Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Goethe-Universität, FrankfurtGraphische Datenverarbeitung

Visualisierung

Prolog und Einführung

WS 2000/20012Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Übersicht

1. Einordnung in GDV Veranstaltungen2. Organisatorisches3. Definition „Visualiiserung“ und

erste Beispiele4. Themen dieser Vorlesung5. Literaturempfehlungen + weitere Quellen6. Ziele, Anforderungen und

Qualitätskriterien

WS 2000/20013Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Übersicht (Fortsetzung)

7. Zusammenfassung 8. Glossar9. Ausblick – Nächste Schritte

WS 2000/20014Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Struktur der GDV Lehr- und Ausbildungsangebote

GDV4V+2Ü

GDV-E2V+1Ü

VIS2V+1Ü

Anim+MM2V+1Ü

PraktikumP4 AG

CGKoll.S

PSSS

WS

Diplomarbeiten

Praktikum oder HIWI im FhGLogo

WS 2000/20015Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

LehrveranstaltungenGraphische Datenverarbeitung

SS GDV (4V+2Ü) und GDV-E (2V+1Ü) (ab 2001)Seminar oder Proseminar

WS Animation und Multimedia (V2+Ü1)Visualisierung (V2+Ü1)Computergrafik mit VRML und JAVA 3D (P4)

CG Kolloquium: Computergames4 Veranstaltungen

WS 2000/20016Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Wo findet man uns?

Prof. Dr.-Ing. Detlef KrömkerVarrentrappstraße 40-42, 2. OG60486 FrankfurtTel. .: 49 (0)69 979 95-0140Email: kroemker@cs.uni-frankfurt.dewww: http://www.agc.fhg.de

Sprechstunde: Dienstag 13 –15 Uhrnach Vereinbarung

Fraunhofer-AnwendungszentrumComputergraphik in Chemie und Pharmazie (AGC)

Johann Wolfgang Goethe-UniversitätFachbereich Biologie und InformatikGraphische Datenverarbeitung

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WS 2000/20017Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Animation und MultimediaV2 + Ü1Di 8-10 Uhr Mi 12-14 Uhr (14-tägig)

ab 1.11.2000

Ziele: Rolle und Bedeutung von Bewegtbilder – (Movies?)

Kennenlernen von Methoden und Verfahren� Animation� Virtual Reality (Realtime Rendering, Immersion) und � Realtime-Medien in Multimedia (Video, Audio, ...)

Auswahl + kritische Beurteilung von Verfahren und SystemenProblemorientierte Anpassung und Ergänzung Weiterentwicklung

WS 2000/20018Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Praktikum Computergraphik mit VRML und JAVA 3D

� Ziele: Sammeln praktischer Erfahrungen mit modernen graphischen Systemen

� 4 Teilaufgaben � Grundlagen von Java 3D: Szenengraph, ..., Interaktion� Spezielle Techniken zur Animation und zum Verhalten erarbeiten +

programmieren (6 Gruppen)� Graphisches Ausmodellieren der Teilszene� Integration

� Einführungskurs VRML und JAVA 3D� Einführungskurs Graphisches Modellieren und Animation

mit 3D Studio MAX (2 + 1 Vollzeittage)� Teamarbeit, Projektarbeit, Schnittstellenfestlegung, ...� Abschlussworkshop

WS 2000/20019Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

CG Kolloquium: Computer Computer Computer Computer GamesGamesGamesGames4 Veranstaltungen

Mittwochs 16.00 Uhr – 18.00 Uhr

22. 11. Dirk Reimers Graphiktechnologien für Spiele ...

13. 12. Oliver Deussen „Superrealistische“ Pflanzen ... auch für Gamestation 2

17. 1. ?

7. 2. Ulrike SpierlingDigital Storytelling

WS 2000/200110Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

VisualisierungV2 + Ü1Mo 12-14 Uhr Mi 12-14 Uhr (14-tägig)

ab 25.10. 2000 (Christian Seiler)

Ziele: Kennenlernen der Methoden und Verfahren der� Scientific Visualization und der � Informationsvisualisierung

� Auswahl von Verfahren und Systemen� Kritische Beurteilung� Problemorientierte Anpassung und Ergänzung � Weiterentwicklung

WS 2000/200111Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Organisation

� Vorlesungsfolien auf WWW Serverhttp://www.agc.fhg.de/???

� Leistungsschein durch Fachgespräch � Belegschein: Übungsanmeldung (1. Übung oder

GDV-Sekretariat) erfoderlich� Rechner-Account bei GDV/AGC

(nach Übungsanmeldung möglich, im Sekretariat melden)ACHTUNG: Am 23.10.2000 um 12.00 Uhr Praktikumsvorbesprechung, um 13.00 - 14.00 Uhr Vorlesung

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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

WS 2000/200113Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Etwas Altbekanntes

„Imagination oder Visualisierung und besonders die Benutzung von Diagrammen haben einen entscheidenden Anteil an der wissenschaftlichen Forschung.“

Rene Descartes, 1637

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VisualisierungModerne Definition(-sversuche)

� “making visible, especially to one’s mind (things notvisible to the eye)”

� “forming a mental image of something (thing not presentto the sight, an abstraction, etc.)”

� the use of computers or techniques for comprehending data or to extract knowledge from the results of simulations, computations, or measurements

Mc Cormick, De Fanti, Brown 1987

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Visualisierung als Anwendung der Computergraphik

Meilensteine1967-81 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)

„Graphik ist das visuelle Mittel (der visuelle Weg),zur Lösung logischer Probleme.“

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Beispiel aus Bertins Arbeiten

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Meilensteine (2)

1983 Edward R. TufteThe 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

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ZwischenrufNSF – SIGGRAPH?

NSF National Science Foundation, US Organisation zur Forschungs-förderung, vergleichbar zur deut-schenDFG (Deutsche Forschungs-gemeinschaft)

SIGGRAPH Special Interest Group on Graphics, Teil der US Organisation ACM (Association of Computing Machinery)

WS 2000/200119Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

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, ...

WS 2000/200120Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Visualisierung: unscharfe Trennung (nach Card, Mackinlay, Shneiderman)

(Scientific) VisualizationThe 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

WS 2000/200121Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Beispiele Scientific Visualization

a)Raumbezogene Daten

WS 2000/200122Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

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 boxes3 textual input and output

WS 2000/200123© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Visualisierungs-PrinzipienAbbildung 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

WS 2000/200124© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

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

WS 2000/200125© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Was ist dies?

0,000000001 -6,283185307-5,890486225-5,497787144-5,105088062-4,71238898-4,319689899-3,926990817-3,534291735-3,141592654-2,748893572-2,35619449-1,963495408-1,570796327-1,178097245-0,785398163-0,3926990822,22045E-150,3926990820,7853981631,178097245

WS 2000/200126© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

oder dies?

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

-6,2

8318

53

-5,1

0508

81

-3,9

2699

08

-2,7

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36

-1,5

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63

-0,3

9269

91

0,78

5398

2

1,96

3495

4

3,14

1592

7

4,31

9689

9

5,49

7787

1

6,67

5884

4

7,85

3981

6

9,03

2078

9

10,2

1017

6

11,3

8827

3

12,5

6637

1

0,0000000010,3926990830,7853981641,1780972461,5707963281,9634954092,3561944912,7488935733,1415926553,5342917363,9269908184,31968994,7123889815,1050880635,4977871455,8904862266,2831853086,675884397,0685834727,461282553

WS 2000/200127© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Die 2D-sinc Funktion

-6,2

83-4

,712

-3,1

42-1

,571

0,00

01,

571

3,14

24,

712

6,28

37,

854

9,42

510

,996

12,5

66

0,0001,963

3,9275,890

7,854-0,3-0,2-0,1

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

10,9-10,8-0,90,7-0,80,6-0,70,5-0,60,4-0,50,3-0,40,2-0,30,1-0,20-0,1-0,1-0-0,2--0,1-0,3--0,2

WS 2000/2001Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

InViVo 4DBildgebende Verfahren in der Medizin

� Echo-cardio Datensatz� 3 Orts- & 1 Zeitdimension

WS 2000/200129Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Wechsel zwischen verschiedenen Abstraktionen und Modellen

WS 2000/200130Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Projektbeispiele aus dem Projektbeispiele aus dem Projektbeispiele aus dem Projektbeispiele aus dem Anwendungsbereich Anwendungsbereich Anwendungsbereich Anwendungsbereich Chemie / PharmazieChemie / PharmazieChemie / PharmazieChemie / Pharmazie

• Immun

• Gläserner Reaktor

WS 2000/200131Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Gläserner Reaktor (1)

Kopplung eines

Simulators (Speedup)

mit einem

Visualisierungssystem

WS 2000/200132Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Gläserner Reaktor (2)

WS 2000/200133Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Visualisierungist uralte menschliche Tradition

WS 2000/200134Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Visualisierung Themen der Vorlesung (1)

1. Allgemeine Anforderungen2. Der Visualisierungsprozess3. Beschreibung der Daten4. Einflussfaktoren

Ziele, Nutzer, Ressourcen, Anwendungskontext

5. Grundlegende Visualisierungstechniken6. Multiparameterdaten (2)

WS 2000/200135Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Visualisierung Themen der Vorlesung (2)

7. Volumendaten und Volume Rendering (2)8. Strömungsdaten9. Informationsvisualisierung

Data Mining, Knowledge Discovery, ...10.Visualisierung in der Praxis

Systeme, Visualisierungsregeln, Beispiele11.Ausblick: Technologie und Anwendungen

WS 2000/200136Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Literaturempfehlungen

� Heidrun Schuhmann, Wolfgang Müller:Visualisierung - Grundlagen und allgemeine MethodenSpringer 2000

� Colin Ware:Information Visualization: Perception for DesignAcademic Press 2000 (Morgan Kaufmann Publishers)

� Stuart K. Card, Jock D. Mackinlay, Ben ShneidermannReadings in Information Visualization:

Using Vision to ThinkMorgan Kaufmann Publishers 1999

WS 2000/200137Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

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 Group on 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.

WS 2000/200138Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Weitere wichtige QuellenZeitschriften / Journals

Transactions on GraphicsACM Computer GraphicsIEEE Computer Graphics and ApplicationsComputer and GraphicsCommunications of the ACM

WS 2000/200139Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Zusammenfassung

� Visualisierung als Anwendung der CG� Meilensteine der Entwicklung� Terminologie

Scientific Visualization vs. Informationsvisualisierung

� Beispiele

WS 2000/200140Visualisierung1. Prolog und Einführung© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Ausblick – Nächste Schritte

� Anforderungen und Ziele� Effektivität – Expressivität – Angemessenheit

� Der Visualisierungsprozesses� Visualisierungspipeline� Referenzmodell� Visualisierungsszenarien

Allgemeine Ziele und Anforderungen