Einführung in die Medieninformatik 1 - TZI

Einführung in die 

Medieninformatik 1 

•Wintersemester 2007/08 

Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 1

Administrativa 

• Pflichtvorlesung für 

– Medieninformatik/Digitale Medien (Bachelor) 

• Wahlpflicht: 

– Informatik 

• Termine: 

– Vorlesung: 

• Mittwoch: 13:00-15:00 

(13:15-14:45) 

– Tutorien: 

• Donnerstags 10:00-12:00 

und 13:00-15:00 

• Web-Seite: 

– Medien.Informatik.Uni-Bremen.de 


Übungen und Tutorien 

• Ziel: 

– Umsetzung des Stoffes in eigene 

Arbeit 

– Learning by Doing 

– z.T. in Kleingruppen 

– Aufgaben für eine bis drei Wochen 

Aufgaben bauen aufeinander auf 

– Treffen wöchentlich in den Tutorien 

– Außerdem Einzelarbeit und in 

kleineren Gruppen 

• Thema im ersten Semester: 

– Entwicklung einer (digitalen) 

Medienkampagne 


Vorlesung, Folien und Tutorien 

• Sinn der Vorlesung: 

– Zusammenhänge erklären 

– Wichtige Dinge herausarbeiten 

– Zeigen, in welche Richtungen man weiter machen kann 

– „Denkweise“ vermitteln 

• Sinn der Folien: 

– Ersetzen ein Skript 

– Werden nicht alle in der Vorlesung behandelt 

– Sollten mit Vorlesung und Tutorium verständlich sein 

– Umfassen den kompletten relevanten Stoff 

• Sinn der Tutorien: 

– Ergänzen die Vorlesung, Raum für Nachfragen, Exkurse 

– Vermitteln weitere Details des Stoffs 

– Erklären und besprechen Übungsaufgaben 

– Diskussion und Präsentation der Übungsergebnisse 


Administrativa 

• Tutoren und Tutorien (fast alle im MZH): 

Hidir Aras, aras (at) tzi.de 

T1: Donnerstag 10:00-12:00 Uhr, Raum 5300 

Benjamin Walther-Franks, bwf (at) tzi.de 

T2: Donnerstag 10:00-12:00 Uhr, Raum MIR/5212 

Marion Wittstock, witstock (at) tzi.de 

T3: Donnerstag 13:00-15:00 Uhr, Raum MIR/5212 

Jens Teichert, teichert (at) tzi.de 

T4: Donnerstag 13:00-15:00 Uhr, Raum SFG 2080 

Beginn der Tutorien: 8. November! 


Anwendungstutorium 

• Freitags 13:15-14:45 oder 15:15-16:45 

Ort: MIR/5212 

• Ziel: Einführung in Tools und Werkzeuge 

– Bildbearbeitung: Photoshop/GIMP 

– Audiobearbeitung: Audacity 

– Web 

– … 

• Teilnahme nur nach Anmeldung! 

• Anmeldung in den regulären Tutorien 


Übung 1 

„Show and Tell“ 

• Sucht ein Beispiel für „Digitale Medien“ 

• Präsentiert dieses im Tutorium (max 10 min) 

• Schreibt einen kurzen Bericht (1 Seite) 

• Folien und Bericht in Stud-IP! 

• Erklärt: 

– Was ist daran gut gemacht 

– Wie funktioniert die Technik 

– Warum hat es Euch gefallen/beeindruckt 

• Präsentation: über das Semester verteilt, Termine mit den 

Tutoren absprechen 

• Beachtet korrekte Zitierweise und wissenschaftliches Arbieten! 

• Punkte: 10 


Übung 2 

Erstes Konzept für die Kampagne (3-er Gruppen) 

- Wofür/wogegen wollt ihr sein? 

- Welche digitalen Medien könntet ihr einsetzen? 

- Welche menschlichen Faktoren wollt ihr 

berücksichtigen? 

- Abgabe 15.11. im Tutorium mit Kurzvorstellung 

- Details dazu im Tutorium 

- Punkte: 5 


Plan (vorläufig) 

31.10. Einführung 

7.11. Menschen: Kognitive Aspekte 

14.11. Medien: Kodierung + Kompression 

21.11. Medien: Bilder: Grundlagen 

28.11. Medien: Bilder: Be-/Verarbeitung 

5.12. Medien: Texte und Typographie 

12.12. Medien: Audio: Grundlagen und Bearbeitung 

19.12. Menschen und Medien: Interaktion 

9.01. Web: Grundlagen 

16.01. Web: Techniken 

23.01. Medien: Video 

30.01. Zukunft Digitaler Medien, Zusammenfassung und Ausblick 

6.02. Abschluss-Event (ganztägig!) 


Veranstaltungshinweis 

• Für Bachelor im Studiengang Digitale Medien 

• An diesem Freitag: 9.11. ab 15 Uhr 

• im Auditorium der HfK 

hochschulübergreifende 

Infoveranstaltung zur Organisation 

des Bachelor 

Digitale Medien 

(mehr oder minder eine bebilderte Einführung in die (aktuelle) Prüfungsordnung) 


Literatur 

• Kai Bruns, Klaus Meyer- 

Wegener, Taschenbuch 

der Medieninformatik, 

2005, 520 Seiten 

€ 29,90 [D] 

ISBN 3-446-40299-3 

• Weitere Literatur später 


Einführung in die Medieninformatik 1 

Teil 2: Menschen, psychologische 

und kognitive Aspekte 

Vorlesung 

Wintersemester 2006/07 

•Rainer Malaka 


Menschliche Faktoren, Teil 1- Übersicht 

• Sinne, Wahrnehmung, Gedächtnis 

– Menschliche Sinne 

• Visuell 

• Akustisch 

für Digitale Medien am 

wichtigsten 

• Weitere Sinne (Tasten, Riechen, Schmecken, Bewegung) 

– Aktionen und Motorsystem 

– Psychologische Aspekte 

• Psychologie der Wahrnehmung 

– Gedächtnis 


Der Mensch 

• Verarbeitung von Informationen 

– visuell 

– akustisch 

– haptisch 

– durch Bewegung 

– (Geruch, Geschmack) 

• Information wird gespeichert 

• Information wird verarbeitet und 

angewandt 

• Wieviel Information? 

Menschlicher MenschlicherInput Input p. p. Stunde Stunde im imLeben Leben 

Gelesener GelesenerText Text 100 100 KB KB 25 25 GB GB 

Audio Audio (Sprache) (Sprache) 40 40 MB MB 10 10 TB TB 

Sehen Sehen (TV-Qualität) (TV-Qualität) 2 GB GB 

Prof. 8 PB 

PB 

Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 14

Visuelles System 

• Zwei Verarbeitungsstufen: 

– Physische Wahrnehmung des Stimulus 

– Verarbeitung und Interpretation 

– 80% des Gehirns verarbeitet visuelle 

Information 

• Aufbau des Auges 

– 120.000.000 Sehzellen 

– Stäbchen für Helligkeit 

– Zapfen für Farben 

– Zapfen blau, grün, gelb 

– nur 7.000.000 Zapfen 

– ungleiche Verteilung 

Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 15 

Bildquelle: de.wikipedia


• Wahrnehmung elektromagnetischer Wellen 

– Länge 380 - 770 nm 

– Frequenz 750 - 430 THz 

– Farben violett, blau, grün, gelb, orange, rot 

– 8% der Männer und 1% der Frauen sind farbenblind 

• Reizparameter und Sinneseindrücke 

– Intensität -> Helligkeit 

– Frequenz -> Farbe 

– Frequenzgemisch -> Sättigung 

10 0.5 

-1 

10-6 105 108 gamma ultraviolet visible 

microwave tv 



• Regelung 

– Akkomodation 

• Nahpunkt bei 50jährigen ca. 50 cm 

– Pupille 

• dunkel-hell: in 1 s von 8 auf 4,5 mm; 1 s von 4,5 auf 4 mm 

– Adaptation 

• dunkel-hell 1 s (max. 15 bis 60 s); 

• hell-dunkel max. 30 - 45 min 

Bildquelle: de.wikipedia 



• Auflösung 

– räumlich 1 Bogenminute => in 10 m Entfernung 3 mm 

– zeitlich 15 bis 50 ms 

• Gesichtsfeld: liegende Ellipse 

– horizontal 

• -100°bis +100° Wahrnehmung 

• -60°bis +60° Farbsehen 

• -30°bis +30° Erkennen von Symbolen 

• -10°bis +10° Lesen von Wörtern 

– vertikal 

• -55°bis +80° Wahrnehmung 

• -30°bis +40° Farbsehen 



• Sehschärfe 

– in Mitte (ca. 2°) des Gesichtsfeldes Maximum (1’) 

– in Peripherie nur ein Vierzigstel 

– daher Augenbewegung auf Objekt 

• horizontal -15°bis + 15°, vertikal 0°bis 30°, sons t Kopfbewegungen 

• Augenbewegung 

– Sakkade (50 ms): Sprung, nicht wahrgenommen 

– Fixation (250 - 1000 ms) zwischen den Sakkaden 

– Eindruck kontinuierlichen Gleitens beim Suchen 

• Flimmern 

– Flimmerverschmelzungsfrequenz 

• bei Dunkeladaptation ca. 20 Hz, bei Helladaptation ca. 70 Hz 

– in der Peripherie höher 

– steigt mit Helligkeit, Kontrast, Fläche 

– steigt mit Müdigkeit 


Auditives System 

• Wahrnehmung mechanischer Wellen 

– Länge 0,02 - 20 m 

– Frequenz 18 - 20000 Hz 

– Lautstärke 30 - 100dB 

• Reizparameter und Sinneseindrücke 

– Intensität -> Lautstärke 

– Frequenz -> Tonhöhe 

– Frequenzgemisch -> Klang(farbe) 

• Regelung 

– geringe Adaptation 

• Schwelle 

– ca. 10-16 W/cm2 

• Auflösung 

– räumlich mehrere Grad 

– zeitlich 2 bis 3 ms 


Auditives System 

Informationen über 

• Distanzen 

• Richtungen 

• Objekte 

• ... 

Aufbau des Ohrs: 

• Außenohr: schützt, verstärkt Klang 

• Mittelohr: leitet Vibrationen ans Innenohr 

• Innenohr: frequenzspezifische Sinnesnerven übertragen Reiz 


Haptik (Berührung) 

• Drei Sinneswahrnehmungen über unterschiedliche Rezeptoren: 

– Mechanorezeptoren (diskret und kontinuierlich) 

– Schmerz (Hitze/Schmerz) 

– Temperatur (heiß/kalt) 

• Einige Regionen reizbarer als andere 

– Finger 

• Auflösung (räumlich, zeitlich) abhängig 

von Ort und Stimulus 

• Kinesthesis 

– Wahrnahme der eigenen Körperposition 

– Beeinflusst Bequemlichkeit 

• Wichtig für 

– Maus, VR, AR (Chirurgie) 

– Verschiedene Behinderungen, speziell für Sehbehinderte 

– “force-feedback” 


Weitere Sinne 

• Gleichgewichtssinn 

– Simulation 

• Geruchssinn 

– erste Prototypen 

– bisher keine praktische Relevanz 

• Geschmackssinn 


• Wärmeempfinden 



Motorisches System 

• Parameter 

– Erreichbarkeit, Geschwindigkeit, Beweglichkeit, Genauigkeit 

• Antwortzeit auf einen Stimulus: 

– Reaktionszeit + Bewegungszeit 

– Bewegungszeit hängt ab von Alter, Fitness, … 

– Reaktionszeit hängt ab vom Stimulus: 

• visuell ~ 200ms 

• auditorisch ~ 150 ms 

• Schmerz ~ 700ms 

– Höhere Reaktionszeit vermindert Genauigkeit bei untrainierten Nutzern, aber nicht bei 

trainierten 

• Oft Fehlerquelle 

– Falsche Tasten 

– Double-click vs. single click 

• Prinzipien 

– Feedback ist wichtig 

– Augenbewegungen sollten minimiert werden 


Visuelle Wahrnehmung 

• Psychologische Gestaltgesetze 

– Gesetz der Nähe 

• räumliche Nachbarschaft 

• zeitliche Nachbarschaft 

– Gesetz der Ähnlichkeit / Gesetz der Gleichheit 

• Farbe, Helligkeit, Größe, Orientierung, Form 



– Gesetz der Gleichheit versus Gesetz der Nähe 

• Abschwächung 

• Verstärkung 



– Gesetz der guten Fortsetzung 

• räumliche Einfachheit, Harmonie, Gesetzmäßigkeit 

• zeitliche Einfachheit , Harmonie, Gesetzmäßigkeit 

– Gesetz der guten Fortsetzung versus Gesetz der Gleichheit 

• Gleichheit der Form meist schwächer 

• Gleichheit der Farbe meist stärker 



• Gesetz der Schließung 

– Vervollständigung von Konturen 

– Inneres - Äußeres 

– Figur – Hintergrund 

• Gesetz der Symmetrie 

– wenn keine anderen Gesetze greifen 

– symmetrische Zwischenraum als Figur 

– unsymmetrischer Zwischenraum als Hintergrund 

• Vexierbild 

– keine klare Figur-Grund-Unterscheidung 

• Prinzip der guten Gestalt 

– Zusammenwirken der Gestaltgesetze 

– Entstehung möglichst einfacher, regelmäßiger, symmetrischer, 

geschlossener Figuren 

– Figur-Grund-Unterscheidung 



• Konturen 

– Zwang zur Kontur 

– Bildung vertrauter Formen 

• Menschen 

– Spezielle Mechanismen für Gesichter 

– Menschen wecken Aufmerksamkeit 

– Change Blindness! 

vgl. http://viscog.beckman.uiuc.edu/djs_lab/demos.html 

Prof. Dr. Rainer Malaka, Digitale Medien Medieninformatik 1 29 

http://nivea.psycho.univ-paris5.fr/Mudsplash/Nature_Supp_Inf/Movies/Movie_List.html

Change Blindness 



– Menschen 

• Spezielle Mechanismen für Gesichter 

• Orientierung spielt eine Rolle 



• Stereoskopisches Sehen 

– Querdisparation 

– nur mit zwei Augen 

– jedes Auge ein eigenes Bild 

• Tiefenwahrnehmung - Statische Perspektive 

– trapezförmige Konturen => sich entfernende Parallelen 

– Größenunterschiede => Entfernungsunterschiede 



• Verdeckung 

– vollständige Konturen weiter oben 

– Ausnutzung der Gestaltgesetze 

• Tiefenwahrnehmung durch Schatten 

– räumliche Zuordnung 

• von Objekten zu Ebenen 

• von Objekten zueinander 

• Tiefenwahrnehmung durch Gradienten 

– Texturgradienten 

• enge Textur weiter hinten 

– Kontraste 

• geringerer Kontrast weiter hinten 

– Sättigung 

• geringe Sättigung weiter hinten 

– Farben 

• Blau-Verschiebung in der Entfernung 



• Bewegungseindruck 

– Einzelbilder mit geringen Unterschieden 

• 20 bis 25 Bilder pro Sekunde für fließende Bewegung 

– Film / Video 

– höhere Frequenz nicht sinnvoll 

• 3 bis 5 Bilder pro Sekunde als ruckende Bewegung 

– Videokonferenzen 

– Bildtelefonie 

– Räumlich-zeitlicher Sprung 

• Objekt verschwindet an Punkt A 

• Objekt erscheint nach 30 bis 60 msec an Punkt B 

• Eindruck einer Bewegung zwischen A und B 



• Optische Täuschungen, Farbtäuschung 

– Farben / Helligkeiten werden im Vergleich zur Umgebung 

wahrgenommen 

Adelson EH (2000) Lightness Perception and Lightness Illusions. 

In The New Cognitive Neurosciences, 2nd ed., M. Gazzaniga, ed. 

Cambridge, MA: MIT Press, pp. 339–351 



• Optische Täuschungen, 

Längentäuschung 

– Beeinflussung einer Schätzung durch andere 

Objekte 



• Optische Täuschungen, Formtäuschung 

– Überlagerung verschiedener Formen 

– Kippfigur 

• Gleichwertige Alternativen 

• ähnlich Vexierbild 



• Textureffekte 

Viele weitere Effekte und 

Erklärungen: www.michaelbach.de 


Lesen 

• Verarbeitungsstufen 

– Optisches Bild erkennen 

– Dekodierung in interne Repräsentation, Sprache 

– Interpretation durch Syntax, Semantik, Pragmatik 

• Lesen erfordert Sakkaden und Fixierungen 

• Wahrnehmung während der Fixierungen 

• Wortform (optisch) ist entscheidend für die 

Wahrnehmung 


Gedächtnis 

• Verarbeitung von Sinnesreizen 

– Nerven 

• Bündel aus 10 bis 100.000 Axonen 

• Axon einer Nervenzelle 1 bis 15 µm dick, 

• bis zu 1 m lang 

– Reizweiterleitung 

• Zustand der Nervenzelle (Ruhe- / Aktionspotential) 

• Aktionspotential breitet sich mit 1 bis 100 m/sec aus 

• Signalparameter = Frequenz der Aktionspotentiale => analoge Variable 

• keine Unterschiede nach Sinnen 

– Nervenzellen bilden Netzwerke 

• Axone spalten sich auf in Äste mit Synapsen (Kontaktstellen) 

• Synapsen hemmen oder fördern => analoge Variable 

• Speicherung durch Festlegung dieser “Leitfähigkeit” 

• Speicherkapazität theoretisch 50 TeraByte 


Gedächtnis 

Typische Einteilung: 

• Drei Arten von Gedächtnissen 

Sensorisches Gedächtnis (Puffer für Stimuli, Eindrücke) 

– visuell → ikonisch, auditorisch → echoisch, berühren → haptisch 

Kurzzeit- oder Arbeitsgedächtnis (Gedanken, Zwischenrechnugnen) 

Langzeitgedächtnis (dauerhaftes Wissen) 

Manchmal auch noch mittelfristige Zwischenstufe (mittelfristige Pläne) 

• Stimulusauswahl wird durch Erregung gesteuert 


Gedächtnis 

• Gedächtnis und Prozessoren 

Langzeitgedächtnis 

Arbeitsgedächtnis 

Ikonisches 

Gedächtnis 

D = 200ms (70-1000) 

K = 12 Chunks(7-17) 

C = physisch? 

Perzeptueller 

Prozessor 

T = 100ms (50-200) 

Echoisches 

Gedächtnis 

D = 1,5s (0,9-5) 

K = 5 Chunks(4,4-6,2) 

C = physisch? 

Kognitiver 

Prozessor 

D = 15s (5-226) 

K = 3 Chunks (2,5-4,1) 

K* = 7 Chunks (5-9) 

C = auditiv oder visuell 

D Dauer K Kapazität C Code T Zykluszeit 

D = unbegrenzt 

K = unbegrenzt 

C = semantisch 

T = 70ms (25-170) Motorischer 

Prozessor 

Auge Ohr Muskulatur 

T =7 0ms (30-170) 


Gedächtnis 

• Aufgaben 

– Kodierung und Abruf von Wissen 

– Richtige Aktionsauswahl 

• Eigenschaften 

– Nicht alles wird gespeichert 

– Information wird gefiltert und verarbeitet 

– Kontext spielt eine große Rolle 

– Wiedererkennung ist leichter, als Abruf 

• Deshalb GUI besser als Kommandosprache 

– Bilder sind leichter zu merken als Worte 

• Deshalb eher Icons als Namen 


Kurzzeit-Gedächtnis 

• Kodierung 

– Experiment von Santa 

Vorreiz 

Vorreiz 

Dreieck 

Kreis Quadrat 

Prüfreiz 

gleich ungleich linear gleich linear ungleich 

Dreieck 

schnelle Erkennung langsame Erkennung 

Kreis Quadrat 

gleich 

Dreieck 

Kreis Pfeil 

ungleich 

Dreieck Kreis Quadrat 

linear gleich 

Dreieck Kreis Pfeil 

linear ungleich 

langsame Erkennung schnelle Erkennung 


Kurzzeit- Gedächtnis 

• Ergebnisse aus dem Experiment von Santa zeigen 

– Unterschiedliche Kodierungen 

• Geometrische Objekte in räumlichem Zusammenhang 

• Wörter als Ketten 

– Unterschiedliche Erkennungsleistungen 

• besser, wenn Anordnung der Codierung entspricht 

– Folgerungen für Bildschirmgestaltung 

• Verbalobjekte linear in Zeilen und Spalten 

• Grafische Elemente in gleich bleibender Anordnung 


Kurzzeit- Gedächtnis 

• Speichern von 7 (±2) „Chunks“ 

• Neue Information hat Wechselwirkung mit alter 

• Wiederholung führt zu Speicherung 

• Neue Reize zum Vergessen 

• Schneller Zugriff (~70ms) 

• Schnelles Vergessen (~200ms) 


Langzeit- Gedächtnis 

• Episodisches Gedächtnis 

– Ereignisse und Erfahrungen in serieller Form 

• Speichert, was uns widerfahren ist 

• Semantisches Gedächtnis 

– Strukturierte Fakten, Konzepte und Fähigkeiten 

– Verschiedene Hypothesen über Funktionsweise 

• Als semantisches Netz 

• In Frames und Skripten 

– Semantisches Wissen abgeleitet aus episodischem Wissen 

• Scheinbar unbegrenzt und unbeschränkt 

• Zugriff langsamer und schwerer 

– Aktionen helfen (wie bei einem Cache) 

– Zugriff ~1/10 s 

– Langsames Vergessen 

• Verschiebung von Kurzzeit- ins Langzeitgedächtnis durch Wiederholung und 

Üben, sowie durch Kontext 

• Vergessen durch “Decay”/Auflösung und Interferenz 

• Falsche Erinnerungen möglich – Keine Festplatte! 

• Emotionen beeinflussen Gedächtnis 


Wrap Up 

• Grundlagen der menschlichen Wahrnehmung 

• Sinne und deren Möglichkeiten 

– Sehen, Hören, .. 

• Verarbeitung von Information 

– Täuschungen 

• Gedächtnis und Kognition 


Quellen 

• Thompson P (1980) Margaret Thatcher: a new illusion. Perception 9:483–484 

• Cliparts: Office PPT Cliparts und http://office.microsoft.com/en-us/clipart 

• Buch-Cover von den jeweiligen Verlagen 

– Fachbuchverlag Leipzig 

• Kursmaterial der Georgia Tech HCI faculty. 

– Contributors include Gregory Abowd, Jim Foley, Diane Gromala, Elizabeth Mynatt, Jeff Pierce, Colin 

Potts, Chris Shaw, John Stasko, and Bruce Walker. 

• Checker-Shadow Illusion von Edward H. Adelson 

– Adelson EH (1993) Perceptual organization and the judgment of brightness. Science 262:2042–2044 

– Adelson EH (2000) Lightness Perception and Lightness Illusions. In The New Cognitive Neurosciences, 

2nd ed., M. Gazzaniga, ed. Cambridge, MA: MIT Press, pp. 339–351 

• Sammlung optischer Illusionen von Michel Bach (Uni freiburg) 

– http://www.michaelbach.de/ot/index.html

Einführung in die Medieninformatik 1 - TZI

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