Grundlagen der Mensch-Maschine-Interaktion

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1 Grundlagen der Mensch-Maschine-Interaktion Kapitel 7: Interaktionsgeräte

2 Interaktionskomponenten Eingabehilfsmittel 2

3 Tastaturen I (alphanumerische Tastaturen) 3 Funktionstasten Nummernblock Befehlstasten Q W E R T Z alphanumerische Tasten Pfeiltasten Ausführungen AZERTY- DVORAK- QWERTY- QWERTZ- Tastaturen alphanumerische Standardtastatur DIN 2137 Alphanumerische Tastaturen DIN 2148 Tastaturen; Begriffe & Einteilung Ergonomische Tastatur Merkmale geringere Haltearbeit für die Drehung der Unterarme und Handgelenke

4 Tastaturen II 4 Funktionstastatur Merkmale - Räumliche Anordnung nach Funktionsgruppen - Gruppen durch Farbe, Umrahmung, Zwischenraum klar voneinander getrennt Exit Push 1 T 2 S 3 A R E N U C H 4 L 5 D 6 Q O M G B V W J 7 F 8 K 9 Z P Y X ß Ä Ö Ü, 0.! Merkmale - Reale Taste erhält optoelektronische Anzeige - Wirkung und Beschriftung per Software umschaltbar - Situationsabhängige Tastenbelegung I Einhandtastatur Merkmale - Reduktion der Tastenanzahl durch Kombination benachbarter Tasten - Datenerfassung in transportablen Geräten, da platzsparende Bauweise Programmierbare Tasten

5 Tastaturen III Virtuelle Laser-Tastaturen 5

6 Stellteile 6 Diskrete Zustände Drucktaster 2, 3 Zustände Kippschalter/ Wippschalter 2, 3 Zustände 3 2 Drehschalter/ 4 Drehknebel 1 5 n Zustände 3 Ziffernrad je 10 Zustände Stetig Drehknopf Schieberegler Umlegehebel

7 Koordinatengeber I 7 Gehäuse Optische Maus Infrarot Sender reflektierende Unterlage mit Raster Spiegel Fotodiode mit Auswerteelek. Abstandhalter Maus Ausführungen - Mechanische Maus - Optomechanische Maus (optisch abgetastete Zahnräder -> Lichtschranke) - Optomaus (reflektierende Unterlage) Ausführungen - Isometrischer Steuerknüppel (kaum merkliche Auslenkung, v proportional F) - Steuerknüppel mit Auslenkung (v proportional Neigungswinkel) ja nein ende ja nein ende Fingermaus (Touchpad) Merkmale - Virtueller Bildschirm befindet sich auf einem Tablett, auf dem per Finger die Zeigerposition im realen Bild verändert werden kann - Einsatzort auch in vertikaler Lage Merkmale - Mechanischer Trackball - Optischer Trackball (Punkt- Muster auf Ball)- Steuerknüppel (Joystick) Trackball

8 Koordinatengeber II - Touchscreen 8 Vorteile Geringer Bauraum, geringes Gewicht Direkte und dadurch intuitive Bedienung Freie Platzierung der Bedienelemente Flexibilität durch freie Oberflächengestaltung Benutzerfreundlichkeit Schnelligkeit Keine zusätzliche Hardware Consumer Handheld Point of Information Point of Sale Industrie Medizin

9 Koordinatengeber II - Touchscreen 9 Handheld Nachteile Consumer Industrie Medizin Point of Information Point of Sale Verschmutzung Verschleiß Optik Anordnung Alphanumerische Eingaben Kalibrierung Bedienfunktionalität Bedienbarkeit Verdeckung

10 Koordinatengeber III Touchscreen-Technologien 10 Infrarot sendende Dioden Sensoren Infrarotmatrix Folie mit Leitschicht Anschlüsse Piezo Ultraschallsender Ultraschallempfänger Ortung mittels Ultraschall Sensorflächen Anschluß Abstand Widerstandsmembran Sensorfelder

11 Neuheiten, Ausblick SpaceMouse/Spaceball Gewicht ca. 450 Gramm Objektkontrolle 3D-Schnittstelle simultan bis zu 6 Freiheitsgrade Empfindlichkeit Einstellbar (600 Stufen) 11 Tasten und 1 Quicktip, frei programmierbar Gewicht 680 Gramm Maße L x B x H 188 x 120 x 44mm Abmessungen (L x H x B) 213 x 76 x 152 mm Sensibilität Verstellbar (1024 Geschwindigkeitsstufen / Auflösung) Funktionstasten 23 programmierbare (12 Harttasten und ein Modusschalter) 11

12 Datenhandschuh 5DT Data Glove 16 (ca ) - 14 Sensoren, zwei an jedem Finger und einer zwischen den Fingern - Messung von Fingerkrümmung und abspreizung - Verfügbare Software: KineMusica: verschieden Instrumente (Tompete, Klavier, etc.) können durch Bewegung der Finger simuliert werden. MouseEmulation: Mausklick, Doppelklick, etc. können durch bestimmte Bewegungen nachgeahmt werden. GloveView: Bewegungen in einer 3D-Welt Immersion 3D Interaction 12 CyberGlove ( ) CyberTouch ( ) CyberGrasp ( ) CyberForce ( ) 22 Sensoren zur Bewegungserkennung Vibration als taktiles Feedback für jeden einzelnen Finger. ForceFeedback (resistiv) zur Simulation von Greifprozessen. Volles ForceFeedback für Arm und Hand.

13 Sprache 13 Anwendungen: Texteingabe, Formulareingabe (z.b.: Diktiersysteme, WWW- Browsing) Maschinen- & Rechnerbedienung (z.b.: Kommandoeingabe) Datenübertragung (Buchungs- & Auskunftssysteme) Vorteile: Einfache, intuitive Eingabe Freihandbedienung möglich Nachteile/ Probleme: Fehlererkennung (abh. v. Stimmqualität, Hintergrundgeräuschen, Mikrofon) automatische Konvertierungen ( Fünfzig Euro 50 ) Nicht für alle Interaktionen geeignet (z.b. Cursorbewegung uneffektiv)

14 Motion Capturing (Optische Bewegungserfassung) 14 Erkennung der Mundwinkel Maschenmodell (generic mesh model) in neutraler Gesichtshaltung Verschobenes Maschenmodell und Interpolation der Mundstellung

15 Gestik University of Toronto Start tracking my hand 2- Zoom in 3- Zoom out 4- Start attending my hand 15

16 Interaktionskomponenten Ausgabehilfsmittel 16

17 Anzeigen I - Segmentanzeiger 17 Segmentanzeiger 16-Segmente F G A C E B D 7 Segmente H G A J S R F K 16 Segmente Segmentanzeiger-Ausführungen - Flüssigkristall-Anzeiger P - Leuchtdioden (LED: light-emitting-diode) - Glühfaden B L M E N C D Punktematrix Zur Darstellung von Schriftzeichen min. 7x9; empfehlenswert sind 9x13 Punkte Punktematrix 7-Segmente

18 Anzeigen II - Andere 18 Elektromechanische Anzeigeinstrumente Leuchtmelder Technische Ausführungen: z.b.: - Rundanzeigeinstrumente - Zählwerke ROT GELB GRÜN GRÜN ROT

19 Anzeigen III - Monitor 19 Anode Beschleunigungselektrode Beheizte Kathode Steuerelektrode Bildschirme (Braunsche Röhre) Fokusierung Elektronenstrahl Ablenkspulen Eigenschaften: Röhrenfront - Großer Raumbedarf - Hoher Energiebedarf Phosphor-Leuchtschicht + Großer Betrachtungsbereich + Hohes Auflösungsvermögen + Gute Farb- und Kontrasteigenschaften Vorderer Polarisator Frontscheibe aus Glas mit gemeinsamer Elektrode Hintere Glasscheibe mit Elektrodensegmenten Hinterer Polarisator Reflektor LC-Displays AUS Licht EIN Polarisiertes Licht Polarisiertes Licht Eigenschaften: + Geringer Energiebedarf + Geringer Raumbedarf - Eingeschränkter Temperaturbereich - Eingeschränkter Betrachtungswinkel (ca. 20 ) - Bislang ungünstige Kontrastwerte

20 Anzeigen IV - 3D-Monitor 20 autostereoskopischer Bildschirm Betrachterbeweglichkeit (> 30 cm) Echtzeitfähigkeit Hochauflösung, OpenGL-Anwendungen (High-End) 2-Monitor-Konfiguration Kompaktheit (alle Komponenten integriert keine zusätzlichen Hilfsmittel zum 3D-sehen) Applikationen: CATIA, Pro/E, Stereo-Videos, AVIs, Stills.

21 Anzeigen V HMD: Entwicklungen 21

22 Anzeigen V HMD: Aktuell Head-Mounted Display (MicroOptical Corp.) 22 zwischen 16- und 24-bit zwischen 35 und 68 Gramm Auflösung bis zu 640x480 bei 60Hz

23 Anzeigen VI Cave (Automatic Virtual Environment) 23 Volumen: 2,4x2,4x2,4 m3 Rechenleistung: SGI Onyx2-Computer mit 8 Prozessoren und 4 GB RAM

24 Akustische Signalgeber Sprachausgabe Tonsignale 24 Anwendungen Texte lesen, Akustische Benachrichtigungen, Korrekturlesen, Computer Based Training (CBT) Vorteile Kein visueller Kontakt nötig, weniger ermüdend Nachteile Natürlichkeit (mechanische Stimme, Pausen, Intonation, Geschwindigkeit), langsamer als selber lesen Beispiel Sirene Hupe Gong (z.b. Dreiklang-Ton)

25 Interaktionssysteme 25

26 Interaktionssysteme Allgemein Interaktion 26 - Anzahl der Ein- und Ausgabe (sequenziell, parallel) - Anzahl der Benutzer (Nutzer) Interaktionssysteme unterscheiden sich in: - Ort und Art der Ein- und Ausgabe - Anzahl und Größe der Ein- und Ausgabegeräte - Einsatzzweck des Systems, d.h., z.b. nur prozessbezogene Funktionalitäten oder Internet/ Intranet Dem entsprechend können folgende Interaktionssysteme identifiziert werden - Bedienterminal - Mobile - Wearable - Multimodal - Ubiquitous - Avatare - Attentional User Interfaces (AtUI)

27 Interaktionssysteme Bedienterminal 27 Ein- und Ausgabe erfolgen an einem Ort und über ein Gerät. Eingeschränkte Funktionalität da nur prozessbezogen. Interaktionsmöglichkeit für nur einen Benutzer. Industrie-PC

28 Interaktionssysteme Mobile 28 Eingabe erfolgt über ein mobiles Geräte, das auch die Ausgabe unterstützen kann. Eingeschränkte Funktionalität wegen reduzierter Größe (und Sicherheit). Jeder Benutzer kann seine eigene Interaktionsgerät besitzen. Z.T. auch schnurlose Kommunikation über Funk oder Infrarot-Schnittstelle

29 Interaktionssysteme Wearable 29 Ein- und Ausgabegeräte werden am Körper des Benutzer getragen. für einen Benutzer relativ klein, nicht behindernd

30 Interaktionssysteme Multimodal 30 Eingabe erfolgt über mehrere Sinnenkanäle Komplexes Interaktionssystem um verschiedene Eingaben zu verarbeiten Mögliche Anwendung für Nutzergruppen mit speziellen Anforderungen, z.b. Behinderte Anwendung in mehrere Bereichen und Situationen

31 Interaktionssysteme Ubiquitous 31 Computer every where (Computer überall) Mehrere Eingabegeräte, die kaum wahrnehmbar sind Passt sich den Kontext des Benutzers an Unsichtbare Agenten

32 Interaktionssysteme Avatare 32 Darstellungsform eines Interaktionssystems oder eines Teils davon. Ein Avatar ist Teil eines Interaktionsystem oder das Interaktionssystem selbst Je nach Funktion kann ein Avatar die Form eines Menschen, Tier etc. aufnehmen Avatare können z. T. Emotionen ausdrucken

33 Interaktionssysteme Attentional User Interfaces (AUI) 33 Mehrere Benutzer Mehrere Eingabegeräte Ausgabe situationsabhängig Intelligent bei Verwendung von Ressource und Reaktion Naturnahes (menschnahes) Interaktionssystem

34 Interaktionssysteme Ausblick In Zukunft kann das Interaktionssystem hören sehen????? sprechen 3D-Bilder fühlen zeigen sich bewegen

35 Identifikationsmöglichkeiten Sicherheit/Zugriff, Biometrie 35

36 Herkömmliche Authentifizierungsverfahren Passwort / PIN Chipkarte Schlüssel (Ausweis, Siegel) Soll: lange, unlogische Kombination von Zahlen, Buchstaben und Sonderzeichen; einmalige Verwendung der Kombination Ist: Namen, Geburtstage, mehrmalige Verwendung 36 Besitzprüfendes Verfahren, Kombination mit Passwort möglich Eingabe eines zugewiesenen Benutzernamens.

37 Begriffe 37 Authentifizierung unterscheidet sich in: Verifikation: Identifikation: 1:1-Vergleich, ob Person zu einer dem System bekannten und zugangsberechtigten Nutzergruppe gehört Vergleich der erfassten Daten mit allen aus der Datenbank in einem 1:n Vergleich Die Authentifizierungsverfahren lassen sich in drei große Gruppen einteilen: die Prüfung von Wissen (Passwort, Persönliche Identifikationsnummer PIN, Persönliche Transaktionsnummer TAN) die Prüfung von Besitz (Chipkarte, Fernbedienung etc.) die Prüfung physiologischer oder biometrischer Eigenschaften (Fingerabdruck, Stimme etc.) Bei Authentifizierungsverfahren können folgende Fehler unterschieden werden: FAR (False Acception Rate) : Zugang wird NICHT Zugangsberechtigten gewährt. FRR (False Rejection Rate) : Zugang wird Zugangsberechtigten NICHT gewährt. FTE (Failure to Enroll) Authentifizierungsmerkmal, z.b., Fingerabdrücke, wird nicht erkannt. Hauptziel ist die Minimierung von FAR & FRR

38 Biometrische Authentifizierungsverfahren herkömmlich - Erkennung eines Menschen an seinem Wissen, Besitz kopierbar! 38 biometrisch Fingerabdrucksensor - Erkennung eines Menschen an seinem Sein sicher? Druck- und Zeitverläufe einer Unterschrift Gesichterkennung Irisscan Messung von Gehirnströmen

39 Erfassbare biometrische Merkmale 39 passive Körpermerkmale Fingerabdruck, Handlinienmuster Gesicht Irismuster, Retinamuster Form der Ohrmuschel Venenbild Geruch Thermogramm DNA-Sequenz aktives Verhalten Stimme Unterschrift Unterschriftdynamik Anschlagdynamik (Tastatur) Motorik des Körpers Motorik des Auges Motorik des Gesichts (z.b. Lippenbewegung)

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