在三维数据的可视化中，交互探索是非常重要的一部分。为了达到这一目的，研究者经常要依赖于专用的3D输入设备，例如平板电脑和大屏幕显示墙。这些设备提供了新的交互范式：触感(tactile)输入和有形(tangible)输入。触感输入通过使用一些单手或双手触控的映射和窗口部件来实现，而有形输入是基于在三维空间中通过物理移动专门的移动设备来达到交互。但是，在实际运用中，不同的输入范式之间的过渡仍然是未知的。尽管这两种输入在以往的工作中都出现过，但是并没有人研究它们在三维数据可视化探索中各自的益处和挑战。如何将触感和有形交互结合起来用于三维数据探索也成为了一个仍待解决的问题。因此，今年SciVis的一篇文章[1]设计并评估了一种结合触感和有形范式的交互界面，用于三维数据探索。文中针对流体动力学领域，首先了解了在三维数据探索中的一些基本的交互任务和交互技术，然后基于这些发现提出了一种针对常见的三维可视化任务这两种范式混合映射的设计空间，最后对其中的某些混合映射进行评估并通过用户调研将其与单独使用触感和有形输入的方法分别比较。
图1 触感输入和有形输入各自的设计空间
图2 混合交互输入的设计空间
用于数据探索的交互任务在之前的工作中的应用已经比较广泛了，人们也总结出了一些抽象形式，例如Shneiderman提出的“Overview first, zoom and filter, then details-on-demand”。当应用到三维数据探索中时，这些抽象任务可以分为以下几类：三维数据空间/视图导航（例如平移、旋转、缩放等），可视化样式/类型的调整和参数化（例如体、面等的呈现），定位/操纵数据探索对象（例如切平面），数据子集的三维选取，指定/操纵三维点和其他图元（用于粒子的选种），生成数据读出或测量，时间导航。结合流体动力学中交互任务的实际需求，作者提出了触感输入和有形输入分别的设计空间（如图1所示），以及将两者结合的混合交互的设计空间（如图2所示）。
图3 操作界面和使用场景
设计空间可以指导指定领域中实际的混合交互映射的创建，这篇文章针对的是流体动力学。因此，作者进行了一个领域研究来了解领域专家的需求，每天观察他们的工作流程并记录，之后进行半结构化的采访。他们发现，研究者们遇到新数据时经常先对数据通过旋转和切平面等操作获得一个大致的了解，之后这些操作会在时空上更细致地演变。基于这个分析，作者把目光锁定在三项基本的任务上包括三维数据空间视图导航，切平面操纵，和种子点的放置。之后，作者设计了如图3所示的操作界面，使用一个Google Tango平板电脑和一个大显示屏，在平板电脑中通过触控和手持移动分别完成触感和有形交互，并将结果实时显示在大屏幕上。
图4 三维数据空间视图导航
图5 切平面操作
对于三维数据空间视图导航和切平面操纵，用户可以通过单点或多点触控达到旋转、平移和缩放的目的（如图4），也可以通过手持移动设备进行有形交互（如图5）。作者实现了四种混合映射，前两种将位置和方向同时映射到一种输入范式中，同时使用两种范式来单独控制视图操作或单独控制切平面操作，另外两种是将位置映射到一种范式，将方向映射到另一种范式，因此使用一种范式控制视图操作，另一种控制切平面操作。对于种子点放置，作者使用触感输入指定种子点位置，然后使用混合输入范式结合视图和切平面的操作，如图6所示。
图6 基于混合交互的种子点放置操作
为了对混合交互进行评估，作者进行了一个用户调研，让7个流体动力学专家对FTLE数据进行自由的交互探索和粒子追踪任务，并通过一个调查问卷的方式总结他们的完成情况，过程参见图7。结果表明，在三种交互方式的使用时间上，专家们绝大部分的时间都放在了混合交互上，而在混合交互中，又以有形交互为主，如图8所示。这表明用户更喜欢结合两种基本交互输入范式的使用。此外，在混合交互的四种映射上，作者发现并无很显著的出入，不过结合有形输入进行数据导航和触感输入进行切平面操作的这种混合映射进行的比较少，这可能和平板电脑本身有关。在用户偏好的调查中，所得到的结果也验证了之前的结论，即绝大部分专家都将混合交互排在了第一位。
图7 用户调研
图8 用户调研评估结果
这个工作实际上也是第一次将触感输入和有形输入这两种交互范式结合起来用在了三维数据探索上。虽然过程比较简单，但也证明了混合交互这种方式在现有的硬件上实现的潜力。文章的结果也表明，混合交互可以比较轻松地完成一些复杂的任务，在粒子点放置的交互任务中显得更为灵活，其也得到了多数人的认可。不过，本文的设计和评估仅仅针对了流体动力学这个领域，具有一定的局限性，而且使用的数据仅仅是同质的，不能运用到异构数据，另外所选取的交互任务也比较少。所以这种混合触感和有形方式的交互还需要更过的研究和探索。
Reference
[1] Lonni Besancon, Paul Issartel, Mehdi Ammi, and Tobias Isenberg. Hybrid Tactile/Tangible Interaction for 3D Data Exploration. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 23(1):1077-2626, 2017.
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