TY - THES A1 - Limberger, Daniel T1 - Concepts and techniques for 3D-embedded treemaps and their application to software visualization T1 - Konzepte und Techniken für 3D-eingebettete Treemaps und ihre Anwendung auf Softwarevisualisierung N2 - This thesis addresses concepts and techniques for interactive visualization of hierarchical data using treemaps. It explores (1) how treemaps can be embedded in 3D space to improve their information content and expressiveness, (2) how the readability of treemaps can be improved using level-of-detail and degree-of-interest techniques, and (3) how to design and implement a software framework for the real-time web-based rendering of treemaps embedded in 3D. With a particular emphasis on their application, use cases from software analytics are taken to test and evaluate the presented concepts and techniques. Concerning the first challenge, this thesis shows that a 3D attribute space offers enhanced possibilities for the visual mapping of data compared to classical 2D treemaps. In particular, embedding in 3D allows for improved implementation of visual variables (e.g., by sketchiness and color weaving), provision of new visual variables (e.g., by physically based materials and in situ templates), and integration of visual metaphors (e.g., by reference surfaces and renderings of natural phenomena) into the three-dimensional representation of treemaps. For the second challenge—the readability of an information visualization—the work shows that the generally higher visual clutter and increased cognitive load typically associated with three-dimensional information representations can be kept low in treemap-based representations of both small and large hierarchical datasets. By introducing an adaptive level-of-detail technique, we cannot only declutter the visualization results, thereby reducing cognitive load and mitigating occlusion problems, but also summarize and highlight relevant data. Furthermore, this approach facilitates automatic labeling, supports the emphasis on data outliers, and allows visual variables to be adjusted via degree-of-interest measures. The third challenge is addressed by developing a real-time rendering framework with WebGL and accumulative multi-frame rendering. The framework removes hardware constraints and graphics API requirements, reduces interaction response times, and simplifies high-quality rendering. At the same time, the implementation effort for a web-based deployment of treemaps is kept reasonable. The presented visualization concepts and techniques are applied and evaluated for use cases in software analysis. In this domain, data about software systems, especially about the state and evolution of the source code, does not have a descriptive appearance or natural geometric mapping, making information visualization a key technology here. In particular, software source code can be visualized with treemap-based approaches because of its inherently hierarchical structure. With treemaps embedded in 3D, we can create interactive software maps that visually map, software metrics, software developer activities, or information about the evolution of software systems alongside their hierarchical module structure. Discussions on remaining challenges and opportunities for future research for 3D-embedded treemaps and their applications conclude the thesis. N2 - Diese Doktorarbeit behandelt Konzepte und Techniken zur interaktiven Visualisierung hierarchischer Daten mit Hilfe von Treemaps. Sie untersucht (1), wie Treemaps im 3D-Raum eingebettet werden können, um ihre Informationsinhalte und Ausdrucksfähigkeit zu verbessern, (2) wie die Lesbarkeit von Treemaps durch Techniken wie Level-of-Detail und Degree-of-Interest verbessert werden kann, und (3) wie man ein Software-Framework für das Echtzeit-Rendering von Treemaps im 3D-Raum entwirft und implementiert. Dabei werden Anwendungsfälle aus der Software-Analyse besonders betont und zur Verprobung und Bewertung der Konzepte und Techniken verwendet. Hinsichtlich der ersten Herausforderung zeigt diese Arbeit, dass ein 3D-Attributraum im Vergleich zu klassischen 2D-Treemaps verbesserte Möglichkeiten für die visuelle Kartierung von Daten bietet. Insbesondere ermöglicht die Einbettung in 3D eine verbesserte Umsetzung von visuellen Variablen (z.B. durch Skizzenhaftigkeit und Farbverwebungen), die Bereitstellung neuer visueller Variablen (z.B. durch physikalisch basierte Materialien und In-situ-Vorlagen) und die Integration visueller Metaphern (z.B. durch Referenzflächen und Darstellungen natürlicher Phänomene) in die dreidimensionale Darstellung von Treemaps. Für die zweite Herausforderung – die Lesbarkeit von Informationsvisualisierungen – zeigt die Arbeit, dass die allgemein höhere visuelle Unübersichtlichkeit und die damit einhergehende, erhöhte kognitive Belastung, die typischerweise mit dreidimensionalen Informationsdarstellungen verbunden sind, in Treemap-basierten Darstellungen sowohl kleiner als auch großer hierarchischer Datensätze niedrig gehalten werden können. Durch die Einführung eines adaptiven Level-of-Detail-Verfahrens lassen sich nicht nur die Visualisierungsergebnisse übersichtlicher gestalten, die kognitive Belastung reduzieren und Verdeckungsprobleme verringern, sondern auch relevante Daten zusammenfassen und hervorheben. Darüber hinaus erleichtert dieser Ansatz eine automatische Beschriftung, unterstützt die Hervorhebung von Daten-Ausreißern und ermöglicht die Anpassung von visuellen Variablen über Degree-of-Interest-Maße. Die dritte Herausforderung wird durch die Entwicklung eines Echtzeit-Rendering-Frameworks mit WebGL und akkumulativem Multi-Frame-Rendering angegangen. Das Framework hebt mehrere Hardwarebeschränkungen und Anforderungen an die Grafik-API auf, verkürzt die Reaktionszeiten auf Interaktionen und vereinfacht qualitativ hochwertiges Rendering. Gleichzeitig wird der Implementierungsaufwand für einen webbasierten Einsatz von Treemaps geringgehalten. Die vorgestellten Visualisierungskonzepte und -techniken werden für Anwendungsfälle in der Softwareanalyse eingesetzt und evaluiert. In diesem Bereich haben Daten über Softwaresysteme, insbesondere über den Zustand und die Evolution des Quellcodes, keine anschauliche Erscheinung oder natürliche geometrische Zuordnung, so dass die Informationsvisualisierung hier eine Schlüsseltechnologie darstellt. Insbesondere Softwarequellcode kann aufgrund seiner inhärenten hierarchischen Struktur mit Hilfe von Treemap-basierten Ansätzen visualisiert werden. Mit in 3D-eingebetteten Treemaps können wir interaktive Softwarelagekarten erstellen, die z.B. Softwaremetriken, Aktivitäten von Softwareentwickler*innen und Informationen über die Evolution von Softwaresystemen in ihrer hierarchischen Modulstruktur abbilden und veranschaulichen. Diskussionen über verbleibende Herausforderungen und Möglichkeiten für zukünftige Forschung zu 3D-eingebetteten Treemaps und deren Anwendungen schließen die Arbeit ab. KW - treemaps KW - software visualization KW - software analytics KW - web-based rendering KW - degree-of-interest techniques KW - labeling KW - 3D-embedding KW - interactive visualization KW - progressive rendering KW - hierarchical data KW - 3D-Einbettung KW - Interessengrad-Techniken KW - hierarchische Daten KW - interaktive Visualisierung KW - Beschriftung KW - progressives Rendering KW - Softwareanalytik KW - Softwarevisualisierung KW - Treemaps KW - Web-basiertes Rendering Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-632014 ER - TY - THES A1 - Glander, Tassilo T1 - Multi-scale representations of virtual 3D city models T1 - Maßstabsabhängige Repräsentationen virtueller 3D-Stadtmodelle N2 - Virtual 3D city and landscape models are the main subject investigated in this thesis. They digitally represent urban space and have many applications in different domains, e.g., simulation, cadastral management, and city planning. Visualization is an elementary component of these applications. Photo-realistic visualization with an increasingly high degree of detail leads to fundamental problems for comprehensible visualization. A large number of highly detailed and textured objects within a virtual 3D city model may create visual noise and overload the users with information. Objects are subject to perspective foreshortening and may be occluded or not displayed in a meaningful way, as they are too small. In this thesis we present abstraction techniques that automatically process virtual 3D city and landscape models to derive abstracted representations. These have a reduced degree of detail, while essential characteristics are preserved. After introducing definitions for model, scale, and multi-scale representations, we discuss the fundamentals of map generalization as well as techniques for 3D generalization. The first presented technique is a cell-based generalization of virtual 3D city models. It creates abstract representations that have a highly reduced level of detail while maintaining essential structures, e.g., the infrastructure network, landmark buildings, and free spaces. The technique automatically partitions the input virtual 3D city model into cells based on the infrastructure network. The single building models contained in each cell are aggregated to abstracted cell blocks. Using weighted infrastructure elements, cell blocks can be computed on different hierarchical levels, storing the hierarchy relation between the cell blocks. Furthermore, we identify initial landmark buildings within a cell by comparing the properties of individual buildings with the aggregated properties of the cell. For each block, the identified landmark building models are subtracted using Boolean operations and integrated in a photo-realistic way. Finally, for the interactive 3D visualization we discuss the creation of the virtual 3D geometry and their appearance styling through colors, labeling, and transparency. We demonstrate the technique with example data sets. Additionally, we discuss applications of generalization lenses and transitions between abstract representations. The second technique is a real-time-rendering technique for geometric enhancement of landmark objects within a virtual 3D city model. Depending on the virtual camera distance, landmark objects are scaled to ensure their visibility within a specific distance interval while deforming their environment. First, in a preprocessing step a landmark hierarchy is computed, this is then used to derive distance intervals for the interactive rendering. At runtime, using the virtual camera distance, a scaling factor is computed and applied to each landmark. The scaling factor is interpolated smoothly at the interval boundaries using cubic Bézier splines. Non-landmark geometry that is near landmark objects is deformed with respect to a limited number of landmarks. We demonstrate the technique by applying it to a highly detailed virtual 3D city model and a generalized 3D city model. In addition we discuss an adaptation of the technique for non-linear projections and mobile devices. The third technique is a real-time rendering technique to create abstract 3D isocontour visualization of virtual 3D terrain models. The virtual 3D terrain model is visualized as a layered or stepped relief. The technique works without preprocessing and, as it is implemented using programmable graphics hardware, can be integrated with minimal changes into common terrain rendering techniques. Consequently, the computation is done in the rendering pipeline for each vertex, primitive, i.e., triangle, and fragment. For each vertex, the height is quantized to the nearest isovalue. For each triangle, the vertex configuration with respect to their isovalues is determined first. Using the configuration, the triangle is then subdivided. The subdivision forms a partial step geometry aligned with the triangle. For each fragment, the surface appearance is determined, e.g., depending on the surface texture, shading, and height-color-mapping. Flexible usage of the technique is demonstrated with applications from focus+context visualization, out-of-core terrain rendering, and information visualization. This thesis presents components for the creation of abstract representations of virtual 3D city and landscape models. Re-using visual language from cartography, the techniques enable users to build on their experience with maps when interpreting these representations. Simultaneously, characteristics of 3D geovirtual environments are taken into account by addressing and discussing, e.g., continuous scale, interaction, and perspective. N2 - Gegenstand der Arbeit sind virtuelle 3D-Stadt- und Landschaftsmodelle, die den städtischen Raum in digitalen Repräsentationen abbilden. Sie werden in vielfältigen Anwendungen und zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt. Dabei ist die Visualisierung ein elementarer Bestandteil dieser Anwendungen. Durch realitätsnahe Darstellung und hohen Detailgrad entstehen jedoch zunehmend fundamentale Probleme für eine verständliche Visualisierung. So führt beispielsweise die hohe Anzahl von detailliert ausmodellierten und texturierten Objekten eines virtuellen 3D-Stadtmodells zu Informationsüberflutung beim Betrachter. In dieser Arbeit werden Abstraktionsverfahren vorgestellt, die diese Probleme behandeln. Ziel der Verfahren ist die automatische Transformation virtueller 3D-Stadt- und Landschaftsmodelle in abstrakte Repräsentationen, die bei reduziertem Detailgrad wichtige Charakteristika erhalten. Nach der Einführung von Grundbegriffen zu Modell, Maßstab und Mehrfachrepräsentationen werden theoretische Grundlagen zur Generalisierung von Karten sowie Verfahren zur 3D-Generalisierung betrachtet. Das erste vorgestellte Verfahren beschreibt die zellbasierte Generalisierung von virtuellen 3DStadtmodellen. Es erzeugt abstrakte Repräsentationen, die drastisch im Detailgrad reduziert sind, erhält dabei jedoch die wichtigsten Strukturen, z.B. das Infrastrukturnetz, Landmarkengebäude und Freiflächen. Dazu wird in einem vollautomatischen Verfahren das Eingabestadtmodell mithilfe des Infrastrukturnetzes in Zellen zerlegt. Pro Zelle wird abstrakte Gebäudegeometrie erzeugt, indem die enthaltenen Einzelgebäude mit ihren Eigenschaften aggregiert werden. Durch Berücksichtigung gewichteter Elemente des Infrastrukturnetzes können Zellblöcke auf verschiedenen Hierarchieebenen berechnet werden. Weiterhin werden Landmarken gesondert berücksichtigt: Anhand statistischer Abweichungen der Eigenschaften der Einzelgebäudes von den aggregierten Eigenschaften der Zelle werden Gebäude gegebenenfalls als initiale Landmarken identifiziert. Schließlich werden die Landmarkengebäude aus den generalisierten Blöcken mit Booleschen Operationen ausgeschnitten und realitätsnah dargestellt. Die Ergebnisse des Verfahrens lassen sich in interaktiver 3D-Darstellung einsetzen. Das Verfahren wird beispielhaft an verschiedenen Datensätzen demonstriert und bezüglich der Erweiterbarkeit diskutiert. Das zweite vorgestellte Verfahren ist ein Echtzeit-Rendering-Verfahren für geometrische Hervorhebung von Landmarken innerhalb eines virtuellen 3D-Stadtmodells: Landmarkenmodelle werden abhängig von der virtuellen Kameradistanz vergrößert, so dass sie innerhalb eines spezifischen Entfernungsintervalls sichtbar bleiben; dabei wird ihre Umgebung deformiert. In einem Vorverarbeitungsschritt wird eine Landmarkenhierarchie bestimmt, aus der die Entfernungsintervalle für die interaktive Darstellung abgeleitet werden. Zur Laufzeit wird anhand der virtuellen Kameraentfernung je Landmarke ein dynamischer Skalierungsfaktor bestimmt, der das Landmarkenmodell auf eine sichtbare Größe skaliert. Dabei wird der Skalierungsfaktor an den Intervallgrenzen durch kubisch interpoliert. Für Nicht-Landmarkengeometrie in der Umgebung wird die Deformation bezüglich einer begrenzten Menge von Landmarken berechnet. Die Eignung des Verfahrens wird beispielhaft anhand verschiedener Datensätze demonstriert und bezüglich der Erweiterbarkeit diskutiert. Das dritte vorgestellte Verfahren ist ein Echtzeit-Rendering-Verfahren, das eine abstrakte 3D-Isokonturen-Darstellung von virtuellen 3D-Geländemodellen erzeugt. Für das Geländemodell wird eine Stufenreliefdarstellung für eine Menge von nutzergewählten Höhenwerten erzeugt. Das Verfahren arbeitet ohne Vorverarbeitung auf Basis programmierbarer Grafikkarten-Hardware. Entsprechend erfolgt die Verarbeitung in der Prozesskette pro Geometrieknoten, pro Dreieck, und pro Bildfragment. Pro Geometrieknoten wird zunächst die Höhe auf den nächstliegenden Isowert quantisiert. Pro Dreieck wird dann die Konfiguration bezüglich der Isowerte der drei Geometrieknoten bestimmt. Anhand der Konfiguration wird eine geometrische Unterteilung vorgenommen, so dass ein Stufenausschnitt entsteht, der dem aktuellen Dreieck entspricht. Pro Bildfragment wird schließlich die finale Erscheinung definiert, z.B. anhand von Oberflächentextur, durch Schattierung und Höheneinfärbung. Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten werden mit verschiedenen Anwendungen demonstriert. Die Arbeit stellt Bausteine für die Erzeugung abstrakter Darstellungen von virtuellen 3D-Stadt und Landschaftsmodellen vor. Durch die Orientierung an kartographischer Bildsprache können die Nutzer auf bestehende Erfahrungen bei der Interpretation zurückgreifen. Dabei werden die charakteristischen Eigenschaften 3D geovirtueller Umgebungen berücksichtigt, indem z.B. kontinuierlicher Maßstab, Interaktion und Perspektive behandelt und diskutiert werden. KW - Generalisierung KW - virtuelle 3D-Stadtmodelle KW - Gebäudemodelle KW - Landmarken KW - Geländemodelle KW - generalization KW - virtual 3D city models KW - building models KW - landmarks KW - terrain models Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64117 ER -