Applied Mobile Visualization and Interaction
The rapid technological evolution of computing machinery has led to an implementation of computational resources in most disciplines and facets of life. The ability to retrieve large amounts of information and to access computing resources in real-time from anywhere at any time has become a matter of fact. Optimized and specialized algorithms and techniques are essential to process and present ever bigger datasets efficiently. Generally, complex datasets cannot be reduced to just a few meaningful numbers. In fact, there is a growing demand of visualization techniques that enable, accelerate, and simplify the understanding of the underlying data. Experiencing and interacting with visualizations in mobile contexts opens up new applications and opportunities.
This work addresses multiple aspects of improving mobile visualization user experiences by contributing to three different levels of visualization software engineering: algorithms, frameworks, and applications.
Algorithmic advancements are contributed by this thesis by the evaluation and analysis of a large parameter space that directly affects the rendering performance of volumetric datasets for applications that utilize the ray-casting rendering technique. The presented optimizations accelerate the workflow of many scientists and engineers who need to interactively explore very large amounts of data on their preferred computing and display device, e.g., mobile devices, desktop workstations, or display walls.
Simplifying the development process and improving the usability of applications that run on large scale display walls is the purpose of the first framework detailed in this thesis. The framework's key concept is based on integrating the users' mobile devices into the process of operating such immersive display wall setups.
A second developed framework enables an effortless instrumentation of mobile visualization applications in order to replay, aggregate, and analyze remote user interaction sessions for iterative improvements of user interfaces.
Furthermore, two distinct mobile visualization application examples are developed that partially benefit from the proposed frameworks and algorithmic advancements. First, a distributed visualization system is proposed that streamlines the workflow of biomedical engineers and neuroscientists in the context of deep brain stimulation therapy. Subsequently, a wearable visualization system for learning forefoot running is designed and evaluated in a user study.
Die enorme technologische Entwicklung digitaler Datenverarbeitung hat bereits dazu geführt, dass computergestützte Prozesse in fast jeder Disziplin und jedem Lebensbereich ein fester Bestandteil sind. Dabei wird vorausgesetzt, dass zu jeder Zeit, an jedem Ort und in Echtzeit riesige Informationsmengen stets abgerufen werden können und Datenverarbeitungsressourcen stets verfügbar sind. Optimierte und spezialisierte Algorithmen und Techniken sind notwendig, um immer größere Datensätze effizient zu verarbeiten und anzuzeigen. Im Allgemeinen können komplexe Datensätze nicht ohne Weiteres auf wenige überschaubare und aussagekräftige Zahlen reduziert werden. Deshalb sind Visualisierungstechniken ein notwendiges Mittel, um große Datenmengen und deren Zusammenhänge analysieren und verstehen zu können. Dabei werden neue Anwendungsszenarien vor allem durch die erweiterten Möglichkeiten von mobilen Nutzungskontexten erschlossen.
Diese Arbeit adressiert mehrere Aspekte, die als Grundlage zur Verbesserung der Nutzererfahrung mobiler Visualisierungsanwendungen dienen. Sie untersucht drei verschiedene Bereiche der Entwicklung von Visualisierungssoftware: Algorithmen, Frameworks und Anwendungen.
Algorithmische Fortschritte werden in dieser Arbeit durch die Analyse und Auswertung vieler Parameter erzielt, welche sich direkt auf die Darstellungsleistung von Volumendatensätzen bei Visualisierungsanwendungen auswirken, die das Ray-Casting-Verfahren verwenden. Die vorgestellten Optimierungen beschleunigen den Arbeitsablauf vieler Wissenschaftler und Ingenieure, die interaktiv sehr große Datenmengen explorieren müssen und dabei auf Arbeitsumgebungen ihrer Wahl zurückgreifen möchten, wie z.B. mobile Anzeigegeräte, Desktop-Computer oder Displaywände.
Die Vereinfachung des Entwicklungsprozesses und die Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit von Visualisierungsanwendungen, die für den Betrieb von großen Displaywänden ausgelegt sind, ist das Ziel des ersten in dieser Arbeit beschriebenen Frameworks. Das Schlüsselkonzept des Frameworks basiert auf der Integration der Mobilgeräte der Nutzer in den Prozess des Betriebs derartiger immersiver Umgebungen.
Ein zweites entwickeltes Framework ermöglicht die mühelose Instrumentierung mobiler Visualisierungsanwendungen zum Zusammenführen, Analysieren und Auswerten des Nutzungsverhaltens entfernter Anwender. Dieses Vorgehen bildet die Grundlage zur iterativen Verbesserung von Anwendungen.
Des Weiteren werden zwei unterschiedliche Beispiele für mobile Visualisierungsanwendungen entwickelt, die teilweise von den vorgestellten Frameworks und den algorithmischen Fortschritten profitieren. Zum einen wird ein verteiltes Visualisierungssystem vorgeschlagen, welches die Arbeitsabläufe von biomedizinischen Ingenieuren und Neurowissenschaftlern in der Anwendung tiefer Hirnstimulation vereinfacht, zum anderen wird ein Visualisierungssystem für Wearables zum Erlernen des Vorfußlaufs entwickelt und in einer Nutzerstudie evaluiert.