Context-aware techniques for visualization [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Mike Eißele

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• Publié par: universitat_stuttgart
• Publié le: 01 janvier 2010
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Extrait

Context-AwareTechniquesforVisualization
Von der Fakultät Informatik, Elektrotechnik und
Informationstechnik der Universität Stuttgart
zur Erlangung der Würde eines Doktors der
Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte Abhandlung
Vorgelegt von
Mike Eißele
aus Esslingen am Neckar
Hauptberichter: Prof. Dr. rer. nat. T. Ertl
Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. D. Fritsch
Tag der mündlichen Prüfung: 29.07.2010
Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme
der Universität Stuttgart
2010Contents
AbbreviationsandSymbols 7
AbstractandChapterSummaries 9
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
ChapterSummaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Kurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1 Introduction 17
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2 DefinitionofContext . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3 ContextAwareness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4 Context-AwareSystemsandApplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 ContextManagement 23
2.1 Nexus: AFrameworkforContext-AwareApplications . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.1 ConceptualOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.2 AugmentedWorldModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.3 NexusServicesforContext-AwareApplications . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.4 DataFormats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 ContextAcquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.1 ExternalSources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.2 LocalContextProviders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.3 InterpretationofInertialOrientationData . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.4 ExploitingOpticalCharacterRecognition . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3 InteractiveContextRefinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.1 HierarchicalDecisionsforContextEvaluation . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.2 OrganizationofContext-EvaluationNodes . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.3 IncrementalAccumulationofContextAspects . . . . . . . . . . . . . . 47
2.3.4 PrototypicalRefinementApplicationandResults . . . . . . . . . . . . . 50
3 ComputerGraphicsandVisualization 55
3.1 TheRenderingPipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.1 GPUPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.1.2 ApplicationProgrammingInterfacesforGraphics . . . . . . . . . . . . . 58
3.1.3 High-LevelShadingLanguages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.4 GraphicsHardwaresupportonMobileDevices . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2 High-LevelGraphicAPIs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.1 ScalableVectorGraphics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.2 SceneGraphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3 TheVisualizationPipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4 VirtualandAugmentedReality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3CONTENTS
3.4.1 TheContinuumofRealitytoVirtuality . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.2 DedicatedIn-/OutputTechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 AFrameworkforContext-AwareVisualization 67
4.1 RequirementsforContext-AwareV . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2 FrameworkDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.1 GraphicsHardwareSupport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2.2 ProcessingandCommunicationInfrastructure . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.3 VisualizationTechniqueTemplates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.4 TechniqueMatchingutilizingXML-basedTypeDefinitions . . . . . . . 74
4.3 Context-BasedConfigurationandRendering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3.1 AdaptationofInstancedVisualizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3.2 FastTechniqueSwitching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.3 EvaluationofContextAspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.4 CombinedRenderingofmultipleVisualizationTechniques . . . . . . . . 82
4.4 SupportforMobileDevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.1 Device-SpecificPreprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4.2 OptimizationofNetworkCommunication . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5 Context-AwareInteraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5.1 GenericandCustomOrientation-BasedUserInterface . . . . . . . . . . 89
4.5.2 UserEvaluationofInteractionConcepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.6 ConcludingRemarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5 Context-AwareVisualization 97
5.1 CombinedPresentationofContextandData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1.1 Real-WorldContextinAugmentedReality . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.1.2 AdvantageofVirtualversusPhysicalContext . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.1.3 EmbeddedVisualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.1.4 ZoomableUserInterfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2 Display-dependentImageAdaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.2.1 Hardware-AssistedScalingonMobileDevices . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2.2 Training-basedApproachesforResolutionUp-Conversion . . . . . . . . 111
5.2.3 Content-AwareImageZoomingonGPUs . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.2.4 CoherentHalftoningforLowColor-DepthDisplays . . . . . . . . . . . 119
5.3 InterchangeableApproachesforDataVisualization . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.1 Raw-ValueDisplayversusV . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.3.2 ScalarData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.3.3 VectorData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.3.4 ApplicationSpecificHeterogeneousData . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.4 ConfigurationandAdjustmentofTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.4.1 Context-AwareStreamlinesandStreamRibbons . . . . . . . . . . . . . 144
5.4.2 Context-ControlledApplicationSpecificVisualization . . . . . . . . . . 147
5.5 OpenIssuesforContext-AwareVisualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4CONTENTS
6 ApplicationandResults 151
6.1 ContextAwarenessinPraxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.1.1 TechnicalProblems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.1.2 LegalandEthicalRestrictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.2 ContextAwarenessforEverydayTasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.2.1 IndoorNavigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.2.2 InformationAugmentationofReal-WorldTexts . . . . . . . . . . . . . . 156
6.2.3 FindingsfromPrototypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.3 Context-ControlledScientificDataVisualization . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.3.1 QualityofContextInformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.3.2 Context-QualityAwareFlowVisualization . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.3.3 UsabilityofContext-AwareScientificDataVisualization . . . . . . . . . 162
6.4 ScenariosinManufacturingEnvironments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.4.1 ToolMaintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.4.2 Factory-LayoutPlanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.4.3 PlanningandEvaluationofManufacturingConditions . . . . . . . . . . 165
6.5 Context-AwareGeo-MashupVisualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.5.1 Geo-MashupofHeterogeneousData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.5.2 GenericSupportforMobileDevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7 Conclusion 175
7.1 Contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
7.2 OutlookandFutureChallenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
Bibliography 179
5Abbreviations and Symbols
Abbreviations
API Application Programming Inter- AR AugmentedReality
face
AWS AugmentedWorldSchema AWM AugmentedWorldModel
CNC computerizednumericalcontrol CPU CentralProcessingUnit
CRM Customer Relationship Manage- DTP DesktopPublishing
ment
DOF degreesoffreedom DVR directvolumerendering
e.g. exempligratia(forexample) ERP EnterpriseResourcePlanning
etc. etcetera(andsoforth) FLOPS floating point operations per
second
fps framespersecond Gbit/s gigabitspersecond
GB/s gigabytepersecond GLSL OpenGLShadingLanguage
GPRS GeneralPacketRadioService GPS GlobalPositioningSystem
GPU GraphicsProcessingUnit GUI GraphicalUserInterface
HMD head-mounteddisplay HLSL HighLevelShadingLanguage
i.e. idest(thatis) IP InternetProtocol
IVR indirectvolumerendering kB kilobyte(1024byte)
kbit/s kilobitspersecond KML KeyholeMarkupLanguage
LAN LocalAreaNetwork LCD liquid-crystaldisplay
LIC Li