Designing and evaluating immersive analytics environments for spatio-temporal data

Abstract

In this work, I investigate the hypothesis that immersive and stereoscopic Virtual Reality environments, coupled with natural embodied interaction, will better support the visual exploration of three-dimensional spatio-temporal data representations. The research challenge in this thesis is to investigate this hypothesis and identify the most e"cient design choices for visualization and interaction in such environments through iterative user evaluations. To this end, I report on the design of an immersive prototype based on the Space-Time Cube visual representation, validated in comparison to a desktop-based baseline. Considering that the design space for user interfaces for Immersive Analytics applica tions is vast and lacks clear guidelines, I also report on two additional controlled user studies investigating the e!ects of three relevant factors: exploration mode, frame of reference, and interaction metaphor. My findings indicate that while an immersive Space-Time Cube leads to similar task performance compared to the desktop-based baseline, it results in higher usability scores, higher user preference, and lower perceived mental workload. Moreover, di!erent immersive frames of reference have complementary advantages. While egocentric room-scale exploration significantly further reduces mental workload, exocentric exploration improves performance in some tasks. Combining navigation and manipulation renders tasks easier by reducing perceived workload, temporal demand, and physical e!ort. Regarding interaction metaphors, I found no significant di!erences between hands and ray-casting in task performance, workload, or inter activity patterns. Nevertheless, most participants preferred a combined mode and benefited from it by choosing the best alternative for each low-level task. I conclude this work by integrating my findings to propose a new immersive proto type suited to explore larger real-world datasets of origin-destination data in the urban domain. By reimagining and extending a conventional visualization system, I discuss the concept of immersive extensions and reflect on the potential benefits and limitations introduced by Immersive Analytics.

Neste trabalho, investigo a hipótese de que ambientes imersivos e estereoscópicos de Realidade Virtual, aliados à interação natural incorporada, melhor suportarão a exploração visual de representações tridimensionais de dados espaço-temporais. O desafio de pesquisa nesta tese é investigar esta hipótese e identificar as escolhas de projeto mais eficientes para visualização e interação em tais ambientes através de avaliações iterativas com usuários. Com esta finalidade, relato o projeto de um protótipo imersivo baseado na represen tação visual do Cubo Espaço-Temporal, validado em comparação com um referencial baseado em desktop. Considerando que o espaço de projeto para interfaces de usuário para aplicações de Análise Imersiva é vasto e carece de diretrizes claras, também relato dois estudos controlados adicionais com usuários investigando os efeitos de três fatores relevantes: modo de exploração, quadro de referência e metáfora de interação. Minhas descobertas indicam que, embora um Cubo Espaço-Temporal imersivo leve a um desempenho semelhante nas tarefas em comparação com o referencial baseado em desktop, ele resulta em pontuações de usabilidade mais altas, maior preferência dos usuários e menor carga de trabalho mental percebida. Além disso, diferentes quadros de referência imersivos apresentam vantagens complementares. Embora a exploração egocêntrica em escala de sala reduza significativamente ainda mais a carga de trabalho mental, a exploração exocêntrica melhora o desempenho em algumas tarefas. A combinação de navegação e manipulação facilita as tarefas, reduzindo as percepções de carga de trabalho, demanda temporal e esforço físico. Em relação às metáforas de interação, não encontrei diferenças significativas entre mãos virtuais e raios virtuais de apontamento no desempenho das tarefas, na carga de trabalho ou nos padrões de interatividade. No entanto, a maioria dos participantes preferiu um modo combinado e se beneficiou dele ao escolher a melhor alternativa para cada tarefa de baixo nível. Concluo este trabalho integrando minhas descobertas para propor um novo protótipo imersivo adequado para explorar conjuntos maiores de dados do mundo real de dados de origem-destino no domínio urbano. Ao reimaginar e estender um sistema de visualização convencional, discuto o conceito de extensões imersivas e reflito sobre os potenciais benefícios e limitações introduzidos pela Análise Imersiva.