Escalabilidad y Uso de T´ecnicas Foco+Contexto en Atlas M´edicos 3D Trabajo de Tesis presentado al Departamento de Ingenier´ıa de Sistemas y Computaci´on por Oscar Ariza Asesor: Pablo Figueroa Ph.D. Para optar al t´ıtulo de Maestr´ıa en Ingenier´ıa de Sistemas Facultad de Ingenier´ıa - Departamento de Ingenier´ıa de Sistemas y Computaci´on Universidad de Los Andes Julio 2006 Escalabilidad y Uso de T´ecnicas Foco+Contexto en Atlas M´edicos 3D Aprobado por: Pablo Figueroa Ph.D., Asesor Jos´eTiberio Hern´andez Ph.D. Gabriel Ma˜nana Ph.D.c Fecha de Aprobaci´on Tr`es bon les gˆateaux d’avoine... Merci petit pingouin! iii Reconocimientos Este trabajo cont´ocon el apoyo financiero y acad´emico de la Facultad de Medi- cina de la Universidad de Los Andes, especialmente del profesor Gustavo Valbuena M.D. Ph.D. quien aport´osus conocimientos y experiencia sobre anatom´ıa y fisiolog´ıa del ri˜n´on humano, sobre software educativo para medicina y sobre los requerimien- tos, necesidades y caracter´ısticas que deb´ıan ser tratados en el proyecto. Gabriel Mart´ınez y Santiago Leal, estudiantes de Facultad de Artes de la Univer- sidad de Los Andes, colaboraron con el dise˜no e implementaci´on de los modelos anat´omicos del ri˜n´on humano que conformaron el contenido 3D del proyecto. iv Resumen Este trabajo muestra los esfuerzos realizados alrededor de la construc- ci´on de un ambiente interactivo con integraci´on de contenidos 3D y 2D, permitiendo explorar jerarqu´ıas de objetos tridimensionales a diferentes niveles de detalle. En cada uno de dichos niveles de detalle el usuario est´aen capacidad de interactuar con el contenido por medio de herramientas de manipulaci´on y exploraci´on, as´ıcomo observar las relaciones de las partes 3D con contenidos 2D como videos, im´agenes, hipertexto e informaci´on volum´etrica. Se exploran algunas t´ecnicas de foco+contexto para facilitar las tareas de selecci´on y comprensi´on de estructuras jer´arquicas com- plejas. Adicionalmente, el ambiente propuesto puede ser configurado y ejecutado en PC o ambientes inmersivos con el fin de ofrecer una aplicaci´on escalable que permita intercambiar los dispositivos y las t´ecnicas de interacci´on involucradas. A manera de ejemplo se toma el ri˜n´on humano como contenido para representar una herramienta pedag´ogica alternativa en el proceso de ense˜nanza/aprendizaje de anatom´ıa, fisio- log´ıa y patolog´ıa. Palabras claves: Atlas 3D del ri˜n´on humano, Material educativo 3D, Modelo 3D del ri˜n´on humano, Ilustraci´on m´edica, T´ecnicas de foco+contexto, InTml, Realidad virtual. v ´Indice Dedicatoria III Reconocimientos IV Resumen V Lista de Tablas 5 Lista de Figuras 6 I. Introducci´on 10 II. Objetivos 12 2.1. Motivaci´on ................................ 12 2.2. Objetivos................................. 12 III. Trabajo previo 14 3.1. Atlasycontenidom´edico . 14 3.2. Software educativo para medicina . 18 3.3. T´ecnicas de visualizaci´on Foco+Contexto . ...... 22 3.3.1. Aspectosgenerales. 22 3.3.2. Clasificaci´on . 24 3.3.3. Propiedades ........................... 24 3.3.4. T´ecnicas ............................. 25 3.3.5. Otrast´ecnicas . 40 3.4. Revisi´on de t´ecnicas de Tiling . .. 44 3.4.1. Definici´on ............................ 45 3.4.2. T´ecnicasdetiling . 46 1 3.4.3. Tiling2D............................. 47 3.4.4. Tiling3D............................. 47 IV. Metodolog´ıa y dise˜no de un prototipo de material educativo 51 4.1. Roles ................................... 51 4.2. An´alisis de las necesidades educativas . ..... 52 4.3. Relaciones profesor-estudiante-contenido . ........ 53 4.4. Caracter´ısticas del material educativo . ...... 54 V. Definici´on de requerimientos 56 5.1. Variables de entorno relacionadas con la aplicaci´on . ......... 56 5.1.1. Poblaci´onobjetivo. 56 5.1.2. Areadecontenido´ ........................ 57 5.1.3. Necesidadeducativa . 57 5.2. Variablesdecomunicaci´on . 58 5.3. Requerimientos ............................. 60 VI. Soluci´on propuesta 62 6.1. Tiposdecontenido ........................... 62 6.1.1. Modelos3D ........................... 62 6.1.2. Informaci´onvolum´etrica . 64 6.1.3. Contenidomultimedia2D. 65 6.2. Estructuradedatosdesoporte . 67 6.2.1. Informaci´onalmacenada . 69 6.3. Herramientas............................... 70 6.3.1. C´amara.............................. 70 6.3.2. Herramientasdecorte. 70 6.3.3. Edici´ondecontenido . 71 6.3.4. Representaci´onfotorealista . 73 2 6.4. T´ecnicasdeFoco+Contexto . 74 6.4.1. Relaciones de contenencia y cambio de escala . .. 75 6.4.2. Visualizaci´on. 75 6.5. Usodet´ecnicasdetiling . 76 6.6. Esquema general de funcionamiento . 78 VII.Escalabilidad 81 7.1. Arquitectura ............................... 81 7.2. EditorInTml............................... 82 7.2.1. Dispositivosdeentrada . 84 7.2.2. Dispositivosdesalida . 84 7.2.3. T´ecnicas de interacci´on . 84 7.2.4. T´ecnicasdeFoco+Contexto . 87 7.2.5. Objetosgr´aficos . 87 7.3. AmbientePCconvencional . 89 7.4. AmbienteGeowall ............................ 90 VIII.Evaluaci´on de los ambientes propuestos 92 8.1. Descripci´on del experimento . 92 8.1.1. EncuestaPQ........................... 94 8.1.2. EncuestaITQ .......................... 95 8.2. Hip´otesis ................................. 96 8.3. M´etodo.................................. 96 8.3.1. Etapasdelexperimento . 96 8.3.2. An´alisisdelosdatos. 97 8.4. Resultados ................................ 98 8.5. Discusi´on.................................103 IX. Conclusiones 105 3 Ap´endice A. — Protocolo de evaluaci´on 107 Ap´endice B. — Resultados de la evaluaci´on 120 Referencias 122 4 ´Indice de cuadros 1. Dispositivosutilizados . .. .. 59 2. Controlesutilizados............................ 59 3. Resultados estad´ısticos del factor de control . ...... 99 4. An´alisisdelfactordecontrol. 99 5. Resultados estad´ısticos del factor sensorial . .......100 6. An´alisisdelfactorsensorial. 100 7. Resultados estad´ısticos del factor de distracci´on . .........101 8. An´alisis del factor de distracci´on . .102 9. ResultadosdelaencuestaITQ. .103 5 ´Indice de figuras 1. Esquemadelnefr´on............................ 16 2. KidneySimulationProject . 17 3. Contenidom´edico3D........................... 17 4. Contenido m´edico interactivo . 18 5. T´ecnicaPad................................ 26 6. T´ecnicaPad++.............................. 27 7. T´ecnica de ´arboles hiperb´olicos . ... 30 8. T´ecnicadeDOFsem´antico. 31 9. T´ecnicade´arbolesDOI. 32 10. Implementaci´ondelframeworkf+c . 35 11. T´ecnicaflipzooming . .. .. 37 12. T´ecnicaZUI................................ 38 13. T´ecnicade´arbolesradiales. .. 41 14. Men´ufisheye ............................... 41 15. T´ecnicaconetree ............................. 42 16. T´ecnicatreemap ............................. 42 17. T´ecnicaJPE................................ 43 18. T´ecnicatablelens ............................. 43 19. T´ecnicas de visualizaci´on de jerarqu´ıas de software ........... 44 20. Conjunto de cardinalidad propuesto por Karen y Culic . ..... 45 21. Conjunto v´alido de tiling de Wang . 47 22. Cubos de Wang constituidos por geometr´ıa 3D . ... 48 6 23. CubodeWang .............................. 49 24. Cubos de Wang definidos con distribuciones de Poisson . ..... 49 25. Codificaci´on binaria en cubos de Wang . 50 26. Modelos3Dcreadosparaelproyecto . 63 27. Informaci´onvolum´etrica . 65 28. Contenidodetipoimagen . 66 29. Contenidodetipovideo . .. .. 66 30. Contenidodetipohipertexto. 67 31. Relaciones de nivel de detalle y contenencia entre partes anat´omicas . 68 32. Par´ametrosdelac´amara . 70 33. Tiposdecorte3D............................. 72 34. Herramienta de corte sobre secciones del glom´erulo . ....... 73 35. Representaci´onfotorealista . ... 73 36. Ejemplos de representaci´on fotorealista . ...... 74 37. Im´agenesdemicroscop´ıa . 75 38. Prototipo definitivo de la t´ecnica de ´arbol hiperb´olico......... 76 39. CubosdeWang.............................. 77 40. EjemplodecubosdeWang. 78 41. Funcionamiento .............................. 79 42. GUIdelaaplicaci´on ........................... 80 43. Arquitectura................................ 82 44. EditorInTml ............................... 83 45. Filtros InTml para dispositivos de entrada . .... 85 46. Filtros InTml para dispositivos de salida . .... 85 47. Filtros InTml para controlar el flujo de la aplicaci´on . ........ 86 48. FiltrosInTmlparacontrolareventos . .. 86 7 49. Filtros InTml para procesar cantidades y mediciones . ...... 87 50. Filtros InTml para las t´ecnicas Foco+Contexto . ..... 88 51. Filtros InTml para las t´ecnicas de selecci´on y manipulaci´on. 88 52. FiltrosInTmlparaobjetosgr´aficos . .. 89 53. AmbientePC ............................... 89 54. SistemaGeoWall ............................. 90 55. AmbienteGeoWall ............................ 91 56. EjemplodeAmbienteGeoWall. 91 57. Escala num´erica para las respuestas . ... 94 58. Diagramade cajas y puntos para el an´alisis FC . ... 99 59. Diagrama de cajas y puntos para el an´alisis FS. .100 60. Diagramade cajas y puntos para el an´alisis FD . .101 61. Diagrama de puntos para los tiempos empleados en las tareas . .102 62. Aplicaci´on del ambiente PC en ejecuci´on y los dispositivos asociados . 108 63. Aplicaci´on del ambiente GeoWall en ejecuaci´on y los dispositivos aso- ciados ...................................109 64. Muestra de objeto seleccionado y posici´on de c´amara para ejecutar la tarea....................................109 65. Paneldeselecci´on. .. .. .111 66. Panel de manipulaci´on de la c´amara . 111 67. Panel de visualizaci´on