项目展示-时空轨迹沉浸式可视化

本页用于展示这一项目的细节，说明其出发点、设计以及效果，而非实现教程。实现教程与控制代码将在未来发布（可能由于学校要求，而不得不在毕业后发布）。

注：由于目前hololens设备并不在身边，暂时无法提供实际部署照片
注2：由于时间仓促，加之作者水平有限，本页内容尚有可完善之处，将在2022.3~2023.3期间重制

概述

这是STC（Space-time-cube，时空立方体）的实现。这一概念在1990s左右被提出，用于描绘一组轨迹，即物体在二维地理空间上的位置，随时间的变化。
位置信息表示在XOZ平面上，Y轴为时间信息；时间沿Y轴正方向增大。

本系统使用unity制作。收集了IEEE VAST CHALLENGE 2018数据集，以及MSRA geoLife 1.3数据集（实际并未使用）作为地理信息数据源。

图为使用cube作为体素的效果。

总体设计

参考资料：
[1] I. Kveladze and M.-J. Kraak, “What do we know about the space-time cube from cartographic and usability perspective,” Autocarto, no. September, pp. 16–18, 2012.
[2] J. A. W. Filho, W. Stuerzlinger, and L. Nedel, “Evaluating an Immersive Space-Time Cube Geovisualization for Intuitive Trajectory Data Exploration,” IEEE Trans. Vis. Comput. Graph., vol. 26, no. 1, pp. 514–524, 2020, doi: 10.1109/TVCG.2019.2934415.
[3] J. Wagner, W. Stuerzlinger, and L. Nedel, “The Effect of Exploration Mode and Frame of Reference in Immersive Analytics,” IEEE Trans. Vis. Comput. Graph., vol. 2626, no. c, 2021, doi: 10.1109/TVCG.2021.3060666.
[4] S. Y. Ssin, J. A. Walsh, R. T. Smith, A. Cunninqham, and B. H. Thomas, “GeoGate: Correlating geo-temporal datasets using an augmented reality space-time cube and tangible interactions,” 26th IEEE Conf. Virtual Real. 3D User Interfaces, VR 2019 - Proc., pp. 210–219, 2019, doi: 10.1109/VR.2019.8797812.
[5] U. Demšar and K. Virrantaus, “Space-time density of trajectories: Exploring spatio-temporal patterns in movement data,” Int. J. Geogr. Inf. Sci., vol. 24, no. 10, pp. 1527–1542, 2010, doi: 10.1080/13658816.2010.511223.

——需求分析——

需求可以概括为：

• 显示一组物体的运动轨迹，从而能确定目标物体在何时处于何位置；
• 物体运动轨迹可交互，以观察某一时刻或位置的详细信息；
• 提供查询机制，以寻找感兴趣物体，以及搜索物体之间的关系；
• 提供自定义标记机制，以在地图上添加标签，或修改配色；

详细设计

——视觉设计——

一个基础的问题是，如何呈现一个地理平面？
我们选择将一幅地图，按照virtualDesk隐喻，将其初始位置设定为平铺在XOZ平面上。

STC最主要的可视化问题，即如何表达其“位置”。根据上一阶段的定义，我们为物体在每一时刻上所处的位置制作了体素，来反映当前位置。为保持连贯性，强化“连续运动”的印象，每个体素之间会被连接起来。

不同物体默认分配不同颜色。

——交互设计——

我们计划让这幅“3D地图”能够被使用者在近距离或远距离交互，以查阅他们想要的信息。例如：

1. 选择某一条轨迹，并虚化其他轨迹；
2. 选择某一条轨迹，并保留与此轨迹接在一定距离内的其他轨迹；
3. 为轨迹增加自定义注释，或修改颜色；

其中，选择操作应该通过手指接触虚拟物体（近距离操作）或远程点选。在未来，可能添加对语音选择的支持；

输出端目前只有视觉反馈，在未来可能添加语音反馈的支持。

实现

——视觉设计实现——

读取运动物体的坐标信息，按时间顺序绘制体素，经过坐标校正，与Unity场景中的地图校正对齐，即可。
这个部分并不是重点。

——交互设计实现——

对于MRTK工具包提供的操作方法而言，一个关键的前提是：可被接触或远距离接触交互物体需要有碰撞体积。 因此，上一阶段所涉及的体素，将不得不具有碰撞盒。

一个非常简单的方法是，直接使用unity预制的立方体，作为体素。但数据量过大时，大量具有独立碰撞盒的物体将无可争议地导致hololens卡顿。

一个相对困难的方法是，只将“体素”视为概念。使用mesh绘制整条轨迹，而物体运动位置作为mesh的控制点。对于绘制完成的mesh网格，为其整体添加一个碰撞体积，在响应交互行为时再具体计算交互对象。这确实能减少计算开销，但也使得交互的实现变得困难。

使用立方体体素

由于每个cube都默认具有碰撞体，我们只需要将交互响应脚本贴附到体素上就可以了。

使用mesh网格

由于整个网格只有一个碰撞体，如何保证精确地与目标对象交互成为了挑战。

一个可能的解决方法是，由于位置信息是按照时间顺序排列的，可以记录交互位置的Y轴（时间轴），按照物体总轨迹在Y轴的投影，获取具体交互的位置索引，返回数据中查询到详细信息。

但这一方法需要保证时间间隔足够长，否则在平面上短距离的横向位移将会被误判。

图为使用mesh的效果。

辅助交互手段

上一小节主要解决了“如何实现与轨迹交互”的问题，本节主要介绍辅助工具，如可拖拽进度条等。
（待更新）

——性能优化——

参见“交互设计实现”一节。
该程序的主要性能问题在于：如何取得交互体验（精确度、多样性）与设备性能的平衡。

应用

在新冠疫情期间，STC被用于解释‘时空密接’等概念，并进行时空关系分析。

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