Stacking-based visualization of trajectory attribute data

Visualizing trajectory attribute data is challenging because it involves showing the trajectories in their spatio-temporal context as well as the attribute values associated with the individual points of trajectories. Previous work on trajectory visualization addresses selected aspects of this problem, but not all of them. We present a novel approach to visualizing trajectory attribute data. Our solution covers space, time, and attribute values. Based on an analysis of relevant visualization tasks, we designed the visualization solution around the principle of stacking trajectory bands. The core of our approach is a hybrid 2D/3D display. A 2D map serves as a reference for the spatial context, and the trajectories are visualized as stacked 3D trajectory bands along which attribute values are encoded by color. Time is integrated through appropriate ordering of bands and through a dynamic query mechanism that feeds temporally aggregated information to a circular time display. An additional 2D time graph shows temporal information in full detail by stacking 2D trajectory bands. Our solution is equipped with analytical and interactive mechanisms for selecting and ordering of trajectories, and adjusting the color mapping, as well as coordinated highlighting and dedicated 3D navigation. We demonstrate the usefulness of our novel visualization by three examples related to radiation surveillance, traffic analysis, and maritime navigation. User feedback obtained in a small experiment indicates that our hybrid 2D/3D solution can be operated quite well

Spatial Interaction for Immersive Mixed-Reality Visualizations

Growing amounts of data, both in personal and professional settings, have caused an increased interest in data visualization and visual analytics. Especially for inherently three-dimensional data, immersive technologies such as virtual and augmented reality and advanced, natural interaction techniques have been shown to facilitate data analysis. Furthermore, in such use cases, the physical environment often plays an important role, both by directly influencing the data and by serving as context for the analysis. Therefore, there has been a trend to bring data visualization into new, immersive environments and to make use of the physical surroundings, leading to a surge in mixed-reality visualization research. One of the resulting challenges, however, is the design of user interaction for these often complex systems. In my thesis, I address this challenge by investigating interaction for immersive mixed-reality visualizations regarding three core research questions: 1) What are promising types of immersive mixed-reality visualizations, and how can advanced interaction concepts be applied to them? 2) How does spatial interaction benefit these visualizations and how should such interactions be designed? 3) How can spatial interaction in these immersive environments be analyzed and evaluated? To address the first question, I examine how various visualizations such as 3D node-link diagrams and volume visualizations can be adapted for immersive mixed-reality settings and how they stand to benefit from advanced interaction concepts. For the second question, I study how spatial interaction in particular can help to explore data in mixed reality. There, I look into spatial device interaction in comparison to touch input, the use of additional mobile devices as input controllers, and the potential of transparent interaction panels. Finally, to address the third question, I present my research on how user interaction in immersive mixed-reality environments can be analyzed directly in the original, real-world locations, and how this can provide new insights. Overall, with my research, I contribute interaction and visualization concepts, software prototypes, and findings from several user studies on how spatial interaction techniques can support the exploration of immersive mixed-reality visualizations.Zunehmende Datenmengen, sowohl im privaten als auch im beruflichen Umfeld, führen zu einem zunehmenden Interesse an Datenvisualisierung und visueller Analyse. Insbesondere bei inhärent dreidimensionalen Daten haben sich immersive Technologien wie Virtual und Augmented Reality sowie moderne, natürliche Interaktionstechniken als hilfreich für die Datenanalyse erwiesen. Darüber hinaus spielt in solchen Anwendungsfällen die physische Umgebung oft eine wichtige Rolle, da sie sowohl die Daten direkt beeinflusst als auch als Kontext für die Analyse dient. Daher gibt es einen Trend, die Datenvisualisierung in neue, immersive Umgebungen zu bringen und die physische Umgebung zu nutzen, was zu einem Anstieg der Forschung im Bereich Mixed-Reality-Visualisierung geführt hat. Eine der daraus resultierenden Herausforderungen ist jedoch die Gestaltung der Benutzerinteraktion für diese oft komplexen Systeme. In meiner Dissertation beschäftige ich mich mit dieser Herausforderung, indem ich die Interaktion für immersive Mixed-Reality-Visualisierungen im Hinblick auf drei zentrale Forschungsfragen untersuche: 1) Was sind vielversprechende Arten von immersiven Mixed-Reality-Visualisierungen, und wie können fortschrittliche Interaktionskonzepte auf sie angewendet werden? 2) Wie profitieren diese Visualisierungen von räumlicher Interaktion und wie sollten solche Interaktionen gestaltet werden? 3) Wie kann räumliche Interaktion in diesen immersiven Umgebungen analysiert und ausgewertet werden? Um die erste Frage zu beantworten, untersuche ich, wie verschiedene Visualisierungen wie 3D-Node-Link-Diagramme oder Volumenvisualisierungen für immersive Mixed-Reality-Umgebungen angepasst werden können und wie sie von fortgeschrittenen Interaktionskonzepten profitieren. Für die zweite Frage untersuche ich, wie insbesondere die räumliche Interaktion bei der Exploration von Daten in Mixed Reality helfen kann. Dabei betrachte ich die Interaktion mit räumlichen Geräten im Vergleich zur Touch-Eingabe, die Verwendung zusätzlicher mobiler Geräte als Controller und das Potenzial transparenter Interaktionspanels. Um die dritte Frage zu beantworten, stelle ich schließlich meine Forschung darüber vor, wie Benutzerinteraktion in immersiver Mixed-Reality direkt in der realen Umgebung analysiert werden kann und wie dies neue Erkenntnisse liefern kann. Insgesamt trage ich mit meiner Forschung durch Interaktions- und Visualisierungskonzepte, Software-Prototypen und Ergebnisse aus mehreren Nutzerstudien zu der Frage bei, wie räumliche Interaktionstechniken die Erkundung von immersiven Mixed-Reality-Visualisierungen unterstützen können

The Urban Toolkit: A Grammar-based Framework for Urban Visual Analytics

While cities around the world are looking for smart ways to use new advances in data collection, management, and analysis to address their problems, the complex nature of urban issues and the overwhelming amount of available data have posed significant challenges in translating these efforts into actionable insights. In the past few years, urban visual analytics tools have significantly helped tackle these challenges. When analyzing a feature of interest, an urban expert must transform, integrate, and visualize different thematic (e.g., sunlight access, demographic) and physical (e.g., buildings, street networks) data layers, oftentimes across multiple spatial and temporal scales. However, integrating and analyzing these layers require expertise in different fields, increasing development time and effort. This makes the entire visual data exploration and system implementation difficult for programmers and also sets a high entry barrier for urban experts outside of computer science. With this in mind, in this paper, we present the Urban Toolkit (UTK), a flexible and extensible visualization framework that enables the easy authoring of web-based visualizations through a new high-level grammar specifically built with common urban use cases in mind. In order to facilitate the integration and visualization of different urban data, we also propose the concept of knots to merge thematic and physical urban layers. We evaluate our approach through use cases and a series of interviews with experts and practitioners from different domains, including urban accessibility, urban planning, architecture, and climate science. UTK is available at urbantk.org.Comment: Accepted at IEEE VIS 2023. UTK is available at http://urbantk.or

Introduction to the special section on Visual Movement Analytics

PostprintNon peer reviewe

Understanding Immersive Environments for Visual Data Analysis

Augmented Reality enables combining virtual data spaces with real-world environments through visual augmentations, transforming everyday environments into user interfaces of arbitrary type, size, and content. In the past, the development of Augmented Reality was mainly technology-driven. This made head-mounted Mixed Reality devices more common in research, industrial, or personal use cases. However, such devices are always human-centered, making it increasingly important to closely investigate and understand human factors within such applications and environments. Augmented Reality usage can reach from a simple information display to a dedicated device to present and analyze information visualizations. The growing data availability, amount, and complexity amplified the need and wish to generate insights through such visualizations. Those, in turn, can utilize human visual perception and Augmented Reality’s natural interactions, the potential to display three-dimensional data, or the stereoscopic display. In my thesis, I aim to deepen the understanding of how Augmented Reality applications must be designed to optimally adhere to human factors and ergonomics, especially in the area of visual data analysis. To address this challenge, I ground my thesis on three research questions: (1) How can we design such applications in a human-centered way? (2) What influence does the real-world environment have within such applications? (3) How can AR applications be combined with existing systems and devices? To answer those research questions, I explore different human properties and real-world environments that can affect the same environment’s augmentations. For human factors, I investigate the competence in working with visualizations as visualization literacy, the visual perception of visualizations, and physical ergonomics like head movement. Regarding the environment, I examine two main factors: the visual background’s influence on reading and working with immersive visualizations and the possibility of using alternative placement areas in Augmented Reality. Lastly, to explore future Augmented Reality systems, I designed and implemented Hybrid User Interfaces and authoring tools for immersive environments. Throughout the different projects, I used empirical, qualitative, and iterative methods in studying and designing immersive visualizations and applications. With that, I contribute to understanding how developers can apply human and environmental parameters for designing and creating future AR applications, especially for visual data analysis.Augmented Reality ermöglicht es, die reale Welt mit virtuellen Datenräume durch visuelle Augmentierungen zu kombinieren. Somit werden alltägliche Umgebungen in Benutzeroberflächen beliebiger Art, Größe und beliebigen Inhalts verwandelt. In der Vergangenheit war die Entwicklung von Augmented Reality hauptsächlich technologiegetrieben. Folglich fanden head-mounted Mixed Reality Geräte immer häufiger in der Forschung, Industrie oder im privaten Bereich anwendung. Da die Geräte jedoch immer auf den Menschen ausgerichtet sind, wird es immer wichtiger die menschlichen Faktoren in solchen Anwendungen und Umgebungen genau zu untersuchen. Die Nutzung von Augmented Reality kann von einer einfachen Informationsanzeige bis hin zur Darstellung und Analyse von Informationsvisualisierungen reichen. Die wachsende Datenverfügbarkeit, -menge und -komplexität verstärkte den Bedarf und Wunsch, durch solche Visualisierungen Erkenntnisse zu gewinnen. Diese wiederum können die menschliche visuelle Wahrnehmung und die durch Augmented Reality bereitgestellte natürlichen Interaktion und die Darstellung dreidimensionale and stereoskopische Daten nutzen. In meiner Dissertation möchte ich das Verständnis dafür vertiefen, wie Augmented Reality-Anwendungen gestaltet werden müssen, um menschliche Faktoren und Ergonomie optimal zu berücksichtigen, insbesondere im Bereich der visuellen Datenanalyse. Hierbei stütze ich mich in meiner Arbeit auf drei Forschungsfragen: (1) Wie können solche Anwendungen menschenzentriert gestaltet werden? (2) Welchen Einfluss hat die reale Umgebung auf solche Anwendungen? (3) Wie können AR Anwendungen mit existierenden Systemen und Geräten kombiniert werden? Um diese Forschungsfragen zu beantworten, untersuche ich verschiedene menschliche und Umgebungseigenschaften, die sich auf die Augmentierungen derselben Umgebung auswirken können. Für menschliche Faktoren untersuche ich die Kompetenz im Umgang mit Visualisierungen als ``Visualization Literacy'', die visuelle Wahrnehmung von Visualisierungen, und physische Ergonomie wie Kopfbewegungen. In Bezug auf die Umgebung untersuche ich zwei Hauptfaktoren: den Einfluss des visuellen Hintergrunds auf das Lesen und Arbeiten mit immersiven Visualisierungen und die Möglichkeit der Verwendung alternativer Platzierungsbereiche in Augmented Reality. Um zukünftige Augmented Reality-Systeme zu erforschen, habe ich schließlich Hybride Benutzerschnittstellen und Konfigurationstools für immersive Umgebungen entworfen und implementiert. Während der verschiedenen Projekte habe ich empirische, qualitative und iterative Methoden bei der Untersuchung und Gestaltung von immersiven Visualisierungen und Anwendungen eingesetzt. Damit trage ich zum Verständnis bei, wie Entwickler menschliche und umbebungsbezogene Parameter für die Gestaltung und Erstellung zukünftiger AR-Anwendungen, insbesondere für die visuelle Datenanalyse, nutzen können