Gestensteuerung – Soziotechnische Integration

Multitouch-Entwicklung mit GestureWorks

[toc]Der vorliegende Artikel ist der zweite Bericht aus der Einführungs-Serie für Multitouch-Entwicklungsumgebungen und stellt die kommerzielle Software GestureWorks vor. Mit diesem Framework können Adobe Flash Applikationen mit Multitouch-Unterstützung erstellt werden, wobei eine breite Palette von Multitouch-Hardware unterstützt wird. Das Spektrum an unterstützten Gesten ist enorm, was sich u.a. auch in der von GestureWorks eingeführten Gesture Markup Language widerspiegelt. Im Folgenden wird eine kurze Einführung in die Plattform gegeben, einige vorgefertigte Beispiele gezeigt sowie ein kleine Anwendung selbst implementiert.

Einführung

Framework zur Erstellung von Multitouch-Anwendungen mit Adobe Flash
Unterstützung aller Adobe Flash-Komponenten
Verwendung der Adobe Flash Rendering Engine
Implementierung basiert auf Adobe ActionScript
Anbindung beliebiger Hardware mit Windows 7 oder dem TUIO-Protokoll
Über 100 verfügbare Gesten, assoziiert mit der Gesture Markup Language

Demo

Um vor der Vorstellung der technischen Details einen ersten Eindruck zu schaffen, demonstriert das folgende Beispielvideo die Funktionalität einer Applikation mit Flickr und Google Maps Integration:

Historie

Das Framework wird seit 2008 von dem US-Unternehmen Ideum Inc. entwickelt und steht derzeit in der Version 3.1 zur Verfügung. Es werden zwei Versionen vertrieben. Zum einen als Standard-Version für $149, welche auf fünf Gesten beschränkt ist und in jeder Anwendung ein Logo enthält, und die unbeschränkte Professional-Version für $349. Außerdem wird eine Demo-Version bereitgestellt, bei der jede Anwendung auf 30 Minuten Laufzeit eingeschränkt ist. Die Version 2 des Frameworks ist als über das Projekt Open Exhibits als Open-Source verfügbar.

Komponenten und Aufbau

Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die technischen Eigenschaften sowie bereitgestellten Gesten und Komponenten des Frameworks:

Eigenschaft	Ausprägung bei GestureWorks
Programmiersprache	Adobe Flash Adobe Flex
Rendering	Adobe Flash Rendering Engine (Geräteabhängig)
Hardware-Anbindung	Unterstützt jede Hardware, auf der Windows 7 ausgeführt oder welche mit dem TUIO-Protokoll genutzt werden kann
Multitouch-Gesten	Über 100 vorhandene Gesten, assoziiert mit der GestureML, einer Markup-Sprache für Multitouch-Gesten Drag Rotate Anchor Rotate Scale Anchor Scale Tap Anchor Tap Double Tap Anchor Double Tap Triple Tap Tap and Hold Flick Anchor Flick Scroll Split Gesture Draw Vorhandene Gesten können erweitert werden
Bereitgestellte Komponenten	Verwendung aller in Adobe Flash verfügbaren Komponenten möglich Keine zusätzliche Bereitstellung von vorgefertigten Objekten Unterstützung aller Formate, welche durch Adobe Flash verwendet werden können Bilder und Grafiken Audio Video

Installation

Bevor die Installation starten kann, muss zunächst auf der Homepage eine Version gekauft werden. Alternativ steht auf der gleichen Seite auch eine Evaluationsversion zur Verfügung.

Die Adobe Air Laufzeitumgebung herunterladen und installieren
Die heruntergeladene Setup-Datei für GestureWorks ausführen
Den Installationsschritten folgen
Zum Ende der Installation die Lizenznummer eingeben und bestätigen
Nach der Installation öffnet sich der Windows Explorer und zeigt den Installationsordner. In diesem sind die Programm-Bibliotheken enthalten, die benötigt werden, um Multitouch-fähige Anwendungen mit Adobe Flash zu kompilieren. Es ist keine ausführbare Anwendung enthalten!

[nggtags gallery=GestureWorks+Installation]

Einrichtung von Adobe Flash

Um Anwendungen auf Basis von Adobe Flash und GestureWorks entwickeln zu können, wird die Entwicklungsumgebung Adobe Flash Professional CS5+ benötigt. Im Folgenden wird erklärt, wie diese Anwendung eingerichtet werden muss, damit Applikationen mit GestureWorks erstellt werden können.

Dieses vorbereitete Template herunterladen und entpacken. Es enthält die Ordnerstruktur, welche für jedes neue Projekt benötigt wird.
Anlegen eines neuen Adobe AIR Projekts unter „Datei“ -> „Neu“ (Adobe AIR Projekt auswählen)
Abspeichern des Projekts unter beliebigem Namen in dem Template-Ordner
Neue Adobe ActionScript Klasse anlegen unter „Datei“ -> „Neu“ (ActionScript 3.0 auswählen)
Die neue Klasse im „src“-Ordner abspeichern unter dem Name „Main“
ActionScript Einstellungen festlegen unter „Datei“ -> „ActionScript Einstellungen
1. Als Klassenname „Main“ angeben
2. Neuen Quellpfad „.\src“ erstellen
3. Bibliothekspfade hinzufügen. Alle GestureWorks-Projekte müssen mit den Bibliotheken „GestureWorksCML.swc“ und „GestureWorksGML.swc“ verknüpft werden. Diese Dateien befinden sich im „lib“-Ordner im Verzeichnis von GestureWorks und müssen mit dem Icon „SWC-Datei hinzufügen“ je als neue Bibliothek eingefügt und aus dem GestureWorks-Ordner (C:\Users\“Name“\GestureWorks3\lib) ausgewählt werden.
Veröffentlichungseinstellungen festlegen unter „Datei“ -> „Einstellungen für Veröffentlichungen“
1. Der Pfad für die Ausgabedatei (.swf) ist „.\bin\Main.swf“
Nun kann der eigentliche Inhalt der Applikation implementiert werden. Dazu wird mit „Klassendefinition bearbeiten“ von „Main“ eine neue Klasse für ActionScript erstellt.

[nggtags gallery=GestureWorks+Flasheinrichtung]

Mitgelieferte Beispiele

Die Beispielanwendungen für GestureWorks sind nicht in der Installation enthalten, sondern als Tutorial und Download auf der Webseite verfügbar. Die Applikationen sind allesamt einfach gehalten und lassen sich mit der Anleitung auf der Webseite einfach nachvollziehen. Für die weitere Betrachtung werden die Applikationen in zwei Kategorien eingeteilt. Zum einen die Beispiele, welche die grundlegenden Touch-Gesten demonstrieren, und zum anderen erweiterte Anwendungen. Letztere haben einen größeren Funktionsumfang und geben einen Einblick in die reale Entwicklung.

Die derzeit auf der Homepage befindlichen Beispiele sind für die Version 2 von GestureWorks ausgelegt.

Grundlegende Beispiele

Diese Beispielanwendungen dienen vor allem zum Erlernen der grundlegenden Touchgesten. Es werden jeweils nur wenige Geste mit einfachen Objekt kombiniert, um die Funktionalität zu erlernen.

[nggtags gallery=GestureWorks+Beispielanwendung+basic]

Erweiterte Beispiele

Anwendungen in dieser Kategorie sind für fortgeschrittene Entwickler geeignet und zeigen wie man gewöhnliche Flash-Inhalte wie beispielsweise Karten oder 3D-Objekte mit Multitouch-Gesten versehen kann.

[nggtags gallery=GestureWorks+Beispielanwendung+advanced]

Minimalimplementierung

Eine Anwendung mit GestureWorks zu implementieren ist sehr einfach. Es werden nur zwei Dateien und etwas Quellcode (Adobe ActionScript 3) benötigt. Wie bei den anderen Beispielanwendungen für Multitouch-Frameworks dieser Seite soll die Beispielanwendung Bilder darstellen und mit entsprechenden Gesten (Drag, Scale, Rotate) manipulieren können. Für die Applikation wird zunächst ein neues Flash-Projekt benötigt. Dieses muss, wie bereits oben gezeigt, konfiguriert und mit dem GestureWorks-Framework verknüpft werden. Das Minimal-Beispiel steht ebenfalls als fertiger Download zur Verfügung.

Den eigentlichen Quellcode beinhaltet die „Main.as“-Datei. Diese besteht, wie bei objektorientierten Programmiersprachen üblich aus verschiedenen Bestandteilen. Zunächst werden die Grundfunktionen per Import-Anweisung eingebunden. Im Anschluss wird die Klasse von „Application“ abgeleitet und die benötigten Methoden implementiert. Die Methode „initialize“ enthält den Hauptbestandteil der Anwendung. Im Folgenden der vollständige Code für das Minimal Beispiel:

package{
import com.gestureworks.core.GestureWorks;
import com.gestureworks.core.TouchSprite;
import flash.display.Bitmap;
import flash.display.BitmapData;
import flash.display.Loader;
import flash.events.Event;
import flash.net.URLRequest;

public class Main extends GestureWorks{
	private var loader:Loader;
	private var myDisplay:TouchSprite;

	public function Main():void{
		super();
		key = "KEY HIER EINFUEGEN";
	}

	override protected function gestureworksInit():void{
		trace("GestureWorks has initialized");

		myDisplay = new TouchSprite();
		loader = new Loader();
		myDisplay.x = (stage.stageWidth) / 2;
		myDisplay.y = (stage.stageHeight) / 2;
		myDisplay.scaleX = 0.2;
		myDisplay.scaleY = 0.2;

		myDisplay.gestureTouchInertia = true;
		myDisplay.gestureReleaseInertia = true;
		myDisplay.clusterEvents = true;
		myDisplay.gestureEvents = true;
		myDisplay.transformEvents = true;
		myDisplay.disableNativeTransform = false;

		var gList:Object = new Object;
		gList["pivot"] = true;
		gList["n-drag"] = true;
		gList["n-rotate"] = true;
		gList["n-scale"] = true;
		myDisplay.gestureList = gList;

		loader.contentLoaderInfo.addEventListener(Event.COMPLETE, loaderComplete);
		loader.load(new URLRequest("library/assets/pic.jpg"));

		myDisplay.addChild(loader);
		addChild(myDisplay);
	}

	private function loaderComplete(event:Event):void{
		loader.x = 0 - (loader.width / 2);
		loader.y = 0 - (loader.height / 2);
	}
}}

Multitouch-Entwicklung mit MT4j

[toc]Dieser Artikel stellt den Auftakt einer Serie weiterer Berichte zu „ersten Schritten“ mit aktuell verfügbaren Multitouch-Entwicklungsumgebungen dar. Innerhalb dieser Serie liefert der vorliegene Bericht einen Überblick über die Entwicklung von Multitouch-Anwendungen mit Multitouch for Java (MT4j). Das Framework bietet umfangreiche Funktionalität für das Arbeiten mit Multitouch-Hardware und einfach adaptierbare Konzepte zur Entwicklung eigener Anwendungen. Im Folgenden wird nach einer kurzen Einführung die Einrichtung mit Eclipse erläutert, einige Beispielanwendungen vorgestellt sowie ein Minimal-Beispiel implementiert.

Einführung

Java-Framework zur Entwicklung von Multitouch-Anwendungen
Verwendung verschiedener Komponenten (Bilder, Videos, 3D-Objekte)
Anbindung unterschiedlicher Hardware und Protokolle
10 vorhandene Multitouch-Gesten sowie Möglichkeit zur Erstellung von eigenen Gesten
Performante Darstellung durch OpenGL

Demo

Um vor der Vorstellung der technischen Details einen ersten Eindruck zu schaffen, demonstriert das folgende Beispielvideo die Funktionalität der mitgelieferten Kartenapplikation:

Historie

Das MT4j-Framework wird vom Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) entwickelt und basiert (wie der Name schon sagt) auf der weit verbreiteten objektorientierten Programmiersprache Java. Im Herbst 2009 wurde das Framework unter Open Source-Lizenz veröffentlicht und wird seitdem durch die OpenSource-Gemeinde weiterentwickelt. Die Multitouch-Plattform übernimmt alle benötigten Aufgaben, wie beispielsweise die Erkennung von Multitouch-Gesten, deren Umsetzung in Events sowie die erforderliche Grafikausgabe. Es bietet eine umfangreiche Bibliothek mit vorgefertigten Grafiken, Gesten und Schriften und ist sehr generisch implementiert, sodass eigene Gesten und Grafiken problemlos hinzugefügt werden können. Das Framework ist prinzipiell kompatibel zu allen Multitouch Geräten, da es die Inputs der Hardware abstrahiert. Als Grundlage hierfür wird die Anbindung an verschiedene APIs (z.B. TUIO) bereitgestellt, welche die Eingaben des Touchscreens interpretieren. Die Darstellung erfolgt über die Grafikschnittstelle OpenGL, sodass die Anwendungen auf entsprechender Hardware sehr performant sind.

Komponenten und Aufbau

Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die technischen Eigenschaften sowie bereitgestellten Gesten und Komponenten des Frameworks:

Eigenschaft	Ausprägung bei MT4j
Programmiersprache	Java
Rendering	OpenGL Software-Rendering
Hardware-Anbindung	Hardwareabstraktion und Input Abstraktion Es können beliebige Eingabegeräte integriert werden Native Unterstützung von Windows 7 Multitouch-Features Unterstützung des TUIO-Protokolls
Multitouch-Gesten	Drag Rotate Scale Tap Double Tap Tap and Hold Arcball Rotate Lasso Select Flick Gesture Draw Eigene Gesten können definiert werden
Bereitgestellte Komponenten	Primitive Vektorgrafiken [ref]Vierecke, Ellipsen, Polygone, etc. .[/ref] Schriften [ref]Standardschriftarten (True Type) und Vektor-basierte Schriftarten.[/ref] Bilder [ref]Unterstützung gängiger Formate (.jpg, .png, .bmp).[/ref] 3D-Objekte [ref].3ds und .obj Dateien mit Texturen.[/ref] Videos [ref]Unterstützung gängiger Formate.[/ref]

Installation

Das MT4j Framework steht als quelloffener Download, derzeit in Version 0.95 zur Verfügung und ist bereits als ein Eclipse-Projekt strukturiert.

MT4j läuft derzeit nur mit der 32bit-Variante von Java. Soll ein 64bit System eingesetzt werden, muss trotzdem der 32bit JDK installiert werden. Unter Eclipse muss entsprechend die 32bit Variante von Java zum Ausführen der MT4j Anwendungen ausgewählt werden!

Java Development Kit 32bit (gekennzeichnet als x86) herunterladen und installieren
Die heruntergeladene ZIP-Datei entpacken (MT4j 0.95 full release)
Im Paketexplorer von Eclipse mit Rechtsklick importieren wählen
In dem Importfenster ein „bereits existierendes Projekt“ auswählen
Den unter 2. entpackten Ordner auswählen und importieren

[nggtags gallery=MT4j+Installation]

Mitgelieferte Beispiele

Das MT4j-Paket enthält 19 einfache Beispielanwendungen. Diese sind unterteilt in die Pakete „basic“ und „advanced“ und sind im Ordner „examples“ zu finden. Die Basic Examples dienen zum Verstehen und Testen der grundlegenden Techniken in sehr einfach gehaltenen Applikationen. Die Advanced Examples demonstrieren die Leistungsfähigkeit des Frameworks, indem beispielsweise 3D Modelle verwendet werden. Jede Anwendung befindet sich in einem eigenen Paket. Es ist keine weitere Konfiguration erforderlich, da das Framework alle benötigte Komponenten automatisch sucht und auswählt. Zum Starten ist jeweils eine „Start…Example.java“ Datei hinterlegt, die als „Java Application“ in Eclipse ausgeführt werden kann. Nach dem Start öffnet sich ein neues Fenster innerhalb dessen die Multitouch-Interaktion möglich ist.

Basic-Anwendungen

[nggtags gallery=MT4j+Beispielanwendung+basic]

Advanced-Anwendungen

[nggtags gallery=MT4j+Beispielanwendung+advanced]

Minimalimplementierung

Eine Multitouch-Anwendung mit MT4j zu schreiben ist denkbar einfach, da sie nur zwei Klassen (Scene und MTApplication) benötigt. Die folgenden beiden Abschnitte geben einen Überblick über die Implementierung eine einfachen Applikation zur Bildmanipulation. Die Anwendung, die zum Selbsttest ebenfalls als Download verfügbar ist, ermöglicht es, ein Bild anzuzeigen und dieses mit Standard-Multitouch-Gesten zu manipulieren.

Scene

Eine „Scene als erste benötigte Bestandteil der Anwendung muss die abstrakte Klasse „AbstractScene“ erweitern. In dieser Klasse wird festgelegt, welche Komponenten angezeigt werden. Es gibt viele vorgefertigte Elemente, die insbesondere Standard-Multitouch-Gesten bereits beherrschen. Hierzu gehören beispielsweise Grafiken, Textfelder und Rahmen für verschiedene andere Objekte. Für unser Minimalbeispiel benötigen wir folgenden Code für die Scene-Klasse:

package MinimalExample;

import org.mt4j.MTApplication;
import org.mt4j.components.TransformSpace;
import org.mt4j.components.visibleComponents.widgets.MTImage;
import org.mt4j.input.gestureAction.InertiaDragAction;
import org.mt4j.input.inputProcessors.componentProcessors.dragProcessor.DragProcessor;
import org.mt4j.sceneManagement.AbstractScene;
import org.mt4j.util.math.Vector3D;

import processing.core.PImage;

public class PictureScene extends AbstractScene
{
  private String picturePath =  "MinimalExample" + MTApplication.separator + "data" + MTApplication.separator;

  public PictureScene (MTApplication mtApplication, String name)
  {
    super(mtApplication, name);

    MTApplication app = mtApplication;
    PImage img = app.loadImage(picturePath + "pic.jpg");
    MTImage image = new MTImage(img,app);
    image.setUseDirectGL(true);
    image.setPositionGlobal(new Vector3D(400,400,0));
    image.scale(0.2f, 0.2f, 0.2f, image.getCenterPointLocal(), TransformSpace.LOCAL);
    image.addGestureListener(DragProcessor.class, new InertiaDragAction());
    this.getCanvas().addChild(image);
  }

  @Override
  public void init() {}

  @Override
  public void shutDown() {}
}

Datei ist zu beachten, dass sich das entsprechende Bild im Paket „MinimalExample.data“ (gekennzeichnet als „picturePath“) befinden muss, damit es geladen werden kann!

MTApplication

Die „Application“-Klasse dient zum Starten der Anwendung und muss die abstrakte Klasse „MTApplication“ erweitern. Die vorher beschriebene Scene wird lediglich hinzugefügt. Anschließend wird die Anwendung mit dem Methodenaufruf „initialize()“ gestartet. Dazu sind lediglich die Folgenden Codezeilen erforderlich:

package MinimalExample;

import org.mt4j.MTApplication;

public class StartMinimalExample extends MTApplication
{
  private static final long serialVersionUID = 1L;

  public static void main(String args[])
  {
    initialize();
  }

  @Override
  public void startUp()
  {
    this.addScene(new PictureScene(this, "Picture scene"));
  }
}

Alternative Möglichkeiten zur Interaktion mit großen vertikalen Displays

[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.

[nggtags gallery=MagicWindow]

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.

[nggtags gallery=SixthSense]

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.

[nggtags gallery=ImaginaryInterface]

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.

[nggtags gallery=MultiToe]

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.

[nggtags gallery=Wii Gesture Interface]

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.

[nggtags gallery=SecondLight]

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.

[nggtags gallery=TouchProjector]

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.

[nggtags gallery=LightSpace]

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.

[nggtags gallery=Soap]

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.