Dissertation. zur Erlangung des akademischen Grades. Doktoringenieur (Dr.-Ing.)

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1 Automatisierte Benutzerinterfacesynthese zur Erstellung von Softwareanwendungen in der industriellen Bildverarbeitung - ein nutzerorientiertes Konzept zur Entwicklung individueller Benutzeroberflächen Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Ilmenau von Herrn Dipl.-Ing. Jörg Bargenda geboren am in Suhl/Deutschland Gutachter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gerhard Linß Univ.-Prof. Dr. phil. Heidi Krömker Dr.-Ing. Andre Göpfert Tag der Einreichung: Tag der wissenschaftlichen Aussprache:

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort Kurzfassung Abstract Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis I III IV V XI XIV 1 Einleitung und Motivation 1 A Stand der Technik zur Erstellung von Softwareanwendungen in der industriellen Bildverarbeitung 4 2 Untersuchungen zum aktuellen Entwicklungsstand von Software und Algorithmen zur Erstellung von Softwareanwendungen für die industrielle Bildverarbeitung 2.1 Standardarchitekturen der am Markt befindlichen Software zur Erstellung von Bildverarbeitung Softwarebibliotheken zur Erstellung von Bildverarbeitung Geschlossene Systeme zur Erstellung von Bildverarbeitung Komponentenbasierte Systeme zur Erstellung von Bildverarbeitung Marktanalyse zu Software und Algorithmen zur Erstellung von Bildverarbeitung Softwarebibliotheken zur Erstellung von Bildverarbeitung 11 S V

3 2.2.2 Geschlossene Systeme zur Erstellung von Bildverarbeitung Komponentenbasierte Systeme zur Erstellung von Bildverarbeitung Notwendigkeit der Schaffung eines Konzepts zur Erstellung von Softwareanwendungen in der industriellen Bildverarbeitung unter nutzerorientierten Gesichtspunkten 16 3 Richtlinien und Rahmenbedingungen Die Norm DIN EN ISO 9241: Ergonomie der Mensch-System- Interaktion DIN EN ISO 9241 Teil 11: Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit - Leitsätze DIN EN ISO 9241 Teil Grundsätze der Dialoggestaltung DIN EN ISO 9241 Teil Prozess zur Entwicklung gebrauchstauglicher interaktiver Systeme Weitere Normen mit Bezug 24 4 Maßverkörperung und Methoden für die nutzerorientierte Gestaltung von Softwareanwendungen in der industriellen Bildverarbeitung - Softwareergonomie und Usability Der Begriff Ergonomie" Der Begriff Usability" Die Softwareergonomie und Kriterien nutzergerechter Gestaltung Methoden der Usability Evaluation von Softwaresystemen Probleme im Umgang mit Usability - Usability-Probleme 37 B Theoretische Untersuchungen zur Erstellung von Softwareanwendungen in der industriellen Bildverarbeitung 38 5 Theoretische Grundlagen des Erstellungsprozesses von Softwareanwendungen in der industriellen Bildverarbeitung Arbeitsaufgaben, Arbeitsmittel und die Umgebung Wissen als Quelle für strukturierte Informationen 46 VI

4 5.3 Architekturmodelle fur Benutzerschnittstellen Das Schichtenmodell Objektorientierte Modelle Der Erstellungsprozess von Softwareanwendungen in der industriellen Bildverarbeitung als Kombination verschiedener Architekturmodelle Formale Spezifikation von Handlungsabläufen zur Erstellung von Softwareanwendungen in der industriellen Bildverarbeitung Kriterien zur Spezifikation von Handlungsabläufen Kontextfreie Grammatiken als Methode zur Spezifikation von Handlungsabläufen Menühierarchien als Methode zur Spezifikation von Handlungsabläufen Zustandsübergangsdiagramme als Methode zur Spezifikation von Handlungsabläufen Petri-Netze als Methode zur Spezifikation von Handlungsabläufen Handlungsschemata im Erstellungsprozess von Softwareapplikationen für die industrielle Bildverarbeitung 66 6 Die Erstellung von Softwareanwendungen in der industriellen Bildverarbeitung im Kontext system theoretischer Methoden Die Prozesskette eines allgemeinen industriellen Bildverarbeitungssystems Modell und Modellierung der Prozesskette eines allgemeinen industriellen Bildverarbeitungssystems als Abstraktion der Realität Die grafische Notation innerhalb des Entwicklungsprozesses entsprechend der Unified Modeling Language (UML) Klassendiagramm Zustandsdiagramm Aktivitätsdiagramm 84 C Experimentelle Untersuchungen zur Erstellung von Softwareanwendungen in der industriellen Bildverarbeitung 85 7 Analyse und Entwurf des Konzepts zur nutzerorientierten Erstellung von Softwareanwendungen in der industriellen Bildverarbeitung 86 VII

5 7.1 Analyse der potentiellen Zielgruppen und Aufgaben Bewertender Vergleich der Methoden zur Spezifikation von Handlungsabläufen Definition einer Ablaufstruktur Der Entwurf der Benutzerwerkzeuge zur Erstellung von Softwareapplikationen für die industrielle Bildverarbeitung Zusammenfassung aller relevanten Umgebungsfaktoren Softwaretechnische Umsetzung des Konzepts zur nutzerorientierten Erstellung von Softwareanwendungen in der industriellen Bildverarbeitung- Das Werkzeug Pandia Erstellung einer Bedienoberfläche zur Visualisierung Modellierung der Prozesskette Ausführung der Softwareanwendungen Der strukturelle Aufbau der relevanten Funktionsmodule sowie deren Merkmale Anbindung von Messfunktionalität mit der Softwarebibliothek Quick Image Development - QID Bildverarbeitungsframework Hyperion Die Anbindung der QID sowie Maßnahmen zur Threadsicherheit und Parallelisierung Die Operatorschicht und das Pipeline System Die Verwaltung und Datenhaltung Displaystruktur Integrierte Entwicklungsumgebung Pandia Die Pandia Editoren Der Pandia Player Erstellung eines beispielhaften Prozessablaufes auf Basis von Zuständen und Transitionen Die Nutzungssicht der Prozessbeschreibung Die intrinsische Sicht der Prozessbeschreibung Zusammenfassung Ausblick 130 VIII

6 A Anhang 132 A.l Die ergonomischen Gestaltungsprinzipien nach Preim 132 A. 1.1 Potentielle Benutzer und ihre Aufgaben 132 A. 1.2 Die Sprache des Benutzers als Medium der Kommunikation 135 A.1.3 Die Wahrnehmbarkeit der Systemzustände 136 A.1.4 Die Veranschaulichung möglicher Benutzeraktionen 136 A. 1.5 Die Gliederung der Benutzungsschnittstelle als integraler Bestandteil der Gesamtstruktur 137 A.l.6 Sicherstellung einer erkennbaren Rückkopplung 143 A. 1.7 Die Gestaltung adaptierbarer Schnittstellen 145 A.l.7.1 Adaption der Schnittstelle in Bezug auf den potentiellen Benutzer 145 A.l.7.2 Adaption der Schnittstelle in Bezug auf die kognitiven Fähigkeiten der Benutzer 146 A.l.7.3 Adaption der Schnittstelle in Bezug auf unterschiedliche Umgebungen 146 A. 1.8 Kombination visueller Interaktionen mit sprachbasierten Interaktionen 146 A. 1.9 Vermeidung der Vielzahl durch den Benutzer zu beachtenden Faktoren 147 A Schaffung von Möglichkeiten, Aktionen abzubrechen und rückgängig zu machen 148 A Erleichterung bei der Erkennung, Diagnose und Behebung von Fehlern 148 A.l.12 Vermeidung unerwarteter Ereignisse für den Benutzer 149 A Berücksichtigung der Signifikanz wichtiger Bedienhandlungen 150 IX

7 A.1.14 Visualisierung der Bedienung des Programms anhand prägnanter Beispiele anstatt durch Formalismen 150 A.2 Übersicht aufgabenspezifischer Oberflächenelemente 151 A.3 Liste der verfügbaren Pipelines 155 A.4 Ablaufstruktur des beispielhaften Prozessablaufes 158 A.5 Klassendiagramme 159 A.5.1 Klassendiagramme MasterController 159 A.5.2 Klassendiagramm ExceplionSystem 160 A.5.3 Klassendiagramme PipelineEditor 160 A.5.4 Klassendiagramm PipelineController 162 A.5.5 Klassendiagramme DatabaseController 163 A.5.6 Klassendiagramm DisplayController 164 A.5.7 Klassendiagramme DataPool 164 A.5.8 Klassendiagramm lo Controller 164 A.5.9 Klassendiagramme PipelineSyslem 165 A.5.10 Klassendiagramme DisplaySystem 169 A.5.11 Klassendiagramme GeneralDataTypes 170 A.5.12 Klassendiagramme GenericData 171 A.5.13 Klassendiagramme ApplicationEditor 173 A.5.14 Klassendiagramme StateMachineEditor 174 A.5.15 Klassendiagramme EditorCore 175 A.5.16 Klassendiagramme MultiWindowPlayer 179 A.5.17 Klassendiagramme Player 180 Literaturverzeichnis 185 X