Evaluating immersive approaches to multidimensional information visualization

Abstract

The use of novel displays and interaction resources to support immersive data visualization and improve the analytical reasoning is a research trend in Information Visualization. In this work, we evaluate the use of HMD-based environments for the exploration of multidimensional data, represented in 3D scatterplots as a result of dimensionality reduction. We present a new modelling for the evaluation problem in such a context, accounting for the two factors whose interplay determine the impact on the overall task performance: the difference in errors introduced by performing dimensionality reduction to 2D or 3D, and the difference in human perception errors under different visualization conditions. This two-step framework offers a simple approach to estimate the benefits of using an immersive 3D setup for a particular dataset. As use case, the dimensionality reduction errors for a series of roll calls datasets when using two or three dimensions are evaluated through an empirical task-based approach. The perception error and overall task performance are assessed through controlled comparative user studies. When comparing desktop-based (2D and 3D) with an HMD-based (3D) visualization, initial results indicated that perception errors were low and similar in all approaches, resulting in overall performance benefits in both 3D techniques. The immersive condition, however, was found to require less effort to find information and less navigation, besides providing much larger subjective perception of accuracy and engagement. Nonetheless, the use of flying navigation resulted in inefficient times and frequent user discomfort In a second moment, we implemented and evaluated an alternative data exploration approach where the user remains seated and viewpoint change is only realisable through physical movements. All manipulation is done directly by natural mid-air gestures, with the data being rendered at arm’s reach. The virtual reproduction of an exact copy of the analyst’s desk aims to increase immersion and enable tangible interaction with controls and two dimensional associated information. A second user study was carried out comparing this scenario to a desktop-based equivalent, exploring a set of 9 representative perception and interaction tasks based on previous literature. We demonstrate that our prototype setup, named VirtualDesk, presents excellent results regarding user comfort and immersion, and performs equally or better in all analytical tasks, while adding minimal or no time overhead and amplifying data exploration.

O uso de novos recursos de display e interação para suportar a visualização imersiva de dados e incrementar o raciocínio analítico é uma tendência de pesquisa em Visualização de Informações. Neste trabalho, avaliamos o uso de ambientes baseados em HMD para a exploração de dados multidimensionais, representados em scatterplots 3D como resultado de redução de dimensionalidade. Nós apresentamos uma nova modelagem para o problema de avaliação neste contexto, levando em conta os dois fatores cuja interação determina o impacto no desempenho total nas tarefas: a diferença nos erros introduzidos ao se realizar redução de dimensionalidade para 2D ou 3D, e a diferença nos erros de percepção humana sob diferentes condições de visualização. Este framework em duas etapas oferece uma abordagem simples para estimar os benefícios de se utilizar um setup 3D imersivo para um dado conjunto de dados. Como caso de uso, os erros de redução de dimensionalidade para uma série de conjuntos de dados de votações na Câmara dos Deputados, ao se utilizar duas ou três dimensões, são avaliados por meio de uma abordagem empírica baseada em tarefas. O erro de percepção e o desempenho geral de tarefa, por sua vez, são avaliados através de estudos controlados comparativos com usuários. Comparando-se visualizações baseadas em desktop (2D e 3D) e em HMD (3D), resultados iniciais indicaram que os erros de percepção foram baixos e similares em todas abordagens, resultando em benefícios para o desempenho geral em ambas técnicas 3D A condição imersiva, no entanto, demonstrou requerer menor esforço para encontrar as informações e menos navegação, além de prover percepções subjetivas de precisão e engajamento muito maiores. Todavia, o uso de navegação por voo livre resultou em tempos ineficientes e frequente desconforto nos usuários. Em um segundo momento, implementamos e avaliamos uma abordagem alternativa de exploração de dados, onde o usuário permanece sentado e mudanças no ponto de vista só são possíveis por meio de movimentos físicos. Toda a manipulação é realizada diretamente por gestos aéreos naturais, com os dados sendo renderizados ao alcance dos braços. A reprodução virtual de uma cópia exata da mesa de trabalho do analista visa aumentar a imersão e possibilitar a interação tangível com controles e informações bidimensionais associadas. Um segundo estudo com usuários foi conduzido em comparação a uma versão equivalente baseada em desktop, explorando um conjunto de 9 tarefas representativas de percepção e interação, baseadas em literatura prévia. Nós demonstramos que o nosso protótipo, chamado VirtualDesk, apresentou resultados excelentes em relação a conforto e imersão, e desempenho equivalente ou superior em todas tarefas analíticas, enquanto adicionando pouco ou nenhum tempo extra e ampliando a exploração dos dados.