Efectos de la interacción y la representación visual de mapas inmersivos colaborativos

Résumé

Una de las principales ventajas de la tecnología de Realidad Virtual (RV) es la capacidad de generar en el usuario la sensación de encontrarse en un entorno virtual interactivo 3D, en el que además puede comunicarse e interactuar con otros usuarios. Esta característica hace que la RV sea una herramienta especialmente prometedora como medio de soporte para la colaboración entre usuarios localizados en distintas ubicaciones geográficas. Sin embargo, se deben considerar algunos desafíos a la hora de abordar el diseño e implementación de herramientas de este tipo. Por una parte, es necesario poner a disposición de los usuarios mecanismos que permitan una interacción fluida o eficiente con las distintas funcionalidades del sistema. Por otra parte, los colaboradores deben disponer de los medios suficientes para comunicarse eficientemente con los otros colaboradores, comprender las acciones que éstos realizan y, en general, lo que sucede en el espacio de trabajo. El presente trabajo de tesis doctoral aborda esta problemática en el contexto específico de interfaces de mapas colaborativos en entornos de realidad virtual. Definición del problema y contexto La presente tesis doctoral toma como caso de uso la representación de interfaces de mapas como herramienta de colaboración y análisis de información para la gestión de emergencias. Un ejemplo donde tradicionalmente se utilizan interfaces de mapas para el análisis colaborativo de información geográfica son las salas de crisis. En este tipo de salas generalmente se congregan expertos de diferentes áreas de conocimiento para analizar conjuntamente datos recogidos en relación con cierta emergencia o situación crítica. Trabajos previos del grupo de investigación han abordado la problemática de integrar varios dispositivos como mesas de trabajo interactivas (tabletops), pantallas gigantes, ordenadores de escritorio o tabletas para el análisis colaborativo de información para la gestión de emergencias [1]. Sin embargo, este tipo de entornos requiere de equipamiento costoso y altamente especializado que muchas veces no se encuentra disponible para el usuario final. Además, requiere la presencia en el mismo espacio físico de todos los participantes involucrados en la colaboración. El uso de tecnologías inmersivas puede representar una alternativa apropiada para este tipo de entornos. En primer lugar, equipos con similares funcionalidades a los físicos se pueden implementar en escenarios virtuales, reduciendo los costes necesarios para implementar la tecnología [2]. En segundo lugar, la implementación de espacios virtuales tiene el potencial de facilitar la colaboración remota de una forma casi similar a entornos de colaboración presenciales. Se espera que las tecnologías inmersivas ayuden a superar algunas de las limitaciones de las pantallas 2D utilizadas para la colaboración dado que pueden proveer interacción natural, motivación y espacios de trabajo infinitos [3]. OBJETIVOS DE LA TESIS El presente trabajo de tesis doctoral lleva a cabo dos estudios de usuarios que permiten investigar el efecto que producen en interfaces de mapas inmersivas los distintos paradigmas de interacción y representación visual del espacio de trabajo identificados en la literatura en relación la eficiencia, usabilidad y carga cognitiva. En cuanto al primer estudio de usuario, se realiza una comparación empírica de dos estilos de interacción en interfaces de mapas en entornos de realidad virtual inmersiva. Este estudio analiza los estilos de interacción basados en (1) interacción gestual y (2) interacción utilizando dispositivos externos en términos de eficiencia y usabilidad percibida por el usuario. En cuanto al segundo estudio de usuario, se realiza una comparación de dos representaciones visuales de interfaces de mapas colaborativas en entornos de realidad virtual inmersiva. Este estudio analiza las representaciones de: (1) espacio de trabajo compartido y (2) experiencia compartida en términos de eficiencia y carga cognitiva percibida por el usuario. METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN La metodología seguida para el presente trabajo de investigación se basa en la Metodología de la Investigación en las Ciencias del Diseño (Design Science Research Methodology) [4]. Esta metodología busca poner en contexto la investigación realizada en el entorno (utilidad o relevancia) y en la base del conocimiento (rigurosidad). PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN La pregunta de investigación principal que se plantea la presente tesis doctoral es la siguiente: ¿Cómo la interacción y la representación visual del espacio de trabajo influyen en la eficiencia de los usuarios en interfaces de mapas colaborativas? Para dar respuesta a esta pregunta se deben analizar individualmente los dos aspectos mencionados. En primer lugar, en espacios de colaboración cara a cara sin la asistencia de ordenadores, los usuarios recopilan y entregan información y acciones en el espacio colaborativo a través de sus propios cuerpos. En el caso de entornos de CSCW, la interacción del usuario se produce mediante los periféricos del sistema. Dependiendo de la tecnología que se utilice los periféricos pueden ser diversos. Para el caso de interacción en ambientes virtuales inmersivos existen diversos paradigmas o formas de interactuar que se pueden agrupar en: (1) paradigmas en los que se capturan los gestos o movimientos del usuario (interacción gestual) o (2) paradigmas en los que el usuario indica sus intenciones a través de botones que mandan instrucciones al sistema (controles externos). Este tipo de interacción mediada por gestos o controles externos puede llegar a ser compleja para el usuario y más aún si se refiere a usuarios sin la experiencia suficiente en el uso de tecnologías de RV. La siguiente pregunta de investigación persigue analizar los beneficios y limitaciones de cada estilo de interacción: ¿Cómo influyen diferentes paradigmas de interacción en interfaces de mapas inmersivas para alcanzar una interacción eficiente y una experiencia de usuario satisfactoria? Por otro lado, en espacios de colaboración cara a cara, el propio espacio físico proporciona información sobre WA. En el caso de un entorno CSCW, esta información es difícil de transmitir [5]. En ambientes de RV, esta información se puede proveer mediante canales auditivos, visuales o hápticos. Sin embargo, un problema tradicional cuando se diseñan mecanismos de WA es el efecto túnel en la atención [5]. Este efecto se produce cuando se sobrecarga al usuario de información. En el caso de ambientes colaborativos inmersivos, este problema puede llegar a condicionar el rendimiento del colaborador debido a que puede llegar a recibir demasiada información y no saber cómo interpretarla. Centrándose en la información que se presenta visualmente, ésta se puede representar de distintas maneras. Por un lado, se pueden presentar de una forma que reproduce espacios de colaboración presenciales en lo que se denomina experiencia compartida. Por otro lado, esta información se puede presentar dando relevancia a aquellos elementos que contribuyen a la realización de la tarea colaborativa en lo que se denomina espacio de trabajo compartido. La siguiente pregunta de investigación persigue analizar los beneficios y limitaciones de cada paradigma: ¿Cómo influyen diferentes paradigmas de representación visual de la información de WA a en una interfaz de mapa inmersiva para lograr una colaboración eficiente y con menor carga cognitiva? Ambas preguntas buscan recopilar evidencias que sirvan de ayuda para comprender los beneficios y limitaciones de dos visiones de interactuar y representar espacios virtuales: representando fielmente la realidad con estilos de interacción y representaciones visuales realistas, o paradigmas que no necesariamente sean reproducciones fieles de la realidad pero que aprovechen metáforas y representaciones que se han venido utilizando en entornos no inmersivos 2D. ÁMBITO DE APLICACIÓN DE LA TESIS DOCTORAL El presente trabajo de tesis doctoral aborda amplios campos de investigación que, por la magnitud de cada campo, requiere que se delimite el área de trabajo realizado en esta investigación. A continuación, se definen brevemente los campos amplios de investigación y campos específicos de investigación, discerniendo aquellos campos que forman parte de la investigación de aquellos que quedan fuera del ámbito de aplicación. - Analítica inmersiva con realidad virtual: El presente trabajo de tesis doctoral se centra en las visualizaciones de datos, específicamente en las interfaces de mapas para las visualizaciones de datos, y la parte de interacción. La problemática de tratar con datos masivos y heterogéneos queda fuera del alcance del presente trabajo de investigación. - Trabajo colaborativo asistido por ordenador: Este campo hace referencia a herramientas informáticas que facilitan la colaboración. Este tipo de herramientas se puede clasificar tomando en cuenta dos dimensiones: tiempo (síncrona o asíncrona) y espacio (co-localizado o remoto). Este trabajo de investigación se centra específicamente en aplicaciones colaborativas síncronas y remotas. En el caso específico de aplicaciones que caen en este cuadrante de colaboración y tomando en cuenta aplicaciones colaborativas para entornos virtuales, Ens et al. [6] identifica dos campos específicos que demandan una mayor exploración: primero entender como establecer conciencia situacional del espacio colaborativo o Workspace Awareness, y en segundo lugar articular y entender cómo el flujo información visual ayuda a la colaboración. El presente trabajo de investigación se centra en estudiar cómo representar los apoyos visuales que permiten establecer conciencia situacional. - Gestión de emergencias: El tercer campo amplio del presente trabajo de tesis doctoral es tomado para proponer el caso de uso. En este campo, Díaz et al. [1] identifica el desafío de representar y analizar datos recopilados desde fuentes heterogéneas. El presente trabajo de investigación propone reproducir equipamiento especializado y muchas veces no accesible al usuario final a través de escenarios virtuales que se pueden lograr a través de equipamiento de bajo costo. Específicamente, este trabajo de investigación intenta reproducir pantallas de grandes dimensiones para mostrar interfaces de mapas. CONTRIBUCIONES DE LA TESIS DOCTORAL La presente tesis doctoral estudia la influencia de la interacción y la representación visual del espacio de trabajo en entornos de realidad virtual. Por una parte, las contribuciones en el dominio del conocimiento son los resultados de los dos estudios de usuario llevado a cabo. Por otra parte, las contribuciones llevadas a cabo en el dominio de la aplicación son los propios prototipos elaborados para poner a prueba las hipótesis planteadas en cada estudio de usuario. En los siguientes apartados se muestran las contribuciones específicas a cada dominio. Contribuciones en el dominio del conocimiento La presente tesis doctoral aporta a la base del conocimiento de dos aspectos fundamentales de los escenarios de realidad virtual: la interacción entre el usuario y el entorno, y la representación visual del espacio de trabajo. Los hallazgos encontrados son: - Estilos de interacción en interfaces de mapas inmersiva: Los resultados del estudio de usuario llevado a cabo sugieren que el estilo de interacción basado en dispositivo externo es más eficiente y los usuarios lo perciben como más usable en comparación al estilo de interacción gestual. A pesar de que los usuarios pueden considerar la interacción gestual como ``más natural'', los usuarios demostraron mayor eficiencia y mostraron su preferencia al estilo de interacción basado en dispositivo externo. - Paradigmas de representación visual del espacio de trabajo en interfaces de mapas colaborativos inmersivos: Los resultados del estudio de usuario llevado a cabo sugiere que el paradigma de representación visual del escenario de espacio de trabajo compartido proporciona mejor soporte para la colaboración en términos de eficiencia y carga cognitiva. A pesar de que el paradigma de experiencia compartida puede ofrecer una mejor experiencia personal al usuario en términos de fidelidad del escenario, los resultados del estudio de usuario llevado a cabo muestran indicios de que el paradigma de espacio de trabajo compartido puede ser una mejor forma de representar el espacio colaborativo en entornos de realidad virtual debido a que los usuarios demuestran mayor eficiencia y reportan menor carga cognitiva. Estos hallazgos tomados en conjunto muestran indicios de que paradigmas tradicionalmente utilizados en interfaces no inmersivas 2D pueden ser introducidos de forma exitosa en entornos inmersivos de realidad virtual. De hecho, uno de los desafíos de investigación de visualizaciones inmersivas es identificar cuándo técnicas utilizadas en interfaces 3D inmersivas son realmente útiles frente a técnicas actualmente utilizadas en interfaces 2D no inmersivas [3]. El presente trabajo de investigación aborda este desafío a través de estudios empíricos de dos aspectos importantes de entornos inmersivos: la interacción y la representación visual del espacio. Los resultados del trabajo de investigación aportan indicios que permitan indicar que, aunque se lleguen a limitar beneficios que aportan los entornos inmersivos como interacción natural o representaciones del espacio de trabajo de alta fidelidad, se puede potenciar paradigmas utilizados en interfaces 2D en entornos inmersivos para lograr una mejor eficiencia de los usuarios cuando trabajan de forma colaborativa en entornos inmersivos. Contribución en el dominio de la aplicación El desarrollo de los estudios de usuarios propuestos requiere el desarrollo de prototipos que permitan validar las hipótesis planteadas en este trabajo de investigación. Es así como la principal contribución al dominio de la aplicación es un conjunto de prototipos desarrollados para poder validar las hipótesis propuestas. Específicamente, se desarrollaron cuatro prototipos con los distintos paradigmas investigados en este trabajo: - Prototipo de interfaz de mapa inmersivo con interacción basado en controles externos y otro prototipo basado en gestos. - Prototipo de interfaz de mapa inmersivo utilizando el paradigma de experiencia compartida para la representación visual del espacio y otro prototipo utilizando el paradigma de espacio de trabajo compartido para la representación visual del espacio. Adicionalmente, como resultado de la revisión de la literatura y los hallazgos de los estudios de usuarios. Se identifican algunos desafíos que diseñadores y desarrolladores de este tipo de interfaces se pueden encontrar, y se propone como contribución menor al dominio de la aplicación un conjunto de recomendaciones que puedan ayudar a afrontar los desafíos de diseño identificados. CONCLUSIONES DE LA TESIS DOCTORAL La conclusión general que se puede recoger de los estudios realizados en esta tesis doctoral es el hecho de que escenarios de colaboración realistas no necesariamente implica mayor eficiencia cuando se ejecuta la tarea y paradigmas tradicionalmente utilizados en interfaces no inmersivas 2D pueden ser utilizados de forma exitosa en entornos inmersivos de realidad virtual. En este punto cabe destacar que este trabajo de investigación no pretende indicar a la comunidad que tecnologías son apropiadas o no a la hora de diseñar entornos colaborativos virtuales. Con la vertiginosa evolución de las tecnologías, los resultados encontrados para tecnologías específicas pueden quedar invalidados rápidamente, o aparecer nuevas técnicas que reemplacen a las actuales. El objetivo de esta investigación es proveer una fotografía actual de la tecnología en ambos aspectos estudiados y mostrar herramientas que ayuden a seleccionar criterios eficaces para construir interfaces de mapas colaborativos en entornos virtuales. Conclusiones del Estudio de usuario de interacción en interfaces de mapas inmersivos El diseño de estilos de interacción en entornos de realidad virtual inmersiva puede llegar a condicionar la aceptación del usuario y su rendimiento si estos no son correctamente validados. En el estudio realizado se pudo identificar que estilos de interacción gestuales, aunque pueden llegar a provocar un mayor nivel de inmersión en el usuario, pueden condicionar la eficiencia del usuario si el mismo no está familiarizado con las metáforas consideradas, o la tecnología no es capaz de capturar adecuadamente las intenciones del usuario. En cambio, estilos de interacción basado en dispositivos externos pueden resultar una alternativa eficaz si el usuario ya se encuentra familiarizado con estos dispositivos en sistemas no inmersivos. En cualquier caso, es importante identificar los perfiles de los usuarios cuando se diseñan estilos de interacción para entornos inmersivos y los mismos deben ser validados mediante estudios de usuarios para lograr una integración eficaz del estilo de interacción con la experiencia inmersiva. Conclusiones estudio de usuario de representación del espacio y conciencia situacional en interfaces de mapas inmersivos De igual manera, el diseño de apoyos visuales para generar Workspace Awareness y la representación de las mismas en el espacio colaborativo pueden condicionar el rendimiento de los usuarios en una tarea colaborativa ya que pueden no disponer o interpretar correctamente información del espacio, del colaborador y del espacio de trabajo que ayudan al usuario a tomar decisiones para aportar positivamente a la consecución exitosa de la tarea colaborativa. En el estudio realizado se pudo identificar que representaciones realistas del escenario de trabajo colaborativo no necesariamente implica una mayor eficiencia ya que el usuario puede llegar a verse sobrecargado de información o analizar todos los apoyos visuales disponibles puede llegar a causar una mayor carga de trabajo. En cualquier caso, es importante identificar y presentar correctamente la información relevante y que aporta mayormente a generar Workspace Awareness considerando la tarea colaborativa a realizar y el entorno inmersivo en el que los colaboradores van a desarrollar dicha tarea. REFERENCIAS [1] P. Diaz, T. Onorati, and S. del O. Pueblas, "Analyzing and visualizing emergency information in a multi device environment," Lect. Notes Bus. Inf. Process., vol. 265, pp. 181-194, 2016, doi: 10.1007/978-3-319-47093-1_16/TABLES/6. [2] J. Pirker, M. Holly, I. Lesjak, J. Kopf, and C. Gütl, MaroonVR-An Interactive and Immersive Virtual Reality Physics Laboratory BT - Learning in a Digital World: Perspective on Interactive Technologies for Formal and Informal Education. Springer Singapore, 2019. [3] T. Dwyer et al., "Immersive Analytics: An Introduction," in Immersive Analytics, K. Marriott, F. Schreiber, T. Dwyer, K. Klein, N. H. Riche, T. Itoh, W. Stuerzlinger, and B. H. Thomas, Eds. Cham: Springer International Publishing, 2018, pp. 1-23. [4] A. Hevner, M. Salvatore, P. Jinsoo, and R. Sudha, "Design Science in Information Systems Research," MIS Q., vol. 28, no. 1, pp. 75-105, 2004. [5] M. R. Endsley, B. Bolte, and D. G. Jones, "What is Situation Awareness?," in Designing for situation awareness: An approach to user-centered design, CRC press, 2003, pp. 13-30. [6] B. Ens et al., "Revisiting collaboration through mixed reality: The evolution of groupware," Int. J. Hum. Comput. Stud., vol. 131, pp. 81-98, 2019, doi: 10.1016/j.ijhcs.2019.05.011.