Exploring the potential of physical visualizations

The goal of an external representation of abstract data is to provide insights and convey information about the structure of the underlying data, therefore helping people execute tasks and solve problems more effectively. Apart from the popular and well-studied digital visualization of abstract data there are other scarcely studied perceptual channels to represent data such as taste, sound or haptic. My thesis focuses on the latter and explores in which ways human knowledge and ability to sense and interact with the physical non-digital world can be used to enhance the way in which people analyze and explore abstract data. Emerging technological progress in digital fabrication allow an easy, fast and inexpensive production of physical objects. Machines such as laser cutters and 3D printers enable an accurate fabrication of physical visualizations with different form factors as well as materials. This creates, for the first time, the opportunity to study the potential of physical visualizations in a broad range. The thesis starts with the description of six prototypes of physical visualizations from static examples to digitally augmented variations to interactive artifacts. Based on these explorations, three promising areas of potential for physical visualizations were identified and investigated in more detail: perception & memorability, communication & collaboration, and motivation & self-reflection. The results of two studies in the area of information recall showed that participants who used a physical bar chart retained more information compared to the digital counterpart. Particularly facts about maximum and minimum values were be remembered more efficiently, when they were perceived from a physical visualization. Two explorative studies dealt with the potential of physical visualizations regarding communication and collaboration. The observations revealed the importance on the design and aesthetic of physical visualizations and indicated a great potential for their utilization by audiences with less interest in technology. The results also exposed the current limitations of physical visualizations, especially in contrast to their well-researched digital counterparts. In the area of motivation we present the design and evaluation of the Activity Sculptures project. We conducted a field study, in which we investigated physical visualizations of personal running activity. It was discovered that these sculptures generated curiosity and experimentation regarding the personal running behavior as well as evoked social dynamics such as discussions and competition. Based on the findings of the aforementioned studies this thesis concludes with two theoretical contributions on the design and potential of physical visualizations. On the one hand, it proposes a conceptual framework for material representations of personal data by describing a production and consumption lens. The goal is to encourage artists and designers working in the field of personal informatics to harness the interactive capabilities afforded by digital fabrication and the potential of material representations. On the other hand we give a first classification and performance rating of physical variables including 14 dimensions grouped into four categories. This complements the undertaking of providing researchers and designers with guidance and inspiration to uncover alternative strategies for representing data physically and building effective physical visualizations.Um aus abstrakten Daten konkrete Aussagen, komplexe Zusammenhänge oder überraschende Einsichten gewinnen zu können, müssen diese oftmals in eine, für den Menschen, anschauliche Form gebracht werden. Eine weitverbreitete und gut erforschte Möglichkeiten ist die Darstellung von Daten in visueller Form. Weniger erforschte Varianten sind das Verkörpern von Daten durch Geräusche, Gerüche oder physisch ertastbare Objekte und Formen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die letztgenannte Variante und untersucht wie die menschlichen Fähigkeiten mit der physischenWelt zu interagieren dafür genutzt werden können, das Analysieren und Explorieren von Daten zu unterstützen. Der technische Fortschritt in der digitalen Fertigung vereinfacht und beschleunigt die Produktion von physischen Objekten und reduziert dabei deren Kosten. Lasercutter und 3D Drucker ermöglichen beispielsweise eine maßgerechte Fertigung physischer Visualisierungen verschiedenster Ausprägungen hinsichtlich Größe und Material. Dadurch ergibt sich zum ersten Mal die Gelegenheit, das Potenzial von physischen Visualisierungen in größerem Umfang zu erforschen. Der erste Teil der Arbeit skizziert insgesamt sechs Prototypen physischer Visualisierungen, wobei sowohl statische Beispiele beschrieben werden, als auch Exemplare die durch digital Inhalte erweitert werden oder dynamisch auf Interaktionen reagieren können. Basierend auf den Untersuchungen dieser Prototypen wurden drei vielversprechende Bereiche für das Potenzial physischer Visualisierungen ermittelt und genauer untersucht: Wahrnehmung & Einprägsamkeit, Kommunikation & Zusammenarbeit sowie Motivation & Selbstreflexion. Die Ergebnisse zweier Studien zur Wahrnehmung und Einprägsamkeit von Informationen zeigten, dass sich Teilnehmer mit einem physischen Balkendiagramm an deutlich mehr Informationen erinnern konnten, als Teilnehmer, die eine digitale Visualisierung nutzten. Insbesondere Fakten über Maximal- und Minimalwerte konnten besser im Gedächtnis behalten werden, wenn diese mit Hilfe einer physischen Visualisierung wahrgenommen wurden. Zwei explorative Studien untersuchten das Potenzial von physischen Visualisierungen im Bereich der Kommunikation mit Informationen sowie der Zusammenarbeit. Die Ergebnisse legten einerseits offen wie wichtig ein ausgereiftes Design und die Ästhetik von physischen Visualisierungen ist, deuteten anderseits aber auch darauf hin, dass Menschen mit geringem Interesse an neuen Technologien eine interessante Zielgruppe darstellen. Die Studien offenbarten allerdings auch die derzeitigen Grenzen von physischen Visualisierungen, insbesondere im Vergleich zu ihren gut erforschten digitalen Pendants. Im Bereich der Motivation und Selbstreflexion präsentieren wir die Entwicklung und Auswertung des Projekts Activity Sculptures. In einer Feldstudie über drei Wochen erforschten wir physische Visualisierungen, die persönliche Laufdaten repräsentieren. Unsere Beobachtungen und die Aussagen der Teilnehmer ließen darauf schließen, dass die Skulpturen Neugierde weckten und zum Experimentieren mit dem eigenen Laufverhalten einluden. Zudem konnten soziale Dynamiken entdeckt werden, die beispielsweise durch Diskussion aber auch Wettbewerbsgedanken zum Ausdruck kamen. Basierend auf den gewonnen Erkenntnissen durch die erwähnten Studien schließt diese Arbeit mit zwei theoretischen Beiträgen, hinsichtlich des Designs und des Potenzials von physischen Visualisierungen, ab. Zuerst wird ein konzeptionelles Framework vorgestellt, welches die Möglichkeiten und den Nutzen physischer Visualisierungen von persönlichen Daten veranschaulicht. Für Designer und Künstler kann dies zudem als Inspirationsquelle dienen, wie das Potenzial neuer Technologien, wie der digitalen Fabrikation, zur Darstellung persönlicher Daten in physischer Form genutzt werden kann. Des Weiteren wird eine initiale Klassifizierung von physischen Variablen vorgeschlagen mit insgesamt 14 Dimensionen, welche in vier Kategorien gruppiert sind. Damit vervollständigen wir unser Ziel, Forschern und Designern Inspiration und Orientierung zu bieten, um neuartige und effektvolle physische Visualisierungen zu erschaffen

Mixed physical and virtual design environments for digital fabrication

Digital Fabrication (3D printing, laser-cutting or CNC milling) enables the automated fabrication of physical objects from digital models. This technology is becoming more readily available and ubiquitous, as digital fabrication machines become more capable and affordable. When it comes to designing the objects that are to be fabricated however, there are still barriers for novices and inconveniences for experts. Through digital fabrication, physical objects are created from digital models. The digital models are currently designed in virtual design environments, which separates the world we design in from the world we design for. This separation hampers design processes of experienced users and presents barriers to novices. For example, manipulating objects in virtual spaces is difficult, but comes naturally in the physical world. Further, in a virtual environment, we cannot easily integrate existing physical objects or experience the object we are designing in its future context (e.g., try out a game controller during design). This lack of reflection impedes designer's spatial understanding in virtual design environments. To enable our virtual creations to become physical reality, we have to posses an ample amount of design and engineering knowledge, which further steepens the learning curve for novices. Lastly, as we are physically separated from our creation - until it is fabricated - we loose direct engagement with the material and object itself, impacting creativity. We follow a research through design approach, in which we take up the role as interaction designers and engineers. Based on four novel interaction concepts, we explore how the physical world and design environments can be brought closer together, and address the problems caused their prior separation. As engineers, we implement each of these concepts in a prototype system, demonstrating that they can be implemented. Using the systems, we evaluate the concepts and how the concepts alleviate the aforementioned problems, and that the design systems we create are capable of producing useful objects. In this thesis, we make four main contributions to the body of digital fabrication related HCI knowledge. Each contribution consists of an interaction concept which addresses a subset of the problems, caused by the separation of virtual design environment, and physical target world. We evaluate the concepts through prototype implementations, example walkthroughs and where appropriate user-studies, demonstrating how the concepts alleviate the problems they address. For each concept and system, we describe the design rationale, and present technical contributions towards their implementation. The results of this thesis have implications for different user audiences, design processes, the artifacts users design and domains outside of digital fabrication. Through our concepts and systems, we lower barriers for novices to utilize digital fabrication. For experienced designers, we make existing design processes more convenient and efficient. We ease the design of artifacts that reuse existing objects, or that combine organic and geometrically structured design. Lastly, the novel interaction concepts (and on a technical level, the systems) we present, which blur the lines between physical and virtual space, can serve as basis for future interaction design and HCI research

Workshop on Personal and Pervasive Fabrication (PerFab 2013)

Recently, technologies for fabricating real-world objects and products that can be designed and built directly by the end-user have decreased in costs and are increasingly common. These technologies are expected to have a great impact on society and the personal fabrication concept has been described as the “new or third industrial revolution”. However, there is a great need to explore many novel research challenges and issues before the idea of personal fabrication becomes truly pervasive and applicable to the wider public. PerFab is a workshop for providing a forum to bring together researchers from various disciplines working in this area. We intend to identify, explore and contribute to the research challenges that will allow personal fabrication to be pervasive. We will invite paper submissions to our workshop, review the submissions with a peer review process, and include the accepted papers in the ACM Digital Library. The long-term goal is to gather a community of researchers and establish this workshop as a leading forum for research dissemination in the area