49 research outputs found

    Towards Expressive and Versatile Visualization-as-a-Service (VaaS)

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    The rapid growth of data in scientific visualization has posed significant challenges to the scalability and availability of interactive visualization tools. These challenges can be largely attributed to the limitations of traditional monolithic applications in handling large datasets and accommodating multiple users or devices. To address these issues, the Visualization-as-a-Service (VaaS) architecture has emerged as a promising solution. VaaS leverages cloud-based visualization capabilities to provide on-demand and cost-effective interactive visualization. Existing VaaS has been simplistic by design with focuses on task-parallelism with single-user-per-device tasks for predetermined visualizations. This dissertation aims to extend the capabilities of VaaS by exploring data-parallel visualization services with multi-device support and hypothesis-driven explorations. By incorporating stateful information and enabling dynamic computation, VaaS\u27 performance and flexibility for various real-world applications is improved. This dissertation explores the history of monolithic and VaaS architectures, the design and implementations of 3 new VaaS applications, and a final exploration of the future of VaaS. This research contributes to the advancement of interactive scientific visualization, addressing the challenges posed by large datasets and remote collaboration scenarios

    Didactic tool for the development of shaders

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    Fachlich erweiterbare 3D-Stadtmodelle – Management, Visualisierung und Interaktion

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    Domain-extendable semantic 3D city models are complex mappings and inventories of the urban environment which can be utilized as an integrative information backbone to facilitate a range of application fields like urban planning, environmental simulations, disaster management, and energy assessment. Today, more and more countries and cities worldwide are creating their own 3D city models based on the CityGML specification which is an international standard issued by the Open Geospatial Consortium (OGC) to provide an open data model and XML-based format for describing the relevant urban objects with regards to their 3D geometry, topology, semantics, and appearance. It especially provides a flexible and systematic extension mechanism called “Application Domain Extension (ADE)” which allows third parties to dynamically extend the existing CityGML definitions with additional information models from different application domains for representing the extended or newly introduced geographic object types within a common framework. However, due to the consequent large size and high model complexity, the practical utilization of country-wide CityGML datasets has posed a tremendous challenge regarding the setup of an extensive application system to support the efficient data storage, analysis, management, interaction, and visualization. These requirements have been partly solved by the existing free 3D geo-database solution called ‘3D City Database (3DCityDB)’ which offers a rich set of functionalities for dealing with standard CityGML data models, but lacked the support for CityGML ADEs. The key motivation of this thesis is to develop a reliable approach for extending the existing database solution to support the efficient management, visualization, and interaction of large geospatial data elements of arbitrary CityGML ADEs. Emphasis is first placed on answering the question of how to dynamically extend the relational database schema by parsing and interpreting the XML schema files of the ADE and dynamically create new database tables accordingly. Based on a comprehensive survey of the related work, a new graph-based framework has been proposed which uses typed and attributed graphs for semantically representing the object-oriented data models of CityGML ADEs and utilizes graph transformation systems to automatically generate compact table structures extending the 3DCityDB. The transformation process is performed by applying a series of fine-grained graph transformation rules which allow users to declaratively describe the complex mapping rules including the optimization concepts that are employed in the development of the 3DCityDB database schema. The second major contribution of this thesis is the development of a new multi-level system which can serve as a complete and integrative platform for facilitating the various analysis, simulation, and modification operations on the complex-structured 3D city models based on CityGML and 3DCityDB. It introduces an additional application level based on a so-called ‘app-concept’ that allows for constructing a light-weight web application to reach a good balance between the high data model complexity and the specific application requirements of the end users. Each application can be easily built on top of a developed 3D web client whose functionalities go beyond the efficient 3D geo-visualization and interactive exploration, and also allows for performing collaborative modifications and analysis of 3D city models by taking advantage of the Cloud Computing technology. This multi-level system along with the extended 3DCityDB have been successfully utilized and evaluated by many practical projects.Fachlich erweiterbare semantische 3D-Stadtmodelle sind komplexe Abbildungen und Datenbestände der städtischen Umgebung, die als ein integratives Informationsrückgrat genutzt werden können, um eine Reihe von Anwendungsfeldern wie z. B. Stadtplanung, Umweltsimulationen, Katastrophenmanagement und Energiebewertung zu ermöglichen. Heute schaffen immer mehr Länder und Städte weltweit ihre eigenen 3D-Stadtmodelle auf Basis des internationalen Standards CityGML des Open Geospatial Consortium (OGC), um ein offenes Datenmodell und ein XML-basiertes Format zur Beschreibung der relevanten Stadtobjekte in Bezug auf ihre 3D-Geometrien, Topologien, Semantik und Erscheinungen zur Verfügung zu stellen. Es bietet insbesondere einen flexiblen und systematischen Erweiterungsmechanismus namens „Application Domain Extension“ (ADE), der es Dritten ermöglicht, die bestehenden CityGML-Definitionen mit zusätzlichen Informationsmodellen aus verschiedenen Anwendungsdomänen dynamisch zu erweitern, um die erweiterten oder neu eingeführten Stadtobjekt-Typen innerhalb eines gemeinsamen Framework zu repräsentieren. Aufgrund der konsequent großen Datenmenge und hohen Modellkomplexität bei der praktischen Nutzung der landesweiten CityGML-Datensätze wurden jedoch enorme Anforderungen an den Aufbau eines umfangreichen Anwendungssystems zur Unterstützung der effizienten Speicherung, Analyse, Verwaltung, Interaktion und Visualisierung der Daten gestellt. Die bestehende kostenlose 3D-Geodatenbank-Lösung „3D City Database“ (3DCityDB) entsprach bereits teilweise diesen Anforderungen, indem sie zwar eine umfangreiche Funktionalität für den Umgang mit den Standard-CityGML-Datenmodellen, jedoch keine Unterstützung für CityGML-ADEs bietet. Die Schlüsselmotivation für diese Arbeit ist es, einen zuverlässigen Ansatz zur Erweiterung der bestehenden Datenbanklösung zu entwickeln, um das effiziente Management, die Visualisierung und Interaktion großer Datensätze beliebiger CityGML-ADEs zu unterstützen. Der Schwerpunkt liegt zunächst auf der Beantwortung der Schlüsselfrage, wie man das relationale Datenbankschema dynamisch erweitern kann, indem die XML-Schemadateien der ADE analysiert und interpretiert und anschließend dem entsprechende neue Datenbanktabellen erzeugt werden. Auf Grundlage einer umfassenden Studie verwandter Arbeiten wurde ein neues graphbasiertes Framework entwickelt, das die typisierten und attributierten Graphen zur semantischen Darstellung der objektorientierten Datenmodelle von CityGML-ADEs verwendet und anschließend Graphersetzungssysteme nutzt, um eine kompakte Tabellenstruktur zur Erweiterung der 3DCityDB zu generieren. Der Transformationsprozess wird durch die Anwendung einer Reihe feingranularer Graphersetzungsregeln durchgeführt, die es Benutzern ermöglicht, die komplexen Mapping-Regeln einschließlich der Optimierungskonzepte aus der Entwicklung des 3DCityDB-Datenbankschemas deklarativ zu formalisieren. Der zweite wesentliche Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen mehrstufigen Systemkonzepts, das auf CityGML und 3DCityDB basiert und gleichzeitig als eine komplette und integrative Plattform zur Erleichterung der Analyse, Simulationen und Modifikationen der komplex strukturierten 3D-Stadtmodelle dienen kann. Das Systemkonzept enthält eine zusätzliche Anwendungsebene, die auf einem sogenannten „App-Konzept“ basiert, das es ermöglicht, eine leichtgewichtige Applikation bereitzustellen, die eine gute Balance zwischen der hohen Modellkomplexität und den spezifischen Anwendungsanforderungen der Endbenutzer erreicht. Jede Applikation lässt sich ganz einfach mittels eines bereits entwickelten 3D-Webclients aufbauen, dessen Funktionalitäten über die effiziente 3D-Geo-Visualisierung und interaktive Exploration hinausgehen und auch die Durchführung kollaborativer Modifikationen und Analysen von 3D-Stadtmodellen mit Hilfe von der Cloud-Computing-Technologie ermöglichen. Dieses mehrstufige System zusammen mit dem erweiterten 3DCityDB wurde erfolgreich in vielen praktischen Projekten genutzt und bewertet

    Adventures in software engineering : plugging HCI & acessibility gaps with open source solutions

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    There has been a great deal of research undertaken in the field of Human-Computer Interfaces (HCI), input devices, and output modalities in recent years. From touch-based and voice control input mechanisms such as those found on modern smart-devices to the use of touch-free input through video-stream/image analysis (including depth streams and skeletal mapping) and the inclusion of gaze tracking, head tracking, virtual reality and beyond - the availability and variety of these I/O (Input/Output) mechanisms has increased tremendously and progressed both into our living rooms and into our lives in general. With regard to modern desktop computers and videogame consoles, at present many of these technologies are at a relatively immature stage of development - their use often limited to simple adjuncts to the staple input mechanisms of mouse, keyboard, or joystick / joypad inputs. In effect, we have these new input devices - but we're not quite sure how best to use them yet; that is, where their various strengths and weaknesses lie, and how or if they can be used to conveniently and reliably drive or augment applications in our everyday lives. In addition, much of this technology is provided by proprietary hardware and software, providing limited options for customisation or adaptation to better meet the needs of specific users. Therefore, this project investigated the development of open source software solutions to address various aspects of innovative user I/O in a flexible manner. Towards this end, a number of original software applications have been developed which incorporate functionality aimed at enhancing the current state of the art in these areas and making that software freely available for use by any who may find it beneficial.Doctor of Philosoph

    Preface

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    Fachlich erweiterbare 3D-Stadtmodelle – Management, Visualisierung und Interaktion

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    Domain-extendable semantic 3D city models are complex mappings and inventories of the urban environment which can be utilized as an integrative information backbone to facilitate a range of application fields like urban planning, environmental simulations, disaster management, and energy assessment. Today, more and more countries and cities worldwide are creating their own 3D city models based on the CityGML specification which is an international standard issued by the Open Geospatial Consortium (OGC) to provide an open data model and XML-based format for describing the relevant urban objects with regards to their 3D geometry, topology, semantics, and appearance. It especially provides a flexible and systematic extension mechanism called “Application Domain Extension (ADE)” which allows third parties to dynamically extend the existing CityGML definitions with additional information models from different application domains for representing the extended or newly introduced geographic object types within a common framework. However, due to the consequent large size and high model complexity, the practical utilization of country-wide CityGML datasets has posed a tremendous challenge regarding the setup of an extensive application system to support the efficient data storage, analysis, management, interaction, and visualization. These requirements have been partly solved by the existing free 3D geo-database solution called ‘3D City Database (3DCityDB)’ which offers a rich set of functionalities for dealing with standard CityGML data models, but lacked the support for CityGML ADEs. The key motivation of this thesis is to develop a reliable approach for extending the existing database solution to support the efficient management, visualization, and interaction of large geospatial data elements of arbitrary CityGML ADEs. Emphasis is first placed on answering the question of how to dynamically extend the relational database schema by parsing and interpreting the XML schema files of the ADE and dynamically create new database tables accordingly. Based on a comprehensive survey of the related work, a new graph-based framework has been proposed which uses typed and attributed graphs for semantically representing the object-oriented data models of CityGML ADEs and utilizes graph transformation systems to automatically generate compact table structures extending the 3DCityDB. The transformation process is performed by applying a series of fine-grained graph transformation rules which allow users to declaratively describe the complex mapping rules including the optimization concepts that are employed in the development of the 3DCityDB database schema. The second major contribution of this thesis is the development of a new multi-level system which can serve as a complete and integrative platform for facilitating the various analysis, simulation, and modification operations on the complex-structured 3D city models based on CityGML and 3DCityDB. It introduces an additional application level based on a so-called ‘app-concept’ that allows for constructing a light-weight web application to reach a good balance between the high data model complexity and the specific application requirements of the end users. Each application can be easily built on top of a developed 3D web client whose functionalities go beyond the efficient 3D geo-visualization and interactive exploration, and also allows for performing collaborative modifications and analysis of 3D city models by taking advantage of the Cloud Computing technology. This multi-level system along with the extended 3DCityDB have been successfully utilized and evaluated by many practical projects.Fachlich erweiterbare semantische 3D-Stadtmodelle sind komplexe Abbildungen und Datenbestände der städtischen Umgebung, die als ein integratives Informationsrückgrat genutzt werden können, um eine Reihe von Anwendungsfeldern wie z. B. Stadtplanung, Umweltsimulationen, Katastrophenmanagement und Energiebewertung zu ermöglichen. Heute schaffen immer mehr Länder und Städte weltweit ihre eigenen 3D-Stadtmodelle auf Basis des internationalen Standards CityGML des Open Geospatial Consortium (OGC), um ein offenes Datenmodell und ein XML-basiertes Format zur Beschreibung der relevanten Stadtobjekte in Bezug auf ihre 3D-Geometrien, Topologien, Semantik und Erscheinungen zur Verfügung zu stellen. Es bietet insbesondere einen flexiblen und systematischen Erweiterungsmechanismus namens „Application Domain Extension“ (ADE), der es Dritten ermöglicht, die bestehenden CityGML-Definitionen mit zusätzlichen Informationsmodellen aus verschiedenen Anwendungsdomänen dynamisch zu erweitern, um die erweiterten oder neu eingeführten Stadtobjekt-Typen innerhalb eines gemeinsamen Framework zu repräsentieren. Aufgrund der konsequent großen Datenmenge und hohen Modellkomplexität bei der praktischen Nutzung der landesweiten CityGML-Datensätze wurden jedoch enorme Anforderungen an den Aufbau eines umfangreichen Anwendungssystems zur Unterstützung der effizienten Speicherung, Analyse, Verwaltung, Interaktion und Visualisierung der Daten gestellt. Die bestehende kostenlose 3D-Geodatenbank-Lösung „3D City Database“ (3DCityDB) entsprach bereits teilweise diesen Anforderungen, indem sie zwar eine umfangreiche Funktionalität für den Umgang mit den Standard-CityGML-Datenmodellen, jedoch keine Unterstützung für CityGML-ADEs bietet. Die Schlüsselmotivation für diese Arbeit ist es, einen zuverlässigen Ansatz zur Erweiterung der bestehenden Datenbanklösung zu entwickeln, um das effiziente Management, die Visualisierung und Interaktion großer Datensätze beliebiger CityGML-ADEs zu unterstützen. Der Schwerpunkt liegt zunächst auf der Beantwortung der Schlüsselfrage, wie man das relationale Datenbankschema dynamisch erweitern kann, indem die XML-Schemadateien der ADE analysiert und interpretiert und anschließend dem entsprechende neue Datenbanktabellen erzeugt werden. Auf Grundlage einer umfassenden Studie verwandter Arbeiten wurde ein neues graphbasiertes Framework entwickelt, das die typisierten und attributierten Graphen zur semantischen Darstellung der objektorientierten Datenmodelle von CityGML-ADEs verwendet und anschließend Graphersetzungssysteme nutzt, um eine kompakte Tabellenstruktur zur Erweiterung der 3DCityDB zu generieren. Der Transformationsprozess wird durch die Anwendung einer Reihe feingranularer Graphersetzungsregeln durchgeführt, die es Benutzern ermöglicht, die komplexen Mapping-Regeln einschließlich der Optimierungskonzepte aus der Entwicklung des 3DCityDB-Datenbankschemas deklarativ zu formalisieren. Der zweite wesentliche Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen mehrstufigen Systemkonzepts, das auf CityGML und 3DCityDB basiert und gleichzeitig als eine komplette und integrative Plattform zur Erleichterung der Analyse, Simulationen und Modifikationen der komplex strukturierten 3D-Stadtmodelle dienen kann. Das Systemkonzept enthält eine zusätzliche Anwendungsebene, die auf einem sogenannten „App-Konzept“ basiert, das es ermöglicht, eine leichtgewichtige Applikation bereitzustellen, die eine gute Balance zwischen der hohen Modellkomplexität und den spezifischen Anwendungsanforderungen der Endbenutzer erreicht. Jede Applikation lässt sich ganz einfach mittels eines bereits entwickelten 3D-Webclients aufbauen, dessen Funktionalitäten über die effiziente 3D-Geo-Visualisierung und interaktive Exploration hinausgehen und auch die Durchführung kollaborativer Modifikationen und Analysen von 3D-Stadtmodellen mit Hilfe von der Cloud-Computing-Technologie ermöglichen. Dieses mehrstufige System zusammen mit dem erweiterten 3DCityDB wurde erfolgreich in vielen praktischen Projekten genutzt und bewertet

    TOWARDS EFFICIENT PRESENTATION AND INTERACTION IN VISUAL DATA ANALYSIS

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    The "data explosion'' since the era of the Internet has increased data size tremendously, from several hundred Megabytes to millions of Terabytes. Large amounts of data may not fit into memory, and a proper way of handling and processing the data is necessary. Besides, analyses of such large scale data requires complex and time consuming algorithms. On the other hand, humans play an important role in steering and driving the data analysis, while there are often times when people have a hard time getting an overview of the data or knowing which analysis to run. Sometimes they may not even know where to start. There is a huge gap between the data and understanding. An intuitive way to facilitate data analysis is to visualize it. Visualization is understandable and illustrative, while using it to support fast and rapid data exploration of large scale datasets has been a challenge for a long time. In this dissertation, we aim to facilitate efficient visual data exploration of large scale datasets from two perspectives: efficiency and interaction. The former indicates how users could understand the data efficiently, this depends on various factors, such as how fast data is processed and how data is presented, while the latter focuses more on the users: how they deal with the data and why they interact with the system in a particular way. In order to improve the efficiency of data exploration, we have looked into two steps in the visualization pipeline: rendering and processing (computations). We first address visualization rendering of large dataset through a thorough evaluation of web-based visualization performance. We evaluate and understand the page loading effects of Scalable Vector Graphics (SVG), a popular image format for interactive visualization on the web browsers. To understand the scalability of individual elements in SVG based visualization, we conduct performance tests on different types of charts, in different phases of rendering process. From the results, we have figured out optimization techniques and guidelines to achieve better performance when rendering SVG visualization. Secondly, we present a pure browser based distributed computing framework (VisHive) that exploits computational power from co-located idle devices for visualization. The VisHive framework speeds up web-based visualization, which is originally designed for single computer and cannot make use of additional computational resources on the client side. It takes advantage of multiple devices that today's users often have access to. VisHive constructs visualization applications that can transparently connect multiple devices into an ad-hoc cluster for local computation. It requires no specific software to be downloaded for setup. To achieve a more interactive data analysis process, we first propose a proactive visual analytics system (DataSite) that enable users to analyze the data smoothly with a list of pre-defined algorithms. DataSite provides results through selecting and executing computations using automatic server-side computation. It utilizes computational resources exhaustively during data analysis to reduce the burden of human thinking. Analyzing results identified by these background processes are surfaced as status updates in a feed on the front-end, akin to posts in a social media feed. DataSite effectively turns data analysis into a conversation between the user and the computer, thereby reducing the cognitive load and domain knowledge requirements on users. Next we apply the concept of proactive data analysis to genomic data, and explore how to improve data analysis through adaptive computations in bioinformatics domain. We build Epiviz Feed, a web application that supports proactive visual and statistical analysis of genomic data. It addresses common and popular biological questions that may be asked by the analyst, and shortens the time of processing and analyzing the data with automatic computations. We further present a computational steering mechanism for visual analytics that prioritizes computations performed on the dataset leveraging the analyst's navigational behavior in the data. The web-based system, called Sherpa, provides computational modules for genomic data analysis, where independent algorithms calculate test statistics relevant to biological inferences about gene regulation in various tumor types and their corresponding normal tissues

    Virtual library:a technical implementation for a virtual reality library interface

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    Abstract. Libraries, as traditional information storages, serve an important role in providing free access to civilization’s knowledge to the public. In the advent of the information society, conventional means of knowledge seeking slowly become obsolete. As technologies advance, libraries shall discover how available inventions could be utilized in enhancing library services and raising public awareness. The offer to discover Virtual Library project was given to the author by the Center for Ubiquitous Computing in the University of Oulu, with the idea originating from Oulu City Library. The goal of the project was to implement an interactive application that would provide a unique experience for library users and show off capabilities of modern virtual technologies. The requirements for it were elicited and refined in a series of participatory design workshops held in Oulu City Library, and as a result, the content of initial web prototype was utilized in the creation of standalone virtual reality application on Unreal Engine 4. The application works with Oculus Rift headset and Oculus Touch motion controllers and lets the user explore the virtual model of Oulu City Library premises as well as some fictional places, added for diverse experience, and experience several activities. Virtual Library was evaluated in a series of testing sessions held in the Oulu City Library with a total of 12 participants, which were primarily the library’s staff members. Overall, the application was positively acclaimed, providing an interesting and unusual library experience, and presenting capabilities of modern virtual reality technologies.Virtuaalikirjasto : tekninen kuvaus virtuaalitodellisuutta hyödyntävälle kirjastopalvelulle. Tiivistelmä. Kirjastoilla on perinteisesti tärkeä rooli tiedon välittäjinä ja tallentajina. Kirjastojen tulee myös mahdollistaa pääsy tiedon ääreen. Siirryttäessä lähemmäksi tietoyhteiskuntaa, perinteiset tavat käsitellä ja havainnoida tietoa ovat jäämässä historiaan. Myös kirjastot kehittyvät ja oppivat kuinka uusia teknologioita on mahdollista hyödyntää tiedon välittämisessä yhteisöille. Virtuaalikirjasto-projekti lähti Oulun kaupungin kirjaston pyynnöstä Oulun yliopiston Jokapaikan tietotekniikan tutkimusryhmälle. Projektin päämääränä oli toteuttaa interaktiivinen sovellus, joka tarjoaisi kirjaston asiakkaille elämyksellistä sisältöä samalla havainnollistaen virtuaalitodellisuuden ja siihen liittyvien teknologioiden mahdollisuuksia. Sovelluksen toteutusta hiottiin Oulun kaupunginkirjastossa sarjalla osallistavan suunnittelun mukaisia työpajoja. Virtuaalitodellisuussovellus toteutettiin Unreal Engine 4 -pelimoottorilla. Se toimii Oculus Rift -virtuaalilaseilla ja Oculus Touch -ohjaimilla. Sovelluksessa on mahdollista kulkea vapaasti virtuaalisessa Oulun kaupunginkirjastossa, sekä tilaan liitetyissä mielikuvituksellisemmissa maailmoissa. Virtuaalikirjasto-sovellus evaluoitiin Oulun kaupunginkirjastossa sarjalla käyttäjätestejä. Testikäyttäjiä oli kaikkiaan 12 ja he olivat pääosin kirjaston työntekijöitä. Sovelluksen vastaanotto oli positiivinen. Käyttäjät totesivat sen havainnollistavan käytettävissä olevan tekniikan mahdollisuuksia samalla tarjoten mielenkiintoisen ja epätavallisen kirjastokokemuksen
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