Visualização de Estruturas Hierárquicas por meio de Técnicas de Realidade Virtual
Daniel S. D. Caetano, Fernando E. R. Mattioli, Lucas P. Vasconcelos, Keynes M. Kanno, Lázaro V. O. Lima, Alexandre Cardoso, Edgard A. Lamounier Jr.
Universidade Federal de Uberlândia Uberlândia-MG, Brasil
{sdc.daniel, mattioli.fernando, lucas.pereira.vasconcelos, keyneskanno}@gmail.com, lazaro.lima@ifb.edu.br, {alexandre, lamounier}@ufu.br
Abstract
Hierarchical structures are one of the most common stra- tegies of information organization. Many visualization te- chniques for this kind of data have been developed in 2D and 3D with the objective of improving the visualization of large hierarchical structures. A common challenge faced by these techniques is to increase the amount of displayed in- formation of each node seeking a balance between quantity and visibility of the presented information.
In order to overcome these challenges, this paper pre- sents a visualization technique using Virtual Reality and hypertextual interfaces to view hierarchical structures, al- lowing the user to interact and navigate easily through the structure, visualizing with clarity many kinds of depth- aligned information.
1. Introdução
Em Visualização da Informação são estudadas as melho- res técnicas para se representar um conjunto abstrato de in- formações em imagens reais, facilitando a compreensão dos elementos representados [12]. Normalmente, estas infor- mações são classificadas em 3 categorias: unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais [3]. A forma de represen- tação de determinada informação deve ser cuidadosamente escolhida, uma vez que representações equivocadas podem provocar erros de interpretação [11]. Baseado nestas cate- gorias, foram criadas diversas metáforas como gráficos em barras, estruturas hierárquicas (Information Cube [9], lis- tas indentadas [10], grafos hierárquicos [2], TreeMaps [5], ConeTree [1]) e mapas geográficos para representar as dife- rentes categorias de informação.
As estruturas hierárquicas podem ser utilizadas para re- presentar diferentes tipos de dados, em diferentes domí-
nios, tais como Administração (estruturas organizacionais de empresas...), Engenharia de Software (diagramas de pa- cotes, diagramas de classes...), Informática (árvores de dire- tórios...), Medicina (árvores genealógicas...) etc. Algumas metáforas utilizadas para representação de estruturas hierár- quicas são: listas identadas, grafos hierárquicos, TreeMaps e ConeTrees. A seguir é apresentada uma breve descrição de cada uma destas metáforas.
As listas indentadas são comumente utilizadas na visua- lização de estruturas de diretórios, conforme apresentado na Figura 1. Nestas listas, os itens (nós) pertencentes à hierar- quia são organizados um abaixo do outro, de forma linear, com a indentação correspondendo proporcionalmente ao ní- vel ocupado pelo elemento na hierarquia [10]. Para auxiliar na visualização da informação que cada diretório possui, o usuário, através do mouse, interage com a estrutura selecio- nando qual pasta será visualizada.
Figura 1. Lista indentada no Windows Explorer™[10].
Um grafo hierárquico pode ser definido como sendo um grafo no qual cada nó constitui um elemento simples ou, por sua vez, um novo grafo hierárquico [8]. Quando um grafo tem como finalidade a visualização de dados hierárquicos,
o mesmo é chamado de grafo hierárquico, e pode ser apre- sentado de diferentes formas (horizontal e radial).
O grafo hierárquico horizontal, conforme apresentado na Figura 2, possui as linhas de nível traçadas na horizontal, paralelamente umas às outras. A hierarquia é representada pelas ligações (arestas) entre os vértices. Uma desvantagem deste grafo é a sobreposição de linhas, quando deseja-se li- gar um nó que está em uma extremidade da árvore a um nó da outra extremidade.
Figura 2. Grafo hierárquico horizontal [2].
Para contornar este problema, criou-se o grafo hierár- quico radial apresentado na Figura 3. Conforme proposto por Bachmaier [2], as linhas de nível são representadas por círculos concêntricos, estando o topo da hierarquia no cen- tro e os níveis inferiores nas extremidades. Uma desvanta- gem de grafos hierárquicos radiais é que para grandes volu- mes de nós, perde-se clareza na visualização da informação apresentada.
Figura 3. Grafo hierárquico radial [2].
Os TreeMaps apresentados pelas Figuras 4 e 5, consti- tuem uma técnica de visualização de informações estrutu- radas, que mapeia determinada hierarquia em uma área re- tangular, utilizando 100% do espaço disponível para a apre- sentação dos dados [5]. Desta forma, a eficiente utilização do espaço disponível possibilita a visualização de grandes hierarquias, facilitando a apresentação da informação em questão.
Apesar desta técnica ser uma boa opção para visualiza- ção de grandes hierarquias, ela se limita por exibir em toda
Figura 4. TreeMap equivalente à estrutura da Figura 5 [5].
a estrutra um único tipo de informação (a visualização em duas dimensões limita a capacidade de apresentação de in- formações complementares).
Figura 5. Exemplo de TreeMap [5].
As ConeTrees constituem uma técnica para visualiza- ção de estruturas hierárquicas, através da conexão de sub- árvores, em forma de cones 3D, conforme mostra a Figura 6. A principal desvantagem das ConeTrees é a oclusão de alguns nós, que aumenta significativamente na medida em que hierarquias maiores são visualizadas. Para contornar este problema, as ConeTrees são projetadas para serem in- terativas, possibilitando ao usuário a navegação pela estru- tura apresentada e, consequentemente, a visualização de nós oclusos [1].
As técnicas descritas anteriormente apresentam limita- ções como:
• Apresentação de um único tipo de informação em toda a estrutura;
• Alto grau de desordem na apresentação de diferentes tipos de informação;
• Não permitem interação com a estrutura hierárquica apresentada.
A Realidade Virtual (RV) pode ser definida como uma forma das pessoas visualizarem, manipularem e interagi- rem com computadores e dados extremamente complexos,
Figura 6. Exemplo de ConeTree [1].
na qual idéias como imersão, interação e envolvimento com o ambiente virtual são consideradas básicas e fundamentais [6]. Ambientes desenvolvidos em RV são nativamente con- cebidos em 3D, o que aumenta a possibilidade de organi- zação dos modelos gráficos dentro do ambiente virtual [7].
Além disso, as facilidades de navegação e interação asso- ciadas à RV possibilitam uma melhoria significativa na per- cepção das informações contidas no ambientes virtual pelo usuário.
O protótipo desenvolvido neste trabalho aborda uma nova técnica de visualização de estruturas hierárquicas na qual o usuário interage com a informação apresentada em diferentes níveis de profundidade através de um Ambiente Virtual. A distinção entre entre os diferentes tipos de infor- mação foi feita utilizando-se tomos1, que poderão ser aces- sados através de hyperlinks.
2. Visualização em 3D de informações hierár- quicas
Ao explorar técnicas de Realidade Virtual, além da utili- zação da terceira dimensão (profundidade), é possível inte- grar interfaces hipertextuais ao sistema, visando amplificar a experiência de navegação e interação do usuário [4].
Para ilustrar a técnica de visualização apresentada neste trabalho foi escolhido como estudo de caso a visualização de árvores genealógicas em 3D.
O objetivo da técnica de visualização proposta é possi- bilitar ao usuário o acesso à maior quantidade de informa- ções possível, ao mesmo tempo em que se procura reduzir ao máximo o grau de desordem (clutter) visual. Diferen- temente de uma apresentação em duas dimensões, na qual uma maior quantidade de informações, cores e formas ten- dem a influenciar negativamente a abstração das informa-
1Elementos gráficos alinhados e distribuídos em profundidade, para distinguir diferentes classes de informação
ções pelo usuário, o sistema em três dimensões e a utiliza- ção de hyperlinks possibilitam que uma maior quantidade de dados, cores e formas sejam visualizadas, sem deixar o ambiente sobrecarregado com informações secundárias.
Uma vez que o protótipo desenvolvido é executado a par- tir do browser, é possível agregar à hierarquia apresentada conteúdos externos como links web, imagens, textos com- plementares entre outros.
2.1. Construção e apresentação da árvore genealógica
No protótipo implementado, o usuário tem a possibili- dade de construir uma árvore genealógica contendo dife- rentes tipos de informação, para cada nó da hierarquia, que representa uma pessoa. Estas informações, distribuídas nos tomos, são constituídas por dados pessoais, dados profis- sionais e dados médicos. Ao inserir um novo elemento na árvore, o usuário é convidado a preencher estes dados, atra- vés dos formulários pop-up mostrados pelas Figuras 7 e 8.
Figura 7. Guia Personal do formulário pop- up.
Preenchidos os campos referentes ao primeiro elemento da árvore (pessoa que representa a raiz da árvore genealó- gica), o usuário pode acessar um menu de contexto que o possibilita inserir o cônjuge ou os filhos desta pessoa con- forme a Figura 9. O nó que representa o cônjuge será deslo- cado em relação ao nó pai, mantendo-se alinhado horizon- talmente a este.
Um algoritmo de posicionamento dos nós filhos foi im- plementado, buscando favorecer a simetria na apresentação da árvore genealógica. Este algoritmo consiste basicamente em definir uma posição base (no caso a posição do elemento
Figura 8. Guia More Details do formulário pop-up.
Figura 9. Árvore genealógica com menu de contexto.
central) e posicionar os demais elementos deslocados em relação à posição base. Para um número par de filhos, a po- sição base é definida como sendo a posição imediatamente abaixo do nó pai. Para um número ímpar de filhos, a posi- ção base é deslocada à direita (o nó filho central será posi- cionado entre os nós pais e deslocado para baixo).
2.2. Navegação e informações complementares
Uma vez construída a árvore genealógica, o usuário pode acessar as informações complementares (dados pessoais, dados profissionais e dados médicos) de cada nó. Ao passar o mouse sobre cada tomo, é apresentada a classe de infor- mação correspondente ao tomo, facilitando a distinção das informações conforme a Figura 10.
Para facilitar a experiência de navegação do usuário, fo- ram implementadas as funcionalidades de zoom e de trans-
Figura 10. Visualização da classe de informa- ção de cada tomo.
lação na janela de navegação, utilizando o mouse. O usuário pode optar ainda por visualizar em destaque determinado nó da árvore, a partir do menu de contexto mostrado anterior- mente na Figura 9. A Figura 11 apresenta um dos nós da árvore genealógica em destaque e o formulário de consulta de dados pessoais.
Figura 11. Visualização de um dos nós da ár- vore e formulário de dados pessoais.
2.3. Pesquisa de elementos da estrutura
Quando a estrutura hierárquica possui uma grande quan- tidade de nós, mesmo com os recursos de interação existen- tes herdados das técnicas de RV aplicadas, torna-se difícil e demorado para o usuário localizar visualmente um nó espe- cífico. Buscando contornar esta limitação foi implementado um mecanismo de busca que utilizará os tipos de dados re- presentados por cada tomo como filtro de busca. A Figura 12 mostra algumas possibilidades de busca dentro da estru- tura.
Utilizando as funcionalidades de consulta implementa- das é possível visualizar os componentes da hierarquia que satisfazem determinado critério de busca. A título de exem- plo, são apresentados nas Figuras 13 e 14 os resultados de duas consultas diferentes: a primeira consiste na busca pe- los indivíduos falecidos; a segunda, pela busca dos indiví- duos com ocorrência de diabetes. Quando não há elementos
Figura 12. Formas de pesquisas na estrutura hierárquica.
de uma mesma geração que satisfaçam o critério de busca utilizado, esta geração é substituída na hierarquia apresen- tada por um losango verde. Um número no interior deste losango indica em quantas gerações consecutivas não houve ocorrência do critério de pesquisa em questão.
Figura 13. Pesquisa de indivíduos falecidos dentro da estrutura.
Figura 14. Visualização hierárquica das ocor- rências de diabetes.
3. Resultados
O protótipo desenvolvido neste trabalho, para construção de árvores genealógicas em RV, possibilitou a aplicação e avaliação da técnica de visualização proposta. Deve-se res- saltar a importância de se adaptar esta técnica de visualiza- ção ao contexto das informações apresentadas, uma vez que cada tipo de informação hierárquica possui suas próprias restrições e particularidades.
As informações são apresentadas aos usuários de forma simples e objetiva, buscando limitar a quantidade de recur- sos secundários utilizados na apresentação (recursos de “de- coração”) para favorecer a abstração das informações rele- vantes pelo usuário.
4. Conclusões e trabalhos futuros
Com este trabalho, foi possível constatar as melhorias associadas à utilização da terceira dimensão (profundidade) para visualização de mais de um tipo de informação dentro de estruturas hierárquicas. Além disso, a utilização de in- terfaces hipertextuais contribui significativamente para a re- dução da desordem visual, quando se lida com um volume grande de informações a serem apresentadas.
Desta forma, uma técnica de visualização de informa- ções hierárquicas em RV, que possibilite ao usuário nave- gar, interagir e pesquisar informações dentro da estrutura, apresenta-se como uma importante alternativa aos métodos tradicionais de visualização deste tipo de informação.
Como sugestões para trabalhos futuros, pretende-se dis- cutir a adaptação da técnica proposta à visualização de hi- erarquias com outras metáforas, como por exemplo Co- neTree. Além disso, será investigada a eficiência da téc- nica proposta em representações de hierarquias com grande quantidade de nós.
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