Ubiquitous Computing. (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im WS 06/07

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1 Ubiquitous Computing (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im WS 06/07 Christian Decker Universität Karlsruhe Institut für Telematik Telecooperation Office

2 Telecooperation Office (TecO) Überblick Gegründet vor 11 Jahren als eine Kooperation zwischen CEC(SAP) und der Universität Karlsruhe Anwendungsorientierte Forschung 4 Mitarbeiter, Studenten Projekte Industrie, z.b. SAP, Microsoft, Daimler, Nokia, Phillips, Infineon EU-Projekte, nationale Förderungen Fokus auf Ubiquitous Computing Integration von ID- und Computer-Technologien in Objekte z.b. RFID, Sensorik, Sensornetzwerke, Lokationssysteme MediaCup,1999 Particle,2005 Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-2

3 Zur Vorlesung Struktur 4 große Themenkomplexe: Geräte, Kommunikation, Kontext, HCI SEHR SCHNELLE ENTWICKLUNG Unterlagen/Literatur Skript: Folien und Pflichtlektüre keine Sekundärliteratur Prüfung Vertiefungsgebiet Telematik bei Prof. Juling, Anmeldung bei Frau Dvorak, Raum 305, Rechenzentrum (Geb ) Interaktion, Besprechungen TecO: im allg. kurzfristig cdecker@teco.edu 0721 / TecO: Vincenz-Prießnitz-Str. 3, EG links Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-3

4 Trends Computing Moore s Law, 1965 Prozessor-Geschw. und Speicherkapazität verdoppeln sich etwa alle 18 Monate (Machrone: bei gleichem Preis) Exponentielles Wachstum CMOS noch weitere 10 Jahre Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-4

5 Trends Miniaturcomputersysteme Eingebettete Systeme Eingebettete Prozessoren mit integrierter Funktion: RAM, program memory (hard drive), I/O, power regulation, clock generation E.g. kleinster käuflicher Prozessor: Microchip PIC 10Fxxx, 1$ Chip ist kein System!! Ein System enthält zusätzliche Komponenten die sich schwer /nur sehr teuer integrierten lassen Beispiel System: Kleinster käuflicher kabelloser Sensorknoten mit Prozessor, 3 Sensoren in 1 cm³ Embedded We Serve Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-5

6 Trends Sensoren Charakteristik in Ubicomp Klein, energiesparend, weniger genau Micro-Sensoren MEMS: Mikro-Elektromechanische Systeme Integration von Chip-Produktionstechnologien z.b. Beschleunigungsmessung Neue Verfahren der Messung, z.b. Anregung von Molekülen über Laser, Messen über Spektren Rezeptor-Sensoren (Nachbildung menschlicher Rezeptoren) Normale Miniaturisierung, z.b. Kamera RFID Systeme Verschiedene System z.b. Hitachi s mu-chip (ohne Ant.) Chipbasiert, Analogbasiert, gedruckte Schaltung (Offset) Kurz vor dem Durchbruch zur kommerziellen Massenanwendung Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-6

7 Trends Kommunikation Netzwerk Gilder s Law: Bandbreite wächst 3 mal schneller als die Rechnergeschwindigkeit und Speicherkapazität: Verdoppelung alle 6 Monate Metcalfe's Law: Wert des Netzwerkes proportional zu (# Knoten) 2 Reed s Law: Wert des Netzwerkes proportional zu 2 #Knoten (Einbeziehung weiterer Beziehungen der Netzwerkteilnehmer) Mobile Kommunikation GSM, UMTS (bis 2 Mb/s): ubiquitous! Wireless LAN (IEEE b/g, bis 10/54 Mb/s) Bluetooth: 720 kb/s für 25 $ auf 10x10mm; 10 m Reichweite /ZigBee: 250 kb/s für 8$ auf 8x8mm Powerline Communication (PLC) ubiquitous: via PLC sind fast alle consumer electronic Geräte erreichbar bis 10 Mbit/s standard, De-facto Industrie standard. Aber Umwälzung von Elektrogeräten langsam Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-7

8 Trends: Informationsverarbeitung und -Speicherung Kapazität Archos Jukebox Multimedia: bis 60 GB Festplatte, Kamera und integriertes Divx Encoding Harddrive: bis zu 0,5 Tbyte (3.5 ) bis zu 160 Gbyte (2.5 ) Bis zu 60 Gbyte (1.8 ) Potential Kontinuierliche Audioaufnahme für 1 Jahr (mono) = 0,36 TB Kontinuierliche Videoaufnahme für 1 Monat inkl. Audio = 0,3 TB Quelle: archos.com Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-8

9 Trends: Material z.b. Light Emitting Polymer CDT, Cambridge Display Technologies Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-9

10 Trends: Material z.b. Electronic Papier Xerox PARC S/W-Perlen, die durch elektrische Ladung ausgerichtet werden können Electronic pen reading rotates small 2-sided (b/w) balls Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-10

11 Trends: Material z.b. druckbare Elektronik Flexible Bauelemente (z.b. Transistoren) Anwendung: Item-level tagging Schneller Herstellungsprozess durch Drucken -> preiswert Einfache Integration in Produktionsprozess Quelle: Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-11

12 Trends: Neue Materialien z.b. neue Textilien ( Washable Computer ) leitfähige Fasern in Stoffe eingewoben Daten- und Powerbus in der Kleidung leitfähige Tinte: Aufdruck auf Textilien, Papier textile Sensoren: z.b. Leitfähigkeit abhängig von Dehnung, Kapazitätsmessung (Taster) Larry K. Baxter, Capacitive Sensors: Design and Applications IEEE Press, 1997 Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-12

13 Ubiquitous Computing Mark Weiser ( ) 1988: Begriff Ubiquitous Computing Eingeführt und definiert von Mark Weiser, XeroxParc Begriff ubiquitous/ubiquitär überall verbreitet (Duden) deutsche Übersetzung oft: allgegenwärtig Ubiquität: in der Wirtschaft überall in jeder Menge erhältliches Gut 1991 The Computer for the 21st Century Grundlagenartikel in Scientific American Vision: Computer werden so alltäglich, daß sie nicht mehr wahrgenommen werden Ubiquitous Computing enhances computer use by making computers available throughout the physical environment, while making them effectively invisible to the user Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-13

14 Ubiquitous Computing The Research Area Vision von M. Weiser, XeroxParc Mainframe Comp. Personal Computing Ubiquitous Comp. Benutzer teilen sich eine kostbare Ressource Explizite Benutzung, Gute Vorbereitung notwendig Benutzer: Experten Persönlich Direkte, explizite Nutzung Training/Vorwissen notwendig Benutzer: Jedermann, oft unterstützt durch Experten Ubiquitär Oft implizite Benutzung Benutzer: Jedermann Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-14

15 Weiser Ubiquitous Computing 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 Embodied Virtuality Einbettung von Rechner in Welt/Artefakte Ein Werkzeug = eine Funktion(sgruppe) Weitgehende Funktionelle Dekomposition Quelle: Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-15

16 Embodied Virtuality - Transferbeispiel Informationstechnologie (Virtuality) Schrift ist eine Technologie D.h. Geometrische Formen, z.b. Linien in definierter Anordnung Verkörperung (Embodied) Schrift auf Objekt vermittelt Information über das Objekt Fokus der Wahrnehmung auf Objekt nicht Schrift (Technologie) Assoziation zwischen Information und Objekt Technologie tritt in den Hintergrund Beispiel: Bäckerei am Haus bezeichnet Ladengeschäft Buchstabe A Quelle: Ubicomp: Informationstechnologien sollen wie Schrift funktionieren Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-16

17 Ubiquitous Computing Computing everywhere in the world Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-17

18 Ubiquitous Computing: Einbettung expliziter HCI Neue Geräte für expliziter Mensch- Computer Interaktion HCI: Human-Computer Interaction Explizite HCI: Nutzung bekannter HCI Erstes System: Xerox Parcs ParcTab ( ): Tabs: Notizzettel, Vorgänger des PDA Pads: erster Tablet PC mit wireless Internet Boards: Projektionsschirm mit touchsensitiver Oberfläche, Smartboard- Vorgänger Source: Source: Roy Wan Source: Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-18

19 Ubicomp ParcTab ParcTab Erster Prototyp eines Ubicomp Systems Beeinflusste Informatik Energiesparendes Infrarotnetzwerk (pre-irda) Erster PDA, erster Tablet-PC Unistroke: Unistroke: 1 h Training, angeblich 2 mal schneller als Handschrift (33 chars/min.) [MacKenzie et al.1994] -> Grafitti Erstes in-door Lokationssystem (COO) Erstes touch-sensitves Großdisplay Erste Ubicomp-Middleware (basiert auf RPC) Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-19

20 ParcTab Erste Kontextnutzung 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 Quelle: Zeit, Temperatur, Lichtlevel Kontextnutzung Informationszugriff: Datenfilterung in file browser über aktuelle Lokation Kommunikation: Mailbenachrichtigung abhängig von Präsenz and. Pers. CSCW: gemeinsames Arbeiten in einem Raum über verteilte Tabs Remote Control: Anpassung des UI auf zu steuerendes Gerät, Auswahl durch Nähe bestimmt Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-20

21 Ubicomp Einbettung Geräte, Umgebungen Einbettung in Umgebung und Alltagsobjekte Jedes Objekt kann jetzt ein Computer sein Oft keine explizite Bedienschnittstelle Benutzerinteraktion wird aus Erkennung der Umgebung, Objekt abgeleitet Kein Mensch-Maschine Flaschenhals, ermöglicht mehr Computersysteme pro Person Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-21

22 Ubicomp Umgebungen.... Sehen dann so aus Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-22

23 Ubicomp ist Einbettung von Computer in die Umgebung 2 Herausforderungen Cognitive embedding (Kognitive Einbettung) Wie können wir einem Menschen die Computernutzung ermöglichen, der gar nicht weiß / darauf eingestellt ist, dass es sich um einen Computer handelt? Physical embedding (Physikalische Einbettung) Wie können wir die technischen Eigenschaften/Restriktionen des Computers verschwinden lassen? Z.B. die Hardware, also Hardware-Kern (Prozessor, Speicher, Kommunikation etc.) Sensoren/Aktuatoren Batterie, Stromversorgung Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-23

24 Kognitive Einbettung Kognitive Einbettung Nutzung eines spezialisierten Geräts, das ist so stark in den Alltag einer Person eingebunden, daß es nicht als Gerät selbst mehr betrachtet wird sprachlich: nicht vom Gerät, sondern von der Aufgabe wird gesprochen: ich gehe zum Essen ich gehe die Gabel bedienen Kognitive Einbettung endet, wo das Gerät/Ding eine eigenzweckgebundene Aufmerksamkeit benötigt (z.b. Reparatur) Für einige Berufsgruppen ist der PC derzeit ein solches Gerät Kognitive Einbettung ist durch vorsichtige Erweiterung der Funktionalität existierender Dinge möglich Frage: Wieso/wann ist ein Mobiltelefon weniger eingebettet als ein Festnetztelefon? Wann umgekehrt? Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-24

25 Nutzen der Einbettung Überbrücke die Lücke zwischen den Informationen gespeichert in der Datenwelt (Computer) und dem tatsächlichen Zustand der realen Welt Einbettung erlaubt den automatischen Abgleich des Status der gespeicherten Daten mit dem assoziierten Zustand in der physikalischen Welt Erhöhte Präzision in Zeit, Raum, Inhalt Vereinfachter Zugang zu Information über ubiquitär zugreifbare Geräte, Vernetzung Physikalische Einbettung Computer als Sekundärartefakt Einbettung in elektronische Geräte (A/V, Spielzeug, Auto..) ist Stand der Technik. Integration und Kommunikation fehlen oft Neue, smarte Geräte entstehen Einbettung in Umgebung (Hauskontrolle, Sicherheit) Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-25

26 Einbettung Richtig/Falsch verstanden Kein Platz für den PC? Allzweckwerkzeuge sind manchmal nützlich E.g. D. Norman: Taschenmesser Allerdings nicht für den Alltagsgebrauch Beispiel: Mikrowelle mit Internet- Anschluss? Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-26

27 Einbettung ermöglicht Bindung Realer und Virtueller Welt Pocket Bargain Finder, Andersen Consulting, HUC 99 (ABC Video) Allgegenwart: mobile Internet, mobile commerce Kontext: Bezug zu realer Situation einkaufen hergestellt über Barcodes ( Real-World-Tag ) Implizite Interaktion Je mehr Kontext, desto weniger expliziter Dialog Bezug zu Buch ersetzt komplexe Suchanfrage Allgegenwart+Kontext: komplementäre Konzepte Allgegenwart: Ubiquität durch Abstraktion von Ort/Situation Kontext: Smart durch Bezug auf Ort/Situation Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-27

28 Bindung Reale und Virtuelle Welt Pocket Bargain Finder, Andersen Consulting Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-28

29 Pocket Bargain Finder Allgegenwart: mobile Internet, mobile commerce Kontext: Bezug zu realer Situation einkaufen hergestellt über Barcodes ( Real-World-Tag ) Implizite Interaktion Je mehr Kontext, desto weniger expliziter Dialog Bezug zu Buch ersetzt komplexe Suchanfrage Scanning Kontext durch Barcodes Suchanfrage Implizite Interaktion Ergebnis DB (Internet) Allgegenwärtig Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-29

30 Was ist Ubicomp? Unterschied zu existierenden Informatik-Ansätzen Einbettung von Computersysteme erfordert Ansätze, die jenseits technologischer Abstraktionsgrenzen schauen. Wie Komplexität, Separation of Concern zusichern? per Appliance!!! Computer Science System Separation By layer Ubicomp system separation By appliance HCI&Appl Systems/Middlew. Communication Hardware Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-30

31 Was ist Ubicomp? Unterspezialisierungen entlang der bisherigen Schichten... Aber innerhalb der Appliance (Gerät mit Soft-/Hardware) Appliance bestimmt/umfaßt Spezialisierungen auf allen Schichten D.h. wenn die Hardware entworfen wird... Wird auch die Nutzerschnittstelle und Software in Betracht gezogen Aufteilung Vorlesung Ubicomp system separation By appliance Mensch-Maschine Interaktion Middleware: Kontext Kommunikation Geräte/Hardware Appliance 1 Appliance 2 Appliance 3 Appliance 4 Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-31

32 Methodik Anwendungsbezug Interdisziplinärer Ansatz während Entwicklung (nicht danach) Produzierbare Resultate als (Teil)Ziel, nicht als Seiteneffekt Exploration des Forschungsumfeld vor Beginn technologischer Entwicklung Ethnographische Studien, Prozessstudien,... Frühe Verifikation mit Bezug zur Anwendung Living Lab Feldprototypen Methodisches Vorgehen Technologie- Anwendungs- Feldstudie Entwicklung Prototypen- Pre-production Prototypes Ökonomisch Verwertbare Prototypen Studie Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-32

33 Frage Zukunft der Einbettung des Rechners in Alltagswelt: Option 1: Computersysteme mit expliziter Bedienung weiterhin dominant Option 2: Schneller Umbruch: Bald Fokus auf Computer ohne/mit impliziter Mensch-Maschine Interaktion Option 3: Lange Umbruchsphase: Nach langer (10+++ Jahre) Umbruchsphase Shift des Fokus von Computer mit expliziter auf implizite Mensch-Maschine Interaktion Option 4: Nach eine Umbruchsphase werden auch langfristig beide Typen von Computersystemen die gleiche Bedeutung haben Beispiele von Ubicomp Anwendungen Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-33

34 Smart Shelf Artikel Tracking TecO & SAP, 20 Technologie Antennenarray zur Bestimmung von ID und Position Artikel mit Transpondern (125 khz) Genauigkeit der Artikellokalisierung: 1.5cm Integration mit ERP System (R/3) Ziel: e-commerce im Einzelhandel Feingranulare, anonyme Beobachtung des Kaufverhaltens von Kunden im Einzelhandel Positionsbestimmung der einzelnen Artikel Erkennung von Interaktionen mit den Artikeln Nehmen, Zurückstellen, Umstellen Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-34

35 Smart Shelf Anwendungen Out-of-Stock Erkennung Beobachtung und Erkennung der aktuellen Artikelmenge Automatische Generierung von Warnung bzw. Anstoßen des Nachbestellprozesses Planogram (POG) Compliance Erkennung von fehlerhaften Produktplatzierungen Periodische Überprüfung ersetzt durch bedarfsgesteuerte Maßnahmen der Produktreplatzierung TecO & SAP, 20 Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-35

36 Smart Shelf Anwendungen (Forts.) TecO & SAP, 20 Potential: Anwendungen des e-commerce im Einzelhandel Recommender-Systeme Kunden, die das Produkt A gekauft haben, haben auch Produkt B gekauft. Aktive Beeinflussung der Kauf-entscheidung direkt am Ort des Artikels zum Zeitpunkt der Entscheidung, z.b. durch Displays am Regal Evaluierung von Werbekampagnen + Sonderangeboten Zeitl. Ablauf der Interaktion als Bewertung Produktbündelung, Artikel-Artikel Assoziationen, Gutscheine Quelle: C.Decker et al. Revealing the Retail Black Box by Interaction Sensing. IWSAWC 2003 Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-36

37 Kollaborative Dokumente: DigiClip TecO & SAP, 20 Problem Dokumente werden elektronisch erstellt und ausgedruckt physikalische Dokumente können nicht wie elektronische behandelt werden, z.b. Versionierung, Mobilität, Integrität, Sicherheit DigiClip Elektronische Erweiterung physikalischer Dokumente Verbindet physikalisches Dokument mit elektronischem Gegenstück Ziel: Beide Dokumente synchron verwalten Ergebnis: Dokument wird Ubicomp Appliance Anwendungsfelder Verträge Aktenverwaltung Archiv DigiCli Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-37

38 DigiClip Technologie Papier-Clip Handelsüblicher Papier-Clip Benutzbar, selbst wenn Elektronik versagt Drahtloser Sensorknoten 868 MHz Band Ad-hoc Kommunikationsprotokoll Sensorik Kapazitiver Sensor zur Bestimmen der Seitenanzahl (Genauigkeit: 1 Seite bei Dokumenten bis 20 Seiten) Licht- und Beschleunigungssensor LEDs für Statusanzeige Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-38

39 DigiClip System TecO & SAP, 20 Lokationsortung Sensorische Erfassung des Dokuments Bi-direktionale Kommunikation zwischen elektr. Und physikl. Dokument WebInterface + Anbindung an Record Management System Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-39

40 DigiClip Anwendungen TecO & SAP, 20 Integrität Änderungen des elektronischen Dokumentes werden am physikalischen angezeigt Physische Modifikation des physikalischen Dokumentes benachrichtigt das elektronische Gegenstück Sicherheitsrestriktionen Beschränkung auf bestimmtes Areal Verhinderung der Mitnahme in einer Tasche Warnung vor Verlust Lokationsbasierte Signierung Persönliches Gerät authentifiziert sich gegenüber dem physikalischen Dokument Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-40

41 Frage Zukunft der Einbettung des Rechners in Alltagswelt: Option 1: Computersysteme mit expliziter Bedienung weiterhin dominant Option 2: Schneller Umbruch: Bald Fokus auf Computer ohne/mit impliziter Mensch-Maschine Interaktion Option 3: Lange Umbruchsphase: Nach langer (10+++ Jahre) Umbruchsphase Shift des Fokus von Computer mit expliziter auf implizite Mensch-Maschine Interaktion Option 4: Nach eine Umbruchsphase werden auch langfristig beide Typen von Computersystemen die gleiche Bedeutung haben Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-41

42 Weitere Begriffe Anytime, Anywhere Computing Mobilität: ortsunabhängiger Zugriff Ubiquität: überall verfügbar Pervasive Computing pervasive: alles durchdringend IBM-Definition: Convenient access, through a new class of appliances, to relevant information with the ability to easily take action on it when and where you need Ambient Intelligence Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-42

43 Zur Vorlesung Ubiquitous Computing: Querschnittsthema Interdisziplinär: Eingebettete Rechner, Netze/vert. Systeme (auch mobile Syteme, Internet, Web), Mensch Maschine Dialog, Informationssyteme, Betriebssysteme, Mustererkennung Lernziel: Grundlegende Modelle, Zusammenhänge, Beispiele sowie Grundlagenwissen (sofern nicht in anderen Vorlesungen besprochen) Wissenschaftliches Umfeld Ein sich immer weiter ausbreitendes Gebiet bei dem ich mich hier auf den Kern konzentriere wissenschaftliche Initiativen Konferenzserie Ubiquitous Computing seit 1999 ( Konferenzserie Pervasive Computing seit 2002 ( EU-Programm Disappearing Computer 2000 ( EU-Vision Ambient Intelligence 2004 (ftp://ftp.cordis.lu/pub/ist/docs/istagscenarios2010.pdf) USA IT Expeditions into the 21st Century ( Dagstuhl Seminar 2001 Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-43

44 Vorbereitung / Hausaufgabe Lektüre zur Vorbereitung: The Computer for the 21st Century, Weiser (opt. Some Computer Science Issues, Weiser) einfach zu lesen, wichtig sind jeweils die ersten beiden Seiten The Coming Age of Calm Technology, Weiser & Brown kurzer Artikel As we may think, Vannevar Bush Fragen Was unterscheidet die Visionen? Welche Vision haben sich bereits erfüllt (Beispiele, Produkte)? Optional Disappearing Computer, J. Weichert Zugreifbar unter Ubiquitous Computing WS06/07 Christian Decker 1-44