Visualization of time and time-oriented information : challenges and conceptual design

Abstract

Zeitbezogene Informationen sind in vielen Bereichen allgegenwärtig, wie zum Beispiel bei medizinischer Dokumentation, Planung, Projektmanagement, Daten und Informationen aus Wirtschaft und Wissenschaft, Biographien oder Geschichtsdaten. Zeit an sich ist eine inhärente Datendimension, die für die Trenderkennung sowie für die Identifikation von Mustern und Beziehungen von zentraler Bedeutung ist.<br />Visuelle Methoden sind wesentliche Techniken zur Präsentation, Analyse und Exploration von zeitbezogenen Informationen. In den letzten Jahren wurden verschiedene Visualisierungstechniken entwickelt, um den Explorationsprozeß von Daten und Informationen im zeitlichen Kontext zu unterstützen. Die meisten dieser Techniken sind allerdings sehr anwendungsspezifisch und berücksichtigen nur unmittelbar anwendungsbezogene Aspekte von Zeit. Allgemeinere Unterstützungswerkzeuge wären hilfreich, um Methoden wiederverwendbar zu machen und die Entwicklung von visuellen Techniken zu erleichtern.<br />Das Ziel dieser Dissertation ist es, diese Lücke durch die Entwicklung eines Visualisierungsframeworks zu schließen. Das Framework mit dem Titel TimeViz unterstützt die Erstellung von Visualisierungsmethoden zur interaktiven Exploration von Zeit und zeitbezogenen Informationen über eine große Bandbreite von verschiedenen Bereichen und Anwendungsfeldern hinweg. Zu diesem Zweck haben wir ein konzeptionelles Daten- und Zeitmodell entwickelt, welches zur Abstraktion von zeitbezogenen Informationen verwendet wird und beschreiben das Framework als schrittweisen Prozeß von Datentransformation, Markierung, Modellbildung, visuellem Mapping und Rendering.<br />Anhand der neuartigen Visualisierungstechnik PlanningLines illustrieren wir die Funktionsweise des Frameworks. Die PlanningLines Technik wurde zur graphischen Repräsentation von Planungsdaten entwickelt, die mit zeitlichen Unsicherheiten behaftet sind. Um die Tauglichkeit dieser Methode beurteilen zu können, wurde ein kontrolliertes Experiment mit dem Schwerpunkt auf kognitiven Aspekten durchgeführt, mit welchem empirische Belege für die Stärken und Schwächen unseres Ansatzes gesammelt wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass PlanningLines BenutzerInnen sowohl weniger Fehler beim Umgang mit zeitlichen Unsicherheiten machen als auch schneller bei der Bearbeitung von Aufgaben als die BenutzerInnen einer Standardmethode (PERT) sind.<br />Zudem enthält diese Dissertation eine umfangreiche Bestandsaufnahme von vorhandenen Visualisierungstechniken für Zeit, zeitliche Daten und zeitliche Informationen. Die Untersuchung gibt einen strukturierten Überblick und reicht von der Präsentation von frühen (vor-computer-zeitlichen) Repräsentationen bis hin zu interaktiven Visualisierungstechniken mit einem kurzen Seitenblick auf die Darstellung von Zeit in der Kunst. Für die Strukturierung der Übersicht wurde ein neues Klassifikationsschema entwickelt, welches WissenschafterInnen und AnwenderInnen bei der Auswahl von passenden Techniken unterstützt.<br />

Temporal information is ubiquitous in many domains as for example medical records, business, science, biographies, history, planning, and project management. Time itself is an inherent data dimension that is central for the tasks of revealing trends as well as identifying patterns and relationships in the data.<br />Visual methods are a key part of techniques that allow for presentation, analysis, and exploration of time-oriented information. A number of visualization methods have been developed in order to facilitate the exploration of data and information across temporal contexts, but most of these methods are domain specific and only take application specific time aspects into account. More general support is desirable in order to make methods reusable and the creation of visual methods easier.<br />This thesis aims to fill this gap by proposing a visualization framework for supporting the interactive visual exploration of time and time-oriented information over a broad range of domains and applications, called TimeViz. For this purpose, we describe a conceptual data and time model for abstracting time-oriented information along with a step-wise process of data transformation, markup, model building, visual mapping, and rendering.<br />Additionally, we present an illustrating example for the application of TimeViz in form of a novel visualization technique called PlanningLines.<br />PlanningLines have been developed in order to visualize planning data afflicted with temporal uncertainties. In order to assess the usefulness of the PlanningLines approach, we conducted a controlled experiment on a cognitive level to gather empirical evidence on the strengths and limitations of our approach. Main results are that PlanningLines users make fewer mistakes and are faster in conducting tasks regarding temporal uncertainties than users of a traditional visualization technique (PERT).<br />Besides this, the thesis contains a comprehensive survey on available visualization techniques for time, temporal data, and temporal information. The survey gives a structured overview and spans from presenting examples of early (pre-computer age) representations to interactive visualization techniques with a side-look on representations of time in visual arts. In order to give a structured overview, we created a novel classification scheme specific to our needs. Moreover, we analyzed interactive visualization techniques throughly along different aspects. These two pieces aid researchers and practitioners in choosing appropriate techniques for their task at hand.