Empirical evaluation of a visualization technique with semantic zoom

Abstract

Diese Diplomarbeit beschreibt die Evaluierung einer interaktiven Informationsvisualisierung (SemTimeZoom) von quantitativen Merkmalen zeitbezogener Daten mit mehreren Variablen und der zugehörigen qualitativen Abstraktionen (Interpretationen). Speziell im medizinischen Bereich ist es nützlich Interpretationen und a priori Kenntnisse über PatientInnendaten in die Darstellung der Daten zu integrieren. Die Analyse der Daten kann durch die Einbeziehung von Fachwissen und der daraus resultierenden Interpretationen der Daten unterstützt werden.<br />Diese Visualisierungstechnik verwendet verschiedene visuelle Repräsentationen für die Daten, abhängig vom vertikalen Platz der für einen einzelnen Parameter zur Verfügung steht. Die quantitativen Daten und deren qualitativen Interpretationen werden gemeinsam in einer kombinierten Form dargestellt. Das Anpassen der Repräsentationen an die zur Verfügung stehende Darstellungsfläche wird Semantic Zooming genannt.<br />Obwohl diese Visualisierungstechnik sehr vielversprechend wirkt, wurde sie bis jetzt noch nicht evaluiert. Um eine weit verbreitete Benützung zu erreichen, müssen neue Visualisierungstechniken belegbare Vorteile präsentieren. Um die Effektivität von SemTimeZoom einschätzen zu können, wurde eine Vergleichsstudie mit einer anderen Visualisierungstechnik durchgeführt. Die Vergleichstechnik unterstützt ebenfalls die Darstellung von quantitativen Daten und zugehörige qualitative Abstraktionen, verwendet aber statische visuelle Repräsentationen und zeigt die quantitativen Werte getrennt von den qualitativen Abstraktionen.<br />Die Vergleichsstudie wurde mithilfe eines kontrollierten Experiments durchgeführt. Das Experiment zeigte, dass die Testpersonen speziell für komplexere Aufgaben, die den Vergleich von den quantitativen Werten innerhalb bestimmter qualitativer Levels beinhalten, mit der SemTimeZoom Technik deutlich weniger Zeit benötigten als mit der Vergleichstechnik.<br />Obwohl Wissenschafter die sich mit Informationsvisualisierung beschäftigen schon lange die Wichtigkeit von Evaluierungen ihrer Visualisierungstools erkannt haben, bleibt die Schwierigkeit der Durchführung solcher Studien ein wichtiges Thema. Im Zuge der Studie wurden die Software-Prototypen der Visualisierungstechniken um verschiedene Funktionalitäten für die Evaluierung erweitert. Um die zukünftige Durchführung von Evaluierungsstudien zu erleichtern wurde daraus eine wiederverwendbare und flexible Software-Bibliothek entwickelt, die in zu evaluierende Software-Prototypen integriert werden kann.<br />

This master thesis describes the evaluation of an interactive information visualization technique that is capable of displaying quantitative attributes (numeric values) of multivariate data over time and corresponding qualitative abstractions (interpretations) of the quantitative values (SemTimeZoom). The integration of interpretations and a-priori knowledge in the form of qualitative abstractions is especially useful in the medical domain. Vital parameters of patients can be analyzed using predefined domain knowledge and the resulting interpretations can be visualized together with raw numerical measurements.<br />The investigated visualization technique uses different visual representations of the data depending on the vertical display space of a single parameter and combines the quantitative and qualitative attributes of a parameter into one combined representation. The area-aware method to display different representations is called semantic zooming.<br />Although the developed visualization technique appears very promising, it has not yet been evaluated. Novel visualization techniques need to present measurable benefits to encourage more widespread adoption. To assess the effectiveness of this visualization technique, a comparative study was performed. The visualization technique that was used for the comparison is also capable of displaying raw quantitative values and qualitative abstractions but uses static and separate visual representations for quantitative and qualitative attributes of the data.<br />The comparative study was conducted by means of a controlled experiment that revealed faster completion times especially for more complex tasks involving comparison of quantitative values within specified qualitative categories in favor of the SemTimeZoom technique. All tasks that were used in the experiment involved the qualitative attributes of the data to evaluate the effectiveness for exploratory data analysis with qualitative abstractions.<br />It is generally acknowledged in the information visualization research field that it is necessary to evaluate visualization techniques, but the difficulties of conducting such evaluations still remain an issue. In the course of this study, evaluation functionality was integrated into the Java software prototypes that were used for the controlled experiment. A software library was built based on the evaluation functionality to facilitate future evaluation studies. Care has been taken to develop an easy-to-use, flexible and reusable software library that can be integrated into other prototypes that need to be evaluated.<br />