Navigations- und Interaktionstechniken

Transkript

1 Navigations- und Interaktionstechniken Abschlussvortrag zur Diplomarbeit von Thomas Paes Betreuer: Dipl.-Wirtsch.-Inform. Daniel F. Abawi Dipl.-Wirtsch.-Inform. Silvan Reinhold Professur für Graphische Datenverarbeitung J. W. Goethe-Universität Frankfurt am Main

2 Übersicht Motivation und Ziele Grundlagen Konzeption und Implementierung Durchführung der Benutzerstudie Ausblick 2/31

3 Motivation und Ziele ausgefeilte 3D-Rendering-Verfahren aber: keine vergleichbaren Fortschritte bei der Interaktion mit diesen 3D-Welten Gegenstand der Arbeit Analyse bestehender Interaktionsmetaphern Konzeption, Implementierung und Test neuer Verfahren Designkriterien möglichst intuitive Bedienung Interaktion mit klassischen Eingabegeräten sinnvolle Kontrolle der zusätzlichen Freiheitsgrade 3/31

4 Aufbau der Arbeit Literatur-Studie Welche Ansätze zur Interaktion in 3D-Szenen gibt es? metaphorische Konzepte und der Faktor Mensch Entwicklung eigener Interaktionsmetaphern Konzeption von neuen Bedienmetaphern prototypische Umsetzung am Zauberwürfel Benutzerstudie Vorbereitung und Durchführen von Testreihen Auswertung Bewähren sich die gefundenen Interaktionstools? Optimierungsansätze, Erweiterungsmöglichkeiten 4/31

5 Übersicht Motivation und Ziele Grundlagen Konzeption und Implementierung Durchführung der Benutzerstudie Ausblick 5/31

6 Grundlagen Menschliche Faktoren beim UI-Design kinästhetische Übereinstimmung kognitive Last mentale Modelle Metaphern für die Benutzungsschnittstelle Unterstützung der Modellbildung: Sense Makers Anforderungen Vertrautheit adäquates Modell Erweiterbarkeit Probleme negative Analogien Effizienzkriterien Metaphern-Kombination 6/31

7 3D-Interaktion und Desktop-VR besondere Bedingungen der Desktop-VR Interaktion mit klassischen Eingabegeräten Darstellung der Szene auf 2D-Display Freiheitsgrade, degrees of freedom (DOF) 3 DOF Translation + 3 DOF Rotation = 6 DOF 3D-Interaktion nur 2 DOF bei mausgesteuerter Interaktion... Funktion der 3D-Metapher Abbildung der 2D-Eingaben zur räumlichen Interaktion 7/31

8 Funktion der 3D-Metapher Mensch-Maschine- Schnittstelle Anwender 3D-Applikation mentales Modell Metapher Implementierung mathem. Modell 3D 2D 3D [Diagramm nach Kettner: Mathematisch-informationstechnische Untersuchung von 3D-Metaphern] 8/31

9 Übersicht Motivation und Ziele Grundlagen Konzeption und Implementierung Durchführung der Benutzerstudie Ausblick 9/31

10 Konzeption: Analyse der Operationen Welche Interaktionsaufgaben treten auf? 1.) Navigation um den Würfel Inspektion der verschiedenen Würfelseiten Analyse der aktuellen Konfiguration wesentlich: sinnvolle Ausrichtung des Würfels 2.) Manipulation des Würfels neue Konfiguration durch Rotation einer Drehscheibe Teilwürfel ist gleichzeitig Element von drei Scheiben besondere Aufgabe: intuitive Wahl der Rotationsachse 10/31

11 Konzeption: Wahl des Versuchsobjekts Eignung des Rubik s Cube verschiedene Grundoperationen des 3D-Raums müssen abgebildet werden allgemein, übertragbar Durchführung einzelner Operationen nicht trivial (Identifizierung einer eindeutigen Rotationsoperation) angemessener Komplexitätsgrad Interaktion mit realem Objekt und virtuellem Modell direkter Vergleich der Benutzungsschnittstellen 11/31

12 Welche Parameter werden variiert? Maus Eingabegerät Tastatur wenig Interaktionsschritte viel reduziert Visualisierung ausführlich niedrig Abstraktionsgrad hoch 12/31

13 Demonstration des Prototypen 13/31

14 Inspektion: Objektansichten 14/31

15 Metaphern für die Inspektion Eckpunkt-Metapher Prinzip der ausgewiesenen Ansichten Kontaktpunkte an den Ecken des Zauberwürfels Mausklick auf Kontaktpunkt richtet den Würfel so aus, dass die gewählte Ecke zum Betrachter zeigt optimale Übersicht durch gleichzeitigen Blick auf drei Würfelseiten ColorMap-Metapher Grundlage: Kartenkonzept Erweiterung um objektspezifische Informationen direkte Navigation zur gewünschten Farbseite Grundausrichtung des Würfels bleibt erhalten 15/31

16 Metaphern für die Rotation (1) Zweipunkt-Metapher Wahl von Start- und Zielposition eines Kantenwürfels Operatorspezifikation: mehrstufiger Selektionsprozess Benutzerführung durch modale Visualisierung (Selektionsmarken auf markierten Teilwürfeln) Spotlight-Metapher metaphorisches Bild: Lichtstrahl vom Mauszeiger in Richtung des Objektmittelpunktes implizite Selektion durch Auswertung der Maus- position, Abbildung auf 3D-Koordinaten Rotation einer Scheibe mit einem einzigen Mausklick 16/31

17 Metaphern für die Rotation (2) Bezugsrahmen-Metapher metaphorisches Bild: Fingerpositionen beim Drehen einer Würfelscheibe Visualisierung durch Fingerpunkte, definieren den Bezugsrahmen für die Rotationsoperation Bewegung/Rotation über Pfeiltasten tastaturgesteuertes Interaktionsverfahren Problem: geeignete Ausrichtung des Würfels für eindeutige Zuord- nung der Operationen! 17/31

18 Referenzmetaphern: Inspektion Inspektion: Virtual Sphere-Metapher Objekt ist von transparente Kugel umgeben Mausbewegung wird als Rotation der Kugel umgesetzt Rotation des Objekts um x- und y-achse Vorteile: WYDIWYS freie Objektdrehung weite Verbreitung Nachteile: Zeigerposition Rotation um z-achse UNDO schwierig 18/31

19 Referenzmetaphern: Rotation Rubik s Online-Metapher Übertragung der VS-Metapher zur Rotationsinteraktion Ausnutzen von strukturellen Constraints Würfelseite + Mausbewegung definiert Rotationsachse Vorteile: hohe Intuitivität schnelle Interaktion Nachteile: schwer übertragbar kantenparallele Mausbewegung 19/31

20 Implementierung Plattform Umsetzung der entwickelten Konzepte auf Basis der Java3D-API Behavior-Konzept abstrakte Java-Klasse zur Definition angepasster Verhaltensmerkmale Kapselung von Code-Elementen zur Steuerung des Interaktionsverhaltens ereignisbasiertes Wakeup-Verhalten Beispiel: Spotlight-Implementierung Picking-Konzept von Java3D ermöglicht direkte Umsetzung 20/31

21 Übersicht Motivation und Ziele Grundlagen Konzeption und Implementierung Durchführung der Benutzerstudie Ausblick 21/31

22 Benutzerstudie: Grundfragen Wie misst man die Güte einer Metapher? kein objektives Maß, keine Metrik Durchführen von Tests mit einer Benutzergruppe sorgfältige Vorbereitung Einteilung der Teilnehmer Performanz bei nicht-trivialer Lösungsstrategie...? Was wird gemessen, wie wird ausgewertet? Evaluierung der Interaktionsmetaphern Bewähren sich die entwickelten Konzepte? Bewertung des Abschneidens im Vergleich mit Referenzmetaphern 22/31

23 Benutzerstudie: Konzeption Aufbau der Studie Bedienung der Metaphern soll im Mittelpunkt stehen Gliederung der Studie in zwei Phasen Repeater-Durchgang Teilnehmer reproduzieren Rotationsoperationen zeitliche Performanz, #Inspektionen, Fehlerhäufigkeit Solver-Durchgang Lösen einer Würfelseite (realer + virtueller Würfel) zeitliche Performanz, #Inspektionen, #Rotationen 23/31

24 Benutzerstudie: Ablauf Repeater Aufnahme Teilnehmerprofil Einführung und Training 4 Repeater- Durchgänge Bewertung Kombination Solver Solver Realwürfel (3x) Solver virtuelles Modell Bewertung Einzelmetaphern Verbesserungsvorschläge [Ablauf der Benutzerstudie] 24/31

25 Auswertung: Datenerhebung Aufzeichnung der Benutzer-Aktionen Timestamps in Log-Datei Anzahl Einzeloperationen Zeit für jede Operation Flag für fehlerhafte Repeater-Aktion subjektive Bewertung durch Teilnehmer einzeln für Inspektions- und Rotationsmetaphern Intuitivität Effizienz Erlernbarkeit 25/31

26 Auswertung: Ergebnisse (1) Effizienz schnelle Interaktion Fehleranzahl Beispiel: Rubik s s Online- vs. Zweipunkt-Metapher Objektausrichtung freie Rotation Anzahl benötigter Inspektionen gutes Abschneiden der Eckpunkt-Metapher negative Analogien starke Intuition vom Spiel mit dem realen Würfel Schwung bei Rubiks Online Markieren von Eckpunkten bei Zweipunkt-Metapher Mapping der Operationen Abbildung bei Spotlight-Metapher unvollständig Ergänzungen nicht optimal 26/31

27 Auswertung: Ergebnisse (2) Vergleich realer + virtueller Würfel doppelt so viel Zeit bei virtuellem Modell Blow-Up durch Inspektion (#Rotationen ähnlich) Referenzmetaphern allgemein gutes Abschneiden Problem: Bekanntheit der Virtual Sphere-Metapher Visualisierung Erreichbarkeit von Bedienelementen Objektdarstellung Beispiel: Eckpunkte-Metapher kognitive Last: nicht-sichtbare Farbseite bei ColorMap Individuelle Unterschiede: gut eingeübte Tastatursteuerung 27/31

28 Übersicht Motivation und Ziele Grundlagen Konzeption und Implementierung Durchführung der Benutzerstudie Ausblick 28/31

29 Ausblick: Optimierungsansätze Erweiterte Visualisierung mit weiterhin angemessenen Antwortzeiten Spotlight-Metapher: Markierung der aktuell selektierten Drehscheibe Inspektion: Ausnutzen des Szenenhintergrunds, Einblenden der Rückansicht (Spiegel-Metapher) Kombination von Metaphern Kompensation von situationsabhängiger Performance Beispiel: freie Navigation der virtuellen Sphäre + gezielte Ausrichtung über die Eckpunkt-Metapher 29/31

30 Ausblick: Erweiterungsmöglichkeiten Autorenumgebung Bereitstellen vorgefertigter, konfigurierbarer Inter- aktionsmetaphern Erstellung von interaktiven Anwendungen ohne Programmierkenntnisse Kommunikationskanal Austausch kontextspezifischer Informationen zwischen Interaktionsmetaphern Beispiel: Inspektion richtet Bezugrahmen aus Bereitstellen eines angepassten, intelligenten Verhaltens immersive VR-Anwendungen effektive Interaktion durch Beschränkung der DOF? 30/31

31 That s all... Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit! 31/31