visualización ypercepción visual

tomas laurenzo

laboratorio de medios · fing · udelar Interacción persona computadora.

www.fing.edu.uy/inco/cursos/inpercom

principios para una ciencia de visualización de datos

referencia:

1 Foundation for a Science of Data Visualization.

Information Visualization

Perception for design (2000)

Colin Ware

Visualizar

• Definiciones de la Real Academia Española

– Visibilizar, hacer visible artificialmente lo que no puede verse a simple vista, como con los rayos X los cuerpos ocultos, o con el microscopio los microbios.

– Representar mediante imágenes ópticas fenómenos de otro caracter; p. ej., el curso de la fiebre o los cambios de condiciones meteorológicas mediante gráficas, los cambios de corriente eléctrica o las oscilaciones sonoras con el oscilógrafo, etc.

– Formar en la mente una imagen visual de un concepto abstracto.

– Hacer visible una imagen en un monitor.

Visualizar

• visualización: – Proveer la habilidad de comprender grandes

volúmenes de datos.– Permite la percepción de propiedades emergentes que

no eran anticipadas.– A menudo hace evidentes problemas con los datos

(p.ej.: errores en la recolección y en la precisión).– Facilita la comprensión de la estructura de las partes y

del los datos como un todo. Permite observar y comprender a distintas escalas de la apariencia de los datos.

– Facilita la formación de hipótesis.

5-dimensional visualization: Three walls of spheres represents the top chief complaints of patients in the emergency department (chest pain, abdominal pain and shortness of breath) over the last year. The busiest days are higher and more intense in color. xp filesystem

Etapas de la visualización de datos• recoleccion de datos• preprocesamiento para que los datos sean

comprensibles• algoritmos gráficos + hardware• percepción humana

Entorno físico

Etapas de la visualización

Datos

HumanoAnalista de Información

Procesamientovisual y cognitivo

Preprocesamientoy transformación

Mot

or G

ráfi

co

Exploración de los datos

Manipulación de los datos

Entorno social

Recolección de datos

Tres gráficos

¿ciencia de la visualización?

• La visualización trata acerca de diagramas y cómo ellos brindan información, contenido, significado.

• Los diagramas se componen de símbolos y los símbolos son construcciones sociales.

• El significado de un símbolo es creado por convención.• Los diagramas son arbitrarios y son efectivos de la misma

forma que un texto. Cuando mejor aprendemos las convenciones, más claros son los diagramas.

• Por tanto, un diagrama es tan bueno como cualquier otro y por tanto las reglas de la percepción son irrelevantes.

Principio de arbitrariedad (Saussure)

• No existe relación entre el símbolo y la cosa que es significada.

• Algo con significado en una cultura puede no tener sentido en otra. Somos arrogantes al calificar a otras culturas como “primitivas” ya que esa es sólo una percepción cultural mas.

• Como conclusión, no se puede decir que una representación sea “mejor” que otra. Todas sirven a aquellos que las comprenden y están de acuerdo con su significado.

• Esto atenta directamente contra la raíz de tratar de fundar una ciencia natural de la visualización.

• Nelson Goodman:

• “La representación realista, en breve, depende no de la ilusión o imitación o de la información, sino que depende de la inculcación. Cualquier imagen puede representar casi cualquier cosa, esto es, dado una imagen y un objeto, usualmente existe un sistema de representación bajo el cual representa el objeto”.

¿Es verdadero el principio de arbitrariedad y la visualización como lenguaje aprendido?

• Herkovitz (1948) muestra el desconcierto de personas que encontrar fotos por primera vez:

• “(la mujer) tomó la fotografía, girándola, tratando de que el sombreado de grises tuviera algún sentido”

• Kennedy (1974) lo explica por el asombro.

• Hochbers y Brooks (1962) criaron su hija hasta los dos años en un a casa sin fotos, y evitando todo el condicionamiento social…

¿Es verdadero el principio de arbitrariedad y la visualización como lenguaje aprendido?

• Deregowsky (1968) reporta estudios de niños y adultos en areas remotas de Zambia, que nunca habían visto fotografías pero pueden interpretarlas y hacerlas corresponder con objetos reales.

• Otros estudios llegan a iguales conclusiones con dibujos y fotografías blanco y negro.

• Incluso en los diagramas, hay estructuras que son naturalmente fáciles de interpretar y otras que no lo son tanto.

Diagramas de relación arbitrarios

Símbolos sensoriales y arbitrarios

• Símbolos sensoriales: aquellos que derivan su poder de expresión de su habilidad de usar la potencia del procesamiento perceptual natural de la mente.

Ej: la pintura en la caverna nos significa algo, a pesar de los milenios transcurridos desde su creación, y de que el autor no dejó un instructivo de uso.

• Símbolos arbitrarios: aquellos que deben ser aprendidos, que no tienen base perceptual.

Ej: la palabra “perro” no tiene relación con el animal. la palabra “ojo”

Símbolos arbitrarios y sensoriales

La teoría de los símbolos y lenguajes sensoriales surge de la idea de que el sistema visual humano ha evolucionado como un instrumento para percibir el entorno físico real en el viven los humanos. El s.v.h. facilita la percepción de dicho entorno, y dificulta otro tipo de percepciones.

Esta teoría se contrapone a la que manifiesta que nuestro cerebro se adaptaría indistintamente a cualquier situación o a cualquier conjunto de leyes físicas.

Maluma y Takete

Wolfgang Köhler, 1929.

Bouba y Kiki.

90% (95% 98%)

2.5 años (sin leer)

similar a la sinestesia. Podría indicar una base neurológica en el desarrollo del lenguaje.

autistas (60%)

gatos.

Estructura visual de un mono

Monos, personas e incluso gatos, poseen estructuras visuales similares. Corteza visual.

Corteza visual• V1, y V2, V3, V4 y V5

– una en cada hemisferio

• V1 es llamada corteza visual primaria, es el área más estudiada del cerebro– ~140 millones de neuronas – Reconocimiento de patrones. – Detección de movimiento.– transmite información por dos rutas , lla Franja dorsal

y la Franja ventral.

• V2. Recibe de V1, envía a todas.– propiedades básicas, igual que v1 (orientación,

frecuencia, color).– contornos ilusorios.– distinción de figura y fondo.

• V3. Quizás movimiento global.• V4. Quizás color. • V5. Quizás movimiento singular e integración.

• Las neuronas de la Corteza visual disparan potenciales de acción cuando el estímulo visual aparece dentro de su campo receptivo. Por definición , el Campo receptivo es la región dentro del campo visual el cual educe un potencial de acción. Pero cada neurona dada puede responder a un subconjunto de estímulos dentro de su campo receptivo. Esta propiedad es llamada Sintonía neuronal. En las áreas visuales altas, la sintonía neuronal se vuelve más compleja. Por ejemplo en el cortex temporal inferior, una neurona puede disparar solamente cuando cierta cara aparece dentro de su campo receptivo.

• Un potencial de acción o también llamado impulso eléctrico, es una onda de descarga eléctrica que viaja a lo largo de la membrana celular .

Símbolos arbitrarios y sensoriales

Los aspectos sensoriales de una visualización están relacionados con el estímulo del sistema sensorial visual (su estudio e interpretación se realiza a través de las técnicas experimentales desarrolladas por la neurociencia)

Los aspectos arbitrarios están relacionados con el aprendizaje (su estudio e interpretación se realiza a través de las ciencias sociales)

Propiedades de la representación sensorial1- Comprensión

inmediata, sin entrenamiento.

2- Resistencia a cambiar una percepción en base al aprendizaje.

3- Inmediatez sensorial.Cierta información se procesa

en paralelo.

La evidencia sugiere que esto

se debe a un sistema de

procesamiento temprano.

4- Validez intercultural.

Propiedades de la representación sensorial

1- Difícil de aprender.A B C D E F G H I J K L M N Ñ O P Q R S T U V W X Y Z

A los niños les toma cientos de horas aprender a leer y escribir. Las formas de las letras, las combinaciones aceptadas y las prohibidas se discuten y resuelven en academias de lengua.

2- Fácil de olvidar.A B C D … (?)

Propiedades de la representación arbitraria convencional

3- Embebido en la cultura y en las aplicaciones.Los códigos de colores pueden ser específicos de cada cultura. Para los chinos, el blanco simboliza a la muerte, mientras que el rojo significa buena suerte.

Hay códigos más universales, como los números arábigos.

Hay muchos códigos arbitrarios en las profesiones: para los cartógrafos, es mejor un mapa con curvas de nivel que una representación sombreada, aunque la última sea más intuitiva (natural).

Propiedades de la representación arbitraria convencional

Ej: representación arbitraria Colores en diferentes culturas

Culture Red Blue Green Yellow WhiteUnitedStates

Danger Masculinity Safety Cowardice Purity

France Aristocracy FreedomPeace

Criminality Temporary Neutrality

Egypt Death VirtueFaithTruth

FertilityStrength

HappinessProsperity

Joy

India LifeCreativity

ProsperityFertility

Success DeathPurity

Japan AngerDanger

Villainy FutureYouthEnergy

GraceNobility

Death

China Happiness HeavenClouds

Ming DynastyHeavenClouds

BirthWealthPower

DeathPurity

4- Formalmente poderoso.

Las matemáticas utilizan un lenguaje (código visual) de una gran potencia expresiva, enorme rigurosidad y formalismo, para transmitir conceptos abstractos.

Pero es difícil de aprender.

5- Capaz de rápidos cambios.Los códigos visuales arbitrarios, evolucionan mucho más rápido que los sensoriales.

Las posibilidades actuales en el dominio de la forma y el color hace que haya una explosión de nuevos códigos gráficos.

Propiedades de la representación arbitraria convencional

Psicofísica:Conocer los límites del sistema visual, revelar procesos sensoriales tempranos. Si un fenómeno es fácilmente alterado por aprendizaje, se debe cuestionar si se debe a un mecanismo sensorial de bajo nivel.

Psicología cognitiva: La mente suele ser modelada como un conjunto de módulos

interconectados. Se centra en los procesos mentales que rigen el comportamiento. (percepción, razonamiento, aprendizaje, etc). P.ej. si al hacer dos tareas distintas, una interfiere la otra, indica que ambas

convergen en algún punto. A estos métodos se le ha agregado las imágenes de resonancia magnética

(MRI) que muestra las partes activas del cerebro en cada instante.

Elementos para una ciencia de la visualización

Análisis estructural:Se utilizan entrevistas. Se suele pedir a los sujetos que realicen ciertas tareas y que reporten su entendimiento y comprensión. Se hace énfasis en la formación de hipótesis (más descripción y clasificación que explicación).

Es usado en la evaluación de interacción. Al preguntar a observadores que asignen números a factores como efectividad, claridad, etc. se puede comparar entre varias posibles representaciones.

Estudios interculturales: P.ej. A través de estos estudios se demostró la universalidad de ciertos

colores como rojo, verde, amarillo y azul (no el significado, sino el que estén presentes en todas las culturas)

Elementos para una ciencia de la visualización

Estudios con niños:A través de su comportamiento ante formas simples se pueden revelar los mecanismos básicos de procesamiento.

La motivación de estos estudios es que probablemente el procesamiento sensorial está en funcionamiento, pero aún no han aprendido las convenciones sociales respecto a las representaciones gráficas, especialmente en las áreas de visualización de datos.

Elementos para una ciencia de la visualización

• Percibimos para operar en el entorno.• Las posibilidades de acción percibidas las llama

potencialidades, (o abordabilidades) o affordances en inglés.

• Según Gibson no percibimos puntos de luz, sino superficies para caminar, mangos para agarrar, espacios para navegar, herramientas para manipular, etc.

• Por tanto, no hay que preocuparse tanto de los “detalles” fisiológicos o neurológicos.

Teoría de Gibson de la abordabilidad (affordance)

• Esta teoría cambia la perspectiva respecto a otros teóricos que consideran que la visión hay que estudiarla como un proceso “bottom up”: comenzar por la percepción de los puntos de luz subir en abtracción hasta llegar a comprender cómo vemos el mundo real en que vivimos.

• vemos con el cerebro, no con los ojos.

Teoría de Gibson de la abordabilidad (affordance)

La affordance llevada al IxD

• Para crear una “buena interacción”, debemos crearla con affordances claras que faciliten las tareas del usuario. Si queremos mover un objeto 3D, debemos generar “mangos” que permitan rotar, empujar, tirar al objeto.

La affordance llevada al IxD

• Gibson sostiene que la affordance es la percepción directa de las propiedades físicas del entorno.

Problema 1: La percepción de los datos a través de la computación gráfica no es directa.

Problemas con la teoría de Gibson

Problema 2: No existe una affordance física real en ninguna interfaz gráfica.

Por ejemplo, los “botones gráficos” son convenciones sociales. Debemos aprender que la imagen de un botón puede ser “apretada” utilizando el ratón, el cursor u otro botón.

Problemas con la teoría de Gibson

Problema 3: Rechazar los mecanismos de la visión puede ser un problema.

Es necesario conocer cómo funciona el ojo para poder diseñar monitores o impresoras.

Pero la idea general es útil. Usarla significa diseñar botones virtuales para presionar, pestillos virtuales que girar, etc. Tomamos prestados las abordabilidades de los objetos representados.

Utilizamos metáforas.

Problemas con la teoría de Gibson

Un modelo de procesamiento perceptual

Pro

cesa

mie

nto

tem

pran

o:

colo

r, c

onto

rno

s, te

xtu

ra

y cu

estio

nes

esp

acia

les.

Percepción para la acción

Esquema espacial

Identificación de objetos,memoria de trabajo visual

Almacenamiento de largo plazo, memoria de objetos, escenas, etc.

Salida motora, incluyendo mem.

motora de largo plazo

Subsistemas de lenguaje natural

Etapa 1

Etapa 2

Grandes conjuntos de neuronas del ojo y de la corteza procesan las imágenes.

• Cada neurona procesan cierta clase de información, como orientación de los ojos o el color de una zona. Grupos de neuronas trabajan en paralelo. El procesamiento es automático, rápido e inevitable.

• Si queremos que los usuarios comprendan rápidamente la información, debemos presentarla de forma que sea fácilmente detectable en esta etapa.

Etapa 1: procesamiento paralelo.

Características de la etapa:

1- Procesamiento paralelo y rápido.

2- Extracción de formas, orientación, color, textura y patrones de movimiento.

3- La información es de naturaleza transitoria, la cual es brevemente almacenada en una memoria visual.

4- Procesamiento ascendente (botton-up).

Etapa 1: procesamiento paralelo.

Consideramos dos subsistemas:

1- especializado en el reconocimiento (manipulación simbólica de objetos).

2- especializado en la interacción con el entorno (locomoción y acción).

Etapa 2: procesamiento orientado a objetivos y secuencial.

Características de la etapa:

1- Procesamiento serial lento.

2- Se trabaja con memoria de corto plazo y de largo plazo.

3- Mayor énfasis en los aspectos arbitrarios de los símbolos.

4- Procesamiento descendente (top-down).

5- Diferentes caminos para reconocimiento y coordinación motora.

Etapa 2: procesamiento orientado a objetivos y secuencial.

Un modelo cuantitativo de la percepción

• EL Principio de Helmholtz,– Pretende cuantificar la teoría del a Gestalt.– propuesto en 1985 por D. Lowe, – establece que, en una imagen, las

estructuras que vemos son aquellas que tienen una probabilidad muy baja de aparecer en el ruido

Un modelo cuantitativo de la percepción

– Una estructura geométrica observada es percibida como significativa, cuando su numero esperado de ocurrencias en una situación aleatoria es extremadamente bajo.

– Estas estructuras pertenecen a una clase dada de objetos geométricos predefinidos: las clases de “Gestalts" definidas por la escuela gestáltica de sicofisiología.

• Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz – Conservación de la energía.– Fisiología sensorial.– Optica oftálmica (oftalmoscopio).– Acústica y estética (On the Sensations of Tone as a

Physiological Basis for the Theory of Music )– Electromagnetismo (Hertz).