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Hier wird Wissen Wirklichkeit

Human Computer Interaction

Interaktionsgeräte und Displays

Prof. Dr. Detlef Krömker

Institut für InformatikJohann Wolfgang Goethe-Universität

Prof. Dr. Detlef KrömkerInstitut für Informatik

2 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V07 Direct Manipulation and VEs

Rückblick

‣ Kommunikation mit Informationssystemen über Kommandosprachen

‣ Eine der ersten Formen zur Kommunikation mit dem Rechner

‣ Beispiele‣ UNIX Shell, MS-DOS Shell‣ Datenbankabfragen

‣ dBase, SQL‣ Programmiersprachen,

Skriptsprachen

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Funktionalitäten

Problem: Wie entwirft man eine Kommandosprachen-Struktur, die für diese Aufgaben geeignet ist?

Lösungsansatz:

‣ Identifizieren der User Tasks‣ Typischerweise 1:1 Funktionalitäten mit Aktionen und Objekten‣ Häufiger Fehler: zu viele Aktionen und Objekte

‣ Verwirrend für Anwender‣ Mehr Code, mehr Fehler

‣ Auf der anderen Seite: ungenügende Anzahl von Aktionen können zuFrustration führen!



Strukturierung von Kommandos

‣ Grundlage zur Wahl von Kommandos‣ Konsistentes Interface-Konzept‣ Unterstützt Merkbarkeit und das Erlernen

‣ Aber: Wahl der Kommandos nicht einfach‣ Beispiele Load/Save vs. Read/Write vs. Open/Close

‣ Häufiger Fehler: ‣ Wahl einer Computer-Metapher statt einer Metapher des

Anwendungsgebietes

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Natürlich-sprachliche Kommunikation

‣ Einer der aktuellen Trends der Mensch-Maschine-Interaktion‣ Verstärkte Nutzung von natürlicher Sprache zur Kommunikation mit dem

Computer‣ Ein- und Ausgabe

‣ Probleme‣ Komplexität natürlicher Sprache‣ Unterschiede in der Aussprache (Kultur, Akzent, Stimmung)‣ Kontextabhängigkeit natürlicher Sprachen‣ Semantik‣ Große User Base

‣ Aktuelle Stand auf diesem Gebiet‣ Sehr beschränkte Anwendungsgebiete (z.B. Buchungssystem für Kino)‣ Kaum möglich:

‣ Intelligente Dialogführung‣ Freie Kommunikation



Übersicht Interaktionsgeräte und Displays

‣ Intro

‣ TastaturStandardTastaturen für kleine Geräte

‣ Mouse & Co. (Pointing Devices WIMP, Zeigegeräte)

‣ Neuere Interaktionsgeräte (Ansätze)

‣ Displays

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Interaktionsgeräte: Entwicklung der BandbreiteRechnerentwicklung seit den 60er Jahren

‣ Leistung: Hz → GHz

‣ Hauptspeicher kB → GB

‣ Sekundärspeicher kB → TB

‣ Eingabe: Lochkarten, Lochstreifen � Tastatur, Pens, Tablett, Handy, Maus, Digitale Kameras, Web Cams (40 MByte/Sek.)

‣ Ausgabe: 10 Zeichen/Sekunde � Megapixel Displays: 1,3 x 106 x 60 x 3Byte = 240 MByte

Color Laser, Surround Sound, Force Feedback, VR



Zukunft ?

‣ Gesteneingabe‣ Zweihändige Eingabe‣ 3D-Eingabe/Ausgabe

‣ Andere: Sprache, Wearables, Intelligent Cloths, Eye Trackers, Datenhandschuh, Haptische Interaktion, Force Feedback

‣ Neue Interaktionsformen und –technologien ständig in der Entwicklung

‣ Aktuelle Trends: ‣ Multimodale Interaktion

Beispiel: Bedienung eines Navigationssystems mit Buttons oder Sprache

‣ Barrierefreiheit

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Keyboard und Keypads

QWERTY-Tastatur als de-fakto Standard‣ In Deutschland: QWERTZ‣ Christopher Sholes, 1879‣ Contra: Nicht einfach zu erlernen, nicht

optimales Layout‣ Pro: Gewohnheit

Eingabegeschwindigkeit

‣ Anfänger: 1 Anschlag pro Sekunde‣ Typischer Büroangestellter: 5 Anschläge

(50 Wörter pro Minute)‣ Experten: 15 Anschläge pro Sekunde

(ca.150 Wörter pro Minute)



Tastatur-Layouts

Zur Entwicklung:‣ Bewusst weit entfernte Platzierung von

Zeichen, deren Kombination häufig vorkommt, d.h. Wege für Finger werden vergrößert

‣ Grund: Ausbremsen der Anwender, so dass das ein häufiges Verklemmen der Typenhebel seltener vorkommt

‣ Deutschland: leicht verändert zum QWERTZ-Layout‣ DIN 2137

‣ Frankreich: AWERTY

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Tastatur-Layouts

Dvorak-Layout‣ August Dvorak, 1920‣ Vokale auf der einen Seite, Konsonanten

entsprechend der Häufigkeit der Verwendung mit der besseren rechten Hand

‣ Idee: ‣ Reduziert Fingerwege um

mindestens eine Größenordnung‣ Ergebnisse von Versuchen: Die Vorteile

für Dvorak-Layout belegen, konnten nicht reproduziert werden

‣ Wirtschaftliche Gründe widersprechen einer Einführung und Akzeptanz

Details zu diesem Thema: http://www.zeit.de/archiv/1997/04/qwerty.txt.19970117.xml



Weitere Tastatur-Layouts

ABCDE-Style‣ Sequentielle Anordnung aller 26 Buchstaben in alphabetischer

Ordnung‣ Vorteilhaft für ungeübte Anwender

IBM-PC-Tastatur‣ Spezielle Form des QWERTY-Layouts - häufig kritisiert‣ BACKSLASH an der Stelle, an der die meisten Anwender die

SHIFT-Taste erwarteten‣ Verschiedene Sonderzeichen sehr nahe an der ENTER-Taste

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Gestaltungsrichtlinien für Tastaturen

Gestaltungstichtlinien heute:‣ quadratische Tasten (1/2 inch)‣ 1/4 inch spacing between keys‣ Leicht konkave Oberfläche ‣ Rauhe Oberfläche zur Vermeidung des Abgleitens‣ Aktivierungskraft: 40 bis 125 Gramm ‣ Tastaturhub: 3 bis 5 Millimeters‣ Taktiles und auditives Feedback wichtig‣ Einige Tasten sollten größer sein (e.g. ENTER, SHIFT, CTRL) ‣ Einige Tasten (z.B. Feststelltaste/ CAPS LOCK) benötigen einen Statusindikator

(z.B. Leuchtdiode, eingerastete Position)‣ Große, bedeutungsvolle und permanente Labels‣ Spezielle Gestaltung einiger „Home“-Keys zur einfachen, blinden Erkennung

(Vorsicht: nicht standardisiert)



Tastatur-Layouts

Funktionstasten‣ Spezielle Tasten auf dem Keyboard‣ Im allgemeinen nicht standardisiert‣ Platzierung auf der Tastatur beeinflusst effiziente Nutzung Typische

Beschriftung/Benamung: F1, F2, etc, manchmal auch bedeutungsvolle Beschriftung: CUT, COPY, etc.

Aspekte zur Nutzung‣ Können die Anzahl der Tasteneingaben und damit auch der Fehler reduzieren ‣ Problem: Bedeutung einer Taste kann von Anwendung zu Anwendung unterschiedlich

sein‣ Anwender müssen sich an die jeweilige Bedeutung erinnern‣ Andere Lösungen: Schablone, Darstellung der Funktion auf dem Bildschirm, …‣ Ggf. LEDs zur Darstellung der Verfügbarkeit einer Funktion oder Onn/Off-Status

‣ Wechsel zwischen Maus und Funktionstasten i.A. problematisch ‣ Alternative: Tastaturkommandos

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Tastatur-Layouts

Cursor-Tasten‣ Up, down, left, right ‣ Einige Tastaturen stellen auch Diagonal-Cursor-Tasten bereit‣ Erprobte Positionierung: Invertiertes T

‣ Ermöglicht es Anwender die mittleren 3 Finger in einer Form zu positionieren, die Hand- und Fingerbewegungen reduziert

‣ Typischerweise in Verbindung mit Auto-Repeat

Aspekte zur Anwendung ‣ Wichtig für Formulareingabe und Direct Manipulation‣ Andere Bewegungen können ggf. mit anderen Tasten durchgeführt werden,

z.B. TAB, ENTER, HOME

‣ Weitere Aspekte‣ Nummernfeld-Layout‣ Flächen zur Platzierung von Handgelenk und Hand



Tastaturen für kleine Devices

Anwendungsbereiche‣ Handies‣ PDAs

Formen‣ Drahtlose und faltbare Tastaturen‣ Virtuelle Tastaturen‣ Cloth Keyboards‣ Soft Keys‣ Pens und Touchscreens

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Tastaturen für kleine Devices: Handy

Typischerweise Kombination statischer Tasten mit dynamischen Soft Keys‣ Multi-Tap-Funktion: Mehrfachbelegung von Tasten‣ Studie: Nachvollziehbare Techniken erhöhen Performanz

Virtuelles Keyboard:‣ Tastatur auf dem Bildschirm, Aktivierung von Tasten mit Pen‣ Erreichbare Geschwindigkeit: 20 bis 30 Wörter/Min. (Sears ’93)

Handschriftenerkennung‣ Allgemein: nicht vollständig gelöstes Problem‣ Vereinfachung: Graffiti2 (Verwendung von Unistrokes)



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Zeigegeräte (Pointing Devices)

Notwendig für Direct Manipulation

Gestaltungsaspekte‣ Größe des Devices‣ Genauigkeit‣ Dimensionalität (Eingabe)

Typische Interaktionsaufgaben‣ Auswahl – Menuauswahl, Auswahl von einer

Liste‣ Positionierung – 1D, 2D, 3D‣ Orientierung – Steuerung der Orientierung bzw.

direkte Eingabe von 3D-Orientierungen‣ Pfadeingabe – Auszeichnung mehrerer

Positionen ‣ Eingabe von quantitativen Werten (Über

Steuerung dafür vorgesehener Widgets)‣ Textmanipulation – Verschieben von Text

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Zeigegeräte (Pointing Devices)

Zwei Typen von Eingaben

‣ Direkte Kontrolle – Darstellungsmedium (z.B. Bildschirm) ist Interaktionsfläche (Touchscreen, Stylus)

‣ Indirekte Kontrolle – Maus, Trackball, Joystick, Touchpad

Polhemus Stylus:Stift zur 3D-Eingabe



Direct-Control Pointing: Lightpen

‣ Historisch gesehen das erste Zeigegerät für Direct-Control Pointing

‣ Funktionsweise: Positionierung auf dem Bildschirm und Drücken eines Knopfes

‣ Pro: ‣ Einfach zu verstehen und zu

benutzen‣ Sehr schnell für einige

Operationen (z.B. Zeichnen)‣ Contra:

‣ Handermüdung ‣ Hand und Stift versperren Sicht

auf Bildschirm‣ Fragil

Light Pen (Sutherland 1963)

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Touch-Screens

‣ Pro: Sehr robust, keine beweglichen Teile

‣ Contra: Auflösung beschränkt, aber 1600x1600 mit Akustikwellen möglich

‣ Aspekte‣ Feedback für Positionierung problematisch: Anwender reagieren verwirrt,

wenn kein Cursor an der Stelle auftaucht, die selektiert wird‣ Software sollte speziell für Selektion mit dem Touch-Screen ausgelegt sein

(Land-on Strategy)‣ User confidence kann weiter erhöht werden durch gute Lift-off Strategy‣ Anwendung insbesondere für unerfahrene Nutzer oder große

Nutzergemeinden



Indirect-Control Pointing: Mouse

Pro: ‣ Reduzierte Hand-Ermüdung‣ Verringerte Probleme bzgl. Feedback

für Positionierung

Contra: ‣ Erhöhte kognitive Belastung‣ Motorische Fähigkeiten spielen eine

größere Rolle

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Maus

Patent: Douglas Engelbart, 1968

Pro ‣ Weit verbreitet – Nutzer sind vertraut damit‣ Bei Desktops allgemein verfügbar‣ Geringe Kosten‣ Einfach anzuwenden‣ Recht hohe Genauigkeit

Contra:‣ Zeitaufwand zum Wechsel non Tastatur auf Maus‣ Benötigt zusätzlichen Platz auf der Arbeitsfläche‣ Umständlich (Kabel), Verschmutzung‣ Bewegungen über größere Distanzen können

Schwierigkeiten bereitenZu beachten: Gewicht, Größe, Form, Anzahl der Knöpfe,

Force Feedback, zweihändige Nutzung

Engelbart, 1968



Weitere Geräte

Trackball (Rollkugel)‣ Pro:

‣ Geringer Platzbedarf‣ Gut geeignet für Kiosk-Systeme‣ Erweiterung für 3D-Eingabe

Joystick‣ Pro

‣ Einfach zu verwenden, viele zusätzliche Buttons

‣ Gut geeignet für Tracking-Aufgaben (Verfolgung eines Objekts am Bildschirm)

‣ Contra‣ Nicht für alle Arten von

Anwendungen angemessen

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Graphiktablett

Pro‣ Höhere Auflösung als bei Maus

erreichbar‣ Sehr komfortabel

Contra‣ Geringe Dateneingabe-Rate

Sehr gut für CAD-Anwendungen und Gestaltungsaufgaben, z.B. Freihandlinien, Skribbeln (Paint Box)



Das „Gesetz“ von Fitt (Fitts’s Law) Positioniergeschwindigkeit

Modell menschlicher Handbewegungen‣ Paul Fitts, 1954

Kann verwendet werden, um die Zeit t vorherzusagen, die man benötigt, um auf ein Objekt zu zeigen

Faktoren, die diese Zeit beeinflussen‣ D – Distanz zum Zielobjekt‣ W – Größe des Zielobjekts

t = f(D, W)

Frage: Ist diese Funktion linear bzgl. D und W?

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Das Gesetz von Fitt (Fitts’s Law)

Frage: Ist diese Funktion linear bzgl. D?

Antwort: Nein!‣ Wenn D die Distanz zum Target A und 2D die Distanz zum Target

B ist, benötigt man trotzdem nicht doppelt so lange zur Positionierung auf B wie auf A

Frage: Ist diese Funktion linear bzgl. W?

Antwort: Nein!‣ Sicher auch keine lineare Abhängigkeit von der Größe!




‣ Gesetz von Fitt (Fitts’s Law)

t = f(D, W) = a + b log2(D/W + 1)

‣ a = Zeit für Start/Stop in Sekunden (empirisch zu Bestimmen für jedes Device)

‣ b = inhärente Geschwindigkeit des Geräts (empirisch zu Bestimmen für jedes Device)

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Das Gesetz von Fitt (Fitts’s Law): Beispiel

Beispiel‣ a = 300 ms ‣ b = 200 ms‣ D = 14 cm‣ W = 2 cm

‣ Benötigte Zeit:

300 + 200 log2(14/2 + 1) = 900 ms

Frage: Wenn die Zeit für das Positionieren halbiert werden soll, wie muss die Größe des Objekts verändert werden?

D = 14W = 2




Aspekte von Fitt‘s Law‣ Gute Vorhersagen für die meisten Altersgruppen

Erweiterte Formen mit zusätzlichen Parametern‣ Studie von Sears und Shneiderman ’91

‣ Richtung: Horizontale Poistionierung üblicherweise schneller als vertikal

‣ Gewicht des Eingabegeräts‣ Form des Targets‣ Armposition (ruhend oder erhoben)‣ 2D und 3D (Zhai ’96)‣ Alter

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Vergleich der Techniken

‣ Direct Pointing‣ Studie: Schneller aber ungenauer als Indirect Pointing (Haller ’84)‣ Viele Studien bestätigen, dass für die meisten Aufgaben die Maus bzgl.

Geschwindigkeit und Genauigkeit die am besten geeignete Form desPointing darstellt

‣ Allgemein‣ Trackpoint < Trackballs & Touchpads < Maus‣ Für kleine Entfernungen: Cursor-Tasten bessere Wahl

‣ Motorisch Behinderte bevorzugen Joysticks und Trackballs ‣ Berührungsempfindliche Eingabegeräte bevorzugt, wenn Kraft ein Problem

ist‣ Sehbehinderte haben Probleme mit den meisten Zeigegeräten

‣ Lösungsansatz: Multimodale Interaktion

‣ Hinweise zur Gestaltung von UIs‣ Größere Zielobjekte reduzieren Zeit und Frustration



Übersicht: Interaktionsgeräte

‣ Intro




‣ Displays

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Neuartige Interaktionsgeräte

‣ Motivation für die Entwicklung neuer und Weiterentwicklung existierender Eingabegeräte‣ Allgemeinere Anwendbarkeit von Eingabegeräten

‣ Anwender‣ Aufgaben

‣ Verbesserter Match zwischen Aufgabe und Eingabegerät‣ Improved Affordance: Bessere Anpassung an Kontext und

Anwendung‣ Verbesserter Input‣ Feedback Strategien



Neuartige Interaktionsgeräte

Motivation für die Entwicklung neuer und Weiterentwicklung existierender Eingabegeräte

‣ Allgemeinere Anwendbarkeit von Eingabegeräten‣ Anwender‣ Aufgaben

‣ Verbesserter Match zwischen Aufgabe und Eingabegerät‣ Improved Affordance: Bessere Anpassung an Kontext und

Anwendung‣ Verbesserter Input‣ Feedback Strategien

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Fußsteuerung

‣ Bereits angewendet in Fällen, wenn die Hände bereits belegt sind

‣ Beispiele‣ Musik‣ Autos

Erfahrungen‣ Fußmaus doppelt so langsam

wie Handmaus‣ Fußeingabe kann zur

Spezifikation von Modi genutzt werden



Eye-tracking

‣ Genauigkeit: 1-2 Grad‣ Annahme einer Selektion

typischerweise bei unbewegtem Blick für 200-600 ms

‣ Problem: Unterscheidung Selektion gegenüber Blick

‣ Möglicher Ansatz: Kombination mit manuellem Input

‣ Erprobt bereits bei motorisch Behinderten

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Multiple Degree of Freedom Devices

‣ Eingabe von mehr als 2 KomponentenZiel: 6 DOF (Degrees of Freedom)

‣ Beispiele‣ Logitech Spaceball and

SpaceMouse‣ Ascension Bird‣ Polhemus Liberty und IsoTrack



Weitere Neuartige Interaktionsgeräte

Boom Chameleon‣ Pro: Natürlich, gutes räumliches

Verständnis‣ Contra: Beschränkte Anwendbarkeit,

Interaktion schwierig (passives Verhalten)

DataGlove‣ Überziehbarer Handschuh‣ Nutzbar zur Gesteneingabe‣ Beispiele: Zeichensprache, Dirigieren, etc.

‣ Pro: Natürliche Form der Interaktion‣ Contra:

‣ Größe, Hygiene, Genauigkeit, Haltbarkeit

‣ Kaum nutzbar in Verbindung mit anderen Devices

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Haptisches Feedback

‣ Force Feedback über entsprechend ansteuerbare Motoren

‣ 6 DOF

‣ Beispiel: SensAble Technology’s

Phantom

‣ Contra: (bislang) kaum Anwendungen

‣ Häufig Sound und Vibration als Approximation von Force Feedback einfacher anwendbar



Zweihändige Manipulation

‣ (Two-Handed Input)‣ Nutzung alltäglicher, menschlicher

Fähigkeiten‣ Nutzung von 2 Eingabegeräten

gleichzeitig mit beiden Händen

‣ Parallele Ausführung zweier Aufgaben‣ Symmetrische Manipulation

‣ Zwei Hände ‚arbeiten‘ an einer Aufgabe‣ Asymmetrische Manipulation‣ Häufig: Nicht-bevorzugte Hand

steuert den Kontext, dominante Hand selektiert Objekte

‣ Aspekt: unsere Hände haben unterschiedliche Genauigkeiten

Hinckley et. al. 1997

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Ubiquitous Computing und Tangible User Interface

‣ Allgemeines Ziel: Einbeziehung der physischen Welt zur Interaktion

Beispiele‣ Active Badges

‣ Intelligente Badges mit eigenem Profil

‣ Sensoren im Haus lesen das Profil

‣ Beim Bewegen im Haus passt sich die Umgebung auf dieses Profil an

‣ Weiterführung: das intelligente Haus

‣ User Participation in Art: MyronKruger (SIGGRAPH Exhibitions)

Ullmer, Ishi



Shapetape und Props

Shapetapes‣ Flachgummi, mit Stahlkern und

eingebettete optische Sensoren‣ Modellierung beliebiger Formen mit

beiden Händen

Props‣ Hickley et. al. 1997‣ Getrackte physikalische Objekte zur

Interaktion‣ Andere Begriffe‣ Near Field Haptics (Brooks)‣ Tactile Augmentation (Hoffman)

Aktive Props‣ Erweitert um eigene Funktionalität

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Smartboard

Annotation

Nutzung in Gruppen



Mobile Geräte als persönliches Interaktionsgerät nutzen

‣ Handheld Devices‣ PDA, Handy, etc.

‣ Anwendung‣ Universelle Fernbedienung (in

Verbindung mit Bluetooth, Firewire, etc.)

‣ Unterstützung für Behinderte‣ Ablesen von LCD-Bildschirmen‣ Raumsteuerung‣ Darstellung von Karten zur

Orientierung/Navigation‣ Erweiterung: Body-Context-Sensitive

‣ Kontextsensitives Verhalten ‣ Beispiel: PDA ans Ohr halten

um Anruf zu beantworten

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Mobile Endgeräte

‣ Mobile Endgeräte als alternatives Interaktions-Device für viele Anwendungen

‣ Privat‣ Personal Digital Assistant (PDA), Universelle Fernbedienung

‣ Business‣ PDA, Kommunikation (Telefon, E-Mail, Messaging, etc.), Informationszugriff

‣ Medizin‣ Monitoring von Patienten

‣ Museen und Ausstellungen



Übersicht: Interaktionsgeräte

‣ Intro




‣ Displays

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Displays

‣ Primäres Medium für Feedback

‣ Eigenschaften‣ Physikalische Dimension‣ Auflösung‣ Farbtiefe und Farbechtheit‣ Helligkeit, Kontrast, Blendung

(Glare)‣ Leistungsaufnahme‣ Bildwiederholrate‣ Kosten‣ Ausfallsicherheit‣ Anzahl der gleichzeitigen Nutzer



Display-Technologien

‣ Monochrom-Displays (einfarbig)‣ Geringe Kosten‣ Höhere Kontraste (wichtig für

Anwendungen in der Medizin)

‣ Farb-Displays‣ CRT‣ LCD – dünn, hell‣ Plasma – sehr hell, dünn‣ LED – große Displays

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Großflächige Displays

Fraunhofer IPSI 2004Fuchs 2001

Vision: Jede Oberfläche ist ein Pixel




‣ Electronic Ink‣ Entwicklung in Richtung flexibler

Displays‣ Neues Entwicklung auf Basis von

Kapseln mit geladenen Teilchen ‣ Schwarz: negativ‣ Weiß: positiv

E-INK Corporation, 2002

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‣ Blindenschrift Displays (BrailleDisplays)‣ Taktile Displays auf Basis

hochstehender bzw. sich absenkender Elemente




‣ Wall Displays‣ Informations-Display

‣ Öffentliche Informationssysteme (Flughafen, Werbung, etc.) Kontrollräume, etc.

‣ Funktionen: SituationalAwareness

‣ Alte Technologie: Array von CRTs

‣ Interaktive Displays‣ Bedarf nach neuen

Interaktionstechniken ‣ Freihandzeichnung, OCR, etc.‣ Anwendungen

‣ Lokale und Verteilte Zusammenarbeit

‣ Kunst, Ingenieuranwendungen

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‣ Multiple Desktop Displays‣ Mehrere CRTs Flachbildschirme

zur Emulation eines großen Bildschirms

‣ Preiswerte Alternative zu großen, hochauflösenden Lösungen

‣ Problem: Kantenbereiche




‣ HEyeWall‣ Fraunhofer IGD 2004‣ Hochauflösendes Stereo-Display‣ Auflösung: 6144 x 3072‣ 5m breit, raumhoch

‣ Technologie‣ 15 Projektorenpaare‣ Je 2 Projektoren und PCs zur

Bildgenerierung eines rechteckigen Bereiches in Stereo

‣ Vermeidung des Kacheleffektes an Bildbereichs-Schnittstellen HEyeWall, Fraunhofer IGD 2004

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‣ Lesen Sie Kapitel 9 von „Shneiderman/Plaisant: Designing the User Interface“!

Hier wird Wissen Wirklichkeit

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Ausblick: Spracheingabe und –ausgabeKollaboration

… Screen Design und Abschluss

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