Interacting With 3D Geovisualizations: Cognitive Processing of Virtual Geographic Environments

Mgr. Vojtěch Juřík, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Cílem této práce bylo prozkoumat problematiku 3D zobrazení v interaktivních virtuálních geografických prostředích (VGEs). Hlavní pozornost byla věnována zhodnocení toho, jak stereoskopické 3D zobrazení ovlivňuje identifikaci nadmořských výšek ve virtuálních geografických prostředích, s přihlédnutím k aspektu interakce s těmito terény. 3D zobrazení byla prezentována periferním zařízením poskytujícím stereoskopické vidění (tj. 3D brýlemi), interakce v tomto kontextu znamenala možnost manipulovat (to je přibližovat si, otáčet nebo posouvat) virtuální terén. Práce představuje několik výzkumných studií (teoretických a empirických) o 3D vizualizaci v kontextu virtuálních geografických prostředí, které byly publikovány v letech 2015-2019. Po obecném úvodu, kde představím oblast zájmu výzkumu a uvedu několik konkrétních výzkumných otázek, následují první dvě studie, které vymezují virtuální geografická prostředí jako relevantní téma pro základní výzkum s přesahem do aplikace, představují virtuální realitu jako nový rámec pro výzkum lidského chování, shrnují taxonomii úloh obvykle prováděných ve VGEs. Dále uvádím tři empirické studie zkoumající různé aspekty 3D zobrazení coby nástroje používaného pro interakci s VGEs. Konkrétně, první empirická studie představuje originální interaktivní 3D rozhraní, které jsme vytvořili pro administraci experimentu a pro posouzení vhodnosti stimulů a úloh na 3D zobrazení ve VGE. S použitím tohoto 3D rozhraní jsme otestovali výkon 17 participantů v geografických úlohách a použili explorativní přístup pro identifikování jejich behaviorálních strategií. Poté, zbývající dvě empirické studie prezentují výzkum výkonu uživatelů stereoskopické 3D technologie v jejich schopnosti identifikovat nadmořské výšky ve VGE. Specificky, ve Studii 4 bylo otestováno 61 participantů v jejich schopnosti určovat nadmořské výšky ve virtuálních geografických prostředích, data byla analyzována s využitím inferenční statistiky a explorativní analýzy (U-testy a deskriptivy). Experimentální Studie 5, kam bylo zahrnuto 39 participantů, reportuje výsledky statistického testu ANOVA, které se týkají výkonu participantů v závislosti na specifickém typu použité 3D technologie a na typu interaktivity. V závěru práce kriticky revidujeme poznatky o technologiích 3D zobrazení, upozorňujeme na možné výhody a omezení a navrhujeme navazující výzkum.

Abstract:

The aim of this thesis was to explore the topic of 3D visualization in interactive virtual geographic environments (VGEs). The main focus was on evaluating the effect of stereoscopic 3D technology in how people judge elevation in a virtual geographic terrain and observing how these terrains are interacted with. A 3D visualization was presented to participants in an experiment with a peripheral device providing stereoscopic vision (i.e., 3D glasses). Interaction was achieved by manipulating (zoom, rotate and pan) the virtual terrain. The thesis presents several research studies (theoretical and empirical) on 3D visualization in the context of virtual geographic environments published in 2015-2019. A general introduction introduces the area of research interest and states several specific research questions. The first two studies define the topic of VGEs as a relevant topic in basic research and potential overlap in application. They also introduce virtual reality as a new framework for researching human behaviour and summarize the taxonomy of tasks usually conducted in VGEs. Three empirical studies exploring the various aspects of 3D visualization technology used as tools for interacting with VGEs are also presented. The first empirical study (Study 3) introduces an original interactive 3D interface created for experimental purposes to assess 3D tasks and stimuli in VGEs. Using this 3D interface, 17 participants were evaluated on their performance in geographic tasks. The results were used in an exploratory analysis to explore behavioural trends. The remaining two empirical studies then provide a comparison of the participants performance in judging elevation in VGEs using stereoscopic 3D technology. In the fourth experimental study, 61 participants were evaluated specifically with respect to their ability to judge elevation in a VGE. The data were analyzed using inferential and exploratory analyses (U-tests and descriptors). The fifth experimental study included 39 participants and reports the results of ANOVA with respect to factors in 3D visualization type and interactivity. The thesis concludes with a critical review of the findings on 3D visualization technology, highlighting the potential benefits and limitations, and follow-up research is proposed.

Keywords

3D visualization, stereoscopy, perception, 3D map, 3D virtual geographic environments, VGE, ecological validity, interaction, cognition, 3D vizualizace, stereoskopie, 3D mapa, 3D virtuální geografické prostředí, ekologická validita, interakce, kognice

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 1. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 7. 2. 2020
• Supervisor: Mgr. Čeněk Šašinka, Ph.D.
• Reader: doc. Mgr. Anton Heretik, Ph.D., PhDr. Dalibor Vobořil, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Arts

Doctoral programme / field:
Psychology (4-years) / General Psychology