Interactive Visualization Lenses:: Natural Magic Lens Interaction for Graph Visualization

Information visualization is an important research field concerned with making sense and inferring knowledge from data collections. Graph visualizations are specific techniques for data representation relevant in diverse application domains among them biology, software-engineering, and business finance. These data visualizations benefit from the display space provided by novel interactive large display environments. However, these environments also cause new challenges and result in new requirements regarding the need for interaction beyond the desktop and according redesign of analysis tools. This thesis focuses on interactive magic lenses, specialized locally applied tools that temporarily manipulate the visualization. These may include magnification of focus regions but also more graph-specific functions such as pulling in neighboring nodes or locally reducing edge clutter. Up to now, these lenses have mostly been used as single-user, single-purpose tools operated by mouse and keyboard. This dissertation presents the extension of magic lenses both in terms of function as well as interaction for large vertical displays. In particular, this thesis contributes several natural interaction designs with magic lenses for the exploration of graph data in node-link visualizations using diverse interaction modalities. This development incorporates flexible switches between lens functions, adjustment of individual lens properties and function parameters, as well as the combination of lenses. It proposes interaction techniques for fluent multi-touch manipulation of lenses, controlling lenses using mobile devices in front of large displays, and a novel concept of body-controlled magic lenses. Functional extensions in addition to these interaction techniques convert the lenses to user-configurable, personal territories with use of alternative interaction styles. To create the foundation for this extension, the dissertation incorporates a comprehensive design space of magic lenses, their function, parameters, and interactions. Additionally, it provides a discussion on increased embodiment in tool and controller design, contributing insights into user position and movement in front of large vertical displays as a result of empirical investigations and evaluations.Informationsvisualisierung ist ein wichtiges Forschungsfeld, das das Analysieren von Daten unterstützt. Graph-Visualisierungen sind dabei eine spezielle Variante der Datenrepräsentation, deren Nutzen in vielerlei Anwendungsfällen zum Einsatz kommt, u.a. in der Biologie, Softwareentwicklung und Finanzwirtschaft. Diese Datendarstellungen profitieren besonders von großen Displays in neuen Displayumgebungen. Jedoch bringen diese Umgebungen auch neue Herausforderungen mit sich und stellen Anforderungen an Nutzerschnittstellen jenseits der traditionellen Ansätze, die dadurch auch Anpassungen von Analysewerkzeugen erfordern. Diese Dissertation befasst sich mit interaktiven „Magischen Linsen“, spezielle lokal-angewandte Werkzeuge, die temporär die Visualisierung zur Analyse manipulieren. Dabei existieren zum Beispiel Vergrößerungslinsen, aber auch Graph-spezifische Manipulationen, wie das Anziehen von Nachbarknoten oder das Reduzieren von Kantenüberlappungen im lokalen Bereich. Bisher wurden diese Linsen vor allem als Werkzeug für einzelne Nutzer mit sehr spezialisiertem Effekt eingesetzt und per Maus und Tastatur bedient. Die vorliegende Doktorarbeit präsentiert die Erweiterung dieser magischen Linsen, sowohl in Bezug auf die Funktionalität als auch für die Interaktion an großen, vertikalen Displays. Insbesondere trägt diese Dissertation dazu bei, die Exploration von Graphen mit magischen Linsen durch natürliche Interaktion mit unterschiedlichen Modalitäten zu unterstützen. Dabei werden flexible Änderungen der Linsenfunktion, Anpassungen von individuellen Linseneigenschaften und Funktionsparametern, sowie die Kombination unterschiedlicher Linsen ermöglicht. Es werden Interaktionstechniken für die natürliche Manipulation der Linsen durch Multitouch-Interaktion, sowie das Kontrollieren von Linsen durch Mobilgeräte vor einer Displaywand vorgestellt. Außerdem wurde ein neuartiges Konzept körpergesteuerter magischer Linsen entwickelt. Funktionale Erweiterungen in Kombination mit diesen Interaktionskonzepten machen die Linse zu einem vom Nutzer einstellbaren, persönlichen Arbeitsbereich, der zudem alternative Interaktionsstile erlaubt. Als Grundlage für diese Erweiterungen stellt die Dissertation eine umfangreiche analytische Kategorisierung bisheriger Forschungsarbeiten zu magischen Linsen vor, in der Funktionen, Parameter und Interaktion mit Linsen eingeordnet werden. Zusätzlich macht die Arbeit Vor- und Nachteile körpernaher Interaktion für Werkzeuge bzw. ihre Steuerung zum Thema und diskutiert dabei Nutzerposition und -bewegung an großen Displaywänden belegt durch empirische Nutzerstudien

Persistent Homology Guided Force-Directed Graph Layouts

Graphs are commonly used to encode relationships among entities, yet their abstractness makes them difficult to analyze. Node-link diagrams are popular for drawing graphs, and force-directed layouts provide a flexible method for node arrangements that use local relationships in an attempt to reveal the global shape of the graph. However, clutter and overlap of unrelated structures can lead to confusing graph visualizations. This paper leverages the persistent homology features of an undirected graph as derived information for interactive manipulation of force-directed layouts. We first discuss how to efficiently extract 0-dimensional persistent homology features from both weighted and unweighted undirected graphs. We then introduce the interactive persistence barcode used to manipulate the force-directed graph layout. In particular, the user adds and removes contracting and repulsing forces generated by the persistent homology features, eventually selecting the set of persistent homology features that most improve the layout. Finally, we demonstrate the utility of our approach across a variety of synthetic and real datasets

Task-based Adaptation of Graphical Content in Smart Visual Interfaces

To be effective visual representations must be adapted to their respective context of use, especially in so-called Smart Visual Interfaces striving to present specifically those information required for the task at hand. This thesis proposes a generic approach that facilitate the automatic generation of task-specific visual representations from suitable task descriptions. It is discussed how the approach is applied to four principal content types raster images, 2D vector and 3D graphics as well as data visualizations, and how existing display techniques can be integrated into the approach.Effektive visuelle Repräsentationen müssen an den jeweiligen Nutzungskontext angepasst sein, insbesondere in sog. Smart Visual Interfaces, welche anstreben, möglichst genau für die aktuelle Aufgabe benötigte Informationen anzubieten. Diese Arbeit entwirft einen generischen Ansatz zur automatischen Erzeugung aufgabenspezifischer Darstellungen anhand geeigneter Aufgabenbeschreibungen. Es wird gezeigt, wie dieser Ansatz auf vier grundlegende Inhaltstypen Rasterbilder, 2D-Vektor- und 3D-Grafik sowie Datenvisualisierungen anwendbar ist, und wie existierende Darstellungstechniken integrierbar sind

Contributions to the cornerstones of interaction in visualization: strengthening the interaction of visualization

Visualization has become an accepted means for data exploration and analysis. Although interaction is an important component of visualization approaches, current visualization research pays less attention to interaction than to aspects of the graphical representation. Therefore, the goal of this work is to strengthen the interaction side of visualization. To this end, we establish a unified view on interaction in visualization. This unified view covers four cornerstones: the data, the tasks, the technology, and the human.Visualisierung hat sich zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Exploration und Analyse von Daten entwickelt. Obwohl Interaktion ein wichtiger Bestandteil solcher Werkzeuge ist, wird der Interaktion in der aktuellen Visualisierungsforschung weniger Aufmerksamkeit gewidmet als Aspekten der graphischen Repräsentation. Daher ist es das Ziel dieser Arbeit, die Interaktion im Bereich der Visualisierung zu stärken. Hierzu wird eine einheitliche Sicht auf Interaktion in der Visualisierung entwickelt