Leandro Filipe Oliveira Gomes

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1 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Multimédia Leandro Filipe Oliveira Gomes Orientador João Manuel R. S. Tavares Departamento de Engenharia Mecânica Universidade do Porto 2011

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3 Agradecimentos Em primeiro lugar, ao professor João Tavares por todo o interesse e apoio inexcedível que demonstrou desde o primeiro dia e ao longo da elaboração desta Dissertação, pela partilha de conhecimento e experiências e pelo permanente incentivo à realização de um óptimo trabalho. A todos os que tiveram a gentileza de colaborar na fase experimental e aos meus colegas de Mestrado da Faculdade de Engenharia pelas suas opiniões e palavras de encorajamento. Aos meus pais, avós e irmã por toda a paciência e amparo nas horas mais difíceis. Sem o seu apoio este projecto não teria sido concluído. Aos meus colegas e amigos, em particular à Diana Marques e à Ana Zita, por todo o interesse com que me ouviram divagar acerca da investigação e pelas suas críticas e sugestões sempre pertinentes. À Nika por me compreender e por fazer parte da minha vida. Contigo tudo faz sentido. Ljubim te! 3

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5 Sumário O trabalho realizado no âmbito desta Dissertação iniciou-se com um estudo bibliográfico que considerou os domínios da visualização científica, da percepção humana e do desenvolvimento de interfaces homem-máquina. Em particular, foi dada ênfase a técnicas e métodos que possibilitam a visualização e a análise de grandes volumes de dados, de forma a permitir a descoberta dos relacionamentos e dependências existentes. Assim, foi possível determinar quais as técnicas, métodos e recursos computacionais a considerar nas fases seguintes deste trabalho. Posteriormente, foi identificado um estudo de caso que considerou dados relativos à qualidade do ar em Portugal. A base de dados utilizada está inserida num domínio do conhecimento que se caracteriza pela grande quantidade de dados envolvidos, e pela necessidade real de representar esses dados numa forma visual adequada. A referida visualização tem como objectivo contribuir significativamente para uma melhor compreensão dos dados envolvidos, auxiliando os processos cognitivos, com vista a optimizar o processo de tomada de decisão. Seguidamente, procedeu-se à fase de desenvolvimento de um sistema para visualização que considerou os requisitos identificados nas etapas anteriores; isto é, técnicas, métodos e recursos que, em termos da percepção humana, são adequados à visualização de grandes volumes de dados. A implementação desenvolvida é capaz de interagir com a base de dados previamente escolhida e representar os seus dados em formas gráficas adequadas. No referido sistema foram ainda considerados os requisitos da percepção humana que contribuem substancialmente para a interpretação desses dados. Por fim, realizou-se a avaliação do sistema desenvolvido de modo a validar a metodologia considerada e implementada; principalmente, no que diz respeito aos aspectos da percepção humana. Foram ainda implementadas diferentes propostas de visualização para os dados considerados, sendo que esta avaliação também se desenrolou em termos comparativos entre as mesmas, o que possibilitou a sistematização de linhas orientadoras para futuros trabalhos no âmbito desta temática. Em suma, esta Dissertação foi motivada pelo actual interesse na visualização de informação e nas linhas de investigação que vêm explorando a representação de dados através de princípios da percepção; princípios estes que facilitam o processo cognitivo de análise das informações envolvidas. Assim, foram revistas, aplicadas e avaliadas teorias e metodologias para visualização de grandes volumes de dados baseadas em princípios de percepção humana. Palavras-chave: cognição, visão humana, informação, interfaces homem-máquina, ergonomia. 5

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7 Summary The work done in this Dissertation began with a bibliographical study that considered the domain of scientific visualization, human perception and the development of human-machine interfaces. In particular, emphasis was placed on the techniques and methods that enable the visualization and analysis of large volumes of data, to enable the discovery of the existing relationships and dependencies. Thus, it was possible to determine which techniques, methods and computing resources were adequate to be addressed in the subsequent phases. It was later identified one case study that considers data about the air quality in Portugal. This database is embedded in a field of knowledge that is characterized by the large amount of data involved and by the real need to represent these data in suitable visual forms. This visualization contributes significantly to a proper understanding of the data involved, helping cognitive tasks and therefore the improving of decision making processes. Then, it was developed a visualization system that considered the requirements identified in previous stages; that is, techniques, methods and resources that are suitable in the visualization of large volumes of data in terms of human perception. The developed implementation is able to interact with the database previously chosen and represent their data in appropriate graphical forms. In this system were considered the requirements of human perception that contribute substantially to the interpretation of the data involved. Finally, the evaluation of the system developed was carried out to validate the methodologies addressed and implemented, especially regarding aspects of human perception. Different proposals were also implemented to display the data, and this assessment took place in comparative terms between the distinct scenarios, allowing the systematization of guidelines for future works on this area. In short, this Dissertation was motivated by the current interest on information visualization and lines of research, which have been exploring the representation of data using principles of perception that facilitate the cognitive process of analysis of the information involved. Thus, theories and methodologies for visualization of large volumes of data based on principles of human perception were reviewed, applied and evaluated during this MSc project. Keywords: cognition, human vision, information, human-machine interfaces, ergonomics. 7

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9 Índice Índice de Figuras... iiiii Lista de Siglas e Acrónimos... v Capítulo I: Introdução à Dissertação Contextualização Motivação e Objectivos Estrutura da Dissertação... 4 Capítulo II: Percepção humana - Sistema visual humano Processos sensoriais e perceptivos Posição Empirista Réplica inatista Intensidade sensorial Detecção do sinal Percepção visual Luz como estímulo Olho Receptores Visuais Adaptação (interacções no tempo) Contraste (interacções no espaço) Cor Capítulo III: Organização perceptiva Profundidade Movimento Forma Reconhecimento de padrões Processamento Visual Selecção Perceptiva Capítulo IV: Visualização Definição de visualização Evolução histórica Processo de visualização de dados Visualização de dados e Percepção Modelos da Percepção Visual Humana Processamento paralelo Percepção de Padrões Processamento Sequencial Dirigido i

10 4.6 Modelo de referência para visualização de dados Técnicas de Visualização Visualização de atributos Visualização de estruturas e relações Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados Música, Filmes e outros media Digg, Twitter, Delicious e Flickr Visualização na Internet Outros Sistemas de Visualização Ferramentas de Desenvolvimento de Sistemas de Visualização Capítulo VI: Caso de Estudo, Desenvolvimento e Avaliação Caso de Estudo Base de dados a ser usada Relevância da base de dados escolhida Fontes e efeitos dos poluentes considerados Classificação do Índice de Qualidade do Ar Processo de desenvolvimento do sistema de visualização Objectivos e Hipóteses Variáveis Design Experimental Plataforma de Desenvolvimento Desenho da Interface Funcionalidades Avaliação do sistema de visualização Inquérito Amostra Resultados Discussão Linhas de orientação futuras Capítulo VII: Conclusões Finais e Perspectivas Futuras Conclusões Finais Perspectivas Futuras Bibliografia Anexos ii

11 Índice de Figuras Figura 2.1 Os principais pathways visuais do Macaque monkey (adaptado de [Ware, 2004]).. 10 Figura 2.2 Processo de decisão segundo a teoria de detecção do sinal (retirado de [Gleitman, 2004]) Figura 2.3 Espectro visível (adaptado de [Gleitman, 2004]) Figura 2.4 Secção lateral do olho (adaptado de [Paxinos, 2003]) Figura 2.5 Curva de sensibilidade espectral (retirado de [Gleitman, 2004]) Figura 2.6 Contraste simultâneo de cor (ou indução de cor) (adaptado de [Palmer, 1999]) Figura 2.7 Grelha de Hermann (retirado de [Ware, 2004]) Figura 2.8 Exemplo de linhas de Mach Figura 3.1 Movimento aparente (retirado de [Goldstein, 2007]) Figura 3.2 Movimento induzido: o movimento do rectângulo gera a percepção do movimento do ponto (adaptado de [Palmer, 1999]) Figura 3.3 O que salta à vista na percepção visual (retirado de [Gleitman, 2004]) Figura 3.4 Figura reversível: Vaso de Rubin (retirado de [Yantis, 2001]) Figura 3.5 Princípios clássicos de agrupamento (adaptado de [Healy, 2003]) Figura 3.6 Efeito de contexto no reconhecimento de letras (retirado de [Selfridge, 1955]) Figura 3.7 Exemplo de figura impossível (adaptado de [Penrose, 1958]) Figura 3.8 Uma versão simplificada dos pathways envolvidos na visão, desde a retina até ao córtex (adaptado de [Eysenck, 2005]) Figura 3.9 Processamento em série na procura visual (retirado de [Gleitman, 2004]) Figura 3.10 Uma relação invariante que produz informação acerca do tamanho (retirado de [Gleitman, 2004]) Figura 4.1 Gráfico de Langren (1644) que permite obter a distância, em longitude, de Toledo a Roma. A distância correcta é (retirado de *Friendly, 2004+) Figura 4.2 Modelo clássico de visualização de Haber e McNabb (retirado de [Freitas, 2001]).. 41 Figura 4.3 Glifo utilizado para a visualização da variação de medidas relacionadas com o desenvolvimento de um sistema computacional (retirado de [Chuah, 1998]) Figura 4.4 Representação visual na técnica (retirado de [Freitas, 2001]) Figura 4.5 Esquema básico da técnica Cone Tree (retirado de [Freitas, 2001]) Figura 4.6 Esquema da técnica Tree-Maps (retirado de [Johnson, 1991]) Figura 4.7 Information Slices (retirado de [Andrews, 1998]) Figura 4.8 Representação utilizada no browser hiperbólico (retirado de [Lamping, 1996]) Figura 4.9 Técnica para informações hierárquicas com dois focos (retirado de [Cava, 2001]).. 46 Figura 6.1 Módulo inicial do sistema airquality Figura 6.2 Opções de visualização para a funcionalidade Verificar Figura 6.3 Secção Perspectiva Global Figura 6.4 Módulo Histórico Figura 6.5 Fases da elaboração de um questionário (retirado de [Vicente, 1996]) Figura 6.6 Resultados relativos à classificação da alternativa da visualização preferida no módulo Início, quanto à percepção da informação Figura 6.7 Relevância do feedback sonoro no projecto iii

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13 Lista de Siglas e Acrónimos APA Agência Portuguesa do Ambiente API BBC CO COV CPAN DAP DP FEUP GNU GPL HTML IBM IDE IT MIDI MT NASA NO2 O3 PHP PM10 PO PP RSS SO2 SQL STS TED URL VTK XHTML Application Programming Interface British Broadcasting Corporation Monóxido de Carbono Composto Orgânico Volátil Comprehensive Perl Archive Network Diferença Apenas Perceptível Dorsal Prestiate Area Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto GNU s Not Unix General Public License HyperText Markup Language International Business Machines Integrated Development Environment Inferotemporal Cortex Musical Instrument Digital Interface Middle Temporal Area National Aeronautics and Space Administration Dióxido de Azoto Ozono PHP: Hypertext Preprocessor Partículas inaláveis ou finas, cujo diâmetro médio é inferior a 10 microns Parieto-Occipital Area Posterior Parietal Complex Rich Site Summary Dióxido de Enxofre Structured Query Language Superiotemporal Sulcus Complex Technology Entertainment and Design Uniform Resource Locator Visualization Toolkit extensible HyperText Markup Language v

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15 Capítulo I: Introdução à Dissertação

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17 Capítulo I: Introdução à Dissertação 1.1 Contextualização Nos dias de hoje, são cada vez mais comuns conjuntos de dados de elevada dimensão e complexidade, para os quais os métodos tradicionais de visualização e análise de dados se tornam insuficientes e ineficazes. Vivendo-se num mundo em que o tempo desempenha um papel cada vez mais crítico no processo de tomada de decisão, podendo influenciar significativamente o sucesso de uma qualquer acção, urge encontrar soluções que satisfaçam esta necessidade de processamento e análise de informação. Através do sistema visual, a percepção humana desempenha um papel importante na área da visualização, auxiliando os processos cognitivos. Assim, considerar factores da percepção visual humana no desenvolvimento de ferramentas computacionais de visualização de dados complexos e elevada dimensão, assume um papel fundamental com grande interesse científico e até para o público em geral. De uma forma generalista, o termo visualização significa construir uma imagem visual na mente humana, e isto é mais do que uma representação gráfica de dados ou conceitos. Já Stuart Card, em [Card, 1999], define o conceito de visualização de forma mais específica como sendo o uso de representações visuais de dados abstractos, suportadas por computador e interactivas para ampliar a cognição. Destas definições pode-se reter que uma visualização pode funcionar como uma ferramenta cognitiva para a construção de conhecimento utilizando as capacidades perceptivas e cognitivas do ser humano. Em termos da percepção, as representações de dados devem considerar as propriedades do sistema visual humano [Ware, 2004]. Assim, bons conhecimentos teóricos cientificamente testados são fundamentais para ferramentas computacionais de visualização e análise de dados eficientes [Synnestvedt, 2005]. Desta maneira põe-se a questão: Quais são as principais teorias da percepção humana passíveis de serem consideradas na visualização de dados e que influenciam a sua compreensão?. Neste trabalho procura-se uma solução eficaz possível para esta problemática. 1.2 Motivação e Objectivos Ao se analisar a história da Visualização, tem-se uma noção de quão distante é a sua origem, coincidindo praticamente com a origem da humanidade, e quão diversas são as áreas que contribuíram (e contribuem) para seu desenvolvimento. Observando mais em detalhe o processo evolutivo da visualização, começa-se a compreender melhor o que acontece nos dias de hoje. De facto, é fácil perceber que algumas das abordagens actuais são baseadas em metodologias e técnicas de visualização presentes anteriormente, mas que foram agora adaptadas às inovações tecnológicas mais recentes. Porém, não se está diante de um ciclo fechado da história; está-se sim novamente no início de uma nova era em termos de visualização. Com efeito, novas abordagens e metodologias começam a ser alvo de trabalhos científicos, também impulsionadas pelos recentes avanços tecnológicos. Os avanços tecnológicos são novamente propulsores desta nova fase, mas a grande preocupação está voltada para os factores humanos aplicados a novas metodologias científicas de visualização. Dentro destes factores temos principalmente a visão, a percepção e a cognição, mas surgem já pesquisas também em ao nível do tacto e audição. 3

18 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Em muitos momentos na evolução da Visualização, o design, a percepção e a cognição foram também factores relevantes, mesmo quando aplicados empiricamente. Neste momento, a formalização de estudos que se foquem nestas áreas são bem-vindas e necessárias, uma vez que existem inúmeras possibilidades de investigação que envolvam a intersecção destas áreas que se complementam. Assim, esta Dissertação é motivada pelo actual interesse na visualização de informação e nas linhas de investigação que vêm explorando a representação de dados através de princípios da percepção; princípios estes que facilitam o processo cognitivo de análise das informações envolvidas. Outro dos principais intuitos deste trabalho é poder auxiliar o utilizador no processo de descoberta de novas informações ou padrões de dados que de outra forma poderiam não ser facilmente detectados. No que concerne aos objectivos principais, com esta Dissertação pretende-se: Identificar e estudar bibliografia sobre as principais teorias da percepção humana passíveis de serem implementadas para a visualização e análise de dados; Implementar um sistema de visualização e análise de grandes volumes de dados apoiado nas teorias previamente identificadas; Avaliar o sistema desenvolvido com a utilização de uma base de dados previamente seleccionada. 1.3 Estrutura da Dissertação Os capítulos seguintes foram organizados, considerando os eixos de investigação referidos no ponto anterior, da seguinte forma: Capítulo 2: Percepção Humana - Sistema visual humano neste capítulo é descrita a evolução da percepção enquanto conceito e a forma como o sistema visual humano opera; Capítulo 3: Organização Perceptiva capítulo dedicado à organização da percepção visual, estando as principais questões relacionadas com o modo como se percepciona a profundidade, o movimento e a forma. São ainda explicados os conceitos inerentes à segregação perceptiva e visual; Capítulo 4: Visualização neste capítulo é descrita a evolução histórica do processo de visualização, sendo descritos os diferentes modelos da percepção visual humana e várias técnicas de visualização; Capítulo 5: Sistemas de Visualização de Dados capítulo no qual são sistematizadas algumas das ferramentas de visualização de dados actuais, assim como as suas principais valências; Capítulo 6: Caso de Estudo, Desenvolvimento e Avaliação capítulo onde é justificada a escolha dos dados utilizados no sistema de visualização implementado e sua relevância. Neste capítulo é realizada também uma descrição detalhada de todo o processo de desenvolvimento que culminou no sistema de visualização de dados AirQuality. Por fim, são descritos e analisados os resultados dos testes realizados com o sistema desenvolvido, sendo sistematizadas linhas de orientação para a melhoria do sistema; 4

19 Capítulo I: Introdução à Dissertação Capítulo 7: Conclusões Finas e Perspectivas Futuras neste capítulo são sintetizadas as principais conclusões apresentadas ao longo da Dissertação, juntamente com a indicação de possíveis linhas de investigação futura na continuação do trabalho realizado. 5

20 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação 6

21 Capítulo II: Percepção humana - Sistema visual humano

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23 Capítulo II: Percepção humana - Sistema visual humano 2.1 Processos sensoriais e perceptivos O estudo dos processos sensoriais nasceu de perguntas sobre a origem do conhecimento humano. Uma das respostas mais acessíveis é simples e directa: os sentidos recebem e registam a informação de forma semelhante a uma câmara fotográfica quando capta luz ou a um microfone quando recebe som. Nesta perspectiva, os olhos e os ouvidos são sensíveis à informação relevante tal como a película fotográfica é sensível à luz. Segunda esta perspectiva, a recolha de informação é uma questão relativamente passiva. A câmara, afinal, não escolhe que raios de luz recebe, nem interpreta em grande medida a luz que recebe. Apenas regista a luz disponível. Da mesma forma, um gravador não interpreta a fala ou aprecia a música; limitase, de novo de forma passiva, a registar o som. Assim, o problema fundamental da percepção consiste em saber como se consegue apreender os objectos e os acontecimentos do mundo exterior. No domínio da percepção visual, as principais questões dizem respeito ao modo como se vê a profundidade, o movimento e a forma como se constatará mais adiante Posição Empirista Muitos filósofos defenderam que os sentidos são passivos e esta posição está associada com a corrente filosófica conhecida por empirismo e que defende que todo o conhecimento é adquirido pela experiência. John Locke (1964), um dos principais proponentes desta posição, defendia que não havia ideias inatas: à nascença o espírito humano era simplesmente uma folha em branco (tábua rasa), sobre a qual a experiência inscreve as suas marcas [Locke, 1964]. Esta visão de tabula rasa permitiu que os neurologistas passassem a compreender que o cérebro possui um grande número de regiões especializadas. A Figura 2.1 mostra as principais vias (pathways) neurais entre as diferentes partes do cérebro envolvidas no processamento visual [Distler, 1993]. Embora grande parte das funcionalidades ainda não sejam claras, este diagrama representa uma conquista significativa e resume o trabalho de dezenas de pesquisadores, estando estas estruturas presentes tanto em primatas, como nos seres humanos. Assim, o cérebro não é claramente considerado como uma massa indiferenciada; pelo contrário, como uma colecção de máquinas altamente especializadas em processamento paralelo com interconexões de alta largura de banda. Todo o sistema é projectado para extrair informações do mundo em que vivemos, não de um outro ambiente com propriedades físicas completamente diferentes. A noção que o conhecimento surge da experiência implica que tudo o que se sabe deriva do que se vê, ouve e sente durante a vida. Isto contudo não explica que tipo de informação os sentidos recebem. Ao se considerar uma árvore, por exemplo, constata-se que a luz reflectida pela sua superfície entra pela pupila, é concentrada pela lente e projecta uma imagem na retina, a região fotossensível na parte anterior do olho. Assim, os estímulos aplicados nesta sequência visual podem ser descritos por uma de duas formas: pode-se falar da própria árvore; isto é, o acontecimento ou objecto no mundo exterior, ou pode-se falar do padrão de energias de estímulo que atingem efectivamente o olho. Ao primeiro chama-se de estímulo distal, uma vez que o estímulo distal encontra-se geralmente a alguma distância do sujeito, sendo o segundo denominado de estímulo proximal ( próximo ) *Gleitman,

24 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Figura 2.1 Os principais pathways visuais do Macaque monkey. V1 V4, áreas visuais 1 4; PO, parieto-occipital area; MT, middle temporal area ou V5; DP, dorsal prestiate area; PP, posterior parietal complex; STS, superiotemporal sulcus complex; IT, inferotemporal córtex. Este diagrama ilustra a complexidade estrutural do sistema visual, representando a espessura das linhas o número de projecções ascendentes entre as áreas. Algumas destas áreas são referenciadas em diferentes secções desta Dissertação (adaptado de [Ware, 2004]). À pessoa comum, o interesse reside no estímulo distal, ou seja, o objecto verdadeiro no mundo exterior. Assim, quer-se conhecer a árvore e não a sua imagem retiniana; interessa saber o verdadeiro tamanho da árvore, a que distância está, que tipo de folhas tem, e assim por diante. Contudo, o Homem não tem acesso directo ao estímulo distal. Em vez disso, a única fonte de informação acerca do estímulo distal são as energias que atingem o olho, isto é, o estímulo proximal [Pastore, 1971]. Com efeito, se a árvore não projectasse nenhuma imagem retiniana, ela seria invisível [Gleitman, 2004]. Porém, esta distinção entre estímulos proximais e distais levanta problemas ao empirista. Na sua perspectiva, os sentidos são o único acesso que existe para o mundo exterior, e os estímulos proximais os únicos mensageiros a que é permitido esse acesso [Pastore, 1971]. Como se pode então conhecer as qualidades reais do estímulo distal? Para além disto, os empiristas presumiam que todo o conhecimento é construído a partir de experiências sensoriais simples: sensações. São esses os elementos sobre os quais se constroem todas as experiências e ideias complexas [Rock, 1975]. Toda a experiência perceptiva é assim composta de sensações como: um mosaico de cores, sons de diferente altura e volume, doces, amargos, e assim por diante. Será que esta descrição dá conta da riqueza do mundo perceptivo? 10

25 Capítulo II: Percepção humana - Sistema visual humano Para os empiristas, a resposta a todos estes problemas era a aprendizagem. Assim, pretendiam que a experiência anterior desempenhava um papel crucial criando o significado e a organização do mundo perceptivo. O mecanismo-chave da aprendizagem era considerado a associação, processo pelo qual uma sensação é ligada a outra: se duas sensações ocorrerem com frequência suficiente, uma delas acabará por evocar a ideia da outra [Gleitman, 2004]. Segundo os empiristas, estas ligações associativas seriam a base que ligariam os componentes separados do mundo perceptivo num todo coerente Réplica inatista Os empiristas aceitavam que o sujeito tem de complementar as sensações com associações; contudo, outros autores sugeriram que o papel do sujeito é bastante mais importante [Gleitman, 2004; Helmholtz, 2005]. A principal alternativa à posição empirista é o inatismo que afirma que vários aspectos da experiência perceptiva dependem da capacidade de categorizar e interpretar a informação sensorial proveniente dos sentidos [Gleitman, 2004]. Esta capacidade de compreender o dado sensorial é, segundo os inatistas, aquilo que torna a percepção possível. Em consequência, esta capacidade deve estar estabelecida antes de qualquer experiência sensorial. Essas capacidades deveriam, pois, fazer parte do património natural (ou inato) [Rock, 1975]. As origens das posições inatistas remontam a Platão. Em épocas mais modernas, a posição foi defendida pelo filósofo alemão Immanuel Kant. Kant, em [Kant, 1997], defendia que o conhecimento não pode provir apenas do que vem dos sentidos; tem de haver categorias prévias que vão ordenar e organizar este material sensorial. Para além disto, defendia que as categorias de espaço, tempo e causalidade se encontram na própria estrutura do espírito, e que essas categorias ordenam toda a experiência de modo que não se pode conceber o mundo senão nos termos dessas mesmas categorias que tornam os dados sensoriais interpretáveis. Modernamente, pode-se dizer que essas categorias e a forma como ordenam os dados dos sentidos fazem parte da herança biológica humana [Gleitman, 2004] Intensidade sensorial Quer se siga a posição empirista ou inatista, tem-se que a experiência sensorial ou sensação tem sempre início com um estímulo próximo [Helmholtz, 2005]. Este estímulo é convertido para impulsos nervosos por receptores especializados, e depois geralmente modificado ainda mais por outras partes do sistema nervoso, dando finalmente origem à sensação. Para tentar compreender a ligação entre as características do estímulo físico com quer a qualidade quer a intensidade da experiência sensorial, surgiu um novo ramo da Psicologia sensorial denominado Psicofísica [Fechner, 1966]. O fundador da Psicofísica, Gustav Fechner, estudou a intensidade sensorial determinando a capacidade dos sujeitos em discriminar intensidades de estímulo. Assim, nasceu o conceito de limiar diferencial, ou seja, a mudança de intensidade (de um dado estímulo) que é suficientemente forte para que seja detectada, produzindo uma diferença apenas perceptível (DAP) [Gleitman, 2004]. Uns anos antes o fisiólogo alemão Ernst Heinrich Weber tinha desenvolvido a lei de Weber, que afirmava que uma DAP é uma fracção constante da intensidade do estímulo padrão 11

26 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação [Gleitman, 2004]. Tomando isto como referência, Fechner generalizou a lei de Weber de maneira a exprimir uma relação mais global entre as intensidades sensorial e física. É esse o objectivo da lei de Fechner, que afirma que a intensidade da sensação cresce logaritmicamente com a intensidade do estímulo [Fechner, 1966] Detecção do sinal A teoria da detecção do sinal é uma forma de separar a intensidade sensorial e o viés de resposta [Gleitman, 2004]. Numa experiência de detecção típica, o estímulo é apresentado em alguns ensaios mas não em outros. Assim, pode haver dois tipos de erro: insucessos, ou seja, dizer que um estímulo está ausente quando ele está presente, e falsos alarmes, isto é, dizer que ele está presente quando está ausente (Tabela 1). A proporção relativa destes dois tipos de erros é parcialmente determinada pela matriz de ganhos e perdas, onde os ganhos e perdas se referem aos resultados de cada tipo de resposta. Tabela 1 Resultados possíveis na experiência de detecção. Resposta Estímulo presente Estímulo ausente Positiva Sucesso Falso alarme Negativa Insucesso Negativa correcta Segundo a teoria de detecção do sinal, a distinção entre a presença de um estímulo e a sua ausência depende de um processo em que o sujeito tem de decidir se a activação do sistema sensorial é provocada pelo sinal mais o ruído de fundo ou só pelo ruído de fundo (Figura 2.2). Figura 2.2 Processo de decisão segundo a teoria de detecção do sinal (retirado de [Gleitman, 2004]). 12

27 Capítulo II: Percepção humana - Sistema visual humano Noutro âmbito, as investigações do substrato neural da sensação tentam esclarecer os códigos sensoriais pelos quais o sistema nervoso representa as experiências sensoriais. Têm particular interesse nas diferenças qualitativas entre modalidades sensoriais diferentes (por exemplo, a nota lá e a cor vermelho) e na mesma modalidade sensorial (verde e vermelho). Segundo a doutrina da energia específica dos nervos proposta por Johannes Müller, as diferenças qualitativas são, em última análise, causadas por diferenças nas estruturas nervosas excitadas pelo estímulo e não por diferenças entre os próprios estímulos [Helmholtz, 2005]. Já os processos neurais subjacentes à experiência sensorial são descritos por duas posições alternativas [Gleitman, 2004]: a teoria da especificidade, segundo a qual as diferentes qualidades sensoriais são assinaladas por diferentes neurónios, e a teoria do padrão, que defende que essas diferenças são codificadas pelo padrão geral de actividade de um conjunto de fibras sensoriais. Porém, alguns estudos mostram que o sistema nervoso utiliza como código quer a especificidade, quer os padrões nos vários sistemas sensoriais, como por exemplo em [Gleitman, 2004]. Como se percebe pelo anteriormente descrito, diferentes modalidades sensoriais têm funções e mecanismos diferentes. Contudo, a visualização explora sobretudo o sentido humano que possui maior capacidade para captar informação temporal: a visão. Assim, em seguida este tópico é descrito em maior detalhe. 2.2 Percepção visual A percepção do meio envolvente não depende somente das propriedades dos seus objectos, mas também das características do sistema visual humano [Gleitman, 2004]. Assim, seguidamente são descritas as propriedades anatómicas e funcionais do sentido da visão, tendo em conta a sua importância no processo perceptivo em geral Luz como estímulo No ambiente humano existem muitos objectos que são fontes de luz: o Sol, lâmpadas, velas, entre outros. Estes tipos de objectos emitem eles próprios luz; porém, a grande maioria dos objectos são fontes de luz por reflectirem parte da luz que é projectada sobre eles, absorvendo a restante. As energias do estímulo denominadas por luz deslocam-se numa onda semelhante às ondas de pressão que constituem os estímulos auditivos. Como todas as ondas, a luz pode variar na sua intensidade e no seu comprimento de onda [Goldstein, 2007]. A intensidade é a quantidade de energia radiante por unidade de tempo, sendo responsável em grande parte pelo brilho percepcionado. Já o comprimento de onda é distância entre as cristas de duas ondas sucessivas, sendo o principal determinante da sensação de cor. Contudo, os comprimentos de onda chamados de luz são apenas aqueles aos quais o sistema visual humano é sensível, constituindo apenas uma pequena parte do espectro electromagnético [Gleitman, 2004; Ware, 2004]. O espectro visível vai de aproximadamente 360/400 (violeta) a 700/750 (vermelho) nanómetros entre cristas sucessivas (Figura 2.3). 13

28 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Figura 2.3 Espectro visível (adaptado de [Gleitman, 2004]) Olho Existem diferentes tipos de olhos. De facto, o olho foi evoluindo de forma autónoma em muitos grupos de animais. Enquanto alguns invertebrados têm apenas zonas sensíveis ao escuro e ao claro, outros possuem estruturas complexas com vários tipos de células que recolhem imagens através de lentes e de aberturas minúsculas. Nos vertebrados, a detecção da luz é feita por células chamadas foto-receptores localizados na retina [Gleitman, 2004], sendo esta uma camada de tecido que reveste a parte de trás do globo ocular. Porém, antes de a luz entrar na retina existe necessidade de vários mecanismos que controlem a quantidade de luz que chega aos foto-receptores e, antes do mais, que assegurem uma imagem retiniana clara e bem focada [Goldstein, 2007]. Frequentemente, o olho humano é comparado por analogia a uma câmara fotográfica. De facto, ambos têm uma lente, sendo o cristalino no olho, que refracta os raios luminosos que passam por ela, projectando assim uma imagem numa superfície fotossensível na parte posterior. No olho, esta refracção é feita quer pelo cristalino, quer pela córnea que é a película transparente externa do olho [Guyton, 1997]. Figura 2.4 Secção lateral do olho (adaptado de [Paxinos, 2003]). 14

29 Capítulo II: Percepção humana - Sistema visual humano Na câmara, a imagem é focada modificando a posição da lente, já no olho isto é realizado por um conjunto de músculos que alteram a forma do cristalino. Estes músculos contraem-se de forma a curvar mais o cristalino, quando se foca uma imagem próxima, e distendem-se de forma a achatá-lo mais quando se foca uma imagem à distância. Este processo denomina-se por acomodação [Gleitman, 2004]. Finalmente, tanto a câmara como o olho são capazes de determinar a quantidade de luz que entra. Na câmara, isso é assegurado pela abertura do diafragma; já no olho, para este efeito existe a íris, um músculo liso e circular que rodeia a abertura pupilar, que se contrai e dilata em resposta reflexa à quantidade de iluminação Receptores Visuais Quando a luz chega à retina, o estímulo físico é transformado num estímulo neural [Gleitman, 2004]. Com efeito, existem na retina dois tipos de células receptoras, os bastonetes e os cones [Goldstein, 2007]. Os cones são muito abundantes na fóvea, que é uma pequena zona circular no centro da retina, mas decrescem de densidade para a periferia. Por sua vez e em sentido contrário, os bastonetes estão ausente na fóvea, mas estão em grande quantidade na periferia. Numa retina humana existem, em média, 120 milhões de bastonetes e 6 milhões de cones [Gleitman, 2004; Goldstein, 2007]. Os cones e os bastonetes não comunicam directamente com o cérebro; as suas mensagens são transportadas por várias camadas de outras células na retina [Gleitman, 2004]. Assim, os receptores estimulam as células bipolares que, por sua vez, excitam as células ganglionares. Estas recebem informação de toda a retina e os axónios (parte do neurónio condutora dos impulsos nervosos) dessas células convergem para formar um feixe de fibras nervosas a que se chama de nervo óptico [Guyton, 1997]. Por sua vez, o nervo óptico deixa o globo ocular e transporta informação, em primeiro lugar, para uma grande estação de trânsito denominada núcleo geniculado lateral e depois para o córtex. No local por onde o nervo óptico deixa o globo ocular não há lugar para receptores e, por isso, esta área (zona cega) não pode dar origem a sensações visuais. O facto de cones e bastonetes serem diferentes na estrutura, número e localização na retina, sugere que desempenham funções diferentes. Há quase cem anos esta hipótese levou ao desenvolvimento da teoria bimodal da visão, que entretanto se veio a tornar como um facto adquirido [Gleitman, 2004]. Assim, os bastonetes são os receptores da visão nocturna, uma vez que disparam a baixas intensidades de luz e dão origem a sensações visuais acromáticas (preto e branco). Já os cones estão na base da visão diurna, pois respondem a níveis de luminosidade mais elevados e estão na base de sensações a cores ou cromáticas. A vantagem desta disposição bimodal torna-se clara ao considerarmos a grande variedade de intensidades visuais com que o Homem se depara, activo quer de dia quer de noite. Na nossa espécie, a relação entre a energia do estímulo necessário para atingir o limiar da visão e uma olhadela rápida ao Sol é da ordem de 1/ [Gleitman, 2004]. Assim, a selecção natural conseguiu resolver os problemas causados por um âmbito tão grande através de dois sistemas receptores visuais que se complementam. A enorme sensibilidade dos bastonetes possui porém um preço: são muito menos eficazes a discriminar detalhes finos. A acuidade, que se entende como a capacidade de percepcionar detalhes, é assim muito maior nos cones [Goldstein, 2007]. É em grande parte por esta razão 15

30 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação que se movem os olhos, quando se quer inspeccionar um objecto. Olhar para um estímulo significa mover os olhos para que a imagem retiniana desse objecto caia sobre a fóvea dos dois olhos, uma vez que é na fóvea que a acuidade é máxima devido à concentração de cones. Contudo, a importância dos bastonetes pode-se constatar no dia-a-dia e em tarefas rotineiras. Por exemplo, quando se pretende vislumbrar uma estrela pouco brilhante no céu, não se deve olhar directamente para ela, mas sim para um ponto à sua esquerda ou direita. Esta estratégia sacrifica a capacidade de distinguir detalhes mas, trabalhando com os bastonetes e sendo estes mais sensíveis que os cones [Goldstein, 2007], é maximizada a sensibilidade à luz fraca da estrela. Esta teoria bimodal da visão recebe ainda o apoio dos estudos sobre sensibilidade espectral. Como já referido, o olho humano é insensível a comprimentos de onda inferiores a cerca de 360 e superiores a 700 nanómetros. Para saber qual a sensibilidade às frequências entre estes extremos, é realizada uma experiência de detecção de uma luz ténue de intensidade e comprimento de onda específicos [Gleitman, 2004]. Os resultados deste género de experiência são descritos em termos de uma curva de sensibilidade espectral em que a sensibilidade é assinalada como ordenada e o comprimento de onda como abcissa. Figura 2.5 Curva de sensibilidade espectral (retirado de [Gleitman, 2004]). Como se pode constatar da Figura 2.5, a sensibilidade máxima dos bastonetes ocorre na região dos comprimentos de onda curtos, com um máximo de 510 nanómetros (o que corresponderia ao verde se aplicado aos cones, mas que parece cinzento aos acromáticos bastonetes). Já a curva para os cones é mais baixa no conjunto, o que reflecte a sua menor sensibilidade luminosa. Além disso, a região de máxima sensibilidade dos cones ocorre por volta dos 560 nanómetros (vistos como verde amarelado). Para os bastonetes os azuis são mais fáceis de detectar do que os amarelos e vermelhos (embora, como já referido, todos pareçam cinzentos); para os cones, passa-se exactamente o contrário. Os cones e os bastonetes, para além de se poderem distinguir em termos de função e anatomia, também possuem diferentes características químicas. Assim, dentro de cada fotoreceptor, encontra-se um pigmento visual [Goldstein, 2007]; ou seja, uma substância química 16

31 Capítulo II: Percepção humana - Sistema visual humano sensível à luz e que permite a transdução da energia luminosa para um sinal neural. Quando a luz entra no receptor, a sua energia modifica a forma química do pigmento visual, dando início a uma cadeia de acontecimentos que, por fim, leva a um sinal eléctrico. Desta forma, a energia luminosa é traduzida para a linguagem do sistema nervoso. O próprio pigmento é depois reconstituído por outros mecanismos, de modo a que esteja pronto a reagir na próxima oportunidade. O pigmento dos bastonetes é a rodopsina [Gleitman, 2004]. Já os cones possuem três pigmentos diferentes, sendo ainda desconhecida a sua composição química exacta. Contudo, o facto de terem três pigmentos ao invés de somente um, está relacionado com a sua capacidade de discriminar cores Adaptação (interacções no tempo) Os vários componentes do sistema visual não operam isoladamente; pelo contrário, interagem constantemente [Goldstein, 2007]. Esta interacção pode ocorrer no tempo, como nas várias formas de adaptação que garantem um declínio gradual na reacção a qualquer estímulo se este não for alterado. A adaptação visual é geralmente compensada pelos movimentos oculares, mas estes efeitos podem ser controlados através do procedimento da imagem estabilizada [Pritchard, 1961]. Com efeito, uma vez que é impossível fazer com que o olho não se mova, faz-se com que o estímulo se mova juntamente com este. Neste género de experiência, o sujeito usa uma lente de contacto na qual está montado um pequeno projector. Na parte posterior do projector está o estímulo-alvo que é projectado na retina. Este alvo será sempre projectado no mesmo ponto da retina porque, se o olho se move, a lente e o projector movem-se com ele. Em consequência, a imagem na retina permanece estabilizada [Pastore, 1971]. Inicialmente, a imagem assim projectada é vista de forma muito nítida. Mas, depois de alguns segundos, desaparece de todo, geralmente por partes. Isto constitui uma demonstração clara do sistema de adaptação a estímulos contínuos. Em suma, conclui-se que os movimentos involuntários dos olhos parecem ter a função de manter o mundo visual intacto. São esses movimentos oculares que, em condições normais, fazem com que a imagem retiniana não se encontre estabilizada, havendo sempre mudanças nessa imagem [Riggs, 1953] Contraste (interacções no espaço) Os fenómenos de adaptação mostram que os sistemas sensoriais não reagem exactamente à estimulação, mas sim às mudanças dessa estimulação. Se não houver qualquer mudança, a resposta sensorial diminui [Gleitman, 2004]. Isto verifica-se para fenómenos que decorram no tempo, mas também o é para os que ocorrem no espaço. Na visão (e nos outros sentidos) a resposta a um estímulo apresentado a uma determinada região depende, em parte, de como são estimuladas as áreas adjacentes. Quanto maior for a diferença na estimulação das partes adjacentes, maior será o efeito [Wilson, 1999]. De facto, o aspecto de uma mancha cinzenta, por exemplo, depende do fundo em que é apresentada. O mesmo cinzento parecerá muito mais brilhante num fundo escuro do que num claro (Figura 2.6). Este efeito, denominado também por contraste do brilho, aumenta com o incremento na diferença de intensidade entre as duas regiões contrastantes [Gleitman, 2004]. Todavia, o contraste também é função da distância entre estas regiões: quanto mais pequena a distância, maior o contraste (Figura 2.7). Este fenómeno dá origem a várias ilusões visuais e tem sido usado por vários artistas contemporâneos de forma a criar efeitos interessantes. 17

32 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Figura 2.6 Contraste simultâneo de cor (ou indução de cor); pode-se verificar que embora o anel seja uniformemente cinza a percepção da sua cor é influenciada pelos fundos que o rodeiam: a) parece mais verde quando rodeado por vermelho; b) parece mais vermelho, quando rodeado por verde; c) parece mais azul, quando rodeado por amarelo; d) e parece mais amarelo, quando rodeado por azul (adaptado de [Palmer, 1999]). Figura 2.7 Grelha de Hermann: É possível verificar a existência de imagens fantasma cinzentas nas intersecções. Este facto resulta das características dos campos receptivos das células ganglionares (retirado de [Ware, 2004]). Os efeitos de contraste têm outra consequência: servem para acentuar os bordos entre os objectos diferentes no espaço visual, o que permite uma melhor visão destes [Goldstein, 2007]. Este tipo de processo ajuda a visão a ultrapassar algumas imperfeições ópticas do olho. Por causa destas imperfeições a imagem retiniana é muitas vezes imprecisa, ainda que o estímulo exterior seja claramente delimitado, sendo o contraste a corrigir esta imprecisão. O sistema visual recria, exagerando, as fronteiras entre os objectos da mesma forma que gera as chamadas linhas de Mach (Figura 2.8). Assim, quando uma região mais clara esta adjacente a uma mais escura, o contraste faz com que a região clara fique ainda mais clara e a escura ainda mais escura. O contraste acentua as diferenças entre as duas zonas nos dois sentidos, exagerando desta forma os bordos entre as duas [Gleitman, 2004]. 18

33 Capítulo II: Percepção humana - Sistema visual humano Figura 2.8 Exemplo de linhas de Mach. Em vários níveis do sistema visual a actividade numa região tende a inibir as respostas nas regiões adjacentes. A esta tendência chama-se inibição lateral [Rock, 1975] trata-se de inibição das zonas adjacentes a um ponto. Este efeito, desde há muito teorizado, foi actualmente confirmado através de registos da actividade de células isoladas no sistema visual [Gleitman, 2004]. Estes registos documentam claramente o facto de que regiões adjacentes na retina tendem a inibir-se mutuamente, passando-se o mesmo em regiões mais centrais do sistema visual. Assim, quando algum receptor visual é estimulado, transmite a sua excitação a outras células que acabam por a transmitir para o cérebro. Contudo, a excitação dos receptores tem ainda outro efeito: estimula neurónios que se estendem lateralmente na retina. Essas células laterais entram em contacto com células vizinhas e inibem-nas [Baumann, 1997] Cor As sensações visuais têm um carácter qualitativo importante: a cor. As sensações cromáticas podem ser ordenadas por referência a três dimensões: tonalidade (matiz da cor), brilho (luminosidade da cor) e saturação (intensidade ou pureza da cor). As cores, como referido em [Gregory, 1968], podem ser misturadas subtractivamente (como quando se misturam pigmentos) ou aditivamente (como quando se estimula a mesma zona da retina com duas cores diferentes). Os resultados dos estudos sobre a mistura aditiva mostraram que cada tonalidade tem uma tonalidade complementar que, quando misturada com a primeira, dá origem à sensação de cinzento. Dois exemplos são o vermelho-verde e o azul-amarelo. Tratase de antagonistas cromáticos [Gleitman, 2004], o que pode ser demonstrado pelos fenómenos de imagem consecutiva negativa e contraste de cor simultâneo. O facto de se conseguir reproduzir qualquer cor misturando três outras cores está de acordo com a teoria de Young-Helmholtz sobre a visão cromática [Helmholtz, 2005]. Segundo esta teoria, as qualidades de cor são determinadas pela frequência de disparo relativo de três tipos de cones, cada um com uma curva de sensibilidade própria [Ramachandran, 2002]. O resultado da actividade desses três tipos de cones é recodificado em outros sistemas neurais, sendo esta recodificação descrita pela teoria do processo oponente de Hurvich e Jameson [Hurvich, 1957]. Esta teoria parte do princípio de que há três sistemas diferentes cada um correspondente a um par de experiências sensoriais antagónicas: vermelho-verde, azulamarelo e preto-branco. Os dois primeiros determinam a tonalidade e o terceiro o brilho percepcionado. Existem dados sobre registos de células isoladas em macacos rhesus e alguns 19

34 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação fenómenos de cegueira às cores que parecem corroborar a teoria do processo oponente [Gleitman, 2004]. 20

35 Capítulo III: Organização perceptiva

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37 Capítulo III: Organização perceptiva 3.1 Profundidade O mundo visual é percebido em três dimensões, embora só duas delas sejam dadas pela imagem que se forma no olho [Gleitman, 2004]. Tal facto despertou o interesse pelos indícios de profundidade. Um importante indício de profundidade advém do facto do Homem ser uma criatura binocular, ou seja, possui dois olhos. Assim, os olhos vêem o mundo a partir de posições um pouco diferentes, obtendo cada olho uma visão ligeiramente diferente do mundo. Esta diferença fornece informação importante sobre relações de profundidade no mundo, sendo designada por disparidade binocular [Gallagher, 2003]. A disparidade binocular é um forte determinante, provavelmente inato, da percepção da profundidade. Apesar disso, pode-se percepcionar profundidade mesmo mantendo um olho fechado. Isto prova claramente que existem indícios para a percepção da profundidade que têm origem na imagem obtida só com um dos olhos. Estes são os indícios monoculares de profundidade, também designados por indícios pictóricos [Gleitman, 2004], uma vez que têm vindo a ser explorados por artistas desde há muito, para criar uma sensação de profundidade a partir de uma superfície plana. Entre eles encontram-se: Interposição quando um objecto está sobreposto a outro, cobrindo-o parcialmente, o primeiro será percebido como mais próximo e o último como mais distante; Perspectiva linear regula a impressão de distância o grau de convergência entre figuras e o tamanho das mesmas; Tamanho relativo em igualdade de circunstâncias, a maior de duas figuras idênticas parece estar mais próxima do que a pequena; Gradientes de textura - uma textura uniforme é projectada na retina de uma forma tal que, quanto maior a distância, maior a densidade da textura na imagem. Todos estes indícios são determinantes fortes da profundidade percebida. Porém, ainda mais relevantes, são os movimentos da cabeça e do corpo. Estes produzem alguns fenómenos que fornecem informação vital acerca das distâncias entre os objectos e da distância a que estes se encontram. Um desses fenómenos é a paralaxe do movimento que é um padrão global do movimento no interior das imagens retinianas, sendo um indício de profundidade de grande eficácia [Helmholtz, 2005]. Com efeito, a direcção do movimento na retina depende do sítio para onde se olha: os objectos que estão mais próximos do sujeito, do que do alvo para onde este olha, parecem movimentar-se na direcção oposta à sua, enquanto os objectos mais distantes parecem movimentar-se na mesma direcção. Produz-se um indício de profundidade diferente, quando se aproxima ou se afasta dos objectos. Assim, à medida que se aproxima de um objecto, a sua imagem vai aumentando; mas, quando se afasta, ela torna-se mais pequena. Além disso, quando se dirige para um objecto, modifica-se o padrão de estimulação na totalidade do campo visual, do qual resulta um padrão de fluxo óptico, que fornece uma informação decisiva acerca da profundidade e desempenha um grande papel na coordenação dos movimentos e na manutenção do equilíbrio [Gibson, 1986]. 23

38 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação 3.2 Movimento O Homem, para além de saber o que um objecto é e onde se encontra, tem necessidade de perceber o que esse objecto está a fazer. Ou seja, precisa tanto da percepção dos acontecimentos como da dos objectos. Para isto, deve ser capaz de percepcionar o movimento. Certas células específicas da direcção presentes no córtex visual, células detectoras de movimento, respondem efectivamente ao movimento de uma imagem na retina, mas tal não é suficiente para explicar a percepção do movimento [Gleitman, 2004]. Isto pode-se comprovar pelo fenómeno de movimento aparente (Figura 3.1) que apoia o facto de que se consegue perceber movimento, mesmo quando não se verifica movimento da imagem através da retina [Wertheimer, 1938]. Em vez disso, tudo o que se necessita é de uma mudança de posição nos tempos certos: uma coisa está num determinado local, neste momento, e depois noutro, no seguinte. Se a sucessão temporal for a correcta, o sistema nervoso interpreta isto como sendo a evidência de que essa coisa se deslocou. Por outro lado, o sistema nervoso compensa as deslocações produzidas pelo movimento do olho. Quando o cérebro dá sinais aos músculos oculares para se movimentarem, calcula o desvio retiniano que esse movimento vai produzir, neutralizando a seguir esse valor ao interpretar a informação visual que recebe. A consequência disso é conseguir ver-se um ponto imóvel, parado no seu lugar, apesar dos movimentos dos olhos [Bridgeman, 1991]. Figura 3.1 O movimento aparente resulta quando se apresentam dois estímulos estacionários, um seguido do outro, e é percepcionado movimento entre eles. É este efeito que possibilita a televisão ou os desenhos animados (retirado de [Goldstein, 2007]). Figura 3.2 Movimento induzido: o movimento do rectângulo gera a percepção do movimento do ponto (adaptado de [Palmer, 1999]). 24

39 Capítulo III: Organização perceptiva Como já referido, o Homem não só detecta o movimento como também o interpreta [Gleitman, 2004]. Tal torna-se evidente com o fenómeno do movimento induzido (Figura 3.2), pelo qual é assumido que os objectos mais pequenos, contidos, estão em movimento, enquanto os maiores, que os contêm, são considerados como estando em repouso. 3.3 Forma Na visão, o processo fundamental para reconhecer um objecto passa pela sua forma. Um fenómeno importante na percepção da forma é a transposição da forma: uma forma percebida pode permanecer idêntica, mesmo que sejam alteradas todas as suas partes constituintes. Este fenómeno é a base fundamental do Gestaltismo, uma teoria que realça a importância do todo, criado a partir das relações entre as partes constituintes [Koffka, 1922]. No que concerne à percepção de formas, os atributos do contorno visual desempenham um papel essencial no seu reconhecimento. Com efeito, vários desses atributos são capturados por detectores de características quer na retina, quer no cérebro. Trata-se de células que respondem a determinados aspectos relacionais do estímulo, como bordos e cantos, o que é mostrado por experiências de registo de actividade de células isoladas [Gleitman, 2004]. A adaptação desses detectores de características pode explicar alguns fenómenos que ocorrem depois de exposição prolongada a certos tipos de estímulos, como o efeito secundário do movimento visual [Gleitman, 2004]. Este efeito é facilmente constatável quando se olha em primeiro lugar para uma faixa de linhas que descem continuamente durante algum tempo, e depois para uma linha horizontal estática. De facto, esta linha parecerá mover-se para cima ao olho humano. Para além disto, muitos investigadores actuais estão convencidos de que a percepção da forma se baseia em etapas de processamento da informação, as quais transformam a entrada visual inicial num produto final cognitivo, a percepção de objectos no mundo. Este processo começa com a detecção de sinais primitivos, os quais são identificados pelo facto de saltarem à vista [Treisman, 1986] na tarefa de procura visual (Figura 3.3). Na primeira etapa do processamento, estes traços existem isolados flutuando livremente, como o demonstram as conjunções ilusórias, onde o sujeito não consegue imaginar a relação entre os traços, embora os percepcione. Figura 3.3 O que salta à vista na percepção visual: A letra O situada no meio de um arranjo de letras V salta logo à vista. Neste caso, o sistema visual não precisa de procurar, uma a uma, todas as figuras para determinar se se trata do exemplar. Em vez disso, realiza uma procura paralela, inspeccionando todos os items simultaneamente (retirado de [Gleitman, 2004]). 25

40 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Porém, antes de poder reconhecer uma forma, o sujeito tem de empreender um processo de segregação visual e de análise perceptiva da cena visual. Com efeito, a integração e segregação de contornos, grupos e regiões não são suficientes para a percepção da forma, uma vez que algumas regiões são percepcionadas como sendo fundos transparentes [Goldstein, 2001]. Como os objectos estão fisicamente delimitados por contornos, o sistema visual precisa de extrair do estímulo informação que permita organizar as relações entre os objectos existentes na imagem. Isto requer a segregação da figura e do fundo, a qual não é inerente ao estímulo proximal mas imposta pelo sistema perceptivo, como o mostram as figuras reversíveis (Figura 3.4), onde existe mais do que uma maneira de analisar um estímulo [Gleitman, 2004]. Figura 3.4 Figura reversível: Vaso de Rubin (retirado de [Yantis, 2001]). Estabelecer quais regiões são figura e quais são fundo é um importante processo visual, porque as cenas visuais quotidianas contêm vários objectos que se sobrepõem e que se ocultam frequentemente [Vecera, 2002]. Assim, aquilo que se pode chamar de uma ordenação em profundidade deve ser considerado como um factor-chave na organização perceptiva [Ramachandran, 2002]. Uma vez feita a análise perceptiva, que separa a estimulação visual em figura e fundo, aplicam-se a estas duas zonas, tipos diferentes de processamento. Na figura, há maior sensibilidade ao detalhe fino, enquanto no fundo, a análise perceptiva parece recorrer a uma análise mais grosseira, apropriada à percepção de áreas mais vastas [Julesz, 1978]. A segregação posterior produz o agrupamento perceptivo, que se refere ao facto do observador ter a percepção de que alguns elementos no campo visual são agrupados preferencialmente de um determinado modo [Healy, 2003]. Alguns dos factores que determinam o agrupamento visual (Figura 3.5) foram descritos por Max Wertheimer, fundador do Gestaltismo. Wertheimer considerava esses factores como as leis da organização perceptiva [Wertheimer, 1938]. Um dos factores que identificou foi a proximidade: quanto mais próximas, quer espacialmente, quer temporalmente, estão duas figuras uma da outra, mais têm tendência a ser agrupadas conjuntamente na percepção, mesmo que não possuam grande similaridade entre si. Um outro factor é a semelhança: mantendo-se tudo o mais constante, tende-se a agrupar as figuras de acordo com a sua semelhança. A similaridade dá-se principalmente em termos de cor, forma e textura, não se sobrepondo normalmente à proximidade. 26

41 Capítulo III: Organização perceptiva Figura 3.5 Princípios clássicos de agrupamento: a) Inexistência de agrupamento, comparativamente a b) agrupamento por proximidade, c) semelhança de cor, d) semelhança de tamanho, e) semelhança de orientação, f) destino comum, g) simetria, h) paralelismo, i) continuidade, j) fechamento, e k) região comum (adaptado de [Healy, 2003]). O sistema visual também parece organizar os padrões de uma maneira que sugere uma preferência por contornos que continuam suavemente as linhas de origem. Este princípio manifesta-se nos contornos subjectivos contornos que se vê apesar de serem fisicamente inexistentes. Estes casos são interpretados como um caso especial do bom prolongamento, uma vez que se vê o contorno prolongando o seu percurso original que, se necessário, salta uma ou duas lacunas para conseguir o prolongamento [Kellman, 1991]. Todos estes fenómenos de análise perceptiva podem ser encarados como manifestações do princípio de probabilidade máxima [Gleitman, 2004; Goldstein, 2007]; ou seja, existe a tendência para interpretar um padrão de estímulo proximal como sendo aquele objectoestímulo exterior que muito provavelmente o provocou como, por exemplo, no caso da camuflagem. 3.4 Reconhecimento de padrões O reconhecimento de um padrão põe em jogo dois tipos de processos [Gleitman, 2004]. Um destes tipos é o processamento ascendente, a partir dos dados, que começa pelo estímulo e lhe dá forma, submetendo-o a uma análise de rede de traços que começa pelas unidades de nível inferior (linhas) para depois activar unidades de ordem superior (figuras geométricas). O outro é o processamento descendente, partir do conhecimento, que se baseia em perspectivas e hipóteses, como é demonstrado pelos efeitos de contexto perceptivos ou de prontidão (Figura 3.6). 27

42 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Figura 3.6 Efeito de contexto no reconhecimento de letras (retirado de [Selfridge, 1955]). Os processos descendentes conseguem activar detectores de nível inferior, de modo que estes respondem mesmo a estimulações fracas. Porém, os processos ascendentes e descendentes trabalham em sintonia, tendo como resultado um processo global que permite às unidades inferiores activar as de nível superior e vice-versa - activação bidireccional [Gleitman, 2004]. Para se explicar como se faz o reconhecimento dos objectos comuns tridimensionais, considera-se que no reconhecimento de um padrão está presente, também, um nível de análise intermédio, através do qual os traços se unem como partes do objecto. Uma das propostas é que estas partes sejam os geões ( iões geométricos ) *Biederman, 1987+; ou seja, figuras tridimensionais, como cilindros, cones e pirâmides, que se congregam para constituir uma descrição estrutural do objecto. No que concerne à sequência de processamento, os processos descendentes levantam hipóteses perceptivas que são, depois, testadas pelos processos ascendentes [Ramachandran, 2002]. Este resultado é, algumas vezes, descrito como resolução de problema perceptivo [Gleitman, 2004], em que as percepções do observador são guiadas, aparentemente, por alguns princípios lógicos, incluindo o princípio de que deve ser explicada toda a informação contida no estímulo, e que se devem evitar as interpretações baseadas no acaso e na coincidência. Este tipo de lógica perceptiva falha, por vezes, como acontece no caso das figuras impossíveis, ou seja, figuras bidimensionais que são instantânea e inconscientemente interpretadas pelo sistema visual que representa uma projecção de um objecto tridimensional, embora não seja realmente possível ele existir (Figura 3.7). Figura 3.7 Exemplo de figura impossível (adaptado de [Penrose, 1958]). 28

43 Capítulo III: Organização perceptiva 3.5 Processamento Visual Os processos neuronais que tornam possível a percepção contêm uma grande quantidade de subsistemas especializados. Assim, na retina existem dois tipos de células ganglionares sensíveis aos diferentes aspectos da estimulação visual [Gleitman, 2004]: as parvo células, que são sensíveis às diferenças de cor, sendo cruciais para a percepção do padrão e da forma, e as magno células, que são cegas à cor, mas possuem um papel essencial na detecção de movimento e na percepção de profundidade. Já no córtex visual, cada um dos diferentes tipos de células responde a aspectos específicos do estímulo: as células simples reagem fortemente a linhas ou arestas segundo orientações específicas; as células complexas também são sensíveis à orientação do estímulo, mas, contrariamente às células simples, são menos sensíveis à sua posição [Eysenck, 2005]. Para além destas, existem ainda outras células que respondem especificamente a características mais complexas como cantos e ângulos [Gleitman, 2004]. O processamento cerebral da informação visual começa no córtex occipital, sendo neste que se encontram as células simples e complexas [Gleitman, 2004]. Contudo, esta informação é depois transmitida a outras duas áreas cerebrais: o córtex temporal e o córtex parietal (Figura 3.8). A via que leva a informação ao córtex temporal é frequentemente designada por sistema o quê (what) e desempenha um papel importante na identificação dos objectos visuais. A outra via, a que leva informação ao córtex parietal, é muitas vezes designada por sistema onde (where) e informa onde está localizado um objecto [Milner, 1998]. Figura 3.8 Uma versão simplificada dos pathways envolvidos na visão, desde a retina até ao córtex (adaptado de [Eysenck, 2005]). O facto de a visão depender de múltiplos subsistemas especializados levanta o problema de descobrir como se integram os pedaços de informação separados para formar um todo perceptivo coerente. Este problema é designado por problema da interligação (binding) e continua a ser objecto de intensa investigação actualmente [Ramachandran, 2002]. 29

44 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação 3.6 Selecção Perceptiva Raramente o Homem é recipiente passivo da informação. De facto, o Homem vira a cabeça e os olhos para procurar um estímulo interessante, ao mesmo tempo que explora activamente o mundo com todos os seus sentidos. Estas diferentes formas de orientação servem para ajudar os mecanismos sensoriais e fornecem um dos processos mais directos de seleccionar a entrada da estimulação: ao mesmo tempo que se focam os estímulos que interessam, ignoram-se os restantes [Goldstein, 2007]. Assim, tem-se que toda a percepção se revela bastante selectiva [Eysenck, 2005]. Esta selecção é conseguida, em parte, pela orientação física, como no caso do movimento dos olhos, uma vez que a visão periférica apenas informa que algo se passa na parte superior esquerda do campo visual. Para saber do que realmente se trata, os olhos movem-se de modo a que essa região incida sobre a fóvea. Com efeito, o movimento na periferia visual tem tendência a desencadear um movimento ocular reflexo, tornando mais difícil não olhar para um objecto em movimento [Palmer, 1999]. Contudo, as pessoas não investigam o mundo na esperança de que a fóvea dispare com algum pormenor interessante ou com novidades visuais. O que fazem é recolher informação com interesse quer seja a partir daquilo que vagamente viram na periferia, quer seja a partir das noções gerais que têm acerca do significado do cenário actual [Biederman, 1973]. Só depois dirigem o olhar para inspeccionar o que viram e para ir mais além no enriquecimento do seu conhecimento visual. O controlo selectivo da percepção também faz apelo a processos centrais que determinam quais as entradas sensoriais a considerar e o que fazer com elas [Eysenck, 2005]. Entre os métodos que estudam a atenção estão incluídos o olhar selectivo, como foi demonstrado pelos procedimentos de procura visual (Figura 3.9), e a escuta selectiva, que se vê em acção na apresentação dicótica (recepção de mensagens diferentes em cada ouvido) ou no efeito de festa cocktail (transformação de muitas vozes em ruído de fundo, com excepção de uma), em que uma mensagem é espiada, enquanto outra é ignorada. Figura 3.9 Processamento em série na procura visual. Quando a tarefa consiste em procurar um alvo que é definido por uma conjunção de traços (a vermelho), a procura é feita em série. Cada item é inspeccionado por sua vez e aumenta o tempo de procura bem como o número de falsas alternativas (V vermelhos ou verdes, O verdes) (retirado de [Gleitman, 2004]). 30

45 Capítulo III: Organização perceptiva A função básica da organização perceptiva é a de ajudar o organismo a ver o mundo exterior tal como ele realmente é [Healy, 2003]. Uma ilustração disto está nas constâncias perceptivas, graças às quais o sujeito reage a certas características permanentes do objecto distal, apesar de diversos factores contextuais iluminação, distância e orientação que provocam enormes variações no estímulo proximal [Gleitman, 2004]. Na constância do tamanho e da forma, segundo [Gibson, 1950], o sujeito reage ao tamanho e forma real do objecto, com maior ou menor independência da sua distância e da sua orientação, fazendo, aparentemente, inferências inconscientes acerca do tamanho e da forma com base na distância ao longe e no ângulo de visão [Helmholtz, 2005]. Esta hipótese surgiu visto que as relações de tamanho invariante (Figura 3.10), e consequentes relações de ordem superior, são insuficientes para explicar todos os casos de constância de tamanho. Figura 3.10 Uma relação invariante que produz informação acerca do tamanho: Em (A) e (B) mostra-se um cão a distâncias diferentes do observador. O tamanho do cão na retina varia com a distância, mas a razão entre o tamanho retiniano deste e o tamanho retiniano dos elementos de textura (azulejos do chão) é constante (retirado de [Gleitman, 2004]). Na constância da luminosidade, porém, o sujeito baseia-se em informação de ordem superior, reagindo a uma propriedade de um objecto denominada reflectância, que determina a proporção da luz que incide nele, e ignorando ao mesmo tempo o nível de iluminação que incide sobre ele. Com efeito, a percepção da luminosidade depende, em grande medida, da razão entre a quantidade de luz reflectida pelo objecto e aquela que é reflectida pelo contexto que o rodeia. O sistema visual humano responde a esta relação, alcançando assim a constância da luminosidade [Wallach, 1948]. Este efeito é, provavelmente, produzido pelos mesmos processos, baseados na inibição lateral, que são responsáveis pelo contraste do brilho e fenómenos semelhantes [Gleitman, 2004]. Segundo aquilo que se compreende actualmente da percepção visual e atendendo ao que foi aqui descrito, tudo indica que os empiristas subestimaram o papel activo do sujeito na organização e interpretação da estimulação visual. A perspectiva inatista desta actividade era 31

46 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação mais adequada, embora subestimasse o papel dos mecanismos inatos. O sistema visual é de uma sofisticação impressionante logo à nascença, mas a experiência tem um papel decisivo na moldagem do seu funcionamento. Ao fim e ao cabo, parece que os mecanismos inatos moldam a aprendizagem e que a aprendizagem molda os mecanismos inatos [Gleitman, 2004]. 32

47 Capítulo IV: Visualização

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49 Capítulo IV: Visualização Nos dias de hoje, a quantidade de dados disponíveis aumenta constantemente sendo habitual chegar-se aos milhões de elementos de dados, possuindo cada elemento diversos atributos. Isto ocorre em muitos domínios do saber e faz com que as aplicações de métodos e sistemas tradicionais para a visualização e análise de dados se tornem insuficientes, complexos e ineficientes [Healey, 2000]. A área de visualização centra-se normalmente em representar dados em bruto na forma de imagens de forma adequada, fornecendo assim meios de analisar visualmente conjuntos de dados de elevada dimensão e complexidade, sendo uma importante mais-valia para a descoberta de novos relacionamentos e dependências entre os dados. Tal acontece porque as visualizações, devido às referidas representações visuais, fornecem um grande apoio cognitivo através de vários mecanismos que exploraram as potencialidades da percepção humana, bem como a rapidez do processamento visual. Porém, a forma como as pessoas percebem e reagem ao resultado da visualização influencia fortemente o seu entendimento dos dados e a sua utilidade. Assim, os factores humanos contribuem significativamente no processo de visualização e devem desempenhar um papel importante no projecto e na construção de uma ferramenta adequada de visualização. Por outro lado, com esta contribuição a análise dos dados torna-se mais rápida e exploratória, permitindo inclusivamente novas inferências e descobertas quando os resultados exibidos se estabeleceram usando técnicas de visualização baseadas em regras perceptivas já anteriormente mencionadas, sobretudo as que exploram todo o potencial do sistema visual humano [Alexandre, 2007]. Actualmente, várias iniciativas de investigação começaram já a explorar a influência dos factores humanos na visualização, particularmente em projectos com base na percepção humana e interacção homem-computador. Contudo, a maioria dos trabalhos na área de visualização que envolvam factores humanos de forma bem vincada encontram-se ainda em fase de aperfeiçoamento, existindo um grande potencial de desenvolvimento nesta temática. 4.1 Definição de visualização Para se perceber melhor todo o processo de visualização de dados é importante compreender os conceitos que este encerra. Assim, por processo de visualização, ou somente visualização, entende-se o acto ou efeito de visualizar; conversão de conceitos em imagens ou formas visíveis; formação da imagem mental de um conceito abstracto ou, no âmbito da computação, como tudo o que o ecrã de um computador nos mostra: textos, desenhos, gráficos [Infopédia]. Por sua vez, o termo inglês to visualize é definido no Oxford English Dictionary da seguinte forma: to form a mental vision or image; to make visible to the mind or imagination (something abstract or not visible or present to the eye), ou seja, formar uma visão ou imagem mental; tornar visível à mente ou imaginação (algo abstracto ou não visível ou presente ao olho) [Oxford]. Num contexto mais geral, o termo visualização significa construir uma imagem visual na mente, sendo isto mais do que uma representação gráfica de dados ou conceitos. Assim, uma visualização, para além de ser uma construção interna da mente, pode funcionar como uma ferramenta cognitiva, tornando-se um artifício externo de apoio ao processo de tomada de decisão e construção de conhecimento, que utilize e maximize as capacidades perceptivas e 35

50 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação cognitivas do ser humano. Isto vem ao encontro ao referido por Stuart Card em [Card, 1999] que define, de forma mais específica, a visualização como sendo o uso de representações visuais de dados abstractos, suportadas por computador e interactivas, para ampliar a cognição. Mais do que uma mera observação de dados, a visualização contribui de maneira mais significativa no processo de análise destes. Assim, organizando os dados de forma criteriosa, com o objectivo final da sua visualização, consegue-se adquirir maior informação e possibilitar a construção de novos conhecimentos. De facto, de há uns anos a esta parte, as ferramentas computacionais de visualização têm dado cada vez mais apoio no processo de análise eficiente dos dados considerados. De forma sucinta, estas ferramentas podem prestar apoio em três actividades essenciais [Alexandre, 2007]: Análise exploratória Utilizada quando o utilizador pretende descobrir novos conhecimentos presentes nos dados de forma analítica, procurando, através de um processo visual analítico, indicações sobre tendências particulares e relações que podem conduzir a uma hipótese sobre as mesmas; Análise confirmatória Utilizada para aceitar ou rejeitar a hipótese do utilizador, através de exploração visual; Apresentação Utilizada para representações gráficas e exibição do relacionamento, organização, comportamento e outras características relativas aos dados. 4.2 Evolução histórica A visualização de dados, conceitos ou informação não é algo que tenha surgido na sociedade moderna. Com efeito, as primeiras formas de visualização surgiram na pré-história e a sua evolução tem sido contínua desde então. Começou-se pelos mapas territoriais, seguindo-se os diagramas geométricos, tabelas de posicionamento de estrelas e corpos celestes e mapas que auxiliariam na navegação e exploração do mundo. No século XVI, as técnicas e instrumentos de precisão, para observação e medição de quantidade físicas, tiveram um grande avanço; tanto que podem ser observadas as primeiras tentativas para a representação de funções matemáticas [Alexandre, 2007]. Um exemplo disto é apresentado na Figura 4.1. Figura 4.1 Gráfico de Langren (1644) que permite obter a distância, em longitude, de Toledo a Roma. A distância correcta é (retirado de *Friendly, 2004+). A elaboração de uma visão geral e precisa sobre os desenvolvimentos mais recentes na visualização de dados não é uma tarefa fácil, uma vez que os acontecimentos são muito 36

51 Capítulo IV: Visualização variados e ocorrem em ritmo muito acelerado e numa ampla variedade de disciplinas. Porém, pode-se ressalvar que, na actualidade, os acontecimentos mais significativos em termos de visualização dependeram directa e indirectamente de alguns avanços teóricos e tecnológicos, nomeadamente da extensão dos modelos estatísticos clássicos a domínios mais vastos e do desenvolvimento computacional, o que conduziu a um crescimento explosivo em novos métodos e técnicas de visualização de informação [Friendly, 2004]. 4.3 Processo de visualização de dados Ao longo do processo evolutivo da visualização percebe-se que em muitos momentos, além das preocupações com o rigor e com a precisão dos dados, a forma estética teve sempre uma especial atenção. De facto, embora por vezes se considere a visualização como uma área de estudo autónoma, esta tem recebido importantes contribuições de outras disciplinas, como ciências da computação, psicologia, semiótica, design gráfico, cartografia, artes, entre outras. Porém, apesar de a visualização ser importante em vários domínios do saber, deve ter-se em conta que existe sempre um objectivo comum de referência: o uso da metáfora visual para a representação da estrutura e dos relacionamentos entre os dados [Vande, 2005]. Nesta perspectiva, a tendência actual é que a visualização deve ser enriquecida com princípios de outras áreas relevantes, a fim de desenvolver representações de dados que reforcem a experiência perceptiva e cognitiva, em vez de se focarem unicamente na eficácia métrica. O grande potencial para o futuro próximo está especialmente em ambientes imersivos, onde as informações serão literalmente percepcionadas através da activação de todos os sentidos. Noutro âmbito, o processo de visualização de dados pode ser considerado interpretativo, já que a partir de um determinado conjunto de dados originais, deve ser gerado uma interpretação visual destes. Assim, para a análise de informações relevantes relativas aos mesmos, devem ser usados modelos gráficos e representações visuais de dados, que suportem a interacção directa do utilizador com as representações originadas. É aqui que entram as teorias da visualização de dados, visando analisar e explicar a relação entre os dados e as suas visualizações efectivas [Alexandre, 2007]. Em geral, pode-se distinguir as condições de visualização de dados de forma eficaz em condições necessárias e suficientes. Esta distinção está intimamente relacionada com a distinção bem conhecida entre a expressividade e eficácia. Porém, existem duas razões para não usar esta distinção. Em primeiro lugar, o critério de expressividade é definido em relação a uma linguagem gráfica que este projecto pretende ver algo abstraída. De facto, esta linguagem não pode nem deve ter um papel limitador na investigação. Em segundo lugar, o critério de expressividade é considerado satisfeito se e somente se os dados estão representados na estrutura visual e o critério de eficácia é reivindicado como cumprido se o mecanismo do sistema visual humano é tido em consideração. Contudo, o critério de expressividade só faz sentido se as estruturas visuais forem perceptíveis. Isto implica pois que ambos os critérios dependem do sistema visual humano e que a distinção entre expressividade e eficácia não é uma distinção entre condições dependentes ou não de funções perceptivas. De forma a simplificar o processo de mapeamento e representação visual tendo por base princípios de percepção visual, existem soluções que procuram considerar fundamentos da teoria de informação, de estatística, de data mining e de machine learning [Stolte, 2003; 37

52 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Synnestvedt, 2005]. Do mesmo modo, a arte e o design também vêm acrescentando algumas contribuições positivas a esta questão apesar do problema que ainda existe de "combinar áreas heterogéneas com o objectivo de gerar soluções genéricas e satisfatórias" [Alexandre, 2007]. Por outro lado, considerando a visualização como um processo cognitivo, os sentidos da percepção humana têm um papel importante na área de Visualização Científica e podem melhorar em muito a quantidade e qualidade da informação apresentada através de imagens geradas por computador. A tendência será assim a inclusão de outros sentidos de forma a complementar a análise de dados como o sistema auditivo e o processo de sonificação [Simão, 2007]. De facto, espera-se que esta inclusão possa vir a "ajudar no mapeamento de dados associados a padrões de difícil percepção visual, nomeadamente grandes séries de dados e de multidimensionalidade elevada" [Alexandre, 2007]. Nesta fase, é importante ressalvar que tradicionalmente a visualização é dividida em duas áreas: a visualização de informação e a visualização científica. A visualização de informação envolve dados abstractos que são caracterizados pela falta da noção natural de posição no espaço [Vande, 2005]; por exemplo, dados resultantes de aferições, análise de textos, dados financeiros, entre outros. Deste modo, a visualização de informação difere claramente da visualização científica pois esta envolve dados de natureza física, que carregam intrinsecamente a componente de posicionamento espacial e que permitem a simulação por reprodução gráfica; por exemplo, dados geo-espaciais, imagens médicas, estruturas químicas, entre outros. Um dos principais desafios da visualização científica centra-se na escolha de uma representação gráfica adequada para os dados e que considere de forma apropriada os princípios da percepção humana. Com efeito, tal não é uma tarefa simples principalmente quando se considera a visualização de dados abstractos. Esta dificuldade em implementar sistemas computacionais para representar dados com base nos princípios da percepção humana, tem levado alguns autores a defenderem que isto nunca será totalmente conseguido *Chen, 2005+, pois existe um grande número de atributos associados aos dados que pretendem valer-se da aplicação concorrente dos princípios da percepção, dificultando assim as representações visuais mais adequadas *Alexandre, Visualização de dados e Percepção Como já referido, os sentidos são a base da percepção humana. Assim, o sistema sensorial humano é constantemente estimulado por um fluxo de acontecimentos que nos envolvem. O resultado é uma excitação neural denominada por sensação. Este fluxo contínuo de sensações desencadeia o que chamamos de percepção. A visualização da informação explora principalmente o sentido humano que possui maior aptidão para captação de informação temporal e já amplamente descrito: a visão. Porém, considerando a visualização como sendo um processo mental, outros factores da percepção humana podem também ser usados de forma a contribuir na visualização, auxiliando os processos cognitivos humanos na recuperação da informação contida nas imagens criadas a partir dos respectivos dados; e muitas vezes ainda na construção e obtenção de novos conhecimentos que não seriam tão facilmente inferidos se esses dados estivessem na sua forma original (dados em bruto) [Alexandre, 2007]. Assim, todos os sentidos da 38

53 Capítulo IV: Visualização percepção humana desempenham um papel importante na área de visualização e podem e devem melhorar significativamente tanto a qualidade como a quantidade da informação que é apresentada através de imagens [Ware, 2004]. A visualização, para além de condensar os dados, permite gerar novas informações com maior facilidade, mesmo com dados relativamente elementares. De facto, a simples representação de uma tabela de gastos mensais num determinado período, por exemplo, permite que surjam algumas questões relativas a períodos onde ocorreram mais gastos ou a tendências de controlo de despesa. Para responder a estas questões com base apenas numa tabela, existe uma certa dificuldade, mas com gráficos circulares ou de linhas, pode resolver-se este problema de forma simples, para além da possibilidade de se realizarem novas inferências sobre os dados. Por aqui se vê que a visualização de dados, nas suas diversas formas, pode também ser marcada por uma complementaridade de informação que serve suporte ao processo de tomada de decisão. Alguns trabalhos, como os descritos em [Kosara, 2001], [Healey, 2006] e [House, 2006], permitem constatar que a implementação dos conhecimentos acerca da percepção humana na elaboração dos sistemas de visualização, tende a melhorar consideravelmente os resultados obtidos através das imagens obtidas. Por exemplo, profundidade de foco traduz uma determinada distância em que os objectos aparecem realçados para uma posição particular da lente do olho. Por seu lado, os objectos fora deste alcance aparecerão desfocados [Kosara, 2001]. Assim, o efeito de focar pode ser usado para salientar informações e ofuscar as menos relevantes numa análise. Este efeito pode ser implementado para focar objectos que não possuem profundidades necessariamente semelhantes, mas características semelhantes e pertinentes para uma dada análise [Alexandre, 2007]. 4.5 Modelos da Percepção Visual Humana Colin Ware, em [Ware, 2004], faz questão de realçar a aptidão do sistema visual humano para compreender padrões, e por extensão, dados: Por que devemos estar tão interessados na visualização? Porque o sistema visual humano é um investigador de padrões com enorme poder e acuidade. O olho e o córtex visual do cérebro formam um poderoso centro de processamento paralelo que fornece um canal de banda larga para os processos cognitivos humanos. Nos níveis mais altos de processamento, percepção e cognição estão proximamente relacionadas, e é por isso que as palavras perceber e ver são sinónimas. Algumas das vantagens da visualização usualmente aceites são [Ware, 2004]: A visualização possibilita a capacidade de compreender grandes volumes de dados, ficando as informações importantes disponíveis imediatamente; A visualização permite a percepção de características que não são antecipadas apenas com os dados originais. Sendo que frequentemente a percepção de um padrão pode ser a base para uma nova visão sobre a temática; A visualização permite que problemas relativos aos dados tornem-se imediatamente aparentes. Com uma visualização apropriada os erros ou anomalias presentes nos dados são rapidamente identificados. Para esta razão, visualizações podem ter um valor inestimável por exemplo em controlo de qualidade; 39

54 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação A visualização facilita a compreensão de características dos dados quer em grande, quer em pequena escala. Isto pode ser especialmente útil ao permitir a percepção de padrões; A visualização facilita a formulação de hipóteses. Um modelo simplificado do sistema de processamento de informação através da percepção visual é frequentemente útil como ponto de partida para análises mais detalhadas. Já uma visão geral da estrutura que engloba estes subsistemas é de extrema valia para a compreensão de todos os processos envolvidos. Em [Ware, 2004] o referido sistema é dividido em três fases: Processamento paralelo para extrair propriedades de baixo nível da cena visual em causa; Percepção de padrões na imagem formada; Processamento sequencial dirigido Processamento paralelo A informação visual é a primeira a ser processada por biliões de neurónios que trabalham em paralelo para extraírem características de cada porção da imagem adquirida da cena visual em causa; sendo que determinados neurónios são dedicados a extrair certas informações como: orientação dos contornos, cor, textura e padrões de movimento. É nesta fase que é determinado a que se deve dar atenção. Assim, nesta fase as informações são essencialmente de natureza transitória [Ware, 2004]. Durante alguns anos, a forma como o sistema visual humano analisa imagens foi tema de investigações. Um dos resultados iniciais mais importantes foi a descoberta de um conjunto de propriedades visuais que são detectadas de forma muito rápida e precisa pelo sistema visual de baixo nível. Esta propriedade foi inicialmente designada por preattentive, e é o momento anterior à nossa atenção estar focalizada. Em visualização o termo preattentive continua a ser usado e traduz a noção da velocidade e da facilidade com que certas propriedades são identificadas pelos humanos nas representações visuais. A lista de características que se processam de forma preattentive pode ser dividida em quatro categorias básicas: cor, forma, movimento e localização espacial; sendo que dentro de um determinado espaço de visualização, qualquer modificação das características preattentive de um objecto em relação aos demais, poderá vir a tornar-se foco de atenção [Healey, 1999] Percepção de Padrões Na segunda etapa, processos activos dividem rapidamente o campo visual em regiões e padrões simples, tais como contornos contínuos, regiões da mesma cor e regiões da mesma textura. Os padrões de movimento são também extremamente importantes, embora na visualização o uso de movimento como informação é relativamente descurado. A etapa de determinação de padrões no processamento visual é extremamente flexível e influenciada pelas informações disponibilizadas pela primeira etapa de processamento paralelo. Nesta segunda etapa o processando é mais lento e envolve: memória a longo prazo, com maior ênfase a aspectos proeminentes, mecanismo de atenção tanto top-down quanto 40

55 Capítulo IV: Visualização bottom-up e movimentos visualmente guiados, através de diferentes caminhos, para reconhecimento de objectos [Ware, 2004] Processamento Sequencial Dirigido Num nível mais elevado da percepção estão as imagens presentes na memória visual através da procura da atenção activa, e será esta memória que ajudará a responder a pesquisas visuais. Quando da visualização externa, o ser humano constrói uma sequência de pesquisas visuais que são respondidas por estratégias visuais de procura. Neste nível, o que está retido na memória por um determinado período de tempo permitirá a construção de padrões, através dos já disponíveis, e respostas a pesquisas visuais. Por exemplo, ao se usar um mapa de estrada para procurar uma determinada rota, a pesquisa visual desencadeará uma procura para ligar contornos vermelhos (que habitualmente representa vias importantes) entre dois símbolos visuais (representando as cidades pretendidas) [Ware, 2004]. Esta etapa serve também de interface com outros processos de identificação perceptivos e com outros sistemas de acção que controlam, por exemplo, o movimento muscular; sendo esta fase também essencial, por exemplo, para que nos seja possível a leitura e a escrita. 4.6 Modelo de referência para visualização de dados Um modelo de referência de visualização visa permitir a identificação dos componentes essenciais a serem considerados na utilização de uma determinada técnica ou no desenvolvimento de uma nova. Haber e McNabb, em [Haber, 1990], propuseram um esquema simples (Figura 4.2), onde dados são filtrados e mapeados para uma representação geométrica, a qual, finalmente, passa por um processo de geração de imagem (rendering). Outros autores propuseram modelos alternativos, mais detalhados onde está explicitamente representado o estado dos dados. O modelo de Chi e Riedl [Chi, 1998], por exemplo, separa a estruturação dos dados, obtida através de uma transformação, da representação a ser utilizada para a geração da imagem [Freitas, 2001]. Figura 4.2 Modelo clássico de visualização de Haber e McNabb (retirado de [Freitas, 2001]). Stuart Card em [Card, 1999], descreve visualização como uma sequência de mapeamentos ajustáveis" de dados para uma representação visual de modo a possibilitar interacção do utilizador com o espaço de informação, materializando o que foi denominado por cristalização do conhecimento. Assim, segundo o modelo de referência para visualização apresentado por Card, no processo de visualização destacam-se três fases essenciais: preparação dos dados (ou pré-processamento); mapeamento; transformação visual (rendering). 41

56 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Na fase de preparação, ocorre a entrada de dados em bruto que, após algumas operações de formatação e/ou normalização, devem estar na sua saída organizados numa representação estruturada e coerente como, por exemplo, tabelas. Além da transformação inicial dos dados em bruto em descrições relacionais, podem ser aplicadas novas transformações, quer para agregar novos dados ao conjunto inicial, como calcular grandezas estatísticas, quer para converter os dados originais para outros tipos ou reorganizar o conjunto de dados, classificando-o, por exemplo. Na fase de mapeamento, existe a associação entre os dados e suas representações gráficas. Assim, um sistema visual que suporte os dados já formatados é usado na fase de rendering, concebendo uma imagem de visualização dos dados abrangidos. Desta forma, pode-se afirmar que o mapeamento é tido como essencial na Visualização Científica. De facto, nesta fase devem-se indicar quais os requisitos em relação à percepção visual que deverão ser observados, e ainda quais os que poderão ser intensificados de forma propositada [Alexandre, 2007]. O objectivo é pois facilitar a compreensão dos dados ou revelar novas informações acerca destes. A última fase, ou seja, a escolha de uma representação gráfica ajustada aos dados e que considere adequadamente os princípios da percepção humana, não é uma tarefa simples, e consiste ainda hoje num dos principais desafios da Visualização Científica. Isto nota-se de sobremaneira, na visualização de dados abstractos, que são caracterizados pela falta da noção natural de posicionamento espacial [Vande, 2005]. Esta dificuldade em implementar computacionalmente uma representação dos dados baseada nos princípios da percepção humana, leva alguns investigadores, como Chen em [Chen, 2005], a concluir que isto pode nunca ser totalmente conseguido, uma vez que existe um grande número de atributos associados aos dados que pretendem valer-se da aplicação concorrente dos princípios da percepção, dificultando assim representações visuais mais eficientes. 4.7 Técnicas de Visualização Nesta secção são descritas de forma sucinta algumas técnicas de visualização que representaram avanços significativos nesta temática, bem como as mais recentes que demonstram toda a expansão que esta área de conhecimento tem exibido Visualização de atributos De uma maneira geral, os atributos e características de um determinado objecto são apresentados em gráficos e/ou mapas dos mais diversos tipos, desde os tradicionais gráficos de pontos ou linhas com cores, a conjuntos de ícones, ou glifos, dispostos de acordo com o domínio espacial. Os ícones em geral são utilizados para identificar uma entidade ou elemento amostrado num contexto, representando na maioria das vezes a característica principal dessa entidade ou amostra. Já a denominação glifo é utilizada para denominar um objecto geométrico que, representando uma entidade ou elemento de amostragem, tem a forma e outros atributos visuais determinados pelos valores dos atributos dessa mesma entidade [Freitas, 2001]. Um exemplo recente da utilização de glifos [Chuah, 1998] utiliza um esquema que representa valores associados a variáveis medidas no ciclo de vida de um sistema computacional (Figura 4.3). 42

57 Capítulo IV: Visualização Figura 4.3 Glifo utilizado para a visualização da variação de medidas relacionadas com o desenvolvimento de um sistema computacional (retirado de [Chuah, 1998]). Na Figura 4.3, o ícone corresponde às linhas irregulares dispostas circularmente que são, na realidade, um gráfico de linhas mostrando a variação de determinados valores ao longo do tempo (indicado pelas setas). Exemplos de tais valores são o número de linhas de código do sistema, o número de linhas removidas ou o número de erros detectados. Assim, sistemas estáveis têm as linhas mais horizontais do que sistemas que sofrem contínuas alterações [Freitas, 2001] Visualização de estruturas e relações Os conjuntos de dados ou elementos que possuem uma organização do tipo hierárquico, como directórios de arquivos, ou que apresentam variadas relações como documentos num site, são muito utilizados na demonstração de técnicas de visualização [Freitas, 2001; Mackinlay, 1991]. Da revisão da literatura percebe-se também que muitos dos conceitos utilizados hoje em dia surgiram de técnicas que, na realidade, visavam apresentar documentos estruturados, isto é, arquivos sequenciais mas com organização hierárquica, como a Fisheye View modelo criado por Furnas em [Furnas, 1999], e a Bifocal Display, de Spence e Apperley descrita em [Spence, 1982]. Na técnica Bifocal Display [Spence, 1982], os itens de informação (documentos, figuras e gráficos) são apresentados em três áreas distintas, sendo a central destinada à informação em destaque, e as outras informações mais genéricas apresentadas nas zonas laterais da região em foco. A parte central ocupa assim uma área maior que as laterais, que são preenchidas pela informação contextual sendo esta exibida de forma algo distorcida [Freitas, 2001]. Esta distorção é efectuada geralmente no eixo das abcissas, podendo contudo também ser aplicada no eixo das ordenadas (Figura 4.4a). O mesmo conceito foi utilizado de forma alterada por Mackinlay [Mackinlay, 1991] na Perspective Wall (Figura 4.4b), onde o espaço de informação é mapeado para uma "parede", contendo as laterais a informação contextual. (a) (b) Figura 4.4 Representação visual na técnica: (a) Bifocal Display; (b) Perspective Wall (retirado de [Freitas, 2001]). 43

58 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Noutro âmbito, a técnica Cone Tree [Robertson, 1991] utiliza uma representação tridimensional de informações hierárquicas na qual o elemento raiz de uma árvore, representado por um rectângulo, é localizado no vértice de um cone transparente, estando todos os seus filhos dispostos na base circular do cone (Figura 4.5). Os cones apresentam a mesma altura para cada nível da árvore mas os seus diâmetros são reduzidos de um nível para outro, de modo a que toda a estrutura seja visível na área disponível do ecrã. O objectivo desta técnica é pois apresentar uma estrutura na qual uma hierarquia inteira ou uma grande parte desta seja visível sem necessidade de scrolling, permitindo contudo a supressão ou exibição de alguns elementos diferentes durante a navegação. Alguns recursos computacionais como a rotação, a animação e o zoom permitem um acesso rápido às informações, com uma boa orientação para visualização [Freitas, 2001]. Figura 4.5 Esquema básico da técnica Cone Tree (retirado de [Freitas, 2001]). Uma abordagem diferente, conhecida como space-filling [Freitas, 2001], usa o espaço do ecrã para representar a informação, ao invés de utilizar objectos geométricos. Esta abordagem foi adoptada por Johnson e Shneiderman aquando do desenvolvimento da técnica Tree-Maps [Johnson, 1991]. Nesta técnica (Figura 4.6), uma estrutura hierárquica, como a árvore de directórios um sistema, é representada pela subdivisão sucessiva do espaço do ecrã. Deste modo, cada subespaço representa um directório e é subdividido em função dos subdirectórios e arquivos que o constituem. Figura 4.6 Esquema da técnica Tree-Maps (retirado de [Johnson, 1991]). A técnica Information Slices [Andrews, 1998], originada a partir da abordagem referida acima, utiliza um ou mais discos semicirculares (Figura 4.7) para visualizar hierarquias com vários níveis em duas dimensões de forma compacta [Andrews, 1998]. Assim, cada disco representa 44

59 Capítulo IV: Visualização uma hierarquia com múltiplos níveis (geralmente em cada disco são visualizados entre 5 e 10 níveis). Em cada nível da hierarquia, os filhos são dispostos no espaço de acordo com o seu tamanho. Assim, grandes hierarquias são representadas usando uma série de discos em cascata. Nesta técnica, uma fatia do disco semicircular é expandida para uma área à direita da primeira, também como um semicírculo. Para exibir mais do que dois níveis de uma hierarquia, os de ordem superior são representados por ícones [Freitas, 2001]. Na interface do sistema Sunburst [Stasko, 2000], Stasko e Zhang usam discos completos, seguindo contudo o mesmo conceito da técnica Informaton Slices. Figura 4.7 Information Slices (retirado de [Andrews, 1998]). O conjunto de técnicas para a representação de grafos e árvores através de diagramas de nodos (pontos de inter-conexão com uma estrutura ou rede) e arestas mereceu uma atenção cuidada por parte Herman em [Herman, 2000]. Aqui destaca-se uma das técnicas que significou na altura um avanço considerável em termos de apresentação e navegação, a técnica Hyperbolic Tree [Lamping, 1996] (Figura 4.8). Esta técnica representa hierarquias através de um layout radial disposto num plano hiperbólico e depois mapeado num disco de duas dimensões. Para além disto, esta técnica apresenta aspectos de construção como o efeito fisheye [Furnas, 1999] aliados a um mecanismo simples de navegação através da indicação de um nodo de interesse, que é exibido no centro da representação, em detalhe, sendo a área de contexto mantido pela exibição do restante do diagrama com nodos que vão diminuindo de tamanho até serem omissos na borda do círculo [Freitas, 2001]. Uma extensão para 3D desta técnica foi apresentada em [Munzner, 1997]. (a) (b) Figura 4.8 Representação utilizada no browser hiperbólico (retirado de [Lamping, 1996]): (a) árvore com nodo seleccionado; (b) deslocamento do nodo seleccionado para a esquerda. 45

60 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Algumas características da abordagem hiperbólica e da space-filling foram utilizadas numa técnica proposta mais recentemente [Cava, 2001]. Nesta técnica uma hierarquia é exibida através de um diagrama composto por duas áreas conexas: uma área de contexto e uma área de detalhe (Figura 4.9). Inicialmente, a raiz da hierarquia está em destaque na área de detalhe, não havendo qualquer diagrama na área de contexto. Porém, quando um nodo é seleccionado, este passa a ser o destaque na área de detalhe e o seu nodo pai passa a ser o destaque na área de contexto. Estes destaques ou focos definem áreas circulares e são separados por uma distância calculada de forma arbitrária. Desta forma, é permitido ao utilizador uma visão detalhada da subárvore que contém o nodo de interesse sem que a percepção da hierarquia completa seja perdida. O efeito fisheye é obtido através do cálculo do tamanho dos nodos e da distância do centro do nodo aos focos. Para além disto, nodos mais distantes dos focos são menos detalhados que os mais próximos, sendo os nodos representados por rectângulos dispostos de forma radial com os focos nos centros das estruturas. Diversas operações como expansão, pruning (poda) e selecção são disponibilizadas por esta técnica, sendo realizadas mantendo a subárvore sempre visível, o que reduz a sensação de alguma perda de contexto [Freitas, 2001]. Figura 4.9 Técnica para informações hierárquicas com dois focos (retirado de [Cava, 2001]). 46

61 Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados

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63 Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados A apresentação dos dados pode ser esteticamente apelativa, elegante e descritiva. De facto, existe uma grande variedade de formas convencionais para visualizar dados: tabelas, histogramas e gráficos são usados todos os dias, em cada projecto e em todas as ocasiões possíveis. No entanto, para se transmitir uma mensagem de forma eficaz, é muitas vezes necessário mais do que apenas um simples gráfico de resultados. Na verdade, há formas de visualizar os dados muito mais profundas, criativas e até mesmo fascinantes, podendo estas tornarem-se omnipresentes nos próximos anos. Porém, não se trata apenas de apresentar os dados numa apresentação ou de forma colorida. Com efeito, a visualização de dados também ajuda a encontrar e entender a informação de forma mais rápida. Com a crescente aplicação de painéis electrónicos, precisa-se de aprender a criar representações visuais de dados eficazes para retirar o máximo de proveito desta tecnologia. Quando se lida com grandes volumes de dados, tentar obter informação relevante destes pode ser um desafio de não muito simples resolução. Tentar encontrar conteúdos relacionados também pode ser difícil, dependendo de quais dados se estão à procura. Mas a adequada visualização de dados pode tornar tais objectivos mais fáceis, permitindo ver os conceitos sobre os quais se está a aprender, de maneira mais útil e interessante. De seguida, são referidas algumas das abordagens para a visualização de dados que têm merecido destaque [Chapman, 2009; Friedman, 2007]. 5.1 Música, Filmes e outros media 1. Narratives Este sistema visualiza música, sendo esta segmentada em vários canais. Os canais são exibidos de forma ampla e as linhas movem-se desde o centro, variando com o tempo. O ângulo da linha muda de acordo com a frequência do canal; quando a frequência atinge um nível elevado, o canal é destacado pela cor laranja. Esta visualização não retorna necessariamente informação exacta, mesmo que o arranjo e a uniformidade da música possam ser percebidos. O objectivo é assim criar uma visualização esteticamente agradável que represente informação musical de forma artística. O código-fonte deste projecto encontra-se disponível, tendo sido desenvolvido em Processing. URL: 49

64 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação 2. Liveplasma Aplicação de visualização de músicas e filmes que visa ajudar o utilizador a descobrir outros músicos ou filmes de acordo com os seus gostos. Após ser inserido o nome de uma banda, artista, filme, realizador ou actor, o Liveplasma exibe pessoas, bandas ou filmes, relacionados com a pesquisa inicial, num novo mapa visual. A parte mais desenvolvida deste projecto incide sobre a música, onde os dados são exibidos sob a forma de um rede planetária, cujo tamanho do planeta depende da popularidade da banda dentro de um determinado género musical. Quanto mais perto uma banda estiver do termo de pesquisa inicial, maior grau de semelhança existe entre eles, sendo as cores e as ligações cruciais para se melhor identificar grupos de artistas. Mediante registo o utilizador pode ainda criar mapas pessoais favoritos e partilhá-los com os seus amigos. Este sistema já se encontra em fase de comercialização (existindo ligações ao Amazon para se comprarem discos, por exemplo), embora a secção de filmes ainda necessite de algum trabalho. URL: 3. Tuneglue É mais um serviço de visualização musical com os dados a serem fornecidos pelo Last.fm e Amazon. Inserindo um qualquer artista ou banda na caixa de pesquisa, aparecerá um círculo representando a banda. Pode-se então expandir a partir daí, clicando-se numa qualquer nova adição a cada expansão para se expandir ainda mais. Porém, à medida que se expandem as ligações a informação torna-se bastante difícil de interpretar, sendo factores como a cor, tamanho dos círculos e o estilo e forma de ligações algo desprezados. Por fim, clicando-se em releases pode-se encomendar os álbuns da banda no Amazon. Sistema em fase de comercialização, com código-fonte indisponível. URL: 50

65 Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados 4. MusicMap Sistema semelhante ao Tuneglue na sua interface, parecendo contudo um pouco mais intuitivo. Temporariamente indisponível. URL: 5. Last.Forward Ferramenta open-source para visualização da rede social de qualquer utilizador do Last.fm, incluindo relações entre outros utilizadores. Inclui vários filtros de pesquisa e possibilidade de obtenção de dados estatísticos interessantes acerca do utilizador. Desenvolvido em Java e disponível para download. URL: 6. Fidg t - Aplicação que usa as tags do Flickr e Last.fm para que se possa visualizar uma rede e actividades de tagging (por exemplo, música ou fotos com a mesma tag). Um utilizador pode ainda descobrir qual a sua predisposição para uma rede com diferentes tags e tipos de conteúdo. Por fim, pode-se pesquisar, através da rede, por determinados utilizadores, verificando as suas fotos e músicas mais recentes. Disponível para download, embora o código-fonte não seja disponibilizado. 51

66 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação URL: 7. Amaztype & Flickrtime O Amaztype é um sistema de pesquisa tipográfica de livros, música e filmes que recolhe informação da Amazon, apresentando-a em forma da palavra-chave fornecida. Para obter mais informações sobre um determinado item, basta clicar sobre ele. Uma ideia semelhante é usada pelo Flickrtime. Neste sistema é utilizada a API do Flickr para se apresentar as imagens enviadas em tempo real. Por sua vez, estas imagens formam o relógio que mostra o tempo actual. A criatividade e originalidade são assim os factores decisivos para o sucesso destas ferramentas, que à primeira vista não demonstram grande utilidade prática. Ambas são desenvolvidas em Flash, estando em fase de comercialização. Código-fonte indisponível. URL: & 8. Musiclens Sistema que gera recomendações de músicas, apresentando o estado emocional e gostos musicais do ouvinte como um diagrama. Esta ferramenta poderia estar mais desenvolvida em termos gráficos, para além de ser algo confusa em termos de utilização. Sistema em fase de comercialização. URL: 9. Shape Of Song Sistema que tenta, dentro do possível, dar a perceber a aparência de uma dada música. O software personalizado presente neste trabalho traça padrões musicais em forma de arcos translúcidos, permitindo que os utilizadores vejam - literalmente - a forma de uma qualquer composição em MIDI disponível na web. Os 52

67 Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados resultados apresentados são curiosos e permitem a utilizadores com alguns conhecimentos musicais observarem algumas relações entre músicas através das suas respectivas representações gráficas. Porém, a ligação entre a escuta da música e a sua representação, poderia estar mais explorada. Desenvolvido em Java com código-fonte indisponível. URL: Musicovery Sistema que exibe ligações entre gostos musicais, permitindo ouvir música e navegar através de músicas similares (simulação de rádio). É possível ainda a escolha do género e década das músicas que se pretendem ouvir, existindo várias ligações para Facebook, Twitter, itunes ou Amazon. Os utilizadores registados obtêm ainda outras vantagens como melhor qualidade sonora ou maior interactividade com o sistema. Sistema em fase de comercialização com código-fonte indisponível. URL: Digg, Twitter, Delicious e Flickr 1. Looks Del.icio.us - Colecção de visualizações de diferentes bookmarks do website Delicious. Desenvolvido em Python e com grande beleza estética. Download e códigofonte indisponíveis. 53

68 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação URL: 2. Research Chronology Ferramenta online que mostra as relações entre as pesquisas de um aluno de investigação através de bookmarks do Delicious ao longo de um semestre. É um projecto em curso e inclui bookmarks para mais de 270 sites, sendo a exploração das relações temporais entre cada pesquisa bastante bem conseguida. URL: 3. Geocodeearth Ferramenta online de visualização baseada no formato GeoRSS, onde se mostram, num globo 3D, dados do Ffffound, Twitter e Flickr, sendo ainda possíveis pesquisas no Flickr e no brightkite. Bastante interessante para ver de onde são provenientes os dados em tempo real e descobrir novas pessoas para seguir. Pode ser também considerado como forma de entretenimento. URL: 54

69 Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados 4. Tag Galaxy Ferramenta de visualização que permite pesquisar tags do Flickr e apresentá-las num protótipo de um sistema estelar. Ao se clicar em qualquer planeta (tag relacionada) na primeira representação da imagem, essa tag é recentrada como a estrela e aparecem novas tags relacionadas como planetas; clicando sobre o próprio sol, é exibido um mundo coberto de imagens com a tag especificada. Para se obterem mais detalhes sobre uma imagem, basta clicar nela. Desenvolvido em Flash. URL: 5. Flickr Related Tab Browser - Sistema com um conceito algo similar ao Tag Galaxy embora mais simples, que permite que se procure por uma série de tags, sendo apresentadas tags relacionadas. A tag seleccionada no centro do ecrã pode ser ampliada, sendo visualizadas, em seguida, imagens relacionadas com essa palavra. É também disponibilizada uma contagem total de imagens, sendo possível navegar por página. URL: Visualização na Internet 1. Mapping the Blogosphere Repositório online de mapas da blogosfera, incluindo mapas hiperbólicos. Grande ênfase na componente visual. Código-fonte não disponível. 55

70 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação URL: 2. Twingly Screensaver Ferramenta de visualização da blogosfera de todo mundo em tempo real. Recebe-se uma actualização contínua da actividade dos blogs directamente no ecrã. A ideia desta aplicação é óptima, estando o design muito bem conseguido. Porém, o fluxo de informação exibido não tem grande utilidade prática uma vez que não existem filtros eficientes. Esta aplicação é ainda muito pesada e não corre em todos os sistemas operativos como o Windows 7. Desenvolvido em OpenGL e disponível para download. URL: 3. Web Trend Map 4 Visualização das tendências actuais online. Este mapa mostra os principais nomes da Internet e domínios sobre o mapa do metro de Tóquio. Domínios e personalidades são cuidadosamente seleccionados através do diálogo com os entusiastas do mapa, e cada domínio é avaliado com base no tráfego, receita e carácter. Este sistema de visualização é reconhecido mundialmente pela sua criatividade e design bem conseguido, encontrando-se actualmente em comercialização (a versão física deste mapa é impressa no Japão). 56

71 Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados URL: 4. The Bloom Diagram - Projecto da IBM Watson Research Center, que visualiza as contribuições de indivíduos para projectos de código aberto. À primeira vista, esta ferramenta pode sintetizar o nível geral de codificação e de discussão de um projecto, mostrando que indivíduos são os mais recentes e importantes contribuidores, e permitindo comparações entre vários projectos. Indisponível para download. URL: d289c/864fa f90079a47a?OpenDocument 5. Akamai Real-time Web Monitor Este sistema de visualização mostra um mapa do mundo com informações em tempo real sobre o tráfego da Internet, a latência e os ataques actuais da rede. Os mapas são codificados por cores e de fácil leitura, mas fornecem apenas informação muito generalizada. Desenvolvido em Flash e disponível para consulta online. 57

72 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação URL: 6. Mapa de Conocimiento (Map of Knowledge) Esquema do conhecimento envolvido em qualquer ideia ou projecto dado. Construída em Flash, esta ferramenta visualiza um grupo de URL s, que é organizado sob ideias principais. O jogo de cores para diferenciar grupos de conceitos está bem elaborado, assim como o tamanho maior dos nós com maior relevância; porém, para utilizadores inexperientes, a disposição da informação pode parecer um pouco confusa e anárquica. O mapa está disponível em Inglês e Espanhol, sendo possível a sua personalização. Código-fonte não disponível. URL: 7. Akamai Network Performance Comparison Sistema de visualização que mostra a perda de pacotes e as velocidades da rede entre as diferentes cidades do mundo (para mostrar como tecnologia da Akamai é melhor do que o padrão da Internet "pública"). É desenvolvido em Flash, mostrando gráficos das informações obtidas, e está ainda disponível para consulta online. 58

73 Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados URL: 8. Internet Health Report Sistema que evidencia a latência, a perda de pacotes e a disponibilidade da rede dos principais ISP s e fornecedores mundiais, num formato de grelha codificada por cores. Escolhendo uma qualquer célula da grelha, são fornecidas mais informações acerca da saúde dessa conexão particular. Esta é uma ferramenta bastante intuitiva e muito útil, embora a nossa própria performance de conexão só possa ser medida, através de registo online e posterior compra do produto. URL: 9. Hierarchical Structure of the Internet Estudo realizado para analisar como a Internet é organizada quer em termos de estrutura, quer em termos de conectividade. Assim, mostra como o núcleo central da Internet é composto por cerca de 80 nós centrais mas que, mesmo que esses nós falhassem, 70% dos outros nós ainda funcionariam através de conexões peer-to-peer (P2P). O seu mapa da Internet foi elaborado e publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, tendo os investigadores pedido a ajuda de 5000 voluntários online que fizeram o download de um programa para ajudar a identificar as conexões entre os nós conhecidos. 59

74 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação URL: Rootzmap - Mapping the Internet - Série de mapas baseados em conjuntos de dados fornecidos pela NASA criados por Philippe Bourcier. Várias destas visualizações encontram-se disponíveis online, sendo de realçar o grande trabalho ao nível de design. O modo como estes mapas são elaborados não é referido. URL: Schemaball Schemaball é um flexível sistema de visualização para esquemas de bases de dados SQL. O objectivo do Schemaball é ajudar a visualizar as relações entre as tabelas. Estas tabelas são relacionadas por chaves, que são campos que armazenam o valor de um registo de uma outra tabela. As chaves criam assim uma relação entre duas tabelas que pode ser explorada, uma vez que os grandes esquemas podem ter centenas de tabelas e relações. Manter o controlo destas relações pode ser maçador e está sujeito a erros, o que retarda o processo de desenvolvimento do esquema. Schemaball fornece assim um meio para criar flexibilidade e imagens estáticas de um esquema, possibilitando que as tabelas e as ligações sejam escondidas ou destacadas, e as relações por chave estrangeira sejam percorridas para a frente ou para trás, destacando tabelas relacionadas. Para além disto, Schemaball produz imagens chamadas schema balls que são visualizações em que as tabelas são ordenadas com um círculo, sendo as relações da tabela representadas como linhas curvas ou rectas; porém, usando um arquivo de configuração, todos os elementos do esquema podem 60

75 Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados ser configurados. Schemaball é um software livre, com licença GPL, escrito em Perl e que exige alguns módulos CPAN para ser executado. Por fim, é bastante simples de usar, sendo ao mesmo tempo capaz de produzir esquemas de alta qualidade e adequados para publicação. URL: Opte Project Esta ferramenta de visualização tem como propósito mapear todas as redes de classes C na Internet, a partir de um único computador e uma ligação à Internet. Os dados recolhidos e apresentados servem uma grande variedade de finalidades: criação/modelação de um mapa da Internet, analisar a distribuição espacial dos IP s, detectar a causa de desastres naturais, de condições meteorológicas, da guerra e da estética e arte. Este software é livre e revela um grande potencial evolutivo, assim como gráficos surpreendentes. URL: Visualizing the Power Struggle in Wikipedia Visualização que exibe os artigos mais populares e as consultas mais frequentes da Wikipedia num heatmap. Apesar de ter por base um conceito interessante e o seu resultado final ser visualmente bastante agradável, o carácter bem restrito deste sistema, torna-se numa grande desvantagem. Detalhes de elaboração não referidos. 61

76 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação URL: 14. Websites as graphs Visualização que exibe websites como gráficos, dependendo da quantidade de links, tabelas, tags div, imagens, forms e outras tags que possuam no seu código HTML. A cada uma destas tags foi atribuída uma cor diferente, sendo interessante verificar as diferenças entre os websites quer em termos de estrutura, quer em termos de características. Desenvolvido em Java com código-fonte indisponível. URL: Spacetime Sistema de visualização que oferece Google, Yahoo, Flickr, ebay e imagens em 3D. Esta ferramenta exibe todos os resultados de pesquisa num elegante arranjo 3D fácil e divertido de visualizar. Este sistema de navegação 3D encontra-se numa fase de desenvolvimento muito avançada. Código-fonte indisponível. URL: 62

77 Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados 16. UBrowser Ferramenta open source que renderiza páginas web interactivas em figuras geométricas utilizando OpenGL e uma instância embutida de Gecko (motor de renderização do Mozilla). Este complexo sistema tem grande potencial de desenvolvimento, embora a sua utilidade prática para o utilizador comum não seja facilmente percebida numa primeira impressão. URL: Outros Sistemas de Visualização 1. Visualizing Information Flow in Science Sistema que inclui um conjunto de quatro visualizações mostrando as relações entre as citações em revistas científicas que são usadas para avaliar a importância de cada revista. Estas visualizações são facilmente interpretáveis pelo utilizador comum e permitem variados efeitos visuais. Embora o código-fonte não seja disponibilizado, é referido que estas visualizações foram desenvolvidas em Flare (ActionScript Library). URL: 2. Micro Fashion Network: Color Este sistema de visualização baseia-se na mudança contínua dos estilos e nas especulações sobre as futuras tendências na moda, que são apresentadas pelos media e pelas redes de expressão individual, com especial destaque para os elementos básicos cor e tempo. O projecto foi criado usando uma câmara fixa e um software personalizado para armazenar as cores dominantes na movimentação de pessoas em diversos bairros de Cambridge. Cores similares foram conectadas umas às outras formando uma grande rede colorida ao longo do tempo. À medida que a rede cresce, os novos vértices são conectados a cores semelhantes já existentes, uma vez que assim se pode analisar de forma mais profícua as imagens resultantes. Este sistema de visualização também já foi exposto em diversas exposições em Cambridge. 63

78 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação URL: 3. TED Sphere Visualização dos vídeos das TED talks num formato esférico com navegação 3D. Pode-se ver a esfera de dentro ou de fora e o layout de apresentação dos vídeos é baseado na compatibilidade semântica. O conceito deste sistema é bastante interessante uma vez que são exibidas relações curiosas entre as conversas, embora o design pudesse estar um pouco mais elaborado. De referir ainda as sempre importantes diversas formas de navegação. O código-fonte deste sistema não é revelado, encontrando-se porém desenvolvido em Flash. URL: 4. Visualizing The Bible Sistema de visualização que dá uma visão geral de mais de referências textuais cruzadas dentro da Bíblia. A sua intenção é de estar mais belo do que funcional, o que de facto se comprova pela qualidade do resultado final onde sobressai a palete de cores utilizada, assim como a grande complexidade dos dados envolvidos. Este sistema encontra-se em fase de comercialização, não sendo referido qualquer detalhe sobre o seu desenvolvimento. 64

79 Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados URL: 5. Walrus Ferramenta de visualização que permite que se interaja com gráficos gigantes numa interface 3D. A interacção é baseada na selecção de qualquer nó e na sua posterior expansão através de um gráfico de ampliação (zoom). A complexidade deste projecto é elevada, sendo possível a exibição de gráficos contendo mais de um milhão de nós. Porém, ainda se trabalha ao nível da sua flexibilidade, para que mais formatos de gráficos sejam suportados e para que seja possível incorporá-lo noutras aplicações, o que não é possível até agora. O código-fonte deste sistema está disponível para download sob a licença GNU GPL. URL: 6. We Feel Fine Um dos mais cativantes sistemas de visualização aqui referidos e que possibilita uma experiência de utilização muito boa. Este sistema possibilita visualizações sobre os sentimentos que povoam toda a blogosfera num determinado dia, percorrendo todos os blogs num curto intervalo de tempo à procura de frases que contenham as expressões "eu sinto" ou "estou a sentir". Os resultados podem ser filtrados com base em idade, localização, género, tempo (meteorologia) e outros critérios. Existem ainda seis diferentes visualizações disponíveis: Madness, Murmurs, Montage, Mobs, Metrics e Mounds, sendo que cada uma delas fornece um retrato diferente do sentimento geral mais abundante na Internet. A interface de dados é um sistema de partículas com organização própria, onde cada partícula representa um único sentimento postado por um único indivíduo. As propriedades das partículas - cor, forma, tamanho, opacidade - indicam a natureza do sentimento, e qualquer 65

80 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação partícula pode ser clicada para se revelar a frase completa ou uma fotografia que ela contenha. As partículas movem-se freneticamente ao redor do ecrã até se reorganizarem em redor de um qualquer número de eixos, expressando várias fotografias da emoção humana. O código-fonte deste sistema não é fornecido, embora seja referido que o mecanismo de recolha de dados utiliza um software personalizado que contém Java, Perl, MySQL e Apache. A applet foi criada utilizando Processing, sendo o PHP usado para várias tarefas de manutenção do servidor. URL: 7. Nemulator Projecto que pretende visualizar Nemes ou diferentes estados emocionais. Ele também pretende servir como ponto de partida para as discussões relativas à escalabilidade de Nemes. Esta ferramenta incide sobre um conceito de algo difícil compreensão, sendo o seu uso só aconselhado para especialistas em neurofisiologia. Código-fonte indisponível. URL: 8. Voyage Leitor de RSS, baseado na web, que exibe visualmente feeds RSS num cronograma. É uma óptima maneira de se explorar os diversos feeds subscritos num formato completamente diferente e original. A experiência de utilização é muito agradável e intuitiva, podendo o utilizador usar o rato ou o teclado como formas de navegação. Para além disto, a exploração da relação temporal entre os feeds é muito interessante, assim como a distinção cromática utilizada. Utiliza Flash, estando o seu código-fonte indisponível. 66

81 Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados URL: 9. TextArc Representação visual de um texto inteiro numa única página. Uma divertida combinação de índice, concordância e síntese, que usa o olho do espectador para ajudar a descobrir significado. Este é um conceito interessante para obter informação acerca das relações entre as palavras existentes num livro, embora tenha sido elaborado em 2002, o que torna a tecnologia utilizada algo pesada e obsoleta. O próprio design do sistema também podia ser melhorado. Código-fonte indisponível. URL: Graph News Navegador de um sistema de visualização de notícias do serviço Libero WebNews. Ele mostra as notícias num formato de mapa mental, onde ao se clicar num nó, todo o gráfico é recriado com o foco a passar a ser o item escolhido. A organização dos dados é muito bem conseguida, assim como o contraste maior nos itens mais citados. Contudo, este é um sistema muito simples e básico, onde a componente gráfica poderia ser mais explorada. Código-fonte indisponível. 67

82 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação URL: Newsmap Sistema que mostra uma representação visual muito eficiente de notícias actuais existentes no Google News. Ele mostra relações e padrões entre notícias de diferentes culturas e segmentos de notícias. Para além disto, esta visualização possui uma cor associada a cada secção de notícias, possuindo as notícias mais antigas menos luminosidade. Isto permite uma rápida interpretação da informação mais recente, ainda para mais quando as notícias com mais artigos relacionados aparecem em blocos maiores. O sistema de filtragem por áreas geográficas e as opções de personalização existentes também são muito interessantes. Este sistema, elaborado em JavaScript, já se encontra em fase de comercialização, estando o seu código-fonte indisponível. URL: FreeMind Software de mapeamento baseado em Java que permite construir sistemas de visualização de dados com rapidez e facilidade. Após terem sido terminados, os mapas podem ser exportados em arquivos XHTML clicáveis, assim como outros formatos. Este programa é bastante útil para qualquer utilizador já que permite organizar dados, ideias ou até conceitos de uma forma muito simples e intuitiva, encontrando-se ao mesmo tempo muito bem documentado devido ao grande número de opções possíveis. Disponível para download. 68

83 Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados URL: Is the New O projecto documenta todas as ocorrências da frase "é o novo" ( o corde-rosa é o novo vermelho, por exemplo), encontradas a partir de diversas fontes, e mostra as relações entre o sujeito e o objecto da frase. A utilidade prática desta ferramenta é um pouco duvidosa, embora possa servir para revelar algumas curiosidades interessantes. Disponível somente para consulta online. URL: WikiMindMap - Ferramenta online para navegar com facilidade e eficiência no conteúdo de uma Wiki escolhida, sendo inspirada na técnica de mapas mentais. As páginas Wiki, como o Wikipedia, tornaram-se documentos ricos e complexos. Assim, encontrar a informação que se realmente procura não é um processo imediato. Esta ferramenta visa pois apoiar os utilizadores para que se obtenha uma visão estruturada e facilmente compreendida do tema em causa. Existe ainda a possibilidade de se fazer download de qualquer um dos mapas mentais exibidos, no formato FreeMind. Porém, apesar destas funções com interesse, esta ferramenta ainda necessita de muito trabalho para se tornar robusta tanto em termos funcionais, quer em termos de design. O seu código-fonte não é fornecido. 69

84 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação URL: How Scientific Paradigms Relate & The Strengths of Nations How Scientific Paradigms Relate é uma visualização que mostra as relações entre mais de 700 paradigmas científicos com base na forma em como estes são mencionados em cerca de 800 mil artigos científicos. As relações são também estabelecidas com base na frequência com que diferentes artigos são mencionados entre si e por autores de outros artigos. Já The Strengths of Nations é uma visualização do avanço científico de dez nações diferentes, incluindo Estados Unidos, Reino Unido, França, China e Austrália. O mapa analisa 23 diferentes áreas científicas, incluindo bioquímica, matemática e astrofísica. Ambas as visualizações, com carácter artístico bem vincado, envolvem grandes cálculos matemáticos e já foram largamente difundidas em várias revistas científicas de renome. A forma como estas visualizações são elaboradas é referida de forma superficial, embora haja uma descrição exaustiva das suas características. URL: Universe Curiosa aplicação para a visualização do "universo" de determinados termos de pesquisa. Existem termos de amostra disponíveis ou pode-se introduzir o que se pretende. A visualização dos dados é uma reminiscência das cartas astronómicas, sendo o universo de dados recolhido através das notícias da API Daylife. A Daylife agrega notícias de milhares de fontes online de todo o mundo e analisa esses dados automaticamente, extraindo relações significativas entre histórias, pessoas, lugares, empresas, organizações, fotografias e citações que são encontradas nas 70

85 Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados notícias. Universe é um applet Java, criado usando Processing, sendo possível contactar os seus autores com vista à obtenção do seu código-fonte. URL: Visualcomplexity.com - Embora não seja um software de visualização, este website é um repositório de visualizações já criadas e devidamente categorizadas. As categorias incluem redes de negócios, arte, Internet, redes de conhecimento, biologia, redes de transporte, redes sociais, entre outros. Esta é assim uma ferramenta de grande utilidade, uma vez que se pode aferir do estado da arte no ramo da visualização de forma centralizada e devidamente documentada. É ainda possível aceder aos projectos mais visitados, mais comentados e às pesquisas mais populares. Este projecto leva muitas horas de pesquisa e exige um trabalho muito louvável, tendo já contribuído para um grande número de investigações de relevo. URL: Time Magazine Este sistema de visualização usa montes visuais (picos) para enfatizar a densidade da população americana num mapa. Bem construído graficamente e com fácil interpretação dos dados, esta ferramenta possibilita uma extracção de informação quase instantânea, como o facto de 80% da população americana viver em áreas metropolitanas. Nos cinco maiores centros populacionais há ainda a exibição de informações estatísticas complementares. Os detalhes do seu desenvolvimento não são disponibilizados. 71

86 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação URL: CrazyEgg Software que permite explorar o comportamento dos visitantes de um website com um heatmap. As secções mais populares, ou seja, que são clicadas com mais frequência, são destacadas como "quentes" - cor vermelha. Este género de ferramenta é essencial para a interpretação dos dados sobre a utilização de um qualquer website, ajudando a proporcionar melhorias na sua construção. Software em fase de comercialização. URL: Hans Rosling TED Talk Mais do que um sistema, este recurso é uma apresentação do professor sueco Hans Rosling, na qual ele explica uma nova maneira de apresentar dados estatísticos. O seu software Trendalyzer (adquirido recentemente pela Google) transforma complexas tendências globais em animações animadas, sendo apresentadas décadas de dados. A actual versão beta deste software é uma aplicação Flash, que é pré-carregada com dados estatísticos e históricos sobre o desenvolvimento dos países do mundo. Já a técnica de visualização de informação utilizada é um gráfico de bolhas interactivo. Por padrão, ele mostra cinco variáveis: duas variáveis numéricas sobre os eixos X e Y, o tamanho da bolha e cor, e uma variável de tempo que pode ser manipulada por uma barra. Alguns componentes do software Trendalyzer tornaram-se disponíveis para uso público, como parte da Google Visualization API. Assim, com este trabalho de Rosling, as tendências globais - esperança de vida, mortalidade infantil, taxas de pobreza - tornaram-se claras, intuitivas e até mesmo divertidas. 72

87 Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados URL: ml 21. Interactive History Timeline Aplicação da BBC desenvolvida em Flash que apresenta a história da Grã-Bretanha, encontrando-se esta dividida em blocos de dados interactivos. A densidade de eventos é exibida no mapa resultante. Excelente a nível gráfico, com várias formas de navegação/pesquisa e com uma experiência de utilização agradável e esclarecedora, este sistema de visualização está ao nível da habitual excelência de conteúdos patenteada pela BBC. Código-fonte não disponível. URL: Winning Lotto Numbers Este sistema de visualização deveria apresentar a frequência de aparecimento de cada número vencedor da lotaria de um ano para o outro. Porém, o gráfico resultante não é definitivamente um dos mais claros, servindo contudo como caso de estudo. Detalhes de desenvolvimento não indicados. URL: 73

88 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação 23. Elastic Lists Este eficaz sistema demonstra o princípio da lista elástica para se navegar em estruturas multi-facetadas de dados. Assim, pode-se clicar num qualquer número de entradas na lista para se inquirir a base de dados pela combinação dos atributos seleccionados. A abordagem visualiza proporções relativas de metadados por tamanho e as características dos metadados por brilho. Sistema muito robusto e de simples utilização com imensos recursos disponíveis, para além de um design elegante. Desenvolvido em Flash com código-fonte indisponível. URL: The JFK Assassination Timeline - Uma abordagem, baseada em Ajax, para a apresentação visual de eventos históricos. Neste caso concreto, são exibidos os eventos ocorrentes durante o assassinato de John F. Kennedy numa timeline com inúmeras opções de apresentação. Apesar de relativamente simples, este sistema cumpre muito satisfatoriamente os requisitos para os quais foi criado, entre os quais visualizar dados temporais de forma eficiente. Código-fonte e documentação disponíveis para download. URL: Munterbund Sistema de visualização que apresenta os resultados da pesquisa das semelhanças de texto em ensaios num livro. O desafio foi o de encontrar formas de representar quer gráfica, quer tipograficamente os ensaios, de forma atraente e, ao mesmo tempo, informativa. O sistema gera automaticamente gráficos de acordo com regras pré-definidas, sendo o resultado final muito positivo. O ponto forte deste sistema é que permite aos leitores formarem intuitivamente conclusões temáticas 74

89 Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados sobre o ensaio através dos gráficos informativos. Desenvolvido em Lingo no programa Macromedia Director. Código-fonte não disponível. URL: Lanuage Poster Poster que prova que mesmo linhas simples podem ser suficientes para descrever um cenário de forma eficaz. A História de linguagens de programação é assim apresentada como um cronograma original. Os detalhes de elaboração deste cronograma não são referidos. URL: Infosthetics: the beauty of data visualization Artigo no qual Andrew Vande Moere, muito conhecido pelo seu blog Infosthetics (URL: discute a estética da visualização de dados e abordagens modernas nesta área. Ideias de design criativas combinam assim forma e conteúdo, gerando gráficos fascinantes. URL: 75

90 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação 28. Periodic Table Simulação de uma tabela periódica mas com métodos de visualização, em vez de elementos químicos. Divertido mas, ao mesmo tempo, essencial para se obter uma panorâmica geral dos métodos existentes com respectivos exemplos. URL: Ferramentas de Desenvolvimento de Sistemas de Visualização 29. Xtimeline Sistema através da qual se podem criar, partilhar e discutir timelines mediante registo. Esta é também uma ferramenta interessante para a pesquisa de timelines já existentes e que possam interessar para um determinado projecto, sendo possível visualizar as mais populares ou ainda as mais recentes. URL: IBM Many Eyes Ferramenta da IBM onde, mediante registo, se podem visualizar dados online e obter ajuda para a criação de gráficos, diagramas, treemaps, gráficos de barras e histogramas. A componente social está bem patente neste sistema, onde os utilizadores interagem para que os sistemas de visualização sejam aprimorados. Desenvolvido em Java. URL: prefuse the prefuse visualization toolkit - Versão beta de um conjunto de ferramentas baseadas em Java para a programação de aplicações com a integração de métodos de visualização de dados. As galerias de visualização e demonstração em vídeo fornecem inúmeros exemplos dos tipos de aplicações que podem ser construídas este sistema. Esteve já na génese de destacados projectos na área da visualização como se pode constatar em: URL: 76

91 Capítulo V: Sistemas de Visualização de Dados 32. Charts and Diagrams Tools - Artigo com ferramentas para ajudar a desenvolver diagramas e gráficos online. URL: 77

92 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação 78

93 Capítulo VI: Caso de Estudo, Desenvolvimento e Avaliação

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95 Capítulo VI: Caso de Estudo, Desenvolvimento e Avaliação 6.1 Caso de Estudo Existem imensos casos de áreas do conhecimento nas quais a quantidade de dados existente é bastante elevada, o que impossibilita uma análise directa de forma eficiente, requerendo assim técnicas, métodos e recursos computacionais capazes de simplificar a análise e a representação dos referidos dados. A base de dados escolhida para este trabalho está inserida num domínio de conhecimento que se caracteriza por uma quantidade de dados elevada e sempre crescente e pela necessidade real de representar estes dados de forma visual. Neste cenário, uma adequada interface de visualização deverá contribuir significativamente para uma melhor compreensão dos dados envolvidos, e possível descoberta de padrões que possam estar ocultos nos mesmos, gerando novas informações, para além de uma melhor apresentação dos dados de forma a facilitar a sua divulgação em termos informativos Base de dados a ser usada A Agência Portuguesa do Ambiente (APA) tem por missão propor, desenvolver e acompanhar a execução das políticas de ambiente, nomeadamente no âmbito da integração do ambiente nas políticas sectoriais, designadamente da saúde e transportes, e nos domínios do combate às alterações climáticas, protecção da camada do ozono, qualidade do ar, prevenção e controlo do ruído, resíduos, recuperação e valorização dos solos e outros locais contaminados, prevenção e controlo integrados da poluição, prevenção de riscos industriais graves, segurança ambiental e das populações, rotulagem ecológica, compras ecológicas e sistemas voluntários de gestão ambiental *QualAr+. Para fundamentar a formulação, desenvolvimento e acompanhamento das políticas de ambiente, a APA é responsável pelo SNIAmb (Sistema Nacional de Informação de Ambiente), apoiado num conjunto de parcerias estratégicas nacionais e internacionais. Neste sentido, a APA assegura, mantém e divulga um centro de referência para os dados ambientais e promove a análise integrada dos resultados da monitorização da execução de políticas e medidas tomadas, produzindo relatórios demonstrativos do estado e das pressões a que o ambiente está sujeito no dia-a-dia. Para além disto, a APA desenvolve e acompanha a execução das políticas de educação ambiental, promove e acompanha formas de apoio às organizações não governamentais de ambiente, e promove a participação do público e o acesso à informação nos processos de decisão em matéria de ambiente. Neste âmbito, o Laboratório de Referência do Ambiente, integrado na APA desenvolve, aplica e colabora na acreditação das metodologias analíticas no domínio do ambiente e nos métodos de referência para avaliação da qualidade do ar. Pelo exposto, se constata a importância que a APA possui no domínio das emergências e riscos ambientais, competindo-lhe garantir a adopção das medidas de necessárias à protecção da saúde humana e do ambiente. Desta forma, torna-se muito importante a existência de sistemas de visualização dos dados provenientes desta organização, que providenciem uma análise completa e eficiente não só para pessoas especializadas, mas também para o público em geral, uma vez que esta é uma matéria de interesse global Relevância da base de dados escolhida Qualidade do ar é o termo que usualmente se utiliza para denominar o grau de poluição no ar que se respira. Esta poluição do ar é provocada por uma mistura de substâncias químicas, 81

96 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação lançadas no ar ou resultantes de reacções químicas, que alteram o que seria a constituição natural da atmosfera. Estas substâncias poluentes podem ter maior ou menor impacto na qualidade do ar, consoante a sua composição química, concentração na massa de ar em causa e condições meteorológicas. Deste modo, a existência de ventos fortes ou chuvas, por exemplo, poderá dispersar os poluentes, ao passo que a presença de luz solar poderá acentuar os seus efeitos negativos. A altura a que as emissões ocorrem pode igualmente afectar a dispersão dos poluentes. Por exemplo, as emissões dos veículos automóveis terão, provavelmente, um maior impacto imediato no ambiente circundante e ao nível do solo do que as chaminés altas, as quais causam sobretudo problemas de poluição no solo a uma maior distância da sua fonte. As fontes emissoras dos poluentes atmosféricos são numerosas e variáveis, podendo ser antropogénicas ou naturais. As fontes antropogénicas são as que resultam das actividades humanas, como a actividade industrial ou o tráfego automóvel, enquanto as fontes naturais englobam fenómenos da Natureza tais como emissões provenientes de erupções vulcânicas ou fogos florestais de origem natural. Existem diversos poluentes atmosféricos, mas neste trabalho a atenção está focada apenas naqueles que fazem parte do cálculo do índice de qualidade do ar não só por fazerem parte deste último, mas também por serem comuns, especialmente nas áreas urbanas e industriais. São cinco os poluentes englobados no índice de qualidade do ar [QualAr]: Monóxido de carbono (CO); Dióxido de azoto (NO2); Dióxido de enxofre (SO2); Ozono (O3); Partículas finas ou inaláveis (medidas como PM10). O índice de qualidade do ar é uma ferramenta que permite uma classificação simples e compreensível do estado da qualidade do ar. Este índice foi desenvolvido para poder traduzir a qualidade do ar, especialmente das aglomerações existentes no país, mas também de algumas áreas industriais e cidades. Para além disto, proporciona um fácil acesso do público à informação sobre qualidade do ar, através da consulta directa ou através dos órgãos de Comunicação Social Fontes e efeitos dos poluentes considerados As fontes dos diversos poluentes, bem como os efeitos que cada um deles origina são bastante distintos. Assim, estas diferentes características começam desde logo pelos diversos modos como são gerados os poluentes, sendo possível à partida distinguir dois tipos de poluentes: Poluentes Primários - aqueles que são emitidos directamente pelas fontes para a atmosfera, sendo expelidos directamente por estas. Exemplos: monóxido de carbono (CO), óxidos de azoto (NOx) constituídos pelo monóxido de azoto (NO) e pelo dióxido de azoto (NO2), dióxido de enxofre (SO2) ou as partículas em suspensão; Poluentes Secundários - os que resultam de reacções químicas que ocorrem na atmosfera e onde participam alguns poluentes primários. Exemplo: o ozono 82

97 Capítulo VI: Caso de Estudo, Desenvolvimento e Avaliação troposférico (O3), o qual resulta de reacções fotoquímicas, isto é realizadas na presença de luz solar, que se estabelecem entre os óxidos de azoto, o monóxido de carbono ou os Compostos Orgânicos Voláteis (COV). Na Tabela 2 são apresentadas resumidamente as principais fontes dos poluentes considerados neste projecto, bem como uma breve descrição de algumas características físicas e químicas destes. Tabela 2 Características e fontes dos poluentes atmosféricos (adaptado de [QualAr]). Poluente Características Fontes Monóxido de carbono Incolor e inodoro Tráfego motorizado e indústrias Dióxido de azoto Castanho claro (brisa castanha em altas concentrações) Tráfego motorizado e sector industrial em geral, dado que é o resultado da queima de combustíveis a temperaturas mais ou menos elevadas Dióxido de enxofre Incolor e inodoro (baixas concentrações) ou com cheiro intenso a enxofre (altas concentrações) Sector industrial (especialmente refinarias, caldeiras queimando combustíveis com altos teores de enxofre - fuelóleo, indústria química e pastas de papel) Ozono Incolor, embora seja o principal constituinte do smog fotoquímico, que se traduz por uma névoa que se forma alguns metros acima da superfície do solo Tráfego motorizado, indústrias, aterros sanitários, tintas e solventes e florestas (compostos orgânicos voláteis) Partículas Material sólido ou pequenas gotículas de fumo, poeiras e vapor condensado no ar Tráfego motorizado, indústrias, obras de construção civil e processos agrícolas As emissões atmosféricas originam problemas a diferentes escalas, desde uma escala local (por exemplo as concentrações de monóxido de carbono provenientes do tráfego junto a estradas congestionadas) até à escala global (por exemplo as alterações climáticas que se traduzem, entre muitos outros efeitos, pelo aquecimento global do planeta com todas as repercussões daí resultantes). Quanto aos efeitos dos cinco poluentes atmosféricos considerados na saúde humana, estes são também bastante variados. A Tabela 3 resume os principais efeitos de cada um. 83

98 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Tabela 3 Efeitos dos poluentes atmosféricos (adaptado de [QualAr]). Poluente Monóxido de carbono Dióxido de azoto Dióxido de enxofre Ozono Partículas Efeitos - Inibe a capacidade do sangue em trocar oxigénio com tecidos vitais, podendo em concentrações extremas provocar morte por envenenamento; - Afecta principalmente o sistema cardiovascular e o sistema nervoso; - Concentrações mais baixas são susceptíveis de gerar problemas cardiovasculares em doentes coronários (angina de peito); - Concentrações elevadas são susceptíveis de criar tonturas, dores de cabeça e fadiga. - Altas concentrações podem provocar problemas do foro respiratório, especialmente em crianças, tais como doenças respiratórias (asma ou tosse convulsa). Doentes com asma podem também sofrer dificuldades respiratórias adicionais com estes elevados teores deste poluente; - Poluente acidificante, envolvido em fenómenos como as chuvas ácidas. - Altas concentrações podem provocar problemas no tracto respiratório, especialmente em grupos sensíveis como asmáticos; - Poluente acidificante, contribuindo para fenómenos como as chuvas ácidas. - Poderoso oxidante, o que se reflecte nos ecossistemas, nos materiais e na saúde humana pode irritar o tracto respiratório, já que o oxida, podendo provocar dificuldades respiratórias (por exemplo: impossibilidade de respirar fundo, inflamações brônquicas ou tosse); - Constituinte principal do smog fotoquímico, o qual é frequentemente associado a diversos sintomas particularmente em grupos sensíveis como crianças, doentes cardiovasculares e/ou do foro respiratório e idosos; - Principal responsável por perdas agrícolas e danos na vegetação, existindo espécies particularmente sensíveis ao seu efeito. - Uns dos principais poluentes em termos de efeitos na saúde humana, particularmente as partículas de menor dimensão que são inaláveis, penetrando no sistema respiratório e danificando-o; - Têm-se caracterizado por serem, pretensamente, responsáveis pelo aumento de doenças respiratórias (bronquite asmática); - Podem ser responsáveis pela diminuição da troca gasosa em espécies vegetais, nomeadamente através do bloqueamento de estomas; - Danificam o património construído, especialmente tintas Classificação do Índice de Qualidade do Ar O índice de qualidade do ar varia de Muito Bom a Mau para cada poluente de acordo com as classificações apresentadas na Tabela 4 (de referir que todos os valore indicados encontram-se em µg/m3). 84

99 Capítulo VI: Caso de Estudo, Desenvolvimento e Avaliação Tabela 4 Classificação do Índice de Qualidade do Ar proposto para o ano 2011 (adaptado de [QualAr]). Poluente / Classificação CO NO 2 O 3 PM 10 SO 2 Min Máx Min Máx Min Máx Min Máx Min Máx Mau Fraco Médio Bom Muito Bom Processo de desenvolvimento do sistema de visualização Este capítulo descreve o trabalho de âmbito experimental que sucedeu à investigação teórica descrita nos capítulos anteriores. Os seus objectivos principais são não só descrever o desenvolvimento da interface utilizada como base de investigação, mas também explicitar as características da experiência de pesquisa visual realizada e subsequentes resultados obtidos. Para a construção da experiência descrita nos pontos seguintes, foi necessário que se definissem em primeiro lugar, por um lado: os processos específicos, pertencentes ao domínio da qualidade do ar, aos quais poder-se-iam aplicar estratégias de visualização; e por outro, as estratégias gráficas de representação de informação com potencial para serem integradas nesses processos Objectivos e Hipóteses O objectivo fundamental que guiou este projecto foi o de, através de um conjunto de testes realizados num sistema de visualização experimental, tentar definir um conjunto de recomendações para a construção de sistemas que tentem ter em consideração as teorias da percepção humana. Na avaliação da utilização do sistema desenvolvido, enquanto ferramenta de detecção de informação visual, estabeleceram-se, inevitavelmente, objectivos específicos de investigação: Objectivo 1 Avaliar o impacto do uso dos factores repetição e proximidade na gestão da atenção. Associado a este objectivo está a hipótese de que a utilização da repetição de elementos para criar movimento e direcção terá impacto na discriminação de informação, funcionando, ou não, enquanto ferramenta cognitiva, numa tarefa de pesquisa visual de informação. Ou seja, considerando o objectivo geral explicitado no ponto anterior em dois eixos principais, o primeiro mais específico traduziu-se na análise comparativa entre uma situação de repetição de elementos; e uma situação na qual o único factor utilizado seria a proximidade entre elementos. Desta comparação pretende-se determinar se: 85

100 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Hipótese 1: A repetição é importante para identificar elementos, possíveis de serem visualizados em locais diferentes do ecrã. Objectivo 2 Determinar a importância da utilização da cor como forma de segmentação de elementos e informação na tarefa de procura visual. Qualquer forma que se observa está sempre inserida num contexto. Com a cor passa-se exactamente o mesmo. Qualquer cor que seja percepcionada tem sempre outra de referência. Esta relação entre a cor principal e a cor de fundo, ou seja, o contraste é o que faz com que o observador identifique facilmente ou não objectos, formas ou letras. Hipótese 2: A sensibilidade ao contraste desempenha uma função essencial como indicador da percepção visual da forma. Objectivo 3 Comparar diferentes tipos de gráficos e a sua adequação a espaços temporais pré-determinados. O gráfico, sendo uma tentativa de se expressar visualmente dados ou valores numéricos (de maneiras diferentes) tem por objectivo fundamental facilitar a compreensão dos mesmos. Assim, torna-se importante encontrar as características visuais que devem ser utilizadas aquando da sua elaboração, de forma a permitir uma percepção de dados mais eficiente ao longo do tempo. Hipótese 3: Diferentes características de gráficos adequam-se a diferentes espaços temporais, consoante a sua extensão. Objectivo 4 Aferir da importância da utilização de elementos sonoros como forma de complemento à percepção visual. Apesar do sentido da visão desempenhar um papel crucial no processo de visualização, importa estudar que influência pode ter o uso de diferentes estímulos sensoriais, nomeadamente auditivos, na percepção dos dados envolvidos. Hipótese 4: A estimulação de mais do que um sentido num sistema de visualização facilita a percepção dos dados. Paralelamente a estes quatro objectivos, foi também considerado importante comparar o impacto das combinações gráficas de visualização em termos de público em geral e especialistas, assim como aferir da pertinência da informação apresentada como forma de propensão activa para o processo de visualização Variáveis Com vista a atingir os objectivos propostos, foi necessário identificar quais as unidades a observar e definir quais as funções e medidas das variáveis. Do ponto de vista da caracterização da amostra, foi considerado fundamental determinar o perfil de cada utilizador em três áreas: por um lado, o grau de habituação a sistemas de visualização de dados; por outro, as competências informáticas; e, finalmente, o conhecimento acerca de aspectos relacionados com a qualidade do ar. Para além destes aspectos, ficou definido que seriam 86

101 Capítulo VI: Caso de Estudo, Desenvolvimento e Avaliação necessárias variáveis para caracterizar a amostra nos aspectos mais usuais (género e idade, por exemplo). Assim, seis variáveis foram utilizadas para definir o perfil do utilizador: Idade; Sexo; Formação académica; Conhecimentos de informática; Grau de habituação a sistemas de visualização; Conhecimentos relacionados com a qualidade do ar Design Experimental Em função das hipóteses de investigação foram definidos, três cenários principais de testes, de modo a avaliar as relações entre algumas teorias da percepção humana. I) Informação gráfica no mapa versus Nível do poluente em barra de referência versus Informação numérica em caixa de texto colorida A análise dos resultados desta experiência pretendeu determinar quais destas alternativas de visualização de dados captava a atenção do utilizador mais rapidamente, quer nos tempos de resposta, quer na precisão. O resultado esperado resultava da expectativa de que a repetição seria um factor importante para identificar elementos e que actuando como um gerador de saliência visual, se sobrepunha ao factor proximidade. II) Visualização dados por região versus Visualização dados em discos Esta experiência tinha por objectivo identificar diferenças estes dois tipos de visualização que englobavam distintos componentes gráficos e qual a preferência de quem os testava. Quer a percepção da cor, quer a percepção da forma seriam testadas, e era expectável que a sensibilidade ao contraste, por via da cor, desempenhasse uma função essencial como indicador da percepção visual da forma. III) Gráfico de Grelha versus Gráfico de Pontos Finalmente, a terceira experiência tinha por objectivo identificar diferenças entre estes dois tipos de gráficos, nomeadamente se a sua adequação se manteria caso o intervalo de tempo utilizado para visualizar a evolução dos dados aumentasse. A previsão era que para espaços temporais mais longos, a existência de uma grelha de referência ao longo do gráfico, poderia auxiliar o processo cognitivo de aquisição de dados, tornando os pontos de cada registo numérico menos relevantes. De modo a avaliar quais as teorias da percepção humana passíveis de serem consideradas no âmbito deste trabalho, foi desenvolvido um sistema de visualização que serviu como ferramenta de testes Plataforma de Desenvolvimento No âmbito do desenvolvimento do sistema de visualização de dados foi decidido utilizar a linguagem de programação Processing (URL: que é disponibilizada de forma livre para a qual existe o ambiente de desenvolvimento integrado (IDE). Este ambiente 87

102 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação foi desenvolvido para as artes electrónicas e comunidades de design visual, com o intuito de ensinar noções básicas de programação num contexto visual e servir como base para cadernos electrónicos. O seu projecto foi iniciado em 2001 por Casey Reas e Benjamin Fry e um dos objectivos declarados do Processing é actuar como uma ferramenta bastante útil para programadores, através da satisfação imediata de feedback visual [Fry, 2008]. A linguagem tem por base as capacidades gráficas da linguagem de programação Java, simplificando características e criando algumas novas. A biblioteca computacional VTK - Visualization Toolkit (URL: também foi considerada, mas devido à maior experiência de utilização em Processing, e uma vez que estas duas opções diferem somente em aspectos que neste projecto não têm peso determinante, a escolha passou deste modo pelo Processing Desenho da Interface Um dos principais objectivos no desenho do sistema de visualização foi o de desenvolver uma ferramenta capaz de simular com razoável precisão um sistema de visualização, com especial incidência nos dados relativos à qualidade do ar em Portugal Continental. Para cumprir com este objectivo vários requisitos foram definidos e algumas simplificações foram consideradas aceitáveis. Definido o problema e a estratégia gráfica a aplicar, estabeleceram-se em seguida os requisitos para o desenvolvimento de uma interface capaz de implementar e validar a aplicação da dessa estratégia num plano prático. Em primeiro lugar, houve o cuidado de definir um conjunto de tabs ou módulos onde o conteúdo é separado em diferentes painéis, e cada painel é uma visível de cada vez. O utilizador solicita assim o conteúdo a ser exibido clicando na tab correspondente, podendo isto ser considerado como o esquema de navegação do sistema. Este sistema baseado em módulos tem vindo a ser usado cada vez mais em websites e aplicações web, uma vez que optimizam áreas de ecrã sem sacrificar a quantidade de informação apresentada ao mesmo tempo. Isto, inevitavelmente, permite uma forma discreta e compacta de apresentar o conteúdo. Foram ainda implementadas importantes directrizes de usabilidade para tornar as tabs num componente eficaz, como as defendidas for Jacob Gube em [Gube, 2009]: Destacar a tab activa de forma efectiva; Mostrar as diferentes tabs numa única linha; Mudança entre as tabs deve ser rápida; Usar nomes curtos e lógicos para as tabs; Não usar a opção scrolling dentro dos painéis. Na Figura 6.1, relativa à página inicial da aplicação airquality, podem visualizar-se algumas áreas que importa explicitar pois contribuem para a organização visual do sistema. 88

103 Capítulo VI: Caso de Estudo, Desenvolvimento e Avaliação Figura 6.1 Módulo inicial do sistema airquality: 1) Banner com informação relativa ao projecto nomeadamente logótipo e título; 2) Área de selecção de tabs/módulos; 3) Área de conteúdos (painel) - única zona que varia graficamente ao longo do sistema consoante a tab seleccionada; 4) Navegação alternativa com a opção de sair do sistema. O facto do sistema de navegação principal estar situado no topo do sistema tem a vantagem de deixar mais espaço na área de conteúdo para a visualização dos dados e outras informações relevantes. Já o sistema de navegação alternativo, situado no fim de cada tab, permite percorrer todos os módulos de forma sequencial, constituindo-se como uma boa alternativa de navegação que permite ao utilizador não ter de desviar o seu olhar para o topo da página sempre que pretender uma consulta de informação mais rápida, mantendo-se assim focalizado no processo de visualização de dados. O objectivo principal deste design de navegação adoptado para o sistema, é transmitir a sensação ao utilizador que pode escolher livremente o seu percurso pela mesma em qualquer instante, existindo desta forma um aumento de interactividade. Com igual cuidado, foi tentado garantir que a abertura de novas janelas no sistema fosse só utilizada em situações especiais, como em menus de ajuda ou de animações complementares de informação, uma vez que esta prática acaba por poluir o ecrã com várias janelas, perdendo-se o foco no objectivo fundamental do sistema. Porém, para evitar que um utilizador consiga retornar para a página de origem de forma mais intuitiva, foi criado um sistema automático de eliminação de novas janelas que visa, através da informação das acções do rato, perceber quando o foco da atenção utilizador já não se encontra nessa nova janela. 89

104 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação As cores e formas gráficas usadas foram escolhidas considerando as recomendações da Agência Portuguesa do Ambiente, e o uso de transparência foi também implementado. Para além disto, a linha gráfica pretende, por um lado, apelar a uma certa tranquilidade e frescura aquando da utilização do sistema e por outro, representar as energias da natureza, que está intrinsecamente ligada aos dados apresentados. Já o tipo de letra escolhido para esta aplicação foi o Verdana uma vez que pode ser esta font pode lida em ecrãs de uma maneira agradável especialmente em tamanhos pequenos, adaptando-se relativamente bem aos textos corridos [Macmillan, 2006] Funcionalidades Para explicar mais eficazmente as funcionalidades do sistema de teste foi decidido dividir a sua descrição por módulos: a. Início Neste módulo o utilizador tem a possibilidade de escolher no mapa o distrito que quer conferir e o poluente sobre o qual pretende obter dados. Estas duas informações são indispensáveis para o sistema possibilitar a visualização de dados. Sendo assim, sem este input grande parte das funcionalidades encontram-se inacessíveis por defeito, o que impede a ocorrência de alguns erros. Após esta selecção pode verificar-se de forma preditiva o nível de poluente para o distrito escolhido. Esta informação é apresentada em três áreas distintas, como se pode constatar na Figura 6.2. Figura 6.2 Opções de visualização para a funcionalidade Verificar : 1) Informação gráfica no mapa; 2) Nível do poluente em barra de referência, sendo o valor máximo alterado consoante o poluente escolhido; 3) Informação numérica em caixa de texto colorida. 90

105 Capítulo VI: Caso de Estudo, Desenvolvimento e Avaliação Para além desta previsão, o utilizador pode aferir do estado global no País para o nível do poluente seleccionando escolhendo a opção Perspectiva Global, Figura 6.3. Figura 6.3 Secção Perspectiva Global. Posteriormente, se a opção de visualização escolhida for a de Regiões, pode observar-se os valores do poluente seleccionado por região. Assim, para além do gráfico de barras, onde surgem os valores exactos para cada distrito, pode ter-se uma ideia global sobre o estado no país consoante o nível de poluente através do mapa colorido. Já se a opção de visualização escolhida for a de discos, para além do gráfico de barras já referido, pode ter-se uma ideia global sobre o estado no país através do mapa que contém discos cujo tamanho varia consoante o valor do poluente. Para além disto, caso se passe com o rato por cima de cada um dos discos tem-se acesso ao valor exacto, assim como o nome do distrito. Ao longo de todo este módulo, o índice de qualidade do ar varia de Muito Bom (verde claro) a Mau (vermelho) para cada poluente de acordo com a Classificação do Índice de Qualidade do Ar proposto para o ano 2011 pela Agência Portuguesa do Ambiente *QualAr+. b. Características Neste módulo para o poluente seleccionado são apresentadas as seguintes características: Efeitos do poluente na qualidade de vida; Fontes do poluente; Principais características do poluente; Animação sobre a evolução mundial do nível do poluente ao longo do tempo. 91

106 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Este género de informações é aqui apresentado como forma de tentar perceber se ao se possibilitar um maior conhecimento sobre a temática ao público em geral, este se predispõe mais eficazmente para a percepção dos dados que se pretendem visualizar. De facto, este módulo existe porque houve a tentativa de não negligenciar a relevância da informação e contextualização no processo perceptivo [Albright, 2002], e o papel que a atenção nele desempenha. Pois, o ser humano capta informação mais facilmente sobre assuntos sobre os quais está mais familiarizado e sobre os quais julga que lhe podem interessar no decorrer seu dia-a-dia. Por outro lado, deste modo, como o maior público-alvo não está confinado a especialistas, esta questão da complementaridade da informação é bastante relevante. c. Histórico Módulo onde o utilizador pode escolher um período de tempo e uma estação relativa ao distrito previamente seleccionado. Existem dados devidamente validados disponíveis entre os anos 2007 a Em seguida, após a escolha do tipo de gráfico pretendido é possível visualizar a evolução do nível do poluente escolhido ao longo do tempo, Figura 6.4. Figura 6.4 Módulo Histórico : 1) Tipos de gráficos disponíveis para consulta de informação; 2) Selecção de datas e estação para a criação do gráfico; 3) Conjunto de opções de formatação para personalização do gráfico; 4) Análise estatística dos dados; 5) Visualização alternativa - animação relativa à evolução dos dados apresentados no gráfico ao longo do tempo. 92

107 Capítulo VI: Caso de Estudo, Desenvolvimento e Avaliação A análise gráfica da informação torna mais simples a visualização de variações dos resultados e a parametrização dos dados, ainda mais quando se pretende obter tendências como é o caso deste conjunto de funcionalidades. Já a análise estatística é utilizada como ferramenta de transformação de dados em informação, permitindo uma mais rápida e eficaz aquisição desta mesma informação por parte quem consulta este módulo. Por fim, outra das principais preocupações neste módulo foi a de adaptar o conteúdo de acordo com as preferências de cada utilizador, sendo isto uma forma da existir uma melhor relação entre utilizador e o sistema. A personalização diminui o tempo levado para encontrar e percepcionar os dados e proporciona conveniência e agilidade no processo de aquisição de informação [Gleitman, 2004]. d. Sobre o Projecto Módulo constituído por esclarecimentos complementares nomeadamente: e. Instruções Autores do projecto e sua filiação; Origem dos dados; Informações sobre a utilização dos dados; Informações sobre o sistema; Link para inquérito (testes). Neste módulo o utilizador encontra ajuda sobre o sistema e os passos que deve seguir para que a experiência de utilização seja satisfatória. De referir que esta ajuda é dinâmica, ou seja, depende do local do sistema onde o utilizador se encontra no momento em que a consulta. Esta ajuda é exibida numa nova janela para que a percepção da informação principal não seja afectada. Finalmente, ao longo da elaboração do sistema houve a preocupação de integrar o maior número possível de elementos multimédia. Assim, texto, sons, imagens, gráficos e animações são utilizados porque o multimédia é hoje um dos mais eficazes recursos para garantir a percepção e a acumulação de conhecimento. Isto acontece porque a partir do momento em que o utilizador é estimulado em mais do que um sentido, a capacidade de processamento e armazenamento das informações aumenta consideravelmente [Li, 2004]. Nota 1: Para a simulação de previsões actualizadas foram utilizados dados que remontam a 2009, uma vez que foram até ao momento os últimos a serem validados. Nota 2: No âmbito deste projecto o valor 0 (zero) indica ausência de dados registados e não inexistência de poluente. 6.3 Avaliação do sistema de visualização Inquérito Inquéritos constituem um dos instrumentos mais utilizados no âmbito da investigação aplicada, nomeadamente nas áreas sociais. Desde os estudos de mercado às pesquisas 93

108 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação puramente teóricas, passando pelas sondagens de opinião, poucos são os estudos que não se apoiam, parcial ou totalmente, em informações recolhidas com base em inquéritos. Sendo uma técnica não documental de observação indirecta, o inquérito pode ser encarado como um processo completo (desde a recolha, à análise, utilizando várias técnicas), sendo o questionário um instrumento de notação [Hill, 2000]. No questionário elaborado neste projecto houve a tentativa de colocar perguntas que recorressem a palavras simples e a uma linguagem acessível, clara e precisa (eliminando a possibilidade de interpretações subjectivas por parte do inquirido). As questões definidas foram assim curtas e directas (evitando as negações e sobretudo as duplas-negações). A plataforma computacional escolhida para a elaboração do inquérito foi a tecnologia Google Docs devido à sua simplicidade em criar, editar e carregar documentos rapidamente, permitindo um acesso e edição a partir de qualquer localização. Para além disto, a sua partilha é também facilitada, sendo também possível a visualização de resultados em tempo real. O questionário desenvolvido foi dividido em diferentes secções para uma melhor organização, sendo que cada secção corresponde a um módulo do sistema de visualização. No início do questionário, existe uma pequena introdução sobre qual o objectivo do mesmo e as vantagens que o estudo pode trazer para a sociedade. As primeiras questões são simples e relativas a dados pessoais, para evitar que o inquirido possa perder o interesse de responder. Com o decorrer do questionário as perguntas tornam-se mais específicas e relativas a cada módulo do sistema desenvolvido. O processo de elaboração das questões teve a preocupação que estas fossem curtas e sequenciais, sem repetições nem descontextualizações. Quanto ao tipo, as questões utilizadas são na sua grande maioria questões fechadas, o que permite que as pessoas inquiridas respondam somente àquilo que lhes é apresentado como modalidades de resposta, o que facilita o tratamento dos dados. Porém, no final de cada secção do inquérito existe uma pergunta de resposta aberta que visa o apuramento de sugestões de melhoramento do módulo em causa, uma vez que um questionário totalmente fechado torna-se rapidamente fastidioso. De facto, apoiando-se nas listas de respostas que lhes são apresentadas, os participantes podem reflectir cada vez menos e tomar cada vez menos cuidado com o que respondem. Ainda no que concerne às questões fechadas, foi utilizada preferencialmente uma escala ordinal de 1 a 5 (escala de Likert) [Hill, 2000], o que permite estabelecer uma ordenação das categorias nas quais os dados são classificados de acordo com uma sequência com significado. Após o questionário ter sido totalmente respondido, cada item pode assim ser analisado separadamente e, em alguns casos, as respostas dadas podem ser somadas para criar um resultado por grupo de itens. Como é normal em qualquer sondagem, o inquérito é aplicado a uma amostra retirada de uma população [Vicente, 1996]. Conceber e levar à prática um estudo por sondagem é um processo complexo envolvendo diversas fases independentes, Figura

109 Capítulo VI: Caso de Estudo, Desenvolvimento e Avaliação Figura 6.5 Fases da elaboração de um questionário (retirado de [Vicente, 1996]). A vantagem do esquema apresentado na Figura 6.5 é a ilustração clara da fase de amostragem (nível "escolha da amostra"), dentro do processo de sondagem. Tal amostra é descrita em pormenor na secção seguinte Amostra Como a ferramenta de visualização desenvolvida tem como público-alvo uma população indefinida, foi decidido realizar a análise experimental com um grupo de indivíduos mais diverso, uma vez que as tarefas exigidas nos testes são, na sua essência, tarefas de pesquisa visual. Uma segunda fase de testes, contemplou contudo uma amostra que incidia mais concretamente no universo de especialistas em aspectos relacionados com a qualidade do ar, servindo isto para a futura análise e comparação de resultados. A amostra utilizada (actualmente constituída por 39 sujeitos) foi obtida essencialmente na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP). Dos 39 sujeitos, 20 eram do sexo masculino (51%) e 19 do sexo feminino (49%). No que concerne à idade, 29 sujeitos tinham entre 18 e 30 anos (74%) e 10 sujeitos entre 31 e 64 anos (26%). A maioria dos sujeitos (34) possuía formação superior, frequentando 20 sujeitos bacharelato ou licenciatura (51%) e 14 mestrado ou doutoramento (36%). Cinco sujeitos frequentavam ainda o ensino secundário (13%). Apenas 10 sujeitos indicaram possuir grande experiência em sistemas de visualização (26%), 22 afirmaram ter alguma experiência (56%) e 7 pouca experiência (18%). A totalidade dos sujeitos afirmou ainda que possuía suficiente (ou superior) competência informática. Desta amostra, 14 sujeitos consideram-se como especialistas em qualidade do ar (36%); os restantes 25 (64%) possuíam poucos conhecimentos nesta temática. 95

110 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Resultados Após a realização dos testes, os dados obtidos foram tratados com recurso às ferramentas do Google Docs, tendo-se começado por realizar uma análise descritiva das variáveis. As percentagens obtidas foram arredondadas para valores inteiros, podendo não ser os valores exactos. No teste do módulo Início verificou-se que a maior parte dos inquiridos preferiu visualizar os dados directamente no mapa (67%), seguindo-se a opção de visualizar os dados numa caixa de texto (21%). A visualização do nível do poluente numa barra de referência obteve somente a preferência de 12% dos inquiridos, Tabela 5. Tabela 5 Alternativa da visualização preferida pelos inquiridos no módulo Início. Alternativa de visualização Nº de respostas Percentagem Informação no mapa 26 67% Informação numérica na caixa de texto colorida 8 21% Nível do poluente na barra de referência 5 12% Em seguida, e tendo em conta a alternativa escolhida anteriormente, foi ainda pedido aos sujeitos que se pronunciassem sobre a sua classificação, nomeadamente quanto à percepção da informação. Aqui os resultados foram igualmente esclarecedores, já que 62% dos inquiridos consideraram que a alternativa seleccionada é muito eficaz no que concerne à transmissão de informação, Figura 6.6; 33% consideraram-na algo eficaz mas incompleta e apenas dois inquiridos (5%) manifestaram-se de forma negativa quanto à sua eficácia. Figura 6.6 Resultados relativos à classificação da alternativa da visualização preferida no módulo Início, quanto à percepção da informação. 96

111 Capítulo VI: Caso de Estudo, Desenvolvimento e Avaliação Finalmente, a última questão relativa ao módulo Início, era relativa à secção Perspectiva Global e pretendia também aferir das preferências do inquirido, fazendo-o comparar duas alternativas de visualização. Assim, perto de três quartos dos sujeitos (74%) preferiram a visualização colorida por regiões, contrariamente a 21% que escolheram a opção de discos de tamanho variável, já 5% dos sujeitos consideraram ambas as soluções inadequadas, Tabela 6. Tabela 6 Alternativa da visualização preferida pelos inquiridos na secção Perspectiva Global do módulo Início. Alternativa de visualização Nº de respostas Percentagem Visualização colorida por regiões 29 74% Visualização de discos por regiões 8 21% Nenhuma 2 5% Passando ao módulo Características, foi pedido aos inquiridos que classificassem a pertinência da informação apresentada nessa secção acerca dos diversos poluentes. Neste âmbito, 59% dos sujeitos qualificaram a informação disponível como Boa (41%) ou Muito Boa (18%), sendo que apenas cerca de 8% dos inquiridos classificaram negativamente a informação apresentada, Tabela 7. Tabela 7 Classificação à pertinência da informação apresentada na secção Características acerca dos vários poluentes. Classificação da informação Nº de respostas Percentagem Mau 2 5% Fraco 1 3% Médio 13 33% Bom 16 41% Muito Bom 7 18% 97

112 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação No módulo Histórico, o objectivo do inquérito era a comparação de dois tipos de gráfico, nomeadamente em relação aos diferentes espaços temporais em que eles podem operar. Assim, para espaços temporais curtos (por exemplo, dias) o tipo de gráfico preferido foi o gráfico de pontos com 54% das respostas; o gráfico com grelha obteve a preferência de 44% dos inquiridos e um sujeito considerou ambas as alternativas inadequadas para a representação dos dados, Tabela 8. Tabela 8 Tipo de gráfico mais adequado para representar o nível do poluente em espaços temporais curtos. Tipo de gráfico Nº de respostas Percentagem Gráfico com grelha 17 44% Gráfico com pontos 21 54% Nenhum 1 2% Já para espaços temporais mais longos, como meses, o tipo de gráfico preferido foi o gráfico com grelha com 59% das respostas; o gráfico de pontos obteve a preferência de 36% dos inquiridos e 5% dos sujeitos consideraram ambas as alternativas inadequadas para a representação dos dados, Tabela 9. Tabela 9 Tipo de gráfico mais adequado para representar o nível do poluente em espaços temporais longos. Tipo de gráfico Nº de respostas Percentagem Gráfico com grelha 23 59% Gráfico com pontos 14 36% Nenhum 2 5% 98

113 Capítulo VI: Caso de Estudo, Desenvolvimento e Avaliação Para além dos testes aos módulos específicos, foi ainda proposto aos inquiridos que se manifestassem relativamente a outros aspectos importantes neste projecto. O primeiro aspecto considerado foi a componente sonora presente na aplicação. Neste âmbito, apenas 13% dos inquiridos consideraram o aspecto sonoro muito relevante; 49% classificaram-no como parcialmente relevante e 38% dos sujeitos consideraram mesmo o feedback sonoro como pouco relevante para a aplicação, Figura 6.7. Figura 6.7 Relevância do feedback sonoro no projecto. Outro dos aspectos considerados no inquérito foi pedir aos inquiridos que avaliassem a usabilidade do sistema. Assim, 56% dos sujeitos consideraram a usabilidade como boa (56%) ou muito boa (3%), e 13% (5 pessoas) avaliaram-na negativamente, Tabela 10. Tabela 10 Classificação da usabilidade do sistema. Classificação da usabilidade do sistema Nº de respostas Percentagem Mau 1 3% Fraco 4 10% Médio 11 28% Bom 22 56% Muito Bom 1 3% Finalmente, dois aspectos foram ainda alvo deste inquérito: 1) saber se os sujeitos consideravam importante conhecer dados relativos à qualidade do ar na sua região, e 2) se 99

114 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação este sistema cumpria o objectivo de proporcionar uma visualização dos dados relativos à qualidade do ar de forma adequada. Quanto ao primeiro caso, os inquiridos foram unânimes em considerar o conhecimento sobre dados relativos à qualidade do ar como importante, sendo que 74% deles consideraram mesmo esta consciência como muito importante, Tabela 11. Tabela 11 Importância de dados sobre qualidade do ar. Importância de dados sobre qualidade do ar Nº de respostas Percentagem Muito importante 29 74% Algo importante 10 26% Pouco importante 0 0% No que concerne ao segundo caso, 49% dos inquiridos consideraram que o sistema desenvolvido cumpre em parte os objectivos considerados e 44% que todos os objectivos foram cumpridos. Três sujeitos avaliaram ainda negativamente o sistema, Tabela 12. Tabela 12 Classificação geral ao sistema. Avaliação sistema (objectivos propostos) Nº de respostas Percentagem Cumpre na sua totalidade 17 44% Cumpre em parte 19 49% Não cumpre 3 7% No que concerne aos problemas ocorridos durante a execução do programa, verificou-se que a grande maioria (74%) dos inquiridos não registou qualquer anomalia. De facto, somente 10 sujeitos (26%) sentiram alguma dificuldade durante a fase de testes. O problema mais vezes 100

115 Capítulo VI: Caso de Estudo, Desenvolvimento e Avaliação reportado foi a lentidão do sistema (60%), seguindo-se problemas numa funcionalidade específica (30%), como a visualização da animação acerca da evolução do poluente Discussão O primeiro objectivo de investigação delineado dizia respeito à avaliação do impacto do uso dos factores repetição e proximidade na gestão da atenção. Assim, tendo em conta os resultados obtidos, verificou-se que os sujeitos preferiram em grande maioria observar os dados directamente no mapa, o que verifica a hipótese previamente formulada de que a repetição é importante para identificar elementos, possíveis de serem visualizados em locais diferentes do mesmo ambiente. De facto, a informação no mapa aparecia numa animação em loop o que tornou menos relevante o factor proximidade, utilizado nas restantes alternativas de visualização. A repetição tinha ainda como objectivo aproximar os elementos que têm alguma ligação o que foi conseguido já que o mapa disponibilizado situava-se num local algo distante relativamente ao foco de atenção. Já o segundo objectivo de investigação visava determinar a importância da utilização da cor como forma de segmentação de elementos e informação na tarefa de procura visual. Ao se observarem os resultados, foi possível atestar facilmente que esta importância não é relativa; o contraste é de facto uma das mais importantes atracções visuais de uma página. Assim, 71% dos inquiridos preferiram na secção Perspectiva Global, uma visualização colorida (e delimitadora) das regiões ao invés de discos com informações para cada distrito. Por outro lado, também na secção inicial do sistema a preferência dos utilizadores pela visualização no próprio mapa (67% dos inquiridos) não se fica totalmente a dever ao factor repetição, havendo a considerar de igual forma o contraste como factor diferenciador da informação. O terceiro objectivo de investigação pretendia comparar diferentes tipos de gráficos a sua adequação a espaços temporais pré-determinados. Assim, era possível ao utilizador seleccionar dois tipos de gráficos (com grelha ou com pontos), sendo que nesta investigação se pretendia determinar se ambos se apropriavam na representação de dados para espaços temporais quer curtos, quer longos. Para espaços temporais longos, os resultados foram esclarecedores uma vez que perto de 60% dos inquiridos se manifestaram preferencialmente a favor do gráfico com grelha como representação da informação, contra os 36% favoráveis ao gráfico com pontos. Já para espaços temporais curtos, os resultados foram menos elucidativos embora a maioria (54%) se tenha decidido pelo gráfico com pontos. Estes resultados podem-se explicar com o facto de a grelha permitir que os utilizadores resumam e analisem rapidamente grandes quantidades de dados no gráfico, enquanto os pontos possibilitam avaliar mais facilmente a relação as variáveis em causa num determinado momento. A hipótese de diferentes características de gráficos se adequarem a diferentes espaços temporais, consoante a sua extensão foi desta forma corroborada. Por último, o quarto objectivo principal de investigação visava aferir da importância da utilização de elementos sonoros como forma de complemento à percepção visual. Neste caso, a hipótese da estimulação de mais do que um sentido num sistema de visualização poder facilitar a percepção dos dados não foi confirmada. Com efeito, apenas 13% dos inquiridos considerou o feedback sonoro como muito relevante, tendo mesmo 38% caracterizado a componente sonora como pouco relevante. Tal facto pode dever-se a uma escolha de sons 101

116 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação menos apropriada relativamente às características dos inquiridos e ao factor de distracção que as animações sonoras podem provocar na retenção da informação essencial. Utilizador comum versus Especialista No âmbito da discussão sobre os resultados obtidos houve a preocupação de se analisar se existiam diferenças significativas entre dois tipos de perfis de utilizadores distintos; nomeadamente, utilizadores comuns e especialistas em qualidade do ar. Como já foi referido, desta amostra 14 sujeitos consideram-se como especialistas em qualidade do ar (36%); os restantes 25 (64%) possuíam poucos conhecimentos nesta temática. Esta distinção foi feita considerando a questão do inquérito relativa ao nível de conhecimentos do inquirido em termos de qualidade do ar. Entre as diferenças encontradas entre os dois perfis, foram seleccionadas aquelas que pareceram mais relevantes tendo em conta a especificidade do trabalho realizado, assim como aquelas que permitem uma análise mais completa e objectiva dos resultados. Desta forma, e relativamente às alternativas de visualização presentes na secção inicial do trabalho, destacase a tendência de preferência dos especialistas sobre uma visualização onde se comparem os dados com valores de referência normalizados, ao invés dos utilizadores comuns que se satisfazem com o nível actual do poluente em causa, Tabelas 13 e 14. Assim, e como seria espectável, os especialistas preferem um tipo de visualização de dados com um carácter científico mais vincado e que permita uma mais eficaz e completa análise de informação. Tabela 13 Alternativa da visualização preferida pelos inquiridos considerados comuns no módulo Início. Alternativa de visualização Nº de respostas Percentagem Informação no mapa 16 64% Informação numérica na caixa de texto colorida 7 28% Nível do poluente na barra de referência 2 8% Tabela 14 Alternativa da visualização preferida pelos inquiridos considerados especialistas no módulo Início. Alternativa de visualização Nº de respostas Percentagem Informação no mapa 10 71% Informação numérica na caixa de texto colorida 1 7% Nível do poluente na barra de referência 3 22% Já na secção Perspectiva Global as diferenças entre os perfis de utilizadores foram praticamente nulas, Tabelas 15 e 16. Assim, nem o facto de os discos terem tamanhos distintos devido à concentração de poluente por distrito influenciou a sua escolha. Seria de supor que esta possibilidade de se percepcionarem dados adicionais poderia levar os utilizadores, nomeadamente os especialistas, a preferirem uma visualização mais completa de informação; porém, os resultados indicam que esta possibilidade não se confirmou. 102

117 Capítulo VI: Caso de Estudo, Desenvolvimento e Avaliação Tabela 15 Alternativa da visualização preferida pelos inquiridos considerados comuns na secção Perspectiva Global do módulo Início. Alternativa de visualização Nº de respostas Percentagem Visualização colorida por regiões 18 72% Visualização de discos por regiões 5 20% Nenhuma 2 8% Tabela 16 Alternativa da visualização preferida pelos inquiridos considerados especialistas na secção Perspectiva Global do módulo Início. Alternativa de visualização Nº de respostas Percentagem Visualização colorida por regiões 11 79% Visualização de discos por regiões 3 21% Nenhuma 0 0% Quanto à informação complementar apresentada no módulo Características, constatou-se facilmente que esta foi melhor classificada pelos sujeitos especialistas, Tabelas 17 e 18. Assim, tudo permite concluir que a informação apresentada é cientificamente válida, embora o utilizador comum não se sinta tão esclarecido com ela quanto seria de esperar. Tal facto pode sugerir que as informações apresentadas em trabalhos deste âmbito devem apresentar a maior simplicidade possível para evitar que os utilizadores com menos conhecimentos em questões ambientais se sintam excluídos. Tabela 17 Classificação à pertinência da informação apresentada na secção Características acerca dos vários poluentes - inquiridos considerados comuns. Classificação da informação Nº de respostas Percentagem Mau 2 8% Fraco 1 4% Médio 9 36% Bom 9 36% Muito Bom 4 16% Tabela 18 Classificação à pertinência da informação apresentada na secção Características acerca dos vários poluentes - inquiridos considerados especialistas. Classificação da informação Nº de respostas Percentagem Mau 0 0% Fraco 0 0% Médio 4 29% Bom 7 50% Muito Bom 3 21% No módulo Histórico, onde o inquérito pretendia aferir das preferências dos utilizadores relativas a dois tipos de gráfico, regista-se que os resultados do perfil especialistas são 103

118 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação bastante mais conclusivos e as escolhas bem vincadas. Assim, para espaços temporais curtos o utilizador comum não conseguiu encontrar diferenças relevantes na percepção dos dados, sendo que para espaços mais longos os resultados para ambos os perfis já se equiparam mais, Tabelas A alta percentagem de resposta Gráfico com grelha na comparação entre os gráficos, especialmente para espaços temporais curtos, parece indicar que os utilizadores comuns preocupam-se mais em perceber e determinar tendências de evolução, enquanto que os especialistas para além disto, procuram ainda uma pormenorização da informação o que facilita a análise de eventuais desvios na evolução dos níveis de poluente ao longo do tempo. A preferência pelo Gráfico com pontos é um factor indicador disso mesmo. Tabela 19 Tipo de gráfico mais adequado para representar o nível do poluente em espaços temporais curtos - inquiridos considerados comuns. Tipo de gráfico Nº de respostas Percentagem Gráfico com grelha 12 48% Gráfico com pontos 12 48% Nenhum 1 4% Tabela 20 Tipo de gráfico mais adequado para representar o nível do poluente em espaços temporais curtos - inquiridos considerados especialistas. Tipo de gráfico Nº de respostas Percentagem Gráfico com grelha 5 36% Gráfico com pontos 9 64% Nenhum 0 0% Tabela 21 Tipo de gráfico mais adequado para representar o nível do poluente em espaços temporais longos - inquiridos considerados comuns. Tipo de gráfico Nº de respostas Percentagem Gráfico com grelha 14 56% Gráfico com pontos 9 36% Nenhum 2 8% Tabela 22 Tipo de gráfico mais adequado para representar o nível do poluente em espaços temporais longos - inquiridos considerados especialistas. Tipo de gráfico Nº de respostas Percentagem Gráfico com grelha 9 64% Gráfico com pontos 5 36% Nenhum 0 5% Por fim, quanto à avaliação global do sistema tendo em conta os objectivos propostos, registam-se grandes semelhanças entre os resultados de ambos os perfis de utilizadores, sendo contudo de realçar a curiosidade que as 3 pessoas que avaliaram negativamente o sistema eram utilizadores comuns. De facto, seria de esperar que os especialistas tivessem um 104

119 Capítulo VI: Caso de Estudo, Desenvolvimento e Avaliação maior grau de exigência em relação a um trabalho cujo âmbito lhes é afecto, o que não se verificou, Tabelas 23 e 24. Tal facto pode indiciar que alguns utilizadores não compreenderam totalmente os objectivos deste sistema de visualização ou que não se sentiram sensibilizados o suficiente para questões de ordem ambiental aquando do teste ao protótipo desenvolvido. Tabela 23 Classificação geral ao sistema - inquiridos considerados comuns. Avaliação sistema (objectivos propostos) Nº de respostas Percentagem Cumpre na sua totalidade 10 40% Cumpre em parte 12 48% Não cumpre 3 12% Tabela 24 Classificação geral ao sistema - inquiridos considerados especialistas. Avaliação sistema (objectivos propostos) Nº de respostas Percentagem Cumpre na sua totalidade 7 50% Cumpre em parte 7 50% Não cumpre 0 0% Linhas de orientação futuras Tendo em conta os resultados de investigação obtidos, várias desenvolvimento futuro são apresentadas de seguida. possibilidades de Relativamente às questões da interface desenvolvida, e embora o software construído seja capaz de simular um sistema de visualização de dados relativo à qualidade do ar, várias melhorias poderão fazer parte de uma nova versão. Estas melhorias teriam como principal objectivo principal testar estratégias gráficas de visualização de informação em contextos onde as tarefas de procura e análise visual fossem de maior complexidade. Entre estas melhorias encontram-se também algumas sugestões de melhoria ao sistema desenvolvido, solicitadas aos inquiridos no fim de cada secção relativa aos diferentes módulos, para além das respostas às questões do inquérito. Sugestões Globais: Mostrar a ajuda (opção Instruções ) no ecrã principal; Melhorar a posição da informação relativa às unidades de medida e legendas dos mapas; Caractere de decimais deve ser a vírgula e não o ponto; Melhorar a componente sonora; Aumentar em tamanho as áreas de clique; Existência de um lista de opções para poluentes e distritos, para evitar que o utilizador, para mudar de poluente e/ou distrito, tenha de voltar à página inicial. Módulo Início : Existir um distrito e poluente seleccionados por defeito; 105

120 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Existir uma alternativa para a selecção de distrito, ao invés deste processo ser só possível no mapa; Melhorar e optimizar a escala dos discos representados na secção Perspectiva Global ; Apresentar informação presente na secção Perspectiva Global directamente no mapa inicial; Definir escalas por intervalos de valores; Existir forma de comparar dados relativos a vários poluentes nos gráficos em simultâneo; Melhorar o gráfico de barras que indica a Evolução Nacional de cada poluente, colocando informação dentro ou no final de cada barra. Módulo Características : Apresentar informação relativa às formas de precaver a exposição aos poluentes; Apresentar informação relativa às formas de contribuir para melhorias dos diversos parâmetros (se aplicável); Aumentar tamanho das animações. Módulo Histórico : Parametrizar a taxa da reprodução temporal da "Evolução"; Fornecer pistas visuais (clues) que permitam uma rápida interpretação sobre se o parâmetro está a aumentar ou diminuir (por exemplo: através de um rasto visual translúcido); Colocar animação Evolução junto ao gráfico gerado inicialmente; Possibilitar a opção de zoom no eixo do tempo. Considerando o objectivo e dimensão deste trabalho, embora o estudo teórico realizado se tenha centrado num conjunto algo vasto de áreas de estudo, foi dada na parte prática uma maior importância aos factores relativos à informação contida no estímulo. Assim, na análise realizada ao problema da gestão dos recursos cognitivos, foram discutidas algumas formas de melhorar essa gestão, através de uma melhoria do lado do estímulo. Uma vez que os processos de pesquisa visual estão ligados a tarefas cognitivas mais complexas, seria também interessante estudar as implicações do uso de visualizações como a apresentada nesta Dissertação nessas tarefas. Com efeito, avaliar as implicações que resultam do uso de filtros visuais em termos da memorização de informação e aprendizagem, por exemplo, teria um grande impacto em trabalhos futuros dentro desta temática. 106

121 Capítulo VII: Conclusões Finais e Perspectivas Futuras

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123 Capítulo VII: Conclusões Finais e Perspectivas Futuras 7.1 Conclusões Finais A maior parte das conclusões e outras considerações tidas como relevantes para esta Dissertação foram sendo relatadas ao longo dos vários capítulos anteriores. Assim, procura-se, em seguida, efectuar sobretudo uma síntese dos aspectos mais essenciais no trabalho desenvolvido. Do estudo realizado, pode afirmar-se que o desenvolvimento de técnicas de visualização tem sido, por norma, baseado em implementações experimentais avaliadas de forma empírica e isolada. Apesar da existência de inúmeras directrizes clássicas [Tufte, 1983] e uma constante preocupação com aspectos relacionados com a interacção homem-computador, alguns elementos das representações visuais podem tornar-se problemáticos se não forem definidos mecanismos de interacção para minimizar o seu impacto no processo de percepção. Pois, aspectos como a oclusão de objectos, desordem visual e desorientação visual, dificultam a interpretação da informação pelo utilizador [Freitas, 2001]. A oclusão de objectos ocorre quando existe um grande volume de informação e alguns elementos se sobrepõem a outros. Já a desordem visual decorre da dificuldade de reconhecimento e interpretação pelo utilizador de muitos elementos (não necessariamente sobrepostos) presentes na visualização, forçando assim a uma sobrecarga no seu sistema cognitivo. Para resolver tais problemas, algumas técnicas utilizam características de realismo, tais como sombra e transparência, tornando a localização dos objectos mais clara ao utilizador. Podem ser ainda proporcionados mecanismos básicos de manipulação geométrica, como rotação, mudança de escala e translação dos objectos, para a minimização destes dois problemas. Outras técnicas podem apresentar o problema de desorientação visual, que ocorre quando o utilizador tem dificuldade em manter a sua atenção focalizada (concentrada) aquando da troca do ponto de vista e/ou retorno a situações anteriores. Técnicas foco+contexto tentam minimizar esta desorientação evitando que informações desapareçam e apresentando ao mesmo tempo transições suaves e animadas entre dois momentos no processo interactivo [Freitas, 2001]. Esta Dissertação pretendeu ainda evidenciar as características perceptivas ao nível mais baixo de abstracção, no qual se incluem os processos neurofisiológicos. Esta análise foi de grande importância, uma vez que é neste nível que residem muitas das justificações para a forma como o ser humano percepciona o que o rodeia. Foram ainda descritos os principais mecanismos fisiológicos da percepção visual, estabelecendo-se que no processo perceptivo interagem factores externos, ou sensoriais, e factores internos, ou cognitivos. Noutro âmbito foram também apresentadas evidências relativas à maneira como o sistema perceptivo humano organiza a informação visual de determinada forma. A este nível foram focados aspectos que envolvem a interacção entre a informação sensorial e o conhecimento do observador, tendo sido consideradas contudo as limitações do sistema cognitivo em termos de selectividade visual e capacidade visual de processamento. Através da descrição das bases fisiológicas da percepção e os fenómenos perceptivos que as exemplificam, no que concerne à percepção da cor, luminosidade, forma e movimento, entrou-se também no domínio da aplicação prática do conhecimento relativo ao sistema cognitivo. 109

124 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação O trabalho de investigação que esta Dissertação documenta, centrou-se na premissa de que o desenvolvimento de sistemas de visualização adequados deve basear-se no conhecimento das características da percepção visual humana. Assim, o argumento proposto nesta Dissertação foi que considerando os mecanismos perceptivos humanos, existem formas mais adequadas de representar informação. Esta ideia fundamentou-se, por seu turno, na verificação de que o sistema perceptivo do Homem se desenvolveu, incorporando um conjunto de regras heurísticas, de acordo com as propriedades do meio ambiente que o rodeia. A investigação experimental realizada focou também aspectos particularmente relacionados com o caso de estudo considerado: a qualidade do ar, uma vez que é indispensável possuir conhecimento acerca dos dados que se pretendem visualizar, sob pena de o sistema se tornar inadequado e/ou ineficaz. Esta tentativa de adaptação e adequação é facilmente perceptível na análise aos resultados obtidos na avaliação efectuada sobre o sistema desenvolvido. De facto, quer a análise global, quer a análise comparativa entre dois tipos de perfis de utilizadores distintos do sistema (comuns e especialistas), foi essencial para a posterior indicação de linhas de orientação, que visam garantir que trabalhos futuros realizados no âmbito desta temática, não tenham de partir do necessariamente do zero. Em suma, esta Dissertação contribui para o conhecimento nas áreas associadas, em particular, da visualização e percepção de informação, não só através de uma organização e síntese do conhecimento existente, mas também ao acrescentar novos conhecimentos relativos à aplicação de estratégias gráficas no domínio das interfaces para dados sobre a qualidade do ar ou outros factores ambientais. Este trabalho contribui ainda para a promoção do desenvolvimento seguro e eficiente de futuros sistemas computacionais de visualização, sublinhando e fortalecendo a importância do paradigma de desenvolvimento de soluções centradas no utilizador. 7.2 Perspectivas Futuras É inegável que a percepção humana desempenha um papel de grande importância na eficácia do processo de visualização de dados. Contudo, contornar o problema da integração de requisitos da percepção humana na visualização computacional de dados exige cada vez mais esforços de diferentes áreas científicas. De facto, quando a quantidade de dados se torna de elevada dimensão e com multiplicidade de atributos, o seu mapeamento computacional é bastante complexo, tendo em vista uma visualização adequada. Neste âmbito, trabalhos recentes em percepção e cognição, com base no design, têm vindo a produzir novas soluções para a visualização de dados [Tory, 2004]. Exemplos específicos incluem maneiras de melhorar a percepção da forma 3D, técnicas para que exista uma mais fácil distinção de objectos em destaque, novos métodos de interacção, processamento mais rápido para uma melhor interactividade e métodos de redução do uso de memória computacional (visualização de detalhes e/ou contexto). Como muitas destas áreas de pesquisa ainda não atingiram o seu pleno potencial, o futuro parece assim ser muito promissor. Adicionalmente, muitos tópicos de design baseados em factores humanos ainda não foram explorados pelos investigadores em grande profundidade, uma vez que grande parte da metodologia actual para a elaboração de sistemas de visualização revela-se informal e ad hoc. Desta forma, desenvolver métodos rápidos de 110

125 Capítulo VII: Conclusões Finais e Perspectivas Futuras prototipagem e avaliação, especificamente para a visualização, pode diminuir significativamente o tempo e o esforço investidos em projectos ineficazes e, assim, acelerar o progresso na investigação do processo de visualização [Tory, 2004]. Uma nova metodologia específica para a apresentação visual de dados, está assim a ser desenvolvida, constando esta numa adaptação dos métodos actuais como forma de determinar e avaliar as suas próprias insuficiências e virtudes. Quanto ao sistema de visualização desenvolvido nesta Dissertação, e tendo em conta a análise dos resultados de avaliação obtidos e a experiência conseguida, existem alguns melhoramentos que podem ser realizados no sistema desenvolvido bem como adoptados noutros sistemas: O contraste é uma das mais importantes atracções visuais de uma página, sendo um dos seus principais objectivos diferenciar elementos que não fazem parte da mesma família visual. Desta forma, é possível evitar uma possível dificuldade na leitura, tentando diferenciar os elementos similares através de mudanças de tipo, cor, tamanho, espessura, forma e espaço; A repetição tem como objectivo aproximar os elementos estão por alguma forma relacionados; através do seu uso é possível criar uma organização que fortalece a unidade; O alinhamento é essencial para um bom design. Nada deve ser colocado arbitrariamente e os elementos devem manter uma ligação visual com outros elementos. Desta forma, é mantida uma boa aparência e uma leitura agradável; A proximidade tem como objectivo agrupar elementos que estão relacionados entre si. Assim, vários itens próximos tornam-se uma unidade visual, gerando esta uma organização das informações que o facilita a percepção; Deve existir algum cuidado na escolha do gráfico a apresentar numa qualquer visualização de dados. Gráficos com grelha permitem que os utilizadores resumam e analisem rapidamente grandes quantidades de dados no gráfico, o que possibilita a observação de tendências (ideais para espaços temporais longos). Gráficos com pontos possibilitam avaliar mais facilmente a relação as variáveis em causa num determinado momento (ideais para espaços temporais curtos); A estimulação de mais do que um sentido num sistema de visualização pode facilitar a percepção dos dados, mas há que ter em atenção a sua coerência e integração com o sistema, sob pena de o efeito desejado se inverta, gerando ruído na mensagem a transmitir; A utilização de informação complementar pode funcionar como forma de propensão para a tarefa de visualização, desde que pertinente e adequada aos diferentes perfis de utilizadores. 111

126 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação 112

127 Bibliografia

128

129 Bibliografia [Albright, 2002] Albright, T.D. and Gene R.S. "Contextual Influences on Visual Processing", Annual Review of Neuroscience 25(1): , 2002 [Alexandre, 2007] Alexandre, D.S. and Tavares, J.M.R.S. Factores da Percepção Visual Humana na Visualização de Dados, Congresso de Métodos Numéricos em Engenharia (CMNE) / XXVIII CILAMCE - Congresso Ibero Latino-Americano sobre Métodos Computacionais em Engenharia, Porto, Portugal, 2007 [Andrews, 1998] Andrews, K. and Heidegger, H. Information Slices: Visualization and Exploring Large Hierarchies using Cascading, Semi- Circular Discs, Proceedings IEEE Symposium on Information Visualization (InfoVis'98), 1998 [Baumann, 1997] Baumann, R., van der Zwan, R. and Peterhans, E. Figure-ground segregation at contours: a neural mechanism in the visual cortex of the alert monkey, European Journal of Neuroscience 9(6): , 1997 [Biederman, 1973] Biederman, I., Glass A.L. and Stacy, E.W., Jr. "Searching for objects in real-world scenes", Journal of Experimental Psychology 97(1):22-27, 1973 [Biederman, 1987] Biederman, I. Recognition-by-components: A theory of human image understanding, Psychological Review 94(2): , 1987 [Bridgeman, 1991] Bridgeman, B. and Stark, L. Ocular proprioception and efference copy in registering visual directions, Vision Research 31(11): , 1991 [Cant, 2008] Cant, J.S., Large, M.E, McCall, L. and Goodale, M.A. Independent processing of form, colour, and texture in object perception, Perception 37(1):57-78, 2008 [Card, 1999] Card, S.K., Mackinlay, J. and Shneiderman, B. Readings in Information Visualization: using vision to think, Morgan Kaufmann Publishers, 1999 [Cava, 2001] Cava, R.A. and Freitas, C.M.D.S. Node-Edge Diagram Layout for Displayng Hierarchies, Simpósio Brasileiro de Computação Gráfica e Processamento de Imagens, Santa Catarina, 2001 [Chapman, 2009] Chapman, C. 50 Great Examples of Data Visualization, great-examples-of-data-visualization/ (acesso em 02/2011), 2009 [Chen, 2005] Chen, C. Top 10 unsolved information visualization problems, IEEE Computer Graphics and Applications 25(4):12-16,

130 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação [Chi, 1998] Chi, E.H. and Riedl, J.T. An Operator Interaction Framework for Visualization Spreadsheets, Proceedings IEEE Symposium on Information Visualization (InfoVis'98), 1998 [Chuah, 1998] Chuah, M.C. and Eick, S.G. Information Rich Glyphs for Software Management Data, IEEE Computer Graphics and Applications, 18(4):24-29, 1998 [Distler, 1993] Distler, C., Boussaoud, D., Desmone, R., and Ungerleider, L.G. Cortical connections of inferior temporal area TEO in Macaque monkeys, Journal of Comparative Neurology 334(1): , 1993 [Eysenck, 2005] Eysenck, M.W. and Keane M.T. "Cognitive Psychology: a Student's Handbook, 5th Ed., Hove and New York, Psychology Press, 2005 [Fechner, 1966] Fechner, G. Elements of psychophysics (Howes, D.H. and Boring, E.G., Edit.; Adler, H. Trans.), New York: Holt, Rinehart and Winston, 1966 [Freitas, 2001] Freitas, C., Chubachi, O., Luzzardi, P. and Cava, R. Introdução à Visualização de Informações, Revista de Informática Teórica e Aplicada (RITA) 8(2): , 2001 [Friedman, 2007] Friedman, V. Data Visualization: Modern Approaches, (acesso em 02/2011), 2007 [Friendly, 2004] Friendly, M. Milestones in the history of data visualization: A case study in statistical historiography, Studies in Classification, Data Analysis, and Knowledge Organization, New York: Springer, pp , 2004 [Fry, 2008] Fry, B. Visualization Data, 1st Ed., O'Reilly Media, 2008 [Furnas, 1999] Furnas, G.W. The FishEye View: A New Look at Structured Files, Murray Hill, NJ: AT&T Bell Laboratories, Reprinted in Card, S.K.; Mackinlay, J.D.; Shneiderman, B. (eds.) Readings in Information Visualization Using Vision to Think, Morgan Kaufmann, San Francisco, CA, pp , 1999 [Gallagher, 2003] Gallagher, M. and Nelson, R.J. Biological Psychology, Handbook of Psychology, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.,

131 Bibliografia [Gibson, 1950] Gibson, J.J. The perception of the visual world, Boston: Houghton Mifflin, 1950 [Gibson, 1986] Gibson, J.J. "The Ecological Approach to Visual Perception", Lawrence Erlbaum Associates Inc, US, 1986 [Gleitman, 2004] Gleitman, H., Fridlund, A.J. and Reisberg, D. Psychology, 6th Ed., New York, 2004 [Goldstein, 2001] Goldstein, E. B. Blackwell Handbook of Perception, Oxford, Blackwell Publishers Ltd, 2001 [Goldstein, 2007] Goldstein, E. B. Sensation and Perception, 7th Ed., Belmont: Wadsworth Publishing, 2007 [Gregory, 1968] Gregory, R. L. A Psicologia da Visão (O Olho e o Cérebro), Porto: Editorial Inova, 1968 [Gube, 2009] Gube, J. Module Tabs in Web Design: Best Practices and Solutions, (acesso em 04/2011), 2009 [Guyton, 1997] Guyton, A.C. Tratado de Fisiologia Médica, Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1997 [Haber, 1990] Haber, R.B. and McNabb, D.A. Visualization Idioms: A conceptual model for scientific visualization systems, Visualization in Scientific Computing, Nielson, G.M., Shriver, B. and Rosenblum, L.J. (eds.), IEEE Computer Society Press, 1990 [Healey, 1999] Healey, C.G. Fundamental Issues of Visual Perception for Effective Image Generation, SIGGRAPH 99 Course 6: Fundamental Issues of Visual Perception for Effective Image Generation, Los Angeles, pp. 1-42, 1999 [Healey, 2000] Healey, C.G. Building a Perceptual Visualisation Architecture, Behaviour & Information Technology 19(5): , 2000 [Healey, 2006] Healey, C.G., Tateosian, L.G. and Dennis, B.M. Stevens Dot Patterns for 2D Flow Visualization, Third International Symposium on Applied Perception in Graphics and Visualization, Boston,

132 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação [Healy, 2003] Healy, A.F. and Proctor, R.W. Experimental Psychology, Handbook of Psychology, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2003 [Helmholtz, 2005] Helmholtz, H. and Southall, J.P.C. Treatise on physiological optics, Mineola, NY: Dover Publications, 2005 [Herman, 2000] Herman, I., Melançon, G. and Marshall, M.S. Graph Visualization and Navigation in Information Visualization: A Survey, IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 6(1):24-42, 2000 [Hill, 2000] Hill, M. and Hill, A. Investigação por Questionário, Lisboa, Edições Sílabo, 2000 [House, 2006] House, D. H., Bair, A.S. and Ware, C. An Approach to the Perceptual Optimization of Complex Visualizations, IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 12(4): , 2006 [Hurvich, 1957] Hurvich, L.M. and Jameson, D. An opponent-process theory of color vision, Psychological Review 64 (6): , 1957 [Infopedia] Infopédia - Dicionário de Língua Portuguesa, (acesso em 01/2011) [Johnson, 1991] Johnson, B. and Shneiderman, B. TreeMaps: A space-filling approach to the visualization of hierarchical information structures, Proceedings of IEEE Visualization, San Diego, pp , 1991 [Julesz, 1978] Julesz, B. Perceptual limits of texture discrimination and their implications to figure-ground separation, In Leeuwenberg, E. and Buffart, H. (eds.), Formal theories of perception, pp , New York: Wiley, 1978 [Kant, 1997] Kant, I. Crítica da razão pura, Lisboa: Fundação Calouste Gulbenkian, 1997 [Kellman, 1991] Kellman, P.J. and Shipley, T.F. "A theory of visual interpolation in object perception", Cognitive Psychology 23(2): , 1991 [Koffka, 1922] Koffka, K. Perception: An introduction to the Gestalt-theorie, Psychological Bulletin 19: , 1922 [Kosara, 2001] Kosara, R., Miksch, S. and Hauser, H. Semantic Depth of Field, Proceedings IEEE Symposium on Information Visualization, San Diego, CA, pp ,

133 Bibliografia [Lamping, 1996] Lamping J. and Rao, R. The hyperbolic browser: a focus+context technique for visualizing large hierarchies, Journal of Visual Languages and Computing 7(1): 33-55, 1996 [Li, 2004] Li, Z. and Drew M.S. Fundamentals of Multimedia, Pearson, 2004 [Locke, 1964] Locke, J. An essay concerning human understanding, Cleveland: Meridian Books, 1964 [Mackinlay, 1991] Mackinlay, J.D., Robertson, G.G., and Card, S K. The Perspective Wall: Detail and Context Smoothly Integrated, Proceedings of the ACM CHI 91 Human Factors in Computing Systems Conference, pp , 1991 [Macmillan, 2006] Macmillan, N. An A Z of Type Designers, Yale University Press, 2006 [Milner, 1998] Milner, A.D. "Neuropsychological studies of perception and visuomotor control", Philosophical Transactions of the Royal Society: Biological Sciences 353(1373): , 1998 [Munzner, 1997] Munzner, T. H3: Laying Out Large Directed Graphs in 3D Hyperbolic Space, Proceedings IEEE Symposium on Information Visualization, pp. 2-10, 1997 [Oxford] The New Shorter Oxford English Dictionary, Vol.2, New York: Oxford University Press, 1999 [Palmer, 1999] Palmer, S.E. Vision Science: Photons to Phenomenology, MIT Press, 1999 [Pastore, 1971] Pastore, N. Selective History of Theories of Visual Perception: , New York: Oxford University Press, 1971 [Paxinos, 2003] Paxinos, G.T. and Mai, J.K. The Human Nervous System, 2nd Ed., Academic Press, 2003 [Penrose, 1958] Penrose, L.S. and Penrose, R. Impossible objects: A special type of visual illusion, British Journal of Psychology 49:31-33, 1958 [Pritchard, 1961] Pritchard, R.M. Stabilized images on the retina, Scientific American 204:72-78, 1961 [QualAr] QualAr Base de Dados On-line sobre Qualidade do Ar, Agência Portuguesa do Ambiente, (acesso em 02/2011) 119

134 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação [Ramachandran, 2002] Ramachandran, V.S. Encyclopedia of the Human Brain, Academic Press, 2002 [Riggs, 1953] Riggs, L.A., Ratliff, F., Cornsweet, J.C. and Cornsweet, T.N. The disappearance of steadily fixated visual test objects, Journal of the Optical Society of America 43(6): , 1953 [Robertson, 1991] Robertson, G., Card, S. and Mackinlay, J. Cone Trees: Animated 3D Visualizations of Hierarchical Information, Proceedings of the ACM CHI 91 Human Factors in Computing Systems Conference, pp , 1991 [Rock, 1975] Rock, I. An Introduction to Perception, New York, Macmillan Publishing Co., Inc., 1975 [Selfridge, 1955] Selfridge, O.G. Pattern recognition and modern computers, Proceedings of Western Joint Computer Conference, Los Angeles, California, 1955 [Simão, 2007] Simão, J. and Campos, P. Sonification of Form and Movement for Visual-Impaired, DCC-Faculty of Sciences-University of Porto & LIACC, 2007 [Spence, 1982] Spence, R. and Apperley, M.D. Data Base Navigation: An Office Environment for the Professional, Behaviour and Information Technology, 1(1):43-54, 1982 [Stasko, 2000] Stasko, J. and Zhang, E. Focus+Context Display and Navigation Techniques for Enhancing Radial, Space-Filling Hierarchy Visualizations, Proceedings IEEE Symposium on Information Visualization, San Francisco, California, pp , 2000 [Stolte, 2003] Stolte, C., Tang, D. and Hanrahan, P. Multiscale visualization using data cubes, IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 9(2): , 2003 [Synnestvedt, 2005] Synnestvedt, M. and Chen, C. Design and Evaluation of the Tightly Coupled Perceptual-Cognitive Task, Knowledge Domain Visualization, The 11th International Conference on Human-Computer Interaction, 2005 [Tory, 2004] Tory, M., Möller, T. Human Factors In Visualization Research, IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 10(1):10-12, 2004 [Treisman, 1986] Treisman, A. "Features and Objects in Visual Processing", Scientific American 255(5): ,

135 Bibliografia [Tufte, 1983] Tufte, E.R. The Visual Display of Quantitative Information, Graphics Press, 1983 [Vande, 2005] Vande, A.M. Form Follows Data: The Symbiosis between Design & Information Visualization, International Conference on Computer-Aided Architectural Design (CAADfutures'05), OKK Verlag, Vienna, Austria, pp , 2005 [Vecera, 2002] Vecera, S.P., Vogel, E.K. and Woodman, G.F. "Lower region: A new cue for figure-ground assignment", Journal of Experimental Psychology: General 131: , 2002 [Vicente, 1996] Vicente, P., Reis, E. and Ferrão, F. Sondagens - A amostragem como factor decisivo da qualidade, Lisboa, Edições Sílabo, 1996 [Wallach, 1948] Wallach, H. Brightness constancy and the nature of achromatic colors, Journal of Experimental Psychology 38(3): , 1948 [Ware, 2004] Ware, C. Information Visualization: Perception for Design, San Francisco: Morgan Kaufmann Publisher, 2004 [Wertheimer, 1938] Wertheimer, M. Laws of organization in perceptual forms: A source book of Gestalt psychology, London: Routledge& Kegan Paul, 1938 [Wilson, 1999] Wilson, R.A. and Keil, F.C. The MIT Encyclopedia of the Cognitive Sciences, Cambridge, Massachusetts, MIT Press, 1999 [Yantis, 2001] Yantis, S. Visual Perception: Essential Readings, Key Readings in Cognition, Philadelphia: Taylor & Francis, Psychology Press,

136 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação 122

137 Anexos

138

139 Anexos Questionário Mensagem Inicial: 125

140 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Questionário - Ecrã (1/7): 126

141 Anexos Questionário - Ecrã (2/7): Questionário - Ecrã (3/7): 127

142 Percepção Humana na Visualização de Grandes Volumes de Dados: Estudo, Aplicação e Avaliação Questionário - Ecrã (4/7): Questionário - Ecrã (5/7): 128

143 Anexos Questionário - Ecrã (6/7): Questionário Ecrã (7/7): 129