Visualisierungsdesign für 3D-Benutzerschnittstellen unter Verwendung komponierter Darstellungsverfahren

Das computergrafische Abbildungsverfahren zur Verwirklichung von dreidimensionalen Darstellungen ist ein wichtiges Instrument für die Gestaltung interaktiver 3D-Benutzerschnittstellen. Die Betrachtung von Projektionsverfahren abseits des bisher angestrebten Fotorealismus dokumentiert, dass durch nichtlineare und multiperspektivische Darstellungen spezifische Eigenschaften und Charakteristiken eines Datenbestandes vermittelt werden können. Dabei wird deutlich, dass konzeptionelle und methodische Unzulänglichkeiten den erfolgreichen Einsatz von unkonventionellen linearen sowie nichtlinearen Darstellungsformen in 3D-Anwendungen bisher einschränken. In dieser Arbeit werden daher Darstellungstechniken analysiert und systematisiert, die durch den computergrafischen Projektionsvorgang erzeugt und für die Verwirklichung von Visualisierungszielen eingesetzt werden können. Ferner werden für den spezifischen Einsatz von komponierten Visualisierungsverfahren in 3D-Benutzerschnittstellen Gestaltungshinweise formuliert. Darauf aufbauend erfolgt die Einführung einer modellbasierten Vorgehensweise, durch welche die systematisierten Visualisierungsformen in einem methodischen und ferner entwurfsmustergestützten Entwurfsprozess zur Entwicklung interaktiver 3D-Interfaces eingebunden und weiterhin in einer interaktiven 3D-Anwendung eingesetzt werden können

Räumliche Visualisierung und Kolokalisation von Proteinen in ceramidreichen Domänen

Das Clustering von Rezeptor- und Signal-Molekülen (wie CD95 oder CD40) innerhalb ceramidreicher Membran-Domänen führt zu sehr hohen Dichten dieser Proteine. Hierdurch werden die Aktivierung entsprechender Enzyme, der Ausschluss hemmender Moleküle und/oder die Gewinnung weiterer Signal-Moleküle erleichtert, um das entsprechende Signal des Rezeptors in die Zellen zu übertragen. Bis heute sind die Mechanismen des Rezeptor-Clusterings nicht entschlüsselt und die genaue Verteilung von Proteinen innerhalb ceramidreicher Domänen unbekannt. Daher wurden unter Zuhilfenahme eines Laser-Scanning-Mikroskops Schichtbilder aus Zellproben von JY-Zellen erzeugt, die mit Fluoresceinisothiocyanat (FITC)-gekoppelten anti-Ceramid- und Cy3-markierten anti-CD95-Antikörpern gefärbt waren. Aus dem Bildmaterial konnten nach der Bildvorverarbeitung mittels geeigneter Filter zur Kontrastverbesserung und Rauschunterdrückung räumliche Modelle mit Hilfe angepasster Verfahren des Volumerenderings und der Oberflächenrekonstruktion generiert werden. Die erzeugten interaktiven Visualisierungen unterstützten die räumliche Analyse, und es konnte für den verwendeten Zelltyp (JY-Zellen) eine räumliche Darstellung der Ceramid- und CD95-Verteilungen sowie deren Kolokalisationen erstmals gezeigt werden. Durch erweiterte und eigens entwickelte, evaluierte Methoden (Produktintensität, Binärisierung) sowie die räumliche Anwendung der Kreuzkovarianzfunktion (KKF) konnte die Bestimmung des qualitativen Kolokalisationsgrades vereinfacht werden. Ferner konnten räumliche Fluorogramme erzeugt werden, aus denen ein neuartiges, alternatives Verfahren (Absolut-Delta-Koeffizient) zu den ebenso räumlich angewandten Standardverfahren zur quantitativen Kolokalisationsbestimmung abgeleitet wurde. Die resultierenden Werte der Kolokalisationsanalyse bestätigten das bedeutsame Mitwirken des Ceramids an dem CD95-Clustering. Insgesamt verbesserte die eigens entwickelte Software das Verständnis über den Prozess des CD95-Clusterings, und wurde generisch konzipiert, um für weiterführende Arbeiten eingesetzt werden zu können

Illustrative Informationsvisualisierung

Mit wachsender Größe von Daten wird es zunehmend schwerer, die in der Informationsvisualisierung erzeugte visuelle Repräsentation zu interpretieren und die relevanten Informationen adäquat darzustellen. Die Illustration beschäftigt sich seit längerem mit der Kommunikation wichtiger Bildinformationen. Das Ziel dieser Dissertation ist es deshalb, illustrative Verfahren in Techniken der Informationsvisualisierung zu integrieren - sowohl konzeptuell als auch in praktischer Anwendung. Als Ergebnis unterstützen die neu entwickelten Lösungsansätze die Kommunikation dargestellter Informationen

XR in Surgery. Spatial and embodied computing in digital surgery: Technology, Application, Design

Die Arbeit untersucht die Anwendungsfelder, Darstellungsprinzipien und Funktionsweise von extended reality in der chirurgischen Praxis. Anhand zweier Fallstudien zu mixed und virtual reality werden die Einsatzorte und Praktiken von head-mounted Displays sowie das erforderliche Anwendungswissen herausgearbeitet. An den Beispielen der Einblendung anatomischer Darstellungen ins Sichtfeld des chirurgischen Personals sowie der volumetrischen Darstellung chirurgischer Arbeitsabläufe in einer virtuellen Trainingsumgebung werden zwei konkrete Anwendungsszenarien für den Einsatz von extended reality in der chirurgischen Praxis entwickelt. Darauf aufbauend werden die Chancen und Risiken evaluiert, die sich insgesamt für chirurgische Handlungen und Entscheidungen im Bezug auf die Wahrnehmung, Interpretation und Gestaltung von Bildern der extended reality ergeben.The work investigates the technology, application and design of extended reality in surgical practice. Based on two case studies on mixed and virtual reality, it analyses use of head-mounted displays as well as the required applied knowledge. Using the examples of superimposing anatomical images onto the field of vision of surgical staff and the volumetric representation of surgical workflows in a virtual training environment, two concrete application scenarios for the use of extended reality in surgical practice are developed. Based on these scenarios, the chances and risks are evaluated, which result overall for surgical acting and decision making in terms of perception, interpretation and design of images of extended reality

Medical Visual Analytics

Visual Analytics hat in den letzten Jahren die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf sich gezogen. Aus dem ursprünglichen Themenfeld der Katastrophen- und der Terrorbekämpfung haben sich die Anwendungen von Visual Analytics auch auf andere Bereiche erweitert. Durch die Integration von Visualisierungs- und Data Mining-Methoden können die Vorteile der menschlichen Wahrnehmung und der automatisierten Analyse verbunden und dadurch die Nachteile der jeweiligen Methode behoben werden. Basierend auf das Visual Analytics Mantra wird in dieser Arbeit ein interaktives System zur explorativen Analyse von historischen Patientendaten entwickelt. Die Daten werden basierend auf ihre geografische Zugehörigkeit auf einer Karte dargestellt und können nach verschiedenen Kriterien gruppiert, gefiltert und ausgewertet werden. In jeder Ansicht der Anwendung können weitere deskriptive Statistiken der ausgewählten Gruppen und deren zugrundeliegenden Datensätze angezeigt werden. In einem Experteninterview wurden im Anschluss an die Entwicklung eine Reihe von Anwendungsszenarien formuliert und analysiert, um die Tauglichkeit des entwickelten Systems zu überprüfen

Neues Konzept zur 2D- und 3D-Visualisierung kontinuierlicher, multidimensionaler, meteorologischer Satellitendaten

Die Visualisierung und die Unterscheidbarkeit kontinuierlicher, multidimensionaler Messdaten stößt mit bekannten Techniken oft bereits für wenige Parameter an ihre Grenzen. Für die Darstellung von räumlich-zeitlichen Satellitendaten wird ein neues Konzept für die Visualisierung kontinuierlicher, multidimensionaler, meteorologischer Satellitendaten vorgestellt. Schwerpunkte sind die 3D-Visualisierung, der Einfluss von Animationen und die Entwicklung einer 2D- und 3D-Visualisierungssoftware

Vitalitätseffekte: Erkenntnis und Affekt in der Medienkultur der Zellbiologie

Wie schaffen Bilder Wissen? Welche Rolle kommt der Ästhetik in der naturwissenschaftlichen Bildgebung zu? Was verändert sich an der Beweiskraft des Bildes durch die digitale Bilderzeugung? Die Autorin befasst sich anhand von zellbiologischen Forschungs- und Lehrfilmen mit den bildgebenden Verfahren der computergestützten Mikroskopie. Aus einer medien- und filmwissenschaftlichen sowie kunst- und wissenschaftsgeschichtlichen Perspektive untersucht sie, wie digitale Bilder in der naturwissenschaftlichen Forschung als Erkenntnismedien wirken. Dabei zeigt sich, dass sich die fachlich geschulte, auf Erkenntnisgewinn ausgerichtete Wahrnehmung und die affektive Beteiligung an den Filmen nicht konträr zueinander verhalten, sondern einander bereichern und erweitern

Visuelle Suchanfragen auf graphbasierten Datenstrukturen

Die Menge an verfügbaren Daten nimmt stetig zu. Durch standardisierte Datenformate wird die Verknüpfung verschiedener Datenquellen und dadurch auch die Zusammenführung unterschiedlicher Datenelemente je nach Anwendungszweck ermöglicht. Dies führt wiederum zu noch umfassenderen Datenbeständen, in denen die eigentlich gewünschten Informationen teilweise nur schwer gefunden werden können. Handelt es sich bei den Daten um unstrukturierte oder gleichförmige Informationen, so beschränken sich Suchmöglichkeiten auf die Suche nach Übereinstimmungen von Mustern mit Datenelementen oder Teilen davon - beispielsweise Zeichenketten oder regulären Ausdrücken, die mit Teilen von textuellen Datenelementen übereinstimmen. In zunehmendem Maß stehen jedoch auch strukturierte Daten zur Verfügung. Bei diesen wird entweder von Anfang an zwischen unterschiedlichen Facetten pro Datenelement unterschieden, oder es wurden ursprünglich unstrukturierte Daten entsprechend angereichert. Da die einzelnen Facetten auch Verknüpfungen zu anderen Datenelementen darstellen können, entstehen hierbei Graphstrukturen, welche sich für Ansätze der facettierten Suche eignen. Eine Interoperabilität zwischen Datenquellen wird hier unter anderem über die Konzepte und Techniken des Semantic Web erreicht. Zahlreiche Arbeiten haben sich mit der Darstellung der gesamten Datenmengen als Übersicht oder von festgelegten Ausschnitten der Datenmengen im Detail auseinandergesetzt. Jedoch ist das Auffinden bestimmter Daten nach wie vor ein Problem. Die Schwierigkeit liegt dabei darin, die Suchkriterien präzise auszudrücken. Da sich zwischen den einzelnen Kriterien komplexe Zusammenhänge ergeben können, bietet sich auch hier genau wie bei der Übersicht der Datenmengen eine visuelle Darstellung an. Eine Besonderheit dieses Einsatzszenarios für Visualisierungen besteht darin, dass nicht zwangsläufig Daten vorliegen. Statt dessen muss die Visualisierung auch ohne verfügbare Daten die konzeptuelle Idee einer Suchanfrage ausdrücken. Frühere Arbeiten zu diesem Problem befassen sich mit der visuellen Repräsentation von Suchanfragen und Filterausdrücken in Bezug auf relationale Datenbanken und Objektdatenbanken. Viele neuere Arbeiten gehen vermehrt auch auf den Kontext des Semantic Webs ein. Einige dieser Konzepte sind jedoch nicht auf abstrakte Weise klar definiert. Bei komplexeren Anfragen treten zum Teil auch Skalierungsprobleme auf. Zudem wurde bisher kaum betrachtet, wie sich unterschiedliche Konzepte miteinander in Verbindung bringen lassen, um die Vorteile aus unterschiedlichen Anfragevisualisierungen nutzen zu können. Diese Dissertation adressiert die beschriebenen Probleme und stellt sechs Konzepte für die visuelle Darstellung von Suchanfragen vor. Es wird sowohl auf Visualisierungen für allgemeine Einsatzzwecke - also für die Filterung beliebiger strukturierter Informationen -, als auch für spezielle Domänen oder Arten von Informationen eingegangen. Bestehende Ansätze wurden teilweise auf die Gegebenheiten graphbasierter Datenstrukturen angepasst. Ebenso werden neue Ansätze präsentiert, die gezielt auf diese Art von Datenstrukturen ausgelegt sind. Dazu wird jeweils erörtert, inwiefern sich die Anfragevisualisierungen auch ohne Vorhandensein einer zu filternden Datensammlung einsetzen lassen. Zudem wird erklärt, wie bei Vorhandensein einer solchen eine Vorschau auf die Ergebnisse des Filtervorgangs gewährt werden kann. Abschließend werden Verbindungsmöglichkeiten der unterschiedlichen Visualisierungskonzepte präsentiert. Dieser Verbindungsansatz eignet sich dazu, beliebige Anfragevisualisierungen systematisch miteinander zu kombinieren. Mit dem Verbindungskonzept können Benutzer verschiedene Bestandteile einer Anfrage mittels unterschiedlicher Visualisierungskonzepte ausdrücken, um gleichzeitig von den Stärken unterschiedlicher Anfragevisualisierungen zu profitieren. Auf diese Weise können nun Anfragen visuell definiert und dargestellt werden, die sowohl komplexe Bedingungen als auch komplexe Zusammenhänge zwischen den Bedingungen aufweisen, ohne die visuelle Übersicht über einen dieser Aspekte zu verlieren.The total amount of available data is steadily increasing. Standardized data formats allow for connecting different data sources, which can include merging of different data items depending on the use case. This creates even more comprehensive datasets that render finding a particular piece of information difficult. If the data consist of unstructured of homogenous information, searching can only be done by matching patterns with data items or parts thereof - for instance, character strings or regular expressions that match parts of textual data items. However, the availability of structured data is increasing. This kind of data is either stored as distinct facets of each data item from the outset, or originally unstructured data has been enriched to form a structure. As each facet can indicate a link to another data item, the entire dataset forms a graph that is suitable for faceted search conepts. At this point, some interoperability across data sources can be achieved by employing Semantic Web approaches and techniques. Numerous works have attempted to visualize an overview of the entire dataset, or details of a particular excerpt of the dataset. Finding specific data remains a problem, however, as the precise specification of search criteria is difficult. As these criteria can be connected in complex ways, just like the overview of datasets, this issue lends itself to using visual representations. A special trait of this application of visualization is the possible absence of any data. Instead, the visualization must be capable of conveying the conceptual idea of a search query without displaying any data. Former works related to this problem focused on the visual representation of search queries and filter expressions for relational and object-oriented databases. More recent works increasingly address a Semantic Web context. Various of these concepts, however, lack a clear abstract definition. Also, scalability issues appear in the case of complex queries. Furthermore, little attention was paid to how to connect several concepts in order to combine advantages of different query visualizations. This dissertation considers the described problems and presents six concepts for query visualization. Both generic visualizations - that is, for filtering any kind of structured data - and domain-specific or type-specific visualizations are addressed. In part, existing approaches have been adapted to the particularities of graph-based data structures. Likewise, several new approaches specifically designed for this kind of data are presented. For each of these concepts, the necessity of a dataset is discussed. Moreover, options for providing a preview on query results from such a dataset, if available, are considered. Finally, ways for connecting the query visualization concepts are presented. This connection approach is suitable for systematically linking together arbitrary query visualizations. By means of the connection approach, users can express different parts of a query using different visualization concepts, in order to benefit from the advantages of several query visualizations at a time. Like this, queries that include complex criteria as well as complex relations between criteria can now be defined and displayed visually without losing the visual overview of any of these aspects

Imag(in)ing social networks

Rahmen Als kulturelle Leitmetapher reüssiert der Netzwerkbegriff heute im Zusammenspiel mit einer spezifischen Vorstellung: als Leitbild ist sie geprägt von Bildern, die Geflechte aus Knoten und Linien zeigen, von der Darstellung möglicher Epidemien, über Verflechtungen der Finanzmärkte bis zu Freundschafts- und Terrornetzwerken. Ob historische Studien, Gegenwartsanalysen oder Zukunftsszenarien, Erkenntnis- oder Kontrollinstrumente, die Techniken zur Erzeugung solcher Netzwerkdiagramme aus Annahmen, Erhebungsdaten oder Simulationen bauen auf gemeinsamen ästhetischen aber auch methodischen Traditionen auf. Seit den 1930er Jahren wird wissenschaftlich an der soziometrischen Vermessung und Darstellung von sozialen Strukturen gearbeitet, mit voranschreitender Digitalisierung und neuen Möglichkeiten der Informationsvisualisierung konnte ein Forschungsbereich entstehen, der mächtige Analyseinstrumente für komplexe soziale Zusammenhänge bereitstellt: Im Rahmen der Sozialen Netzwerkanalyse werden neben neuen mathematischen Methoden auch neuartige visuelle Darstellungstechniken und Interpretationsformen entwickelt. Ziele Das Projekt zielt darauf ab, Einblick in den Entstehungskontext von wissenschaftlichen Visualisierungen sozialer Netzwerke als Soziogramme zu erlangen. Sowohl die metaphorischen und sinnlichen Dimensionen der Bildakte, als auch die vielfältigen Objektivierungsstrategien am und durch das Medium der Netzwerkvisualisierung sollen von der wissenschaftlichen Praxis her beleuchtet werden. In den Blick rücken sodann ihre Performanzen als kulturspezifische Metaphern, Bilder und Modelle („imagining“) und die operativen Strategien der Sichtbarmachungen und Materialisationen („imaging“). Theoretisches und methodisches Vorgehen Die Studie orientiert sich weniger an bildwissenschaftlichen Theorien als an wissenschaftssoziologischen Ansätzen, insbesondere an Laborstudien und praxeographischen Studien, welche Wissen in die es hervorbringenden Praktiken eingebettet untersucht. Die Herausarbeitung der Handhabungen der wissenschaftlichen Bilder erfolgte auf Basis von teilnehmenden Beobachtungen in einem netzwerkanalytischen Labor, Interviews und Feedback- Befragungen, und Literaturrecherchen, sowie durch aktive Partizipation im Feld, etwa durch Vorträge und Diskussionen bei einschlägigen Konferenzen, und durch Teilnahme an Lehrveranstaltungen und Workshops zwischen 2006 und 2009. Zum Einsatz kam also ein Set aus Methoden einschließlich diskursanalytischen Kodierungs- und Auswertungsinstrumenten und ethnographischen Vorgehensweisen. Resultate Netzwerkvisualisierungen werden in der Forschungspraxis als Werkzeug, Argument und Evidenzmittel eingesetzt. Sie sind Indikatoren für die Datengüte, Exploratorien, Triangulationswerkzeuge, Kommunikationsmittel und erzeugen somit das, was sie analysieren. Die Herstellung von Wissen erscheint demnach als Gestaltungsprozess. Die Arbeit an den Diagrammen erfordert diverse Formen der Zusammenarbeit und des Wissenstransfers, die Expertise der Bildherstellung und -gestaltung muss oftmals extern beigeholt werden. Der Wille zur Gestaltung weist über die Maximierung der Lesbarkeit und die Reduktion der interpretativen Flexibilität hinaus, im Forschungsprozess mit seinen Aufmerksamkeitsökonomien kommen epistemische Bilder auch zeitgenössisch stilgerecht zum Einsatz. Ein historischer Exkurs zum zeichnerischen Entwerfen von sozialen Strukturen beleuchtet die Kulturtechnik des Knoten-Linien-Diagramms und stellt die Herausbildung der damit einhergehenden Blickkonventionen vor. Die Beobachtungen der kulturellen und körperlichen Dimensionen der wissenschaftlichen Evidenzerzeugung mittels Bildern weisen diese als ästhetische Praktiken aus. Körperlichkeit wird nicht als Automatismus ausgeblendet, sondern ist im Zusammenwirken mit instrumenteller Vermittlung sowohl als Medium, als auch als Maßstab der wissenschaftlichen Objektivierung zu begreifen. Diskussion Der epistemologisch prekäre Status der Netzwerkvisualisierungen – in der wissenschaftlichen Ausbildung wird deren Herstellung meist vernachlässigt, in der Vermittlung wird deren aufwändige Gestaltung als Informationsvisualisierung oftmals als manipulativ empfunden – kann für deren reflexive Thematisierung als Wahrnehmungs- und Gestaltungstechniken sozialer Realitäten herangezogen werden. Das Zeichnen von sozialen Strukturen birgt das Potential multiple Perspektiven auf das Soziale zu kultivieren und gesellschaftliche Selbstbeschreibungen und Leitbilder kritisch aufzubrechen. Gestaltungskompetenz sollte demnach explizit als notwendiger Bestandteil epistemischer Praktiken etabliert werden

Doing Images: Zur Praxis medizinischer Bilder

Dieser Band ist die erste deutschsprachige Ethnografie zu bildgebenden Verfahren in der Medizin. Im Zentrum steht die Frage nach der Herstellung, Interpretation und Verwendung medizinischer Bilder sowie nach der Bedeutung, die ihnen in der medizinischen Praxis zukommt. Die theoretisch anspruchsvolle Studie greift auf Konzepte der Wissenschafts- und Technikforschung und der Kultursoziologie sowie auf Ergebnisse von Feldforschungen in der Schweiz, in Deutschland und in den USA zurück. Sie zielt darauf ab, einen reflexiven Umgang mit medizinischen (und allgemein wissenschaftlichen) Bildern zu fördern und das analytische Instrumentarium in der Soziologie zu erweitern