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INTERACTIVE MEDIA LAB DRESDEN, Germany
Prof. Dr.-Ing. Raimund Dachselt
Was zeichnet moderne Computeranwendungen aus?
Vorlesung Forschungslinie 17. Juni 2013
Natürlich(e) effektive Mensch-Computer-Interaktion!
Wolfgang Büschel, Ulrike Kister, Ricardo Langner, Martin Spindler, Sophie Stellmach, André Viergutz, Ulrich von Zadow
Prof. Dr. R. Dachselt, Dr. A. Mitschick, Dr. M. Frisch, Dr. A. Berndt, Paymahn Moghadasian Ramona Behling, Udo Wähner
TU Dresden – Faculty of Computer Science
Professorship Multimedia-Technology http://www.imld.de/
User Interface Lab
Design, create, build and evaluate Natural User Interfaces Concepts for the future of natural and seamless interaction
– with rich information spaces from several application domains – in environments with multiple displays and combined input modalities
– with a focus on interactive surfaces (tabletops, tablets, walls)
Modern Human Computer Interaction Interactive Information Visualization
Semantic Web Technologies Music Informatics
Freehand gestures Pen Input
Magic Lenses
Tangible Windows
Tangibles
Gaze control
Multitouch
Tilt gestures
Metaphorical Gestures Zoomable UIs
Exploration of and Interaction with Rich Media & Information
Spaces Foot Input
Mensch
Computer - Interaktion
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Evolution
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
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Gerätevielfalt Ausgabe – Displays
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden 9
Gerätevielfalt Ausgabe – Displays
Kleine (mobile) Geräte große (öffentliche) Displays Displaylösungen everywhere, every size
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
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Gerätevielfalt Eingabe – Interaktionsgeräte und -stile
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Interaktion mit/über – Tastatur, Maus, Joystick – Click-Wheel, Jog Dials, NaviPads… – Passive/Aktive Stifte und Zeigegeräte – Touch Pads, (Multi-)Touchscreens – 3D-Eingabegeräte – Bewegte oder beschleunigte Objekte (Wiimote…) – Vibrotaktile Interaktion, Haptik, Kraftrückkopplung – Gesten und Körperbewegung (Hände, Füße) – Muskeln, Tangibles – Sprache – Augensteuerung – Denken (Brain Computing)
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Gerätevielfalt Eingabe – Interaktionsgeräte und -stile
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Memex (1945), Sketchpad (1963)… VIDEOPLACE – An Artificial Reality
Krueger, Gionfriddo, Hinrichsen. 1985
Direct manipulation interfaces Hutchins, Hollan & Norman. 1987
The DigitalDesk calculator: tangible manipulation on a desk top display Pierre Wellner. 1991
The computer for the 21st century Mark Weiser. 1999
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Frühe und einflussreiche Arbeiten
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Post-WIMP User Interfaces – Multimodale Benutzungsschnittstellen – 3D User Interfaces (Virtual, Augmented, Mixed Reality) – Wearable User Interfaces [Mann 1998] – Tangible User Interfaces
[Fitzmaurice et al. 1995, Ishii & Ullmer 1997] – Natural User Interfaces – Organic User Interfaces [Vertegaal & Poupyrev 2008] – Reality-based Interaction [Jacob et al. CHI 08] – …
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Neue Generation von Interaktionsstilen
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Aspekte unserer realen Welt – Naïve Physics
Menschen besitzen gutes Basiswissen über physikalische Welt
– Body Awareness and Skills Menschen sind sich ihres Körpers bewusst und besitzen Fähigkeiten zu dessen Kontrolle und Koordination
– Environment Awareness and Skills Menschen nehmen ihre Umgebung wahr und besitzen Fähigkeiten zum Verhandeln, Manipulieren und Navigieren
– Social Awareness and Skills Menschen nehmen Mitmenschen in ihrer Umgebung wahr (meistens) und besitzen Fähigkeiten zur Interaktion mit ihnen
Post-WIMP oder Reality-based Interaction [Jacob et al. CHI 08]
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1. Stiftinteraktion
2. Multitouch
3. Multitouch & Stifteingabe
4. Gestensteuerung
5. Tangible Magic Lenses
Neuartige Interfacekonzepte
1. Stiftinteraktion
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Anoto Technologie
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© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Natürliche Interaktion mit ubiquitärem Stift & Papier – Malen, Zeichnen, Skizzieren, Schreiben… – Nutzung von digitalem Papier und digitalen Stiften
(Anoto-Technologie)
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Interaktion mit Digitalen Stiften & Papier
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Multi-User/Multi-Pen Malanwendung
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Pictable – Fotoverwaltung [Teamprojekt Klum, Thurm & Hu, 2008]
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Digital Paper Prototyping – [Masterarbeit Hallstein, 2010]
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Anwendung: Digital Paper Prototyping
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Digitale Stift- und Papierinteraktion in VR-Umgebungen – [Stellmach et al. M&C 2010] – Navigation und Interaktion, GUI auf Papier gedruckt – Reduzierung von GUIs in der 3D-Welt
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Anwendung: Interaktion mit Virtuellen Welten
Aussparungen Gummiband-aufhängung
2. Multitouch-Interaktion
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– SimMed adresses significant gap in medical education – Hybrid 2D/VR system – Study suggests significant learning effect – Results support hypothesis: Full realism isn’t necessary
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SimMed [von Zadow et al. CHI 2013]
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Grids & Guides – [Frisch et al. CHI 2011] – Layoutunterstützung für
Grafikeditoren – Präzise festlegbare
interaktive Gitter – Multitouch-Guides zur
flexiblen Objektpositionierung
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Graphische Layouts mit Grids & Guides
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Interactive Guides – Objektgruppierungshilfslinien
(Linien, Kreise, Kurven…) – Anordnen & Skalieren von Objekten
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Graphische Layouts mit Grids & Guides
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– Ausrichtung von Objekten – Stellvertreterkonzept
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Graphische Layouts mit Grids & Guides
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
– Pixelpräzise bimanuale Objektpositionierung entlang der Guides
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Graphische Layouts mit Grids & Guides
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden 30
Graphische Layouts mit Grids & Guides
3. Multitouch & Stifteingabe
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden 32
Motivation Node-Link-Diagramme
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Strukturelle Diagramm-Editoren
Oft unflexibel und einschränkend [Damm et al. 2000], [Grundy et al. 2007]
Skizzieren von Diagrammen
Digitale Remodellierung der Inhalte nötig [Chen et al. 2003]
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Motivation Node-Link-Diagramme
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Kombination aus Multitouch- und Stiftgesten auf interaktiven Displays zum Editieren von Diagrammen
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Editieren von Node-Link-Diagrammen [Frisch et al. Diagrams 2010]
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Studienteilnehmer (17) führten Gesten aus – Unabhängige Variable: Einhändig | Zweihändig | Stift (Handunterstützung optional)
– Am Anfang freie Wahl der Interaktionstechnik – 14 Diagramm-Editieraufgaben – Fragebögen, Videobeobachtung, Logging
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Methode: Von Nutzern vorgeschlagene Gesten [Wobbrock et al. 09]
Anfangssituation
Zielsituation
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
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Resultate – Analyse der 658 Gesten [Frisch et al. ITS 2009]
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Einhändige Interaktion: 141 Fälle (59%) Stift/Hand-Interaktion: 68 Fälle (29%) Bimanuale Interaktion: 28 Fälle (12%)
Resultate – Erste Wahl bei der Interaktionsmodalität
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© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Vorrangig einhändige und Stiftbedienung Bimanuale Interaktion für Zoomen, Skalieren, Kopieren
Skizzieren und strukturelles Editieren gleichermaßen Ungewöhnliche Gesten (nicht erkennbar) Dominanz der Desktop-Metaphor
– Teilnehmer fragten nach Buttons und Menüs – Hand auf Hintergrund gelegt zum Moduswechsel (Taste Strg)
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Resultate
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Resultate
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Resultate – Die Gestensammlung (46 Gesten)
Create node Create undirected edge Create directed edge
Create two directed edges Select node(s)
Move node(s) Scaling & Zooming
Copy sub-graph Change type of edge
Delete nodes & edges
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Creating nodes: Tapping , Sketching and Copying
Creating edges: Sketching, Tapping and Dragging
Selecting & moving nodes: Tapping, encircling, dragging
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Das final implementierte Gestenset
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Deleting diagram elements: Wiping, dragging to off-screen
Changing the type of an edge: “Rake” gesture, sequential crossing
Scaling, zooming and panning : Pinching, multi-finger dragging
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Das final implementierte Gestenset
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Beispielanwendung UML-Diagramme
[Frisch et al. ITS 2009] [Frisch et al. Diagrams 2010] [Heydekorn et al. CHI 2010]
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[Heydekorn et al. M&C 2010]
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Architektur zur Gestenerkennung (Multitouch, Stifte, Gesten)
4. Gestensteuerung
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Throw & Tilt & Touch – Kopplung: Smartphones & große Displays – [Dachselt & Buchholz, MEIS 2008 & CHI 2009]
Kombination von Interaktionsformen – Wurfgesten zum Transfer von Medien – Diskrete und kontinuierliche Neigegesten
zur Navigation – Zonen-Multitouchbedienung auf Handy
(ohne Sichtkontakt)
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Gestensteuerung mit mobilen Endgeräten
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Gestensteuerung mit mobilen Endgeräten
5. Tangible Magic Lenses
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Lagebewusste magische Linsen für Tabletopumgebungen – Tangible Interaction [Ishii & Ullmer 97] – Nutzung multipler Displays und der dritten Dimension – Magische Linsen [Bier et al. 1993]
als Fenster für virtuelle 2D/3D Informationsräume – [Spindler et al. M&C '09], [Spindler et al. ITS'09], [Spindler & Dachselt CHI'10]
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Tangible Magic Lenses
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Das Konzept
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Related Work
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Chameleon [Fitzmaurice 1993]
metaDESK [Ullmer & Ishii 1997]
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Related Work: Spatially Aware Tangible Displays
Foldable Interactive Displays [Lee, Hudson, Tse 2008]
SecondLight [Izadi et al. UIST2008]
Paper Windows [Holman et al. CHI2005]
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden 53
Klassifikation von Informationsräumen [Spindler et al. M&C '09]
Volumetrisch Geschichtet Zoombar Zeitabhängig
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden 54
Geschichteter Informationsraum
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden 55
Zoombarer Informationsraum
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden 56
Zeitabhängiger Informationsraum
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
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Volumetrischer Informationsraum
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Erweiterung um Annotationstechniken
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Annotationen Thumbnails Höhenindikator
Annotation und Navigation [Spindler & Dachselt ITS '09]
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Interaktionsvokabular [Spindler et al. ITS '10]
Translation Rotation Einfrieren Gesten
Direktes Zeigen Werkzeugkasten Metapher
Visuelles Feedback
Multiple Views
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden 61
Anwendungsbeispiel Informationsvisualisierung
[Spindler et al. InfoVis 2010] [Spindler et al. ITS 2010]
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
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Technischer Ansatz
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Tracking Tools 2.0: Rigid Body Tracking System – Position/Orientierung in hoher Präzision – Linsen IDs Multiple Linsen (Views)
Linsen Design – Papier, Pressspanplatte oder Plexiglas (günstig und leicht) – Beliebige Formen: Rechteck, Kreis, Quadrat, … – IR-reflektierende Marker
Perspektivkorrektur
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Technische Umsetzung
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Client-/ Server-Modell – VRPN (Lage/Orientierung von Linsen) – XML-RPC (Remote Procedure Calls)
Eigener Lens-Server – Tracking von Multiplen Linsen – Gesten-Erkennung – Stift-Interaktion mit Anoto – Offline-Unterstützung
(Mausemulation)
Client: – C#, C++ – OpenGL (Texturen, FBO) – Qt für GUIs
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Technische Umsetzung
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
[Spindler, Hauschild & Dachselt ITS '10]
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Tangible User Interface Palettes
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Application for 3D Interaction [Spindler et al. ITS 2012]
How can 3D interaction benefit from tangible displays with head input?
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Design Space: 3D Scene
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Global 3D Scene
Visible Part on Tabletop
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Concept of Tangible Windows
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Tangible Windows [Spindler et al. ITS 2012]
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© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Tangible Windows [Spindler et al. ITS 2012]
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Tangible Magic Lens Interaction – Demonstrationen
Ausblick
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Handgesten für 3D-Interaktion – [Franke et al. VR/AR'10] – Bimanuales Arbeiten – Navigation + Manipulation
Blicksteuerung in virtuellen Umgebungen – [Stellmach et al. ETRA '10, AVI '10] … – Gaze-only Interaktion – Synergistische blickbasierte Interaktion
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Vielfältige Interaktionsmodalitäten
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Grand Challenges – Tracking of input in environments rich of sensoric stimuli – Gesture recognition – Gesture disambiguation (from each other) – What IS an input? (start, end, meaningless gestures, Midas) – Recognition vs. recall – Combination of modalities (alternatively, adaption, synergy) – Efficiency of “natural” interaction care for magic AND efficiency – How to evaluate ubiquitous user interfaces – Appropriateness in particular situations – Social acceptance and implications – …
Herausforderungen
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© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Nahtlose Kombination von Modalitäten – Synergistische Nutzung, kontextabhängig, Adaption
Natürliche, magische UIs mit guter User Experience – Everywhere Interaction, organisch, in Alltagswelten integriert – Neue Formen der Mensch-Computer-Mensch Interaktion
Neue Formen der Evaluation Technologieentwicklung, Tracking, Softwaretechnologien Cool benutzbar produktiv
– Grundlegende und in Studien geprüfte Interaktionstechniken – Anpassung auf Anforderungen konkreter Anwendungsfälle
Entwicklungsprozess User Interface Engineering
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Herausforderungen und Ziele
© 2013, Raimund Dachselt, TU Dresden
Development Phase
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Entwicklungsprozess User Interface Engineering
Analysis Phase
Deployment / Integration Phase
Requirements Usage, Tasks, Context
Implementation
Design & Test Phase
Design Prototyping
Detailed UI-Design
Field studies
Evaluation of Mockups &
Models
Design Reviews
Evaluation of Requirements
Usability Tests
Evaluation
Idea & Sketching
Phase Ideas,
Sketches, Mockups
Play around, Explore, Discover
Usability Goals
High-fidelity Prototypes
Product
Domain Knowledge
Sketches, Storyboards, Low-fidelity Prototypes
All activities and phases: - iterative - user-centered - participatory - evaluated/tested
Can be alternative to , is part of