Content personalization approaches in cultural heritage (real, virtual and mixed) environments

Abstract

The need for Cultural Heritage communication has lead to solutions that take advantage of Information and Communication Technologies (ICTs) and even of more specific ICTs domains among which are the Virtual Environments, the Virtual Reality and Augmented Reality.Continuous accumulation of cultural heritage information and the access of a diversified audience of increasingly size sets challenges that were not produced or could not be faced by conventional channels of Cultural Heritage communication as museums, collections and libraries. In the present thesis the abundance of Cultural Heritage information and the particularities of its audience are considered to be a topic of research focusing on the information personalization in Cultural Heritage Environments. Special attention is given on Virtual Environments due to the fact that they provide flexibility and adaptation to their users requirements and respective solutions are proposed. Approaches applying these solutions on real environments and mixed environments resulting by Augmented Reality applications are also studied.The concepts of Virtual Environments, Virtual and Augmented Reality and their applications on Cultural Heritage communication are discussed in order to enhance the subject's better understanding. Furthermore, a review of latest research work related to: (i) the forms of Cultural Heritage Virtual Environments; (ii) up to date implementation aspects; (iii) the technologies, implementation methodologies and their challenges; (iv) the aspects of user's-visitor's interaction with the representation space (virtual, real or mixed); (v) the communication approaches of the represented Cultural Heritage and their categorization based on their purpose; (vi) the content management; (vii) the approaches on content recommendation and personalization; (viii) the principled of subjects' navigation in space and methods of navigation assistance; (ix) the discovery and planning of effective cultural visits routes; (x) methods and approaches for understanding of space properties and their effect on users'-visitors' navigation and interaction, is given.In the present thesis, (i) the requirements for effective Cultural Heritage communication in Virtual Environment; (ii) an methodology for implementing Cultural Heritage Virtual Environments; (iii) the architecture to provide their operation, are discussed and proposed as guidelines and solutions for similar cases. In addition to the implementation of Cultural Heritage Virtual Environment issues of their execution on computer machines are studied and more specifically the issue of performance as Virtual Environment's realism and the visualization of Cultural Heritage in high quality are demanding in computer resources. A set of tests is conducted showing that as realism and quality is increased the system's performance is reduced. In these tests the ability to reduce quality without affecting users experience is investigated. Also, usability aspects of Cultural Heritage Virtual Environments are studied focusing on users navigation in the represented space where two (2) approaches are tested and evaluated, namely: (i) free navigation; and (ii) fixed navigation. These two approaches are tested for their effectiveness depending on varying demographic factors aiming to provide the ability to recommend navigation method according to user's profile. Furthermore, navigation assistance methods are studied and proposed in order to enhance usability of free navigation.The research work review shows that there are no content management solutions specifically designed to provide services for Cultural Heritage Virtual Environments. Given that content management is considered to be a necessity for effective communication and personalization a framework to support Cultural Heritage Virtual Environments content and functionality is proposed. The discussed framework provides functionality for Cultural Heritage Virtual Environments and also for third-party applications of other types. A content recommendation model is developed and proposed. The proposed recommendation model takes advantage of the content organization provided by the content management framework and provides cultural recommendation according to users' interests.In order to provide personalized visits in Cultural Heritage Environments approaches resulting visiting recommendations that take into consideration users' interests and constraints are studied. In order to provide these recommendations, route planning approaches aiming at the discovery of routes are implemented. The discovered routes include the recommended objects of interest that will provide the maximum profit to users under user defined time constraints and spatial constraints consisting of users' starting point and users' target point. Route planing algorithms seeking to provide maximum profit are complex and computational intensive tasks and their computational difficulty is increased as the considered graph's or recommendations number are increased. In order to provide computationally efficient solutions approximate techniques are developed and tested for their efficiency and accuracy.The effort for personalized cultural visits leads to the personalization of cultural spaces. In the present thesis the concept of personalized distance effective exhibition designs is introduced as an approach to provide cultural spaces hosting objects of cultural heritage according to visitors'-users' interest while serving to keep the visit time below the user defined time constraints. A set of topologies providing the cultural space's structure are proposed. These topologies are designed in order to facilitate navigation, enhance interaction with the exhibitions and provide scalable spaces. The proposed topologies distance-effective property is studied and their results are compared.

Η ανάγκη για προβολή και προώθηση της Πολιτιστικής Κληρονομιάς έχει οδηγήσει στη δημιουργία λύσεων που εκμεταλλεύονται τις σύγχρονες Τεχνολογίες Πληροφορικής και Επικοινωνιών και ακόμα πιο εξειδικευμένων τομέων τους όπως τις τεχνολογίες Εικονικών Περιβάλλοντων και Εικονικής και Επαυξημένης Πραγματικότητας. Η δυνατότητα ενσωμάτωσης ολοένα μεγαλύτερου όγκου πληροφορίας αλλά και η πρόσβαση ενός διευρυνόμενου και ποικίλων ιδιαιτεροτήτων κοινού θέτει νέες προκλήσεις που οι παραδοσιακές μέθοδοι επικοινωνίας και προβολής όπως οι κατάλογοι, οι βιβλιοθήκες και τα μουσεία αφενός δεν ήταν σε θέση να δημιουργήσουν και αφετέρου δεν είχαν τα μέσα για να αντιμετωπίσουν. Στην παρούσα διατριβή η αφθονία της προσφερόμενης πληροφορίας καθώς και οι ιδιαιτερότητες του κοινού γίνονται αντικείμενο θεώρησης ως ζητήματος εξατομίκευσης του πολιτιστικού περιεχομένου όπως αυτό παρέχεται σε περιβάλλοντα Πολιτιστικής Κληρονομιάς. Ιδιαίτερη μνεία γίνεται στα Εικονικά Περιβάλλοντα καθώς προσφέρουν ευελιξία στη διαμόρφωση τους και δυνατότητες προσαρμογής στις ιδιαίτερες απαιτήσεις των χρηστών τους και με βάση αυτά προτείνονται λύσεις οι οποίες πέραν της εφαρμογής τους σε αυτά μπορούν να επεκταθούν σε πραγματικά περιβάλλοντα αλλά επίσης και στις ιδιαίτερες μορφές πραγματικών περιβάλλοντων τα οποία με τη χρήση μεθόδων επαύξησης πραγματικότητας μετατρέπονται σε χώρους μικτής πραγματικότητας. Για την καλύτερη κατανόηση του θέματος προσδιορίζονται βασικές έννοιες των Εικονικών Περιβάλλοντων, της Εικονικής και Επαυξημένης Πραγματικότητας και οι τρόποι εφαρμογής τους στην προώθηση της Πολιτιστικής Κληρονομιάς και παράλληλα γίνεται η επισκόπηση των πρόσφατων ερευνητικών προσπαθειών ως προς (α) τη μορφή των εφαρμογών Εικονικών Περιβάλλοντων Πολιτιστικής Κληρονομιάς, (β) τα τρέχοντα ζητήματα που σχετίζονται με την υλοποίηση αυτών, (γ) τις τεχνολογίες, τις μεθοδολογίες υλοποίησης και τις προκλήσεις που αντιμετωπίζονται ή που προκύπτουν, (δ) την αλληλεπίδραση του επισκέπτη-χρήστη με τον χώρο απεικόνισης (εικονικό, πραγματικό ή μικτό), (ε) τις μεθόδους προβολής της απεικονιζόμενης Πολιτιστικής Κληρονομιάς σε συνδυασμό με τους επιδιωκόμενους στόχους οδηγώντας σε μια κατηγοριοποίηση των υφιστάμενων προσεγγίσεων, (ς) τις μεθόδους διαχείρισης του περιεχομένου για τέτοιου είδους εφαρμογές, (ζ) τις προσεγγίσεις για την παροχή προτάσεων περιεχομένου και εξατομίκευσης αυτού, (η) τις αρχές που διέπουν την κίνηση υποκειμένων στον χώρο και τις μεθόδους διευκόλυνσης της, (θ) την εύρεση και τον προγραμματισμό βέλτιστων διαδρομών, (ι) τις προσεγγίσεις που εστιάζουν στη μελέτη του χώρου και την κατανόηση της επίδρασης της μορφής του στον τρόπο κίνησης και αλληλεπίδρασης των χρηστών-επισκεπτών με τα απεικονιζόμενα αντικείμενα Πολιτιστικής Κληρονομιάς.Στη συνέχεια παρουσιάζονται και προτείνονται (α) ένα σύνολο απαιτήσεων που θα πρέπει να ικανοποιούνται για την επίτευξη των στόχων Εικονικών Περιβάλλοντων Πολιτιστικής Κληρονομιάς, (β) η μεθοδολογία υλοποίησης και (γ) η αρχιτεκτονική ενός τέτοιου συστήματος. Επιπρόσθετα, ως προς τα ζητήματα εκτέλεσης μιας τέτοιας εφαρμογής και σε άμεση σύνδεση με τον τρόπο υλοποίησης μελετάται το ζήτημα του ρεαλισμού των απεικονιζόμενων χώρων και αντικειμένων και η επίδραση του στην απόδοση του υπολογιστικού συστήματος. Παρουσιάζεται ένα σύνολο δοκιμών που ως στόχο έχει να καταδείξει τη μείωση της απόδοσης καθώς η γεωμετρική πολυπλοκότητα αυξάνεται αλλά και να διερευνήσει τα περιθώρια μείωσης της γεωμετρικής πολυπλοκότητας χωρίς να επηρεάσει σημαντικά την εμπειρία των χρηστών. Παρουσιάζονται επίσης και δοκιμάζονται ως προς την ευχρηστία δύο διαφορετικές μέθοδοι προβολής Εικονικών Περιβάλλοντων, (α) η ελεύθερη περιήγηση σε αυτά, και (β) η κατευθυνόμενη περιήγηση, διερευνώντας την καταλληλότητα τους ανάλογα με τα δημογραφικά χαρακτηριστικά του χρήστη. Ως προς την μέθοδο ελεύθερης περιήγησης αναπτύσσονται και προτείνονται λύσεις για την παροχή περιηγητικής βοήθειας στον χρήστη με τη μορφή επαυξήσεων του περιβάλλοντος.Η επισκόπηση των σχετικών ερευνητικών προσπαθειών έχει καταδείξει την απουσία μεθόδων διαχείρισης περιεχομένου πολιτιστικής κληρονομιάς για εικονικά περιβάλλοντα. Η διαχείριση του περιεχομένου είναι βασική προϋπόθεση για την αποτελεσματική εξατομίκευση του και για τον σκοπό αυτό παρουσιάζεται ένα θεωρητικό πλαίσιο και ένας μηχανισμός για την οργάνωση και διαχείριση του συνόλου της πληροφορίας ενός πολιτιστικού εικονικού περιβάλλοντος. Το πλαίσιο αυτό απαντά τόσο στις ανάγκες διαχείρισης του περιεχομένου για χρήση του εντός της εφαρμογής αλλά και στις ανάγκες διάχυσης του σε τρίτες εφαρμογές ή συστήματα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ένα μοντέλο δημιουργίας προτάσεων περιεχομένου το οποίο στηρίζεται στην οργάνωση της πληροφορίας που προκύπτει από το πλαίσιο διαχείρισης και σε πληροφορία που αφορά στα ενδιαφέροντα του χρήστη και το οποίο μοντέλο ως στόχο έχει να προτείνει τους πολιτιστικούς πόρους που με βάση τα ενδιαφέροντα του αναμένεται να του προσφέρουν τη μεγαλύτερη ικανοποίηση. Όπως κατέδειξε και η βιβλιογραφική έρευνα πλήθος προβλημάτων ανάγονται ή σχετίζονται με το αντικείμενο της εύρεσης και του προγραμματισμού βέλτιστων διαδρομών και το θέμα αυτό έχει απασχολήσει ερευνητικά και τον χώρο των εφαρμογών πολιτιστικής κληρονομιάς. Στη διατριβή πραγματοποιείται ο καθορισμός των ζητημάτων των πολιτιστικών επισκέψεων και ακολουθείται μια προσέγγιση η οποία ως στόχο έχει να παρέχει αποτελεσματικές προτάσεις διαδρομών. Η προσέγγιση λαμβάνει υπόψη προτάσεις περιεχομένου όπως αυτές παρέχονται από το προτεινόμενο μοντέλο προτάσεων περιεχομένου, τους χρονικούς περιορισμούς στους οποίους υπόκειται ο επισκέπτης-χρήστης καθώς και στις παραμέτρους θέσης (αφετηρία – επιθυμητός προορισμός). Στη συνέχεια προτείνονται βελτιώσεις οι οποίες επιχειρούν να παρέχουν προσεγγιστικές λύσεις δεδομένης της υπολογιστικής πολυπλοκότητας του προβλήματος. Οι προτεινόμενες προσεγγίσεις συγκρίνονται ως προς την ακρίβεια και τη δυνατότητα επίλυσης των τιθέμενων προβλημάτων.Εκτός από τη δυνατότητα προσαρμογής των προτεινόμενων διαδρομών στις απαιτήσεις του επισκέπτη-χρήστη στην παρούσα διατριβή επιχειρείται η προσαρμογή των χώρων Πολιτιστικής Κληρονομιάς στις ιδιαίτερες απαιτήσεις των επισκεπτών. Η βασική απαίτηση για μη υπέρβαση των χρονικών περιορισμών της επίσκεψης δημιουργεί τις συνθήκες για τη διαμόρφωση του χώρου, στις περιπτώσεις όπου αυτό είναι εφικτό, με ιδιότητες τέτοιες που να παρέχει εξατομικευμένη τοποθέτηση αντικειμένων πολιτιστικού ενδιαφέροντος με βάση τα ενδιαφέρονται του επισκέπτη-χρήστη και μειώνοντας τις μεταξύ τους αποστάσεις ώστε να διευκολύνει την κίνηση του επισκέπτη-χρήστη. Στο πλαίσιο αυτό προτείνεται ένα σύνολο διατάξεων των αντικειμένων στον χώρο (τοπολογιών) οι οποίες στη συνέχεια μελετώνται ως προς τη δυνατότητα παροχής σύντομων διαδρομών ανάμεσα στα εκθέματα.