Kurs-1870 KE-2 Informationsvisualisierungstechniken 1 PDF

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Kurseinheit 2:Informationsvisualisierungstechniken I01870Informationsvisualisierung im InternetDer Inhalt dieses Dokumentes darf ohne vorherige schriftliche Erlaubnis durch die FernUniversität in Hagen nicht (ganz oder teilweise) reproduziert, benutzt oder veröffentlicht werden. Das Copyright gilt f...

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Kurseinheit 2: Informationsvisualisierungstechniken I

Gerald Jäschke, Dr. Daniel Biella, Prof. Dr. Dieter Meiller, Dr. Paul Landwich, Dr. André Triebel, Christian Danowski-Buhren, Prof. Dr. Matthias Hemmje

01870 Informationsvisualisierung im Internet

Der Inhalt dieses Dokumentes darf ohne vorherige schriftliche Erlaubnis durch die FernUniversität in Hagen nicht (ganz oder teilweise) reproduziert, benutzt oder veröffentlicht werden. Das Copyright gilt für alle Formen der Speicherung und Reproduktion, in denen die vorliegenden Informationen eingeflossen sind, einschließlich und zwar ohne Begrenzung Magnetspeicher, Computerausdrucke und visuelle Anzeigen. Alle in diesem Dokument genannten Gebrauchsna-men, Handelsnamen und Warenbezeichnungen sind zumeist eingetragene Warenzeichen und urheberrechtlich geschützt. Warenzeichen, Patente oder Copy-rights gelten gleich ohne ausdrückliche Nennung. In dieser Publikation enthaltene Informationen können ohne vorherige Ankündigung geändert werden.

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Lernumgebung: Informationsvisualisierung im Internet (01870) - SS 2021 Buch: Kurseinheit 2: Informationsvisualisierungstechniken I Gedruckt von: Jennifer Cappel-Laubenheimer Datum: Mittwoch, 3. März 2021, 08:17

Inhaltsverzeichnis 1. Vorbemerkungen und Lernziele 2. Visuelle Strukturen in 1-D, 2-D und 3-D 2.1. Eindimensionale Informationsvisualisierungstechniken 2.2. Zweidimensionale Informationsvisualisierungstechniken 2.3. Dreidimensionale Informationsvisualisierungstechniken 2.4. Vergleich zwischen zwei- und dreidimensionalen Informationsvisualisierungstechniken 3. Automatisierung der Konstruktion von Informationsvisualisierungen in 2-D 3.1. Ein Ansatz zur automatischen Generierung von grafischen Präsentationen in 2-D 3.2. Expressivität und Effektivität von grafischen Präsentationen 3.3. Funktionsweise des Präsentationswerkzeugs APT 4. Animation in 3-D-Informationsvisualisierungstechniken 5. Informationsvisualisierungstechniken für mehr als drei Dimensionen 5.1. Geschachteltes 3-D 5.2. Darstellung der Dimensionen auf parallelen Achsen 5.3. Hierarchische Anordnung von Einflussgrößen 5.4. Farbkodierte Relevanz hinsichtlich arbiträrer Kriterien 5.5. Aus Venn-Diagrammen synthetisierte Polygone 6. Informationsvisualisierungstechniken für Baumstrukturen 6.1. Die Connection-Methode 6.2. Die Enclosure-Methode 6.3. Tree Maps 6.4. SeeSys 6.5. TennisViewer 7. Informationsvisualisierungstechniken für Netzwerke 7.1. Methoden der Knotenpositionierungen bei Netzwerkvisualisierungen 7.2. Methoden der Interaktion mit Netzwerkvisualisierungen 7.3. Anwendungsbeispiele zur Visualisierung von Netzwerken 8. Informationsvisualisierungstechniken für Dynamische Anfragen 8.1. Das Grundkonzept Dynamischer Anfragen 8.2. Interaktion bei Dynamischen Anfragen 8.3. Dynamic-Query-Anwendungen 8.4. Zusammenfassung 9. Literaturverzeichnis 10. Abbildungsverzeichnis 11. Lösung der Selbsttestaufgaben

1. Vorbemerkungen und Lernziele Dies ist die zweite Kurseinheit des Kurses 1870 „Informationsvisualisierung im Internet“. Der Kurs ersetzt die Kurse 1871+1872 „Informationsvisualisierung im Internet I + II“ vollständig, baut auf deren Struktur und Inhalten auf und aktualisiert diese um wesentliche Inhalte aus dem Bereich X3D. Dank gilt an dieser Stelle den ehemaligen Fernstudenten und Doktoranden Dieter Meiller, Paul Landwich, Andre Triebel, und Christian Danowski-Buhren für die vorliegenden Kursinhalte. Die adäquate Repräsentation und visuelle Präsentation von abstrakten Daten bildet eine wichtige Grundlage für deren effektive Wahrnehmung, deren Verständnis und deren Nutzung, z. B. zum Zwecke der Information oder der Entscheidungsunterstützung. Die Verwendung geeigneter Modelle, Methoden, Visualisierungstechniken und korrespondierender technischer Standards zur Unterstützung automatisierter Informationsvisualisierung erleichtert dabei die Entwicklung von Informationsvisualisierungssoftware, von visuellen Benutzungsschnittstellen zu Informationssystemen und ganz generell von maschinenlesbaren und maschinell darstellbaren und nutzbaren Informationsvisualisierungen sowie deren Wahrnehmung, Bearbeitung, Nutzung und Austausch zwischen Menschen, zwischen Menschen und Maschinen sowie zwischen Maschinen. Solche Grundlagen stellen ein gemeinsames Grundverständnis unabhängig von einer individuellen Ausgestaltung einer Informationsvisualisierungsanwendung sicher und ermög-lichen damit auch die Realisierung interaktiver, dynamischer und damit zum einen schnell wechselnder bzw. sich schnell verändernder Anwendungen von Informationsvisualisierungen, die in unserer durch das Internet global vernetzten und sich kontinuierlich veränderten Welt immer weiter an Bedeutung gewinnen. Der Schwerpunkte dieses Kurses Ein wichtiges Ziel des Kurses ist es, in die Historie, die wesentlichen Grundlagen, Methoden und Techniken sowie in die Anwendung und aktuelle Entwicklung von Informationsvisualisierungen einzuführen sowie Kenntnisse zu visuellen Benutzungsschnittstellen für Informationssysteme im Internet unter Nutzung der verschiedenen Ebenen des World Wide Web zu vermitteln. Zunächst werden allgemeine Grundlagen und Modelle für die Informationsvisualisierung sowie wesentliche Begrifflichkeiten und Methoden vorgestellt. Der Informationsvisualisierungsbegriff wird erläutert und das Referenzmodell der Informationsvisualisierung eingeführt. Im weiteren Verlauf werden systematisch verschiedene Klassen von Informationsvisualisierungstechniken anhand von Beispielen vorgestellt und Methoden zur Evaluation von Informationsvisualisierungen erläutert bevor sich eine Vorstellung von Informationsvisualisierungsarchitekturen und –Technologien anschließt. Durch die immense Zunahme bei Zahl, Umfang und Funktionsbereich von Informationsvisualisierungstechnologien, deren Anwendungen und deren Implementierungen beschränkt sich dieser Kurs jedoch durch die Vermittlung rudimentärer Grundlagen von X3D auf die überblicksartige Einführung in eine bespielhafte und grundlegende Informationsvisualisierungstechnologie. Die Rasanz der Entwicklung auf diesem Gebiet erlaubt es nicht, das Kursmaterial immer vollumfänglich bzgl. einer und schon gar nicht bzgl. aller aktuellen Visualisierungstechnologien auf dem aktuellsten Stand zu halten. Das Kursmaterial konzentriert sich daher auf den wichtigsten der aktuell gültigen W3C-Visualisierungsstandards und die Versionen davon, die in der Praxis eine grundlegende und somit wesentliche Rolle für das Verständnis der Thematik spielen. Den schnellsten Zugang zum aktuellen Stand aller Standardisierungsprojekte des W3C finden Sie über die Adresse https://www.w3.org/TR/ . Lernziele Das hauptsächliche Lernziel dieses Kurses ist der Erwerb der Kenntnisse über die konzeptuellen Grundlagen, Modelle und Methoden der Informationsvisualisierung wie auch von praktischer Kompetenz und Handlungsfähigkeit im Bereich von X3D als Kodierungsstandard und damit einer relevanten aktuellen Informationsvisualisierungstechnologie im Internet. Nach Bearbeitung des Kurses sollten die besprochenen

Konzepte und Technologien gründlich bekannt sein. Einfache Informationsvisualisierungen sollten in X3D erstellt werden können. Eine Übersicht über die zur Verfügung stehenden Modelle, Methoden und Vorgehensweisen für die Entwicklung von Informationsvisualisierungssoftware sollte bekannt sein und mit einer wesentlichen von diesen Technologien sollten auch praktische Erfahrung gesammelt werden. Der Kurs soll dazu befähigen, Projekte mit zu konzipieren, technisch zu betreuen und durchzuführen, die die Erstellung und Evaluation von Informatiosvisualisierungssystemen im Internet zum Ziel haben. Ein weiteres sehr wichtiges erstes Lernziel dieses Kurses betrifft das Referenzmodell der Informationsvisualisierung. Das Modell soll verinnerlicht und seine Bedeutung im Kontext der Informationsgesellschaft und der automatischen Informationsverarbeitung beurteilt werden können. Nach dem Durcharbeiten des Kurses sollten Sie wissen, dass Informationsvisualisierungen innerhalb von unterschiedlichsten Anwendungssystemen automatisiert erstellt und bearbeitet werden können. Es soll darüber hinaus vermittelt werden, wie Internettechnologien im Bereich der Visualisierung von Information das Potential, welches im Referenzmodell der Informationsvisualisierung steckt, realisieren und wie diese Erkenntnisse von Ihnen auch praxisbezogen angewendet werden können. Zu den vorgestellten Thematiken und Inhalten ist jeweils eine systematische und grundlegende Darstellung vorgesehen, die bei besonders zentralen Themen um Übersichtstabellen ergänzt wird. Daneben wird auf die Originalspezifikationen des W3C sowie auf reichlich vorhandenes tutorielles Material im Internet selbst verwiesen. Die im Kurs eingeführten Informationsvisualisierungsmethoden und -technologien werden im Text ausführlich durch Beispiele illustriert. Jedes Beispiel ist für sich lauffähig. Der Code wird in elektronischer Form zur Verfügung gestellt, sodass dieser ausprobiert und auch selbst modifiziert werden kann. Darüber hinaus kann der Lernfortschritt fortlaufend anhand von in den Text eingestreuten Selbsttest-aufgaben überprüft werden. Die Kurseinheit erläutert nun verschiedene Techniken der Informationsvisualisierung anhand einer relevanten Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema. Die Informationsvisualisierungstechniken werden dabei in unterschiedliche Klassen eingeteilt, je nachdem, welche Eigenschaften hinsichtlich der zu visualisierenden Informationsobjekte, deren Datencharakteristiken sowie deren Datenmodellen, Datenschemata und Dateninhalte bzw. hinsichtlich der zur Visualisierung ver‐ wendeten Visualisierungsmodelle, Visualisierungsschemata und konkreten visuellen Ausprägungsmöglichkeiten sie gemeinsam haben. Formalia Um die Praxisteile dieses Kurses bearbeiten zu können, wird ein Arbeitsplatzrechner mit Internetzugang benötigt. Darüber hinaus benötigen Sie Grundkenntnisse im Umgang mit einem Betriebssystem und Sie sollten die Möglichkeit haben, mit einem Texteditor einfache X3D-kodierte Textdokumente im ASCIIFormat zu erstellen bzw. zu bearbeiten und abzuspeichern. Als Texteditoren kommen Programme wie Notepad, vi, Edit oder Emacs in Frage. Bitte aktualisieren Sie auch Ihren Internetbrowser. Der Umgang mit Navigation und Suche im Internet wird als bekannt vorausgesetzt.

2. Visuelle Strukturen in 1-D, 2-D und 3-D „Die Achsen eines Raumes sind die effektivsten Dimensionen für die Darstellung von Daten“ ([CMS99], S. 57) behaupten Card, Mackinlay und Shneidermann in ihrem Buch „Readings in Information Visualization“. Dieser Kurstext wird sich im nachfolgenden ersten Abschnitt mit verschiedenen grundlegenden Infor‐ mationsvisualisierungstechniken in ein-, zwei- und dreidimensionalen Darstellungs- bzw. Datenräumen beschäftigen. Anfangs werden dazu einige grundlegende Forschungsprototypen zur Informations‐ visualisierung in 1-D-, 2-D- und 3-D-Räumen vorgestellt. Anschließend werden drei ausgewählte Beiträge zu Grundlagen von Informationsvisualisierungstechniken aus dem bereits erwähnten Buch von Card, Mackinlay und Shneidermann behandelt. In dem weiterhin vorgestellten Beitrag von Jacques Bertin wird das Problem bearbeitet, zweidimensionale Grafiken zur Visualisierung der Inhalte relationaler und damit inhärent zweidimensional strukturierter Datenschemata zu konstruieren, in denen mehr als drei Datencharakteristiken dieser relationalen Datensätze visualisiert werden. Bertin schlägt als Lösung die Erzeugung einer permutierbaren Matrix vor, in der sämtliche Information über die Inhalte des zugrunde liegenden relationalen Datenschemas enthalten ist. In einem weiteren Beitrag nimmt Jock D. Mackinlay das Schema von Bertin auf, formalisiert es und entwickelt es weiter. Mackinlay stellt darüber hinaus ein von ihm entworfenes Werkzeug zur automatischen Entwicklung von zweidimensionalen grafischen Präsentationen vor. Dieses Werkzeug realisiert einen Ansatz, um aus relationalen Daten automatisch Bilder zu generieren, die sowohl expressiv als auch effektiv sind. Diese beiden Kriterien werden dabei auf der Grundlage des behandelten Beitrags von Mackinlay eingeführt. Die Besprechung des dritten Beitrages von William Wright beschäftigt sich mit der Animation von In‐ formationen in dreidimensionalen Darstellungsräumen. Wright nennt dies 4-D (3-D zuzüglich Bewegung). Die Möglichkeiten dieser Informationsvisualisierungstechnik demonstriert der Beitrag von Wright anhand einer expressiven Visualisierung von Informationsobjekten mit Daten von Kapitalmärkten.

2.1. Eindimensionale Informationsvisualisierungstechniken Eindimensionale Informationsvisualisierungstechniken werden typischerweise für die Informationsvisualisierung hinsichtlich der Daten aus Textdokumenten und Zeitlinien verwendet. Sie werden oft in zweidimensionale Informationsvisualisierungstechniken eingebettet, um z. B. Vergleichswerte oder Ordnungen zu visualisieren.

eindimensionale Informationsvisualisierungstechniken

Abb. 2 1: Lifestreams [FF95]

Abb. 2‑1 zeigt eine grafische Benutzungsoberfläche des Systems Lifestreams mit einer Informationsvisualisierungstechnik, welche eine Serie von Ereignissen anhand der Inhalte einer Menge von Textdokumenten visualisiert. Die Dokumente mit den Texten zu den Ereignissen sind in chronologischer Reihenfolge entlang der Z-Achse geordnet; die X-Achse und die Y-Achse ermöglichen eine Darstellung der textuellen Dokumentinhalte.

Abb. 2 2: SeeSoft (vgl. Eick, Steffen & Sumner, 1992, Bild Eigentum Lucent Technologies/Lucent Bell Laboratories)

Ein anderes Beispiel für die Anwendung eindimensionaler Informationsvisualisierungstechniken ist das System Seesoft (siehe Abb. 2‑2). Hier wird jede Programmzeile einer Software farbkodiert als eine dünne Linie auf dem Bildschirm dargestellt. Die aufeinanderfolgenden Zeilen des Programmcodes werden untereinander auf der Y-Achse abgebildet. Wenn die Y-Achse vollständig ausgenutzt worden ist, wird eine neue Spalte angefangen, es wird also die X-Achse verwendet. Durch diese Darstellung wird es möglich, große Mengen Text auf einem einzigen Bild darzustellen. Details einer Zeile oder eines Programmstücks können in einem separaten Fenster angezeigt werden. Weitere Einsatzgebiete von eindimensionalen Informationsvisualisierungs-techniken sind Schieberegler und Rollbalken in grafischen Benutzungsoberflächen. Sie veranschaulichen, welche Werte ein interaktiv innerhalb einer grafischen Benutzungsoberfläche direktmanipulativ steuerbarer Parameter annehmen kann und dienen damit gleichzeitig als Informationsvisualisierungstechnik für solche Parameter.

2.2. Zweidimensionale Informationsvisualisierungstechniken Zweidimensionale Informationsvisualisierungstechniken werden häufig zur Darstellung von Information in relational strukturierten Datensätzen und im Bereich der Informationsvisualisierung von Information mit topologischen oder geografischen Eigenschaften verwendet. Dabei kommen oft so genannte zweidimensionale Scatter Plots zum Einsatz. In einem Scatter Plot wird jedem Informationsobjekt (abhängig von seinen relational-strukturierten Datencharakteristiken) in einem kartesischen Koordinatensystem eine Position zugewiesen und diese z. B. als Punkt oder in einer anderen visuellen Form dargestellt.

zweidimensionale Informationsvisualisierungstechniken

Scatter Plots

Abb. 2 3: Scatter Plot ([K98], Seite 46)

Abb. 2-3 zeigt einen Scatter Plot, in dem die Verteilung von Patenten aus dem Bereich der automatischen Spracherkennung und Sprachverarbeitung auf Unternehmen sichtbar gemacht werden soll. Auf der Y-Achse wird der Anteil des Unternehmens an den weltweiten Patenten aus diesem Bereich dargestellt, oder wie stark die Position des Unternehmens in diesem Bereich ist. Auf der X-Achse wird angezeigt, wie hoch der Anteil der Spracherkennungspatente an der Gesamtanzahl der Patente dieser Firma ist, oder wie sehr sich die Firma auf diesen Bereich konzentriert. Offensichtlich können in einem solchen Scatter Plot zu jedem Informationsobjekt (hier Unternehmen) nur zwei Datencharakteristiken visualisiert werden.

Abb. 2 4: Informationsobjekte mit maximal drei Datencharakteristiken (erstellt mit WinSTAT, vgl. http://www.winstat.de/)

Es besteht jedoch die Möglichkeit, zusätzliche Information in einem zweidimensionalen Scatter Plot zu visualisieren. Dies kann zum Beispiel durch Farbkodierung geschehen. Die Abb. 2‑4 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Einkommen von Personen und dem Preis des PKWs, den sie fahren. Die Farbe der Punkte im Scatter Plot visualisiert dabei, ob es sich um einen Neuwagen oder um einen Gebrauchtwagen handelt.

2.3. Dreidimensionale Informationsvisualisierungstechniken

Abb. 2 5: VOXEL-MAN (vgl. Höhne et al., 2001, Bild Eigentum des IMDM der Universität Hamburg, 1995)

Dreidimensionale Informationsvisualisierungstechniken eignen sich insbesondere zur Visualisierung von Information im Zusammenhang mit Abbildungen von real existierenden dreidimensionale physischen Objekten. Die Darstellungen können dabei auch Informationsvisualisierungstechniken mit abstrakter Information angereichert werden, wodurch die Informationswahrnehmung, -interpretation und -aufnahme beschleunigt werden kann. Die Abb. 2‑5 ist eine dreidimensionale Darstellung eines menschlichen Kopfes. Die einzelnen Organe und Muskeln wurden mit erläuternden textuellen Annotationen beschriftet, um dem Betrachter ein besseres Verständnis zu ermöglichen. Dadurch wird die Informationsvisualisierung des physischen Objektes in 3-D eine Art Visualisierungs-Plattform für die Annotation und damit für die Informationsvisualisierung von abstrakter Information zu diesem physischen Objekt.

Abb. 2 6: Narcissus ([HDWB95], Abbildung 3)

Eine andere Art der Informationsvisualisierung im dreidimensionalen Raum verwendet das System Narcissus (siehe Abb. 2‑6). Narcissus definiert eine Menge von inhaltsbezogenen Relationen zwischen Informationsobjekten im World Wide Web, die sich dadurch quasi gegenseitig anziehen und abstoßen, so als würden physische Kräften zwischen diesen Informationsobjekten wirken. Auf der Grundlage dieser Kräfte werden mithilfe eines geeigneten mathematischen Layout-Algorithmus Positionen im dreidimensionalen Darstellungsraum berechnet, wobei dann im Ergebnis über die zugrunde liegende inhaltliche Relation stark miteinander verwandte Objekte einander nahe positioniert werden und inhaltlich voneinander unabhängige oder gar explizit unterschiedliche Objekte dagegen weit voneinander entfernt sind. Durch die interaktive Veränderung der Position des Blickpunktes und damit quasi die Annäherung desselben an ein Informationsobjekt im Interesse des Benutzers kommen innerhalb dieser Informationsvisualisierung im 3-DDarstellungsraum die benachbarten Objekte auch immer näher, so dass der visuelle Kontext dieses Objektes zu seinem über die zugrundeliegende Relation hergestellten inhaltlichen Kontext korrelliert.

2.4. Vergleich zwischen zwei- und dreidimensionalen Informationsvisualisierungstechniken Oft steht man vor der Wahl Information mittels zweidimensionaler oder dreidimensionaler Informationsvisualisierungstechniken, d. h. Visualisierungs- und Abbildungsmodellen für die zugrunde liegenden Daten darzustellen. Beide Klassen von Informationsvisualisierungstechniken haben dabei ihre Vor- und Nachteile, die im Folgenden behandelt werden sollen. Dreidimensionale Informationsvisualisierungstechniken sind sehr ausdrucksfähig und werden in der Regel von den Benutzern auch als sehr attraktiv empfunden. Für die Darstellung physischer Objekte eignen sie sich sehr viel besser als zweidimensionale Informationsvisualisierungstechniken. Durch eine zusätzliche räumliche Dimension kann darüber hinaus rein theoretisch auf einem Bild der gleichen Größe mehr Information dargestellt werden als mit zweidimensionalen Informationsvisualisierungstechniken. Diese grundsätzlich höhere Ausdrucksfähigkeit und Attraktivität der 3-D-Informa‐ tionsvisualisierungstechniken erkauft man sich aber relativ teuer durch einen vergleichsweise höheren Rechenleistungsbedarf für das computergrafische Erzeugen der 3-D...