Visualisierung: Grundlagen und allgemeine methoden

373 Pages·2000·11.61 MB·German

by  Prof. Dr. Heidrun Schumann

Visualisierung
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Heidrun Schumann
Wolfgang Muller
Visualisierung
Grundlagen und allgemeine Methoden
Mit 188 Abbildungen
Springer
Prof. Dr. Heidrun Schumann
Universităt Rostock
Institut ftir Computergraphik
D-180S1 Rostock
[email protected]
Dr. Inf. Wolfgang Miiller
Technische Universităt Darmstadt, Fachbereich Informatik
Fachgebiet Graphisch-Interaktive Systeme
RundeturmstraBe 7
D-64283 Darmstadt
mueller@ gris.informatik. tu-darmstadt. de
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
ISBN 978-3-540-64944-1 ISBN 978-3-642-57193-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-57193-0
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000
Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2000
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Geleitwort
Das hier vorliegende Buch von Frau Professor Heidrun Schumann, Universitat
Rostock, und Herrn Dr. Wolfgang Miiller, TU-Darmstadt, behandelt die Grundla
gen und allgemeinen Methoden der Visualisierungstechnik. Unter Visualisierung
ist hier die rechnergestiitzte, visuelle Prasentation von Daten, Inforrnationen und
Wissen in einer fur den Menschen adaquaten und fur die jeweilige Anwendung in
diesem Kontext sinnvollen Form zu verstehen. Dieses Gebiet, das auch technisch
wissenschaftliche Visualisierung genannt wird, ist von zunehmender Bedeutung,
da heute durch die uns zur Verfiigung stehenden Rechner- und Netzwerkstruktu
ren immer groBere Mengen an Daten, Informationen und Wissen verfiigbar ge
macht werden und diese Quantitiit sich nur durch die Visualisierung beherrschen
laBt. Aber nicht nur die graphische Veranschaulichung so groBer Datenmengen ist
von Bedeutung, sondem es werden auch an die Qualitat der Visualisierung spezi
elle Anforderungen gestellt, wie Expressivitat, Effektivitat und Angemessenheit.
Basierend auf Vorlesungen, die die Autoren an der Universitiit Rostock (Frau Pro
fessor Schumann) und an der Technischen Universitat Darmstadt (Dr. Miiller) seit
einigen Jahren halten, ist zu diesem wichtigen Thema ein sehr interessantes und
grundsatzliches Buch entstanden. Es behandelt nach den Anforderungen an die
Visualisierung als Technologie den zugehorigen VisualisierungsprozeB (Visuali
sierungspipeline), urn dann auf die wesentlichsten EinfluBfaktoren und grundle
genden Techniken der technisch-wissenschaftlichen Visualisierung einzugehen.
Drei fiir die Anwendungen sehr wichtige Themenbereiche (Multiparameterdaten
satze, Volumendaten und Stromungsdaten) werden in den letzten Kapiteln geson
dert behandelt und vertieft. Das Literaturverzeichnis ist sehr aktuell und ausfiihr
lich; die Art und Weise, wie es im Buch verwendet wird und alle wichtigen Verof
fentlichungen mit den verschiedenen Problemstellungen bei der Visualisierung in
Zusammenhang gebracht werden, hilft dem Leser, eine sehr gute Ubersicht iiber
das gesamte Gebiet der technisch-wissenschaftlichen Visualisierung zu bekom
men. Eine Ubersicht iiber dieses Themengebiet in dieser Form fehlte bisher.
Das Buch behandelt die fiir die Visualisierung wesentlichen Grundlagen, Metho
den und Techniken in sehr ausfiihrlicher und gut verstandlicher Form, sichert dies
durch interessante Beispiele und gibt Hinweise auf weiterfiihrende Themen bzw.
Vorwort
Durch hochempfindliche MeBanlagen, Satellitenbilder oder Supercomputer wer
den tagtiiglich riesige Datenmengen produziert, die in ihrer unverarbeiteten Form
nur schlecht oder gar nicht interpretierbar sind. Allgemein kann davon ausgegan
gen werden, daB von allen anfallenden und erzeugten Daten nur etwa ein Viertel
iiberhaupt gespeichert und davon wiederum nur etwa ein Viertel tatsiichlich aus
gewertet wird. Offensichtlich gehen somit wertvolle Daten veri oren, und wichtige
Informationen werden nur zu einem Bruchteil genutzt. Effektivere Analysemetho
den sind darum unverzichtbar, urn diese Daten besser untersuchen zu konnen und
die in ihnen enthaltenen Informationen aufzudecken.
Die Visualisierung von Daten, das heiSt, die bildliche Veranschaulichung ihrer
relevanten Aspekte, hat schon zu allen Zeiten eine wichtige Rolle gespielt, urn
sowohl die Erkenntnis als auch die Kommunikation entscheidend zu erleichtem.
Bereits 1637 formulierte Rene Descartes:
"Imagination or visualization, and in particular the use of diagrams,
has a crucial part to play in scientific investigation ".
An dieser Aussage hat sich auch heute nichts geandert. 1m Gegenteil, die Visua
lisierung gewinnt durch die zunehmende Leistungsflihigkeit modemer Computer,
sowohl bei der Erzeugung von Daten als auch bei der Generierung von Bildem.
standig an Bedeutung. So wurde eine Vielzahl von Methoden und Techniken zur
Visualisierung ganz unterschiedlicher Daten, zum Beispiel medizinischer Daten
oder Stromungsdaten, entwickelt.
Leistungsfahige Visualisierungssysteme mit modularem Aufbau stellen diese Vi
sualisierungsmethoden heute einem breiteren Anwenderkreis zur Verfiigung und
erlauben die problembezogene Konfiguration des Datenflusses flir unterschiedli
che Klassen von Anwendungen. Daneben existieren spezielle Systeme, die auf die
spezifischen Anforderungen einzelner Problemstellungen zugeschnitten sind.
In einer Reihe von Biichem, Tagungsbiinden und Einzelbeitriigen wurden Mog
licbkeiten und Grenzen graphischer Darstellungen analysiert sowie verschiedenste
Visualisierungsmethoden und ihre Anwendungen diskutiert. Trotzdem gibt es bis
her kaum Biicher, die dem Anspruch einer systematischen und einheitlichen Be
schreibung der Thematik, ohne die eingeschriinkte Sicht auf ein spezielles An
wendungsgebiet oder eine spezifische Algorithmenklasse. gerecht werden.
VIII Vorwort
Anliegen dieses Buches ist es, eine allgemeine Einflihrung in die Konzepte der
wissenschaftlichen Visualisierung zu geben. Es richtet sich an alle, die einen kom
pakten Uberblick iiber das Gebiet der Visualisierung erlangen mochten, unter an
derem an Wissenschaftler und Ingenieure, die groBe Datenmengen produzieren, an
Informatiker, die Visualisierungsmethoden umsetzen wollen, aber auch an Stu
denten als begleitendes Lehrbuch.
Die Grundlage dieses Buches bilden zahlreiche Erfahrungen, die die Autoren bei
ihrer langjiibrigen Arbeit auf dem Gebiet der Visualisierung sammeln konnten.
Dabei £lossen zum einen die vielfliltigen und umfangreichen Unterlagen der seit
Jahren etablierten Vorlesungen "Visualisierung" an der Universitat Rostock sowie
der Vorlesungen "Graphische Datenverarbeitung" und "Visual Computing" an der
Technischen Universitat Darmstadt ein.
Zum anderen konnte auf die Ergebnisse von Projekten zuriickgegriffen werden,
die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefOrdert wurden. Hierzu gehoren
das Projekt "Intelligente Visualisierungssysteme", das die Autoren iiber vier Jahre
gemeinsam bearbeitet haben, und das Projekt "Mobile Visualisierung", das im
Rahmen einer Forschergruppe gemeinsam von der Universitat Rostock, der Tech
nischen Universitat Darmstadt sowie dem Haus der Graphischen Datenverarbei
tung, Rostock durchgeflihrt wurde. Dariiber hinaus finden zahlreiche Anwen
dungsbeispiele, die in Darmstadt und Rostock entwickelt wurden, in diesem Buch
ihren Niederschlag.
Dieses Buch faBt viele Arbeiten zusammen und wir mochten an dieser Stelle allen
Kollegen, Mitarbeitem und Studenten danken, die mit ihren Arbeiten und Diskus
sionen zum Gelingen dieses Buches beigetragen haben.
Unser besonderer Dank gilt Herro Professor Encarna\;ao, der unser Vorhaben von
Anfang an unterstiitzt hat.
Weiterhin mochten wir uns bei Frau Susanne Lange, Herro Dr. Theisel, Herro
Kreuseler und Herro Rauschenbach sowie Herro Dr. Gerfelder, Herro Dr. Jung
und Herro Dr. Hildebrand fill viele wertvolle Hinweise und Korrekturen bedan
ken. Herro Prof. Jackel, Herro Prof. Keirn, Herro Prof. Groller und Herro
Dr. Kromker danken wir fiir interessante Diskussionen und zahlreiche Anregun
gen. Bei Frau Littwin und Frau Hammer mochten wir uns fiir die Ubemahme von
Schreibarbeiten und das Anfertigen von Zeichnungen bedanken.
SchlieBlich ist es uns ein aufrichtiges Bediirfnis, uns bei Frau Norma Lopez de
Chavez zu bedanken, die in unermiidlichem Einsatz die meisten der Bilder erzeugt
und bearbeitet sowie wichtige editorische Arbeiten geleistet hat.
Rostock, Darmstadt Heidrun Schumann
ImJuni 1999 Wolfgang Miiller
In halt
Einleitung ........................................................................................................ .
1 Anforderungen an eine Visualisierung ........... ... ...... ............ .......... ....... ... 5
1.1 Ziel der Visualisierung............ ................................. ......... .......... ........ 5
1.2 Allgemeine Anforderungen ................................................................ 6
1.3 Expressivitat ....................................................................................... 9
1.4 Effektivitat ............................................ .............................................. 11
1.5 Angemessenheit.................................................................................. 12
1.6 Zusammenfassung .............................................................................. 12
2 Der Visualisierungsproze8 ........................................................................ 15
2.1 Die Visualisierungspipeline...... ............ ........................ ..... ............ ..... 15
2.2 Referenzmodell ftir die Visualisierung .. ............................ ......... ........ 20
2.3 Visualisierungsszenarien .................................................................... 21
2.4 Zusammenfassung..................... ..................... .............. ..... ............ ..... 25
3 Beschreibung der Daten als Ausgangspunkt einer Visualisierung........ 27
3.1 Datenquellen ....................................................................................... 27
3.2 Der Beobachtungsraum....................................................................... 29
3.3 Die Merkmale .... ................................................................................. 35
3.4 Die Datenmenge ........................................... ...................................... 38
3.5 Ansatze zur Datenspezifikation .......................................................... 39
3.6 Datenformate ..... ........................................... ...................................... 45
3.7 Reduktion einer Datenmenge.............................................................. 47
3.7.1 Moglichkeiten der Datenauswahl.............................................. 48
3.7.2 Untersttitzung bei der Datenauswahl......................................... 51
3.7.3 Realisierung der Datenauswahl................................................. 53
3.8 Anmerkungen und Probleme ...... ........................................................ 56
3.9 Zusammenfassung .............................................................................. 58
4 Einflu8faktoren auf die Visualisierung.................................................... 61
4.1 Bearbeitungsziele............................. ................................................... 62
4.2 Wahrnehmungskapazitaten und Priiferenzen des Anwenders ............ 68
4.2.1 Einftihrung und Grundlagen ... ................................................... 69
4.2.2 Sehschiirfe und Kontrastempfindlichkeit............ ....................... 79
X Inhalt
4.2.3 Farbe ............................................................... ................ ........... 83
4.2.4 Textur ........................................................................................ 102
4.2.5 Figur und Form.......................................................................... 106
4.2.6 Tiefenwahrnehmung .................................................................. 109
4.2.7 Zeitliche Veranderung und Bewegung ...................................... 112
4.3 Anwendungsumgebung und Ressourcen ............................................ 115
4.3.1 Anwendungskontext .................................................................. 115
4.3.2 Ressourcen................................................................................. 116
4.4 Zusammenfassung .............................................................................. 123
5 Grundlegende Techniken .................... ........................................... ........... 125
5.1 Methodik der Abbildung..................................................................... 126
5.2 Abbildung auf Position, GroBe und Orientierung............................... 127
5.3 Abbildung auf Struktur und Form ...................................................... 141
5.4 Abbildung auf Farbe ........................................................................... 146
5.4.1 Visualisierung von nominalen Daten ........................................ 148
5.4.2 Visualisierung von ordinalen Daten .......................................... 152
5.4.3 Visualisierung quantitativer Daten ............................................ 153
5.4.4 Visualisierung mehrerer Daten mit bivariaten und
trivariaten Farbska1en ............... ................................................. 163
5.4.5 EinfluB von FarbsinnstOrungen auf die
Visualisierung mit Farbe ................................ ........................... 165
5.5 Abbildung auf Textur ......................................................................... 166
5.6 Zusammenfassung .............................................................................. 168
6 Visualisierung von Multiparameterdaten in Raum und Zeit................ 171
6.1 Begriffsklarung und Entwicklungen.......... ...................... ................... 171
6.2 Visualisierung multivariater Daten ..................................................... 173
6.2.1 Grundsatzliche Unterscheidungsmerkma1e
zur Klassifikation von Visualisierungstechniken ...................... 175
6.2.2 Basiskonzepte ...................... ...................................................... 178
6.2.3 Linking & Brushing................................................................... 215
6.2.4 Sonifikation ........................................................................... .... 217
6.3 Beriicksichtigung der mehrdimensionalen Daten........ ....................... 219
6.3.1 Beriicksichtigung des raumlichen Kontextes ............................. 220
6.3.2 Darstellung der Zeitabhangigkeit-
Zeitabhangigkeit in der Darstellung .................... ...................... 234
6.3.3 Beriicksichtigung abstrakter Dimensionen
des Beobachtungsraumes................................ ....................... .... 243
6.4 Zusarnmenfassung .............................................................................. 247
7 Visualisierung von Volumendaten .......... .......... ............ .......... ................. 251
7.1 Begriffsklarung ................................................................................... 252
7.2 Grundlegende Schritte der Volumenvisualisierung ............................ 254
Inhalt XI
7.3 Methoden der Volumenvisualisierung.. ........ ....... ........... .............. ...... 258
7.3.1 Dekompositionsmethoden ......................................................... 258
7.3.2 Extraktion von FHichen .............................................................. 262
7.3.3 Direkte Darstellung des Datenwiirfels ....................................... 274
7.3.4 Volumenvisualisierung und Geometriedarstellung ................... 293
7.3.5 Vergleichende Betrachtungen .................................................... 296
7.4 WeiterfUhrende Konzepte ................................................................... 298
7.4.1 Volumenvisualisierung im Frequenzraum................................. 299
7.4.2 Volumenvisualisierung fUr nicht-regelmaBige Gitter ................ 300
7.5 Zusammenfassung ............... ............ .......... ................... ...................... 305
8 Visualisierung von Strtimungsdaten ........................................................ 307
8.1 Problembeschreibung und Begriffsklarung ........................................ 307
8.2 Visualisierungspipeline fUr Stromungsdaten ...................................... 310
8.2.1 Datenaufbereitung ..................................................................... 312
8.2.2 Mapping und Rendering. ... ............. .................. ......................... 317
8.3 Methoden der Stromungsvisualisierung ............................................. 318
8.3.1 Elementare Methoden ................................................................ 318
8.3.2 Lokale Methoden....................................................................... 326
8.3.3 Globale Methoden ..................................................................... 328
8.4 Zusammenfassung .............................................................................. 339
9 Zusammenfassung und Ausblick.............................................................. 341
9.1 WeiterfUhrende Konzepte.. ...................... .............. ... ....................... ... 341
9.2 Visualisierungssysteme....................................................................... 345
9.3 Anwendungen ..................................................................................... 346
Literatur ........ ....... ................. ...... .............. ........ .................. ...................... ....... 349
Sachverzeichnis................................................................................................ 367