大屏幕环境下的多用户可视化探索(Supporting Visual Exploration for Multiple Users in Large Display Environments)

大屏幕显示环境提供了更多的像素,因而可以显示更多的视图,分析更多的数据。同时,大屏幕显示环境下有着足够的空间让多个用户进行合作探索分析。本文[1]基于透镜(Lens),提出了一种结合手势和空间位置的混合交互方式,支持多个用户在大屏幕前合作探索、分析数据。

传统的鼠标和键盘交互方式单一,并且在大屏幕上难以快速定位和支持多人合作。因此,研究者们针对大屏幕提出了许多新的交互方式,包括触摸、手势、移动设备、眼神、空间位置(Proxemics)等。手势操作可以支持多种不同的交互,但是要求用户做出的手势符合标准,因而存在不准确、不易学习的问题,并且手势交互容易引发疲劳[3]。另一种更自然的交互方式是利用用户与大屏幕空间位置关系,包括相对距离,用户的移动等,控制大屏幕上的视图。本文提出的方法将显示输入(Explicit Input)和隐式输入(Implicit Input)结合起来,发挥各自的优势,提高用户的交互体验。显示输入指直接与屏幕进行交互的方式,比如手势。而隐式输入指利用空间位置信息,自动触发界面的变化[4],不容易被用户察觉。

交互的对象是大屏幕上的透镜。透镜是一种可视化技术,一方面通过透镜可以观察到自己感兴趣的区域,并且进行发达或者缩小;同时多个用户在使用透镜时不会互补干扰,只在自己的工作区域分析,便于合作;在许多可视化和人机交互的场景下都使用了透镜。对透镜的操作方式有初始化(Initiate),放大(Zoom),移动(Move),平移(Pan),改变大小(Scale),删除(Delete),在多人合作场景下,还有合并(Merge),分离(Split)操作。

lensinteractions

图1 针对透镜不同操作的映射方法

如图1所示,对于透镜上的每种操作,都可以用显式或者隐式的交互方式完成。

  • Initiate
    • Implicit: 用户的眼神长时间定位在一个区域时,在该区域生成一个透镜
    • Explicit: 用户用手指向某个区域,然后转动自己的手(hand roll),在该区域生成一个透镜
  • Zoom
    • Implicit: 用户面向大屏幕走进(后退)时,透镜中的内容放大(缩小)
    • Explicit: 用户的手推(拉)时,透镜中的内容放大(缩小)
  • Move
    • Implicit:用户在大屏幕左右移动时,透镜相应移动
    • Explicit: 用户对准透镜边框左右移动,透镜相应移动
  • Pan
    • Implicit: 用户眼神左右平移时,透镜中内容相应左右平移
    • Explicit: 用户的对准透镜内容左右移动,透镜中内容相应左右平移
  • Scale
    • Implicit: 用户改变与大屏幕的距离,透镜大小相应改变
    • Explicit: 用户的手在空中手推(拉)时,透镜大小相应改变
  • Merge
    • Implicit: 当两个用户靠近时,透镜合并
    • Explicit: 用户用手将透镜放在大屏幕同一位置,透镜合并
  • Split
    • Implicit: 当两个用户远离时,透镜分离
    • Explicit: 用户用手向不同方向拖动透镜,透镜分离
  • Delete
    • Implicit: 用户离开工作区域
    • Explicit: 用户指向透镜并且转动手腕
platform

图2 硬件平台

为了验证对于透镜操作,不同交互方式的优劣,利用图2中的设施,作者招募了12个志愿者进行形成性评估。志愿者们对于每种交互方式从偏好(Preference),准确(Accuracy),直观(Intuitiveness),效率(Efficiency),享受(Enjoyability),合作(Collaboration),体力(Physical Effort)七个方面进行打分,5分最好,1分最差。用户对每种操作的平均打分如图3。

score

图3 各种交互方式的打分情况

对于Initiate,显式的手势交互方式明显好于隐式,部分用户认为当他们观察一个区域时,并非要将该区域至于大屏幕中间,也有用户认为观察时间太长,非常不自然;对于Move和Scale,用户更喜欢前后移动实现Scale,左右移动实现Move的隐式操作;一些用户认为隐式交互方式的Zoom(身体前后移动)和Delete(离开工作区)非常有趣,但是隐式交互存在准确性低的问题,对于Zoom和Pan,很多用户抱怨准确率太低,不得不进行多次操作;而Merge和Split得到的反馈却截然不同,用户更喜欢相互接近对透镜进行Merge操作,并且他们可以近距离进行交流,而对于Split操作,隐式操作时,用户距离超过一定距离,透镜就会分开,这给他们带来了很大的不变。

基于用户以上的反馈,作者在确定了最后的交互方式,如图4。为了解决Merge和Split操作中的问题,作者将Merge和Split分成了两步,当用户接近时,透镜会先叠起来,用户同时举起手,透镜会合并起来,如图5所示。此外,作者还加入了一个保存(Store)操作,用户脚踩地面时,大屏幕上的透镜会暂时保存在地面屏幕上。

hybride

图4 混合模式下的透镜交互方式

mergesplit

图5 改进后的Merge操作

为了评估这种混合方式的有效性,作者又单独做了一个总结性评估。评估方式与上述方式类似,区别是除去了合作(Collaboration)这个维度,而是在问卷中调查用户对合作式探索的看法。

all

图6 系统不同交互方式总结性评估得分

从总结性评估结果可以看出隐式的操作更适合用来浏览(Navigation)和合作,而显式的手势操作更适合直接的交互。隐式操作在体力操作这个维度上的得分明显高于显式操作。作者还观察到用户合作的一些有趣现象,比如为了确定某个值,一种方式是一个用户通过透镜放大、移动到特定日期,然后另一个用户读出数值;而另一种方式是两个用户同时进行操作,相互校验值。

本文提出了一种结合显式和隐式输入的混合交互技术,支持多用户在大屏幕上探索数据。通过形成性评价评估空间位置和手势交互的优缺点,结合各自的优点,提出了混合交互方式,并且对混合交互方式进行了总结性评估。

[1] Badam SK, Amini F, Elmqvist N, Irani P. Supporting visual exploration for multiple users in large display environments. In Proceedings of IEEE Conference on Visual Analytics Science and Technology (VAST’16), pages 1-10, Baltimore, USA, Oct. 23-28, 2016.

[2] Endert A, Andrews C, Lee YH, North C. Visual encodings that support physical navigation on large displays. In Proceedings of Graphics Interface 2011, pages 103-110, May 25, 2011. Canadian Human-Computer Communications Society.

[3] J. Hincapi´e-Ramos, X. Guo, P. Moghadasian, and P. Irani. Consumedendurance: A metric to quantify arm fatigue of mid-air interactions. In Proceedings of the ACM Conference on Human Factors in ComputingSystems, pages 1063–1072, 2014.

[4] W. Ju, B. A. Lee, and S. R. Klemmer. Range: exploring implicit interaction through electronic whiteboard design. In Proceedings of the ACM Conference on Computer Supported Cooperative Work, pages 17–26, 2008.

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