ParcTab - TECO – Technology for Pervasive Computing

Transcrição

Aufbau der Vorlesung
1
2
Grundlagen
5 Information
Geräte
6 Interaktion
Ubiquitous Computing
3
Vernetzung
7 Anwendungen
(Ubiquitäre Informationstechnologien)
4
Kontext
Vorlesung im WS 02/03
7
Anwendungen
6
Michael Beigl
Universität Karlsruhe
Institut für Telematik
Telecooperation Office
www.teco.uni-karlsruhe.de
Geräte
Interaktion
2
Kontext
3
4
Vernetzung
digitale Welt
reale Welt
(vorverarbeitete)
Information
5
Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO
Grundlagen
Einflüsse
§
§
§
§
§
Vannevar Bush 1945: “As We may think“
Einflüsse
Mark Weisers Vision
Historische Zeitlinie
ParcTab
Reactive Environments
2-2
§ Technologie hat bisher Arbeitskraft erweitert/ersetzt
§ Technologie soll intellektuelle Leistung erweitern/ersetzen
Douglas Engelbart 1962
§ Konkretisierung der Idee V.Bushs
§ „augmenting human intellect, improvement
infrastructure, co-evolution of artifacts with
social-cultural language-practices, and bootstrapping“
J. Licklider 1968: „The Computer as a
Communication Device“
Quelle:www.bootstrap.org
§ Arpa-Net, globale Vernetzung
PARC: Xerox Palo Alto Research Center
§ Realisierung eines Teils der Ideen
§ Alto: erster Stand-Alone Rechner mit GUI
§ WYSIWIG, Ethernet, Smalltalk
§ Client/Server: File, Mail, Boot, Printer
2-3
2-4
Einflüsse
Grundlagen
Myron Krueger, 1974 (Anfänge 1969) !
§ Verbindung zwischen virtueller Welt der Daten (dargestellte
Artefakte) und realer Welt
(dem Benutzer)
§ Dargestellt als Kunst
§ Grundelemente enthalten: System erkennt Ereignisse in realer
Welt (Kontext), verarbeitet diese und gibt direkte Reaktion auf
diese Ereignisse (Effektoren)
§
§
§
§
§
2-5
Einflüsse
Mark Weisers Vision
ParcTab
2-6
Weiser: Ubiquitous Computing
Mark Weiser (1952-1999)
The Place of computer technology in our lives...
§ 1988-1995 Manager of the C.S. Lab, PARC
§ ab 1988 Ubicomp Forschungsprogramm am PARC
§ 1991 “The Computer for the 21st Century”,
Grundlagenartikel im Scientific American
§ 1999 ACM SIGMOBILE Award
Vision & Umsetzung
§ ParcTab Ubiquitous Computing Experiment
§ “preliminary testbed for Ubiquitous Computing”
§ “emphasizing context, sensitivity, casual interaction and spatial
arrangement of computers”
„As inexpensive computers add limited intelligence to a wider
variety of everday products, a new model of computing becomes
possible“
2-7
Mainframe Comp.
many people share
a computer
Personal Comp.
one computer, one
person
Ubiquitous Comp.
many computers share each of
us
Nutzung gut
vorbereitet
direkte explizite Nutzung
Nutzung implizit/unbewußt
“run by experts
behind closed doors”
“while it may take you
where you want to go,
it requires
considerable attention
to operate”
“each person is continually
interacting with hundreds of
nearby interconnected
computers”
2-8
Weiser Ubiquitous Computing
“Gute Technologie ist unsichtbar”
§ “invisible technology stays out of the way of the task”
§ Beispiel Schrift, Auto, Elektrizität
§ “bad technology draws attention to it”
§ “(today’s) computers are mostly not invisible”
§ integiert in die reale Welt
um unsere Gedanken für neu Ziele freizuhaben
Einbettung von Funktionalität in Welt
statt Abbildung der Welt im
Rechner
§ “Ubicomp is the inverse of virtual reality”
§ VR reduziert den Menschen zu einer
“Sensormaschine” (kein Kontext!)
§ und macht so den Computer unsichtbar
Verändertes Nutzerbild (“a return to the whole person”)
§ “Rational analysis is only a small part of the successful person”
§ “Planning is only a small part of thinking and work”
§ nicht nur ein Interface(-beschreibungs) Problem
“Embodied Virtuality”
§ Einbettung von Rechner in Welt/Artefacte
§ Ein Werkzeug = eine Funktion(sgruppe)
§ „Ubicomp honors the complexity of human relationships, the fact that we
have bodies, are mobile“
Quelle: www.ubiq.com
2-9
Weiterentwicklung: Nardi & O’Day
Computer als „good tools“
§ erfordert keine explizite Aufmerksamkeit, sondern halten sich im
Hintergrund
§ besitzen an Aufgaben angepaßte, optimierte und offensichtliche
Bedienung
§ Ausprägungen: Einfaches Werkzeug zur direkten Verwendung
Computer als Sekundärartefakt
§ „tools are not invisible in themselves, but as part of a context of
use“
berücksichtigen den Kontext
Information Ecologies, MIT Press
4 Modelle für die Modellierung von Computern
§ Computer als Werkzeug
? Fokus auf einzelner Computer (kann auch Teil der unten
stehenden Modelle sein)
? Mensch als Nutzer
§ Computer als Text
? Speichern & Transport von Informationen
§ Computer als System
? Komplexes technisches Gebilde
? Sicht nur anhand der Technik
§ Computer als Ecology
? Einbettung von Computern in Abläufe
? Einbeziehung des Menschen
2-11
2-10
2-12
Grundlagen
§
§
§
§
§
§ Z.T. Konzepte unter
anderen Namen
schon vorher
vorhanden
Einflüsse
Mark Weisers Vision
ParcTab
Responsive Environments, Krueger, 1974
Ubicomp, XeroxParc, 1988
ActiveBadge, ORL Cambridge, 1988
XeroxParc ParcTab etc. 1991
Things That Think, MIT MediaLab, 1991
Wearable, Augmented Reality z.B. KARMA (CMU), 1993
Adaptive Home, Boulder, 1993
Newton, Apple, 1993
PocketWeb, TecO, 1994
Buxton: Reactive Environment, 1995
Classroom2000, FCE, GeorgiaTech, 1997
MediaCup, TecO, 1998
Oxygen, MIT, 1999
Cooltown, HP Labs, 1999
Portolano, Washington, 1999
Smart Dust, Berkeley, 2000
Smart-Its, TecO, 2000
2-13
Historische Zeitlinie: Geräte
2-14
Grundlagen
Psion 1, 1984
XeroxParc ParcTab 1991
Newton Message Pad, Apple 1993
§
§
§
§
§
Einflüsse
Mark Weisers Vision
ParcTab
Palm Pilot, US Robotics/3Com 1996
Windows CE Geräte (CE 1.0) 1996
Win CE 2.0, 1997
HP 620LX erstes Color Display, 1997
+ Newton, Apple, 1998
Palm Clones/ OS Licence, 1999
Visor Handspring,1999
Pocket PC / Windows CE 3.0, 2000
2-15
2-16
Umsetzung der Vision: ParcTab
ParcTab
Forschungsschwerpunkte 1988 für ParcTab
§ Device
§ Energy
§ Bandwidth / Network
§ Display / Interaction
§ auch: Security/Privacy
Methodik
§ Empirischer Ansatz XeroxParc: “Build what you use. Use what you
build”
§ Mark Weiser: "You let what you build change you, and you move on."
(Living Lab)
§ Prototyp-Infrastruktur in eigener Büroumgebung
“two issues [are] of crucial importance: location and scale”
§ Lokation ausgezeichneter Kontext
§ Maßstab, Formfaktor als Merkmal der Anpassung des Computers an die
Welt
§ Verschiedene Geräte für verschiedene Aufgaben
§ Aber: Zusammenarbeit: “The real power of the concept comes not from
any one of these devices; it emerges from the interaction of all of them. „
Realisierung
§ Viele, insbesondere unpersonalisierte Geräte
§ Interkonnektivität der Geräte untereinander und zu
Informationsnetzwerken
§ Verschiedene Geräte für verschiedene Anwendungsfunktionen
§ Lokation als Kontext
2-17
ParcTab Projektziele
Geräte: Tabs, Pads und Boards
Geräte
§ Entwicklung von beispielhaften mobilen Geräten
Netzwerke
§ Netzwerke für große Anzahl von Rechnern,
§ geringer Energieverbrauch
Information und Infrastruktur
§ Ubiquitärer Zugriff auf Information und Dienste
Kontext
§ Gewinnung und Einbeziehung von Kontext zur Verbesserung der Fkt.
von Gerät, Netzwerk, Interaktion, Anwendung
Interaktion
§ Gestaltung von nicht-expliziter Interaktion sowie Interaktion mit mobilen
Geräten
Anwendung
§ Nutzung von Lokation und Kontext
2-18
2-19
Geräteklassen
§ Aufteilung anhand der Größe der Geräte
§ Tabs: Notizzettel-ähnliche Abmessung,
„PDA-Terminal“ mit Netzwerk
Quelle: www.ubiq.com
§ Pads: erster Tablet-“PC“: Stiftbedienung,
wireless LAN
§ Boards: Liveboard, Touchsensitive
Oberfläche, Integriert mit Tab und Pad,
nur für CSCW Anwendung (Tivoli)
Quelle: Roy Want
“...for each person in an office there should be
hundreds of tabs, tens of pads and one or
two boards”
Quelle: www.parc.com
2-20
Geräte: Tabs, Pads und Boards
Geräte: ParcTab
Allgemeine Designrichtlinien
§ klein, leicht, ästhetisch, ergonomisch
§ als Accessoire vom Benutzer akzeptiert
§ angepaßte Laufzeit des Geräts
§ preiswert
§ angepaßte Bedienung an Funktionszweck
§ Zuverlässig
Technik
Quelle: http://www.ubiq.com/
§ 10.5 x 7.8 x 2.4 cm
§ 215g, davon 70g Batterie (360mAh)
§ 8-bit embedded Microcontroller, 8051
derivat, low-power Modi
§ 27 mA@5V run, 30µA sleep
§ für Links- und Rechtshänder
Spezielle Designrichtlinien
§ Informationsgeräte Stiftbedienung
§ Tab: Einhändige Bedienung
§ Batterielaufzeit mindestens ein Tag
§ Zuverlässiges Netzwerk
§ 128*64 LCD monochrom, touch
§ Stift oder/und 3 Knöpfe
2-21
Netzwerk
ParcTab Mobilkommunikation
Prinzip
2-22
ParcTab Info-Infrastruktur und
Netzwerk
§ Master/Client Netzwerk mit Infrastruktur
über Deathstar Basestation Transceiver
Tab 1
§ Infrarotkommunikation (850nm, 9600
oder 19200 baud)
§ diffuse Kommunikation (kein IrDA!)
ermöglicht Ausnutzung der Reflektion
Deathstar
Tab 3
§ aber geringer Bandbreite
Deathstar
§ Räume = Zellen (“nanocells”) ermöglichen Lokalisierung
Tab 4
Deathstar Basestation
§ 24 IR-Sende-, 2 Empfangsdioden
Anwendung1
Anwendung2
Anwendung3
Tab 3
Agent
Anwendung1
Anwendung2
Tab 4
Agent
Anwendung1
Anwendung2
Anwendung3
IR
Roy‘s Office
Ethernet
§ damit weniger Abschattung & geringer
Energieverbrauch
Gateway
Workstation
Bill‘s Office
Tab 1
Agent
§ Paketpufferung
§ Verbindung zu LAN via Workstation (serielle Schnittstelle)
2-23
2-24
Netzwerk
Tab 1
Agent
Tab 3
Tab 3
Agent
Anwendung1
Anwendung2
Tab 3
Ethernet
Deathstar
Tab 4
Roy‘s Office
Tab 4
Agent
Netzwerk
Tab 1
Agent
Gateway
Workstation
Tab 3
Tab 4
Roy‘s Office
2-25
Anwendung1
Anwendung2
Anwendung3
Tab 1
Roy‘s Office
Ethernet
Tab 4
Anwendung1
Anwendung2
Tab 4
Agent
Anwendung1
Anwendung2
Anwendung3
2-26
Tab 1
Agent
Anwendung1
Anwendung2
Anwendung3
Tab 3
Agent
Anwendung1
Anwendung2
Tab 4
Agent
Anwendung1
Anwendung2
Anwendung3
IR
Deathstar
Anwendung1
Anwendung2
Anwendung3
Tab 4
Roy‘s Office
§Agent hat Zugriff auf alle private Daten (Lokation etc.) des Tabs
§Agent leitet Anfrage an gewünschte Anwendung weiter
Gateway
Workstation
Anwendung1
Anwendung2
Tab 3
Tab 4
Agent
Tab 3
Agent
Netzwerk
IR
Deathstar
Anwendung1
Anwendung2
Anwendung3
§Lokation wird zu Daten hinzugefügt
§Meldung wird zum Agent weitergeleitet, der auf einem (privaten)
Computer
arbeitet
WS 02/03 Michael Beigl, TecO
Bill‘s Office
Tab 3
Agent
Tab 1
Agent
IR
Deathstar
Anwendung1
Anwendung2
Anwendung3
§Tab 1 Sendet Informationen
§Diese werden von IR Transceiver aufgenommen, der seine
Lokation
kenntWS 02/03 Michael Beigl, TecO
Tab 1
Gateway
Workstation
Bill‘s Office
IR
Bill‘s Office
Tab 1
Ethernet
Gateway
Workstation
Bill‘s Office
Anwendung1
Anwendung2
Anwendung3
Ethernet
Tab 1
Netzwerk
§Reaktion der Anwendung wird als Antwort zum Tab zurückgegeben
2-27
2-28
Netzwerk
Tab-RPC Protokoll I
Netzwerk
Tab-RPC Protokoll II
ParcTab Anwendungskommunikation
§ Tab verhalten sich wie Terminals
§ Anwendungen auf dem Tab sind Ereignisgesteuert (wie Widgets in X11)
§ Kommunikationsdetails werden vor Entwickler durch eine Bibliothek
verborgen
§ Kommunikation via erweitertem Sun-RPC (UDP!)
Tab-RPC (Session Layer, 5)
§ Request/Reply Protocol
§ etwa 30 Funktionen, Fkt. können in ein Paket kombiniert werden
§ Beispielfunktionen: display_text, display_bits, wake_up...
§ Payload: Request, Reply, Event
Tab-RPC: Request / Reply
§ Tab Remote Procedure Call (T-RPC)
Payload SequenzNummer
Typ
Funktion
Mehr
Funktionen
2
Anwendung
1
RPC
4 REQUEST
RPC
Agent
8
3
6
RPC
7
Gateway
REPLY
5
Tab
1 Anwendung sendet Funktionsaufruf; Biblio. leitet Aufruf an Agenten
2 Agent kennt Lokation “seines” Tab, leitet Aufruf weiter an IR Gateway
3/4 Gateway bestätigt und sendet REQUEST im IR-Paket via Deathstar
5 Gateway empfängt Reply
6/7 Weiterleitung an Agent anhand von Source-Adresse im Link Layer
und “name-service”, Bestätigung
8 Anwendung erhält Ergebnis des Funktionsaufrufs
Ende
2-29
2-30
Netzwerk
Tab-RPC Protokoll III
ParcTab
Kontext
Tab-RPC: Events
§ Events: Benutzerinteraktion, Signale zur Lokalisierung
§ ausgehend vom Tab
Verwendete Kontexte
§ Lokation eines Benutzers als
symbolischer Ausdruck des
Raumes in dem er sich befindet
(alle 30s erneuert)
§ Identität der Benutzers
§ Identität und Status von
„nahen“ Geräten (Drucker,
Liveboard, Kaffeemaschine)
§ Physikalische Parameter wie
Zeit, Temperatur, Lichtlevel, Wetterkonditionen
Technologie
§ ActiveBadge System von ORL für Benutzer
§ Aufnahmepunkt kabelloser Daten (Cell-of-Origin, COO) von Pad =
Lokation
Event Notification
2
4
Anwendung
1
2
3
4
5
RPC
5
Agent
RPC
3
Gateway
1
EVENT
Tab
Tab sendet Ereignis an IR-Gateway
Gateway sendet aufgrund Source/name service Event an Agent
Agent sendet Bestätigung
Agent sendet Event der Anwendung
... die die Ankunft bestätigt
2-31
2-32
ParcTab
Kontext Lokation und Identität
Interaktion
ParcTab Eingabe
Aufbereitung zu höherwertigen Kontexten
durch Kombination/Assoziation
§ wer ist in der Nähe
Problem
§ Kleines Display (mit Absicht, Zielrichtung Uhr)
§ Einhandbedienung ABER auch komplexe Interaktion
Lösung
§ Button-Konvention up/down/select für 3 Buttons + Stift
Eingabe
§ Grafik, onscreen keyboard, Unistroke
§ Keyboard: 2 Zeichen / Min.
§ Unistroke (kein Absetzen bei Buchstaben): 1 h Einarbeitung, angeblich
bis zu 2 facher Handschrift (33 Zeichen/Min.) [MacKenzie et al.1994]
Auswahleingabe
durch Aggregation
§ wie oft war ich in diesem Zimmer
durch Zufügung von Information
§ welcher Drucker ist in der Nähe
§ welche Information benötige ich in dieser Umgebung
Modell
§ Bill Schilit’s Kontextmodell: Klassifikation von Anwendungen, die
Kontext nutzen
2-33
§ Elision
§ inkrementelle Suche
§ Auswahlliste
Anwendungen
Anwendungen II
Klassifikation
§ Informationszugriff
§ Kommunikation
§ Computer-unterstützte Zusammenarbeit (CSCW)
§ Entfernte Kontrolle
CSCW
§ Annotationen zu gemeinsam bearbeiteten Dokumenten
§ elektronische Abstimmungen
§ Raum-abhängige virtuelle Zeichentafeln
entfernte Kontrolle
§ Kommando für Boards
§ X10
Erfahrung
§ Electronic Mail Reader (~11%)
§ Wetterabfrage (~10.5%)
§ Dateizugriff (~8%)
§ Lokaler Download von Daten (~8%)
§ Hoher Nutzungsanteil in Gemeinschaftsräumen ...
§ ... ohne sonstigen Computerzugriff
§ Auch kleine Displays eignen sich zum Lesen (E-Book!)
Informationszugriff
§ Kalender
§ Kontext-sensitiver Datenzugriff (file)
§ „Forget-me-not“: Aufzeichnung der Ereignisse
Kommunikation
§ kontext-sensitive E-Mail, Pager
2-35
2-34
2-36
ParcTab
Grundlagen
Probleme mit ParcTab
§ Interferrenzen bei Infrarot
§ keine Nativen Anwendungen
für mobile Geräte, z.B.
interessante Spiele (wie Gameboy,‘89)
§ Viele Anwendungen abhängig
von Lokation Privatsphäre (siehe
Artikel Web/Vorlesung)
§
§
§
§
§
Einflüsse
Mark Weisers Vision
ParcTab
Quelle:retrogaming.gamezone.de
Erfahrungen
§ Zuverlässigkeit entscheidend
§ Verteilte Systeme besser (z.B. Name Service)
§ IR noch immer zu langsam
§ Faktoren für den Erfolg: Größe, Aussehen, Nutzen&Bequemlichkeit,
Anwendungen, kritische Nutzermasse
§ kurze Nutzungszeit (50% <100 sek.)
2-37
2-38
Adaptive House
Buxton, 1995
§ Jenseits der direkten Ein- / Ausgabe, Informationsdarstellung
nicht primäres Ziel
§ Kontexte wird als Ein-/Ausgabe verstanden, nicht nur zusätzlicher
Parameter für bekannte explizite Ein-/Ausgabe
§ To provide a mechanism for such behaviour, the integration of
sensors with various devices was required. The output of these
sensors allows the computer to determine when certain actions
should be taken by the environment, or, in other words, how the
environment should react.
2-39
U. Bolder, Michael Mozer
§ Seit 1992
§ Sensoren und Aktoren
eingebettet (75 Stück)
§ keine neuen Schnittstellen,
keine GUIs
§ Administrationslos!
Quelle: http://www.cs.colorado.edu/~mozer/nnh/
Keine Gates Villa mit Dutzenden von Admins
§ Selbstlerndene Umgebung: „Reaktive Environment“
§ Schwerpunkt: Kognition, AI (neuronales Netz)
§ Erstes „Living Home/Lab“, bewohnt durch Michael Mozer
§ Anwendungsziel: Energiesparen & größerer Komfort
2-40
Adaptive Home
Buxton: ActiveOffice & DoorMouse
Sensoren
§ Noise
§ Temp.
§ Bewegung
§ Schalter
§ Regler
Effektoren
§ Heizung
§ Sound
§ Ventilation
§ Licht
Auch nicht-explizite Eingabe ist eine zulässige Eingabe für
derzeitige Computersysteme
§ Beispiel: CSCW
Quelle: http://www.dgp.utoronto.ca/tp/
Quelle: http://www.cs.colorado.edu/~mozer/nnh/
2-41
Bill Buxton
Übung / Vorbereitung
5 Design Principles (vor allem für CSCW in Ubicomp) (Cooperstock, J.R.,
Lektüre
Tanikoshi, K., Beirne, G., Narine, T., Buxton, W. (1995). Evolution of a Reactive
Environment, Proceedings of CHI'95, 170-177.)
§ Preserve function/location relations for both tele- and local activities.
§ Treat electronic and physical "presences" or visitors the same.
§ Use same social protocols for electronic and physical social interactions.
§ The box into which we are designing our solutions is the room in which
you work/play/learn, not a box that sits on your desk. That is the
difference between the ecological design of Ubiquitous Media and the
design of appliances.
§ Every device used for human-human interaction (cameras, microphones,
etc.) are legitimate candidates for human-computer interaction (and often
simultaneously).
2-43
2-42
§ (*) Schilit, B., Adams, N., and Want, R. Context-Aware Computing Applications.
Xerox Parc Technical Report. CSL-94-12.
§ Cooperstock, J., Fels, S., Buxton, W. & Smith, K.C. (1997). Reactive environments:
Throwing away your keyboard and mouse, Communications of the Association of
Computing Machinery (CACM), 40(9), 65-73.
§ Fitzmaurice, G.W., Ishii, H. & Buxton, W. (1995). Bricks: Laying the Foundations for
Graspable User InterfacesProceedings of CHI'95, 442-449.
§ Mozer, M. C. (1999). IEEE Intelligent Systems, An intelligent environment must be
adaptive
§ Communications of the ACM July 1993, Vol 36, No 7: Computer Augmented
Environments: Back to the Real World
§ Zwei CMC-Artikel zu Ubicomp&Privacy: Default=Offline, Ubicomp vs Radical Privacy
2-44

ParcTab - TECO – Technology for Pervasive Computing

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