La Visualizzazione Scientifica - Mario...

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La Visualizzazione ScientificaLa Visualizzazione Scientifica

vedere (e comunicare) l’invisibilevedere (e comunicare) l’invisibile

Mario ValleMario ValleSwiss National Supercomputing Centre (CSCS)Swiss National Supercomputing Centre (CSCS)

Visualizzare per comunicare – Mario Valle – CSCS – Pavia 31/01/2005

Using vision to thinkUsing vision to think


Doppio ruolo della visualizzazioneDoppio ruolo della visualizzazione

2. Comunicare risultati già compresi

1. Cercare di comprendere i datiwww.smartmoney.com/marketmap

www.peets.com/selector_coffee/coffee_selector.asp


Agenda della lezioneAgenda della lezione

Using vision to think – il doppio ruolo visualizzazione – gli scienziati devono comunicare – perché non lo sanno fare? – gli artisti – cosa comunicano gli scienziati – la comunicazione visuale – peculiarità della comunicazione visuale –il modello della comunicazione – un modello di comunicazione visuale –comunicazione e percezione – farsi capire – le regole della comunicazione


Agenda (visuale) della lezioneAgenda (visuale) della lezione


Un esempio famoso Un esempio famoso

Questa è una delle visualizzazioni con cui il produttore dei boostersha cercato di convincere il management della NASA a ritardare il lancio del Challenger.

Sfortunatamente non èriuscita a convincere …

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Comunicare Comunicare èè tuttotutto


Gli scienziati devono comunicareGli scienziati devono comunicare

Per la propria carrieraPer il bene di tutti


Gli scienziati devono persuadereGli scienziati devono persuadere

“In science the credit goes to the man who convinces the world, not to the man to whom the idea first occurs.”

Sir Francis Darwin


Devono comunicare con tuttiDevono comunicare con tutti

Superbo esempio di comunicazione verso il grande pubblico.

The ENRON follies è la narrazione:

• del valore delle azioni Enron (grafico)

• del collasso della Enron (annotazioni sulla scala temporale)

• degli strani investimenti del fondo pensioni statale della Florida (tabella).


La scienza (tra l’altro) vendeLa scienza (tra l’altro) vende


E allora perché non lo sanno fare?E allora perché non lo sanno fare?

“...drawing graphs, like motor-car driving and love-making, is one of those activities which almost every researcher thinks he or she can do well without instruction”

Wainer & Thissen, 1991Annual Review of Psychology

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Una tipica presentazioneUna tipica presentazione

When we added no drug the viral infection spread and lead to cell death within 17 hours of the initial challenge.

When we added the drug at 5 nM the viral infection persisted andspread in the culture leading to cell death within 18 hours postchallenge.

When we added the drug at 5 nM levels the 78% of cells survived viral infection and grew slowly without cell division.

When we added the drug at 10 nM levels 73% of cells survived viral infection and grew slowly without cell division.

When we added the drug at 15 nM levels 6 % of the cells resistedviral infection but did not grow or divide.

When we added the drug at >15 nM levels all of the cells died within 10 hours.


Che potrebbe essereChe potrebbe essere miglioremigliore

-/-

-/-

+/-

+/+

+/+

Growth/division

100%10 hrs>15 nM4

94%∞15 nM3

∞

18 hrs

17 hrs

Survival time post challenge

27%10 nM2

22% 5 nM1

0%0control

Toxicity[Drug]

Protection from viral infection


Perché fanno cosPerché fanno cos ìì??

� Non conoscono l’audience

� Non gli importa di chi non è del campo

� Sono troppo precisi e dettagliati


Gli artisti inveceGli artisti invece

comunicano (emozioni)

conoscono la percezione conoscono le regole …

… e lesuperano

vicini agli scienziati


Scienziati: comunicare cosa?Scienziati: comunicare cosa?

Dati

NON modelli della realtà


Dati o modelli?Dati o modelli?

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Dati (e contesto)Dati (e contesto)


Impress or express?Impress or express?

A differenza della Computer Graphic lo scopo della visualizzazione è migliorare le informazioni visuali invece di creare illusione.

Si confondono i campi se si vuole che la visualizzazione impressioni piuttosto che esprima.


Dati, ma non informazioniDati, ma non informazioni


Comunicare molto di piComunicare molto di pi ùù

Per Capita Income

College Degree %


Comunicare molto di piComunicare molto di pi ùù

Per Capita Income

College Degree %


Il processo di visualizzazioneIl processo di visualizzazione

Percezione umana

Uso dello spazio edi metafore visuali

Interazione

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Visualizzare e comunicareVisualizzare e comunicare

Quindi con la visualizzazione posso:

� Comunicare di più

� Comunicare più efficacemente

� Comunicare in maniera più diretta

Un’immagine vale mille parole?


Un’immagine vale mille paroleUn’immagine vale mille parole

La vera storia: proposta nel 1927da Fred Barnard,un pubblicitario,per proporre i suoi servizi.

Più che al contenuto informativo, si riferisce alla capacità di attrarre l’attenzione


La comunicazione visuale attiraLa comunicazione visuale attira

PowerPoint 1.0 deriva da un prodotto chiamato “Presenter” sviluppato dalla ForethoughtInc. agli inizi del 1987.

Microsoft acquistò Presenternell’Agosto del 1987 per 14 milioni di dollari.

Immagine da: albinoblacksheep.com


Non Non mediata da astrazionimediata da astrazioni

L’insieme di Mandelbrot ha una struttura simmetrica, vagamente insettiforme. Attorno al corpo centrale sono disposte quelle che sembrano repliche a scala minore dello stesso insieme. Una replica di dimensioni maggiori delle altre si trova sul lato sinistro del corpo centrale. Tutto attorno partono strutture filiformi ricche di dettagli…


Potenzialmente cross culturalePotenzialmente cross culturale


Differenti canali percettiviDifferenti canali percettivi

Provate a denominare, il più velocemente possibile, il colore delle parole, senza badare al loro significato.

Sperimenterete un conflitto tra il messaggio visuale e quello verbale.

J.R.Stroop, "Studies of Interference in Serial Verbal Reactions", 1935

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Messaggi visuali dominanoMessaggi visuali dominano

100

101

102

103

104

105

1999 2000

Una codifica verbale non domina mai su una non verbale.

Ci allontaniamo da questo grafico con la sensazione che i risultati del 2000 siano stati il doppio di quelli del 1999.


E’ un processo olisticoE’ un processo olistico

www.smartmoney.com/marketmap


ÈÈ un processo asimmetricoun processo asimmetrico

È facile capire un’immagine, il difficile è crearla.

I bambini spendono12 anni per impararea scrivere e a leggere,mentre ne spendonomolti meno perun’alfabetizzazionevisuale.


A propositoA proposito

Per quanto è stato venduto Presenter a Microsoft?

E l’immagine che cosa rappresentava?


Il rischio delle belle immaginiIl rischio delle belle immagini

Scala espansa 22 volte!


Il modello di ShannonIl modello di Shannon

Claude Shannon and Warren WeaverA Mathematical Theory of Communication (1948)

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Non macchine, esseri umaniNon macchine, esseri umani

Gilbert's De Magnete, London, 1600 p. 139


EM

ET

TIT

OR

E

RIS

PO

ST

A

RUMORE VISIVO

La comunicazione visualeLa comunicazione visuale

RICEVITORERICEVITORE


EM

ET

TIT

OR

E

RIS

PO

ST

A

REAZIONEINTERNA

RUMORE VISIVORICEVITORE

FIL

TR

O P

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FIL

TR

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PE

RA

TIV

O

FIL

TR

O C

ULT

UR

ALE

EMETTITORE DELRICEVITORE

La comunicazione visualeLa comunicazione visuale


La risposta attesaLa risposta attesa

Perché comunicare?

� Per trasmettere informazioni

� Per convincere o vendere delle idee

� Per un supporto operativo

L’informazione è la risposta ad una domanda


La reazione internaLa reazione interna

� Opposizione interna� Ignoriamo ciò che non vogliamo vedere

� Gelosia� Non l’ho inventato io, perciò è sbagliato

� Reazioni emotive

� Per esempio l’effetto della propaganda


Il filtro culturaleIl filtro culturale

Blocca i messaggi che non formano parte dell’ambiente culturale del ricevente (es.la definizione di musica)

Assegna un’interpretazione culturale ai messaggi visivi.

(Buona fortuna cinese)

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Il filtro operativoIl filtro operativo

Il messaggio è filtrato in base a quello che il ricevitore può fare e capire (età, educazione, ecc.)

Ognuno vede quello che sa


Il filtro percettivoIl filtro percettivo

Il punto di forza della visualizzazione è il sistema percettivo umano.

Non solo problemi di daltonismo, acutezza visuale e adattabilità dell’occhio.

Se devo studiare per capire l’immagine, allora la visualizzazione non è efficace.


Gestalt e Gestalt e schemischemi


GestaltGestalt –– le strutture inesistentile strutture inesistenti

After G

arc

ia-M

ata

& S

haffner(1

934)


Percepito dipende dal contestoPercepito dipende dal contesto



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Il contesto Il contesto èè importante importante


Dimensioni della memoria di lavoroDimensioni della memoria di lavoro

George A. Miller: “The Magical Number Seven, Plus or Minus Two: Some Limits on Our Capacity for Processing Information”


Percezione prePercezione pre --attenzionaleattenzionale


Percezione quantitativaPercezione quantitativa

Accuracy Ranking of Quantitative Perceptual Tasks Estimated(Mackinlay 88 from Cleveland & McGill)


Percezione quantitativa Percezione quantitativa –– esempioesempio

Le regole della percezione quantitativa spiegano perchéi popolari grafici a torta sono un cattivo strumento rispetto a quelli a barre per comunicare valori percentuali.

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Farsi capireFarsi capire

“A graphic is never an end in itself; it is a moment in the process of decision-making”.

Jacques Bertin,Graphic Information

Processing 1977

Conrad Taylor for the Information Design Journal


Farsi capireFarsi capire

La premessa morale della visualizzazione è che i fruitorisono svegli ed interessati.

Non banalizzare l’informazione pensando che siano stupidi.

Confusione e disordine sono fallimenti del design grafico,non qualcosa inerente alle informazioni.

Se l’audience è confusa, aggiusta il design, non dare la colpa alla vittima. “Per chiarire aggiungi dettagli”.


Regole della comunicazioneRegole della comunicazione

1. Scopoperché presento i dati?

2. Audiencechi sono e che cosa si aspettano?

3. Bisogni dell’audiencecome utilizzeranno effettivamente i miei dati?


La persuasione secondo AristoteleLa persuasione secondo Aristotele

Ethoscredibilità

Logoscontenuto

Pathoscoinvolgimento emotivo


Le regole della nonnaLe regole della nonna

1. Abbi qualcosa da dire

2. Sii chiaro

3. Non mentire

4. E facci sognare …


1. Abbi qualcosa da dire1. Abbi qualcosa da dire

Comunicare un’idea significa,

ovviamente, avere un’idea da

comunicare.

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Sotto il grafico nienteSotto il grafico niente


Abbellire non risolveAbbellire non risolve


Il peggiore grafico di tutti i tempiIl peggiore grafico di tutti i tempi

“As a substitute for substance, one can try lots of color, 3D effects, or disguised redundancy. This graph uses all three techniques, to display just five numbersjust five numbersjust five numbersjust five numbers. Note the clever use of mirror-imaging: the top series is just (100 - the bottom series) and the interesting use curved lines, front and back to avoid the appearance that there's a lot less here than meets the eye”.

Tufte (1983, p.118)


Edward TufteEdward Tufte

Professore di “statistical evidence and information design” alla Yale University


SiggraphSiggraph 1993: VIZ1993: VIZ--OO--MATICMATIC

Ovvero come abbellire soli 30 numeri


Il contenuto invece risolve tuttoIl contenuto invece risolve tutto

La campagna di Russia di Napoleone nel grafico creato da Charles Joseph Minard nel 1861:

� Dati multidimensionali (dimensione dell’armata,direzione, latitudine, longitudine, temperatura, data)

� Un obiettivo chiaro (dimostrare la futilità della strage)

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Do you remember GIGO?Do you remember GIGO?


Conoscere i datiConoscere i dati

Se non sai cosa rappresentano i dati questa visualizzazione èbuona come qualsiasi altra.

Invece conoscendoli si può creare una visualizzazione che comunica ed aiuta la comprensione.


Conoscere l’audienceConoscere l’audience

Scordare gli obiettivi dell’audience porta a:

� Pagine di introduzione in Flash� Significa anche che non curarsi

delle caratteristiche del media

� Microsoft Office Agents

� Pubblicità che distraggono


Stabilire obiettivi concretiStabilire obiettivi concreti

L’obiettivo della NASA non era “creare il miglior programma spaziale del mondo”, ma “far atterrare un uomo sulla luna e farlo ritornare sano e salvo per la fine degli anni 60”.


““““14 Ways to Say Nothing with Scientific Visualization”14 Ways to Say Nothing with Scientific Visualization”14 Ways to Say Nothing with Scientific Visualization”14 Ways to Say Nothing with Scientific Visualization”Al Al Al Al GlobusGlobusGlobusGlobus, Eric , Eric , Eric , Eric RaibleRaibleRaibleRaible –––– NASA NASA NASA NASA –––– July 1994.July 1994.July 1994.July 1994.

14 Ways to Say Nothing…14 Ways to Say Nothing…

Corretto!Corretto!Corretto!Corretto! Sbagliato (viola le regole)Sbagliato (viola le regole)Sbagliato (viola le regole)Sbagliato (viola le regole)


14 Ways To Say Nothing…14 Ways To Say Nothing…

1. Never Include a Color Legend

2. Avoid Annotation

3. Never Mention Error Characteristics

4. When in Doubt, Smooth

5. Avoid Providing Performance Data

6. Quietly Use Stop-Frame Video Techniques

7. Never Learn Anything About the Data or Scientific Discipline

8. Never Compare Your Results with Other Visualization Techniques

9. Avoid Visualization Systems (e.g. AVS)

10.Never Cite References for the Data

11.Claim Generality but Show Results from a Single Data Set

12.Use Viewing Angle to Hide Blemishes

13. If Viewing Angle Fails, Try Specularity or Shadows

14. “This is easily extended to 3-D”

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Il grafico riprogettatoIl grafico riprogettato

Age Structure of College Enrollment

33,0%

33,6%

32,8%

29,2%

28,0%

1976

1975

1974

1973

1972

Age Structure of College Enrollment

33,0%33,6%

32,8%

29,2%

28,0%

1972 1973 1974 1975 1976


2. Sii chiaro2. Sii chiaro

“What can be said at all can be said clearly; and whereof one cannot speak thereof one must be silent”

Ludwig Wittgenstein 1889-1951Tractatus Logico-Philosophicus (1922)


Chiarezza graficaChiarezza grafica

Un buon design grafico è PENSIERO VISUALE:

è un ragionamento chiaro reso visibile

Un cattivo design è l’inverso:

è stupidità resa visibile


Connessione col pensieroConnessione col pensiero

“[-] clarity and excellence in thinking is very much like clarity and excellence in the display of data. When principles of design replicate principles of thought, the act of arranging information becomes an act of insight.”

Edward Tufte 1998 p. 9


Regole dell’eccellenza graficaRegole dell’eccellenza grafica

1. Show the data

2. Not get in the way of the message

3. Avoid distortion

4. Present many numbers in a small space

5. Make large data sets coherent

6. Encourage comparison between data

7. Supply both a broad overview and fine detail

8. Serve a clear purpose

E. TufteVisual Display of Quantitative Information


USA

EUROPE

JAPAN

OTHER

Non dare un puzzle da risolvereNon dare un puzzle da risolvere

USA

EUROPE

JAPAN

OTHER

Quale è percepita immediatamente?

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MappingMapping incorrettoincorretto

Stessi dati:y = sin(x)

Un mappingincorretto puòaddirittura raccontare una storia totalmente differente od essere inefficace

Un mapping meno creativo, ma più usuale risulta molto più chiaro


Stessi dati, differente chiarezzaStessi dati, differente chiarezza

t(time)=15', T(temperature)=32º;

t=0', T=25º; t=6', T=29º; t=3',

T=27º; t=12', T=32º; t=9', T=31º

time(min) temp(ºC)0 253 276 299 31

12 32

15 32

temp(ºC) time(min)25 027 329 631 932 12

32 15


MappingMapping ridondanteridondante


Esempio (eccezionale) migliorabileEsempio (eccezionale) migliorabile

Sezione del tornado in alto a sinistra (mostra cosa?)

Cursore a destra che cambia durante l’animazione (quale è il massimo globale?)

Orologio in basso (non indica la % completata)

Legenda (non ha unità di misura e descrizione)

Study of a Numerically Modeled Severe StormStudy of a Numerically Modeled Severe StormStudy of a Numerically Modeled Severe StormStudy of a Numerically Modeled Severe StormNCSA NCSA NCSA NCSA –––– SIGGRAPH 1989SIGGRAPH 1989SIGGRAPH 1989SIGGRAPH 1989


Ridisegnato da E. TufteRidisegnato da E. Tufte

Questa versione usa una colormap percettivamente migliore, due sezioni, una timeline, dei piccoli multipli e un grafico.

Vengono anche mostrate piùdimensioni dei dati


Non copiamo gli illusionistiNon copiamo gli illusionisti

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Visualizzare per comunicare – Mario Valle – CSCS – Pavia 31/01/2005Image courtesy by CRS4

Ma aiutiamo la comprensioneMa aiutiamo la comprensione


Il mezzo materialeIl mezzo materiale


Sfruttare l’animazioneSfruttare l’animazione


Sfruttare l’interazioneSfruttare l’interazione

SelectSelectSelectSelecthouse-address

FromFromFromFromBR-real-db

WhereWhereWhereWhereprice < $200,000 andandandandbathrooms == 2 andandandandgarage == 2 andandandandbedrooms >= 3;


Lasciar esplorare i datiLasciar esplorare i dati

Tavola periodica degli elementiTavola periodica degli elementiTavola periodica degli elementiTavola periodica degli elementiModificando le proprietà con i cursori in basso si evidenziano gli elementi corrispondenti.


3. Non mentire3. Non mentire

Non si comunica solo il dato, ma anche la credibilità.

Più che il contenuto, è il contesto a stabilire la credibilità.

Il problema è che tendiamo a credere di più alla rappresentazione visuale: l’immagine è bella, quindi ècorretta.

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Bugie finanziarieBugie finanziarie

Il mondo della finanza è pieno di esempi di uso creativo dei dati


EsempioEsempio


($11,014)

Income = 0

Loss = −$4,200,000

Cosa dice realmenteCosa dice realmente


Bugie scientificheBugie scientifiche

Ma la scienza non è da meno. Questo è un caso famoso in cui i grafici hanno avuto un ruolo determinante.

Grafici da esperimenti differenti erano identici fino ai dettagli più fini, solo le scale degli assi erano differenti.

(da Physics Todayluglio 2002 p. 15)


Quando la visualizzazione menteQuando la visualizzazione mente

1. Quando è voluto per confondere (chartjunk) o nascondere (manipolare il contesto).

2. Quando ce ne scordiamo (incertezza nei dati, errori di misura, artefatti dalle tecniche di visualizzazione etc.).

3. Quando è involontario (pattern che non ci sono, contradictory cues).

4. Quando è necessario (mappa stradale).


Mentire nascondendoMentire nascondendo

BuonaBuonaBuonaBuonapresentazionepresentazionepresentazionepresentazione

1960: $1.00

1970: $1.60

1980: $3.10

1990: $3.80

SalarioSalarioSalarioSalario minimominimominimominimo SalarioSalarioSalarioSalario minimominimominimominimo

0

2

4

1960 1970 1980 1990

$

CattivaCattivaCattivaCattivapresentazionepresentazionepresentazionepresentazione �

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Cinque differenti scale verticali per il prezzo!

Mentire confondendoMentire confondendo


Crollo del mercato azionario?Crollo del mercato azionario?

1995 1996 1997 1998 1999 2000

$11,000

10,875

10,750

10,625

10,500

MarketMarketMarketMarket


Mostrare tutta la scalaMostrare tutta la scala

$12,500

10,000

7,500

5,000

2,500

0


1995 1996 1997 1998 1999 2000


Mostrare tutti i datiMostrare tutti i dati

1950 1960 1970 1980 1990 2000

$12,500

10,000

7,500

5,000

2,500

0



Mostrare la precisione dei datiMostrare la precisione dei dati

Non far credere che i dati visualizzati siano infinitamente precisi

Chris Quigg: Indirect determinations of the top-quark mass from fits to electroweak observables


Artefatti nelle visualizzazioniArtefatti nelle visualizzazioni

Le tecniche di

visualizzazione

possono aggiungere

strutture non

presenti nei dati

originali.

Qui una interpolazione

incorretta (sopra)

produce uno scalino

verticale fisicamente

impossibile.

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Vediamo quello che non c’Vediamo quello che non c’ èè

Associamo a valori bassi aree estese di colore simile a quello di sfondo.


Regolarità che non ci sonoRegolarità che non ci sono


Dove si deve mentireDove si deve mentire


Essere onesti comporta un rischioEssere onesti comporta un rischio

Visualizzare belle immagini soddisfa il senso estetico, ma può creare un falso senso di sicurezza.

Ricordarsi sempre che la visualizzazione non deve essere un sostituto dell’analisi.


4. Facci sognare4. Facci sognare

I fatti possono non essere sufficienti

Si parla a gente reale, non ad automi

Gente curiosa, con emozioni e simpatie


Racconta una storiaRacconta una storia

Una bella storia la vediamo nella nostra mente.

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Il ruolo dell’attenzioneIl ruolo dell’attenzione

La curiosità, istinto innato legato alla sopravvivenza, attiva il meccanismo dell’attenzione.

Le emozioni mantengono viva l’attenzione. Bisogna catturare l’attenzione facendo sì che esaminino i dati.

Il tipo di meccanismo dipende dal tipo dell’audience. È coinvolgente se si attinge alla riserva di immagini ed esperienze dell’ascoltatore invece che ad idee astratte.


Attivare l’interesseAttivare l’interesse

Che sia una visualizzazione memorabile

� Per il dato in se stesso, il perché o il chi, per il contesto della presentazione.

Presentare dati interessanti.

� Non sprecare spazio con informazioni ovvie e conosciute.


Non allontanare o spaventareNon allontanare o spaventare

Anche l’occhio vuole la sua parte …


Una mappa racconta una storiaUna mappa racconta una storia

� Fa sognare

� Si collega a esperienze di vita vissuta

� È ricca di informazioni

� Ricorda una tipica struttura dei racconti: la strada, la ricerca, il viaggio


Usare gli elementi di un raccontoUsare gli elementi di un racconto

� Ambientazione – Dove si svolge il racconto?

� Personaggi – Di chi parla il racconto?

� Trama – Che cosa succede? E perché succede?

� Antefatti – Cosa è successo prima che ha creato e plasmato questa situazione? Perché abbiamo scelto questa particolare ambientazione?

� Dettagli – Quali specifici fatti devono notare gli ascoltatori?


Qualcosa da portare a casaQualcosa da portare a casa

Facci sognare …

… e copia dai maestri

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La Visualizzazione ScientificaLa Visualizzazione Scientifica

vedere (e comunicare) l’invisibilevedere (e comunicare) l’invisibile

Grazie per l’attenzione!Grazie per l’attenzione!Mario ValleMario Valle

Swiss National Supercomputing Centre (CSCS)Swiss National Supercomputing Centre (CSCS)

[email protected]@cscs.ch –– http://www.cscs.ch/~mvalle/http://www.cscs.ch/~mvalle/

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