Computersimulation nonverbalen Interaktionsverhaltens
37. Kongreß der Deutschen Gesellschaft für Psychologie 1990 in Kiel
Bente, Gary (Duisburg)
1. Problemstellung
Innerhalb des letzten Jahrzehnts hat sich die Computeranimation zu einem mächtigen Werkzeug für die Modellierung und Simulation komplexer Prozesse in vielen Bereichen der Wissenschaft, der Technik und der Kunst entwickelt. Von der Möglichkeit, mit Hilfe der Computergrafik numerische Datenprotokolle in eine sichtbare Realität sich bewegender, verändernder und interagierender Objekte zu übersetzen, geht nicht nur eine beachtliche Faszination aus, sondern es eröffnen sich auch neue Perspektiven für die Entwicklung leistungsfähiger Forschungsmethoden. Innerhalb der Verhaltenswissenschaften ist die Nützlichkeit grafischer Simulationen naturgemäß besonders dort gegeben, wo die visuell wahrnehmbaren Aspekte des menschlichen Verhaltens im Zentrum des Interesses stehen, in einem Gebiet also, das traditionell als "Nonverbale Interaktionsforschung" bezeichnet wird. Die Vorzüge von Simulationstechniken liegen auf der Hand: Computersimulationen erlauben zum einen die präzise Definition der unabhängigen Untersuchungsvariablen und sie eröffnen zum anderen Freiheitsgrade in der experimentellen Kontrolle und Bedingungsvariation, die mit Hilfe konventioneller Methoden nicht zu erreichen sind.
Bisher allerdings konnte die nonverbale Kommunikationsforschung von den methodischen Vorzügen computergrafischer Simulationen kaum profitieren. Die Ursache hierfür liegt weniger in Unzulänglichkeiten der Standard-Hardware oder der verfügbaren Animationsalgorithmen, sondern vielmehr in einem immanenten methodischen Problem, das die nonverbale Kommunikationsforschung lange Zeit belastet hat: das Problem der Verhaltensnotation. Denn eine unabdingbare Voraussetzung für die Simulation von Bewegungsabläufen ist die Verfügbarkeit einer leistungsfähigen Kodiersprache die eine hochauflösende Dokumentation des Verhaltens und eine interaktive Manipulation von Animationssequenzen ermöglicht. Diese Voraussetzungen konnten in den letzten Jahren mit der Entwicklung zeitreihenbasierter Transkriptionssysteme geschaffen werden. Zeitreihen Notationsverfahren basieren auf einer bivariaten Kodierungslogik, derzufolge das komplexe Bewegungsgeschehen als eine Folge von Positionszuständen unterschiedlicher, zur unabhängigen Verhaltensvariation fähiger, Subsysteme beschrieben wird. Aus dieser Verfahrensvorschrift resultieren Datenprotokolle mit hohem deskriptiven Informationsgehalt, die unmittelbar für die Zwecke der Computeranimation genutzt werden können. [1]
Hier wird ein auf dem "Berner System zur Zeitreihen-Notation nonverbaler Interaktion" [2] basierender Ansatz zur Computersimulation menschlichen Bewegungsverhaltens vorgestellt. Die präsentierten Computerprogramme umfassen Möglichkeiten der On-Line Animation zum Zwecke des visuellen Feedbacks während nonverbaler Verhaltenskodierungen, zur interaktiven Erstellung und Editierung von Animationssequenzen und zur experimentellen Simulation dyadischer Interaktionen. Sämtliche Programme wurden unter dem Betriebssystem MS-DOS entwickelt. Als Software-Tools dienten ein handelsüblicher BASIC-Compiler sowie ein Macro-Assembler.
2. Multiple Positionszeitreihen als Grundlage der Computeranimation
Positionszeitreihencodierung (am Beispiel des Kopfes):
Für die grafische Computeranimation von menschlichen Bewegungsabläufen ist die Verfügbarkeit eines geeigneten Kode-Alphabetes essentiell. Eine für Simulationsaufgaben einsetzbare Software-Schnittstelle zwischen Mensch und Computer muß dabei eine Reihe spezifischer Voraussetzungen erfüllen. Eine Kodierungssprache muß Transparenz und Anschaulichkeit besitzen, so daß der Anwender in die Lage versetzt wird, reale Bewegungsabläufe in detailgenaue Datenprotokolle zu transkribieren, die jederzeit mit den gewünschten Effekten für eine Animation modifiziert werden können. Darüber hinaus muß sie über ein hohes Maß an deskriptiver Genauigkeit verfügen, so daß eine präzise (Rück-)übersetzung auf dreidimensionale Bewegungen eines computergrafischen Modells möglich wird.
Das hier verwendete "Berner System zur Zeitreihen-Notation nonverbaler Interaktion" erfüllt diese Voraussetzungen in besonderer Weise. Das Kodierverfahren basiert auf dem Prinzip der multiplen Positionszeitreihen. Dies bedeutet zunächst, daß das komplexe Bewegungsgeschehen in seine konstituierenden Elemente aufgeschlüsselt wird. Die Grundelemente der Verhaltenstranskription sind dabei für jeden einzelnen Körperteil durch die Raumdimensionen repräsentiert, innerhalb derer er zur Bewegungsvariation fähig ist. Für jede dieser Dimensionen wird das kontinuierliche Bewegungsverhalten als Folge diskreter Positionszustände kodiert, wobei die räumliche und zeitliche Auflösung prinzipiell frei wählbar sind.
Abbildung 1 verdeutlicht das Kodierungsprinzip am Beispiel des Kopfes. Die Auflösung wurde hier zu Demonstrationszwecken auf 5 Flexionsstufen pro Dimension reduziert. In der aktuellen Forschungspraxis werden bis zu 15 Stufen verwendet. Die zeitliche Auflösung zur Erfassung von Positionsveränderungen liegt bei 1/4 Sekunde. Insgesamt wird das Bewegungsverhalten des gesamten Körpers in 58 Dimensionen aufgeschlüsselt. Abbildung 2 zeigt einen Auszug aus einem vollständigen Rohdatenprotokoll.
Auf der Grundlage dieser Zeitreihenprotokolle können unmittelbar Animationsalgorithmen formuliert werden, die die numerischen Einträge nach frei wählbaren Transformationsregeln in Winkelgrade zurückübersetzen und diese zur dreidimensionalen Rotation computergrafischer Modelle nutzen. Die hier vorgestellten Entwicklungen zentrieren auf die Simulation von Kopfbewegungen. Zu diesem Zweck wurde ein Drahtmodell entworfen, bestehend aus 80 Stützpunkten, die in 17 Poligonzügen zusammengefaßt sind. Abbildung 3 zeigt unter Verwendung dieses Drahtmodells beipielhaft die Rekonstruktion von zeitreihen-kodierten Kopfpositionen mit eindimensionaler und dreidimensionaler Variation.
3. Interaktives Erstellen und Editieren von Animationssequenzen
Die ersten Softwareentwicklungen dienten der Bereitstellung von Programmen zur Generierung und Editierung von Positionszeitreihen. Abbildung 4 verdeuelicht das Funktionsprinzip dieser Software. Sie zeigt eine Serie von vier Bildschirmausgaben zu unterschiedlichen Zeitpunkten eines Kodierungsprozesses. Am linken Bildschirmrand befindet sich ein Editierfenster, dessen Zeilen mit einem laufenden Zeitkode versehen sind. Beginn und Intervall dieses Timers sind frei wählbar. Das Fenster kann gescrollt werden und verfügt über die üblichen Funktionen eines Texteditors. In den drei freien Spalten werden vom Kodierer die Positionszustände des Kopfes in der sagittalen, rotationalen und lateralen Raumdimension nach Maßgabe des "Berner Systems" verschlüsselt. Jede Positionsangabe wird unmittelbar vom Programm verarbeitet und in eine entsprechende drei-dimensionale Bewegung des im mittleren Fenster sichtbaren Drahtmodellkopfes umgesetzt. Die hierfür notwendigen Berechnungen übernimmt ein Assemblerprogramm, das die Grafikausgabe in weniger als 1/25 Sekunde bereitstellt. Zusätzliche Funktionstasten ermöglichen das Laden und Speichern von Zeitreihenprotokollen sowie die kontinuierliche Animation des Kopfes entsprechend der jeweils im Editierfenster sichtbaren Positionszeitreihe.
Abbildung 5 zeigt die Benutzeroberfläche eines speziell für die Generierung experimenteller Animationssequenzen erweiterten Editierprogrammes, das neben Kopfbewegungen auch die Animation des Oberkörpers zuläßt. In der Konstruktionsphase ist dieses Programm allerdings nicht echtzeitfähig. Stattdessen bietet es die Möglichkeit, die dargestellten Konfigurationen als Einzelbilder abzuspeichern und die so generierten Sequenzen im Anschluß an die Konstruktionsphase real-time abzuspielen. Das Programm umfaßt im Wesentlichen die bereits beschriebenen Editierfunktionen. Hinzu kommt die Möglichkeit, in einem weiteren Fenster am unteren Bildschirmrand mit Hilfe einer Maus die Positionszustände von Kopf und Rumpf winkelgradgenau einzustellen, und darüber hinaus Betrachtungsabstand und Betrachtungswinkel einer virtuellen Kamera festzulegen. Die letztgenannte Option erwies sich als erforderlich sowohl für die Transkription von unstandardisierten Videoaufzeichnungen als auch für das Studium von Kommunikationsprozessen, bei denen gerade den Kameravariationen spezifische Wirkungen zugeschrieben werden (etwa im Bereich medienpsychologischer Forschungen).
4. Experimentelle Simulation nonverbaler Interaktion
Wesentliches Einsatzgebiet der bisher verfügbaren Simulationsprogramme ist das Studium der Wirkungen, die spezifische Verhaltensvariationen innerhalb des nonverbalen Systems auf die Prozesse der sozialen Wahrnehmung und der interpersonellen Eindrucksbildung ausüben. Die Computersimulation ermöglicht es dabei, konfundierende Einflußgrößen, die ebenfalls über den visuellen Kommunikationskanal vermittelt werden, wie etwa das physische Erscheinungsbild, zu maskieren bzw. zu standardisieren. Darüber hinaus lassen sich einzelne Verhaltensaspekte in ihrer räumlichen und zeitlichen Struktur systematisch verändern und die Auswirkungen dieser Modifikationen auf die Wahrnehmung von Betrachtern studieren. Bedeutungsvolle Wirkfaktoren im nonverbalen Verhalten können auf diese Weise von möglichem Rauschen getrennt und implizite Schwellenwerte für die das Zubucheschlagen nonverbaler Verhaltensvariationen im Bereich der Personwahrnehmung bestimmt werden.
Abbildung 6 zeigt beispielhaft drei Bildschirm-Hardcopies aus einer experimentellen Animationssequenz. Das hier verwendete Computerprogramm erlaubt die simultane Echtzeit-Animation von Kopfbewegungen von zwei Interakteuren, wobei - um die Natürlichkeit der Bewegungsabläufe zu erhöhen - für die Übergänge zwischen Positionszuständen noch Zwischenbilder über einen "in-betweening"-Algorithmus berechnet werden. Konkret wurden in diesem Beispiel die Verhaltensprotokolle eines Psychotherapeuten und eines Klienten während eines therapeutischen Gesprächs animiert. Neutrale Beobachter konnten auf Grund des gezeigten Kopfbewegungsverhaltens die sozialen Rollen der Interakteure äußerst zuverlässig identifizieren. Nur während spezifischer Phasen ließ die Urteilssicherheit nach. Wie erste Datenanalysen suggerieren, gehen derartige Unsicherheiten in der Identifikation der sozialen Rollen mit wahrgenommenen Veränderungen des Beziehungsklimas in der Realinteraktion einher. Auf diesem Hintergrund deuten sich neben dem erwähnten grundlagenwissenschaftlichen Einsatz der Computersimulation auch durchaus praxisnahe Verwendungsmöglichkeiten, etwa im Bereich von Verhaltenstrainings oder Therapieausbildungen, an.
5. Literatur
[1] Bente, G. 1989. Facilities for the graphical computer animation of head and body movements. Behavior Research Methods, Instruments, & Computers, 21, 455-462.
[2] Frey, S., Hirsbrunner, H.-P., Pool, J. & Daw, W. 1981. Das Berner System zur Untersuchung nonverbaler Interaktion: I. Die Erhebung des Rohdatenprotokolls. In: P. Winkler (Ed.). Methoden der Analyse von Face-to-Face-Situationen. Stuttgart: Metzler. S. 203-236.