论文：Vol2velle: Printable Interactive Volume Visualization 可打印的交互式体可视化

作者：Sergij Stoppel and Stefan Bruckner，university of Bergen

发表：TVCG 2017

1. 简介

因为纸质媒体便宜、可回收、易使用等特点，在很多场景中，我们会经常将体可视化打印到纸质媒体上，但是在可视化结果硬拷贝（如打印）时，【交互性】受到一定的损失，而我们知道，在数据可视化中，特别是体数据可视化中，交互特性非常重要，于是作者提出一种打印数据可视化的方法，并且保留了一定的交互性。

作者参考了传统的 Volvelle，提出了一种 Volumetric Volvelle（Vol2velle）。Volvelle 是一种可旋转的轮盘，早在公元前 1000 年，就已经开始使用，一直被设计用来做一些科学可视化，如行星轨迹观察等。人能够直接和 Volvelle 进行交互，这也有助于加深理解和记忆，而根据 IKEA 认识偏见效应，人会对自己参与制作的工具有更高的评价这种认识偏见，使得 Volvelle 的意义更加突出。

但是传统的 Volvelle 生产过程中，非常费时费力，往往从设计到制造要花几周时间。于是作者提出了一个用于设计和渲染 Volvelle 的系统。

2. 贡献

首次实现了自动化生成可交互的纸质媒介上的可视化：

主要工作如下：

  1. 分析了纸质媒介的设计空间和约束条件
  2. 提出了参数化和编码体可视化的策略
  3. 生产了一个半自动生成 Vol2velle 的系统

3. 相关工作

图示可视化方面

  1. Ghosted Views: Importance-driven feature enhancement in volume visualization（2005 TVCG 170）

    去除或抑制场景中不重要的部分，从而使得更重要的信息呈现出来

  2. Cutaways: Illustrative context-preserving exploration of volume data(2006 TVCG 117)

    针对前一篇文章的改进，关于高透明度图像如何去除重叠又能减少上下文信息丢失的工作

  3. Exploded Views for Volume Data（2006 TVCG 121）

    体可视化中，关于如何分解视图，解决遮挡问题

交互和参数定义方面

  1. Design Galleries: A general approach to setting parameters for computer graphics and animation（1997 ACM 584）

    定义了一个计算机图形应用中的接口库，通过调整参数来达到设计目标

  2. Mastering Transfer Function Specification by using VolumePro Technology

    半自动传递函数操作的用户界面范例，用来给用户提供意见和预览

  3. High-Level User Interfaces for Transfer Function Design with Semantics（2006 TVCG 117）

    为高级用户提供用户界面，集成了予以模型，为专门的可视化问题提供语义信息，以此来设计传递函数

  4. Image graphs—a novel approach to visual data exploration（IEEE Visualization 105）

    一个显示 交互中，参数变化如何影响结果的可视化系统

非传统的可视化界面

  1. PaperWindows: Interaction Techniques for Digital Paper （2005 ACM 222）

    对物理纸张进行投影，通过运动不准系统来跟踪纸张的运动和形状从而产生交互

  2. PaperLens: advanced magic lens interaction above the tabletop（2009 ACM 110）

    类似于光学透镜的一种交互方式

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无电子设备的物理可视化

  1. Activity Sculptures: Exploring the Impact of Physical Visualizations on Running Activity（2014 TVCG 27）

    数据雕塑，将数据赋予物理形式

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  2. An interaction model for visualizations beyond the desktop（2013 TVCG 43）

    提出了一个桌面之外的可视化交互模型，原始数据被处理成可视化，然后渲染到物理世界，用户直接操作就可以更改数据

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纸质物理可视化的生成

  1. Popup: automatic paper architectures from 3D models.（2010 ACM 60）

    3D 纸质建筑，利用自动算法，生成用户指定的模型的纸张结构

  2. Interactive Gigapixel Prints: Large Paper Interfaces for Visual Context, Mobility, and Collaboration

    大尺寸的纸质品可以拥有大尺寸和高分辨率，并且同时有较强的移动性和协作性，文中工作介绍了交互式的打印十亿像素

4. Volvelle 结构介绍

基本结构

Volvelle 最基本的构成是由三个层次，固定的表面层，可旋转的轮盘，固定的基座组成。

在基础结构上，可以增加多个可旋转的轮盘，但是增加多个轮盘，能展示图像的空间也会越来越小，而且使用者学习认知和操作的复杂度也会增加。虽然利用透明媒介来展示图片可以缓解空间缩小的问题，但是却无法解决复杂度增加的问题。

基本模型

根据材料的不同，Volvelle 的模型又可以分成两种：纸质模型和透明模型。

纸质模型就是普通的，用纸片打印并制作而成的；透明模型的轮盘，则使用透明的胶片制作而成。目的是为了叠加多张图像。透明视图的一个问题是：所呈现的图像必须要遵循正确的遮挡顺序来进行叠加，作者采用了利用每个层次离观察者最近的距离来进行排序。

编码方式

作者提出了信息（主要是 图片）在轮盘上的两种基本的布局方法以及它们的混合使用：

左图是沿半径的同轴编码，中间是沿着圆周的镜像编码，右图是两者的混合使用。

沿着圆周，可以编码一个有序的循环变量；而沿着半径，我们可以编码一个顺序变量。

窗口布局

针对不一样的编码方式，我们也需要采用不一样的窗口布局，比如对于验证圆周的镜像编码方式，我们就需要采用下面左图的方式，而针对混合编码或者同轴编码，我们需要用下面右图的方式。

其他交互方式

文章还提到了两种增加的交互方法，一个是利用 slide chart 的方式来多编码一个标量参数，slide chart 是一种可以抽插的纸条，可以多展示一个参数：

另外一种方法是利用，changing picture option 的方法，可以编码一个布尔变量，用来切换两种不同的视图。做法是通过将两张裁剪好的轮盘叠在一起，当底下的轮盘旋转的时候，会插入到上面的轮盘：

采样过程

生成过程的关键之一，就是如何进行采样。一般有以下三种采样方法，第一种方法是均匀采样，这种采样方法，刚好能编码完整的二维数据，但是存在空间浪费（因为外圈空间被浪费）；第二种方法是密集采样方法，这种方法能有效利用空间；第三种方法是锥形采样，往往用在有一个偏移量存在的状况（比如有一个公共的大窗口）

上面提到的是，圆周方向的采样策略，而半径方向的采样，也同样存在问题，比如，在均匀采样的方法下，我们往往会采样到很多相似的图片，因为沿着半径方向的参数并不一定是线性的。所以我们需要用一种非线性的方法来进行采样：以下就是三种不同的采样方法，第一行采用了均匀采样，就造成了结果高度一致的情况。

5. 应用举例

利用半径方向和圆周方向两种不同的编码方式混合编码的一个例子（手部 CT 扫描数据的可视化）：

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利用 changing picture option 来切换千足虫外表面视图和切片视图的一个例子：

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人体头部 CT 扫面数据利用透明模型来进行可视化的一个例子：

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6. 相关讨论

目前这个系统仍然存在以下问题：

  1. 图片大小和采样数量之间权衡，根据经验只能放 5-25 图
  2. 多个轮盘叠加能编码更多信息，但是却会增加复杂度
  3. 打印机基本都没办法打印白色
  4. 最终成品的质量和打印机有关系
  5. 透明介质上，只有黑色才能完全不透明，所以导致了渲染和实际打印的结果不一样
  6. 当前的透明模型的排序方法不是最优的

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