Direct Manipulation/VEs - Goethe

Transcrição

Human Computer Interaction
Direct Manipulation und Virtual Environments
Prof. Dr. Detlef Krömker
Johann Wolfgang Goethe-Universität
Institut für Informatik
Hier wird Wissen Wirklichkeit
Übersicht
‣ 
Grundlagen Direct Manipulation
‣ 
Ursprünge und Entwicklung
‣ 
Direct Manipulation Interfaces
‣ 
Aktuelle Entwicklungen
2
B-CG – V08 Direct Manipulation and VEs
 WIMP-Interfaces
Windows, Icons,
Menues, Pointing Device
Einführung Direct Manipulation
Wahrnehmung des Anwenders:
‣ 
Gefühl, der „Master of the Interface“
zu sein  Tools Metapher
‣ 
Lösungskompetenzen des Benutzers
in der Realität sind übertragbar
‣ 
Einfache Erlernbarkeit und
Nutzung fortgeschrittener
Funktionalitäten möglich
‣ 
Benutzungswissen bleibt lange
erhalten
‣ 
Spaß und „Forscherdrang“
3
Charakteristische Eigenschaften von
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
4
Graphische Darstellung der Objekte,
mit denen interagiert wird
Sofort ausführbare, reversible,
inkrementelle Aktionen, deren
Auswirkungen auf die Objekte sofort
dargestellt wird
Graphische Interaktion entsprechend
physikalischer Aktionen statt per
Tastatur eingegebener Kommandos
mit komplexer Syntax
Beispiel
‣  Löschen einer Datei durch
Drag&Drop auf Mülleimer
Perspective Wall (Mackinlay et. al. 1991)
Direct Manipulation: Ein Beispiel
‣ 
Autofahren
‣ 
Wenn Sie links abbiegen wollen, was
machen Sie?
‣ 
Welchen feedback erhalten Sie?
‣ 
Inwieweit hilft dies?
‣ 
Überlegen Sie sich, wie Sie dieses
mit einem Text-Menue-Interface
realisieren könnten
5
Geschichte der Direct Manipulation
‣ 
Ursprünge
‣  Shneiderman, 1982, 1983
‣  im Gegensatz zu den damals üblichen Kommandozeilen-Interfaces
‣ 
Erste Anwendungen
‣  Textverarbeitungssysteme
6
Command-line vs. Display Editors vs. Word Processors
Fallstudie: Textverarbeitungssysteme
‣  Frühe 80er Jahre: Editoren auf
Kommandozeilenbasis
‣  Editieren von Dokumenten schwierig
‣  Unübersichtlich
Erste Schritte: Full-page Display Editors
‣  2D-Cursorsteuerung
‣  Beispiele:
‣  WORDSTAR
‣  emacs
Ergebnisse
‣  Verbesserte Performance
‣  Verringerte Frustration
‣  Verbessertes Training
7
Command-line vs. Display Editors vs. Word Processors
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
8
Einführung seit Mitte der 80er bis
What You See Is What You Get (WYSIWYG)
1993
Word, Corel’s WordPerfect, Lotus
Word Pro, etc.
Darstellung einer vollständigen
Textseite
Darstellung in fast gleicher Form, wie
die Seite auch nach dem Druck
erscheinen wird
Sichtbare Cursor-Bewegungen
(Darstellung des Fokus)
Natürliche Cursor-Bewegungen
(Pfeiltastem, Maus)
Beschriftete Icons zur Darstellung
häufig verwendeter Funktionen
Direkte Antworten und deren
Visualisierung (Gefühl der Macht)
Reversible Aktionen (verringert
Ängste)
Entwicklungen
 Neue Funktionen, z.B.
‣  Verbesserte Makro/Template
Funktionalitäten
‣  Rechschreibhilfen & Thesauri
 Spezialisierte Anwendungsformen,
z.B.
‣  Desktop-Publishing-Systeme
‣  Präsentationssoftware
 Integration von multimodalen
Information
‣  Graphik, Sound, Animation,
Daten, Photos
‣  Hypermedia-Umgebungen und
WWW
9
VisiCalc Spreadsheet - 1979
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
10
VisiCalc Spreadsheet
‣  Dan Brickland, 1979
‣  254 Zeilen, 63 Spalten
Innovativer Ansatz
‣  Direct Manipulation
Vorteile
‣  Automatisches Propagieren der
Effekte nach Aktionen
‣  Anwender können jederzeit
Pläne ändern
‣  Makros
Ähnliche Werkzeuge:
‣  Lotus 1-2-3
‣  Excel
Spatial Data Management – GIS-Systeme
‣ 
‣ 
‣ 
11
Visualisierung geographischer Daten
und interaktive Exploration
Anwendung
Spatial Data Management System
(1980)
Formen der Direct Manipulation
‣  Joystick zur Navigation auf einer
Karte mach Nicholas
Negroponte (MIT)
‣  Zooming
Spatial Data Management - Erweiterungen
Ansatz
‣  Räumliche Metapher zur Verwaltung
von Daten und Dokumenten
Umsetzung
‣  Xerox PARC Information Visualizer
(1986)
Funktionen
‣  Freie 3D-Navigation für
Walkthroughs im Informationsraum
‣  Verschiedene
Repräsentationsformen, z.B.
Graphen, Icons, ...
Wirkungen: Zufriedenheit des Nutzers
wird zum Ziel
Graphisches Design wird wesentlich
12
Computer Aided-Design
Extensive Nutzung von Direct Manipulation
Erfolgreichste Produkte
‣  AutoCAD
Anwendungsbeispiele
‣  Ingenieurwesen, Landschaftsplanung,
Automobilindustrie, etc.
‣  Computer Aided Manufacturing (CAM)
Eigenschaften
‣  Schnelle Evaluierung und Änderung
von Entwürfen
‣  Erlaubt Anwendung vieler Werkzeuge
auch bei grossen Projekten (Group
Review, etc.)
‣  Wenig komplexe Kommandos
‣  Analogien und gewohnte Funktionen
wichtig (z.B. Nutzung der akzeptierten
Fachterminologie, etc.)
13
Die erfolgreichste Direct Manipulation Anwendung?
PONG
‣  Atari, 1972
‣  Populäres Videospiel ähnlich zu
Tischtennis
‣  “Urvater” der Videospiele
‣  Geringe Lernkurve
‣  Mass Appeal
14
Direct Manipulation Systeme vor allem
für Desktop-Anwendungen
Erste Systeme
‣  Xerox Star (1981)
‣  Apple Lisa (1983): Vorgänger des Macs
Grundlage
‣  Graphische Systeme ( GUIs)
Direct Manipulation Beispiele
‣  Drag&Drop einer Datei zum Printer zum
Ausdrucken
‣  Pull-down Menüs
‣  Window Manipulation Desktop Metapher
Diskussion damals: Overlapping or not?
‣  Erste Produkte
‣  GEM
‣  Microsoft Windows erst V 3.1 (1993)
16
Beispiele früher GUIs
User Interface Xerox Star, 1981
17
User Interface Apple Lisa, 1983
GEM, Digital Research, 1984
Apple MacIntosh, System 1, 1984
18
GEOS, Commodore 64, 1985
WorkBench 1.0, Amiga 1000, 1985
19
Windows 1.0, Microsoft, 1985
Die Windows History ... die Anfänge
1981Die erste DOS-Version, textbasierendes Betriebssystem ohne grafische
Oberfläche, alle Befehle über Tastatur eingeben. Die letzte Version war 8.x (2000)
1985: Windows 1, Microsoft Corp.; Automatische Aufteilung der Programmfenster,
keine overlapping Windows lauffähig auf einem IBM-PC mit 256 Kbyte RAM, 8088CPU und zwei Diskettenlaufwerken. Die Einflüsse von Xerox PARC und Apple
Macintosh sind unverkennbar.
1987: Windows 2, Microsoft Corp.; Unterstützung von Festplatten und Netzwerken.
Overlapping Windows, Mouse-Unterstützung
1990: Windows 3, Microsoft Corp.; die Version 3.0 kommt am 22. Mai 1990 auf den
Markt und verkauft sich in sechs Wochen 500.000 mal. Sie unterstützt
dreidimensionale Schattenbildung, farbige Icons (16 Farben) und proportionale
Schriftarten.
1992: Anfang des Jahres kommt eine Multimedia-Extension für Windows 3 auf den
Markt. Seit April Windows 3.1: bricht alle Verkaufsrekorde. Windows für Workgroups
3.1 (WfW) kommt auf den Markt (Peer-to-Peer-Networking).
20
Die Windows History ... die Anfänge (2)
1993: Ein Windows NT (New Technology), das nicht mehr auf DOS basiert kommt
auf den Markt. Dazu wird eine 32-Bit Entwicklungsumgebung für Windows 3.1
ausgeliefert (32s-SDK).
1993: Video für Windows (VfW) von Microsoft und QuickTime von Apple für
Videoverarbeitung
1994: Windows NT 3.5x (Codename Daytona) wird verfügbar. An Windows 4
(Codename Chicago bzw. Windows 95) und einem objektorientierten Windows
NT (Codename Cairo) wird weiter gearbeitet. Microsoft portiert zudem in
Zusammenarbeit mit Silicon Graphics deren OpenGL 3D-Architektur
(Bibliotheken, Treiber, OS-Integration, Graphik-Beschleuniger, etc.) für
Windows. Für Spiele wurde die Hardware-nahe WinG-Schnittstelle realisiert.
1995: Windows 95 kommt auf den Markt.
1996: Windows NT 4.0 wird verfügbar.
2006 Windows Vista / Codename "Longhorn
2009 Windows 7 ...
21
Direct Manipulation in Desktop-Anwendungen
Command-Line Interfaces vs. GUI
‣  Resultate einer Studie (1987)
‣  Geringere Bearbeitungszeiten (5.8 vs. 4.8 Minuten)
‣  Geringere Fehlerrate (2.0 vs. 0.8)
‣  Subjektiv bevorzugt
‣  Anfänger / ungeübte Nutzer profitieren
‣  Verbesserte Produktivität, verringerte Ermüdung
22
Entwicklung auf dem Gebiet Direct Manipulation
‣ 
Grundlage für angemessene Formen
der Direct Manipulation
‣  Gute Abbildung der Realität
‣  Visuelles Interface
‣  “Know your users”
‣ 
23
Ziel
‣  “Aesthetic Computing”
Gedanken zu Direct Manipulation
‣ 
Prinzip der Virtualität (Nelson 1980)
‣  Anwender mögen es eine “Version” der Realität auf diese Weise
manipulieren zu können
‣ 
Prinzip der Transparenz
‣  Die Benutzungsschnittstelle “verschwindet” und erlaubt es dem Anwender
seinen Intellekt ungehindert zu Bearbeitung der Aufgaben einzusetzen
(Rutokwsiki ’82)
‣ 
Reduzierung von Gulf of Execution und Gulf of Evaluation (Hutchins, Holland,
and Don Norman ’86)
‣ 
Bezüge zu psychologischer Literatur auf den Gebieten Problemlösen und
Lernen
‣  Lernen einfacher anhand praktischer Beispiele als in abstrakten Begriffen
‣  Beispiel: Abakus im Gegensatz zum Taschenrechner
bevorzugtes Mittel zum Lehren von Grundrechenarten
24
Probleme mit Direct Manipulation
‣ 
Barrierefreiheit
‣  Direct Manipulation für Blinde/Sehbehinderte und auch bei anderen
Behinderungsarten (Interaktion!) problematisch oder sogar nicht zu
empfehlen
‣ 
Problem: Bildschirmgestaltung
‣  Benötigt viel Bildschirmplatz
‣  Möglichkeit zur
‣  Bei mehreren verschiedenen Seiten ineffektiv
‣  Schlechtes Design wird verstärkt
‣ 
Effizienz
‣  Ggf. ineffektiv bei erfahrenen Benutzern
‣  Problematisch, wenn häufiger Wechsel zwischen Maus und Tastatur
notwendig wird
‣  Wiederholung von Arbeitssequenzen schwierig im Gegensatz zu Makros
und Scripting
25
Probleme mit Direct Manipulation
‣ 
Umsetzung
‣  Repräsentation von Detailinformationen häufig problematisch
‣  Beispiel: Graphs vs. Tabellen
‣  Wahl der richtigen Metapher häufig schwierig
‣  Implementierung aufwendiger
‣  Echtzeit-Graphik
‣  Undo (hier dringend notwendig!)
‣  Höhere Ressourcenanforderungen
‣  Schnelles Feedback (unter 100ms)
26
Direct Manipulation: Vorteile
‣ 
Vorteile
‣  Ständige visuelle Repräsentation
von benötigten Objekten und
Aktionen
‣  Physikalische Aktionen statt Syntax
‣  Resultate von Aktionen direkt
sichtbar
‣ 
Weitere Aspekte
‣  Geringere Einarbeitungszeit
‣  Verbesserte Wissenserhaltung
über Systembenutzung
‣  Geringerer Bedarf an
Fehlermeldungen
‣  Höhere Akzeptanz
‣  Höheres Selbstvertrauen der
Anwender
27
Object Action Interface Ansatz und Direct Manipulation
‣ 
Object Action Interface (OAI) Ansatz
im Falle von Direct Manipulation
besonders gut umsetzbar
‣ 
Beispiel
‣  Management der privaten
Photodatenbank
‣ 
Fragen
‣  Was sind die Objekte?
‣  Was sind die Aktionen?
‣  Wie gestaltet sich damit das
Interface?
28
Icon-Design Richtlinien
‣ 
29
Regeln zur Anwendung von Icons
‣  Icons müssen sich vom Hintergrund
und von einander gut unterscheiden
‣  Begrenzte Anzahl
‣  3D-Effekte nicht notwendigerweise
zu empfehlen
‣  Familiäre Darstellungen
‣  Selektierte Icons müssen einfach zu
finden sein
‣  Animationen, Schatten, etc.
‣  Help
‣  Dynamische Icons (Größe, inhaltliche
Veränderungen, Thumbnails, etc.)
‣  Berücksichtung von Interaktionen
zwischen Icons
Icon-Design Richtlinien
‣ 
Komponenten von Icons:
‣  Lexikalisch – Helligkeit, Farbe,
Blinken etc.
‣  Syntaktisch – Erscheinung und
Bewegung (Linien, Formen)
‣  Semantik – repräsentiertes
Objekt
‣  Pragmatik – Lesbarkeit,
Nützlichkeit
‣  Dynamik – Verbindung mit
Aktionen
‣ 
Kopplung mit multimodalen oder
subtilen Effekten kann unterstützend
wirken
‣  Beispiel: Wählen einer
Rufnummer durch Auswahl
eines Icons
‣  Weitere Formen?
30
Direct Manipulation und Visuelle Programming
‣ 
Visuelle Programmierung als Ansatz
zur Programmierung mit Hilfe von
Direct Manipulation
‣ 
Beispiele
‣  AVS
‣  Lego Mindstorms
‣  Alice
Nur für Anfänger (Programmieren ist
vom Prinzip her Abstrakt  Sprache
ist angemessenes Mittel)
Aber natürlich Syntaxhiglighting und im
Systementwurf  UML
31
3D-Interfaces
‣ 
Ansatz
‣  Wir leben in einer 3D-Welt
‣  Natürliche Benutzungsschnittstellen funktionieren
besser => 3D
‣ 
Aber
‣  Metaphern der Natur funktionieren nicht immer
‣ 
32
‣  Sckripting, Programmierung
‣ 
Vereinfachung von Benutzungsschnittstellen
mit dadurch verbundener Unnatürlichkeit
kann Performanz verbessern
‣ 
Beispiele
‣  Beschränkung von Bewegungen
‣  Limitierung möglicher Aktionen
Nützlichkeit von 3D hängt von Anwendung ab
‣  Operationsplanung
‣  Militärische Simulation
‣  Architektur und Produktdesign
‣  Spiele
3D Interfaces: Richtlinien
‣ 
Sparsame Verwendung von
Überdeckungen, Schatten, Perspektive
‣  Vorteil: Verbesserte Nutzung des
Spatial Memory (Ark ’98)
‣  Vermeidung von Ablenkung und
Verwirrung
‣ 
Gute Navigation
‣  Minimierung der Navigationsschritte
‣  Einfache Benutzerbewegungen
‣  Etc.
‣ 
Einfache Bewegung und Manipulation von
Objekten
‣ 
Viele offene Fragen und
Herausforderungen!
33
Weiterentwicklung des Direct-Manipulation-Ansatzes
‣ 
‣ 
‣ 
34
Zukunft:
‣  VR/AR
‣  Ubiquitous Computing
‣  Wearable Computing
‣  Tangible Interfaces
Ziele
‣  Verständlich
‣  Schnelle Erlernbarkeit
‣  Vorhersagbare Aktionen
‣  Angemessenes Feedback
Resultate:
‣  Wissenserhalt zur Anwendung
‣  Lernen
‣  Verringerung der Einstiegshürden
‣  Zufriedenheit
VR/AR und Spiele
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
Virtuelle Realität
Head Mounted Display, 1968
Data Glove, 1983
Cave, 1991/92
Augmented Reality
Boeing: Wiring aid system
proposal, 1990
Spiele
Tetris, 1985
Simulation in Spielen:
Sim City, 1987
Massive Online Role Play:
Everquest, 1999
VPL 1987
Sutherland 1968
NCSA 1993
Fraunhofer IGD 2001
Sony Online 2004
35
VR Technologien
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
36
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
Bildgebung
Desktop Virtual Reality
Workbench, z.B.
‣  Responsive Workbench
Virtual Environments, z.B.
‣  Powerwall
‣  HEyeWall
Cave
Interaktion, z.B.
Wands
Data Glove mit Gesteneingabe
Video Tracking
Panels, Palms
Smart Objects
(Haptische Interaktion)
Fraunhofer IGD
Tangible User Interfaces
‣ 
‣ 
Tangible User Interfaces
‣  Anderer Begriff: Graspable User
Interfaces
‣  Iishi 1998
Grundlage
‣  Direct Manipulation mittels
physikalischer Artefakte
‣  Physikalische Artefakte sind
zudem „bedeutungstragend“ im
Anwendungskontext
Underkoffler, Iishi, Glas 1998
‣  Repräsentative Qualität
Ullmer, Iishi, Glas 1998
37
Affective Computing
BCI (Brain Computer Interface)
Affective Computing: Systeme, die Emotionen (des Users) erkennen,
interpretieren und bearbeiten können.
‣  Simulieren von Emotionen (z.B. für Avatare)
‣  Im weiteren Sinn: Teil der Intelligenz (Marvin Misnsky)
‣  Emotion Markup Language (EML or EmotionML vom W3C
BCI (auch: direct neural interface or a brain–machine interface)
erlaubt direkte Kommunikation zwischen Gehirn und Maschine
Hauptziel heute: Assistenz, Ergänzung oder Ersatz kognitiver oder
sensorischer und aktorischer (Robotik)Leistungen des Menschen
Hat natürlich diverse ethische Aspekte: Manipulation.
38
Science Fiction
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
Science Fiction: Fiktion mit starkem Wissenschaftsbezug
Häufig auch Auslöser für Innovation
Vorläufer
Thomas Morus: Utopia, 1516
Klassische Beispiele
J. Vernes:
Jules Vernes: Erde zum Mond, 1865
Reise um den Mond
H.G. Wells: Die Zeitmaschine, 1895
(Erstausgabe 1867)
Beispiele mit Bezug zur IT
Direkte Kopplung Gehirn/Rechner
Apollo 11
1969
‣  Daniel F. Galouye: Simulacron-3, 1964
‣ 
Cyberworld (virtuelle Datenlandschaften im Internet)
‣ 
MUDs
‣  William Gibson: Neuromancer, 1983
‣  Neal Stephenson: Snow Crash, 1992
AlphaWorld 2003
39
Holodeck
‣ 
Film:
‣  Virtual Environments: Holodeck
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣ 
‣  Gene Roddenberry: StarTrek: The
Next Generation, 1987
Virtual Environment für vollständige
Immersion
Technische Grundlagen
Kombination von Holographie mit
magnetischen Kraftfeldern und EnergieMaterie-Wandlern
Visualisierung entfernter Objekte durch
Hologramm
Repräsentation naher Objekte durch
Kombination von Hologramm und Kraftfeld
Materialisierung von Objekten für direkte
Interaktion mittels Energie-Materie-Wandlern
Paramount Pictures
Paramount Pictures
40
Anwendungen vom Holodeck in StarTrek
‣ 
Unterhaltung
‣  Erholung: Simulation von Natur
‣  Reisen in die Geschichte
‣  Spiele
‣  Simulation
‣  Simulation von Lebensräumen
‣  Schulung und Ausbildung
‣  Flugtraining
‣  Medizinische Ausbildung
‣  etc.
41
Paramount Pictures
ENDE

Direct Manipulation/VEs - Goethe

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