[toc] Ein Großteil der Entwicklungen im Bereich der Natural User Interfaces basiert auf (Multi-)Touch Interfaces und der Steuerung durch Touchgesten. Da diese Form der natürlichen Benutzerschnittstellen beispielsweise bei sehr großen vertikalen Displays oder an für den Benuter nicht erreichbaren Displays nicht verwendet werden kann, besteht die Notwendigkeit, alternative natürliche Interaktionsmechanismen einzusetzen, die eine berührungslose Interaktion mit vertikalen Displays aus einer gewissen Entfernung ermöglichen. Um einen Überblick über bereits existierende Prototypen solcher über die Touchinteraktion hinausgehenden (Beyond Touch) Interaktionsmechnismen zu geben, werden nun einige dieser Prototypen vorgestellt.
Aus der Vielzahl der Prototypen von natürlichen Interaktionsmechanismen lassen sich einige gehäuft auftretende, grundlegende Bedienkonzepte identifizieren. So werden vermehrt Ansätze gewählt, bei denen es beispielsweise möglich ist auch aus einiger Entfernung durch Touchgesten in unteschiedlichen Ausprägungen zu interagieren. Andere Prototypen basieren auf mouseähnlichen tragbaren Eingabegeräten, die eine Bedienung auf intuitive und natürliche Weise anstreben. Andere Interaktionsmechanismen beruhen auf der Gestensteuerung und verzichten auf zusätzliche Eingabegeräte auf Nutzerseite. Des Weiteren wird hier auch ein sogenanntes Brain-Computer Interface vorgestellt, das eine Anwendungsnutzung allein durch Gehirnstrommessung ermöglicht. Zunächst werden nun einige Mechanismen beschrieben, die durch die Körperbewegungen des Nutzers gesteuert werden. Nach diesen gestenbasierten Interaktionsmechanismen werden die Remote-Touch Interaktionsmechanismen, die gerätevermittelten Interaktionsmechanismen und das Brain-Computer Interface vorgestellt.
Gestenbasierte Interaktionsmechanismen
Die natürlichste Form der HCI ist die Bedienung einer Nutzerschnittstelle ohne die bewusste Nutzung eines Interaktionsmechanismus zur Erreichung der Zielsetzung. Dies bedingt einen vollständigen Verzicht auf Eingabegeräte auf Nutzerseite und die Interaktion zwischen System und Nutzer auf Basis der dem Nutzer zur Verfügung stehenden Kommunikationsmittel. Ebenso wie die Interaktion zwischen Menschen kann der Nutzer dem System seine Absichten über die Bemühung von Mimik, Gestik und Sprache mitteilen. [ref]Dahm, Markus (2006): Grundlagen der Mensch-Computer-Interaktion. 1. Aufl., . München: Pearson Studium, S. 112.[/ref] Die Gesture Based Interfaces nutzen zur Interaktion zwischen Mensch und Computer nur die Gestik zur Eingabe auf Nutzerseite und visuelles oder akustisches Feedback durch den Computer.
Magic Window
Magic Window[ref]Lee, Johnny C. (2008a): Hacking the Nintendo Wii Remote. IEEE Pervasive Computing, 3/2008 (7). IEEE Computer Society, S. 39–45.[/ref] ist ein Interaktionsmechanismus, der es dem Nutzer erlaubt ohne die Zuhilfenahme von Eingabegeräten mit Bildmaterial zu interagieren. Dazu wird die Position des Kopfes des Nutzers verfolgt (Headtracking) indem die Position der an der Brille des Nutzers befestigten Infrarot-LED von der Infrarotkamera einer Wii-Remote erfasst wird. Da die Darstellung auf dem Display stets zum Nutzer ausgerichtet wird, entsteht für diesen ein der Effekt, dass er den dargestellten Inhalt wie durch ein Fenster betrachtet. Bewegt sich der Nutzer also nach links, kann er mehr von der rechten Seite des Bildes sehen. Bewegt er seinen Kopf nach unten, kann er mehr von der oberen Seite des Bildes sehen. Nähert er sich dem Display, kann er mehr vom gesamten Bild sehen usw. Diese Form der Interaktion ist sehr natürlich, da der Nutzer das Prinzip der Paralaxe, also der scheinbaren Änderung der Position eines Objektes, wenn der Beobachter seine eigene Position verschiebt, bereits aus der im Alltag gesammelten Erfahrung kennt. Um der Interaktion weitere Freiheitsgrade hinzuzufügen kann z.B. ein weiterer Wii-Remote Controller in die Interaktion eingebunden werden.
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SixthSense
SixthSense[ref]Mistry, Pranav & Maes, Pattie (2009): SixthSense: A Wearable Gestural Interface. In: Anjyo, Ken (Hrsg.): ACM SIGGRAPH ASIA 2009 Sketches. New York, USA: ACM Press, S. 11:1[/ref] ist ein Interaktionsmechanismus der in die Rubrik des Wearable Computing eingeordnet werden kann, da die Hardware wie Kleidung am Körper getragen wird. Diese Hardware besteht aus einem Projektor und einer Kamera, die vor der Brust getragen werden sowie farbigen Markern an Daumen und Zeigefinger beider Hände. Somit können Inhalte durch den Projektor auf jeder beliebigen Fläche dargestellt werden und durch Handgesten manipuliert werden, die von der Kamera aufgenommen werden. So kann der Nutzer beispielsweise jederzeit und nahezu überall seinen Kalender anzeigen lassen, um seine Termine zu verwalten, Skizzen oder Notizen machen, Kartenmaterial der Umgebung betrachten oder gestengesteuert Fotos machen.
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Imaginary Interface
Imaginary Interface[ref]Gustafson, Sean; Bierwirth, Daniel & Baudisch, Patrick (2010): Imaginary Interfaces: Spatial Interaction with Empty Hands and without Visual Feedback. In: Perlin, Ken; Czerwinski, Mary & Miller, Rob (Hrsg.): Proceedings of the 23nd Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology. New York, USA: ACM Press, S. 3–12.[/ref] ist ebenfalls eine Wearable Computing Benutzerschnittstelle und nutzt eine Kamera zur Erfassung von Handgesten, verzichtete aber anders als SixthSense vollständig auf eine Darstellung von Inhalten und erlaubt daher eine sehr kompakte Bauweise, da kein Anzeigegerät erforderlich ist. Durch eine L-Geste mit der nichtdominanten Hand wird eine imaginäre Eingabefläche aufgespannt, auf der dann durch das Zusammenführen von Daumen und Zeigefinger gezeichnet oder geschrieben werden kann. So kann der Nutzer jederzeit Dokumente zu in seinem aktuellen Umfeld relevanten Themen erstellen. Diese auf einfachen Gesten basierende Form der Interaktion ist leicht erlernbar, jedoch sind komplexe Zeichnungen wegen des fehlenden visuellen Feedbacks schwierig zu realisieren.
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Multitoe
Mit Multi Toe[ref]Kaefer, Konstantin; Kanitz, Dorian; Meusel, René; Fetzer, Caroline; Augsten, Thomas; Stoff, Thomas; Holz, Christian & Baudisch, Patrick (2010): “Multi-Toe” Interaction with a High-Resolution Multi-Touch Floor. Potsdam, Germany, S. 1-6.[/ref] kann der Benutzer eine Anwendung mit den Füßen steuern. Dazu erfolgt die Interaktion auf einem touchsensitiven Untergrund, der sich wiederum über einem Display befindet. Bei dieser Form der Touchinteraktion treten einige Besonderheiten auf. So hat der Nutzer nahezu dauerhaften Kontakt zur Interaktionsoberfläche. Außerdem ist die Kontakfläche um einiges größer als bei der Touchinteraktion mit Fingern, sodass ein Interaktionspunkt an der Sohle des Benutzers identifiziert werden muss, um eine präzise Bedienung zu gewährleisten. Allerdings bietet Multi Toe auch einige Vorteile gegenüber einer herkömlichen Touchinteraktion mit Fingern. So kann der Nutzer anhand des individuellen Profils seiner Schuhsohle identifiziert werden. Außerdem kann eine Gewichtsverlagerung des Nutzers erkannt werden, wodurch eine differenzierte Touchinterakion mit zusätzlichen Freiheitsgraden erfolgen kann.
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Wii Gesture Interface
Wii Gesture Interface[ref]Lin, Jiaqing; Nishino, Hiroaki; Kagawa, Tsuneo & Utsumiya, Kouichi (2010): Free Hand Interface for Controlling Applications Based on Wii Remote IR Sensor. In: Spencer, Stephen N. (Hrsg.): Proceedings of the 9th ACM SIGGRAPH Conference on Virtual-Reality Continuum and its Applications in Industry VRCAI 2010. New York, USA: ACM Press, S. 139–142.[/ref] ist ein Interaktionsmechanismus zur Steuerung vertikaler Displays durch natürliche Handgesten. Eine Platine mit einer Vielzahl von Infrarot-LED leuchtet dazu den Raum vor dem Display aus. Die reflektierte Infrarotstrahlung wird dann von der Infrarotkamera eines Wii-Remote Controllers in ein Bild umgewandelt, dass es ermöglicht die Hand des Benutzers und ihre Bewegungen zu identifizieren. Somit können einfache Gesten, wie eine Bewegung der Hand von links nach rechts genutzt werden, um beispielsweise den nächsten Inhalt auszuwählen oder eine Berührungsgeste, um einen Inhalt auszuwählen. Um dann weitere Interaktionsmöglichkeiten zu schaffen und die Präzision der Interaktion zu steigern, kann zusätzlich noch ein weiterer Wii-Remote Controller eingebunden werden, dessen Tasten z.B. mit schwer durch Gesten darstellbaren Aktionen belegt werden können.
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Remote-Touch Interaktionsmechanismen
Diese Form der alternativen natürlichen Interaktionsmechanismen erfordert keine Präsenz des Nutzers an einem vertikalen oder horizontalen Touchscreen sondern verlagert die direkte Interaktion mit dem System auf das vom Benutzer verwendete Gerät. Zwar erfolgt die Interaktion mit dem verwendeten Interaktionsmechanismus wiederum durch intuitive Touchgesten, jedoch ist der Nutzer nun nicht mehr dazu gezwungen sich zur Interaktion in unmittelbarer Nähe des großen vertikalen Displays aufzuhalten. Auf diese Weise können mehr Nutzer und auch entfernt stehende Nutzer in die Interaktion einbezogen werden. Je nach visuellem Feedback des genutzten Interaktionsmechanismus kann auch eine uneingeschränkte Interaktion wie am großen vertikalen Touchscreen selbst erfolgen. Außerdem ist es mit Remote Touch Interfaces möglich auch Displays, die keine Touchscreen sind mittel touchbasierter Nutzerinteraktion zu steuern.
SecondLight
SecondLight[ref]Izadi, Shahram; Hodges, Steve; Taylor, Stuart; Rosenfeld, Dan; Villar, Nicolas; Butler, Alex & Westhues, Jonathan (2008): Going Beyond the Display: A Surface Technology with an Electronically Switchable Diffuser. In: Cousins, Steve & Beaudouin-Lafon, Michel (Hrsg.): Proceedings of the 21st Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology. New York, USA: ACM Press, S. 269–278.[/ref] ist ein von Microsoft auf Basis der Technologie des MS Surface entwickelter Ansatz, der die gleichzeitige Projektion zweier unterschiedlicher Bilder auf die Oberfläche eines horizontalen Displays ermöglicht. Während das eine Bild wie gewohnt auf der Darstellungsfläche des Gerätes angezeigt wird, wird das zweite Bild durch diese Darstellungsfläche hindurch projiziert und kann durch weniger lichtdurchlässige Materialien sichtbar gemacht werden. Dies ermöglicht auch eine Projektion auf in einer geringen Entfernung über dem Gerät befindliche Oberflächen. Zusätzlich können auf diesen entfernten Oberflächen auch Touchinteraktion erfolgen.
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Touch Projector
Touch Projector[ref]Boring, Sebastian; Baur, Dominikus; Butz, Andreas; Gustafson, Sean & Baudisch, Patrick (2010): Touch Projector: Mobile Interaction Through Video. In: Henry, Nathalie & Tabard, Aurélien (Hrsg.): Proceedings of the 28th International Conference on Human Factors in Computing Systems. Atlanta, GA, USA: ACM Press, S. 2287–2296.[/ref] ist ein Interaktionsmechanismus, der es erlaubt Inhalte auf gewöhnlichen Displays mittels Touchgesten zu manipulieren. Zu diesem Zweck wird das Echtzeitbild der Kamera eines Smartphones genutzt. Die darauf sichtbaren Inhalte, die auf dem herkömmlichen Display dargestellt werden, können nun durch Touchgesten auf dem Display des Smartphones manipuliert werden. Anschließend wird die Veränderung auch auf die Darstellung auf dem herkömmlichen Display übertragen. Dabei werden alle Displays in der Umgebung und das Smartphone über eine Server synchronisiert, was auch das verschieben eines Inhalts von einem Display auf ein anderes ermöglicht. Durch diesen Mechanismus können auch für den Benutzer unzugängliche nicht touchfähige Displays via Touchgesten genutzt werden.
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Light Space
Auf den ertsen Blick unterscheidet sich Light Space[ref]Wilson, Andrew D. & Benko, Hrvoje (2010): Combining Multiple Depth Cameras and Projectors for Interactions On , Above , and Between Surfaces. In: Perlin, Ken; Czerwinski, Mary & Miller, Rob (Hrsg.): Proceedings of the 23nd Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology. New York, USA: ACM Press, S. 273–282.[/ref] nicht wesentlich von andern natürlichen Benutzerschnittstellen. Es bietet sowohl eine horizontale als auch eine vertikale projizierte Darstellungsfläche, auf denen die gewohnten Touchgesten zur Manipulation von Bildinhalten ausgeführt werden können. Die Innovation liegt bei Light Space zwischen den Darstellungsflächen, denn ein dritter Projektor sowie drei Kameras zur Entfernungsmessung erlauben eine Touchinteraktion auf gewöhnlichen Gegenständen aber auch eine Darstellungsübergreifende Interaktion mit den Inhalten. So kann ein Nutzer einen Inhalt auf der einen Darstelungsfläche berühren, danach die andere Darstellungsfläche berühren und so den Inhalt dorthin zu verschieben. Außerdem kann er einen Inhalt vom Rand der Darstellungsfläche auf seine Hand verschieben, wodurch der Inhalt im Sinne der Augmented Reality zu einem projizierten Ball wird, den der Nutzer auf seinem Arm umherrollen kann oder in die andere Hand bzw. auf einen Gegenstand legen kann. Berührt der Nutzer wiederum mit der Hand ohne Ball eine Darstellungsfläche, wird der durch den Ball repräsentierte Inhalt dorthin verschoben. Des Weiteren können durch die präzise Tiefenwahrnehmung der Anwendung Menüs im Raum platziert werden. Hält der Benutzer seine Hand über einen auf den Boden projizierten Menü Schriftzug, ändert sich die nun auf der Hand befindliche Darstellung je nach Höhe über dem Boden zu einem Menüpunkt, der dann durch das Entfernen der Hand ausgewählt werden kann.
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Gerätevermittelte Interaktionsmechanismen
Zur Interaktion mit den Device Mediated Interfaces benötigt der Nutzer ein zusätzliches Eingabegerät, das er bei der Interaktion bei sich trägt oder in der Hand hält. Entgegen der indirekten Manipulation mit einer gewöhnlichen Maus, die nur über Sensoren zur Erfassung einer Positionsveränderung in einer zweidimensionalen Ebene verfügt und diese auf den Zeiger überträgt, können die für Device Mediated Interfaces genutzten Interaktionsmechanismen ihre Position im Raum oder relative Lageveränderungen durch zusätzliche optische, gyroskopische oder Beschleunigungssensoren ermitteln. So kann der Nutzer direkt mit Inhalten interagieren, denn wenn er mit dem Gerät auf einen Inhalt zeigt, zeigt auch der Cursor auf dieses Ziel. So wird die natürliche Interaktion des Nutzers über die Sensorik der genutzten Interaktionsmechanismen an den Computer übertragen und dort in entsprechende Manipulationen umgesetzt. Der Interaktionsmechanismus übernimmt sozusagen eine Mediatorrolle zwischen dem Nutzer und dem genutzten System, da er die natürlichen Interaktionen des Nutzers in vom System interpretierbare Manipulationen umwandelt. Außerdem bieten die Zusatztasten des jeweiligen Interaktionsmechanismus die Option Shortcuts für bestimmte Funktionen zu nutzen. Auf diese Weise muss der Nutzer keine komplexen Muster von Manipulationen nachbilden, um das System zu Steuern. Zur weiteren Steigerung der Effizienz der Interaktion sind Device Mediated Interfaces ergonomisch gestaltet, sodass der Nutzer gewissermaßen mit dem Gerät verschmilzt und das Gerät die natürliche Interaktion des Nutzers nicht beeinträchtigt.
Soap
Soap[ref]Baudisch, Patrick; Sinclair, Mike & Wilson, Andrew (2007): Soap: A Pointing and Gaming Device for the Living Room and Anywhere else. In: Heart, John C. (Hrsg.): ACM SIGGRAPH 2007 Emerging Technologies. New York, USA: ACM Press, S. 17–20.[/ref] ist ein Interaktionsmechanismus, der die Steuerung eines Zeigers zur Nutzung einer Anwendung auf großen vertikalen Wanddisplays ermöglicht. In einer flexiblen Kunststoffhülle befindet sich der optische Sensor einer Mouse sowie eine Taste auf der Rückseite der Platine, die durch die Kunsstoffhülle hindurch betätigt werden kann. Die Kunststoffhülle ist wiederum mit einem dehnbaren Stoffüberzug bespannt. Auf diese Weise kann eine Verschiebung der Stoffhülle durch den optischen Sensor registriert werden und so die Bewegung des Cursors gesteuert werden. Eine schnelle Verschiebung des Cursors hingegen ist in vertikale Richtung durch dauerhaftes fixieren des Gerätes durch Zusammendrücken von Daumen und Zeigefinger oder in horizontale Richtung durch Drehen des Gerätes um die Längsachse ähnlich einem nassen Stück Seife in der Handfläche möglich. Aufgrund dieser Seifenmetapher trägt der Mechanismus auch seinen Namen.
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Brain-Computer Interface
Das Brain-Computer Interface[ref]McFarland, Dennis J. & Wolpaw, Jonathan R. (2011): Brain-Computer Interfaces for Communication and Control. Communications of the ACM, 5/2011 (54), S. 60-66.[/ref] ist eine Form der Mensch-Computer Interaktion, die auf der Messung von Gehirnströmen basiert. Da dies über an der Kopfhaut platzierte Elektroden geschieht, ist dieser Interaktionsmechanismus im Gegensatz zu den bisher vorgestellten Mechanismen auch für Menschen mit eingeschränkter Bewegungsfähigkeit geeignet. Die Anwendung von McFarland und Wolpaw erlaubt z.B. eine Texteingabe ohne die Nutzung zusätzlicher Eingabegeräte. Auf einem Display wird dazu eine Matrix von Buchstaben angezeigt, von denen jeweils abwechselnde Gruppen aufleuchten. Der Nutzer muss während der Blinksequenz eine Buchstaben mit den Augen fixieren. Da jeder Buchstabe eine individuelle Blinksequenz hat und das Aufleuchten des fixierten Buchstaben mittels EEG gemessen werden kann, ist der vom Nutzer ausgewählte Buchstabe eindeutig bestimmbar. So wird eine Texteingabe allein durch das Anschauen der Buchstabenmatrix möglich. Allerdings ist durch die Dauer der Blinksequenz keine schnelle Eingabe möglich und die für diesen Interaktionsmechanismus benötigte Hardware ist im Vergleich zu den meisten zuvor beschriebenen Prototypen sehr teuer.
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Fazit
Fallende Preise durch die kommerzielle Massenfertigung von Sensortechnik wie der Wii-Remote oder der Microsoft Kinect aber auch sinkende Preise bei großen vertikalen Displays oder Projektoren haben dazu beigetragen, dass die Zahl neu entwickelter Interaktionsmechanismen zur Gestaltung der Schnittstelle zwischen Mensch und Computer zunimmt. Da gerade im Bereich der NUI bisher nur wenig Forschungsarbeit im Bezug auf die Standardisierung solcher Nutzerschnittstellen und die Eignung eines Interaktionsmechanismus für die Nutzung in einem bestimmten Anwendungsumfeld oder für eine bestimmt Aufgabe erfolgt ist, müssen zukünftige Arbeiten weitere Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit und Nutzerakzeptanz natürlicher Interaktionsmechnismen liefern. Außerdem haben alle der in diesem Artikel vorgeschlagenen Kategorien von natürlichen Interaktionsmechnismen ihre Vor- und Nachteile, sodass eventuell eine Kombination der Merkmale existierender natürlicher Benutzerschnittstellen oder die Entwicklung neuer Ansätze zur Gestaltung dieser Schnittstellen einen Interaktionsmechnismus hervorbringen, der das Potential hat, eine ähnlich hohe Verbreitung und Nutzerakzeptanz zu erreichen, wie es heute bei Maus und Tastatur für die GUI der Fall ist.