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Einleitung

Durch die rasant steigende Rechenleistung von PCs, PDAs, Smartphones und Handys sind heute Visualisierungstechniken selbstverständlich geworden, die vor wenigen Jahren nur durch den Einsatz von Hochleistungsrechnern möglich waren. Die Darstellung von großen Datenmengen in Echtzeit ist in vielen Anwendungen auf Standard-PCs schon selbstverständlich. Dabei steigt parallel dazu die von den Displays bereitgestellte Auflösungen und Abmessungen.

 

Diese Entwicklung führt zu vielen neuen Fragen der Usability, User-Experience und Effizienz der Schnittstellen und Datenvisualisierungen. Eng verknüpft mit Usability sind Fragen zu den kognitiven Prozessen, die es dem Menschen ermöglichen basierend auf einer Ansammlung von gefärbten Punkten auf einem Bildschirm die dargebotene Information zu entwickeln. Das Ziel einer gut designten Visualisierung ist es, dem Benutzer bei einem gegebenen Kontext und einer gegebenen Datengrundlage möglichst die Informationen zu präsentierten, die dieser benötigt, um einen bestimmten Zusammenhang der Daten erkennen zu können.

Betrachten wir den Visualisierungsvorgang schematisch, so liegen zunächst nur reine Daten vor. Der Visualisierer verfolgt eine Absicht, diese Daten durch ausgewählte Visualisierungstechniken, Farbkodierungen und geometrische Anordnungen dem Betrachter so zu präsentieren, dass eine gewünschte Information übertragen wird. Im Idealfall verwendet der Betrachter die gleiche Intention wie der Visualisierer und erkennt alle wichtigen Aspekte der Visualisierung und generiert daraus die Information.

Interdisziplinärer Ansatz

Um diese Fragestellungen zu untersuchen, verfolgen wir einen interdisziplinären Ansatz, der Konzepte, Techniken und existierende Forschungsergebnisse aufgeteilt in die drei Projekte

Interdisziplinärer Ansatz durch Kombination aus Eye-Tracking-Daten, Kognitionssimulation und Kognitions-inspirierten Visualisierungsmodellen

miteinander verbindet.

Eye-Tracking-Visualisierung

Eye-Tracking ist eine der Standardtechniken, um Aspekte der Human-Computer-Interaction zu untersuchen. Meist werden dazu Scan-Path oder Heat-Map-Visualisierungen eingesetzt. Diese Visualisierungstechniken haben den Vorteil, dass ein schneller Überblick über die Augenbewegungen eines Probanden gegeben werden kann. Zur Analyse einer größeren Anzahl von Probanden und deren Gemeinsamkeiten in ihrem Interaktionsprozess mit einer grafischen Benutzeroberfläche eignen sich diese beiden Visualisierungstechniken nur bedingt. Unser Ziel ist es, neue Visualisierungstechniken für Eye-Tracking-Daten zu entwickeln und im Rahmen von Studien zu erproben.

Typische Scan-Path-Visualisierung Die gleichen Eye-Tracking-Ergebnisse in einer Heat-Map-Darstellung

Kognitions-inspirierte Visualisierungsmodelle

Visualisierungen bauen heute meist auf technischen Programmiersprachen wie OpenGL oder DirectX auf. Oft werden Visualisierungsframeworks eingesetzt. Dadurch wird die Erstellung von Visualisierungen meist aus einem technischen Blickwinkel aus betrachtet. Das menschliche Verstehen von Visualisierungen verwendet aber nur in seinen ersten Schritten grundlegende Methoden wie Kanten-, Linien oder Gradientenerkennung. Relativ schnell findet man kognitiv höher angesiedelte Prozesse wie Mustererkennung und semantische Klassifizierungen. Durch den Einsatz von kognitiv orientierten Semantikmodellen von Visualisierungen wollen wir die Motivation geben, Visualisierungen unter diesem Blickwinkel zu untersuchen. Basierend auf diesem Ansatz sollen Techniken entwickelt werden, mit denen Visualisierungen angepasst werden können.


Anstatt rein technisch orientierte Beschreibungssprachen für Visualisierungen zu verwenden, soll untersucht werden, wie grafische Darstellungen basierend auf semantisch strukturierten Datenmodellen erstellt werden können.

Kognitions-Simulationen

Eine Kognitions-Simulation verbindet die Eye-Tracking Ergebnisse mit dem kognitions-inspirierten Modell einer Visualisierung. Dazu wird untersucht inwieweit existierende Kognitions-Simulations-Frameworks wie ACT-R, Soar oder EPIC verwendet werden können. Die Kognitions-Simulation soll als Grundlage zur Gewinnung von Usability-Kriterien für Visualisierungen und des Visual Analytics dienen. Da die simulierten Vorgänge einen hohen Grad an Komplexität aufweisen, werden speziell an die Simulation angepasste Visualisierung verwendet, um die kognitiven Prozesse besser zu verstehen und mit psychologischen Modellen vergleichen zu können.

Zusammenführung in einem interdisziplinären Ansatz

In diesem hochaktuellen Forschungsgebiet der kognitiv inspirierten Visualisierung treffen Arbeiten aus der  Mensch-Maschine-Interaktion, Usability, Psychologie, Neurowissenschaft, Kognition und Künstlichen Intelligenz zusammen. Die Forschung am Institut für Visualisierung und Interaktive System wird dabei aus Sicht der Visualisierung getrieben und ergibt dadurch einen völlig neuen Blickwinkel auf den Einsatz der beteiligten Forschungsbiete.

Ergebnisse aus Eye-Tracking-Experimenten werden unter dem Blickwinkel von gemeinsamen Augenbewegungsmustern beim Bearbeiten einer Aufgabe mit Hilfe einer Visualisierung untersucht. Zusätzlich werden semantisch annotierte Visualisierungsmodelle verwendet. Ergebnisse aus diesen beiden Projekten dienen als Grundlage zum Aufbau einer Kognitions-Simulation zur Steuerung eines virtuellen Auges.

Unser interdisziplinärer Ansatz verbindet Ergebnisse aus Eye-Tracking-Experimenten mit kognitions-inspirierten Visualisierungmodellen und Kognitions-Simulations-Frameworks.