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Improvement of Perception and Cognition in Synthetic Spatial Environments

Helmetag, Arnd :
Improvement of Perception and Cognition in Synthetic Spatial Environments.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2001)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Improvement of Perception and Cognition in Synthetic Spatial Environments
Language: English
Abstract:

The objective of this thesis is the development of a terrain presentation for a synthetic flight guidance system that takes human requirements into account. The thesis is separated into three major chapters. Analysis, Design and Evaluation. In the first part of chapter 1 the environment in which a cockpit crew operates is analysed from different points of view after a short description of the environmentitself. Special attention will be given to the cognitive aspects concerning conventional flight guidance. Based on this foundation, a new flight guidance concept -theCavok flight guidance displays- will be described in detail. They have been tested in flight and will be considered as state of the art. While information requirements and perceptive requirements are excellently realised in the Cavok flight guidance displays, tertiary or cognitive requirements arenot sufficiently taken into account. A detailed description of deficiencies concerning mental information processing will be given and will serve as a base for furtheranalysis. The inability of the human to become familiar with this synthetic environment seems to stem from the lack of tertiary information to be taken into accountin the development phase of the Cavok flight guidance displays. In the last part of the Analysis chapter, cognitive mapping will be looked at. Current methods of terrain visualisation do not provide the pilot with landmarks andthis may be the reason that they have trouble becoming familiar with the environment. Landmarks as the foundation for cognitive mapping seem to be missing sincethere are no other indications why it should be impossible to get familiar with synthetic environment. Similar examples will be mentioned that indicate that cognitivemapping in virtual worlds is possible. Finally the Cavok flight guidance displays will be analysed under these aspects. A foundation for the creation of maps, charts and electronic devices will be given at the beginning of the Design chapter. After a short description of thecartographic design process a new concept taking primary and secondary as well as tertiary requirements into account will be proposed. This concept changes thegeometrical structure of digital terrain data in order to adapt it to human perception and allow cognitive mapping in a synthetic environment. A detailed descriptionof the necessary complex processing will be given. At the end of the Design chapter a first indication of perceptive and cognitive as well as technical improvementswill be summarised. In the last chapter, Evaluation, the new terrain depiction will be treated. Extensive experiments prove that the terrain conversion process significantly improves theperception and cognition. Necessary time for perception and mental rotation decreased tremendously while the number of hits increased.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Geländedarstellung für ein synthetisches Flugführungssystem, die den Anforderungen durch den Menschenentspricht. Drei Hauptkapitel bilden die Struktur dieser Arbeit: Analyse, Design und Evaluierung. Im ersten Teil von Kapitel 1 wird die Umgebung, in welcherPiloten arbeiten, kurz beschrieben und unter verschiedenen Gesichtspunkten analysiert. Besondere Beachtung wird dabei die Flugführung unter kognitivenAspekten finden. Auf dieser Grundlage wird ein neues Flugführungskonzept die -Cavok Flugführungs-displays- im Detail beschrieben. Dieses wurde inFlugversuchen getestet und wird als Stand der Technik betrachtet. Während primäre Anforderungen an den Informationsbedarf und sekundäre Anforderungen an die Wahrnehmung des Piloten hervorragend erfüllt sind, sindtertiäre oder kognitive Aspekte nicht ausreichend in Betracht gezogen worden. Es erfolgt eine ausführliche Beschreibung der, die mentale Informationsverarbeitungbetreffenden Unzulänglichkeiten, die dann als Basis für die anschließende Analyse dienen wird. Es wurde festgestellt, daß das Vertrautwerden mit synthetischdargestellten Umgebungen sehr schwer fällt oder sogar unmöglich ist. Dies scheint seine Ursache in der Nichtbeachtung tertiärer oder kognitiver Anforderungenwährend der Entwicklung der Cavok Flugführungsdisplays zu haben. Im letzten Teil des Kapitels Analyse wird das kognitive Kartieren betrachtet. Derzeitige Geländevisualisierungen scheinen keine Landmarken zu enthalten, was dieUrsache für das erschwerte Vertrautwerden mit der Umgebung sein könnte. Landmarken, als die Grundlage für kognitives Kartieren, scheinen zu fehlen, da eskeine weiteren Anhaltspunkte gibt, weshalb es unmöglich sein sollte mit synthetisch dargestellten Umgebungen vertraut zu werden. Andere Beispiele werdenaufgeführt, die darauf hinweisen, daß kognitives Kartieren auch in virtuellen Welten möglich ist. Schließlich werden die Cavok Flugführungsdisplays unter diesenAspekten analysiert. Im Kapitel Design wird kurz eine Grundlage zur Erstellung von konventionellen und elektronischen Karten gelegt. Nach der Beschreibung des kartographischenDesignprozesses wird ein neues Darstellungskonzept vorgestellt, das primäre, sekundäre und tertiäre Anforderungen erfüllt. Bei diesem Konzept wird diegeometrische Struktur von digitalen Geländedaten verändert, um sie an die Anforderungen des Menschen, bezüglich Wahrnehmung und kognitiven Kartierens insynthetischen Umgebungen, anzupassen. Dieser komplexe Verarbeitungsprozeß wird im Detail erklärt werden. Am Ende des Kapitels Design werden ersteAnhaltspunkte für die Verbesserung der Wahrnehmung und der Kognition sowie technischer Aspekte zusammengefaßt. Im letzten Kapitel Evaluierung wird die neue Geländedarstellung bewertet. Ausführliche Versuche bestätigen, daß die Neustrukturierung des Geländes dieWahrnehmung und die Kognition signifikant verbessern. Die notwendige Zeit für die Erkennung und die mentale Rotation der Geländedarstellung sinkt erheblich,während die Anzahl der richtigen Antworten ansteigt.German
Uncontrolled Keywords: 3D Flugfuehrung, CFIT, Digitales Gelaende, Flugfuehrung, Kognition, Kognitive Karte, Konturlinien, Luftfahrt, Mensch Maschine Schnittstelle, Mustererkennung, Wahrnehmung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
3D Flugfuehrung, CFIT, Digitales Gelaende, Flugfuehrung, Kognition, Kognitive Karte, Konturlinien, Luftfahrt, Mensch Maschine Schnittstelle, Mustererkennung, WahrnehmungGerman
3D Flight Guidance, Attas, Aviation, Cavok, Cockpit, Cognition, Cognitive Map, Contour lines, Controlled, Flight into Terrain, Digital Terrain, DTED, Flight Guidance, Man Machine Interface, Pattern recognition, PerceptionEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:20
Last Modified: 07 Dec 2012 11:47
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000130
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-1302
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Landau, Prof. Dr.- Kurt and Schmidt, Prof. Dr. Rainer
Advisors: Kubbat, Prof. Dr.- Wolfgang
Refereed: 5 July 2000
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/130
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