Un continuum d'interaction pour la visualisation de données 3D

An interaction Continuum for 3D Dataset Visualization

• Auteur / Autrice : Lonni Besançon
• Direction : Tobias Isenberg
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 14/12/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Saclay, Ile-de-France) - Laboratoire d'informatique pour la mécanique et les sciences de l'ingénieur (Orsay, Essonne ; 1972-2020)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Analyse et visualisation (équipe de recherche)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Pietriga
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Keefe, Martin Hachet, Franck Steinicke, Mehdi Ammi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Keefe, Martin Hachet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie tridimensionnelle

Informatique mobile

Interaction humain-machine

Mots clés libres

Interaction tactile

Manipulations 3D

Visualisation

Interaction

Interaction tangible

Tactile Interaction

3D Manipulations

Visualization

Interaction

Tangible Interaction

Résumé

Un nombre croissant de paradigmes d'interaction et de dispositifs ont été développés et étudiés pour les manipulations 3D.Ce développement bénéficie, en particulier, aux domaines scientifiques tels que la visualisation qui s'appuie sur la manipulation de données 3D.De nombreuses études ont démontré les avantages de chacun d'entre eux pour des tâches spécifiques liées à la visualisation. Pourtant, les interfaces utilisateur graphiques classiques ainsi que la souris et les claviers prédominent toujours dans la plupart des environnements interactifs: de tels environnements sont toujours utiles pour des tâches spécifiques et parce qu'ils sont facilement disponibles et accessibles par rapport aux nouveaux paradigmes d'interaction et aux dispositifs innovants. Contrairement à l'approche habituelle qui consiste à créer ou étudier un nouveau paradigme, une nouvelle technique ou un nouveau dispositif d'interaction, les travaux présentés dans cette thèse ouvrent la voie à un continuum d'interaction: la possibilité de passer d'un paradigme d'interaction à l'autre et de combiner deux ou plusieurs paradigmes d'interaction pour en tirer profit. Pour atteindre cet objectif, nous prenons plusieurs mesures. Tout d'abord, en se basant sur l'observation que la souris et le clavier, l'interaction tactile et l'interaction tangible sont maintenant des normes ou se rapprochent d'être des paradigmes d'interaction standard pour les cas d'utilisation occasionnelle ou spécifique, cette thèse étudie et compare leurs avantages et limites inhérents aux manipulations 3D.Sur la base de ce travail, nous créons ensuite un paradigme d'interaction hybride tactile et tangible. Basé sur les besoins de la visualisation scientifique pour la mécanique des fluides, nous mettons en œuvre des techniques spécifiques d'interaction exploratrice 3D avec le paradigme hybride et les évaluons avec des experts du domaine. La mise en œuvre prototypique de ce paradigme hybride est une tablette tactile capable de quantifier ses propres mouvements (rotations et translations). Sur la base des retours d'expérience des experts du domaine, une telle combinaison est plus flexible que l'état de l'art et permet des manipulations 3D précises. Avec le potentiel de ce paradigme hybride, nous abordons ensuite la tâche complexe de la sélection des sous-ensembles 3D ---une étape initiale majeure pour la compréhension des données. Alors que la sélection de sous-ensembles 3D est généralement effectuée avec une entrée 2D initiale étendue ultérieurement par la machine, notre combinaison d'interactions tactiles et tangibles permet aux utilisateurs d'avoir une technique de sélection entièrement manuelle avec la même tablette: un lasso 2D peut être dessiné avec une entrée tactile qui peut ensuite être étendue en 3D lors du déplacement de la tablette. Non seulement cette combinaison comble-t-elle un vide dans la taxonomie des techniques de sélection de sous-ensembles 3D, mais est, qui plus est, plus précise que les solutions partiellement automatisées, quoique plus lentes. Enfin, en nous appuyant sur l'observation selon laquelle une interaction tangible avec un dispositif localement couplé pourrait nécessiter des ajustements de facteur de gain, nous proposons d'utiliser un aspect spécifique de l'interaction tactile, la détection de pression, pour contrôler les facteurs de gain des manipulations tangibles. Les travaux présentés dans cette thèse démontrent donc le potentiel d'un continuum d'interaction pour la visualisation en proposant des paradigmes d'interaction hybrides dans une configuration facile à maintenir, facile à intégrer et abordable. Il fournit les premières étapes nécessaires pour un continuum d'interaction qui, espérons-le, inspirera la création de plus de techniques d'interaction hybrides pour l'interaction de données 3D.

An increasing number of interaction paradigms and devices are being developed and studied for 3D manipulations. This development benefits, in particular, scientific domains such as visualization which rely on manipulation of 3D data. Numerous studies have proven the benefits of each one of them for specific tasks involved in visualization. Yet, classical graphical user interfaces as well as mouse and keyboards still prevail in most interactive settings: such environments are still useful for specific tasks and because they are readily available and accessible when compared to innovative interaction paradigms and devices. In contrast to the usual approach to create or study a new interaction paradigm, technique, or device, the work presented in this thesis paves the way towards an interaction continuum: the possibility to transition between and combine two or more interaction paradigms to benefit from their inherent advantages. To achieve this goal we take several steps. First, building on the observation that mouse and keyboard, tactile interaction and tangible interaction are now standards or are getting close to being standard interaction paradigms for casual or specific use cases, this thesis studies and compares their inherent advantages and limitations for 3D manipulations. Based on this work, we then create a hybrid tactile/tangible interaction paradigm. Based on the needs of scientific visualization for fluid dynamics, we implement specific 3D explorative interaction techniques with the hybrid paradigm and evaluate them with domain experts. The prototypical implementation of this hybrid paradigm is a tactile-enabled and spatially-aware tablet. Based on the feedback from domain experts, such a combination is more flexible than the state of the art and still facilitates precise 3D manipulations. With the potential of this hybrid paradigm, we then tackle the complex task of 3D subsets selection---a major initial step for data understanding. While 3D subset selection is usually conducted with an initial 2D input later extended by the machine, our combination of tactile and tangible interaction allows users to have a fully manual selection technique with the same spatially-aware tablet: a 2D lasso can be drawn with tactile input which can then be extended into 3D when moving the tablet. Not only does this combination fill in an empty space in the taxonomy of 3D subset selection techniques, but we also found it to be more precise than partially-automated solutions---albeit being slower. Finally, building on the observation that tangible interaction with a locally-coupled device might need gain factor adjustments, we propose to use a specific aspect of tactile interaction, pressure-sensing, to control the gain factors of tangible manipulations. The work presented in this thesis thus demonstrates the potential of an interaction continuum for visualization by proposing hybrid interaction paradigms in an easy-to-maintain, easy-to-integrate, and affordable setup. It provides the necessary initial steps for an interaction continuum that will hopefully inspire the creation of more hybrid interaction techniques for 3D data interaction.