Die komplexe Analysen großer Datensätze stellt in der Informationsvisualisierung eine zunehmende Herausforderung dar. Mit Hilfe von Magic Lenses wird die teilweise unübersichtliche Visualisierung dieser Datensätze lokal manipuliert und vereinfacht. Dabei spielen besonders der Umfang an Filterfunktionen und wie sie verändert werden können eine Rolle. Die Vorteile eines Multitouchdisplays im Vergleich zu herkömmlicher Maus- oder Keyboardinteraktion kommen dabei zum Einsatz. Es treten jedoch stetig Probleme bei der Adaption bisheriger Menüdesigns auf. Da Magic Lenses über Menüs parametrisiert werden sollen, stellt sich die Frage welche Menü- und Interaktionsarten besser dazu geeignet sind. In dieser Arbeit wird ein Multitouch-basiertes Kontextmenü für Magic Lenses evaluiert. Es befindet sich direkt am Linsenrand und ist kompakt jedoch neuartig. Es wird die Konkurrenzfähigkeit zu einem speziell für die Studie entworfenen und implementierten klassischen, globalen Menü getestet. Dieses ist für Nutzer vertrauter, aber distanziert sich von der Linse. Die Ergebnisse werden anschließend unter quantitativen und qualitativen Punkten zusammengefasst und ausgewertet. Es zeigt sich, dass klassische Menüs mit Touchinteraktion performanter waren. Das Multitouch-basierte Kontextmenü war allerdings bei den Probanden beliebter und wurde für die Arbeit mit Linsen bevorzugt. / The complex analysis of huge data sets is an increasing challenge in information visualization. With the help of emph{Magic Lenses} the somtimes confusing visualization of those data sets is being locally manipulated and simplified. Especially the amount of filter functions and how they can be altered matter. The advantages of multitouch displays in comparison to conventional mouse and keyboard interaction are used. However, there occur continual problems with the adaption of existing menu designs. Since emph{Magic Lenses} have to be parameterized with those menus the question arises which kind of menu and interaction are more fitting. In this work we evaluate a multitouch based context menu for emph{Magic Lenses}. It is located directly at the lens and compact but new to users. We test its competitiveness to a classical global menu specifically designed and implemented for this study. Users are more familiar with it but it is distanced from the lens. Finally, the results are summarized and analyzed under quantitative and qualitative points. It turns out that classical menus with touch interaction performed best. The multitouch-based context menu though was more popular with probands and was preferred for the work with lenses.

Suchmaschinen bieten Zugang zu großen Datenmengen und viele Möglichkeiten, die Nutzeranfragen zu interpretieren und mit Korrekturen oder Empfehlungen zu unterstützen. Neben diesen technologischen Vorteilen, hat sich am Suchparadigma selbst in den letzten Jahren nicht viel geändert. Die meisten Suchinterfaces bestehen auch heute noch aus den typischen Eingabemasken und linearen Ergebnislisten. Jedoch ist es besonders für Nutzer mit wenig Erfahrung in der aktuellen Suchdomäne oder mit einem sehr unscharfen Informationsbedürfnis schwierig, ihre vagen Vorstellungen in eine spezifische Suchanfrage zu transformieren. Die herkömmlichen eindimensionalen Ergebnislisten bieten oft nur eine einfache Sortierfunktion. Verschiedene Techniken der Informationsvisualisierung bieten jedoch weitaus mehr Möglichkeiten, um multidimensionale Datensätze zu visualisieren und vergleichbar zu machen. Ziel der Arbeit ist es, den Suchprozess am Beispiel der Produktsuche aus der Nutzerperspektive zu analysieren und Anforderungen zu formulieren, welche verschiedene Strategien und Phasen der Suche unterstützen. Die Anwendungsfälle stützen sich dabei vor allem auf komplexere Suchaufgaben mit einem vagen Informationsbedürfnis wie der Planung eines Urlaubs oder dem Finden einer passenden Finanzierungsmöglichkeit. Weiterhin werden verschiedene Techniken der Informationsvisualisierung untersucht, um sowohl die visuelle Exploration und Analyse der multidimensionalen Datenmengen als auch eine schnelle Interpretation und den Vergleich der gefundenen Suchergebnisse zu ermöglichen. Die Betrachtung verschiedener verwandter Arbeiten aus dem kommerziellen und akademischen Bereich führen zu fünf verschiedenen Suchmusterkategorien, die in explorativen Suchszenarien miteinander kombiniert werden können, um den Suchraum einzugrenzen oder aufzufächern. Unter Berücksichtigung der Suchmusterkategorien der schlagwortbasierten Suche, der Ähnlichkeitssuche, der Facettennavigation, der empfehlungsbasierten Suche und des Browsing in strukturierten Inhalten werden verschiedene Lösungsansätze entwickelt, welche die Exploration unterschiedlicher Produktdatenmengen ermöglichen. Basierend auf diesen Fallbeispielen wird ein Baukasten für visuelle Suchinterfaces vorgeschlagen, der vorwärtsgerichtet oder rückwärtsgerichtet im Sinne des Reverse-Engineering angewandt werden kann. Die Bausteine geben einen Gestaltungsraum vor, der den Designer vor allem in der Konzeptionsphase unterstützt. Durch die Kombination verschiedener Bausteine werden der Entwurf neuer Interfacekonzepte und deren Variation ermöglicht. Weiterhin können erprobte Lösungen in Entwurfsmuster überführt werden, welche die Wiederverwendung in ähnlichen Problemkontexten erlauben. Durch das Reverse-Engineering können bekannte Interfaces in einzelne Bestandteile zerlegt und innere Strukturen sowie Zusammenhänge analysiert werden.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Problemdarstellung und Zielsetzung 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Interdisziplinäre Grundlagenbetrachtung 2.1 Informationssuche 2.1.1 Informationsbedürfnis 2.1.2 Modelle der Informationssuche 2.1.3 Suchstrategien 2.2 Informationsvisualisierung 2.2.1 Visualisierungsprozess 2.2.2 Datenstrukturen 2.2.3 Visuelle Strukturen 2.2.4 Visualisierungstechniken 2.2.5 Interaktionstechniken 2.3 Entwurfsproblematik in der Mensch-Computer-Interaktion 2.3.1 Entwurfsprozess 2.3.2 Entwurfsmuster und -prinzipien 2.3.3 Baukastensysteme 2.3.4 Semiotik 2.4 Zusammenfassung 3 Suchmuster im Kontext der Produktsuche 3.1 Schlüsselwortsuche 3.1.1 Kommerzielle Anwendungen 3.1.2 Akademische Arbeiten 3.2 Ähnlichkeitssuche 3.2.1 Kommerzielle Anwendungen 3.2.2 Akademische Arbeiten 3.3 Facettennavigation 3.3.1 Kommerzielle Anwendungen 3.3.2 Akademische Arbeiten 3.4 Empfehlungsbasierte Suche 3.4.1 Kommerzielle Anwendungen 3.4.2 Akademische Arbeiten 3.5 Browsing in strukturierten Inhalten 3.5.1 Kommerzielle Anwendungen 3.5.2 Akademische Arbeiten 3.6 Zusammenfassung 4 Motivbasierte Suche 4.1 Nutzerbefragung 4.2 Aspekte der motivbasierten Suche 4.2.1 Exploration 4.2.2 Recherche 4.2.3 Evaluation 4.3 Zusammenfassung 5 Schlagwortbasierte Suche 5.1 Datengrundlage 5.1.1 Klassifikationsschema 5.1.2 Datenanalyse 5.2 DelViz 5.2.1 Konzept für die Explorative Suche 5.2.2 Analysekonzept 5.2.3 Browsing-Konzept 5.2.4 Prototyp 5.3 TagCircus 5.4 Facettice 5.5 Zusammenfassung 6 Ähnlichkeitssuche 6.1 Glyphdarstellungen 6.1.1 Many-to-One-Mapping 6.1.2 One-to-One-Mapping 6.2 Nutzerstudien 6.2.1 Evaluation von Differenzglyphen 6.2.2 Evaluation von Star-Plots und Flower-Glyphen 6.3 Ähnlichkeitssuche mittels Glyphen 6.3.1 Beispielbasierte Suche 6.3.2 Exploration multidimensionaler Datenmengen 6.4 Zusammenfassung 7 Facettennavigation 7.1 Datengrundlage 7.2 Basiskonzept 7.2.1 Interaktion mit den Achsen 7.2.2 Facettenfilter 7.2.3 Ergebnisliste 7.2.4 Suchhistorie 7.3 Parallele Koordinaten 7.3.1 Vergleich 7.3.2 Unscharfer Filter 7.4 Parallel Sets 7.5 Prototyp 7.6 Nutzerstudie 7.6.1 Methodik 7.6.2 Ergebnisse 7.6.3 Diskussion 7.7 Adaption des Konzepts 7.8 Zusammenfassung 8 Empfehlungsbasierte Suche 8.1 Get Inspired 8.1.1 Datengrundlage 8.1.2 Konzeption 8.1.3 Prototyp 8.1.4 Nutzerstudie 8.2 Motbasi 8.2.1 Prototyp 8.2.2 Nutzertest 8.3 Movie-Recommender 8.4 Findr 8.5 Zusammenfassung 9 Baukasten für visuelle Suchinterfaces 9.1 Bausteine 9.2 Baumuster 9.3 Baumusterpläne 9.3.1 Verbindungselemente 9.3.2 Referenzbausteine 9.4 Semiotische Aspekte des Baukastens 9.5 Anwendungsszenarien 9.5.1 Mustererstellung zur Wiederverwendbarkeit 9.5.2 Variantenerzeugung 9.5.3 Inspiration im Entwurfsprozess 9.5.4 Design- und Lehrmethodik 9.6 Zusammenfassung 10 Zusammenfassung 10.1 Zusammenfassung der Kapitel 10.2 Diskussion 10.3 Ausblick Anhang Glossar Abkürzungsverzeichnis Literatur Eigene Veröffentlichungen Betreute studentische Arbeiten Forschungsprojekte Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Verzeichnis der Code-Beispiele

Diese Arbeit untersucht wie man mit mehreren, miteinander koordinierten Mobilgeräten Selektionen verwalten und Brushing und Linking unterstützen kann. Im Rahmen der Arbeit wird ein konzeptionelles Framework zur Selektionsverwaltung für mehrere Geräte angedacht und ein Konzept zur Selektionsverwaltung vorstellt, das Brushing und Linking für Mobilgeräte unterstützt. Des Weiteren werden Ziele für den Prototypen erörtert, die zur Umsetzung das Konzept beitragen. Mobile Geräte werden immer häufiger für Informationsvisualisierungen verwendet. Jedoch wurde bisher noch nicht untersucht, wie gängige Interaktionstechniken, wie Brushing und Linking, für diese Geräte anpassen werden müssen. Während des Brushings, werden zusätzlich Selektionen erstellt, für die es bislang keine Art der Verwaltung für Mobilgeräte gibt. In dieser Arbeit wird untersucht wie man Brushing und Linking mit mehreren Mobilgeräten unterstützen kann und Selektionen gleichzeitig verwalten kann.:1 Introduction 1.1 Contributions 1.2 Motivation and Background 1.3 Goals 1.4 Research Questions 1.5 Thesis Overview 2. Related Work 2.1 Mobile Devices for InfoVis and Their Screen Real Estate Issues 2.2 Interacting with CMVs 2.3 Brushing and Linking 2.4 Summary 3 Selection Management and Brushing and Linking for Mobile Cross- Device Interaction 3.1 The Selection Management Framework 3.2 Fundamental Information About VisTiles 3.3 Design Considerations 3.4 Creating Selections Within a Visualization 3.5 Interacting with Selections Within a Visualization 3.6 Managing Multiple Selections 3.7 Managing a Single Selection 3.8 Linking Selections to Other Devices 3.9 Incorporating Join Operations 3.10 Overview over Side-by-side Interactions 3.11 Summary: Reviewing the Selection Management Framework 4 Prototype 4.1 Technical Setup 4.2 Techniques 5 Conclusion and Discussion 5.1 Discussion 5.2 Future Work 5.3 Conclusion / This thesis examines how to manage selections and use brushing and linking with multiple coordinated mobile devices. We discuss thoughts for a conceptual framework for selection management in multi-device environments. We then present a concept for managing selections and supporting brushing and linking for co-located mobile devices. Finally, we are providing an overview of and the goals for our proof-of-concept prototype. More and more mobile devices are used for visualization. However, it is still an open question how to adjust common interaction techniques, such as brushing and linking, for mobile devices. Furthermore, it has not been addressed how to manage the selections that are created through brushing. We explore how brushing and linking can be used in a setting with multiple, co-located mobile devices and how to manage its selections.:1 Introduction 1.1 Contributions 1.2 Motivation and Background 1.3 Goals 1.4 Research Questions 1.5 Thesis Overview 2. Related Work 2.1 Mobile Devices for InfoVis and Their Screen Real Estate Issues 2.2 Interacting with CMVs 2.3 Brushing and Linking 2.4 Summary 3 Selection Management and Brushing and Linking for Mobile Cross- Device Interaction 3.1 The Selection Management Framework 3.2 Fundamental Information About VisTiles 3.3 Design Considerations 3.4 Creating Selections Within a Visualization 3.5 Interacting with Selections Within a Visualization 3.6 Managing Multiple Selections 3.7 Managing a Single Selection 3.8 Linking Selections to Other Devices 3.9 Incorporating Join Operations 3.10 Overview over Side-by-side Interactions 3.11 Summary: Reviewing the Selection Management Framework 4 Prototype 4.1 Technical Setup 4.2 Techniques 5 Conclusion and Discussion 5.1 Discussion 5.2 Future Work 5.3 Conclusion

Das stetig wachsende Datenaufkommen - die weltweite Datenmenge verdoppelt sich alle zwei Jahre - ist eine wesentliche Herausforderung für den Menschen in allen Bereichen des beruflichen und privaten Alltags. Um trotzdem relevante Informationen zu identifizieren und auch zu verstehen, nehmen Techniken und Anwendungen zur InfoVis einen immer größeren Stellenwert ein. Leider hat sich die Vision der "InfoVis for and by the masses" aufgrund des notwendigen Daten-, Visualisierungs- und Programmierwissens noch nicht durchgesetzt. Zudem sind heutige InfoVis-Softwareanbieter mit dem Problem konfrontiert, verschiedenste Kontexte, wie Nutzergruppen oder Hard- und Softwareplattformen, unterstützen zu müssen. Ein möglicher Lösungsansatz für dieses Problem ist das Paradigma der kompositen Webanwendungen. Auf deren Basis können Daten und UI-Widgets je nach Anwendungsfall teils automatisch kombiniert werden. Dies erhöht die Wiederverwendbarkeit und spart Zeit sowie Entwicklungskosten. Unter Zuhilfenahme von (semantischen) Modellen ist es zudem möglich, eine komposite RIA an die vorliegende Situation zu adaptieren. Um dem Endanwender Zugang zu den kompositen RIA zu verschaffen, mangelt es jedoch an einem Integrationsprozess, der den speziellen Anforderungen der InfoVis gerecht wird. Diese Dissertation stellt deshalb neue Konzepte für einen ganzheitlichen Semantik-gestützten InfoVis-Prozess vor, der bspw. die Endnutzer-gerechte Filterung großer Datensätze, die kontextsensitive Auswahl von InfoVis-Komponenten, die Nutzerunterstützung bei der Exploration und Interpretation der Daten sowie die Gewinnung und Wiederverwendung von Visualisierungswissen adressiert. Zur Unterstützung des InfoVis-Prozesses werden weiterhin Konzepte für eine formale Wissensbasis mit Domänenwissen vorgeschlagen. Die modulare, mit W3C-Standards prototypisch realisierte Visualisierungsontologie definiert u.a. Konzepte und Relationen zu Daten, graphischen Vokabular, menschlicher Aktivität sowie veränderliches Faktenwissen. Ein weiterer, wesentlicher Beitrag der Arbeit liegt in der Architekturkonzeption für modellbasierte, komposite RIA für die InfoVis-Domäne, womit ein neues Anwendungsfeld des Software-Paradigmas erschlossen wird. Damit steht nun erstmals für eine komposite, webbasierte InfoVis-Lösung ein ganzheitliches Architekturkonzept zur Verfügung, das die Ausführbarkeit der Anwendungen in der heute existierenden, heterogenen Landschaft der (mobilen) Endgeräte gewährleisten kann. Durch die Implementierung entscheidender Architekturkonzepte sowie einer beispielhaften InfoVis-Anwendung für semantische Daten wurde die Tragfähigkeit der geschaffenen Konzepte nachgewiesen. Anhand einer Vielzahl von formativen sowie einer summativen Nutzerstudien konnte validiert werden, dass sich aus den neuen Konzepten Vorteile für den Endanwender bei der Erstellung einer InfoVis ergeben.

In der vorliegenden Arbeit werden Visualisierungsmethoden für das interaktive Erfassen und Strukturieren von Informationen im Kontext der Wissensmodellierung konzipiert und untersucht. Motiviert ist das Vorhaben durch das Interesse von Wissensarbeitern an unterstützenden Werkzeugen sowie von Unternehmen und Institutionen, unstrukturiertes Prozesswissen zu erfassen, zu strukturieren und intern für Optimierungszwecke verfügbar zu machen. Diese Problematik tritt domänenunabhängig auf. Die Herausforderung dabei ist, diese branchenübergreifend zu lösen. Die zwei wesentlichen Nachteile des Wissensmodellierungsprozesses sind zum einen die aufwendige Dateneingabe durch Benutzer und zum anderen der komplizierte Prozess der Wissensformalisierung. In den frühen Phasen bisheriger Arbeitsprozesse der Wissensmodellierung verwenden Wissensarbeiter hauptsächlich Papier und Stift sowie Whiteboards, da digitale Systeme für diesen Zweck häufig zu inflexibel sind. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen digitalen Lösungsansatz zu präsentieren, welcher diese nachteiligen Aspekte verbessert. Das Thema wird dabei methodisch in drei Schritten bearbeitet. Zuerst werden aktuelle Arbeitsprozesse der Wissensmodellierung sowie dabei verwendete Hilfsmittel analysiert. Basierend auf diesen Untersuchungen wird als theoretische Lösung die Methode der Freiform-Wissensmodellierung vorgestellt, welche eine Alternative zur Papierform und zu bisherigen digitalen Systemen darstellt. Das erarbeitete Konzept umfasst eine digitale, stiftbasierte Tablet-Computer-Anwendung, welche die Art und Weise der Darstellungen mittels Papier und Stift mit den Vorteilen der Veränderbarkeit und Datenspeicherung digitaler Systeme kombiniert. Um die theoretischen Überlegungen zu untermauern, werden zwei aufeinander aufbauende, prototypische Softwareanwendungen in der vorliegenden Arbeit entwickelt und vorgestellt (Auf Implementierungsarbeiten betreuter Studenten wird an den entsprechenden Stellen im Text verwiesen). Im Rahmen einer Laborstudie wird die entwickelte Methode der Freiform-Wissensmodellierung, welche den Softwareanwendungen zugrunde liegt, mit der Verwendung von Stift und Papier verglichen. Da bis dato keine derartige Vergleichsstudie zwischen Papier und Tablet-Computer gefunden werden konnte, wird anforderungsgeleitet ein spezieller Studienaufbau entwickelt. Dieser kann zukünftig für andere Forschungsvorhaben verwendet werden. Die Ergebnisse belegen, dass die digitale Anwendung zur Freiform-Wissensmodellierung in ihren Möglichkeiten eine hohe Ähnlichkeit zur Verwendung von Papier und Stift aufweist. Sie eignet sich daher in besonderem Maße zur Unterstützung der frühen Phasen der Wissensmodellierung. Basierend auf den Erkenntnissen der Studie werden darüber hinaus Weiterentwicklungsmöglichkeiten aufgezeigt. Für die wichtigsten Kritikpunkte wird ein weiterentwickeltes Konzept vorgestellt. Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist ein in der Praxis auf Tablet-Computern anwendbares Konzept zur Wissensmodellierung. Dieses steht als prototypische Umsetzung zur Verfügung. Das entwickelte Konzept der Freiform-Wissensmodellierung ermöglicht jedem Benutzer (egal ob Laie oder Experte in grafischer Gestaltung oder in technischer Repräsentation) Gedanken visuell zu strukturieren und diese synchron in einem passenden Datenmodell abzulegen. Durch die Visualisierungsmethode der Freiformen wird die Struktur der Daten und der Aufbau der Informationen bereits durch die visuelle Oberfläche für den Benutzer und das System gleichermaßen „ersichtlich”. Das System erkennt die hierarchische Verschachtelung und Gruppierung von Informationen. Der darunterliegende Aufbau sowie die Struktur der Daten werden vom System grafisch explizit gezeigt, sodass ein Anwender zu jederzeit sieht, welche Struktur das System „verstanden” hat. So kann diese „entindividualisierte” Struktur der Inhalte auch von anderen Benutzern nachvollzogen werden. Dies erlaubt ein grundlegendes kooperatives Arbeiten. Das Konzept der Freiform-Wissensmodellierung ist dabei (ähnlich wie Whiteboards oder Papier und Stift) vom Anwendungsfall unabhängig einsetzbar. Die vorliegende Arbeit bietet einen neuartigen Ansatz, temporäre Informationen bereits im Verlauf der Wissensmodellierung digital festzuhalten und schrittweise weiterzuentwickeln. In der durchgeführten Studie wurden sämtliche von Probanden erstellte Typen grafischer Objekte ermittelt. Zukünftige Forschungsarbeiten können darauf aufbauend die softwareseitige Erkennung und Verarbeitung von handgezeichneten Inhalten verbessern. Somit bietet die vorliegende Arbeit die Grundlage für eine neue Generation unterstützender digitaler Werkzeuge für Wissensarbeiter.

Der Einsatz großer, vertikaler Displays nimmt sowohl in Bereichen der Forschung als auch der Wirtschaft zu. Diese Displays eignen sich durch ihre Größe und Auflösung unter anderem für die Informationsvisualisierung. Es gibt bereits eine Menge von Forschungsarbeiten, welche die Interaktion mit großen, vertikalen Displays untersucht hat. Jedoch ist speziell die Bedienung Magischer Linsen auf großen Displaywänden weitgehend unbeachtet geblieben. Eine intuitive Interaktion mit Magischen Linsen auf einer Displaywand kann jedoch insbesondere in kollaborativen Szenarien große Vorteile bieten. Smartphones eignen sich durch ihre Portabilität zur Interaktion mit Displaywänden. Unter Verwendung von Mobilgeräten und einer hochauflösenden Displaywand wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Interaktionskonzepte zur Steuerung und Parametrisierung Magischer Linsen entwickelt. Hierzu wurde eine Recherche des aktuellen Forschungsstandes betrieben und Anwendungsfälle für den Einsatz der Konzepte aufgestellt. Es wurde eine große Bandbreite von Interaktionskonzepten entwickelt, welche von lockeren bis zu fokussierten Interaktionen reichen. Für die Bedienung der Magischen Linsen wurden verschiedene Aktionen identifiziert, welche in einem Interaktionsablauf auftreten und durch die Konzepte zu unterstützen sind. Ein Teil der entwickelten Interaktionskonzepte wurde durch einen Prototypen implementiert und anhand von Beispieldatensätzen getestet. / The usage of large, vertical displays is increasing in felds of research as well as in the economy. Because of their size and resolution these displays are well suited for information visualization. There already are a number of publications which examine the interaction with large, vertical displays. Yet especially the operation of magic lenses on large display walls has been mostly ignored. An intuitive interaction with magic lenses on a large display may be espesially advantageous in collaborative scenarios. Smartphones are suited for interaction with display walls because of their portability. In this paper interaction concepts for operating and parametrizing magic lenses have been developed using mobile devices and a high resolution display wall. For this purpose the current state of research has been investigated and application scenarios for the use of the concepts have been constructed. A big amount of interaction concepts have been developed which range from casual to focused interactions. For the operation of magic lenses several actions have been identifed which occur in an interaction process and have to be adsressed by the concepts. Part of the developed interaction concepts have been implemented by a prototype and tested with sample data sets.

With the continued development towards a digitalized and data-driven world, the importance of visual data analysis is increasing as well. Visual data analysis enables people to interactively explore and reason on certain data through the combined use of multiple visualizations. This is relevant for a wide range of application domains, including personal, professional, and public ones. In parallel, a ubiquity of modern devices with very heterogeneous characteristics has spawned. These devices, such as smartphones, tablets, or digital whiteboards, can enable more flexible workflows during our daily work, for example, while on-the-go, in meetings, or at home. One way to enable flexible workflows is the combination of multiple devices in so-called device ecologies. This thesis investigates how such a combined usage of devices can facilitate the visual data analysis of multivariate data sets. For that, new approaches for both visualization and interaction are presented here, allowing to make full use of the dynamic nature of device ecologies. So far, the literature on these aspects is limited and lacks a broader consideration of data analysis in device ecologies. This doctoral thesis presents investigations into three main parts, each addressing one research question: (i) how visualizations can be adapted for heterogeneous devices, (ii) how device pairings can be used to support data exploration workflows, and (iii) how visual data analysis can be supported in fully dynamic device ecologies. For the first part, an extended analytical investigation of the notion of responsive visualization is contributed. This investigation is then complemented by the introduction of a novel matrix-based visualization approach that incorporates such responsive visualizations as local focus regions. For the two other parts, multiple conceptual frameworks are presented that are innovative combinations of visualization and interaction techniques. In the second part, such work is conducted for two selected display pairings, the extension of smartwatches with display-equipped watchstraps and the contrary combination of smartwatch and large display. For these device ensembles, it is investigated how analysis workflows can be facilitated. Then, in the third part, it is explored how interactive mechanisms can be used for flexibly combining and coordinating devices by utilizing spatial arrangements, as well as how the view distribution process can be supported through automated optimization processes. This thesis’s extensive conceptual work is accompanied by the design of prototypical systems, qualitative evaluations, and reviews of existing literature.

In der vorliegenden Arbeit werden Visualisierungsmethoden für das interaktive Erfassen und Strukturieren von Informationen im Kontext der Wissensmodellierung konzipiert und untersucht. Motiviert ist das Vorhaben durch das Interesse von Wissensarbeitern an unterstützenden Werkzeugen sowie von Unternehmen und Institutionen, unstrukturiertes Prozesswissen zu erfassen, zu strukturieren und intern für Optimierungszwecke verfügbar zu machen. Diese Problematik tritt domänenunabhängig auf. Die Herausforderung dabei ist, diese branchenübergreifend zu lösen. Die zwei wesentlichen Nachteile des Wissensmodellierungsprozesses sind zum einen die aufwendige Dateneingabe durch Benutzer und zum anderen der komplizierte Prozess der Wissensformalisierung. In den frühen Phasen bisheriger Arbeitsprozesse der Wissensmodellierung verwenden Wissensarbeiter hauptsächlich Papier und Stift sowie Whiteboards, da digitale Systeme für diesen Zweck häufig zu inflexibel sind. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen digitalen Lösungsansatz zu präsentieren, welcher diese nachteiligen Aspekte verbessert. Das Thema wird dabei methodisch in drei Schritten bearbeitet. Zuerst werden aktuelle Arbeitsprozesse der Wissensmodellierung sowie dabei verwendete Hilfsmittel analysiert. Basierend auf diesen Untersuchungen wird als theoretische Lösung die Methode der Freiform-Wissensmodellierung vorgestellt, welche eine Alternative zur Papierform und zu bisherigen digitalen Systemen darstellt. Das erarbeitete Konzept umfasst eine digitale, stiftbasierte Tablet-Computer-Anwendung, welche die Art und Weise der Darstellungen mittels Papier und Stift mit den Vorteilen der Veränderbarkeit und Datenspeicherung digitaler Systeme kombiniert. Um die theoretischen Überlegungen zu untermauern, werden zwei aufeinander aufbauende, prototypische Softwareanwendungen in der vorliegenden Arbeit entwickelt und vorgestellt (Auf Implementierungsarbeiten betreuter Studenten wird an den entsprechenden Stellen im Text verwiesen). Im Rahmen einer Laborstudie wird die entwickelte Methode der Freiform-Wissensmodellierung, welche den Softwareanwendungen zugrunde liegt, mit der Verwendung von Stift und Papier verglichen. Da bis dato keine derartige Vergleichsstudie zwischen Papier und Tablet-Computer gefunden werden konnte, wird anforderungsgeleitet ein spezieller Studienaufbau entwickelt. Dieser kann zukünftig für andere Forschungsvorhaben verwendet werden. Die Ergebnisse belegen, dass die digitale Anwendung zur Freiform-Wissensmodellierung in ihren Möglichkeiten eine hohe Ähnlichkeit zur Verwendung von Papier und Stift aufweist. Sie eignet sich daher in besonderem Maße zur Unterstützung der frühen Phasen der Wissensmodellierung. Basierend auf den Erkenntnissen der Studie werden darüber hinaus Weiterentwicklungsmöglichkeiten aufgezeigt. Für die wichtigsten Kritikpunkte wird ein weiterentwickeltes Konzept vorgestellt. Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist ein in der Praxis auf Tablet-Computern anwendbares Konzept zur Wissensmodellierung. Dieses steht als prototypische Umsetzung zur Verfügung. Das entwickelte Konzept der Freiform-Wissensmodellierung ermöglicht jedem Benutzer (egal ob Laie oder Experte in grafischer Gestaltung oder in technischer Repräsentation) Gedanken visuell zu strukturieren und diese synchron in einem passenden Datenmodell abzulegen. Durch die Visualisierungsmethode der Freiformen wird die Struktur der Daten und der Aufbau der Informationen bereits durch die visuelle Oberfläche für den Benutzer und das System gleichermaßen „ersichtlich”. Das System erkennt die hierarchische Verschachtelung und Gruppierung von Informationen. Der darunterliegende Aufbau sowie die Struktur der Daten werden vom System grafisch explizit gezeigt, sodass ein Anwender zu jederzeit sieht, welche Struktur das System „verstanden” hat. So kann diese „entindividualisierte” Struktur der Inhalte auch von anderen Benutzern nachvollzogen werden. Dies erlaubt ein grundlegendes kooperatives Arbeiten. Das Konzept der Freiform-Wissensmodellierung ist dabei (ähnlich wie Whiteboards oder Papier und Stift) vom Anwendungsfall unabhängig einsetzbar. Die vorliegende Arbeit bietet einen neuartigen Ansatz, temporäre Informationen bereits im Verlauf der Wissensmodellierung digital festzuhalten und schrittweise weiterzuentwickeln. In der durchgeführten Studie wurden sämtliche von Probanden erstellte Typen grafischer Objekte ermittelt. Zukünftige Forschungsarbeiten können darauf aufbauend die softwareseitige Erkennung und Verarbeitung von handgezeichneten Inhalten verbessern. Somit bietet die vorliegende Arbeit die Grundlage für eine neue Generation unterstützender digitaler Werkzeuge für Wissensarbeiter.:1 Einleitung 2 Grundlagen und Begriffe 2.1 Überblick der Einflussfaktoren 2.2 Der Wissensbegriff 2.2.1 Grenzen der Definierbarkeit 2.2.2 Theoretische Ansätze 2.2.3 Arbeitsdefinition von Wissensarten 2.2.4 Abgrenzung der Wissensarten 2.3 Wissensmodellierung 2.3.1 Sinnerschließung 2.3.2 Wissensformalisierung 2.3.3 Problem der semantischen Lücke 2.4 Wissensrepräsentation 2.4.1 Interne (mentale) Repräsentation 2.4.2 Externe Repräsentation 2.5 Zusammenfassung der Grundlagen und Begriffe 3 Praxisanalyse der Wissensmodellierung 3.1 Relevanz der Arbeit mit Wissen 3.2 Rollen von Wissensarbeitern 3.3 Arbeitsprozesse der Wissensmodellierung 3.3.1 Sinnerschließung als Arbeitsprozess 3.3.2 Wissensformalisierung als Arbeitsprozess 3.4 Stand der Forschung und Technik 3.4.1 Durchgeführte Befragungen von Wissensarbeitern 3.4.2 Werkzeuge zur Sinnerschließung 3.4.3 Werkzeuge zur Wissensformalisierung 3.5 Probleme und Herausforderungen aktueller digitaler Systeme 3.6 Lösungsansatz: Freiform-Wissensmodellierung 3.6.1 Formalästhetische Orientierung an der Praxis 3.6.2 Menschzentrierte Gestaltung der Prozesse und Systeme 3.6.3 Definition Freiform-Wissensmodellierung 3.6.4 Basis-Editor 3.6.5 Formalisierungs-Editor 3.7 Zusammenfassung der Praxisanalyse 4 Anforderungsspezifikation zum Basis-Editor 4.1 Anforderungen aus Benutzersicht 4.2 Anforderungen aus softwaretechnischer Sicht 4.3 Einordnung verwandter Arbeiten 4.3.1 Pinnwandsysteme mit planarer Anordnung 4.3.2 Systeme mit Netzwerkvisualisierungen 4.3.3 Systeme mit hierarchischer Repräsentation 4.3.4 Mischsysteme 4.3.5 Übersicht verwandter Arbeiten 5 SketchViz: ein Basis-Editor zur Sinnerschließung 5.1 Konzeption SketchViz 5.1.1 Paper Prototyping zur Konzeptentwicklung 5.1.2 Fokussierte Hardware: Tablet-Computer 5.1.3 Anforderungsbezogene Funktionen 5.1.4 Interaktionskonzept von SketchViz 5.1.5 Benutzeroberfläche von SketchViz 5.2 Umsetzung von SketchViz 5.2.1 Modularer Systemaufbau 5.2.2 Realisierung eines Prototyps 5.3 Fazit SektchViz 6 Vergleichsstudie zwischen SketchViz und Papier 6.1 Ziel der vorliegenden Untersuchung 6.1.1 Verwandte Studien 6.1.2 Zielsetzung der Studie 6.2 Untersuchungsaufgabe 6.2.1 Anforderungen an die Untersuchungsaufgabe 6.2.2 Verwandte Aufgabentypen 6.2.3 Aufbau der Untersuchungsaufgabe 6.3 Stichprobe 6.4 Studien-Design 6.4.1 Untersuchungsaufbau und Apparatur 6.4.2 Untersuchungsablauf 6.5 Fragestellungen der Laborstudie 6.5.1 Veränderungshandhabung 6.5.2 Übersichtlichkeit 6.5.3 Interaktion 6.5.4 Darstellungsformen 6.6 Ergebnisse 6.6.1 Ergebnisse bezüglich Veränderungshandhabung 6.6.2 Ergebnisse bezüglich Übersicht 6.6.3 Ergebnisse bezüglich Interaktion 6.6.4 Ergebnisse bezüglich Darstellungsformen 6.7 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 6.7.1 Eignung zur Unterstützung von Sinnerschließungsprozessen 6.7.2 Erreichte Ähnlichkeit zwischen SketchViz und Papier 6.7.3 Studienkritik 7 Weiterentwicklung SketchViz 7.1 Anforderungen aus den Ergebnissen der Evaluation von SketchViz 7.2 Suche nach einer formalästhetisch orientierten Visualisierungsmethode 7.3 Methodenbeschreibung zur Exploration natürlicher Materialien 7.4 Analyse der Experimentergebnisse mit fluiden Materialien 7.4.1 Interaktion mit fluiden Materialien 7.4.2 Visuelle Eigenschaften fluider Materialien 7.5 Übertragung physischer Eigenschaften fluider Materialien ins Digitale 7.5.1 Themenzuordnung 7.5.2 Hierarchiebildung 7.5.3 Veränderbarkeit 7.6 Fazit des weiterentwickelten Konzepts 8 Formalisierungs-Editor 8.1 Analyse des Arbeitsablaufs der Wissensformalisierung 8.2 Ontologien und deren Herausforderungen 8.2.1 Beispiel einer formalisierten Organisationsstruktur 8.2.2 Herausforderungen bei der Verwendung von Ontologien 8.3 Ein Formalisierungs-Editor basierend auf SketchViz 8.3.1 Arbeitsablauf mit Formalisierungs-Editor 8.3.2 Systemaufbau Formalisierungs-Editor 8.4 Erweiterte Anforderungen bezüglich des Formalisierungs-Editors 8.4.1 Übersicht bestehender und erweiterter Anforderungen 8.4.2 Beschreibung der erweiterten Anforderungen 8.5 Verwandte Arbeiten zur Wissensformalisierung 8.6 Prototypische Umsetzung des Formalisierungs-Editors 8.6.1 Modularer Aufbau von OntoSketch 8.6.2 Anforderungen zur Umsetzung 8.6.3 Realisierung von OntoSketch durch Schneider 8.7 Fazit OntoSketch 8.7.1 Übergang zwischen Sinnerschließung und Wissensformalisierung 8.7.2 Gegenüberstellung von SketchViz und OntoSketch 8.7.3 Gegenüberstellung zwischen OntoSketch und bisherigen menügesteuerten Werkzeugen 9 Zusammenfassung und Ausblick 9.1 Zusammenfassung 9.2 Ausblick A Anhang A.1 Publikationsliste A.2 Preisauszeichnungen A.3 Dokumente und Fragebögen zur SketchViz Evaluation A.4 Handouts Natural Interface Exploration Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Glossar Index

Das stetig wachsende Datenaufkommen - die weltweite Datenmenge verdoppelt sich alle zwei Jahre - ist eine wesentliche Herausforderung für den Menschen in allen Bereichen des beruflichen und privaten Alltags. Um trotzdem relevante Informationen zu identifizieren und auch zu verstehen, nehmen Techniken und Anwendungen zur InfoVis einen immer größeren Stellenwert ein. Leider hat sich die Vision der "InfoVis for and by the masses" aufgrund des notwendigen Daten-, Visualisierungs- und Programmierwissens noch nicht durchgesetzt. Zudem sind heutige InfoVis-Softwareanbieter mit dem Problem konfrontiert, verschiedenste Kontexte, wie Nutzergruppen oder Hard- und Softwareplattformen, unterstützen zu müssen. Ein möglicher Lösungsansatz für dieses Problem ist das Paradigma der kompositen Webanwendungen. Auf deren Basis können Daten und UI-Widgets je nach Anwendungsfall teils automatisch kombiniert werden. Dies erhöht die Wiederverwendbarkeit und spart Zeit sowie Entwicklungskosten. Unter Zuhilfenahme von (semantischen) Modellen ist es zudem möglich, eine komposite RIA an die vorliegende Situation zu adaptieren. Um dem Endanwender Zugang zu den kompositen RIA zu verschaffen, mangelt es jedoch an einem Integrationsprozess, der den speziellen Anforderungen der InfoVis gerecht wird. Diese Dissertation stellt deshalb neue Konzepte für einen ganzheitlichen Semantik-gestützten InfoVis-Prozess vor, der bspw. die Endnutzer-gerechte Filterung großer Datensätze, die kontextsensitive Auswahl von InfoVis-Komponenten, die Nutzerunterstützung bei der Exploration und Interpretation der Daten sowie die Gewinnung und Wiederverwendung von Visualisierungswissen adressiert. Zur Unterstützung des InfoVis-Prozesses werden weiterhin Konzepte für eine formale Wissensbasis mit Domänenwissen vorgeschlagen. Die modulare, mit W3C-Standards prototypisch realisierte Visualisierungsontologie definiert u.a. Konzepte und Relationen zu Daten, graphischen Vokabular, menschlicher Aktivität sowie veränderliches Faktenwissen. Ein weiterer, wesentlicher Beitrag der Arbeit liegt in der Architekturkonzeption für modellbasierte, komposite RIA für die InfoVis-Domäne, womit ein neues Anwendungsfeld des Software-Paradigmas erschlossen wird. Damit steht nun erstmals für eine komposite, webbasierte InfoVis-Lösung ein ganzheitliches Architekturkonzept zur Verfügung, das die Ausführbarkeit der Anwendungen in der heute existierenden, heterogenen Landschaft der (mobilen) Endgeräte gewährleisten kann. Durch die Implementierung entscheidender Architekturkonzepte sowie einer beispielhaften InfoVis-Anwendung für semantische Daten wurde die Tragfähigkeit der geschaffenen Konzepte nachgewiesen. Anhand einer Vielzahl von formativen sowie einer summativen Nutzerstudien konnte validiert werden, dass sich aus den neuen Konzepten Vorteile für den Endanwender bei der Erstellung einer InfoVis ergeben.

Der Einsatz großer, vertikaler Displays nimmt sowohl in Bereichen der Forschung als auch der Wirtschaft zu. Diese Displays eignen sich durch ihre Größe und Auflösung unter anderem für die Informationsvisualisierung. Es gibt bereits eine Menge von Forschungsarbeiten, welche die Interaktion mit großen, vertikalen Displays untersucht hat. Jedoch ist speziell die Bedienung Magischer Linsen auf großen Displaywänden weitgehend unbeachtet geblieben. Eine intuitive Interaktion mit Magischen Linsen auf einer Displaywand kann jedoch insbesondere in kollaborativen Szenarien große Vorteile bieten. Smartphones eignen sich durch ihre Portabilität zur Interaktion mit Displaywänden. Unter Verwendung von Mobilgeräten und einer hochauflösenden Displaywand wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Interaktionskonzepte zur Steuerung und Parametrisierung Magischer Linsen entwickelt. Hierzu wurde eine Recherche des aktuellen Forschungsstandes betrieben und Anwendungsfälle für den Einsatz der Konzepte aufgestellt. Es wurde eine große Bandbreite von Interaktionskonzepten entwickelt, welche von lockeren bis zu fokussierten Interaktionen reichen. Für die Bedienung der Magischen Linsen wurden verschiedene Aktionen identifiziert, welche in einem Interaktionsablauf auftreten und durch die Konzepte zu unterstützen sind. Ein Teil der entwickelten Interaktionskonzepte wurde durch einen Prototypen implementiert und anhand von Beispieldatensätzen getestet. / The usage of large, vertical displays is increasing in felds of research as well as in the economy. Because of their size and resolution these displays are well suited for information visualization. There already are a number of publications which examine the interaction with large, vertical displays. Yet especially the operation of magic lenses on large display walls has been mostly ignored. An intuitive interaction with magic lenses on a large display may be espesially advantageous in collaborative scenarios. Smartphones are suited for interaction with display walls because of their portability. In this paper interaction concepts for operating and parametrizing magic lenses have been developed using mobile devices and a high resolution display wall. For this purpose the current state of research has been investigated and application scenarios for the use of the concepts have been constructed. A big amount of interaction concepts have been developed which range from casual to focused interactions. For the operation of magic lenses several actions have been identifed which occur in an interaction process and have to be adsressed by the concepts. Part of the developed interaction concepts have been implemented by a prototype and tested with sample data sets.