Visuele variabelen in nieuwe dimensies

Uitbreidingen van Bertins grafische grammatica

 

Eddie Poppe

 

de figuren en tabellen ontbreken in deze Internet-versie

 

1. Inleiding

Toen Bertin in 1967 zijn Sémiologie graphique uitbracht, kon hij niet vermoeden hoe invloedrijk zijn werk zou zijn in de kartografie van de daaropvolgende decennia. Bertin herkende logische relaties tussen de waarnemingseigenschappen van gegevens en de visuele variabelen, de grafische weergavemogelijkheden van ruimtelijke verschijnselen. Daarbij richtte hij zich op statische tweedimensionale kaarten, momentopnamen in het platte kaartvlak. Bertin dacht dat zijn visuele variabelen niet bruikbaar zouden zijn in driedimensionale kaarten en in dynamische kaarten, kaarten waarin veranderingen in de tijd weergegeven worden. Zou hij gelijk hebben? In dit referaat zal een overzicht gegeven worden van Bertins werk en gekeken worden wat de werkelijke reikwijdte is van de visuele variabelen.

2. De grafische grammatica van tweedimensionale kaarten

2.1 Bertins grafische grammatica

Bertin is de grondlegger van de grafische grammatica. In 1967 beschreef hij in zijn Sémiologie graphique hoe ruimtelijke gegevens optimaal weergegeven kunnen worden. Hij onderscheidt daarbij acht visuele variabelen. De eerste twee visuele variabelen vormen de geografische component, de twee dimensies van het platte kaartvlak. De punt-, lijn- en vlaksymbolen in de kaart worden door de overige zes visuele variabelen weergegeven. Deze visuele variabelen, die door Bertin retinale variabelen genoemd worden, zijn: grootte, grijswaarde, grein, kleur, richting en vorm. Ze onderscheiden zich van elkaar doordat ze specifieke waarnemingseigenschappen bezitten.

Geels (1987) geeft een overzicht van het werk van Bertin. In zijn model zijn de visuele variabelen weergegeven. Eerst deelt hij de te karteren gegevens in aan de hand van de waarnemingseigenschappen van de symbolen, waardoor de gegevens weergegeven worden, in vier meetschalen:

- nominale schaal, gebaseerd op identiteit: het is mogelijk om gelijksoortige symbolen afzonderlijk van de overige symbolen waar te nemen.

- ordinale schaal, gebaseerd op orde: het is mogelijk om de symbolen te rangschikken in een eenduidige volgorde.

- intervalschaal, gebaseerd op afstand: het is mogelijk om het rekenkundige verschil tussen twee symbolen te bepalen.

- ratioschaal, gebaseerd op verhouding: het is mogelijk om de verhouding van twee symbolen te schatten.

De koppeling van de gegevenseigenschappen en visuele variabelen in het model geeft aan in hoeverre elke variabele geschikt is om een gegeven met een bepaalde meetschaal weer te geven.

Vervolgens gaat Geels na hoe de visuele variabelen de perceptie beďnvloeden. Hij onderscheidt hier drie waarnemingseigenschappen die iets zeggen over de wijze waarop een kaartlezer zich een beeld kan vormen van de kaartinhoud:

- identificatie: het is mogelijk om gelijksoortige symbolen te identificeren en het patroon te zien dat ze gezamenlijk vormen.

- selectie: het is mogelijk om gelijksoortige symbolen te identificeren en verschillende symbolen van elkaar te onderscheiden en de patronen te zien die ze vormen.

- beeldvorming: het is mogelijk om snel een totaalindruk te krijgen.

Tenslotte verbindt Geels de beide delen tot zijn model. De meeste auteurs hanteren een vereenvoudigd model, waarin de waarnemingseigenschappen van de gegevens en de kaartlezer samengenomen worden.

2.2 Bertins visuele variabelen

Volgens Bertin is het verkrijgen van een goede totaalindruk het belangrijkste doel van een kaart. Om die te bereiken moet bij het karteren van gegevens altijd een retinale variabele gekozen worden die de aard van de te karteren gegevens het beste weergeeft en beantwoordt aan het doel van de kaart. Hier volgt een korte beschrijving van de zes retinale variabelen van Bertin en hun waarnemingseigenschappen.

- variaties in grootte zijn zeer geschikt om elementen te selecteren en om orde en verhoudingen aan te geven van twee symbolen. Grootte wordt uitgedrukt in variaties in de dimensie van punt- en lijnsymbolen.

- variaties in grijswaarde zijn zeer geschikt om verschillen tussen twee symbolen weer te geven. Dat gebeurt door het gebruik van lichtere en donkere variaties van eenzelfde kleurentint.

- variaties in grein komen overeen met verschillen in het patroon van het symbool. Grein kan gebruikt worden om symbolen te identificeren en te selecteren en om orde aan te geven.

- variaties in kleur (tint) zijn zeer geschikt om symbolen te selecteren.

- variaties in richting uiten zich in verschillen in oriëntatie van het patroon van de symbolen. Richting kan gebruikt worden om symbolen te identificeren.

- variaties in vorm zijn geschikt om symbolen te identificeren. Het aantal vormvariaties is oneindig.

2.3 Kanttekeningen bij de grafische grammatica van Bertin

Bertins grafische grammatica kan gezien worden als richtlijn bij het ontwerpen van kaarten, maar heeft geen universeel karakter. In de Sémiologie graphique is Bertin logisch-deductisch te werk gegaan. Het is niet duidelijk hoe hij zijn visuele variabelen heeft afgeleid. Pas later is er veel onderzoek gedaan naar de eigenschappen van de visuele variabelen in het platte kaartvlak (Ormeling, 1995). Er zijn zelfs auteurs geweest die aanvullende visuele variabelen hebben geďdentificeerd (DiBiase et al., 1992).

De vraag is, of de variabelen ook gebruikt kunnen worden in driedimensionale en dynamische kaarten. Bertin had weinig vertrouwen in het nut van die kaarten en opperde dat de visuele variabelen alleen een betekenis hebben in tweedimensionale kaarten. In de volgende hoofdstukken zal Bertins gedachte op de proef gesteld worden en gekeken worden wat de invloed is van de visuele variabelen in driedimensionale en dynamische kaarten.

3. De derde dimensie

3.1 Driedimensionale kaarten

Kaarten zijn modellen van de werkelijkheid, die informatie verschaffen over ruimtelijke verschijnselen. De meeste ruimtelijke verschijnselen zijn driedimensionaal, maar bij de modelmatige weergave in een tweedimensionale kaart wordt de derde dimensie niet overgebracht naar de kaartlezer. Meestal zorgt dat niet voor problemen, omdat de kaartlezer goed in staat is om het model te begrijpen (Kraak, 1988).

In de kartografie wordt in toenemende mate gebruik gemaakt van driedimensionale kaarten. Driedimensionale kaarten zijn geografische representaties van de werkelijkheid die stimuli bevatten die de kaartlezer in staat stellen om de inhoud als driedimensionaal waar te nemen (Kraak, 1988). Dat kan erg effectief zijn bij het weergeven van ruimtelijke relaties (Kraak, 1990).

In een tweedimensionale kaart wordt de geografische component bepaald door de eerste twee visuele variabelen van Bertin. Als er meer te karteren componenten zijn, worden de overige visuele variabelen gebruikt. In een driedimensionale kaart is daarentegen loodrecht op de twee dimensies van het kaartvlak, de x- en de y-coördinaat, een z-coördinaat geďntroduceerd. De z-coördinaat kan de geografische hoogte weergeven, maar ook een statistische waarde (Kraak, 1988).

3.2 Twee-en-een-half-dimensionale kaarten

De derde dimensie kan weergegeven worden in een echte driedimensionale kaart, waarin de derde dimensie tastbaar is. Maar het weergeven van de derde dimensie op deze manier is niet eenvoudig en daarom wordt de derde dimensie meestal suggestief in het platte vlak afgebeeld. Extra stimuli moeten er dan voor zorgen dat de kaartlezer de kaart als driedimensionaal kan waarnemen. Omdat de derde dimensie niet tastbaar is, worden deze kaarten vaak twee-en-een-half-dimensionaal genoemd (Kraak, 1988; 1990).

3.3 Diepteweergave in driedimensionale kaarten

Voor de weergave van ruimtelijke gegevens in een driedimensionale kaart worden naast punt-, lijn- en vlaksymbolen ook volume-symbolen gebruikt. Er zijn speciale dieptevariabelen nodig om volumesymbolen te kunnen waarnemen. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen fysiologische en psychologische dieptevariabelen. De fysiologische dieptevariabelen zijn gerelateerd aan de fysiologische eigenschappen van het menselijke visuele systeem om diepte te zien. De psychologische dieptevariabelen zijn daarentegen gerelateerd aan de structuur van de symbolen en de manier waarop ze in beelden resulteren en vertonen veel overeenkomsten met de retinale variabelen van Bertin (Kraak, 1988; 1990). In de volgende paragraaf zullen ze beschreven worden. In driedimensionale kaarten kunnen fysiologische en psychologische dieptevariabelen gecombineerd worden. Het resultaat van zo'n combinatie kan de diepteindruk versterken of juist verzwakken (Kraak, 1988).

3.4 Visuele dieptevariabelen

Kunnen de visuele variabelen van Bertin gebruikt worden in driedimensionale kaarten? Er bestaat een sterk verband tussen de psychologische dieptevariabelen en Bertins retinale variabelen. Voor bijna elke retinale variabele bestaat een afgeleide dieptevariabele. De visuele variabelen worden gebruikt om ruimtelijke verdelingen weer te geven en de dieptevariabelen om een driedimensionale indruk te geven (Kraak, 1988). Hier worden de dieptevariabelen in het kort beschreven.

- netvlies beeldgrootte en grootte: Netvlies beeldgrootte is de dieptevariabele van grootte. Variaties in de grootte van driedimensionale symbolen kunnen de kaartlezer een indruk van diepte geven. Symbolen die even groot zijn moeten daarom op de voorgrond van een kaart groter afgebeeld worden dan op de achtergrond. Het verband tussen de werkelijke grootte en de waargenomen grootte van een symbool is niet lineair. In het algemeen schatten kaartlezers de grootte van driedimensionale symbolen in de kaart te klein in.

- schaduw en grijswaarde. Schaduw kan gebruikt worden om reliëf weer te geven. Het verschaft informatie over de positie van objecten.

- greingradiënt en grein. Het gebruik van de greingradiënt is gebaseerd op het effect dat het de dichtheid van het greinpatroon van symbolen van de voorgrond naar de achtergrond toeneemt.

- kleur. Kleur kan gebruikt worden om diepte aan te geven doordat kleuren verschillen in golflengte. De ooglens past zich daaraan niet aan en daardoor worden sommige kleuren waargenomen als verder weg dan andere kleuren.

- lijnperspectief en richting. De toepassing van lijnperspectief beďnvloedt de geometrische relaties in de driedimensionale kaart. De richting van de lijnen zorgt voor de driedimensionale indruk.

- overlapping. Overlapping is niet afgeleid van een van Bertins visuele variabelen, maar als dieptevariabele erg belangrijk. Een symbool dat overlapt wordt door een ander symbool, zal als verder weg waargenomen worden.

Vorm heeft geen afgeleide dieptevariabele. Variaties in vorm zijn immers alleen geschikt om symbolen te identificeren. Als in een driedimensionale kaart de visuele variabele vorm gebruikt wordt, dan moet wel rekening gehouden worden met perspectief.

Ondanks het feit dat de dieptevariabelen veel gelijkenissen vertonen met de visuele variabelen van Bertin, kunnen ze uitstekend naast elkaar gebruikt worden in een driedimensionale kaart, tenminste, zolang het kaartbeeld eenvoudig blijft (Kraak, 1988).

4. De vierde dimensie?

4.1 Tijd in kaarten

Tijd wordt in het algemeen niet beschouwd als een aparte thematische component, maar als een aparte dimensie, een vierde dimensie. Omdat de eerste twee dimensies en soms ook de derde dimensie door de geografische component worden ingenomen en de retinale variabelen worden gebruikt voor de thematische component, kan een ruimtelijke ontwikkeling niet worden weergegeven in het platte vlak (Koussoulakou & Kraak, 1992; Yaman & Koop, 1996). Een ruimtelijke ontwikkeling zal dus op een andere manier weergegeven moeten worden en daar zijn drie manieren voor.

Ten eerste kan een ruimtelijke ontwikkeling worden gesimuleerd in een enkele statische kaart door de tijdscomponent weer te geven met de visuele variabelen van Bertin. In een bewegingskaart bijvoorbeeld kan door middel van bewegingssignaturen de route, de richting en de omvang van een beweging worden aangegeven. Een ander voorbeeld is een isochronenkaart. Daarin wordt met behulp van lijnen, die punten verbinden die tegelijkertijd bereikbaar zijn, een ruimtelijke verspreiding weergegeven (Yaman & Koop, 1996).

Ten tweede kan een ruimtelijke ontwikkeling gesimuleerd worden in een serie van statische kaarten, die elk een momentopname tonen. Dat geeft de kaartlezer een indruk van een ontwikkeling in de tijd of van een andere verandering, van de ene kaart naar de andere kaart (Köbben & Yaman, 1995). In dit geval is het niet nodig om de tijdscomponent weer te geven door middel van de retinale variabelen van Bertin, omdat die wordt weergegeven door de volgorde waarin de kaarten gepresenteerd worden (Kraak & MacEachren, 1994).

Ten derde kan een ruimtelijke ontwikkeling weergegeven worden in een enkele geanimeerde kaart, een animatie. Daarbij staat de dynamische weergave van processen centraal (Kraak, 1996). In animaties wordt de tijdscomponent weergegeven door snelle veranderingen in het kaartbeeld, die als een beweging worden waargenomen (Kraak & MacEachren, 1994). De volgende paragraaf zal daar verder op ingaan.

4.2 Animaties

Het menselijke visuele systeem heeft de eigenschap om een beeldindruk een ogenblik te bewaren als het betreffende beeld al aan het oog voorbijgegaan is. Animaties spelen hierop in door een serie statische beelden elkaar op een beeldscherm zo snel te laten opvolgen dat de illusie van een levensechte beweging ontstaat. Dat maakt animaties zeer geschikt om bepaalde ontwikkelingen, processen en patronen te presenteren (Yaman & Koop, 1996) en inzicht te verschaffen in ruimtelijke relaties. Bovendien kunnen animaties patronen of relaties onthullen die in statische kaarten niet waarneembaar zijn (Ormeling, 1995). Door de recente ontwikkelingen op het gebied van GIS is er veel vraag ontstaan naar geanimeerde kaarten. Yaman en Koop (1996) voorspellen dat de animatie met name in de sfeer van de elektronische atlassen een vooraanstaande plaats in zal kunnen nemen.

Animaties worden onderverdeeld in temporele en niet-temporele animaties. In temporele animaties speelt de actie, de veranderingen in de positie of attributen van geografische objecten of verschijnselen gedurende een bepaalde tijdsperiode, zich af op een stilstaande kaart. Het doel ervan is om veranderingen in de tijd weer te geven. De weergavetijd, het moment dat de gebruiker de beelden te zien krijgt, wordt in temporele animaties gebruikt om de wereldtijd, het moment waarop of de periode waarbinnen een gebeurtenis in de werkelijkheid plaatsvindt, te visualiseren. Naast een geografische schaal is er bij dit soort animaties ook een tijdsschaal (Kraak & Klomp, 1995; Yaman & Koop, 1996). In niet-temporele animaties is er geen direct verband tussen de weergavetijd en de wereldtijd. In dit soort animaties wordt de dynamiek in de kaart gebruikt om ruimtelijke relaties weer te geven of om de geometrische of de attribuutkenmerken van een ruimtelijk verschijnsel te verduidelijken (Kraak & Klomp, 1995; Yaman & Koop, 1996).

Om dat statische kaarten in het algemeen niet geschikt zijn om ruimtelijke ontwikkelingen van langere duur vloeiend weer te geven, heeft de animatie de voorkeur boven de andere twee manieren om ruimtelijke ontwikkelingen weer te geven (zie paragraaf 4.1). Daarnaast is gebleken dat kaartlezers een weergave van een ruimtelijke ontwikkeling sneller begrijpen als het een imitatie is van de werkelijkheid (Koussoulakou & Kraak, 1992). Daaruit dat animaties veel sneller informatie overdragen dan statische kaarten, vooral als de weergavetijd door de gebruiker aangepast kan worden (Ormeling, 1995).

4.3 Dynamische visuele variabelen

In paragraaf 2.3 werd al aangegeven dat Bertin niet veel vertrouwen had in het nut van dynamische kaarten. Hij vreesde dat de beweging zijn visuele variabelen zou domineren en dat daardoor de effectiviteit van een kaart zou afnemen (Kraak & Klomp, 1995; Köbben & Yaman, 1995; Yaman & Koop, 1996). DiBiase et al. (1992) en Koussoulakou en Kraak (1992) hebben het tegenovergestelde aangetoond. Bertins retinale variabelen kunnen uitstekend worden gebruikt om de thematische component weer te geven, terwijl de tijdscomponent de animatie een extra dimensie geeft (Köbben & Yaman, 1995) en de waarnemingseigenschappen van de retinale variabelen versterkt. (Yaman & Koop, 1996).

In paragraaf 4.1 is gebleken dat statische kaarten, en dus de retinale variabelen, niet bijzonder geschikt zijn om veranderingen weer te geven. Er zijn daarom visuele variabelen nodig om de tijdscomponent weer te geven, de dynamische variabelen, als aanvulling op de visuele variabelen van Bertin en de dieptevariabelen, de statische variabelen. Kraak en Klomp (1995), Köbben en Yaman (1995), Ormeling (1995) en Yaman en Koop (1996) sommen zes dynamische visuele variabelen op en geven aan wat de waarnemingseigenschappen ervan zijn.

- weergavemoment: het moment waarop een verandering plaatsvindt in de weergave van een animatie. Het is niet bepaald een effectieve dynamische visuele variabele.

- duur: het aantal tijdseenheden dat een beeld wordt weergegeven, ofwel de tijdsduur dat een beeld geen veranderingen heeft ondergaan. Duur is een goede variabele om orde aan te geven en daarnaast kan het ook gebruikt worden voor het weergeven van verhoudingen. De duur kan vaak door de gebruiker worden aangepast.

- frequentie: de tussentijd waarop regelmatig veranderingen worden aangebracht in het beeld. Met frequentie kan orde weergegeven worden.

- volgorde: de volgorde waarin de individuele beelden waaruit een animatie is opgebouwd weergegeven worden. Doordat de beelden snel na elkaar worden vertoond, wordt het geheel waargenomen als een beweging. In temporele animaties is de volgorde chronologisch. Volgorde kan het best gebruikt worden om orde weer te geven.

- mate van verandering: de veranderingssnelheid. De mate van verandering is afhankelijk van de verandering in de positie en / of de attributen van de symbolen tussen twee individuele beelden en de tijdsduur dat een beeld wordt weergegeven. De mate van verandering is erg geschikt om orde weer te geven.

- synchronisatie: de temporele correspondentie tussen twee of meer tijdseries. Synchronisatie kan alleen toegepast worden in temporele animaties. Tijdseries kunnen in fase met elkaar zijn of juist niet (Kraak & MacEachren, 1994). De waarnemingseigenschappen van synchronisatie zijn nog niet onderzocht (Köbben & Yaman, 1995; Yaman & Koop, 1996).

Het streven naar een optimale beeldvorming is het hoofddoel van een kaart (zie paragraaf 2.2). De statische visuele variabelen bezitten de waarnemingseigenschappen om dat doel te bereiken. De waarnemingseigenschappen van de dynamische visuele variabelen zijn in het algemeen niet zo sterk als die van Bertins retinale variabelen en daarom is een combinatie tussen beide aan te bevelen. Er is gebleken dat vooral combinaties met kleur bijdragen aan een goede beeldvorming. Daarnaast kan ook gebruik worden gemaakt van geluid en interactiviteit om de beeldvorming te versterken (Yaman & Koop, 1996).

5. Conclusie

Bertin had het niet bij het rechte eind toen hij opperde dat zijn visuele variabelen niet bruikbaar zouden zijn in driedimensionale kaarten en animaties. Net als in tweedimensionale kaarten zijn de visuele variabelen onmisbaar in driedimensionale kaarten en animaties als het gaat om het weergeven van de thematische component. Maar Bertins visuele variabelen zijn niet de enige grafische variabelen in deze kaarten. Voor de weergave van diepte in driedimensionale kaarten worden dieptevariabelen gebruikt die afgeleid zijn van Bertins visuele en in animaties wordt daarnaast ook gebruik gemaakt van dynamische variabelen om veranderingen in de tijd weer te geven. De combinatie van de verschillende soorten visuele variabelen leidt tot een optimale cartografische beeldvorming, als de variabelen tenminste goed gebruikt worden.

 

Literatuur

Bertin, J. (1983), Semiology of graphics. Madison: The University of Wisconsin Press (vertaling van Bertin, J. (1967), Sémiologie graphique, door W. J. Berg).

DiBiase, D., M. A. MacEachren, J. B. Krygier & C. Reeves (1992), Animation and the role of map design in scientific visualisation. Cartography and geographic information systems 19 (4), p. 201 - 214.

Geels, J. H. (1987), Een model voor de keuze van vlaksymbolen. Kartografisch tijdschrift 13 (4), p. 22 - 27.

Koussoulakou, A. & M. J. Kraak (1992), Spatio-temporal maps and cartographic communication. The Cartographic journal 29, p. 101 - 108.

Kraak, M. J. (1988), Computer-assisted cartographical three-dimensional imaging techniques. Delft: Delft University Press.

Kraak, M. J. (1990), Theoretical aspects of three-dimensional cartography. International yearbook of cartography 30, p. 81 - 91.

Kraak, M. J. (1996), Exploratie van visuele gegevens. Kartografisch tijdschrift 22 (3), p. 5 - 12.

Kraak, M. J. & A. Klomp (1995), A classification of cartographic animations: towards a tool for the design of dynamic maps in a GIS environment. Proceedings of the ICA seminar on teaching animated cartography (site bezocht op 28 oktober '98).

Kraak, M. J. & A. M. MacEachren (1994), Visualisation of the temporal component of spatial data. In: Waugh, T. C. & R. G. Healey (eds.), Advances in GIS research; SDH '94, p. 391 - 409.

Köbben, B. & M. Yaman (1995), Evaluating dynamic visual variables. Proceedings of the ICA seminar on teaching animated cartography (site bezocht op 28 oktober '98).

Ormeling, F. J. (1995), Teaching animated cartography. Proceedings of the ICA seminar on teaching animated cartography (site bezocht op 28 oktober '98).

Yaman, M. & O. Koop (1996), Kartografische animatie in een theoretisch kader. Kartografisch tijdschrift 22 (2), p. 15 - 22.