TRR 8:  Raumkognition - Schließen, Handeln, Interagieren

• Fachliche Zuordnung: Informatik, System- und Elektrotechnik ; Sozial- und Verhaltenswissenschaften
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5485810

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Wenn Menschen, Tiere oder andere intelligente Systeme (wie z.B. autonome Roboter) sich in der Welt bewegen, sind Raum und Zeit allgegenwärtig. Der Sonderforschungsbereich/Transregio SFB/TR 8 Raumkognition hat an seinen beiden Standorten, den Universitäten Bremen und Freiburg, zwölf Jahre lang die Eigenschaften von Raum und Zeit kognitionswissenschaftlich untersucht. Welche Informationen müssen beim räumlichen Denken verarbeitet werden? Wie sind sinnvolle Handlungen in räumlichen Umgebungen möglich? Und wie kommunizieren und interagieren Menschen und technische Systeme in ihrer räumlichen Umwelt? Bei der Auseinandersetzung mit Problemen intelligenter räumlicher Informationsverarbeitung stellt sich die Frage, wie räumliche Informationsstrukturen Denk- und Handlungsprozesse beeinträchtigen oder unterstützen können. Einerseits können die Beschränkungen des physischen Raums abstrakte Denkprozesse behindern. Andererseits jedoch sind die kognitiven Fähigkeiten des Menschen perfekt auf die physischen Eigenschaften seiner räumlichen Umgebung abgestimmt. In diesem Sinne unterstützen die Strukturen des menschlichen Gehirns und die intelligenten Prozesse, die hier ablaufen, die räumliche Kognition. Im SFB/TR 8 Raumkognition sind vielfältige Fragestellungen zur intelligenten räumlichen Informationsverarbeitung untersucht worden. Kognitionspsychologen und Informatiker haben sich mit Problemen der räumlichen Orientierung und Navigation bei Menschen und Robotern befasst. Welche kognitiven Prozesse der Wahrnehmung, des Gedächtnisses, des Denkens, des Handelns und der Kommunikation spielen hier welche Rolle? Mit logischen und mathematischen Herangehensweisen wurde untersucht, welche Informationen für die Lösung spezifischer räumlicher Probleme benötigt werden und welche Berechnungsprobleme sich in diesem Zusammenhang stellen. Forscher aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz haben untersucht, wie sich die empirischen Erkenntnisse über Wahrnehmung, Gedächtnis, räumliches Denken, Handeln und Kommunizieren mit Computern nachbilden lassen. Diese Modelle wiederum mussten sich dann im empirischen Vergleich mit ihren natürlichen Vorbildern bewähren. Die Informatik bietet weiterhin die Möglichkeit, in Systemen Virtueller Realitäten räumliche Szenarien zu erschaffen, die wesentliche Eigenschaften des natürlichen physischen Raums außer Kraft setzen. Auf diese Weise lassen sich Theorien zur räumlichen Kognition beim Menschen untersuchen, wobei räumliche Eigenschaften der Umgebung im Experiment beliebig manipuliert werden können. In praktischen Anwendungsszenarien ist im SFB/TR 8 untersucht worden, welche kognitiven Systeme in welcher Weise an der räumlichen Informationsverarbeitung beteiligt sind. So haben kognitive Linguisten die räumliche Sprache unter die Lupe genommen, kognitive Geographen haben verbesserte Karten und Informationsdisplays entwickeln und kognitive Architekten haben sich mit Fragen der Gestaltung räumlicher Innen- und Außenumgebungen befasst. In all diesen Domänen lässt sich die kognitive Leistung in Bezug auf konkrete Aufgaben und Fragestellungen empirisch bewerten. Eine theoretische Kernfrage, die bei der Arbeit im SFB/TR 8 eine zentrale Rolle gespielt hat ist, ob erfolgreiche räumliche Kognition in komplexen Situationen durch rein abstrakte Rechenoperationen, also ohne direkten Bezug zu einer räumlichen Umgebung ausgeführt werden kann oder ob Computer, so wie die Gehirne in natürlichen Systemen, auf räumliche Komponenten wie eine physische Gestalt, vielfältige Sensoren und motorische Fähigkeiten angewiesen sind, um Eigenschaften des Raumes unmittelbar nutzen zu können. Erkenntnisse der Komplexitätstheorie legen nahe, dass sich zahlreiche räumliche Probleme in herkömmlichen informatischen Strukturen nicht effizient lösen lassen. Künstliche Systeme müssen also spezifische räumliche Strukturen mitbringen, um die typischen Aufgaben der Raumkognition erfolgreich bewältigen zu können. Zahlreiche Forschungsfragen hat der SFB/TR 8 im Laufe seiner zwölfjährigen Arbeit erfolgreich beantworten können. Zudem haben sich durch die wissenschaftliche Auseinandersetzung auch vielfältige neue Fragestellungen eröffnet, die in künftigen Forschungsvorhaben bearbeitet werden müssen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2005). A model for context-specific route directions. In Freksa, C., Knauff, M., Krieg-Brückner, B., Nebel, B., and Barkowsky, T., editors, Spatial Cognition IV – Reasoning, Action, Interaction, pages 58-78. Springer, Berlin
  Richter, K.-F. and Klippel, A.
  
• (2005). Ontologies for the semantic web in CASL. In Fiadeiro, J. L., Mosses, P., and Orejas, F., editors, Recent Trends in Algebraic Development Techniques, 17th International Workshop (WADT 2004), pages 106–125. Springer, Berlin
  Lüttich, K., Mossakowski, T., and Krieg-Brückner, B.
  
• (2005). Preferred and alternative mental models in spatial reasoning. Spatial Cognition and Computation, 5(2&3):239–269
  Rauh, R., Hagen, C., Knauff, M. Kuss, T., Schlieder, C., and Strube, G.
  
• (2005). Specification of an ontology for route graphs. In Freksa, C., Knauff, M., Krieg-Brückner, B., Nebel, B., and Barkowsky, T., editors, Spatial Cognition IV – Reasoning, Action, Interaction, pages 390-412. Springer, Berlin
  Krieg-Brückner, B., Frese, U., Lüttich, K., Mandel, C., Mossakowski, T., and Ross, R. J.
  
• (2005). Towards an Autonomous Wheelchair: Cognitive Aspects in Service Robotics. In Proceedings of Towards Autonomous Robotic Systems (TAROS 2005), S. 165–172
  Mandel, C., Huebner, K., and Vierhuff, T.
  
• (2005). Towards dialogue based shared control of navigating robots. In Freksa, C., Knauff, M., Krieg-Brückner, B., Nebel, B., and Barkowsky, T., editors, Spatial Cognition IV – Reasoning, Action, Interaction, pages 478-499. Springer, Berlin
  Ross, R., Shi, H., Vierhuff, T., and Krieg-Brückner, B.
  
• (2005). Wayfinding choremes – a language for modeling conceptual route knowledge. Journal of Visual Languages & Computing, 16(4):311-329
  Klippel, A., Tappe, H., Kulik, L., and Lee, P. U.
  
• (2006). Orientation calculi and route graphs: Towards semantic representations for route descriptions. In Raubal, M., Miller, H. J., Frank, A. U., and Goochild, M. F., editors, Geographic Information Science - 4th International Conference, GIScience 2006. Springer, Berlin
  Krieg-Brückner, B. and Shi, H.
  
• (2006). Qualitative spatial representation and reasoning in the SparQ-toolbox. In Barkowsky, T., Knauff, M., Ligozat, G., and Montello, D. R., editors, Spatial Cognition V – Reasoning, Action, Interaction. Springer, Berlin
  Wallgrün, J. O., Frommberger, L., Wolter, D., Dylla, F., and Freksa, C.
  
• (2007). Aspect-oriented building design: Towards computer-aided approaches to solving spatial constraints in architecture. In Allen, G. L., editor, Applied Spatial Cognition: From Research to Cognitive Technology, pages 75-102, Lawrence Erlbaum Associates, Mahwah, NJ
  Bertel, S., Vrachliotis, G., and Freksa, C.
  
• (2008). Knowledge-based wayfinding maps for small display cartography. Journal of Location Based Services, 2(1):57-83
  Schmid, F.
  
• (2008). Qualitative spatial reasoning about relative point position. Journal of Visual Languages and Computing, 19:75–98
  Moratz, R. and Ragni, M.
  
• (2009). Controlling an automated wheelchair via joystick/headjoystick supported by smart driving assistance. In Proceedings of the 2009 IEEE 11th International Conference on Rehabilitation Robotics, pages 743–748
  Röfer, T., Mandel, C., and Laue, T.
  
• (2009). Navigating a smart wheelchair with a brain-computer interface interpreting steady-state visual evoked potentials. In Xi, N. and Hamel, W. R., editors, Proceedings of the 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pages 1118–1125. IEEE
  Mandel, C., Lüth, T., Laue, T., Röfer, T., Gräser, A., and Krieg-Brückner, B.
  
• (2010). Bio-inspired architecture for active sensorimotor localization. In Hölscher, C., Shipley, T., Belardinelli, M. O., Bateman, J., and Newcombe, N., editors, Spatial Cognition VII – International Conference Spatial Cognition 2010, pages 163-178. Springer, Berlin
  Reineking, T., Wolter, J., Gadzicki, K., and Zetzsche, C.
  
• (2010). Deep reasoning in clarification dialogues with mobile robots. In Coelho, H., Studer, R., and Wooldridge, M., editors, Proceedings of the 19th European Conference on Artificial Intelligence (ECAI 2010). IOS Press, Amsterdam
  Jian, C., Zhekova, D., Shi, H., and Bateman, J.
  
• (2010). Hierarchical optimization on manifolds for online 2D and 3D mapping. Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Anchorage, Alaska
  Grisetti, G., Kümmerle, R., Stachniss, C., Frese, U., and Hertzberg, C.
  
• (2010). Influence of geometry and objects on local route choices during wayfinding. In Hölscher, C., Shipley, T., Belardinelli, M. O., Bateman, J., and Newcombe, N., editors, Spatial Cognition VII – International Conference Spatial Cognition 2010, pages 41-53. Springer, Berlin
  Frankenstein, J., Büchner, S., Tenbrink, T., and Hölscher, C.
  
• (2010). Qualitative reasoning with directional relations. Artificial Intelligence, 174(18):1498–1507
  Wolter, D. and Lee, J. H.
  
• (2010). Qualitative spatial reasoning for topological map learning. Spatial Cognition and Computation - An Interdisciplinary Journal, 10(4):207-246
  Wallgrün, J. O.
  
• (2011). A probabilistic framework for learning kinematic models of articulated objects. Journal of Artificial Intelligence Research (JAIR), 41:477-526
  Sturm, J., Stachniss, C., and Burgard, W.
  
• (2011). Casimir: An architecture for mental spatial knowledge processing. topiCS - Topics in Cognitive Science, 3:778-795
  Schultheis, H. and Barkowsky, T.
  
• (2012). Grab a mug – Object detection and grasp motion planning with the NAO robot. In Proc. of the IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids)
  Müller, J., Frese, U., and Röfer, ,T.
  
• (2012). Investigating the in-between: multisensory integration of auditory and visual motion streams. Seeing and Perceiving, 25:45-69
  Kluss, T., Schult, N., Schill, K., Fahle, M., and Zetzsche, C.
  
• (2012). Qualitative reasoning about relative direction of oriented points. Artificial Intelligence, 180–181(0):34–45
  Mossakowski, T. and Moratz, R.
  
• (2012). Relevance in spatial navigation and communication. In Stachniss, C., Schill, K., and Uttal, D., editors, Spatial Cognition VIII – International Conference, Spatial Cognition 2012, pages 358-377. Springer, Heidelberg
  Tenbrink, T.
  
• (2013). A theory and a computational model of spatial reasoning with preferred mental models. Psychological Review, 120(3):561-588
  Ragni, M. and Knauff, M.
  
• (2013). Algebraic properties of qualitative spatio-temporal calculi. In Tenbrink, T., Stell, J., Galton, A., and Wood, Z., editors, Spatial Information Theory – 11th International Conference, COSIT 2013, pages 516-536. Springer, Cham
  Dylla, F., Mossakowski, T., Schneider, T., and Wolter, D.
  
• (2013). Annotation of negotiation processes in joint-action dialogues. Dialogue and Discourse, 4(2):185-214
  Tenbrink, T., Eberhard, K., Shi, H., Kübler, S., and Scheutz, M.
  
• (2013). Integrating generic sensor fusion algorithms with sound state representations through encapsulation of manifolds. Information Fusion, 14(1):57-77
  Hertzberg, C., Wagner, R., Frese, U., and Schröder, L.
  
• (2013). OctoMap: An efficient probabilistic 3D mapping framework based on Octrees. Autonomous Robots, 34:189-206
  Hornung, A., Wurm, K. M., Bennewitz, M., Stachniss, C., and Burgard, W.
  
• (2013). POE 2.0: Exploring the potential of social media for capturing unsolicited post occupancy evaluations. Intelligent Buildings International, 5(3):162-180
  Dalton, R., Kuliga, S., and Hölscher, C.
  
• (2014). IISPH-FLIP for incompressible fluids. Computer Graphics Forum (Proc. Eurographics 2014), 33(2):255-262
  Cornelis, J., Ihmsen, M., Peer, A., and Teschner, M.
  
• (2014). Learning object deformation models for robot motion planning. Robotics and Autonomous Systems, 62(8):1153- 1174
  Frank, B., Stachniss, C., Schmedding, R., Teschner, M., and Burgard, W.
  
• (2014). Mobile manipulation in cluttered environments with humanoids: Integrated perception, task planning, and action execution. Proceedings of the 14th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids), pages 773-778
  Hornung, A., Boettcher, S., Dornhege, C., Hertle, A., Schlagenhauf, J., and Bennewitz, M.
  
• (2014). Modeling mental spatial reasoning about cardinal directions. Cognitive Science, 38(8):1521-1561
  Schultheis, H., Bertel, S., and Barkowsky, T.
  
• (2014). On qualitative route descriptions: Representation, agent models, and computational complexity. Journal of Philosophical Logic
  Westphal, M., Wölfl, S., Nebel, B., and Renz, J.
  
• (2015). Conceptual transformation and cognitive processes in Origami paper folding. Journal of Problem Solving, 8(1)
  Tenbrink, T. and Taylor, H. A.
  
• (2015). E pluribus unum - Formalisation, use-cases, and computational support for conceptual blending. In Besold, T. R., Schorlemmer, M., and Smaill, A., editors, Computational Creativity Research: Towards Creative Machines, Vol. 7, pages 167–196. Atlantis Press
  Kutz, O., Bateman, J., Mossakowski, T., Neuhaus, F., and Mehul Bhatt
  
• (2017). Architectural design cognition: People-centred visuo-spatial cognition, and its role in systems and educational discourse for design conception, computing, and communication. In Ammon, S. and Hinterwaldner, I., editors, Bildlichkeit im Zeitalter der Modellierung – Operative Artefakte in Entwurfsprozessen der Architektur und des Ingenieurwesens. W. Fink, Munich
  Bhatt, M. and Schultz, C.