Visualizing Magnitude and Direction in Flow Fields

In weather visualizations, it is common to see vector data represented by glyphs placed on grids. The glyphs either do not encode magnitude in readable steps, or have designs that interfere with the data. The grids form strong but irrelevant patterns. Directional, quantitative glyphs bent along streamlines are more effective for visualizing flow patterns. With the goal of improving the perception of flow patterns in weather forecasts, we designed and evaluated two variations on a glyph commonly used to encode wind speed and direction in weather visualizations. We tested the ability of subjects to determine wind direction and speed: the results show the new designs are superior to the traditional. In a second study we designed and evaluated new methods for representing modeled wave data using similar streamline-based designs. We asked subjects to rate the marine weather visualizations: the results revealed a preference for some of the new designs

Quantitative Texton Sequences for Legible Bivariate Maps

Representing bivariate scalar maps is a common but difficult visualization problem. One solution has been to use two dimensional color schemes, but the results are often hard to interpret and inaccurately read. An alternative is to use a color sequence for one variable and a texture sequence for another. This has been used, for example, in geology, but much less studied than the two dimensional color scheme, although theory suggests that it should lead to easier perceptual separation of information relating to the two variables. To make a texture sequence more clearly readable the concept of the quantitative texton sequence (QTonS) is introduced. A QTonS is defined a sequence of small graphical elements, called textons, where each texton represents a different numerical value and sets of textons can be densely displayed to produce visually differentiable textures. An experiment was carried out to compare two bivariate color coding schemes with two schemes using QTonS for one bivariate map component and a color sequence for the other. Two different key designs were investigated (a key being a sequence of colors or textures used in obtaining quantitative values from a map). The first design used two separate keys, one for each dimension, in order to measure how accurately subjects could independently estimate the underlying scalar variables. The second key design was two dimensional and intended to measure the overall integral accuracy that could be obtained. The results show that the accuracy is substantially higher for the QTonS/color sequence schemes. A hypothesis that texture/color sequence combinations are better for independent judgments of mapped quantities was supported. A second experiment probed the limits of spatial resolution for QTonSs

Kahden muuttujan sävyjen sekoitus – väriasteikoiden suunnittelu kahden muuttujan koropleettikartoille räätälöidyllä työkalulla

Bivariate maps are a type of map visualization where two related data series are displayed at once for each data point. They can answer questions of how two variables interrelate in a geographical context using several kinds of encodings — visual variables — such as shape or color. The most common types are choropleth maps that use color hue and lightness to encode data and symbol-based maps that use shape size for both data series. Bivariate maps have seen a minor surge in popularity with new software tools but remain an understudied visualization type with a lack of clear usage recommendations. The thesis consists of a theoretical and a practical part. The purpose was to collate existing recommendations about the design of bivariate maps and determine whether they are considered a useful type of visualization. The theoretical part was a literature survey of relevant visualization and cartography literature, including empirical studies. I also sought to see whether bivariate choropleths are considered more effective than other types. The practical part was building a web tool prototype for bivariate color scale creation limited to choropleth maps, the Bivariate hue blender. The tool uses the Hue-Chroma-Lightness (HCL) color space for scheme design. By rotating the hue angle of an input color by a user-defined amount, a new color can be created. Intermediate colors are generated by blending these two with each other and a light secondary input color. The primary purpose of the tool was to improve color scheme creation and the building process used the framework of research-based design. It involved building the tool, using it to evaluate seven existing palettes, and creating three new palettes. These were applied to four different bivariate maps using statistical data from Finland in two different geographical divisions. Test data was selected using contingency table visualizations to ensure that all classes contain values. In addition to the color scales, a bivariate ordinal texture design was created. Bivariate maps were found to be grouped in categories using the concept of integral and separable dimensions. Bivariate choropleth maps were found to be a relevant visualization type, provided that the data is suitable, and that the number of classes is no larger than 9. An issue pertaining to color contrast was identified — accessibility guidelines stipulate a lightness difference between adjacent hues that require the use of strokes in most choropleth maps. Questions concerning effectiveness of other types, how bivariate symbols interact and how viewers can use bivariate maps for analytical tasks remain unresolved. The tool was subjectively found to enable better control over bivariate color scale creation than other similar software. The evaluated bivariate palettes had issues in lightness uniformity and separation of colors, which could be resolved in the three new palettes. These were found to be at least as practical as the seven initial palettes. This work has concluded that bivariate maps can be considered useful in special cases with the right data, which should encourage visualization designers to employ them. It has contributed a prototype tool that aids the creation of new perceptually uniform color scales for bivariate choropleth maps. Three new colorblind-safe 3×3 palettes are an addition to the limited set of schemes in active use. The method of selecting data using contingency tables can aid in creating bivariate maps.Kahden muuttujan tietokartat ovat visualisointityyppi, jossa kaksi toisiinsa liittyvää tietosarjaa näytetään kunkin datapisteen kohdalla. Niillä voidaan tutkia kuinka kaksi muuttujaa ovat yhteydessä toisiinsa maantieteellisessä kontekstissa, käyttämällä useita erilaisia visuaalisia muuttujia – kuten muotoa tai väriä. Yleisimpiä tyyppejä ovat koropleettikartat, joissa käytetään värin sävyä ja vaaleutta tietojen esittämiseen, sekä symbolikartat, joissa käytetään muodon kokoa molemmille datasarjoille. Kahden muuttujan karttojen suosio on kasvanut uusien ohjelmistotyökalujen myötä, mutta ne ovat edelleen vähän tutkittu visualisointityyppi, josta puuttuvat selkeät käyttösuositukset. Opinnäytetyöni koostuu teoreettisesta ja käytännön osasta. Tarkoituksena on ollut koota olemassa olevia suosituksia kahden muuttujan kartoista ja selvittää, pidetäänkö niitä hyödyllisenä visualisointityyppinä. Teoriaosuus on kirjallisuuskatsaus visualisointi- ja kartografiakirjallisuuteen, mukaan luettuna myös empiiriset tutkimukset. Pyrin myös selvittämään, pidetäänkö kahden muuttujan koropleettikarttoja tehokkaampina kuin muita kahden muuttujan karttatyyppejä. Käytännön osuus on verkkotyökalun prototyyppi, Bivariate hue blender, joka on tehty kahden muuttujan väriasteikkojen luomista varten. Työkalu käyttää Hue-Chroma-Lightness (HCL; sävy, kromaattisuus, vaaleus) -väriavaruutta. Kun syötetyn värin sävykulmaa kääntää, syntyy uusi väri. Alkuperäisestä ja uudesta väristä luodaan kaksi erillistä väriasteikkoa vaaleasta aloitussävystä ja näitä yhdistämällä muodostetaan asteikon välivärit. Työkalun ensisijaisena tarkoituksena on ollut helpottaa väriasteikkojen luomista. Sen kehittämisessä on sovellettu tutkimukseen perustuvaa suunnittelua. Työkalun avulla on arvioitu seitsemän palettia ja luotu kolme uutta. Näitä on sovellettu neljään erilaiseen kahden muuttujan karttaan, joissa on käytetty tilastotietoja Suomesta kahden eri maantieteellisen jaon mukaan. Väriasteikkojen lisäksi on luotu kuviotekstuuri. Tutkimuksessa todetaan, että kahden muuttujan kartat voidaan jakaa luokkiin käyttäen kokonaisten ja eroteltavien ulottuvuuksien käsitettä. Koropleettikarttojen todetaan olevan toimiva laji, kunhan aineisto on sopiva ja luokkia enintään yhdeksän. Työssä tunnistettiin värikontrastiin liittyvä ongelma – esteettömyysohjeissa määrätyt vierekkäisten sävyjen vaaleuserot edellyttävät ääriviivojen käyttöä useimmissa kartoissa. Tutkimuksessa auki jäävät kysymykset koskevat muiden tyyppien tehokkuutta, kaksimuuttujaisten symbolien vuorovaikutusta ja sitä, kuinka katsoja lukee ja käyttää näitä karttoja. Työkalun voidaan todeta subjektiivisesti mahdollistavan paremman hallinnan kaksimuuttujaväriasteikkojen luomisessa vastaaviin ohjelmiin verrattuna. Arvioiduissa paleteissa oli ongelmia vaaleuden tasaisuudessa ja värien erottelussa, jotka nyt voitiin ratkaista kolmessa uudessa paletissa. Näiden todetaan olevan ainakin yhtä käytännöllisiä kuin seitsemän alkuperäistä palettia. Työn loppupäätelmä on, että kaksimuuttujaisia karttoja voidaan pitää hyödyllisinä tietyissä tapauksissa ja niihin soveltuvalla datalla, mikä voi kannustaa visualisointisuunnittelijoita käyttämään niitä. Työn tuloksena on prototyyppityökalu, joka auttaa luomaan uusia tasajakoisia väriskaaloja kahden muuttujan koropleettikarttoja varten. Kolme uutta palettia on lisäys aktiivisessa käytössä olevien kaksimuuttujaisten palettien rajalliseen joukkoon. Kontingenssitaulukoihin perustuva aineiston valintamenetelmä voi auttaa suunnittelijoita kahden muuttujan karttojen luomisessa

Intégration de la visualisation à multiples vues pour le développement du logiciel

Le développement du logiciel actuel doit faire face de plus en plus à la complexité de programmes gigantesques, élaborés et maintenus par de grandes équipes réparties dans divers lieux. Dans ses tâches régulières, chaque intervenant peut avoir à répondre à des questions variées en tirant des informations de sources diverses. Pour améliorer le rendement global du développement, nous proposons d'intégrer dans un IDE populaire (Eclipse) notre nouvel outil de visualisation (VERSO) qui calcule, organise, affiche et permet de naviguer dans les informations de façon cohérente, efficace et intuitive, afin de bénéficier du système visuel humain dans l'exploration de données variées. Nous proposons une structuration des informations selon trois axes : (1) le contexte (qualité, contrôle de version, bogues, etc.) détermine le type des informations ; (2) le niveau de granularité (ligne de code, méthode, classe, paquetage) dérive les informations au niveau de détails adéquat ; et (3) l'évolution extrait les informations de la version du logiciel désirée. Chaque vue du logiciel correspond à une coordonnée discrète selon ces trois axes, et nous portons une attention toute particulière à la cohérence en naviguant entre des vues adjacentes seulement, et ce, afin de diminuer la charge cognitive de recherches pour répondre aux questions des utilisateurs. Deux expériences valident l'intérêt de notre approche intégrée dans des tâches représentatives. Elles permettent de croire qu'un accès à diverses informations présentées de façon graphique et cohérente devrait grandement aider le développement du logiciel contemporain.Nowadays, software development has to deal more and more with huge complex programs, constructed and maintained by large teams working in different locations. During their daily tasks, each developer may have to answer varied questions using information coming from different sources. In order to improve global performance during software development, we propose to integrate into a popular integrated development environment (Eclipse) our new visualization tool (VERSO), which computes, organizes, displays and allows navigation through information in a coherent, effective, and intuitive way in order to benefit from the human visual system when exploring complex data. We propose to structure information along three axes: (1) context (quality, version control, etc.) determines the type of information; (2) granularity level (code line, method, class, and package) determines the appropriate level of detail; and (3) evolution extracts information from the desired software version. Each software view corresponds to a discrete coordinate according to these three axes. Coherence is maintained by navigating only between adjacent views, which reduces cognitive effort as users search information to answer their questions. Two experiments involving representative tasks have validated the utility of our integrated approach. The results lead us to believe that an access to varied information represented graphically and coherently should be highly beneficial to the development of modern software