Beidhändige Interaktion in 3D-Anwendungen

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1 Beidhändige Interaktion in 3D-Anwendungen Bimanual Interaction in 3D-Applications B. Deml, B. Petzold, H. Egermeier, München Kurzfassung In einer konzeptionellen Grundlagenuntersuchung wurden zwei Gestaltungsprinzipien zur beidhändigen Interaktion in virtuellen 3D-Anwendungen untersucht: Eine simultane beidhändige Benutzerinteraktion war nur zu beobachten, wenn für beide Hände gleiche Geräte verfügbar waren (Symmetrieprinzip) und die nicht-dominante Eingabe mit einem positionsgesteuerten Gerät erfolgte, das einen größeren Arbeitsraum als die dominante Eingabe abdeckte (Skalierungsprinzip). In dieser Untersuchung profitierten nur Anwender mit höheren sensomotorischen Fähigkeiten von einer bimanuellen Schnittstelle. Abstract Within a fundamental experiment two design principles for bimanual interaction in virtual 3Dapplications were evaluated: Simultaneous bimanual input control occurred only when two similar devices were available for both hands (principle of symmetry). Besides this it was essential to choose a position scaled device for the non-dominant hand which offers a larger range of motion than the dominant device (principle of scaling). It has to be mentioned that only users with higher sensorimotor skills took benefit from the bimanual interface. 1. Einleitung Betrachtet man die Einsatzbereiche von dreidimensionalen (3D) Anwendungen, so handelt es sich meistens um Manipulationsaufgaben, die unter realen Bedingungen beidhändig ausgeführt werden. Aus technischer Sicht stellt die beidhändige Interaktion ein Paar von Eingangsströmen dar und es besteht zunächst kein Grund dafür, die Eingabe in der einen Hand anders als in der anderen zu gestalten. Gleichzeitig sind die motorischen Unterschiede beider Hände offensichtlich.

2 Im Gegensatz zu der traditionellen Annahme, dass eine Hand der anderen überlegen ist, zeigen Todor und Doane [8], dass sich beide Hände ergänzen und es auch Aufgaben gibt, in denen die nicht-dominante Hand bessere Leistungen erzielt. Sie untersuchten Zielbewegungen, in denen sowohl die Entfernung als auch die Größe des Ziels variiert wurde. Für weit entfernte und große Ziele nahmen die Bewegungszeiten mit der dominanten Hand zu, während sie gleichzeitig mit der nicht-dominanten Hand abnahmen. Folglich erweist sich die nicht-dominante Hand für lange Distanzen und große Objekte als überlegen. Kabbash et al. [5] bestätigen die Ergebnisse an einer Aufgabenstellung aus der Grafikbearbeitung. Eine ähnliche Schlussfolgerung lässt auch eine Untersuchung von Guiard [3] zu. Hier wurden Rechtshänder instruiert, mit jeder Hand einen Eingabeknopf zu steuern und ihre Bewegungen dabei so zufällig und unvorhersehbar wie möglich zu gestalten. Trotz der Instruktion waren systematische Unterschiede zwischen beiden Händen zu beobachten, wobei die rechte Hand schneller bewegt wurde und kleinere Strecken zurücklegte als die linke. Folglich ist nicht nur eine Hand dominant und die andere nicht-dominant, sondern beide weisen eine unterschiedliche Spezialisierung auf: Während die nicht-dominante Hand auf makrometrische Bewegungen ausgerichtet ist, ist die dominante Hand für mikrometrische Bewegungen besser geeignet. Wendet man diese Untersuchungen auf die Schnittstellengestaltung an, so sollte die nichtdominante Eingabe einen größeren Arbeitsraum als die dominante abdecken. Im Gegensatz zur realen Aufgabenbearbeitung müssen in einer virtuellen Umgebung alle Bewegungen erst durch ein Eingabegerät abgebildet werden. Dabei können die Eingaben entweder in eine Bewegungsgeschwindigkeit (Geschwindigkeitssteuerung) oder in eine Objektposition (Positionssteuerung) übersetzt werden. Da die Eingabe direkt proportional zu den Handbewegungen ist, unterliegt die Positionssteuerung anders als die Geschwindigkeitssteuerung kinematischen Beschränkungen und erfordert ein Nachsetzen des Gerätes. Bei der Computermaus ist die Arbeitsplatzbeschränkung einfach durch Hochheben und Neuplatzieren zu umgehen. Bei räumlichen Eingabegeräten muss ein Softwaremodus vorgesehen sein, bei dem durch einen Buttondruck die visuelle Ausgabe eingefroren und das Gerät repositioniert werden kann. Da diese Handlung den Anwender unterbricht, dürften positionsgesteuerte Geräte nur dann zur nicht-dominanten Eingabe geeignet sein, wenn sie aufgrund ihrer Konstruktion weiträumige Bewegungen unterstützen und nicht zu häufig nachgesetzt werden müssen. Ebenso erscheinen besonders geschwindigkeitsgesteuerte Geräte für die nicht-dominante Hand geeignet, da sich weiträumige Bewegungen ohne Reposition durchführen lassen.

3 An der Stelle muss aber auch erwähnt werden, dass Anwender oftmals überhaupt nicht oder erst nach einer Übungsphase von einer beidhändigen Eingabe profitierten: Balakrishnan und Kurtenbach [2] experimentierten mit einer Pick-and-Place Aufgabe und beobachteten, dass die beidhändige Technik nur gegen Ende des Experimentes überlegen war. In einer anderen Untersuchung berichten Balakrishnan und Hinckley [1], dass simultane beidhändige Bewegungen abnahmen, sobald die Aufgabe motorisch anspruchsvoller wurde. Ein zweites Eingabegerät kann folglich auch eine zusätzliche sensomotorische Belastung darstellen. Nicht ohne Grund warnen Kabbash et al. [5] davor, mit einer zweiten Eingabe eine tapping the head and rubbing stomach Situation zu schaffen. Um zu verhindern, dass sich die Anwender mehr auf die Geräte als auf die Aufgabe konzentrieren, muss die beidhändige Interaktion intuitiv sein. Da die offensichtlichste Randbedingung der bimanuellen Koordination die Tendenz zu spiegelsymmetrischen Bewegungen ist, scheint es sinnvoll, gleich gestaltete Eingabegeräte für beide Hände zur Verfügung zu stellen. 2. Hypothesen Um möglichst allgemeingültige Aussagen zu treffen, wurden nur geläufige Standardeingaben berücksichtigt. Als Eingabegeräte standen zwei PHANToMs (Sensable Corp.) sowie zwei Mausgeräte zur Verfügung: Da das PHANToM in verschiedenen Versionen existiert, wurde sowohl ein PHANToM Desktop (16 x 13 x 13 cm) als auch ein PHANToM 1.5 (19.5 x 27 x 37.5 cm) mit Eingabestift verwendet. Beide Geräte sind positionsgesteuert und unterscheiden sich vor allem in ihren Arbeitsräumen. Neben einer geschwindigkeitsgesteuerten Spacemouse (Logitech Inc.) wurde eine positionsgesteuerte Standardmaus eingesetzt. Die Maussteuerung wurde modifiziert, so dass durch das Gedrückthalten einer Maustaste Bewegungen in den Raum möglich waren. Obwohl die Standardmaus für 3D-Anwendungen wenig intuitiv ist, wurde das Gerät aufgrund seiner hohen Vertrautheit trotzdem berücksichtigt. Überträgt man die motorischen Grundlagen auf 3D-Eingabegeräte, so ergeben sich folgende Hypothesen: Skalierungsprinzip: Die nicht-dominante Eingabe muss anders skaliert sein als die dominante und weiträumige Bewegungen unterstützen. Demzufolge eignen sich besonders positionsgesteuerte Geräte, die aufgrund ihrer Konstruktion einen großen Arbeitsraum abdecken (PHANToM 1.5), sowie geschwindigkeitsgesteuerte Geräte zur nicht-dominanten Eingabe (Spacemouse).

4 Symmetrieprinzip: Um den manuellen und kognitiven Vorteil einer zweiten Eingabe nutzen zu können, sollten gleiche Geräte für beide Hände gewählt werden (z.b. zwei PHANToMs, zwei Mausgeräte). 3. Versuchsaufbau Verschiedene Geräte lassen sich nur dann sinnvoll in einen Versuchsaufbau integrieren, wenn mit der Experimentalaufgabe nicht ungewollt ein Eingabegerät bevorzugt wird. Das Szenario sollte deshalb möglichst verschiedene Handlungen, wie Point-and-Click, Pickand-Place' und Peg-Insertion' Elemente, enthalten und sowohl translatorische als auch rotatorische Bewegungen erfordern. Den Anforderungen entsprechend wurde mit Ve² (Virtual engineering environment, iwb) [6] eine Werkzeugmaschine modelliert, wie sie auch in der virtuellen Montageplanung eingesetzt werden könnte (Abb. 1). Das Szenario wurde auf einer Projektionsleinwand mit passiver Stereosicht dargestellt. Auftretende Kontakte zwischen Objekten wurden akustisch rückgemeldet und geräteabhängig war haptisches Feedback verfügbar Bild 1: Experimentalszenario (links), Eingabegeräte (rechts): PHANToM Desktop [1], PHANToM 1.5 [2], Spacemouse [3], Standardmaus [4] Bei bimanuellen Eingaben ist eine Arbeitsteilung zwischen beiden Händen möglich: Während die nicht-dominante Hand einfache Halte- oder Hohlhandlungen übernehmen kann, kann sich die dominante Hand auf die motorisch anspruchsvollere Montage konzentrieren. Die Teilnehmer wurden auf den Vorteil aufmerksam gemacht, aber nicht darauf verpflichtet. Durch die Wahlmöglichkeit sollte eine möglichst natürliche Anwendungssituation mit hoher externer Validität geschaffen werden.

5 Da alle vier Eingabegeräte sowohl ein- als auch beidhändig kommandiert werden können, ergeben sich 20 Kombinationen. Um die Probanden nicht zu überfordern, wurden lediglich sechs Bedingungen in einem reduzierten orthogonalen Versuchsdesign realisiert. Am Ende wurden alle Kombinationen, einschließlich der experimentellen Bedingungen, als Produktkarten präsentiert und die 25 Versuchsteilnehmer um eine Rangordnung gebeten. Um zu prüfen, ob den Probanden eine konsistente Ordnung gelingt, wurden jeweils zwei Karten doppelt vorgelegt. Die Angaben können als zuverlässig bezeichnet werden, da Cronbach's Alpha 0.84 bzw betrug. Während die Parameter Händigkeit und Eingabegerät die beiden unabhängigen Variablen darstellten, wurden die Präferenzordnung, die Bearbeitungszeit und das Präsenzerleben als abhängige Variablen erhoben. Mit dem Präsenzfragebogen wurde ermittelt, inwieweit der Anwender in die virtuelle Umgebung eintaucht [7]. Zudem wurde die sensomotorische Fähigkeit der Anwender erfasst. Hierzu wurde das Wiener Testsystem (Schuhfried GmbH) eingesetzt und eine Testbatterie zusammengestellt, mit der 13 Subskalen zur Auge-Hand-Koordination, zur Hand-Hand-Koordination und zur Zeit- und Bewegungsantizipation erfasst werden konnten. 4. Ergebnisse Die abhängigen Variablen korrelieren miteinander, wobei hohes Präsenzempfinden sowohl mit einer schnellen Bearbeitung einhergeht als auch mit der vorgenommenen Rangordnung übereinstimmt. Da die Parameter nicht unabhängig voneinander sind, kann die Berechnung stellvertretend anhand der Rangordnung vorgenommen werden. Eine Conjointanalyse zeigt, dass die Akzeptanz der Schnittstelle zu 59% durch den Parameter Händigkeit und zu 41% durch die Wahl des Eingabegerätes bestimmt wird. Um zu ermitteln, mit welcher Gerätekombination die Bearbeitung am Besten gelingt, wurden die Teilnutzenwerte berechnet. Wie Tabelle 1 zeigt, bevorzugen die meisten Teilnehmer eine einhändige Bedienung mit einem PHANToM Desktop in der dominanten Hand. Tabelle 1: Metrische Teilnutzenwerte der Eingabegeräte nicht-dominant dominant Ohne Eingabegerät PHANToM PHANToM Desktop Spacemouse Standardmaus

6 Auffallend ist, dass für die nicht-dominante Eingabe die beiden Bedingungen ohne Eingabegerät und mit PHANToM 1.5 fast gleich gewertet werden. Das Ergebnis lässt zwei Interpretationen zu: Erstens, den Probanden ist es fast egal, ob ihnen für die nicht-dominante Hand keine Eingabe oder ein PHANToM 1.5 zur Verfügung steht. Zweitens, es handelt sich um eine heterogene Stichprobe, wobei ein Teil einhändig und der andere Teil beidhändig arbeiten möchte. Um die Homogenität der Stichprobe zu untersuchen, wurde der Datensatz einer Clusteranalyse unterzogen. Dabei bildeten sich drei Gruppen heraus, für welche die Teilnutzenwerte getrennt ermittelt wurden (Tab. 2). Die erste und die zweite Gruppe möchten nur mit einen PHANToM Desktop in der dominanten Hand arbeiten. Im Gegensatz zur zweiten Gruppe lehnt die erste Gruppe eine beidhändige Interaktion strikter ab. Die dritte Gruppe unterscheidet sich von den anderen beiden, da sie sowohl mit einem PHANToM Desktop dominant als auch mit einem PHANToM 1.5 nicht-dominant arbeiten möchte. Obwohl auch mit der Spacemouse ein großer Arbeitsraum abgedeckt werden könnte, wird das Gerät, anders als vermutet, eher abgelehnt. Tabelle 2: Metrische Teilnutzenwerte der Eingabegeräte nach Benutzergruppen nicht-dominant dominant Gruppe 1 N=5 2 N=7 3 N=12 1 N=5 2 N=7 3 N=12 Ohne Eingabegerät PHANToM PHANToM Desktop Spacemouse Standardmaus Betrachtet man die sensomotorischen Fähigkeiten, wie sie mit dem Wiener Testsystem erfasst worden sind, so zeichnet sich die beidhändige Gruppe durch höhere antizipative und reaktive Koordinationsleistungen aus: Diese Teilnehmer können zum einen die Geschwindigkeit bewegter Objekte besser einschätzen und zeigen zudem eine bessere Hand-Hand-Koordination. Folglich wird durch die bimanuelle Schnittstelle eine zusätzliche motorische Belastung impliziert, so dass nur Anwender mit höheren sensomotorischen Fähigkeiten von einem zweiten Standardeingabegerät profitieren. Es bleibt schließlich zu klären, warum die beidhändige PHANToM-PHANToM-Kombination bevorzugt wird. Betrachtet man die Teilnutzenwerte für die dominante Eingabe (Tab. 1), so steht die konventionelle Computermaus nach dem PHANToM Desktop an zweiter Stelle. Demnach kann die Maus-PHANToM-Kombination als bimanuelle Eingabe zweiter Wahl bezeichnet werden. Betrachtet man den prozentualen Anteil, mit dem die linke bzw. die

7 rechte Hand zur Eingabe genutzt wird, so ist beide Male auf den ersten Blick bimanuelles Arbeiten zu beobachten (Tab. 3). Die Bedingungen unterscheiden sich erst bei einer genaueren Betrachtung des räumlich-zeitlichen Eingabeverhaltens: Eine beidhändige Eingabe kann entweder simultan oder sequentiell erfolgen, indem zwei Cursor entweder gleichzeitig oder nacheinander bewegt werden. Stehen zwei gleiche Eingabegeräte zur Verfügung, so wird meistens simultan kommandiert; erfolgt die Eingabe hingegen mit einer Standardmaus und einem PHANToM, so werden beide Hände selten gleichzeitig, sondern fast immer nacheinander bewegt. Da echte, simultane beidhändige Eingaben nur bei gleichen Geräten zu beobachten sind, scheinen zwei unterschiedliche Geräte, wie vermutet, die motorische und kognitive Belastung zu erhöhen. Tabelle 3: Räumlich-Zeitliches Eingabeverhalten rechts-links rechts links dominant PHANToM Standardmaus nicht-dominant PHANToM PHANToM 53.42% 43.75% 46.58% 56.25% simultan-sequentiell simultan 75.00% 18.52% sequentiell (rechts) 22.50% 33.33% sequentiell (links) 2.50% 48.15% 5. Zusammenfassung Von den untersuchten Standardeingaben kann nur das positionsgesteuerte PHANToM 1.5 als nicht-dominantes Eingabegerät empfohlen werden. Der wesentliche Unterschied zum PHANToM Desktop besteht in der Größe des Arbeitsraumes. Würde man beim kleineren PHANToM alle Eingaben höher skaliert ausgeben, so könnte auch das Gerät eine geeignete nicht-dominante Eingabe darstellen. Obwohl das Ergebnis theoretisch zu erwarten war, wurde es vor Versuchsbeginn kontrovers diskutiert: Das PHANToM 1.5 gilt als das größere und das bessere Gerät, so dass es nahe liegt, es auch für die gute Hand zu reservieren. Da die geschwindigkeitsgesteuerte Spacemouse nicht nachgesetzt werden muss, ist das Gerät ebenfalls geeignet, einen großen Arbeitsraum abzudecken. Wenngleich das Gerät insgesamt eher abgelehnt wurde, ließ es sich mit der nicht-dominanten Hand besser kommandieren als mit der dominanten. Das Skalierungsprinzip hat sich damit zwar prinzipiell bestätigt, allerdings sollten nur positionsgesteuerte Eingabegeräte, die einen großen

8 Arbeitsbereich abdecken, und keine geschwindigkeitsgesteuerten Geräte für die nichtdominante Hand eingesetzt werden. Darüber hinaus sollte das Symmetrieprinzip umgesetzt sein und zwei gleiche Gerätetypen für beide Hände zur Verfügung stehen. Andernfalls ist zwar eine bimanuelle Interaktion, aber keine echte, simultane Beidhändigkeit zu beobachten. Trotz der vermeintlichen Zeit-Bewegungseffizienz und der plausiblen Zwei-Hand-Metapher, profitierten nur Anwender mit höheren sensomotorischen Koordinationsfähigkeiten von einer bimanuellen Schnittstelle. Damit auch weniger trainierte Anwender durch einen kognitiven, bimanuellen Referenzrahmen unterstützt werden, sollte kein zweites Eingabegerät, sondern z. B. eine fiktive, virtuelle Hand vorgesehen sein. Wie sich gezeigt hat, muss auf die adäquate Lösung der Händigkeit mindestens genauso viel Sorgfalt wie auf die Wahl des Eingabegerätes verwandt werden, um die Akzeptanz der Schnittstelle sicherzustellen. 6. Literatur [1] Balakrishnan, R. & Hinckley, K. (2000). Symmetric Bimanual Interaction. CHI 2000: Conf. on Human Factors in Computing Systems, The Hague, The Netherlands, [2] Balakrishnan, R. & Kurtenbach, G. (1999). Exploring Bimanual Camera Control and Object Manipulation in 3D Graphics Interfaces. CHI 1999: Conf. on Human Factors in Computing Systems, Pittsburgh, Pennsylvania, USA, [3] Guiard, Y. (1987). Asymmetric Division of Labor in Human Skilled Bimanual Action: The Kinematic Chain as a Model. Journal of Motor Behavior, 19, [4] Hinckley, K., Pausch, R., Proffitt, D. & Kassell, N. (1998). Two-Handed Virtual Manipulation. Computer-Human Interaction, 5 (3), [5] Kabbash, P., MacKenzie, S. & Buxton, W. (1993). Human performance using computer input devices in the preferred and non-preferred hands. INTERCHI 1993: Conf. on Human Factors in Computing Systems, Amsterdam, The Netherlands, [6] Petzold, B., Zäh, M. F., Färber, B., Deml, B., Egermeier, H., Schilp, J. & Clarke, S. (2004). A Study on Visual, Auditory and Haptic Feedback for Assembly Tasks. Presence: Teleoperators and Virtual Environments, 13 (1), [7] Scheuchpflug, R. (2001). Measuring Presence in Virtual Environments. HCI 2001: Int. Conf. on Human-Computer Interaction, New Orleans, Louisianna, USA, [8] Todor, J. I. & Doane, T. (1978). Handedness and Hemispheric Asymmetry in the Control of Movements. Journal of Motor Behavior, 10,