Evaluation von Zeigegeräten nach ISO 9241-9

[toc]Die ISO Norm 9241 ist eine internationale Norm, die Richtlinien zur Interaktion zwischen Mensch und Computer bereitstellt. Neben Vorgaben zur Ergonomie des Arbeitsplatzes und zur Gestaltung der Bildschirminteraktion beschreibt der Teil 9 mit dem Titel „Anforderungen an Eingabegeräte – außer Tastaturen“ neben einer Vielzahl von Begriffsbestimmungen auch Angaben für Maße der Gebrauchstauglichkeit eines Interaktionsmechanismus. So wird die Gebrauchstauglichkeit nach ISO 9241-9 durch die Effektivität, die Effizienz und die Zufriedenheit des Nutzers bei der Nutzung eines Gerätes in einem gewissen Anwendungskontext bestimmt. [ref] Deutsches Institut für Normung (2002): ISO 9241-9 Ergonomische Anforderungen für Bürotätigkeiten mit Bildschirmgeräten Teil 9: Anforderungen an Eingabemittel − ausgenommen Tastaturen. S.13.[/ref] Außerdem enthält die Norm neben Hinweisen zur Ergonomie und Nutzungsanforderungen bei der Gestaltung von Eingabegeräten außer Tastaturen im Anhang B auch Informationen zur Bewertung der Effektivität und Effizienz der Interaktionsmechanismen. [ref]Deutsches Institut für Normung (2002): ISO 9241-9 Ergonomische Anforderungen für Bürotätigkeiten mit Bildschirmgeräten Teil 9: Anforderungen an Eingabemittel − ausgenommen Tastaturen. S. 29 ff.[/ref] Zur Evaluation wird demnach ein Fitts’ Law Test verwendet. Diese Evaluationsmethode wird nachfolgend genauer erläutert, indem zunächst die ursprüngliche Evaluation eines Zeigegerätes nach Fitts vorgestellt wird und anschließend das daran angelehnte Verfahren nach ISO 9241-9 beschrieben wird.

Geschichte der Fitts’ Law Evaluation

Der in der ISO 9241-9 beschriebene Testablauf zur Bewertung von Zeigegeräten basiert auf dem in der HCI auch vor der Normierung häufig zur Evaluation von Zeigegeräten genutzten Fitts’ Law Modell. Der ursprünglich von Paul M. Fitts durchgeführte Testablauf diente der Überprüfung, ob eine schnelle, gezielte Bewegung der Hand durch die physische Stärke des Muskelapparates oder die Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung des menschlichen Nervensystems limitiert wird. [ref]Fitts, Paul M. (1954): The Information Capacity of the Human Motor System in Controlling the Amplitude of Movement. Journal of Experimental Psychology, 3/1954 (121), S.381.[/ref] Dazu mussten die getesteten Personen mit unterschiedlich schweren Stiften abwechselnd zwei Aluminiumstreifen mit vorgegebener Breite und festem Abstand berühren.

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Die Veränderung der Breite der Aluminiumstreifen und des Abstands der Streifen diente dann zur Veränderung des Schwierigkeitsgrades. Zur Bestimmung des Schwierigkeitsgrades nutzte Fitts ein Theorem von Shannon zur Bestimmung der Kapazität eines Kommunikationskanals in bit durch ID= log₂(2A/ W) mit dem Schwierigkeitsindex ID in bit, der Zielentfernung A und der Zielbreite W. [ref]Shannon, Claude E. (1948): The mathematical theory of communication. 1963. M.D. Computing : Computers in Medical Practice, 4/1948 (14), S. 43.[/ref] Daher wird auch nach der heutigen ISO Norm die Schwierigkeit eines Ziels in bit angegeben und die Leistung eines Zeigegerätes in bit/s gemessen. Das Ergebnis des Tests war eine geringe Abweichung der Bewegungszeiten bei unterschiedlichem Gewicht des Stifts, woraus Fitts folgerte, dass nicht die physische Muskelstärke die Bewegungszeit einschränkt. Fitts’ Law sagt außerdem aus, dass ein linearer Zusammenhang zwischen dem Schwierigkeitsindex eines Ziels und der Auswahlzeit besteht.

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Evaluation nach ISO 9241-9

Die ISO Norm bietet zur Bewertung der Effizienz und Effektivität von Zeigegeräten verschiedene Verfahren, die je nach Interaktionsform ein unterschiedliches Vorgehen zur Datensammlung erfordern.

Dabei unterscheidet die Norm nach folgenden Interaktionsformen[ref]Deutsches Institut für Normung (2002): ISO 9241-9 Ergonomische Anforderungen für Bürotätigkeiten mit Bildschirmgeräten Teil 9: Anforderungen an Eingabemittel − ausgenommen Tastaturen. S. 30.[/ref]:

• Zeigen
• Auswählen
• Ziehen
• Nachziehen
• Freihandeingabe

Je nach vorwiegender Interaktionsform bei der Interaktion mit der Mensch-Computer Schnittstelle hat auch der Versuchsaufbau ein anderes Erscheinungsbild. Während Auswahltests verschiedene Objekte auf dem Display darstellen, die der Nutzer mit dem Zeiger erreichen und auswählen muss, sind Nachziehtest so aufgebaut, dass ein Cursor-Objekt auf einer vorgegebenen Bahn zwischen zwei Randbegrenzungen bewegt werden muss. Der Anordnung von Zeiger und Zielen kann dem folgenden Bild entnommen werden:

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Durch die Testform wird auch die Messung der Daten zur Bewertung des Interaktionsmechanismus bestimmt. Die nachfolgenden Abschnitte beschäftigen sich mit der Bewertung von Zeigegeräten bei Zeige-, Auswahl- und Ziehaufgaben.

Wahl der Schwierigkeitsindizes

Der Schwierigkeitsgrad ID bei einem Auswahltest wird durch die Entfernung des Zeigers zur Zielmitte in der jeweiligen Bewegungsrichtung und der Größe des Ziels nach folgender Formel bestimmt[ref]Soukoreff, R. William & Mackenzie, I. Scott (2004): Towards a standard for pointing device evaluation, perspectives on 27 years of Fitts? law research in HCI. International Journal of Human-Computer Studies, 6/2004 (61), S. 755 bzw. Deutsches Institut für Normung (2002): ISO 9241-9 – Ergonomische Anforderungen für Bürotätigkeiten mit Bildschirmgeräten Teil 9: Anforderungen an Eingabemittel − ausgenommen Tastaturen. S. 31.[/ref]:

ID = log₂ ((D/W)+1) = log₂ ((D+W)/W)

Dabei ist D die Zielentfernung (Distance) und W die Zielbreite (Width). Für die Wahl der Maßeinheit für Zielentfernung und Zielbreite macht die ISO Norm keine Vorgaben, jedoch wird darauf hingewiesen, dass eine konsistente Nutzung der gewählten Einheit erforderlich ist. Nach ISO Norm gilt folgende Einordnung der Schwierigkeitsindizes auf der logarithmischen Skala:

• 2 < ID <= 4 | leichtes Ziel
• 4 < ID <= 6 | mittleres Ziel
• ID > 6 | schweres Ziel

Die verwendeten Schwierigkeitsindizes sollten bei einer konkreten Evaluation in einem Bereich zwischen 2 und 8 liegen. Eine Kombination aus Zielentfernung und Zielbreite wird als Kondition bezeichnet. Je mehr Konditionen der Testperson präsentiert werden, desto aussagekräftiger ist das Bewertungsergebnis für das jeweilige Zeigegerät. Dabei ist jedoch zu beachten, dass eine Kondition dem Nutzer 15-25 mal angezeigt werden sollte. Welche Konditionen realisiert werden können, kann von dem verwendeten Display und der genutzten Testform abhängen.

Erhebung der Messwerte

Wurde die für das Einsatzszenario des Eingabegerätes geeigente Testform gewählt und eine Menge von Entfernungs-Zielbreite-Kombinationen festgelegt, wird eine korrekte Erfassung der Nutzerinteraktion während Durchführung des Tests vorgenommen. Dabei sind einige Maße zu erheben, die für die spätere Bewertung notwendig sind. Eines dieser Maße ist die Bewegungszeit MT (Movement Time), also die Zeit, die ab dem Moment vergeht, ab dem der Nutzer den Zeiger in Zielrichtung in Bewegung setzt bis das Ziel ausgewählt wurde.

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Dabei dürfen die Reaktionszeit des Nutzers bis zum Inbewegungnetzen des Zeiger und die Verweilzeit über dem Ziel, die bei manchen Interaktionsmechanismen zum Auslösen des Auswahlevents nötig ist, nicht in der Bewegnungszeit enthalten sein. Außerdem sollten der Start- und der Endpunkt der Bewegung sowie die Zielmitte erfasst werden und eventuelle “Fehler” (falsche Auswahlevents) wenn sich der Zeiger nicht innerhalb des Ziels befindet, dokumentiert werden. Im Rahmen der Evaluation wird der entwickelte Mechanismus zur Erfassung und Dokumentation der Messwerte für die gewählte Testform dann von einer möglichst breiten und repräsentativen[ref]Insbesondere zum gewünschten Einsatzszenario passend.[/ref] Grundgesamtheit an Testpersonen genutzt.

Anpassung der Daten

Wurden die beschriebenen Messwerte bei der Durchführung des gewählten Testdurchlaufs erhoben, kann eine Anpassung der Schwierigkeitsindizes erfolgen, um den tatsächlich erzielten Schwierigkeitsindex widerzuspiegeln. Dieser sog. “effektive Schwierigkeitsindex” wird für jede Kondition (also Zielentfernungs-Zielbreite-Kombinationen) errechnet. Dazu ist zunächst die effektive Zielbreite W_e notwendig. Diese berechnet sich aus der Standardabweichnung der Entfernung zwischen Zielmitte und Auswahlposition multipliziert mit 4,133:

W_e = 4,133 * StA_{Distanz zur Zielmitte}

Die Berechnung des effektiven Schwierigkeitsindexes erfolgt dann auf Basis folgender Formel:

ID_e = log₂ ((D/W_e)+1) = log₂ ((D+W_e)/W_e)

Ist außerdem der Start- und Endpunkt der Zeigerbewegung bekannt, errechnet man zunächst die effektive Zielentfernung D_e aus dem Mittelwert der Distanz zwischen Start- und Endpunkt für alle ausgewählten Ziele der jeweiligen Kondition. Anschließend lässt sich der effektive Schwierigkeitsindex ID_e folgendermaßen berechnen:

ID_e = log₂ ((D_e/W_e)+1) = log₂ ((D_e+W_e)/W_e)

Durch die Anpassung des Schwierigkeitsindex an die tatsächlich vom Nutzer erzielten Ergebnisse wird der lineare Zusammenhang zwischen Schwierigkeitsindex eines Ziels und der zur Auswahl des Ziels benötigten Zeit verstärkt.[ref]Soukoreff R. William, Mackenzie I. Scott (2004): Towards a Standard for Pointing Device Evaluation, Perspectives on 27 Years of Fitts’ Law Research in HCI. International Journal of Human-Computer Studies. 61(6): S. 766.[/ref]

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Bewertung anhand des Durchsatzes

Der Durchsatz ist ein Maß, das die Leistungfähigkeit des Zeigegerätes im Hinblick auf die ausgewählte Testaufgabe quantifiziert. Es kombiniert sowohl die Präzision als auch die Geschwindigkeit eines Interaktionsmechanismus zu einem vergleichbaren Wert. Das Maß für die Präzision ist dabei der zuvor beschrieben effektive Schwierigkeitsindex ID_e jederKondition. Das Maß für die Geschwindigkeit ist die durchschnittliche Auswahlzeit der Ziele einer Kondition t_m. Der Durchsatz T (Throughput) eines Zeigegerätes mit der Maßeinheit bit ergibt sich aus folgender Summe über alle x unterschiedlichen Konditionen:

T = ∑(ID_e/t_m)

Das Maß T erlaubt dann einen Vergleich der Leistungsfähigkeit eines Zeigegerätes bei verschiedenen Aufgaben oder verschiedener Zeigegeräte bei derselben Aufgabe. Zusätzlich kann mittels linearer Regression anhand der Wertepaare (ID_e,t_m) der einzelnen Konditionen überprüft werden, ob ein linearer Zusammenhang zwischen dem effektiven Schwierigkeitsindex und der dafür benötigten Auswahlzeit besteht und das Zeigegerät sich somit gegebenenfalls konform zu Fitts’ Law verhält.

Praktische Anwendung

Geht man nach den beschrieben Schritten vor, wird mit dem Durchsatz ein Maß gewonnen, dass einen Vergleich verschiedener Eingabegeräte erlaubt. Daher ist die Evaluation nach ISO 9241-9 eine geeignete Methode, um beispielsweise verschiedene natürliche Interaktionsmechanismen zu vergleichen.
In Kürze folgt hierzu ein weiterer Bericht zu einer durchgeführten Evaluation über die Eignung verschiedener Eingabegeräte für die Steuerung eines großen Wandbildschirms unter Einhaltung der ISO-Vorgaben. Dabei wurden die Eigenschaften von fünf Interaktionsmechanismen aus unterschiedlichen Entferungen zu einem großen Wandbildschirm untersucht. Konkret handelte es sich dabei um die Nintendo Wii Remote, die Logitech MX Air Mouse, einen Friendlyway d-sign 52 Touchscreen, einen Microsoft Kinect Sensor und ein HTC Magic Smartphone.

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