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Visualisierung wissenschaftlicher Daten

Nach: Bryson, S.: Virtual environments in scientific visualization.

Erickson (1993) stellt fest, daß in unserer Gesellschaft immer größere Datenmengen anfallen, die durch geeignete Visualisierung besser verwendbar werden. Dabei werden bevorzugt

eingesetzt. Diese Techniken sind nicht auf die visuelle Darstellung beschränkt, sondern können auch auf andere Modalitäten übertragen werden. Erickson (1993) spricht deshalb in diesem Zusammenhang von perceptualization. Hierfür ist der Einsatz virtueller Realitäten besonders geeignet, da dort eine direkte Manipulation der Daten möglich wird (und deshalb das Interface unsichtbar wird), und weil prinzipiell mehrere Benutzer gleichzeitig die Daten manipulieren können.

Fairchild (1993) zerlegt das Problem, mit großen Mengen an Information umzugehen, in folgende drei Teilprobleme (und beschreibt auch Prototypen, die entsprechend implementiert sind):

Eine Teilmenge der Applikationen zur Datenvisualisierung kann nach Wann und Mon-Williams (1996) von einer dreidimensionalen Darstellung - insbesondere in Form einer virtuellen Umgebung -profitieren. Folgende Situationen sind hierfür besonders geeignet:

Insbesondere mit dem letzten Punkt befaßt sich Bryson (ohne Jahr), vor allem im Zusammenhang mit wissenschaftlichen Daten. Unter der Visualisierung wissenschaftlicher Daten (scientific visualization) versteht man die Verwendung von Computergraphiken zu deren besseren Verständnis durch komplexe Repräsentationen von wissenschaftlicher Konzepte oder Ergebnisse. Durch VR-Darstellungen lassen sich derartige Strukturen mit verschiedenen räumlichen und Tiefen-Merkmalen versehen und durch geeignete Mensch-Maschine-Schittstellen können diese Strukturen schnell und intuitiv exploriert werden. Es lassen sich auch Untersuchungen durchführen, die in der wirklichen Welt nicht möglich wären. Die Verwendung eines intuitiven, in Echtzeit arbeitenden Interfaces erleichtert die wissenschaftliche Untersuchung.

Die Darstellung in Echtzeit ermöglicht es dem Benutzer, auch Datenregionen zu betrachten, die er sonst aus Zeitgründen ignorieren würde, so daß auch interessante unerwartete Phänomene entdeckt werden können. Dabei sind die im vorigen Artikel genannten Performanzkriterien wichtig (Latenz kleiner als 100 Millisekunden und mindestens zehn Bilder pro Sekunde).

Bei der dreidimensionalen Darstellung wissenschaftlicher Daten (z.B. von simulierten Strömungsverläufen) können riesige Datenmengen anfallen. Dabei spielen aber die verwendete Hardware und Software eine begrenzende Rolle:

Wegen der riesigen Datenmengen sollte auch eine Komprimierung erwogen werden, um Engpässe bei der Datenübertragung umgehen zu können. Wenn keine sehr hohe Genauigkeit erforderlich ist, können auch verschiedene Verfahren zur Datenreduktion eingesetzt werden (z.B. Fourier-Analyse).

Bei der Geschwindigkeit der graphischen Datendarstellung spielen zwei Faktoren eine Rolle: Die vertex processing time (Zeit zur Projektion eines dreidimensionalen Punktes auf eine zweidimensionale Ebene) und die pixel scan conversion time (Zeit zum Füllen eines Polygons). Durch geschickte Abstraktion bei der Bildschirmdarstellung läßt sich hierbei einige Rechenzeit einsparen. Wegen der Möglichkeit der Interaktion mit den virtuellen Objekten in Echtzeit (insbesondere bei Berücksichtigung der Position des Kopfes und durch die Möglichkeit der interaktiven Rotation) werden zusätzliche Tiefenkriterien angeboten, die es möglicherweise erlauben, von anderen rechenintensiven Tiefenkriterien zu abstrahieren. Auch für die Darstellung wissenschaftlicher Daten ist ein natürliches, antropomorphes Interface erstrebenswert, das einen großen Teil des Sehfeldes umfaßt und das eine hohe Darstellungsqualität gewährleistet. Auf Benutzerakzeptanz ist ebenfalls Wert zu legen. Durch geeignete Interaktionsmöglichkeiten sollen sich die dargestellten Daten auf drei Arten kontrollieren lassen:

  1. Spezifizierung eines bestimmten Ortes (bzw. einer bestimmten Perspektive);
  2. Durchführung von Aktionen an dieser Stelle;
  3. diesbezügliches Feedback (auch durch dreidimensionale Klänge).
Zur Spezifizierung eines Ortes läßt sich beispielsweise die Position der Hand des Benutzers einsetzen, die Verwendung einer (zweidimensionalen) Maus als dreidimensionales Eingabegerät erweist sich dagegen als schwierig. Bei längerer Benutzung von Eingabegeräten, die in der Hand gehalten werden müssen, können Ermüdungserscheinungen auftreten. Ein ``Datenhandschuh'', der auf Fingerkrümmungen reagiert, stellt daher eine geeignete Alternative dar. Auch Haptik kann zur Unterstützung der Datendarstellung eingesetzt werden.


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rainer@zwisler.de

Last modified 10-29-98