FiberClay:通过雕刻三维轨迹揭示内在结构(FiberClay: Sculpting Three Dimensional Trajectories to Reveal Structural Insights )

随着在虚拟现实与增强现实的场景中,构建3D物体并与之交互的技术日渐成熟,可视化领域开始尝试利用这样的场景来探索、分析高维的数据。将空间数据在三维空间中可视化一直是备受争议的话题,在三维空间中可视化复杂的、大量的轨迹会遇到一系列挑战,例如密集轨迹的重叠问题会使得对轨迹的交互、查询变得繁复,尤其是在三维沉浸式空间中。本文提出FiberClay将轨迹在三维空间中可视化,同时结合新颖的3D刷选方法来快速选择轨迹,支持探索分析数据的内在结构。

图1 FiberClay系统界面

首先,本文总结了在三维沉浸式空间中可视化时空轨迹数据的9条挑战,以及针对挑战在可视化设计上的考虑。在轨迹可视化方面,具体有5条挑战。
VisC1:轨迹数据本质是高维数据。高维数据投影至3维空间会隐藏很多属性,但本文的核心在于交互技术。
VisC2:密集轨迹的重合问题会阻碍发现特点。因此需要有效的机制来分离出感兴趣的特点作深入探索。
VisC3:在3D空间中很难做出精准地选择。从单一视点很难清晰辨认选择的对象,因此需要多种视图以及多维度数据投影的视图来辅助选择。
VisC4:筛选应当是逐步完成的。
VisC5:系统针对大规模数据处理应当在合理的交互时间内完成。
在虚拟场景设计方面,有4条挑战。
VRC1:避免传统的2D的交互界面。
VRC2:避免使用过多的模式。减轻用户学习交互的心理与记忆负担。
VRC3:自由地在视图中探索。
VRC4:使用单一的主要视图。

图2 FiberClay系统中“添加移除刷”模式

结合上述九点考虑,FiberClay系统设计和交互设计主要由4个部分组成:

(1)高维轨迹数据可视化设计
默认的数据投影x,y,z对应经度,纬度,海拔高度。用户也可以选择将其他的属性,如速度、加速度,投影到某一维度上,以此来展示不同属性之间的关系。三维轨迹支持由线、点或动画粒子来展示。用户也可以编码轨迹的颜色,有透明色、累加色、纯色三种模式。

(2)导航
用户在三维虚拟沉浸式空间中探索轨迹数据时,在头戴设备和双手的控制器的帮助下,可以保持人坐在座位中。用户可以通过控制器来实现对轨迹的平移、旋转、放缩。对视图的平移需要进行“抓”的操作,通过持续摁住右手的控制器按钮并移动控制器,来模仿用户“抓”住视图并进行平移。旋转与放缩需要用户同时摁住左右手控制器的按钮,两手径向移动时是对视图放缩,切向移动是对视图旋转。

(3)双手的3D刷
FiberClay系统的提出,一个核心思想就是支持用户交互地、便捷地对复杂轨迹数据进行筛选查询。用户可以像捏黏土一样,同时用双手操作来对轨迹进行刷选,并支持两种不同的双手模式。第一种模式是“添加移除刷”,右手的控制器开关发出一条射线,右手控制射线时与之相交的轨迹将被加入刷取的集合。相对的,与左手控制器的射线相交的轨迹将会被移出刷选的集合。第二种模式是“交集刷”,这种模式下只会刷选出同时与左右手的射线都相交的轨迹。在后一种模式下,用户可以快捷的刷选探索一组OD轨迹数据。在两种模式的刷选过程中,左右手的射线与轨迹相交的容许偏差半径为2厘米,射线呈亮红色而被选中的轨迹将由透明色变为白色纯色高亮。

图3 FiberClay系统的“交集刷”模式

(4)小型网格视图内导航
由于轨迹数据本身是高维数据,因此需要多种不同的数据属性投影的视图,作者以small multiples的形式将它们呈现在地板上。作者运用了IDW插值(反距离权重插值)算法,从三个预设的属性投影图出发,插值填补了网格中的中间视图,使得用户在切换投影视图时,变换是连续的,也就实现了在small multiple网格中平滑地、连续地、自由地探索。红色的轨迹代表用户在网格中探索的历史记录,黄色的十字表示用户当前的位置,用户可以用左手的控制器溯回探索历史。

图4 FiberClay系统Small Multiple网格

最后,本文通过36位各个领域内专家的用户实验来验证FiberClay系统的易学性和可用性。本文的用户实验是定性实验,在实验的第一部分主要考察专家是否可以在一定时间内掌握FiberClay系统的所有交互方式,以及在沉浸式空间中是否会引起不适。在学习15分钟后,几乎所有参与者都已掌握并能选择感兴趣的轨迹(除去两位参与者有明显不适,未能继续)。
实验的第二部分主要记录专家的反馈,通过FiberClay系统是否能有效地探索、分析高维轨迹数据的内在结构与特点。详细结果可以在视频中了解。https://www.youtube.com/watch?v=8j9r9JKIqww

作者讨论关于FiberClay系统也存在不少局限性。首先在主要视图中,系统仅仅编码了4个通道的属性(x, y, z, 颜色), 在一个视图中展示的信息比较有限。其次在刷选上,该系统并没有提供过滤器的功能,因此不能准确的通过数值范围来刷选数据。同时通过双手同时刷选轨迹的机制,往往由于手的微小的颤抖而存在误差。虽然用户可以将视图拉近放大来进行修改和局部操作,但相应会耗费更多时间。最后,整个系统由于在虚拟沉浸式的环境中,为避免用户体感出现不适,要求系统的帧率保持在60帧,且对交互的执行速度要求高,因此对硬件的要求较高。在未来的工作中,作者希望可以在主要视图中可视化更多维度的属性及之间的关系,同时分析数据可以扩展到其他高维数据。作者希望改进增加一个用户界面,指导用户如何进行交互并提供一些过滤器等功能。最后,作者提到可能可以使FiberClay系统成为一个多人共同合作分析数据的系统。

本文的贡献主要有提出了一种新颖的双手交互式的刷选三维数据的方式;提供了在不同属性投影的三维视图间平滑切换过渡的功能。从用户实验的结果来看,FiberClay也有较高的可用性来帮助用户探索分析得到三维轨迹数据的内在结构和特点。

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