Repräsentation von Raum und Zeit in kognitiven Prozessen

Fragestellungen und Ziele

Die Strukturen des physischen Raumes und der Zeit bilden zwei der wichtigsten Grundlagen für kognitive Repräsentationen und die auf ihnen operierenden Verarbeitungsprozesse. Ereignisse (in der realen Welt) sind uns einerseits durch gezielte Wahrnehmung oder nicht bewußte Erinnerung zugänglich, andererseits durch sprachliche und/oder bildliche Beschreibungen. Erstellung und Interpretation von Repräsentationen (raum-zeitlicher) Ereignisse sind wiederum Ereignisse, die den physischen Randbedingungen von Raum und Zeit unterworfen sind. Die Untersuchung räumlicher und zeitlicher Strukturen kann aus diesem Grunde einerseits wertvolle Anhaltspunkte über die Verarbeitung von Wissen über Raum und Zeit (sowie Ereignisse) liefern, andererseits aber auch über die Repräsentation und Verarbeitung von Wissen ganz allgemein, da sich die hierzu erforderlichen Prozesse in Raum und Zeit abspielen.

Im Schwerpunkt Repräsentation von Raum und Zeit in kognitiven Prozessen untersuchten wir formale Eigenschaften raum-zeitlicher Strukturen und ihre Modellierbarkeit; den Erwerb von räumlichem Wissen und von Wissensstrukturen in realen und simulierten Umwelten; die Erstellung komplexer räumlicher Relationen in 'kognitiven Karten' und den darauf operierenden Verarbeitungsprozessen einschließlich ihrer zeitlichen Struktur; den Zusammenhang zwischen kognitiven Ereignis- und Raumrepräsentationen; mentale räumliche Referenzrahmen sowie Operationen in mentalen und modellierten Repräsentationen; die Konzeptbildung über räumliche Relationen und ihre sprachliche Beschreibung; den Einfluß des Entzugs sensorischer Inputs auf die Präzision der Raumrepräsentation und Möglichkeiten der Kompensation. Die Fragestellungen stammten aus theoretischen Erwägungen, aus experimentellen Befunden sowie aus Anwendungsproblemen.

Entsprechend der interdisziplinären Ausrichtung des Graduiertenkollegs waren die methodischen Ansätze zur Untersuchung der raum-zeitlichen Repräsentationen vielfältig. Wir führten theoretisch-formale Untersuchungen zu unterschiedlichen Modellen raum-zeitlicher Strukturen durch (z. B. qualitatives vs. quantitatives Wissen), wir erstellten Computermodelle zu deren empirischen Überprüfung und führten experimentelle Untersuchungen zu räumlich-kognitiven Prozessen und Repräsentationen und zur Orientierung des Menschen im Raum durch. Dabei versuchten wir, die bestehenden Wissenslücken durch eine Verbindung analytischer und synthetischer Ansätze zu schließen.

Die Arbeit in dem Schwerpunkt Repräsentation von Raum und Zeit in kognitiven Prozessen wurde im Rahmen von Promotions-, PostDoc- und Mehrpersonenprojekten (gemeinsame Forschungsvorhaben von Mitgliedern und Kollegiaten) durchgeführt. Darüber hinaus wurden Diskussions- und Arbeitsgruppen aufgebaut, die der Wissensvermittlung sowie dem Auffinden und der Untersuchung gemeinsamer Forschungsparadigmen (gemeinsame Beispiele, gemeinsame Fragestellungen, etc.) dienten. So bestand 1994/95 eine Arbeitsgruppe What and where, in der Erkenntnisse aus der Psychologie (Wahrnehmungsexperimente v. a. zur visuellen Aufmerksamkeit zwischen und innerhalb von Objekten), der KI (Repräsentation von Objekten und räumlichen Relationen) sowie z. T. der Neuropsychologie behandelt wurden. Eine weitere Arbeitsgruppe erstellte eine Experimentierumgebung zur Modellierung von Prozessen in räumlichen Welten, die als gemeinsame Basis für formale Untersuchungen und für die Planung von Kognitionsexperimenten an Menschen im Rahmen der Einzelprojekte diente.

Der Schwerpunkt hatte eine enge Verbindung zum Schwerpunkt Visuelle Wahrnehmung und Aufmerksamkeit, in dem perzeptuelle Voraussetzungen und Randbedingungen für räumliche Repräsentationen und Prozesse untersucht wurden. Organisatorisch spiegelt sich dies in zahlreichen "Doppelmitgliedschaften" und in der Durchführung gemeinsamer Schwerpunkttreffen wider. Das im Schwerpunkt Sprachproduktion und Sprachverstehen angesiedelte Mehrpersonenprojekt "Textverstehen", bei dem es um den Aufbau räumlicher Repräsentationen beim Textverstehen ging, weist ebenfalls starke Beziehungen zu diesem Schwerpunkt auf.

Der Schwerpunkt Repräsentation von Raum und Zeit in kognitiven Prozessen war ein sehr aktiver Forschungsschwerpunkt, der u.a. Querbezüge zu dem DFG-Schwerpunktprogramm Raumkognition sowie zu dem NSF-Forschungsprogramm Varenius aufgebaut hat. Aus dem Schwerpunkt heraus wurde auch ein vom DAAD und der NSF gemeinsam gefördertes Kooperationsprojekt der Universität Hamburg, der University of California Santa Barbara und der Stanford University beantragt und wird gegenwärtig durchgeführt.
 

Projekte


Doktoranden und Postdoktoranden

Hernan Casakin, Thomas Barkowsky, Alexander Klippel, and Christian Freksa: A Taxonomy of Decision Points for Wayfinding Tasks

The abstracting power of schematic maps, considered to be ideal for representing relevant information from the physical environment, can potentially play a helpful role in spatial problem-solving tasks such as wayfinding. In any wayfinding task, the solving of spatial problems is to a great extent influenced by the nature of the decision points, where choices to follow a route must be taken. By considering the relevance of this issue, the focus of our study will be directed to analyze spatial aspects of decision points. Our aim is twofold. First we would like to identify representative decision-point situations that could be organized into a taxonomy of main categories.  For this purpose, a schematization and a classification of decision-points of the physical environment should be carried out. Second, we would like to verify in which way and to what extent a taxonomy of prototypical decision-points can be utilized for the design of schematic maps to ease wayfinding tasks. Assumptions about the way people cognitively perceive and experience decision-points in the real environment will be considered to verify the effect of schematization in decision making tasks. One of the challenges in designing schematic maps consists in establishing clear relationships between detailed information found in the environment, and abstract /conceptual structures contained in the map. In our approach, the problem of calibrating an appropriate level of detail for the representation of information shall be faced. A point in consideration should be to what extent the schematization of prototypical decision points can be considered representative for those cases found in the real environment. Furthermore, to what extent will qualitative differences in a taxonomy of prototypical decision points be able to: preserve essential spatial information, or discard irrelevant information; deal with the problem of accuracy while distorting relationships of the physical environment; find a suitable balance between omission and redundancy of information. Since an important objective of any schematic map representation is to efficiently explain the best way to find a route, we would like to acknowledge what is the effect of schematizing, abstracting, and simplifying information for spatial problems. Accordingly, our study should also address the question of what is the power of schematic maps for communicating spatial concepts related to decision points in way-finding processes.

Simone Pribbenow: Modellierung von Teil-Ganzes-Relationen und bildbasierte Inferenzen

Im April 1996 bin ich als Mitglied in das Kolleg aufgenommen worden. Bereits vorher hatte ich mich seit einiger Zeit im Schwerpunkt "Raum" engagiert und die Aktivitäten des Graduiertenkollegs verfolgt. Die beiden Arbeitsschwerpunkte meiner inhaltlichen Arbeit, die gleichzeitig die Arbeiten zu meiner Habilitation sind, betreffen kognitive und formale Aspekte von Teil-Ganzes-Strukturen sowie perzeptionsbasierte bzw. bildhafte Inferenzen. Als Fallstudie werden Teilstrukturen von starren Objekten, insbesondere von Artefakten wie Geräten und Häusern, analysiert und auszugsweise im Rahmen eines bildhaft/propositionalen Systems realisiert.

Im Rahmen meiner interdisziplinären Analyse von Teil-Ganzes-Strukturen habe ich an einer Klassifikation von Teil-Ganzes-Relationen, deren Repräsentations- und Verarbeitungsmechanismen und Ansätzen zur Formalisierung gearbeitet. In Zusammenarbeit mit Peter Gerstl wurde eine konstruktive Klassifikation entwickelt, die konzeptuell vorgegebene Teilstrukturen, z.B. Komponenten wie die Karosserie als Teil des Autos, und temporär konstruierte Teile, z.B. Segmente wie die vordere Hälfte des Autos, unterscheidet. Die Verarbeitung erfolgt in einem hybriden System, in dem propositionale und intrinsisch räumliche, in diesem Fall bildhafte, Repräsentationen und Inferenzen kombiniert werden. Z.B. wird die konzeptuell vorgegebene Teilstruktur mit propositionalen Mitteln realisiert, während die bildhafte Repräsentation eines Objektes u.a. für die Darstellung der räumlichen Anordnung der konzeptuellen Teile und die Konstruktion von Segmenten wie Hälften und Ecken verwendet wird. Auf der Basis dieser Arbeiten entstand die Formalisierung des Begriffs "Teil" in der Domäne der starren Objekte. Ein Prototyp zur Verarbeitung der Teilstruktur starrer Objekte im Rahmen eines bildhaft/propositionalen Systems ist im Rahmen eines Studienprojektes entwickelt worden.

Der zweite Schwerpunkt meiner Arbeit betraf die spezifischen Eigenschaften von bildhaften Repräsentationen und ihr Bezug zu mentalen Bildern, wie sie im Rahmen der Imagery-Forschung untersucht werden. Dazu gehört auch die Frage nach unterschiedlichen mentalen räumlichen Repräsentationen wie sie in der „what and where“-Debatte angegangen werden. Diese Themen wurden u.a. in Arbeitsgruppen des Raum-Schwerpunktes bearbeitet.

Ein wichtiges, über die spezifischen Einzelinhalte hinausgehendes Ziel meiner Forschung ist es, eine gegenseitige Bereicherung der kognitiven und der formalen bzw. anwendungsorientierten Forschung in KI und Kognitionswissenschaft zu bewirken. Ich bin stellvertretende Sprecherin der Fachgruppe "Kognition" der Gesellschaft für Informatik und Mitveranstalterin von Workshops zum Zusammenbringen von technischer und kognitions-orientierter Sichtweise.

Literatur:
Engehausen, A. / Pribbenow, S. / Töter, U. (1997): Taxonomie und Partonomien. in: R. Kluwe (Hrsg.): Kognitionswissenschaft: Strukturen und Prozesse intelligenter Systeme. Deutscher Universitätsverlag: Wiesbaden
Gerstl, P. / Pribbenow, S. (1995): Midwinters, End Games, and Bodyparts: A Classification of Part-Whole Relations (extended version). International Journal of Human-Computer Studies 43, special issue on "Formal Ontology in Conceptual Analysis and Knowledge Representation"
Glasgow, J. / Narayanan, H. / Chandrasekaran, B. (1995) (eds.): Diagrammatic Reasoning: Computational and Cognitive Perspectives. MIT-Press
Habel, Ch. / Pribbenow, S. / Simmons, G. (1995): Partonomies and Depictions: A Hybrid Approach. in: J. Glasgow / H. Narayanan / B. Chandrasekaran (eds.): Diagrammatic Reasoning: Computational and Cognitive Perspectives. MIT-Press
Kosslyn, S. (1994): Image and Brain. Cambridge, MA: MIT-Press
Pribbenow, S. (1993): Räumliche Inferenzen und Bilder. KI-Sonderheft "Räumliche Repräsen-tation und räumliches Schließen", 4/93. auch in: K. Sachs-Hombach (1995) (Hrsg.): Bilder im Geiste: Zur kognitiven und erkenntnistheoretischen Funktion piktorialer Repräsentationen. Rodopi-Verlag
Pribbenow, S. (1995): Modeling Physical Objects: Reasoning about (Different Kinds of) Parts. Proc. TSM'95 (Time, Space and Movement), Toulouse, France
Pribbenow, S. (1997): What's a Part? On Formalizing Part-Whole Relations. in Ch. Freksa / M. Jantzen / R. Valk (Hrsg.):  Foundations of Computer Science. Potential - Theory - Cognition. Lecture Notes in Computer Science, Springer-Verlag, Berlin
Pribbenow, S. (i. Ersch.): Parts and Holes and their Relations. in: Ch. Habel & G. Rickheit (eds.): Mental Models in Discourse Processing and Problem Solving. Elsevier
Tversky, B. (1990): Where Partonomies and Taxonomies Meet. in: S. L. Tsohatzidis (ed.): Meanings and Prototypes: Studies in Linguistic Categorization. Routledge: New York,
Winston, M. / Chaffin, R. / Herrmann, D. (1987): A Taxonomy of Part-Whole Relations. Cognitive Science 11

Rainer Kluwe, Mark May, Fredrik Wartenberg: Navigation in virtuellen und realen Umwelten

Neue Computertechnologien ermöglichen es, virtuelle Umwelten zu erzeugen, in denen Mensch und Computer in der Art eines Funktionskreises verkoppelt sind. Eingaben des Benutzers bewirken eine unmittelbare und vollständige Aktualisierung der momentan wahrgenommenen räumlichen Umgebung. Unter optimalen Bedingungen gibt ein solches VR-System dem Benutzer das Gefühl, sich in einer realen Umwelt zu bewegen. Bisher kaum untersucht ist die Frage, wie sich räumliche Navigations- und Orientierungsleistungen in virtuellen Umwelten im Vergleich zu realen Umwelten darstellen.

In unserem Projekt werden virtuelle Umwelten als Experimentierumgebung genutzt und erprobt. Dies bietet die Vorteile der freien Gestaltbarkeit und kontrollierten Darbietung räumlicher Umgebungen sowie der elektronischen Erfassung von zeitlichen und räumlichen Meßdaten. Inhaltlich geht es darum, die Entstehung von integrierten Raumrepräsentationen ("kognitive Karten") über zeitverteilte Eigenbewegungen (Rotationen und Translationen) im Raum zu untersuchen. Von besonderem Interesse ist, ob und in welcher Weise Spezifika der Darbietung virtueller Umwelten (z. B. Dominanz visueller gegenüber motorischer Informationen) räumliche Wissenserwerbsprozesse beeinflussen.

Hierzu wurden beispielsweise Experimente durchgeführt, in denen Versuchspersonen in einer virtuellen Umgebung zu ihrem Ausgangspunkt zurückkehren sollten, nachdem sie zwei Seiten eines Dreiecks zurückgelegt hatten (triangle completion task). Untersucht wird der Einfluß von Faktoren wie Größe des visuellen Feldes oder Winkel- und Distanzverhältnisse im Dreieck. Solche und andere Experimente dienen der Überprüfung von Modellen räumlichen Lernens als zeitgestreckten egozentrischen Kodierprozessen. Erweiterungen dieser Experimente in Richtung komplexerer Räume und Vergleiche mit Navigationsleistungen unter realräumlichen Bedingungen sind geplant.

Publikationen:
May, M. & Klatzky, R. L. (1999). Path integration while ignoring irrelevant movement. Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, & Cognition.
May, M., Péruch, P., & Savoyant, A. (1995). Navigating in a virtual environment with map-acquired knowledge: Encoding and alignment effects. Ecological Psychology, 7, 21-36.
May, M., Wartenberg, F. & Péruch, P.  (1997). Raumorientierung in virtuellen Umgebungen (S. 15-40). In R.H. Kluwe (Hg.), Strukturen und Prozesse intelligenter Systeme. Wiesbaden: Deutscher Universitäts Verlag.
Péruch, P., May, M., & Wartenberg, F. (1997). Homing in a virtual environment: Effects of field of view and path layout. Perception, 26, 301-311.
Wartenberg, F. & May, M., & Péruch, P. (1998). Spatial orientation in virtual environments: Background considerations and experiments. In C. Freksa, C. Habel, & K.F. Wender (Hg.), Spatial cognition. An interdisciplinary approach to representing and processing spatial knowledge (S. 469-489). Berlin: Springer.

Mark May: Umraumrepräsentationen und kognitive Karten

Mein Forschungsschwerpunkt liegt im Bereich der Raumkognition und der Raumorientierung beim Menschen. Im Rahmen meiner Habilitation habe ich mich insbesondere mit Fragen der Verarbeitung und Repräsentation von Umrauminformation beschäftigt. Erste Vorarbeiten zu diesem Projekt fallen in die Zeit, als ich Postdoktorand am Graduiertenkolleg “Kognitionswissenschaft” in Hamburg war. Ziel des Forschungsvorhabens war es, Mechanismen der Organisation und Transformation von Umraumrepräsentationen formal zu beschreiben und mit experimentellen Methoden zu untersuchen. Bei diesen Untersuchungen wird “verhaltensechten” (z. B. Aufzeichnung von Ganzkörper- oder Zeigebewegungen ) gegenüber “symbolischen” Erhebungsmethoden (z. B. numerische Schätzungen) der Vorzug gegeben. Abgeschlossene Arbeiten in diesem Bereich beziehen sich auf Fragen der vorgestellten Repositionierung im Raum sowie auf Fragen des Zusammenspiels von kognitiven und sensomotorischen Mechanismen bei der Aktualisierung und Nutzung von Gedächtnisrepräsentationen des Umraums.

Ein hiermit verwandter Forschungsschwerpunkt der letzten Jahre bezieht sich auf Fragen des Aufbaus räumlichen Wissens bei Eigenbewegungen in realen und simulierten Räumen. Hier nutzen wir virtuelle Computertechnologien zur Untersuchung bewegungsbegleitender räumlicher Enkodiermechanismen. Diese Forschungsarbeiten wurden aus Mitteln des Deutschen Akademischen Austauschdienstes (PROCOPE; pro-gg-may) sowie aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG; ma-1515/2) gefördert. Fredrik Wartenberg, ehemaliger Post-Doktorand im Graduiertenkolleg, war über mehrere Jahre (1995 -1998) aktiv an diesen Forschungsarbeiten beteiligt.

Publikationen:
May, M. (1992). Mentale Modelle von Städten. Münster: Waxmann.
May, Michael (1993). Die dynamische Funktion der Erklärungsbewertung in epistemischen Systemen. Studien aus dem Philosophischen Seminar 14, Philosophisches Seminar, Universität Hamburg.
May, M. (1996). Cognitive and embodied modes of spatial imagery. Psychologische Beiträge, 38, 418-434; wiederabgedruckt in H.D. Zimmer & J. Engelkamp (Hg.), Memory and processing of visual and spatial imformation (S. 418-434). Lengerich: Pabst.
May, M. (im Druck). Kognition im Umraum. Wiesbaden: Deutscher Universitäts Verlag (erscheint Winter 1999/2000).
May, M. & Rieser, J. J. (in Vorb.). Imagining environments and constraints on switching positions in remembered space. C. Freksa, C. Habel & K.F. Wender (Hg.), Spatial cognition II: An interdisciplinary approach to representing and processing spatial knowledge. Berlin: Springer. (erscheint Winter 1999/2000).
May, M. & Wartenberg, F. (1995). Rotationen und Translationen in Umräumen: Modelle und Experimente. Kognitionswissenschaft, 4, 142-153.

Christian Freksa: Qualitatives Schließen über Raum und Zeit

Den Forschungsschwerpunkt meiner Arbeitsgruppe bildet das Thema Raumkognition.  Forschungsarbeiten wurden durchgeführt und betreut (1) im Bereich des qualitativen raum-zeitlichen Schließens, (2) im Bereich ‘kognitiv adäquater’ Repräsentation unscharfen, unsicheren, unvollständigen und konfligierenden Wissens, (3) im Bereich der aufmerksamkeitsgesteuerten visuellen Wahrnehmung, (4) im Bereich Wissensrepräsentationstheorie und (5) im Bereich Repräsentation in Karten / diagrammatisches Schließen.
Im Bereich des raum-zeitlichen Schließens standen Anwendungen und Erweiterungen (Freksa & Röhrig 1993, Zimmermann & Freksa 1996) des nachbarschaftsbasierten qualitativen zeitlichen Schließens (Freksa 1992) sowie Vergleiche mit alternativen Ansätzen im Vordergrund. Im Bereich der Repräsentation unscharfen, unsicheren, unvollständigen und konfligierenden Wissens wurden kognitiv motivierte Ansätze den technisch motivierten Ansätzen des Fuzzy Reasoning gegenübergestellt (Freksa 1994; Freksa & Barkowsky 1996). Im Bereich der aufmerksamkeitsgesteuerten visuellen Wahrnehmung wurden Augenbewegungsuntersuchungen bei gesunden Personen und bei Patienten durchgeführt (Zangemeister et al. 1995, 1996). Im Bereich Wissensrepräsentationstheorie wurden propositionale und raumbasierte Ansätze zur Wissensrepräsentation in Beziehung gesetzt. Im Bereich der Kartenrepräsentation und des diagrammatischen Schließens untersuchen wir Wissensrepräsentation in schematischen Karten.
Im Rahmen des 1993-1996 vom DAAD geförderten Procope-Kooperationsprojektes Perzeptionsbasierte Inferenzen entwickelten wir neue Konzepte für die Klassifizierung von Umwelten simulierter und realer Roboter auf der Basis qualitativer Kriterien (Barkowsky et al. 1994).  Im Rahmen des 1994-1998 von der EU geförderten HCM-Kooperationsprojektes Spacenet, erstellen wir gemeinsam mit zehn Partneruniversitäten eine Bestandsaufnahme über den Stand der Kunst im qualitativen räumlichen Schließen; unsere Rolle ist dabei insbesondere auch die Berücksichtigung der kognitiven Aspekte.  An beiden Projekten waren Kollegiaten des Graduiertenkollegs Kognitionswissenschaft beteiligt.

Publikationen:

Freksa, C., Temporal reasoning based on semi-intervals, Artificial Intelligence 54 (1992) 199-227.
Freksa, C., Barkowsky, T., On the relation between spatial concepts and geographic objects, in Burrough, P., Frank, A. Geographic objects with indeterminate boundaries, 109-121, Taylor and Francis, London 1996.
Freksa, C., Berendt, B., Time and space in cognitive systems, European Conference on Cognitive Science 1995, Saint-Malo.  Report Nr. 56, Graduierten-kolleg Kognitions-wissenschaft, Universität Hamburg, June 1996.
Zimmermann, K., Freksa, C., Qualitative spatial reasoning using orientation, distance, and path knowledge, Applied Intelligence 6, 49-58, 1996.
Barkowsky T, Freksa C 1997. Cognitive requirements on making and interpreting maps, in Spatial information theory, eds. Hirtle S, Frank A, LNCS 1329, Berlin:  Springer-Verlag, 347-361.
Freksa C, 1999, Links vor – Prototyp oder Gebiet?  Probabilistische und possibilistische Raumbeschreibung, in G Rickheit, Hg., Richtungen im Raum, Wiesbaden:  Westdeutscher Verlag, 231-246.
Freksa, C, 1999, Spatial aspects of task-specific wayfinding maps, in Visual and Spatial Reasoning in Design, eds. JS Gero & B Tversky, 15-32, Key Centre of Design Computing and Cognition, University of Sydney.

Graduiertenkolleg Kognitionswissenschaft
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letzte Änderung: September 2000  grkk-koord@informatik.uni-hamburg.de