Visualisation Immersive et Interactive de Données 3D Temporelles

(English version below)

Les données 3D temporelles sont de plus en plus présentes grâce aux progrès des techniques d’acquisition et de génération, notamment dans le domaine de l’imagerie biologique. Cependant, les méthodes pour visualiser ces ensembles de données peuvent être insuffisantes. Dans cette thèse, nous présentons une série de contributions exploitant des techniques de Visualisation et de Réalité Virtuelle, permettant l’exploration de divers types de données 3D temporelles. Nous illustrons ces contributions à travers des exemples tirés d’embryologie et d’enregistrements intracellulaires.

Premièrement, nous définissons la notion d’objets 4D pour qualifier des entités sémantiques logiques présentes dans les données 3D temporelles, permettant l’interaction et la visualisation naturelles des données.

Deuxièmement, nous étendons la représentation en Cube Spatio-Temporel pour les données 3D temporelles, résultant en un volume 4D, l’Hypercube Spatio-Temporel. Une vue 3D peut en être extraite par un opérateur de projection défini par l’utilisateur, et explorée par des interactions 3D adaptées.

Troisièmement, nous proposons un espace de création de frises chronologiques 3D. Ces frises exploitent l’espace 3D et permettent la visualisation de données 3D temporelles. Nous proposons des processus interactifs pour aider la manipulation et la navigation efficaces à travers cette visualisation.
Finalement, nous proposons une technique de sélection pour des objets 4D ponctuels dans le temps, basée sur un processus Spatial-puis-Temporel. Nous décrivons des techniques de visualisation, de sélection de l’espace 3D et de désambiguïsation dans le temps pour sélectionner des objets 4D.

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Immersive and Interactive Visualization of 3D Temporal Data

3D temporal data are more and more present as acquisition and generation methods improve, notably in the field of biological imagery. However, visualization methods to analyze these datasets can be insufficient. In this thesis, we present a series of contributions leveraging techniques from the fields of Virtual Reality and Visualization to support the exploration and interaction with various types of 3D temporal datasets, and illustrate our proposed methods through examples from biology, notably embryos and intra-cellular imaging.

First, we introduce the notion of 4D objects to qualify 3D temporal features in order to highlight semantically logic entities, supporting natural visualization and interaction.

Second, we extend the traditional Space-Time Cube representation to 3D temporal data, resulting in a 4D volume named Space-Time Hypercube. A 3D view can be extracted from this 4D volume through a user-driven projection operation, which can be explored with adapted 3D user interaction.

Third, we propose a design space to create 3D timelines to support the visualization of 3D temporal data. It extends the existing design space for usual timeline visualizations, yet exploits the 3D space offered by virtual environments. We propose adapted 3D user interaction processes to help manipulating and navigating through this visualization efficiently.

Finally, we propose a selection technique for 4D objects punctual in time, based on a Space-then-Time selection process. We discuss techniques to visualize the data, to support adapted methods to select a region in the 3D space, and finally disambiguate in time to select the right 4D object.