multitouch/docs/proposal.tex

\documentclass[10pt,a4paper]{article}

\usepackage[dutch]{babel}
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage{amsmath,hyperref,graphicx,booktabs,float}

% Link colors
\hypersetup{colorlinks=true,linkcolor=black,urlcolor=blue}

% Paragraph indentation
\setlength{\parindent}{0pt}
\setlength{\parskip}{1.5ex plus 0.5ex minus 0.2ex}

\title{Projectvoorstel\\Universal Visualization Appliance}
\author{\begin{tabular}{rl}
Naam:               & Taddeüs Kroes\\
Collegekaartnummer: & 6054129\\
E-mailadres:        & \texttt{taddeuskroes@hotmail.com}\\
Adres:              & Wethouder van Wijckstraat 40, 1107 BR Amsterdam\\
Telefoonnummer:     & 06-23437025\\
Begeleider:         & Dr. R.G. Belleman (UvA)\\
\end{tabular}}

\begin{document}

\maketitle
\tableofcontents
\pagebreak

\section{Introductie}

\subsection{Opbouw van dit document}

Eerst zal het probleem worden geïdentificeerd dat in dit onderzoek gaat
worden onderzocht.

Dat probleem wordt vervolgens vertaald naar een doelstelling en een
vraagstelling. De centrale vraagstelling wordt verdeeld in een aantal
deelvragen die elk een korte toelichting bevatten.

Na de vraagstelling wordt de afbakening van het onderzoeksgebied aangegeven.

Vervolgens wordt de onderzoeksmethodiek beschreven, bestaande uit een
faseverdeling en een ruwe tijdsplanning.

Tot slot wordt een blik geworpen op een project dat soortgelijk is aan dit
onderzoek.

\subsection{Probleemidentificatie}
\label{sec:probleemidentificatie}

% Ruwe probleemstelling

Data wordt verzameld in alle hoeken van de wetenschap. Wanneer de data echter
zijn verzameld, is het vaak een aparte uitdaging om deze op een zodanige
manier weer te geven dat er een waarneming kan worden gedaan. Deze
visualisatie wordt veelal gedaan met de hulp van een visualisatie-specialist,
omdat het voor de wetenschapper vaak zelf niet eenvoudig is om dit te
realiseren.

% Aanleiding

Robert Belleman\footnote{\url{http://staff.science.uva.nl/~robbel/}} is een
specialist op het gebied van visualisatie op de Universiteit van Amsterdam
(UvA), en deed de observatie dat bij gelijksoortige datasets de
visualisatiemethode overeenkomstig is.

% Ruwe doel

Dit roept de vraag op of de visualisatiemethode kan worden bepaald door een
computerprogramma dat de data analyseert, en op basis van die analyse een
visualisatiemethode kiest. Dit zou werk uit handen nemen van de
visualisatie-specialist, en de mogelijkheid geven voor wetenschappers om
hun eigen data snel te kunnen bekijken. Om deze reden heeft hij dit project als
afstudeerproject voor de bachelor Informatica beschikbaar gesteld.

% Setting/afbakening

De afstudeeropdracht is om de basis te leggen voor een computerprogramma dat
op lange termijn zoveel mogelijk soorten data kan analyseren en visualiseren.
Het is de bedoeling van de onderzoekers dat het programma zodanig modulair
wordt opgezet, dat er in de loop van de tijd meer modules op kunnen worden
aangesloten voor nieuwe analyse- en visualisatiemethodes. Vanwege de
beschikbare tijd om het onderzoek uit te voeren is besloten dat het
resulterende programma een ``Proof of Concept'' moet zijn. Er is besloten dat
het Proof of Concept 3D datasets moet kunnen visualiseren in interactie met
een multi-touch tafel. Deze is beschikbaar gesteld voor dit onderzoek door de
UvA.

\section{Vraagstelling}

\subsection{Doel van het onderzoek}

Het doel van dit onderzoek is om een bijdrage te leveren aan het ontwikkelen
van een universeel datavisualisatie-programma.

In dit projectvoorstel zal naar het programma worden verwezen met de naam
``UVA'' (Universal Visualizaton Appliance).

\subsection{Centrale vraag}

De centrale vraagstelling is hoe het Proof of Concept kan worden
gerealiseerd.
Dit bevat de implementatie van een kerncomponent voor het UVA programma, met
daarbij implementaties voor 3D-visualisatie en multi-touch interactie.

\subsection{Deelvragen}

\begin{itemize}
\item \emph{Welke taal (en evt. framework) zijn de beste keuze om het
programma in te ontwikkelen?}

Het kiezen van een taal is vooral afhankelijk van de beschikbaarheid van zgn.
``libraries'' met multi-touch ondersteuning. Voor
Python\footnote{\url{http://python.org}} bestaat bijvoorbeeld het
applicatieframework Kivy\footnote{\url{http://kivy.org}}.
      
\item \emph{Hoe werkt de communicatie met de multi-touch tafel?}

Het is nodig om te weten wat voor ``events'' er worden ondersteund door
frameworks als Kivy, om te bepalen welke touch-gebaren kunnen worden
geïmplementeerd.

\item \emph{Welke soorten 3D datasets zijn er en welke daarvan zijn relevant
om te ondersteunen in het Proof of Concept?}

De term ``3D dataset'' is een generieke benaming. Omdat de multi-touch
tafel in het bezit van de UvA is, zal het onderzoek zich in eerste
instantie richten op bestandsformaten die op de UvA worden gebruikt om de kans op
daadwerkelijk gebruik van het programma te vergroten.

\item \emph{Hoe kunnen de verschillende 3D datasets worden gevisualiseerd?}

Is het bijvoorbeeld makkelijk om OpenGL commando's te gebruiken? En wanneer er
vele duizenden vectoren zijn, is het dan nuttig om bijvoorbeeld clusters van
vectoren te groeperen tot een enkele vector?

\item \emph{Hoe kunnen multi-touch gebaren worden gebruikt in de interactie
met 3D datasets?}

Er moet een intuïtieve manier worden bedacht voor de interactie met 3D data
op een 2D scherm.

\item \emph{Wat is een goede structuur die toestaat om in de toekomst nieuwe
visualisatiemethodes toe te voegen?}

Een universeel programma moet flexibel zijn zodat ontwikkelaars gemakkelijk
nieuwe methodes kunnen toevoegen. Een voorbeeld van een al bestaand is
Eclipse. Elk component van Eclipse wordt gezien is een ``plugin''. Zo'n plugin
heeft een vast formaat waardoor het kan worden gebruikt in combinatie met
andere plugins. Een soortgelijke structuur is wellicht nuttig om te hanteren
in het UVA-programma.

De structuur moet flexibel genoeg zijn om een verschillende frameworks te
kunnen gebruiken in verschillende visualisatiemethodes. Kivy maakt
bijvoorbeeld gebruik van een eigen main loop (een functie die zorgt voor het
functioneren van de grafische interface). De loop is ``blocking'', dus is het
mogelijk nodig om gebruik te maken van threads voor continue taken.

\end{itemize}

\subsection{Afbakening}
\label{sec:afbakening}

Het onderzoek zou waarschijnlijk het best tot zijn recht komen wanneer het zou
worden uitgevoerd door meerdere onderzoekers. Omdat er echter slechts een
enkele onderzoeker is, en er een beperkte tijd voor het onderzoek beschikbaar
is, is besloten tot het maken van een Proof of Concept (zoals reeds vermeld in
hoofdstuk \ref{sec:probleemidentificatie}).

%Omdat het UVA-programma expliciet als opdracht is geformuleerd, wordt in dit
%onderzoek aangenomen dat er nog geen universeel programma voor
%datavisualisatie bestaat.

\section{Onderzoeksmethodiek}

\subsection{Fases}

Het onderzoek kan worden verdeeld in vier hoofdfases:

\subsubsection*{Oriëntatiefase}

De eerste fase is de oriëntatie op het werken met de multi-touch interface, en
op het weergeven van voorbeeld-datasets in 3D (gebruik makend van de OpenGL-
bindings\footnote{\url{http://kivy.org/docs/api-kivy.graphics.opengl.html}} in
Kivy).

Er moet bijvoorbeeld worden uitgezocht welke touch-gebaren worden herkend. Dit
kan worden getest met behulp van een testprogramma dat een bericht toont op
het moment dat een event optreedt.

Ook is het nuttig om een testprogramma te maken dat met behulp van de eerder
genoemde OpenGL-bindings een 3D plot maakt van een voorbeeld-dataset, om
bekend te worden met de OpenGL functionaliteit.

Daarnaast moet worden bepaald welke soorten 3D data gaan worden gebruikt, en
hoe het formaat hiervan eruit ziet.

\subsubsection*{Ontwerpfase}

Met de kennis die is opgedaan tijdens de oriëntatiefase kan een ontwerp worden
gemaakt van het kerncomponent van het programma, en de aansluiting hiervan op
de 3D/multi-touch visualisatiecomponenten.

\subsubsection*{Implementatiefase}

Deze fase bevat het daadwerkelijk programmeren van de ontworpen onderdelen.
Tijdens deze fase zullen ook ontwerpproblemen op een gedetailleerd niveau
worden opgelost. Denk aan het invullen van de grafische interface met knoppen
en eventuele widgets.

\subsubsection*{Verslaglegging}

Het is de bedoeling dat al tijdens de eerste drie fases wordt gewerkt aan de
basis van de afstudeerscriptie, in de vorm van documentatie. Tijdens de
laatste fase worden deze onderdelen waar nodig aangevuld en worden de overige
hoofdstukken geschreven.

\subsection{Tijdsplanning}

De planning volgens BlackBoard\footnote{\url{https://blackboard.uva.nl/webapps/login/}}
bevat acht weken voor de eerste drie fases, en drie weken voor het schrijven
van de afstudeerscriptie.

De ruw geschatte tijdsindeling voor de verschillende fases is:
\begin{table}[H]
\begin{tabular}{ll}
week 12-13 & Oriëntatiefase \\
week 14    & Ontwerpfase \\
week 15-18 & Implementatiefase \\
week 19-21 & Verslaglegging \\
\end{tabular}
\end{table}

\section{Relatie met vergelijkbaar onderzoek}

Er is gezocht naar programma's met een soortgelijke strekking met
het doel er inspiratie uit op te doen, zo is het programma ``UDAV'' gevonden.

UDAV\footnote{\url{http://udav.sourceforge.net/}} is een programma waarmee
data op verschillende manieren kan worden gevisualiseerd met behulp van
MathGL\footnote{\url{http://mathgl.sourceforge.net/}}. Om dit programma te
kunnen gebruiken is kennis nodig van de MathGL syntax, waar het UVA-programma
juist als eigenschap heeft dat er weinig kennis nodig is van de gebruiker.
Het zou echter wel een optie zijn om visualisatiemogelijkheden in de MathGL
library onder te brengen in een module voor het UVA-programma.

\section{Referenties}

\begin{itemize}
\item Homepage Robert Belleman \url{http://staff.science.uva.nl/~robbel/}
\item Python homepage \url{http://python.org}
\item Kivy homepage \url{http://kivy.org}
\item Kivy OpenGL-bindings documentatie \url{http://kivy.org/docs/api-kivy.graphics.opengl.html}
\item UDAV homepage \url{http://udav.sourceforge.net/}
\item MathGL homepage \url{http://mathgl.sourceforge.net/}
\end{itemize}

\end{document}