EXPLORING THE POTENTIAL OF PHYSICAL VISUALIZATIONS DISSERTATION an der Fakultät für Mathematik, Informatik und Statistik der Ludwig-Maximilians-Universität München eingereicht von Diplom-Medieninformatiker SIMON STUSAK München, den 02. August 2016 Erstgutachter: Prof. Dr. Andreas Butz Zweitgutachter: Prof. Dr. Sheelagh Carpendale Tag der mündlichen Prüfung: 18.11.2016 Abstract ABSTRACT The goal of an external representation of abstract data is to provide insights and convey in- formation about the structure of the underlying data, therefore helping people execute tasks and solve problems more effectively. Apart from the popular and well-studied digital visual- ization of abstract data there are other scarcely studied perceptual channels to represent data such as taste, sound or haptic. My thesis focuses on the latter and explores in which ways human knowledge and ability to sense and interact with the physical non-digital world can be used to enhance the way in which people analyze and explore abstract data. Emerging technological progress in digital fabrication allow an easy, fast and inexpensive production of physical objects. Machines such as laser cutters and 3D printers enable an accurate fabrica- tion of physical visualizations with different form factors as well as materials. This creates, for the first time, the opportunity to study the potential of physical visualizations in a broad range. The thesis starts with the description of six prototypes of physical visualizations from static examples to digitally augmented variations to interactive artifacts. Based on these explo- rations, three promising areas of potential for physical visualizations were identified and investigated in more detail: perception & memorability, communication & collaboration, and motivation & self-reflection. The results of two studies in the area of information recall showed that participants who used a physical bar chart retained more information compared to the digital counterpart. Particu- larly facts about maximum and minimum values were be remembered more efficiently, when they were perceived from a physical visualization. Two explorative studies dealt with the potential of physical visualizations regarding com- munication and collaboration. The observations revealed the importance on the design and aesthetic of physical visualizations and indicated a great potential for their utilization by au- diences with less interest in technology. The results also exposed the current limitations of physical visualizations, especially in contrast to their well-researched digital counterparts. In the area of motivation we present the design and evaluation of the Activity Sculptures project. We conducted a field study, in which we investigated physical visualizations of personal running activity. It was discovered that these sculptures generated curiosity and experimentation regarding the personal running behavior as well as evoked social dynamics such as discussions and competition. Based on the findings of the aforementioned studies this thesis concludes with two theoreti- cal contributions on the design and potential of physical visualizations. On the one hand, it proposes a conceptual framework for material representations of personal data by describing a production and consumption lens. The goal is to encourage artists and designers working in the field of personal informatics to harness the interactive capabilities afforded by digital fabrication and the potential of material representations. On the other hand we give a first classification and performance rating of physical variables including 14 dimensions grouped iii Abstract into four categories. This complements the undertaking of providing researchers and de- signers with guidance and inspiration to uncover alternative strategies for representing data physically and building effective physical visualizations. iv Zusammenfassung ZUSAMMENFASSUNG Um aus abstrakten Daten konkrete Aussagen, komplexe Zusammenhänge oder überraschen- de Einsichten gewinnen zu können, müssen diese oftmals in eine, für den Menschen, an- schauliche Form gebracht werden. Eine weitverbreitete und gut erforschte Möglichkeiten ist die Darstellung von Daten in visueller Form. Weniger erforschte Varianten sind das Ver- körpern von Daten durch Geräusche, Gerüche oder physisch ertastbare Objekte und Formen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die letztgenannte Variante und untersucht wie die mensch- lichen Fähigkeiten mit der physischen Welt zu interagieren dafür genutzt werden können, das Analysieren und Explorieren von Daten zu unterstützen. Der technische Fortschritt in der digitalen Fertigung vereinfacht und beschleunigt die Produktion von physischen Objekten und reduziert dabei deren Kosten. Lasercutter und 3D Drucker ermöglichen beispielswei- se eine maßgerechte Fertigung physischer Visualisierungen verschiedenster Ausprägungen hinsichtlich Größe und Material. Dadurch ergibt sich zum ersten Mal die Gelegenheit, das Potenzial von physischen Visualisierungen in größerem Umfang zu erforschen. Der erste Teil der Arbeit skizziert insgesamt sechs Prototypen physischer Visualisierungen, wobei sowohl statische Beispiele beschrieben werden, als auch Exemplare die durch digi- tal Inhalte erweitert werden oder dynamisch auf Interaktionen reagieren können. Basierend auf den Untersuchungen dieser Prototypen wurden drei vielversprechende Bereiche für das Potenzial physischer Visualisierungen ermittelt und genauer untersucht: Wahrnehmung & Einprägsamkeit, Kommunikation & Zusammenarbeit sowie Motivation & Selbstreflexion. Die Ergebnisse zweier Studien zur Wahrnehmung und Einprägsamkeit von Informationen zeigten, dass sich Teilnehmer mit einem physischen Balkendiagramm an deutlich mehr In- formationen erinnern konnten, als Teilnehmer, die eine digitale Visualisierung nutzten. Ins- besondere Fakten über Maximal- und Minimalwerte konnten besser im Gedächtnis behalten werden, wenn diese mit Hilfe einer physischen Visualisierung wahrgenommen wurden. Zwei explorative Studien untersuchten das Potenzial von physischen Visualisierungen im Bereich der Kommunikation mit Informationen sowie der Zusammenarbeit. Die Ergebnisse legten einerseits offen wie wichtig ein ausgereiftes Design und die Ästhetik von physischen Visualisierungen ist, deuteten anderseits aber auch darauf hin, dass Menschen mit gerin- gem Interesse an neuen Technologien eine interessante Zielgruppe darstellen. Die Studien offenbarten allerdings auch die derzeitigen Grenzen von physischen Visualisierungen, ins- besondere im Vergleich zu ihren gut erforschten digitalen Pendants. Im Bereich der Motivation und Selbstreflexion präsentieren wir die Entwicklung und Aus- wertung des Projekts Activity Sculptures. In einer Feldstudie über drei Wochen erforschten wir physische Visualisierungen, die persönliche Laufdaten repräsentieren. Unsere Beobach- tungen und die Aussagen der Teilnehmer ließen darauf schließen, dass die Skulpturen Neu- gierde weckten und zum Experimentieren mit dem eigenen Laufverhalten einluden. Zudem konnten soziale Dynamiken entdeckt werden, die beispielsweise durch Diskussion aber auch Wettbewerbsgedanken zum Ausdruck kamen. v Zusammenfassung Basierend auf den gewonnen Erkenntnissen durch die erwähnten Studien schließt diese Ar- beit mit zwei theoretischen Beiträgen, hinsichtlich des Designs und des Potenzials von physi- schen Visualisierungen, ab. Zuerst wird ein konzeptionelles Framework vorgestellt, welches die Möglichkeiten und den Nutzen physischer Visualisierungen von persönlichen Daten ver- anschaulicht. Für Designer und Künstler kann dies zudem als Inspirationsquelle dienen, wie das Potenzial neuer Technologien, wie der digitalen Fabrikation, zur Darstellung persönli- cher Daten in physischer Form genutzt werden kann. Des Weiteren wird eine initiale Klas- sifizierung von physischen Variablen vorgeschlagen mit insgesamt 14 Dimensionen, welche in vier Kategorien gruppiert sind. Damit vervollständigen wir unser Ziel, Forschern und Designern Inspiration und Orientierung zu bieten, um neuartige und effektvolle physische Visualisierungen zu erschaffen. vi Disclaimer DISCLAIMER Publications and Own Contribution During the past four years of my time as Ph.D. student I worked together with many col- leagues and students on various projects. To appreciate this collaboration, I decided to use the scientific plural in this thesis. The following sections will provide further information a clear overview of my personal contribution to each of the projects. Chapter 5 - Beyond Physical Bar Charts The content of this chapter is based on six main projects that, in turn, consist of six student’s theses. Subsection 5.1.1 - Threaded Bar-Star-Plot is based on the paper “Beyond Physical Bar Charts: An Exploration of Designing Physical Visualizations” by Stusak and Aslan [2014] and on a bachelor thesis by Ayfer Aslan [2013]. Subsection 5.1.2 - Layered Physical Visual- izations is based on the paper “Can Physical Visualizations Support Analytical Tasks?” by Stusak, Tabard, and Butz [2013] and on a bachelor thesis by Lena Streppel [2014]. Sub- section 5.2.1 - Layered Physical Visualizations on Tabletops based on the paper “Interacting with Layered Physical Visualizations on Tabletops” by Stusak [2014] and on a bachelor the- sis by Maximilian Kreutzer [2014]. Subsection 5.2.2 - Projection Augmented Physical Visu- alizations is based on the paper “Projection Augmented Physical Visualizations” by Stusak and Teufel [2014] and on a master thesis by Markus Teufel [2014]. Subsection 5.3.1 - Data