Hybrid visualizations for data exploration

Viau, Christophe (2012). Hybrid visualizations for data exploration. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Information Visualization (Infovis) graphically encodes information to help a user explore a data set visually and interactively. This graphical encoding can take the form of widespread visualizations such as bar charts and scatterplots. Multiple visualizations can share the same functional space to form complete tools for visual exploration or for communicating information. There is multiple ways of combining these visualizations. The assembly of multiple visualizations can give some complex assemblies sometimes called hybrid visualizations.

A hybrid visualization is the result of assembling multiple simpler visualizations. For example, NodeTrix (Henry et al., 2007a) is composed of a node-link diagram and an adjacency matrix, and MatLink (Henry and Fekete, 2007a) adds arc links to an adjacency matrix. This integration of multiple visualizations can be a way to combine their advantages into a coherent structure. The integration can be achieved, for example, through color coding, or through explicit linking (such as with arrows), or through interaction (such as when different visualizations respond to the manipulation of others). Recent literature contains several examples of new hybrid visualizations, most often to deal with complex datasets where the user can benefit from multiple, complementary visual encodings of the same data. However, to date, there is almost no theory or framework to help researchers understand and characterize existing hybrids or design new ones.

This thesis advances the state of the art in hybrid visualizations in two ways: first, by developing a framework that defines and characterizes hybrid visualizations to help better identify, describe and design them, and second, by demonstrating a variety of novel hybrids. The hybrid visualizations we explored cover a wide range of possibilities. Two of the most general and widely used data types in Infovis, multidimensional multivariate data and graph (i.e., network) data, are each the subject of a chapter in the thesis, with novel hybrid visualization techniques presented for each. A wide range of possibilities for integration is also presented using a pipeline model.

After some preliminary material, chapter 2 of the thesis presents a conceptual framework that defines and characterizes hybrid visualizations. This framework was itself derived from experience designing the hybrid visualizations presented in the subsequent chapters. A hybrid visualization is described as a graphical encoding using other visualizations as building blocks. We present a pipeline to illustrate the assembly of a visualization, starting from the generation of basic shapes or glyphs, then placed on a layout, embellished by adding other graphical elements, then sent to some view transform operators and assembled on the same space. Simple charts can be described with this pipeline as well as more complex assembly and new hybrids are described.

Chapter 3 presents ConnectedCharts, an example of a hybrid assembled on the assembly level of the pipeline, made of multiple multidimensional and multivariate charts explicitly connected by lines or curves showing the relationship between their elements. A user interface enables the interactive assembly of ConnectedCharts, including a wide range of previously-published hybrid visualizations, as well as novel hybrid arrangements. ConnectedCharts serve as an illustration of the conceptual framework in chapter 2, by exploring possible connections between different graphics depending on the relationship of their encoded data types.

Chapter 4 presents another user interface, this time for graph exploration, that incorporates several highly integrated hybrid visualizations. A Parallel Scatter Plot Matrix (P-SPLOM) is presented that constitutes a fusion of a Scatter Plot Matrix (SPLOM) and a Parallel Coordinates Plot (PCP). A radial menu called the FlowVizMenu enables the modification of a visualization integrated at the center of the menu. This menu is also used to select the dimensions for configuring a third hybrid based on an Attribute-Driven Layout (ADL) that combines a nodelink diagram and a scatterplot.

The characterization of hybrid visualizations offered by the conceptual framework, as well as the illustration of the framework by innovative hybrid visualizations, are the main contributions of this thesis to the Infovis community.

Titre traduit

Visualisations hybrides pour l'exploration de données

Résumé traduit

L’Infovis encode graphiquement de l’information pour aider un utilisateur à explorer visuellement et interactivement un ensemble de données. Cet encodage graphique peut prendre la forme de visualisations largement répandues, comme les diagrammes à barres et les diagrammes à nuage de points. Plusieurs visualisations peuvent partager le même espace fonctionnel pour former des outils complets servant à explorer un ensemble de données ou à communiquer de l’information. Il existe de nombreuses façons de combiner ces visualisations, pouvant donner des assemblages complexes parfois appelées visualisations hybrides.

Une visualisation hybride est le résultat de l’assemblage de plusieurs types de visualisations. Par exemple, NodeTrix (Henry et al., 2007a) intègre un diagramme noeuds-liens (node-link diagram) et une matrice d’adjacence (adjacency matrix) et MatLink (Henry and Fekete, 2007a) ajoute des liens en arcs à une matrice. Cet intégration de visualisations peut être une façon d’allier les avantages de plusieurs visualisations différentes dans un ensemble cohérent et solidement lié. Cette liaison peut se faire par des codes de couleur, par des liens explicites comme des flèches, par une interaction coordonnées où les visualisations réagissent à la manipulation d’une autre. Nous avons étudiés ces différentes stratégies d’assemblage de deux façons: en proposant une bonne variété de visualisations hybrides et en élaborant une définition et une caractérisation des visualisations hybrides permettant de mieux les identifier, les décrire et les concevoir. Les prototypes d’hybrides que nous décrivons couvrent une large gamme de possibilités. Les données les plus utilisées en Infovis, soit les données multidimensionnelles multivariées et les données de graphes sont représentées, chacunes faisant l’objet d’un chapitre entier. Une large palette de possibilités d’intégration est aussi représentée, du simple code de couleur partagé entre deux graphiques jusqu’à la fusion de visualisations coordonnées par la couleur, les formes, l’animation et l’interactivité.

Nous présentons en premier lieu une définition et une caractérisation des visualisations hybrides découlant des expérimentations des chapitres suivants. Une visualisation hybride est décrite comme un encodage graphique utilisant d’autres visualisations comme matériau servant à l’assemblage. Nous présentons une sorte de diagramme d’assemblage que nous appelons un pipeline pour illustrer l’assemblage de visualisations, à partir de la génération de formes de base ou de glyphes, qui sont ensuite disposés selon un patron, embellis par l’ajout d’autres éléments graphiques, puis transformé pour être assemblé dans la même vue. Des graphiques simples peuvent être décrits par ce pipeline d’assemblage de visualisations, ainsi que des combinaisons plus complexes et de nouveaux hybrides.

Le chapitre suivant donne un bon exemple d’intégration de bas niveau. Les ConnectedCharts sont des graphiques multidimensionnels et multivariés explicitement connectés par des lignes montrant bien la relation entre leurs éléments. Un prototype permet d’assembler toutes sortes de visualisation hybrides trouvées dans la littérature ainsi que de nouveaux agencements. Il sert d’illustration à un cadre conceptuel explorant les connections possibles entre différents graphiques selon la parenté de leur types de données encodées.

Une autre interface, cette fois pour la visualisations de données de graphes, présente plusieurs visualisations hybrides fortement intégrées. Le P-SPLOM provient de la fusion d’une matrice de diagrammes à nuage de points (SPLOM) et d’une série de diagrammes à coordonnées parallèles. Un menu radial nommé FlowVizMenu permet de faire varier une visualisation qui y est intégrée. Ce menu sert à choisir les dimensions à utiliser pour une troisième visualisation hybride: le Attribute-Driven Layout fusionnant un diagramme noeuds-liens à un diagramme à nuage de points.

La définition et la caractérisation des visualisations hybrides ainsi que l’illustration de ce cadre théorique par la conception d’hybrides novateurs sont les contributions principales de cette thèse au domaine de l’Infovis.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliogr. : f. [97]-105.
Mots-clés libres:	Visualisation de l'information. Infographie interactive. Hybride, Infovis, graphe
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse McGuffin, Michael John
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	27 août 2012 20:38
Dernière modification:	08 mars 2017 01:55
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1045

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