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Ubiquitous Computing(Ubiquitäre Informationstechnologien)Vorlesung im WS06/07
Michael BeiglTU BraunschweigInstitute of Operating Systemsand Computer Networkswww.ibr.cs.tu-bs.de/dus
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-2
Literatur, Fragen
Fragen zu dieser VorlesungWelche Alltagsgegenstände würden sich als Teil eines Wearable eignen?
Pflichtliteratur (Vorbereitung nächste Vorlesung)Jaarp Haardsen, BLUETOOTH—The universal radio interface for ad hoc, wireless connectivity Ericson Review
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-3
ÜbersichtVorlesung Ubicomp
Geräte und UmgebungenParcTab: erste Ubicomp Geräte und UmgebungenReaktive UmgebungenAppliancesHardware für AppliancesWearables
CommunicationContextHCI
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Wearables
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-5
Wearable Computing Einleitung
Computer, der/die am Körper getragen wird/werdenInsbesondere zur Unterstützung des „mobilen“ Menschen
EinsatzbereicheNotizen, „Mitschneiden“TouristenführerReparatur- und WartungsserviceMilitärGesundheitsbereich
besondere Schwierigkeitendarf während der Tätigkeit nicht störentragbarkeine Monitor / Keyboard Interaktionnicht immer Online
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-6
Historie
1966 (C): E. Thorp, C. Shannon: Analoger Schuh Computer für Roulette
1966 (F): D. Sutherland erfindet das Head-Mounted Display (HMD)
1968 (F): D. Engelbart demonstriert funktionierendes Chord
1977 (C): HP verkauft die HP 01Taschenrechner-Uhr
Quelle: hpmuseum.org
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-7
Historie
1981: Steve Mann entwickelt als Schüler tragbaren Rechner um Phototechnik zu steuern
1984: William Gibson schreibt Neuromancer
1990: G. Maguire und J. Ioannidis demonstrieren das Student Electronic Notebook (Private Eye und mobile IP)
1991: CMU entwickelt VuMan 1
1993: T. Starner schreibt Remembrance Agent
1993: Feiner, MacIntyre, Seligman entwickeln KARMA
1994: Lamming, Flynn entwickeln „Forget-me-not“
1993: T. Starner trägt ab jetzt konstant seinen Wearable basierend auf D. Platt‘s HIP PC
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-8
Wearable Computing Prinzipien
Abgrenzung zum PCalte MIT Definition:Always onAlways accessibleAlways with the user
auchkomfortabel, unauffällig, einfach zu handhaben
Derzeitige MIT DefinitionMobile ( Where you go, it goes. )
Persistent ( Always on and always working. )
Secondary or Tertiary task ( Hands free, Eyes free, Brain free. )
Proactive ( Agent and Interrupt )
Context Aware Quelle:wearcam.org
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WearablesErgonomie
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-10
Problembereich 2:Anbringung und Ergonomie
Gemperle (1998): Designing for WearabilityMehr Infos unter http://www.ices.cmu.edu/design/wearability
Design-Überlegungenplacement: Wo wird das Gerät angebrachtform language: Geräteformhuman movement: Beweglichkeit für Gerätproxemics: Anbringung als “Teil” des Körperssizing: “Größenkompatibel” mit versch. Personenattachment: Befestigungs-punkte
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-11
Anbringung und Ergonomie
EntwurfskriterienPlazierung am KörperKörperstellen mit großer Oberfläche, wenig Bewegung, wenig Varianz bei versch. Menschen; GewichtsverteilungFormsprache und GrößeKonkav nach innen, konvex nach außen, organisch geformt, weich, für verschiedene Größen/angepaßt an..Menschliche Bewegung um aktive Stellen herum entwerfen; Raum schaffen, in den sich der Körper hineinbewegen kannWahrnehmung des Körpers Aura um den Körper berücksichtigen, die als körpereigen empfunden wirdBefestigung am Körper„um den Körper wickeln“, mehrere Befestigungspunkte
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-12
Generalisten
Generalisten: Multimedia / Video / CyborgsCyborg Begriff aus Science Fiction (M. Clines, 1960)
Ersatz und Erweiterung menschlicher Sinne um spezifische Fähigkeiten von Technologie (hier: des Rechners)Grundidee so alt wie die Sehhilfeinsbesondere Überlagerung des Sehsinns
TechnolgiePC ähnliche Wearable Geräte: ZentralerRechner und „dumme“ PeripherieVerteilte Wearables: Zusammenschluß von verschiedenen Geräten wie Uhr, PDA, Sportmeßgeräten
Anwendungen, HCI, TechnologieQuelle: MIT Media Lab
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WearablesTypen
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-14
Typischer AufbauWearable Computer
SPOT Wearable der CMU (Okt. 02)
Zentraler Rechner mit Peripherie
Microprocessor Strong ARM SA-1110, 59-206MHz, Software-justierbare Core Voltage, Coprozessor SA-1111144 MHz, 256 kB, 64 kB Flash
Viele Schnittstellen: Firewire, USB, RS232, PCMCIA, Wavelan, 16 Kanal A/D Wandler (für interne Spannungsüberwachung), JTAG, Auto Power DownStereo Audio, DVI 128 bit/1024x76811.1 Wh Lithium Ionen, ca. 15x8x3 cm. 270g OHNE BatteriePower460mA bei 12V mit Microdrive und Wavelan, ohne Display
KonzeptMonolitischer Aufbau, Standard Software (Linux)Klein, damit gut anbringbarRelativ sparsam, damit kompakt baubar, wenig Wärmeableitungsprobleme
Quelle CMU: http://www.wearablegroup.org
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-15
Wearable Computer Implementation
Overall System Block Diagram :
WirelessNetworkWireless
Network
Input Device Display Device
Video Camera
Low Power Indicator Power Supply
Com port VGA outFrame grabber
Netw
ork card
Parallel port Back plane
Main Unit
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-16
Beispiel: Mithril
Mithril von MITIntel ARM/XScale (SA 1110) basierte Zentrale (CERF Board)Zusätzliche „smarte“ Peripherie über BusTeilweise verteilter AnsatzTeilselbständige Peripherie z.B. SAK Board für Sensor-ÜberwachungVerteilte Komponentenüber den Körper ermöglichen ergonomische AnbringungBody Bus für Komm. der Komponenten
Quelle: http://www.media.mit.edu/wearables/mithril/
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-17
Verteilter Wearable
C. Randell, H. Muller, U.of Bristol
CyberJacket, BlazerJet, e-Gilet, eSleeve
zusammen mit HP Labs Bristol
PDA, GPS, GSM, Speech Recognitionweniger Energieverbrauch durchVerteilung der Funktionalität aufspezialisierte Einheiten
Einfachere Integration und ergonomische Anpassung durchkleiner Einheiten
kein Hitzeableitungsproblem
besser Anwendungsanpassungdurch angepaßte Geräte
bisher noch chaotische Vernetzung Quelle: http://wearables.cs.bris.ac.uk
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-18
Wearable Design Prinzipien
7 Prinzipien für den Design-Prozess nach Gandy, et al.
Angemessene BenutzungFlexible BenutzungEinfach und IntuitivErkennbare InformationFehlertolerantNiedriger körperlicher AufwandGröße angemessen der Nutzung
Gandy, Maribeth, David Ross, and Thad E. Starner, “Universal Design: Lessons For Wearable Computing”, Pervasive Computing, pp 19-23,July-September 2003.
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WearablesAugmented Reality
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-20
Erweiterte Realität, Augmented Reality (AR)Augmented Reality (AR)
Erweiterte Realität: Überlagerung und Erweiterung der durch menschliche Sinne wahrgenommenen RealitätIm Prinzip Sinn aller Wearables
Zwei MöglichkeitenErweiterung der Geräte selbst -> UbicompErweiterung durch persönliches Gerät -> Wearable
ZweckEinblendung von Information (Überbrückt virtuelle und reale Welt)Erweiterte Wahrnehmung, z.B. Nachtsicht, biometrische Parameter
VorteilBenutzbarkeit: Arbeiten im Raum, direkte Einbeziehung der Realität statt AbbildungTechnik: I/O überall ohne Infrastruktur
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-21
Erweiterte Realität
Quelle: http://www.csl.sony.co.jp/person/rekimoto/uist95/uist95.html
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-22
Erweiterte Realität: Displays
TechnologienAR Displays: Head-Mounted Displays, die die Verknüpfung realer und virtueller Bilder unterstützen
Video-basiert: HMD mit Kamera, reale Welt-Sicht indirekt▫ Technisch einfache Verknüpfung von virtuellen und „realem“
Bild▫ verzögerte Wahrnehmung der realen Welt, schlechtere
Auflösung
See-Through: durchsichtiges Display▫ unverzögerte Wahrnehmung, weniger eingeschränkte Sicht,
Sicherheit!▫ Verknüpfung von virtuellem und realem Bild aufwendig
Bezug zur UmweltPosition, Orientierung
Überlagerung von Information und realer Welt-SichtInterakiv in Realzeit, Registrierung in 3D
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-23
AR Darstellung von InformationHead-Stabilized: Information relativ zum Kopf verankert, d.h. fixiert im Gesichtsfeld
z.B. für schnell zuweisbare User Interface-Elemente
Body-Stabilized: relativ zum Körper verankertvirtuelle Displayfläche um den Kopf/Körper herum, navigierbar durch Kopf-/Körperbewegung
World-Stabilized: Information relativ zur realen Welt, d.h. an Positionen oder Gegenständen verankert
z.B. Information zu Gebäuden und zu Objektenz.B. Sony NaviCam
Erweiterte Realität: Displays
Quelle: http://www.csl.sony.co.jp/person/rekimoto/uist95/uist95.html
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-24
Erweiterte Realität NaviCam
Quelle: http://www.csl.sony.co.jp/person/rekimoto/uist95/uist95.html
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-25
AR Tracking
Shared Space / Magic BookHitlab, U. of Washington, Marc BillinghurstNotwendig: “Tagging” der Objekte, damit Positition und Identifikation vom Rechnervia Kamera bestimmt werden kannMöglichkeiten Tagging:
Aktive Objekte: z.B. IR Sender viel InfrastrukturPassive Objekte: Computer Visionsehr rechenaufwendig, minimale (z.B. 3D Barcode) oder keine InfrastrukturInertial: Beschleunigung, Drehungsehr ungenau
Immer benötigt: Brille+Kamera auf/bei Brille zur Erkennung
VideosQuelle: www.hitl.washington.edu
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-26
AR Tracking
Markererkennung
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WearablesBeispiele
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-28
Vu-Man
Vu-Man3Carnegie Mellon Universityzusammen mit Boinghead mounted display (HMD)Zentraler PC (80386)Wahlscheibe als Eingabe, sehr robust
Ergebnisangeblich 40% Reduktion der BearbeitungszeitNur noch eine Person notwendigNicht weitergeführt, da wenig erfolgreich
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-29Figure 1: CMU Wearable Family Tree [www-2.cmu.edu/people/wearable/pics/wearabletree.jpg]
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-30
Columbia University: Touring Machine, KARMA
AR für ReparaturOhne Handbuch
Wearable für NavigationSteve Feiner, Columbia University“Mobile Augmented Reality”
KomponentenBackpack-PCGPS / Diff. GPS: PositionierungHMD mit Orientation-TrackerFunk LANzusätzlich Handheld Display
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-31
Touring Machine
AR DisplayUI-Navigationselemente fixiert (head-stabilized)Information zur Umgebung in der realen Welt verankert (world-stabilized)Kontextauswahl durch Blickrichtung(Gaze Selection)Menüauswahl über Trackpad aufRückseite des Handhelds
Handheld DisplayDisplay für Information zur Vertiefung (d.h. AR Display bleibt für Mixed Reality reserviert)abhängig vom AR-Kontext
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-32
Anwendung: CamNet Studie
Studie von British Telecom, 1992Wearable Teleconferencing
Audio, Video, DatenWYSIWIS “what you see is what I see”Bezugnahme auf lokalen Kontext
Asymmetriein den Rollen: mobiler Arbeiter vor Ortkonsultiert entfernten Expertenin der Kommunikation: breitbandig zum Experten, schmalbandig zum Wearable
Unterstützung mobiler Aktivität“freihändige” Kommunikation
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-33
Anwendung: Proactive Comp. & Gedächtnisunterstützung
Remembrance Agent („Gedächtnis-Prothese“)Rhodes, MIT MediaLab 1997menschliche Schwäche: vergessen / nicht erinnern
Computer-Stärken: alles speichern, schnelle Suche
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-34
Proactive Computing MemoClip: “Cognitive Unloading”
Aktivierung durch externe GedächtnisleistungenStatt bisher nur passiver Datenspeicher (erweitertes Gedächtnis)… Entlastung von Aktivität, dadurch Reduktion kognitiver LastKontextabhängige Erinnerung, z.B. „nehme Butter mit, falls im Supermarkt“Persönliche Computer ermöglichen diese Anwendungen“Always with you”Abhängig von beliebigemKontext:Regen & Ausgang >
RegenschirmÄhnliche Kalender … aber komplexerHauptschwierigkeit: “end user programming”
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-35
Gordon Bell (Microsoft)Alle Aktivitäten des Lebens auf der Festplatte inkl. des Kontexts (Zeit, Sensorik)Tätigkeit am Computer, aber auch Photos, angeschaute Filme Folgt V. Bushs Memex Idee
MyLifeBits
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-36
AnwendungMedizin
Microsofts SenscamEinsatz: AlzheimerDramatischer Erfolg ggüber konventionellen Therapien
http://research.microsoft.com/barc/mediapresence/MyLifeBits.aspx
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-37
Diplomarbeiten / Studienarbeiten
MemoClipLoctation TechnologyAssociation ConceptsEnd User Programming / Configuration
MemCamHardwareDetection Methods (Acitivity Recognition)
Your Life at Your DiskOrganizing Sensor based Situation enhanced large information setsActivity RecognitionPresentation
Cognitive UnloadingUser studies
.....
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WearablesAusgabe
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-39
Interaktionstechnologien
AusgabeDisplays, die nicht den Blick auf reale Welt versperren
See-through Displays („halbdurchsichtig“)See-above DisplayMonokulare Displays (einäugig)Displays am Arm, Uhr, ....
Nutzung oft ähnlich gewohnter GUI NutzungEingabe
Explizite Eingabe problematisch, da von realer Welt ablenktKeine feststehendes Eingabegerät erfordert neue Interaktionstechniken... Und erfordert deshalb oft Erlernen eines neuen GerätsEingabetechniken für einhändige oder freihändige Interaktion
SprachbedienungSpezialtastaturenZeigegeräte als Mausersatz
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-40
Head Mounted Display
ErgonomieGewicht nahe Schwerpunkt des KopfesMaximale Auflagefläche ohne MuskelnKeine Sinne beinträchtigt
Quelle: www.ices.cmu.edu/design/wearability
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-41
Displays für mobile Aktivität
See-through DisplaysBsp. Sony GlasstronStärken: Displaygröße und -qualität
30° Gesichtsfeld,Farbe, SVGA
Nachteile:eingeschränkte Sicht auf reale Welt (Ge-sichtsfeld, Lichtstärke)optimiert für andere Anwendungen (TV, Spiele, Augmented Reality [s.u.])sehr hohe Leistungsaufnahme (11W)
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-42
Displays für mobile Aktivität
See-above DisplaysBsp. Personal Monitormehr periphere Sicht als bei Sony Glasstron, aber einge-schränkt durch Abdeckungweniger Displayraum im Gesichtsfeld, keine Über-lagerung virtueller undrealer Bilder
Aussenansicht
Innenansicht
Sichterlebnis
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-43
Displays für mobile Aktivität
Monokulare DisplaysBsp. M1 Display, „Private Eye“500 $auf einem Auge freie Sichtwenig Displayraum (8° FOV), bei M1 niedrige QualitätAufteilung: ein Auge für die reale Welt, eins für die virtuelle
fragwürdiges Konzept (dominantes Auge, 3D-Sehen)hohe Belastung für Nutzer
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-44
Displays für mobile Aktivität
„Unsichtbare“ Monokulare DisplaysEntwicklungen von MicroOptical: Clip-On Displayzwischen 900-1600 $ je nach Auflösung
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-45
Displays für mobile Aktivität
„Unsichtbare“ Monokulare DisplaysMicroOptical: Integrated Eyeglass DisplayMicroOptical: Binocular Display
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-46
Displays
Direkte RetinaprojektionMVIS.com
Quelle: http://www.mvis.com
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-47
Nutzung gewöhnungsbedürftig
... Besonders für die Umwelt
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WearablesEingabe
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-49
Displays für mobile Aktivität
Tragbare Display-Alternativen zu HMDsz.B. Wrist-Mounted Display
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-50
Software oder fix generierte Projektionseingabe
Projektion einer Tastatur etc. auf OberflächeErkennung von Fingerbewegung, Drücken auf FlächeDurch Erkennung der Schatten
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-51
Wearable EingabeData gloves
Kontrolle der FingerpositionZeichensprache z.B. für Taube kann interpretiert werdenKalibrierung notwendigTeuer
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-52
Wearable Eingabe: Klassifikation
FreihändigSprache, Eye-Tracking, EKG, Computer Vision
EinhändigTrackball, Wählscheibe, Maus, Gesten, Chord, Keyboard, Knöpfe, Joystick, Beschleunigungs- oder Neigungssensoren
ZweihändigPen/Touch, Gesten, Keyboard
Wichtigste VertreterQUERTY /Half-Q.Chords VIDEOChord-Erweiterte, z.B. TwiddlerChord Einarbeitungszeit: ca 30 h für 36 Anschläge/min (etwa Keyboard)
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-53
Wearable Eingabe
Wireless Finger Ring
Detection of finger-tip typingWireless LinkBlock DiagramsChording METHOD
Fukumoto et al. 1999
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-54
Wearable Computer EingabeFingerring
Erkennung Fingerbewegung
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-55
Wearable EingabeFingerring
Eingabe: Datenübertragung Body Area network
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-56
Wearable EingabeFingerring
Eingabe: Datenübertragung
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-57
Wearable EingabeFingerring
Eingabe: Datenübertragung
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-58
Wearable EingabeFingerring
Block DiagramsEinfacher, preiswerter, energiesparsamer PIEZO Accl.Verstärker (Charge-Amp)Regelt die Frequenz des Oszillators (FM=Frequency Modulation)
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-59
Wearable Computer Implementation>>Input Device
BPF: Band Pass FilterPLL: Phase Locked Loop (interpretiert Frequenzabweichung)
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-60
Samsung Scurry
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WearablesAudio
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-62
Audio Wearable
Nomadic RadioSawhney & Schmandt, MIT MediaLabAudio-only Wearable für ubiquitäre KommunikationAusgabe: periphäre Geräusche (Cues) und Synthetische Sprache (Benachrichtigung, Antworten auf Befehle)Eingabe: Sprach-erkennunggerichtete Lautsprecher in Kopfnähe für 360° gerichtete Ausgabe
Quelle:web.media.mit.edu/~nitin/NomadicRadio
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-63
Nomadic Radio
Video
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-64
Nomadic Radio: Navigation
Aktive InteraktionVokabular für Sprachnavigation
12 Meta-Kommandos, z.B. “Go to my {email / news / ...}”ein Vokabular für alle Anwendungen, nicht modal
Räumliche Anordnung von Nachrichten in 3D-Audio Body-stabilized, z.B. nach zeitlichem Eingang im Tagesverlauf
Simultanes Hören: z.B. Email im Vodergrund, News im Hintergrund
12.00 Uhr
15.00
18.00
9.00
Email14.30
News8.00
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-65
Nomadic Radio: Benachrichtigung
Passive Interaktion, periphere WahrnehmungSkalierbare Darstellung
genügend Information bei minimaler Unterbrechungstufenweise Verfeinerung der Information
Quelle:web.media.mit.edu/~nitin/NomadicRadio
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-66
Nomadic Radio: System
Quelle:web.media.mit.edu/~nitin/NomadicRadio
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-67
Infineon Digital Music Player System Musik-Jacke
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WearablesAffective Computing
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-69
Affective Computing
Begriff von R. Picard, MITIdee: Rechner soll „emotionalen Zustand“ des Menschen erfahren und berücksichtigenRealisierung: Beobachtung über bestehende und vor allem neue Schnittstellen
BeispieleBlutdruckmessung durch elektronischen Ohrring
Leitfähgkeit der Haut:Uhr, Fingerring, erweiterte Maus Quelle:affect.media.mit.edu
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-70
Affective Computing
Auch Herzschlag, Videoüberwachung: Augenbewegung etc.
AnwendungsfelderLernsysteme
verbesserter Benutzerschnittstellen
implizite Interaktion
Kunst und Unterhaltung
Gesundheitswesen
...
Bsp: Orpheus
Steuerung der abgespielten Musik basieren auf Emotionszustand
Quelle:affect.media.mit.edu
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Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-71
Affective Computing
StartleCamHealey & Picard, MIT MediaLabComputer hört auf KörpersignaleAffective ComputingUser erschrickt Notruf mit Bildübertragung („die letzten 5 sec vor dem Überfall“)
Quelle:affect.media.mit.edu