Advanced interaction and visualization concepts for mobile urban exploration

Abstract

Urbane Umgebungen wandelten sich innerhalb weniger Jahre zu reichhaltigen Informationsräumen: Sie sind virtuell angereichert mit einer ständig wachsenden Menge an georeferenzierten Inhalten und ausgerüstet mit Gerätschaften wie lokalen Sendern und öffentlichen Bildschirmen, die Passanten mit zusätzlichen Informationen versorgen.<br />Gleichzeitig ermöglichten technologische Fortschritte leistungsfähige mobile Geräte wie Smartphones, die als Mediatoren zu solchen umgebenden digitalen Inhalten fungieren können. Existierende Lösungen für die Erkundung von städtischen Umgebungen mit Hilfe eines mobilen Geräts halten jedoch noch immer an traditionellen Ansätzen wie Kartendarstellungen fest.<br />Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Erforschung von fortschrittlichen mobilen Benutzerschnittstellen für eine effizientere, nahtlose und intuitive Erkundung urbaner Gegenden. Ihr Kernbeitrag besteht aus einer Reihe von neuartigen Techniken und dazugehörigen funktionstüchtigen Prototypen. Die beschriebenen technischen Realisierungen, basierend auf einer eigens entwickelten Service-Plattform, sowie die jeweiligen funktionalen Tests helfen dabei, Erkenntnisse über die Möglichkeiten und Herausforderungen solcher zukünftiger Interface-Ansätze zu gewinnen.<br />Inspiriert durch aktuelle Trends in Industrie und Akademia präsentiert diese Arbeit drei neuartige mobile Interaktionsprototpyen. Die vorgestellten Techniken reichen von einem mobilen "Attentive User Interface", das die Blickrichtung eines Menschen für die Bestimmung von Objekten von Interesse nutzt, über eine mobile Lösung für die Erkennung von Handgesten bis zu einer fortschrittlichen visionsbasierten Interaktion mit Bildschirmen im öffentlichen Raum.<br />Als Ergänzung zu diesen Interaktionskonzepten untersucht die vorliegende Arbeit neuartige Visualisierungstechniken für räumliche Information. Sie hinterfragt traditionelle Kartenansichten für informationsreiche städtischen Umgebungen und schlägt drei Alternativen vor: einen egozentrischen Ansatz und eine in Echtzeit gerenderte Vogelansicht unter Verwendung eines 3D-Gebäudemodells sowie eine abstrakte Informationsvisualisierung, die anstelle der räumlichen Komponente den inhaltlichen Aspekt georeferenzierter Information betont.<br />Um die neuen Visualisierungskonzepte empirisch zu validieren, wurde eine umfassende Benutzerstudie durchgeführt. Die präsentierte Evaluierung fokussierte auf zunehmend relevante Aspekte wie das Überblicken und Filtern von räumlicher Information und zeigt den Mehrwert alternativer mobiler Darstellungen und hybrider Visualierungsformen auf.<br />

Urban environments have evolved to rich digital information spaces over the last few years: they are virtually enriched with a steadily increasing amount of georeferenced content and instrumented with gadgets such as local transmitters and ambient displays providing passers-by with additional information. At the same time, advances in mobile computing technology led to powerful mobile devices such as smartphones able to act as mediators to surrounding digital content.<br />However, current solutions for exploring urban environments with the help of a mobile device still stick to traditional approaches such as map representations.<br />This thesis is concerned with the investigation of advanced mobile user interfaces for a more efficient, seamless, and intuitive exploration of urban environments. Its main contribution is a series of novel techniques and appropriate fully functional prototypes. The described technical realizations based on a custom auxiliary service platform and respective functional trials help to gain insights into the possibilities and challenges of such upcoming interface approaches.<br />Inspired by recent computing trends in industry and academia, the thesis presents three novel mobile interaction prototypes. The proposed techniques range from a mobile "attentive user interface" exploiting a human's eye-gaze for discovering objects-of-interest over a fully mobile solution for the detection of free-hand gestures to the sophisticated vision-based interaction with embedded ambient displays.<br />Complementing these interaction concepts, the thesis introduces and investigates novel visualization techniques for spatial information.<br />Questioning the traditional top-down map view for information-rich urban environments, three alternatives are proposed: an egocentric approach and a bird's eye perspective utilizing a 3D building model rendered in real-time as well as an abstract information visualization which emphasizes the contentual aspect of georeferenced information over its spatial component.<br />To empirically validate the novel visualization concepts a comprehensive user study was conducted. The presented evaluation focused on increasingly relevant aspects such as overviewing and filtering spatial information and demonstrates the benefit of alternative mobile views and hybrid visualizations.