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Dipl. Inform. Marc Turnwald Informations- und Technikmanagement Institut für Arbeitswissenschaft, Ruhr-Universität Bochum www.imtm-iaw.rub.de Vorlesung.

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1 Dipl. Inform. Marc Turnwald Informations- und Technikmanagement Institut für Arbeitswissenschaft, Ruhr-Universität Bochum Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Touch und Gesten – Hard- und Software-Ergonomie 9 Touch- und Gesteninterfaces 9

2 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Touch und Gesten - Inhalt 7.1Geschichte und Definitionen 7.2Technik 7.3Eigenschaften und Design Regeln von Touch und Gesten Interfaces 7.4 Tables and Wallsize-Displays 7.5 Multiuser Interfaces 9

3 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Minority Report Minority Report (2002): Ein Mann der spezielle Handschuhe trägt steht vor einem großen, durchscheinenden Bildschirm. Er schwingt seine Arme vor dem Bildschirm und die Objekte auf dem Schirm bewegen sich analog zu seinen Gesten. 9.1

4 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Jeff Han Jeff Han (2006) auf der TED Konferenz: Ein Mann steht vor einem Publikum und und bewegt seine Finger über einen Touchscreen. Die Objekte bewegen sich, analog zu seinen Gesten. 9.1

5 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Prinzipielle Unterschiede: Generell lassen sich heute zwei Arten von Gesten Interfaces unterscheiden: Touchscreen und free-form. Touch User Interfaces (TUIs), setzen voraus, dass der Benutzer den Screen direkt berührt. Free-form gestural Interfaces erlauben ein weiteres Spektrum an Gesten, benötigen aber häufig zusätzliche Eingabegeräte (z.B. Gloves) 9.1

6 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Natural User Interfaces (NUIs) Die Benutzung des ganzen Körpers kann als als natürlichere Eingabe- oder Interaktionsform angesehen werden als das klassische Interaktionskonzept mit Maus und Tastatur. Daher werden Gesten Interfaces auch häufig als NUIs bezeichnet. (Bild: How the computer sees us) 9.1

7 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Andere populäre Beispiele 9.1

8 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Andere populäre Beispiele 9.1

9 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Entwicklung von Touch Interfaces : Elograph,Erste Touchtechnologie, Samuel C. Hurst

10 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Entwicklung von Touch Interfaces : Elographics entwickelt die five-wire resistive Technologie. Diese ist heute noch weit verbreitet und wird erst momentan von den aktuellen kapazitiven Technologien abgelöst. 1977: Elographics entwickelt unterstützt von Siemens Accutouch das erste echte Touchscreen Gerät.

11 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Entwicklung von Touch Interfaces : Nimisch Mehta entwicklelt an der Universität von Toronto für seine Masterarbeit das erste multitouch fähige System überhaupt. Multitouch: Es können mehrere Kontaktpunkte gleichzeitig erkannt werden. In den 80ern: Außerhalb der akademischen Welt halten Touchscreens im industriellen und kommerziellen Bereich Einzug. (POS touchscreens)

12 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Entwicklung von Touch Interfaces : Hewlett-Packard 150 Hatte keinen traditionellen Touchscreen, aber der Schirm war von horizontalen und vertikalen Infrarotstrahlen überdeckt. Wurden diese unterbrochen wurde der Cursor an die gewünschte Stelle (oder in ihre Nähe) gesetzt.

13 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ HP

14 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Entwicklung von Touch Interfaces 9.1 Anfang der 1990er: Pierre Wellner bei Rank EuroPARC entwickelt den Digital Desk. Der Digital Desk benutzt Videokameras und einen Projektor um eine digitale Oberfläche auf einen Schreibtisch zu projezieren.

15 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Entwicklung von Touch Interfaces : Lionhead bringt mit Black and White ein vollständig über Gesten steuerbares Spiel heraus. (Steuerung über den Essential Reality P5 Glove, alternativ auch per Maus)

16 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Entwicklung von Touch Interfaces : EyeToy für PS2 (EyeToy Play) Mitte 2000: Sind Touch und Gesten Interfaces auf dem Massenmarkt angekommen. 2006: Nintendo Wii 2007: IPhone und IPod Touch 2008: LG, Sony Ericsson, Nokia ziehen mit Touch Mobiltelefonen nach, Microsoft startet Microsoft Surface 2010: IPad, Interaktive Touchscreens halten Einzug in der Sportberichterstattung, Mircosoft startet Kinect für Xbox

17 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Weniger bekannte Entwicklungen : Simon von IBM und Bell, erstes Touchhandy, konnte z.B. die Alphanumerische Tastatur nicht auf einmal darstellen. (eine Dekade zu früh) 1993: Apple Newton Message Pad (eingestellt 1998) 1996: Palm Pilot 1000 relativ großer Erfolg 2001: MS Tablett PC, Win XP Tablett Edition 2006: Microsoft und Intel entwickeln den Ultramobile PC (relativ großer Flop)

18 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Warum sind einige Geräte erfolgreich und andere nicht? 9.1 Unterschiede in der Sensorik / Darstellung Unterschiede im allgemeinen Bedienkonzept Unterschiede bei der Auswahl von zum gewählten Bedienkonzept passenden Anwendungen und Funktionen. (und umgekehrt) AnwendungBedienkonzeptTechnik BedienkonzeptAnwendung?

19 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Warum sind einige Geräte erfolgreich und andere nicht? 9.1 Später mehr...

20 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Technik 9.2 Basic components of any gestural system: Sensor Comparator Actuator Environment Input Output Feedback Disturbances Measured by alerts drives affects affect

21 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Sensoren 9.2 Was Sensoren messen können: 1.Druck: Etwas wird gedrückt oder drauf gestellt 2.Licht: Kamera, Photodetektor, Infrarot-Muster 3.Abstand/Anwesenheit: Ist ein Objekt da? Z.B. Infrarot 4.Geräusche: Mikrophon 5.Raumlage: Winkel im Vergleich zu einem virtuellen Horizont/Koordinate, Lagesensoren 6.Bewegung: Microwellen, Ultraschall (Bewegung und Geschwindigkeit), Infrarot-Muster 7.Position und Richtung: GPS, Kamera, Triangulation der Abstände

22 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Touchevents 9.2 Ein Touchevent tritt auf, wenn ein Benutzer eine Oberfläche berührt. Verschiedene Touchevents entstehen aus einer Kombination von Sensorevents und Comparator Mustern. Die wesentlichen Unterschiede resultieren aus der Technologie, die eingesetzt wird um Berührungen festzustellen. Häufig eingesetzte Varianten sind: Resistiv, Kapazitiv, Diffused Illumination (DI), FTIR (Frustrated total internal reflection) Je nach eingesetztem Verfahren sind Single- oder Multitouch-Events möglich.

23 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Resistive Touchscreens 9.2 In der Regel aufgrund der Geometrie nur Single Touch.

24 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Kapazitive Touchscreens 9.2

25 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Kapazitive Touchscreens 9.2

26 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Modlab: Optical sensory 9.2 Je nach Anzahl der eingesetzten Kameras Single oder Multi-Touch Erkennung möglich. 2 Kameras SingleTouch

27 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Diffused Illumination Multitouch Erkennung

28 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Frustrated Total Internal Reflection Multitouch Erkennung

29 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Andere Sensorik: 9.2 Nintendo Wii: In der Wii-mote ist eine Infrarotkamera eingebaut. Diese kann das am Bildschirm positionierte Infrarotsignal erkennen. Zusätzlich sind in der Wii-mote mehrere Lage-Sensoren integriert. Die Verbindung der Wii-mote zur Wii erfolgt über Bluetooth. Kinect: Die Basisstation (Sensorleiste) sendet ein Infrarotmuster (vgl. Anoto-Muster) in den Raum. Dieses Muster wird von der ebenfalls in die Sensorleiste integrierten Kamera empfangen. Damit kann ein 3D-Bild des beleuchteten Raums erstellt werden. Ein Comparator erfasst dann Veränderungen.

30 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Andere Sensorik: 9.2 Kinect:

31 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Eigenschaften von Gesten 9.3 Gesten Interfaces eigen sich mehr oder weniger gut in bestimmten Situationen oder zu bestimmten Zwecken. Daher ist es gut wenn man die generellen Attribute von Gesten kennt um zu prüfen, ob sie den Anforderungen angemessen sind.

32 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Pro und contra Gesten basierte Interfaces Mehr Natürlichkeit bei der Interaktion + Weniger störende /sichtbare Hardware + Nuanciertere Interaktionen werden möglich (Mimik) + Mehr Spaß - Schwierigere Eingabe von Daten - Problem durch Abstützung auf der Visualisierung - Problem durch Abstützung auf physikalischer Interaktion - Unangemessenheit in bestimmten Kontexten

33 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Generelle Attribute von Gesten Vorhandensein (Präsenz) 2.Dauer 3.Position 4.Bewegung 5.Druck 6.Größe der Geste 7.Richtung 8.Verwendete/Vorhandene Objekte 9.Anzahl der Touches / Kombination der Touches 10.Sequenzen 11.Anzahl der Teilnehmer

34 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Eigenschaften von guten gesten-basierten Interfaces 1.Discoverable 2.Trustworthy 3.Responsive 4.Appropriate (Situation, Kultur, Kontext) 5.Meaningful (Geste hat eine Bedeutung für die Person) 6.Smart/Clever 7.Playful 8.Pleasureable (Feedback sollte den Sinnen gefallen) 9.3

35 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Eigenschaften von guten gesten-basierten Interfaces Beispielvideo: Bergbaumuseum Bochum 9.3

36 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Eigenschaften von guten gesten-basierten Interfaces BTW: Bergbaumuseum Bochum 9.3

37 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Touch/Gesten Interfaces vs. klassische Interface Konventionen Viele der traditionelle Interface Konventionen funktionieren gut bei Touch und Gesten-basierten Interfaces. (Selecting, drag-and-drop, scrolling) Es gibt jedoch einige wichtige Ausnahmen! 9.3

38 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Cursor 9.3 Direct Touch: Interaktion findet dort statt, wo die Berührung erfolgt Cursor wird nicht mehr benötigt. Indirect Touch: Abbildung der Touch Events auf eine Cursorposition. Z.B. bei großen Bildschirmen / Tables Problem: Mapping von Events und Cursor. Offset- Problem

39 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Cursor-Offset 9.3 Beispiel:Fixes Offset

40 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Hover und mouse-over events 9.3 -Hover und Mouse-over sind in der Regel nicht möglich. - Was getroffen wird wird direkt selektiert (geklickt). -Point and Click-Paradigma nicht verwendbar. -Drop-Down Menus verhalten sich anders, bzw. funktionieren nicht.

41 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Double-Click 9.3 -Double Clicks sind in der Regel schwierig. -Problem die gleiche Stelle 2 mal zu treffen. Geht am einfachsten, wenn der Selections Mechanismus target aware ist. -(target aware: Mechanismus kennt die zu treffenden Objekte) Genauigkeit hängt von der Größe der Objekte ab. Keine Pixelgenauigkeit.

42 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Rechtsklick 9.3 -Es gibt keine Maus, also auch keine rechte Taste -Bei Touchinterfaces öffnet man Kontextmenus i.d.R. bei der Selektion direkt mit. Smart Buttons -Bei Multi-Touch sind Mehr-Finger-Klicks möglich um einen Rechtsklick zu emulieren. Z.B. Tap mit zwei Fingern - auch Problem bei Drop-down Menüs (vgl. Hovering)

43 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Cut and Paste 9.3 Selten implementiert Tastenkombinationen entfallen Problem bei 2-dimensionalen Objekten: Wo erwarte ich das Objekt beim Einfügen? (z.B. SeeMe) Bei Texten mittlerweile vorhanden (Iphone)

44 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Multi-Selektion 9.3 Keine Ctrl-Taste. Wie markiere ich mehrere beliebige Elemente? Problem: alles was ich selektiere bleibt selektiert Multiselektion als spezielle Funktionen Modus Alternative: Objekte einkreisen per Zeichenfunktion

45 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Default Buttons 9.3 Kein Return. Wie mache ich den Defaultbutton kenntlich? Wie löse ich ihn alternativ aus? Nintendo Wii.

46 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Undo 9.3 Es ist schwierig eine Geste / Direkte Manipulation rückgängig zu machen, wenn sie einmal ausgeführt wurde. -Undo Button anbieten? -Undo Geste anbieten? - Undo ist häufig nur für den letzten Ausführungsschritt implementiert. Vorbereitungsschritte (z.B. Multiselektion) gehen verloren.

47 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ States and Modes 9.3 Gestenbasierte Interfaces sind in der Regel modeless. Problem: Modi müssen erkennbar sein. Cursor fehlt! Modi müssen gewechselt werden können. Welche Geste gilt in welchem Modus?

48 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Angemessene Gesten anbieten 9.3 Wie findet man die richtigen Gesten? Regel: Die Komplexität der durchzuführende Geste sollte der durchzuführenden Arbeitsaufgabe entsprechen. 1.Möglichkeit (bei einfachen Tasks): Aufgabe analysieren Angemessene Geste auswählen. 2.Möglichkeit: Aufgabe beschreiben. Leute fragen, welche Geste sie dazu ausführen würden. 3.Möglichkeit: Geste anbieten, Leute fragen, welche Aufgabe /Funktion sie mit der Geste assoziieren würden.

49 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Design von Touch und Gesten Interfaces 9.3 Regeln für ergonomische Bewegung: -Äußere Positionen vermeiden: keine Überstreckung / Dehnung -Ständige Wiederholungen vermeiden -Muskeln Gelegenheit geben sich zu entspannen -Entspannte Haltung ermöglichen -Statische Haltungen vermeiden -Externe oder interne Krafteinwirkung auf Gelenke vermeiden

50 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Design: Finger und Hände 9.3 Fingerdurchmesser: 16 – 20 mm Fingerspitzen: 8-10 mm Gewöhnlich wird die Fingerfläche benutzt: mm Ziele sollten dem angemessen sein Lange oder künstliche Fingernägel sind ein Problem für die meisten Touchscreens 7-10% der Erwachsenen Bevölkerung sind Linkshänder

51 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Design: Größe von Touchzielen 9.3 Touch Targets sollten nicht kleiner als 1 cm im Durchmesser sein. (1cm*1cm bei rechteckigen Zielen) Berechnung der Zielgröße in Pixeln: Target = targetbreite in cm * screenbreite in pxls / screenbreite in cm

52 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Design: Überdeckung durch die Hand 9.3 Die eigene Hand verdeckt Teile des Bildschirms bei Touchinterfaces. Niemals wichtige Informationen wie Feedback, Anweisungen, Bezeichnungen, Untermenüs unterhalb eines Touchziels platzieren!

53 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Design: Größe von Touchzielen 9.3 Target aware pointing: Das System verwendet Informationen über den Kontext der berührten Stelle, der Aufgabe und des aktuellen Zustands um zu berechnen, was der Benutzer treffen wollte. z.B.Smart Pointing Iceberg tip: Die Visualisierung ist kleiner das Touch Ziel der Benutzer zielt genauer

54 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Tables und Walls 9.4

55 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Probeme bei Touch Tables 9.4 Man sitzt um den Tisch verteilt. Es gibt keine gemeinsame Richtung aus der man auf die Artefakte blickt. Lösung : Interface muss es erlauben Objekte in beliebige Richtungen drehen zu können. Die Reichweite für direkte Interaktion mit den Objekten beschränkt sich auf den eigenen Greifraum. Man benötigt zusätzlichen Platz für die Ablage und Benutzung weiterer Eingabegeräte: Tastatur, Maus

56 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Vorteile bei Touch Tables 9.4 Man sitzt um den Tisch verteilt. Kommunikation mit anderen ist einfacher (Sichtkontakt) Man kann Dinge auf dem Tisch abstellen Interaktive Erweiterungen, sog. Tangibles benutzen Z.B. Slap Widgets

57 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Tangibles: Slap Widgets 9.4

58 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Probleme bei Interactive Walls 9.4 Man steht vor der Wand Je nach Entfernung sieht man nur Teile des Interfaces In Interaktionsreichweite ist der Sichtbereich begrenzt: Feedback oder Meldungen erscheinen dann häufig außerhalb des wahrgenommenen Bereichs Man benötigt Platz/Ort für die Ablage zusätzlicher Eingabegeräte Bei längerer Interaktion ermüdet man schneller als am Table Statische Toolbars müssen jedes mal erlaufen werden.

59 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Vorteile bei Interactive Walls 9.4 Man steht vor der Wand Es gibt eine gemeinsame Ausrichtung der Objekte für alle Teilnehmer Teilnehmeranzahl kann größer sein als bei Tables Der direkte Interaktionsbereich ist größer als bei Tables. Alle Objekte können erlaufen werden.

60 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Multiuser Interfaces 9.5 Single Display Groupware: SGD Mehrere Benutzer teilen sich das Display um gemeinsam daran zu Arbeiten. Jeder Benutzer hat einen eigenen Eingabekanal (Maus und Keyboard). Das Interface kann verschiedene Kanäle gleichzeitig verarbeiten.

61 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Multiuser Interfaces 9.5 Problem: Ein Touch Interface ist im Prinzip nur ein einziger Kanal. Sollen mehrer Benutzer damit arbeiten, müssen diese unterschieden werden können oder können nur nacheinander Arbeiten (social protocol). Social Protocol: Man unterbricht den anderen nicht absichtlich, sondern schaut, wann man problemlos Arbeiten kann. (Bei großen Wänden schwierig)

62 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Multiuser Interfaces 9.5 Benutzer zu unterscheiden ermöglicht es Interaktionsprozesse in kleinere Interaktionstasks zu zerlegen und dem richtigen Prozess zuzuordnen. Diamond Touch: Unterschiedliche Benutzer haben erzeugen unterscheidlichen kapazitiven Wiederstand Andere Idee: Kamera erkennt Fingerandrücke. Momentan Handformen RFIDs? Farbige Handschuhe?

63 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Diamond Touch 9.5

64 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Diamond Touch 9.5

65 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Multiuser Interfaces 9.5 Benutzerunterscheidung durch Biometrische Analyse von Touches ausprobiert: eher schlechte Ergebnisse ohne Tiefeninfo (z-koordinate) Benutzer sind unterschiedlich groß (Eintauchwinkel), Touchen unterschiedlich schnell. Touchprofil wird erlernt und wiedererkannt. Anderer Ansatz: Das Interface bietet die Möglichkeit zur Zerlegung von Touchprozessen in einzelne Tasks. Jeder Prozess wird mit einer ID versehen und dem Benutzer angezeigt. Ermöglicht die Verteilung eines Interaktionsprozesses auf verschiedene Benutzer.

66 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Multiuser Interfaces 9.5 Prototyp: Koppelung der Kinect-Benutzerunterscheidung mit der feineren Berührungssensorik der Wand Preview of Move-Action (164) Preview … … Move 164 Preview 2 Touch-Sensor: KinectLive-Bild

67 Vorlesung Hard- und Software-Ergonomie, WS 2011/ Touch und Gesten Interfaces Vielen Dank... 9


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