Web-based Stereoscopic Collaboration for Medical Visualization

Medizinische Volumenvisualisierung ist ein wertvolles Werkzeug zur Betrachtung von Volumen- daten in der medizinischen Praxis und Lehre. Eine interaktive, stereoskopische und kollaborative Darstellung in Echtzeit ist notwendig, um die Daten vollständig und im Detail verstehen zu können. Solche Visualisierung von hochauflösenden Daten ist jedoch wegen hoher Hardware- Anforderungen fast nur an speziellen Visualisierungssystemen möglich. Remote-Visualisierung wird verwendet, um solche Visualisierung peripher nutzen zu können. Dies benötigt jedoch fast immer komplexe Software-Deployments, wodurch eine universelle ad-hoc Nutzbarkeit erschwert wird. Aus diesem Sachverhalt ergibt sich folgende Hypothese: Ein hoch performantes Remote- Visualisierungssystem, welches für Stereoskopie und einfache Benutzbarkeit spezialisiert ist, kann für interaktive, stereoskopische und kollaborative medizinische Volumenvisualisierung genutzt werden. Die neueste Literatur über Remote-Visualisierung beschreibt Anwendungen, welche nur reine Webbrowser benötigen. Allerdings wird bei diesen kein besonderer Schwerpunkt auf die perfor- mante Nutzbarkeit von jedem Teilnehmer gesetzt, noch die notwendige Funktion bereitgestellt, um mehrere stereoskopische Präsentationssysteme zu bedienen. Durch die Bekanntheit von Web- browsern, deren einfach Nutzbarkeit und weite Verbreitung hat sich folgende spezifische Frage ergeben: Können wir ein System entwickeln, welches alle Aspekte unterstützt, aber nur einen reinen Webbrowser ohne zusätzliche Software als Client benötigt? Ein Proof of Concept wurde durchgeführt um die Hypothese zu verifizieren. Dazu gehörte eine Prototyp-Entwicklung, deren praktische Anwendung, deren Performanzmessung und -vergleich. Der resultierende Prototyp (CoWebViz) ist eines der ersten Webbrowser basierten Systeme, welches flüssige und interaktive Remote-Visualisierung in Realzeit und ohne zusätzliche Soft- ware ermöglicht. Tests und Vergleiche zeigen, dass der Ansatz eine bessere Performanz hat als andere ähnliche getestete Systeme. Die simultane Nutzung verschiedener stereoskopischer Präsen- tationssysteme mit so einem einfachen Remote-Visualisierungssystem ist zur Zeit einzigartig. Die Nutzung für die normalerweise sehr ressourcen-intensive stereoskopische und kollaborative Anatomieausbildung, gemeinsam mit interkontinentalen Teilnehmern, zeigt die Machbarkeit und den vereinfachenden Charakter des Ansatzes. Die Machbarkeit des Ansatzes wurde auch durch die erfolgreiche Nutzung für andere Anwendungsfälle gezeigt, wie z.B. im Grid-computing und in der Chirurgie

From Keyword Search to Exploration: How Result Visualization Aids Discovery on the Web

A key to the Web's success is the power of search. The elegant way in which search results are returned is usually remarkably effective. However, for exploratory search in which users need to learn, discover, and understand novel or complex topics, there is substantial room for improvement. Human computer interaction researchers and web browser designers have developed novel strategies to improve Web search by enabling users to conveniently visualize, manipulate, and organize their Web search results. This monograph offers fresh ways to think about search-related cognitive processes and describes innovative design approaches to browsers and related tools. For instance, while key word search presents users with results for specific information (e.g., what is the capitol of Peru), other methods may let users see and explore the contexts of their requests for information (related or previous work, conflicting information), or the properties that associate groups of information assets (group legal decisions by lead attorney). We also consider the both traditional and novel ways in which these strategies have been evaluated. From our review of cognitive processes, browser design, and evaluations, we reflect on the future opportunities and new paradigms for exploring and interacting with Web search results

IMPROVE: collaborative design review in mobile mixed reality

In this paper we introduce an innovative application designed to make collaborative design review in the architectural and automotive domain more effective. For this purpose we present a system architecture which combines variety of visualization displays such as high resolution multi-tile displays, TabletPCs and head-mounted displays with innovative 2D and 3D Interaction Paradigms to better support collaborative mobile mixed reality design reviews. Our research and development is motivated by two use scenarios: automotive and architectural design review involving real users from Page\Park architects and FIAT Elasis. Our activities are supported by the EU IST project IMPROVE aimed at developing advanced display techniques, fostering activities in the areas of: optical see-through HMD development using unique OLED technology, marker-less optical tracking, mixed reality rendering, image calibration for large tiled displays, collaborative tablet-based and projection wall oriented interaction and stereoscopic video streaming for mobile users. The paper gives an overview of the hardware and software developments within IMPROVE and concludes with results from first user tests

Usability Evaluation in Virtual Environments: Classification and Comparison of Methods

Virtual environments (VEs) are a relatively new type of human-computer interface in which users perceive and act in a three-dimensional world. The designers of such systems cannot rely solely on design guidelines for traditional two-dimensional interfaces, so usability evaluation is crucial for VEs. We present an overview of VE usability evaluation. First, we discuss some of the issues that differentiate VE usability evaluation from evaluation of traditional user interfaces such as GUIs. We also present a review of VE evaluation methods currently in use, and discuss a simple classification space for VE usability evaluation methods. This classification space provides a structured means for comparing evaluation methods according to three key characteristics: involvement of representative users, context of evaluation, and types of results produced. To illustrate these concepts, we compare two existing evaluation approaches: testbed evaluation [Bowman, Johnson, & Hodges, 1999], and sequential evaluation [Gabbard, Hix, & Swan, 1999]. We conclude by presenting novel ways to effectively link these two approaches to VE usability evaluation

The Medium of Visualization for Software Comprehension

Although abundant studies have shown how visualization can help software developers to understand software systems, visualization is still not a common practice since developers (i) have little support to find a proper visualization for their needs, and once they find a suitable visualization tool, they (ii) are unsure of its effectiveness. We aim to offer support for identifying proper visualizations, and to increase the effectiveness of visualization techniques. In this dissertation, we characterize proposed software visualizations. To fill the gap between proposed visualizations and their practical application, we encapsulate such characteristics in an ontology, and propose a meta-visualization approach to find suitable visualizations. Amongst others characteristics of software visualizations, we identify that the medium used to display them can be a means to increase the effectiveness of visualization techniques for particular comprehension tasks.We implement visualization prototypes and validate our thesis via experiments. We found that even though developers using a physical 3D model medium required the least time to deal with tasks that involve identifying outliers, they perceived the least difficulty when visualizing systems based on the standard computer screen medium. Moreover, developers using immersive virtual reality obtained the highest recollection. We conclude that the effectiveness of software visualizations that use the city metaphor to support comprehension tasks can be increased when city visualizations are rendered in an appropriate medium. Furthermore, that visualization of software visualizations can be a suitable means for exploring their multiple characteristics that can be properly encapsulated in an ontology

Collaborative geographic visualization

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, perfil Gestão e Sistemas AmbientaisThe present document is a revision of essential references to take into account when developing ubiquitous Geographical Information Systems (GIS) with collaborative visualization purposes. Its chapters focus, respectively, on general principles of GIS, its multimedia components and ubiquitous practices; geo-referenced information visualization and its graphical components of virtual and augmented reality; collaborative environments, its technological requirements, architectural specificities, and models for collective information management; and some final considerations about the future and challenges of collaborative visualization of GIS in ubiquitous environment

Evaluating consumer interaction interfaces for 3D sketching in virtual reality

Since its introduction, 3D mid-air sketching in immersive Virtual Reality (VR) proved to be a very powerful tool for many creative applications. However, common VR sketching suites rely on the standard hand controllers bundled with home VR systems, which are non-optimal for this kind of tasks. To deal with this issue, some research works proposed to use dedicated pen-shaped interfaces tracked with external motion-capture systems. Regrettably, these solutions are generally rather expensive, cumbersome and unsuitable for many potential end- users. Hence, lots of challenges regarding interfaces for 3D sketching in VR still exist. In this paper, a newly proposed sketching-oriented input device (namely, a VR stylus) compatible with the tracking technology of a consumer-grade VR system is compared with a standard hand con- troller from the same system. In particular, the paper reports the results of a user study whose aim was to evaluate, in both objective and subjective terms, aspects like, among others, sketching accuracy, ease of use, efficiency, comfort, control and naturalness

Realistic Interaction with Virtual Objects within Arm's Reach

The automotive industry requires realistic virtual reality applications more than other domains to increase the efficiency of product development. Currently, the visual quality of virtual invironments resembles reality, but interaction within these environments is usually far from what is known in everyday life. Several realistic research approaches exist, however they are still not all-encompassing enough to be usable in industrial processes. This thesis realizes lifelike direct multi-hand and multi-finger interaction with arbitrary objects, and proposes algorithmic and technical improvements that also approach lifelike usability. In addition, the thesis proposes methods to measure the effectiveness and usability of such interaction techniques as well as discusses different types of grasping feedback that support the user during interaction. Realistic and reliable interaction is reached through the combination of robust grasping heuristics and plausible pseudophysical object reactions. The easy-to-compute grasping rules use the objects’ surface normals, and mimic human grasping behavior. The novel concept of Normal Proxies increases grasping stability and diminishes challenges induced by adverse normals. The intricate act of picking-up thin and tiny objects remains challenging for some users. These cases are further supported by the consideration of finger pinches, which are measured with a specialized finger tracking device. With regard to typical object constraints, realistic object motion is geometrically calculated as a plausible reaction on user input. The resulting direct finger-based interaction technique enables realistic and intuitive manipulation of arbitrary objects. The thesis proposes two methods that prove and compare effectiveness and usability. An expert review indicates that experienced users quickly familiarize themselves with the technique. A quantitative and qualitative user study shows that direct finger-based interaction is preferred over indirect interaction in the context of functional car assessments. While controller-based interaction is more robust, the direct finger-based interaction provides greater realism, and becomes nearly as reliable when the pinch-sensitive mechanism is used. At present, the haptic channel is not used in industrial virtual reality applications. That is why it can be used for grasping feedback which improves the users’ understanding of the grasping situation. This thesis realizes a novel pressure-based tactile feedback at the fingertips. As an alternative, vibro-tactile feedback at the same location is realized as well as visual feedback by the coloring of grasp-involved finger segments. The feedback approaches are also compared within the user study, which reveals that grasping feedback is a requirement to judge grasp status and that tactile feedback improves interaction independent of the used display system. The considerably stronger vibrational tactile feedback can quickly become annoying during interaction. The interaction improvements and hardware enhancements make it possible to interact with virtual objects in a realistic and reliable manner. By addressing realism and reliability, this thesis paves the way for the virtual evaluation of human-object interaction, which is necessary for a broader application of virtual environments in the automotive industry and other domains.Stärker als andere Branchen benötigt die Automobilindustrie realistische Virtual Reality Anwendungen für eine effiziente Produktentwicklung. Während sich die visuelle Qualität virtueller Darstellungen bereits der Realität angenähert hat, ist die Interaktion mit virtuellen Umgebungen noch weit vom täglichen Erleben der Menschen entfernt. Einige Forschungsansätze haben sich mit realistischer Interaktion befasst, gehen aber nicht weit genug, um in industriellen Prozessen eingesetzt zu werden. Diese Arbeit realisiert eine lebensnahe mehrhändige und fingerbasierte Interaktion mit beliebigen Objekten. Dabei ermöglichen algorithmische und technische Verbesserungen eine realitätsnahe Usability. Außerdem werden Methoden für die Evaluation dieser Interaktionstechnik vorgestellt und benutzerunterstützende Greiffeedbackarten diskutiert. Die verlässliche und gleichzeitig realistische Interaktion wird durch die Kombination von robusten Greifheuristiken und pseudophysikalischen Objektreaktionen erreicht. Die das menschliche Greifverhalten nachbildenden Greifregeln basieren auf den Oberflächennormalen der Objekte. Die Reduktion negativer Einflüsse verfälschter Normalen und eine höhere Griffstabilität werden durch das neuartige Konzept der Normal Proxies erreicht. Dennoch bleibt für manche Nutzer das Aufnehmen von dünnen und kleinen Objekten problematisch. Diese Fälle werden zusätzlich durch die Einbeziehung von Fingerberührungen unterstützt, die mit einem speziellen Fingertracking Gerät erfasst werden. Plausible Objektreaktionen auf Benutzereingaben werden unter Berücksichtigung typischer Objekteinschränkungen geometrisch berechnet. Die Arbeit schlägt zwei Methoden zur Evaluierung der fingerbasierten Interaktion vor. Ein Expertenreview zeigt, dass sich erfahrene Benutzer sehr schnell in die Technik einfinden. In einer Benutzerstudie wird nachgewiesen, dass fingerbasierte Interaktion im hier untersuchten Kontext vor indirekter Interaktion mit einem Eingabegerät bevorzugt wird. Während letztere robuster zu handhaben ist, stellt die fingerbasierte Interaktion einen deutlich höheren Realismus bereit und erreicht mit den vorgeschlagenen Verbesserungen eine vergleichbare Verlässlichkeit. Um Greifsituationen transparent zu gestalten, realisiert diese Arbeit ein neuartiges druckbasiertes taktiles Feedback an den Fingerspitzen. Alternativ wird ein vibrotaktiles Feedback am gleichen Ort realisiert und visuelles Feedback durch die Einfärbung der griffbeteiligten Fingersegmente umgesetzt. Die verschiedenen Feedbackansätze werden in der Benutzerstudie verglichen. Dabei wird Greiffeedback als Voraussetzung identifiziert, um den Greifzustand zu beurteilen. Taktiles Feedback verbessert dabei die Interaktion unabhängig vom eingesetzten Display. Das merklich stärkere Vibrationsfeedback kann während der Interaktion störend wirken. Die vorgestellten Interaktionsverbesserungen und Hardwareerweiterungen ermöglichen es, mit virtuellen Objekten auf realistische und zuverlässige Art zu interagieren. Indem die Arbeit Realismus und Verlässlichkeit gleichzeitig adressiert, bereitet sie den Boden für die virtuelle Untersuchung von Mensch-Objekt Interaktionen und ermöglicht so einen breiteren Einsatz virtueller Techniken in der Automobilindustrie und in anderen Bereichen