-3,534291735
-3,141592654
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-2,35619449
-1,963495408
-1,570796327
-1,178097245
-0,785398163
-0,392699082
2,22045E-15
0,392699082
0,785398163
1,178097245
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oder dies?
-0,4
-0,2
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0,4
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0,8
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-6,2831853
-5,1050881
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-0,3926991
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1,963495409
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3,926990818
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4,712388981
5,105088063
5,497787145
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6,283185308
6,67588439
7,068583472
7,461282553
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 23
Die 2D-sinc Funktion
-6,283
-4,712
-3,142
-1,571
0,000
1,571
3,142
4,712
6,283
7,854
9,425
10,996
12,566
0,000
1,963
3,9275,890
7,854
-0,3-0,2-0,10
0,10,20,30,40,50,60,70,80,91
0,9-1
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0,3-0,4
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0,1-0,2
0-0,1
-0,1-0
-0,2--0,1
-0,3--0,2
© Prof. Dr.-Ing. Detlef KrömkerVisualisierung0. Prolog und Einführung
InViVo 4DBildgebende Verfahren in der Medizin
� Echo-cardio Datensatz
� 3 Orts- & 1 Zeitdimension
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 25Visualisierung0. Prolog und Einführung
Wechsel zwischen verschiedenen Abstraktionen und Modellen
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 26Visualisierung0. Prolog und Einführung
Projektbeispiele aus dem Projektbeispiele aus dem Projektbeispiele aus dem Projektbeispiele aus dem Anwendungsbereich Anwendungsbereich Anwendungsbereich Anwendungsbereich Chemie / PharmazieChemie / PharmazieChemie / PharmazieChemie / Pharmazie
• Immun
• Gläserner Reaktor
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 27Visualisierung0. Prolog und Einführung
Gläserner Reaktor (1)
Kopplung eines
Simulators (Speedup)
mit einem
Visualisierungssystem
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 28Visualisierung0. Prolog und Einführung
Gläserner Reaktor (2)
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 29Visualisierung0. Prolog und Einführung
Visualisierung Themen der Vorlesung (1)
1. Allgemeine Ziele und Anforderungen
2. Der Visualisierungsprozess
3. Beschreibung der Daten
4. Einflussfaktoren + Graphische SemiotikZiele, Nutzer, Ressourcen, Anwendungskontext
5. Abbildung auf Geometrie
6. Gestaltregeln-Diagramme-Helligkeit
7. Abbildung auf Farbe
8. Abbildung auf Textur und Glyphen
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 30Visualisierung0. Prolog und Einführung
Visualisierung Themen der Vorlesung (2)
9. Multiparameterdaten (2)
10. Volumendaten und Volume Rendering
11. Strömungsdaten
12. Informationsvisualisierung Data Mining, Knowledge Discovery, ...
13. Ausblick: Technologie und Anwendungen
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 31Visualisierung0. Prolog und Einführung
Literaturempfehlungen
� Heidrun Schuhmann, Wolfgang Müller:Visualisierung - Grundlagen und allgemeine Methoden
Springer 2000
� Colin Ware:Information Visualization: Perception for Design
Academic Press 2000 (Morgan Kaufmann Publishers)
� Stuart K. Card, Jock D. Mackinlay,
Ben Shneidermann
Readings in Information Visualization: Using Vision to Think
Morgan Kaufmann Publishers 1999
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 32Visualisierung0. Prolog und Einführung
Weitere wichtige QuellenInternationale Konferenzen
� IEEE Conference Serie Visualization `XX,
seit 1990 jährlich
� IEEE International Conference on Information Visualization, seit 1997 jährlich
� ACM CHI `XX ( ACM Conference on Human Factors in Computing Systems) Conference Serie der ACM SIGCHI (Special Interest Groupon Computer Human Interface) seit .. 8X jährlich
� ACM SIGGRAPH `XX, Conference Serie der ACM SIGGRAPH (Special Interest Group on Graphics) seit 1974 jährlich (ab 1992 nur noch vereinzelte Beiträge zu Visualisierungthemen)
� Eurographics ´XX, Conference Serie der Eurographics Organisation,
Genf, seit 1979 jährlich.
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 33Visualisierung0. Prolog und Einführung
Weitere wichtige QuellenZeitschriften / Journals
Transactions on Graphics
ACM Computer Graphics
IEEE Computer Graphics and Applications
Computer and Graphics
Communications of the ACM
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 34Visualisierung0. Prolog und Einführung
Zusammenfassung
�Visualisierung als Anwendung der CG
�Meilensteine der Entwicklung
�TerminologieScientific Visualization vs.
Informationsvisualisierung
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 35Visualisierung0. Prolog und Einführung
Ausblick – Nächste Schritte
�Anforderungen und Ziele� Effektivität – Expressivität – Angemessenheit
�Der Visualisierungsprozesses� Visualisierungspipeline
� Referenzmodell
� Visualisierungsszenarien