Navigations- und Interaktionstechniken Abschlussvortrag zur Diplomarbeit von Thomas Paes

Betreuer: Dipl.-Wirtsch.-Inform. Daniel F. Abawi Dipl.-Wirtsch.-Inform. Silvan Reinhold

Professur für Graphische Datenverarbeitung J. W. Goethe-Universität Frankfurt am Main

Übersicht „

Motivation und Ziele

„

Grundlagen

„

Konzeption und Implementierung

„

Durchführung der Benutzerstudie

„

Ausblick 2/31

Motivation und Ziele „

ausgefeilte 3D-Rendering-Verfahren – aber: keine vergleichbaren Fortschritte bei der Interaktion mit diesen 3D-Welten

„

Gegenstand der Arbeit – Analyse bestehender Interaktionsmetaphern – Konzeption, Implementierung und Test neuer Verfahren

„

Designkriterien – möglichst intuitive Bedienung – Interaktion mit klassischen Eingabegeräten – sinnvolle Kontrolle der zusätzlichen Freiheitsgrade 3/31

Aufbau der Arbeit „

Literatur-Studie – Welche Ansätze zur Interaktion in 3D-Szenen gibt es? – metaphorische Konzepte und der Faktor Mensch

„

Entwicklung eigener Interaktionsmetaphern – Konzeption von neuen Bedienmetaphern – prototypische Umsetzung am Zauberwürfel

„

Benutzerstudie – Vorbereitung und Durchführen von Testreihen

„

Auswertung – Bewähren sich die gefundenen Interaktionstools? – Optimierungsansätze, Erweiterungsmöglichkeiten

4/31

Übersicht 9 Motivation und Ziele „

Grundlagen

„

Konzeption und Implementierung

„

Durchführung der Benutzerstudie

„

Ausblick 5/31

Grundlagen „

Menschliche Faktoren beim UI-Design – kinästhetische Übereinstimmung – kognitive Last – mentale Modelle

„

Metaphern für die Benutzungsschnittstelle Unterstützung der Modellbildung: Sense Makers Anforderungen

Probleme

• Vertrautheit

• negative Analogien

• adäquates Modell

• Effizienzkriterien

• Erweiterbarkeit

• Metaphern-Kombination 6/31

3D-Interaktion und Desktop-VR „

besondere Bedingungen der Desktop-VR – Interaktion mit klassischen Eingabegeräten – Darstellung der Szene auf 2D-Display

„

Freiheitsgrade, degrees of freedom (DOF) 3 DOF Translation + 3 DOF Rotation = 6 DOF 3D-Interaktion Æ nur 2 DOF bei mausgesteuerter Interaktion...

„

Funktion der 3D-Metapher Æ Abbildung der 2D-Eingaben zur räumlichen Interaktion 7/31

Funktion der 3D-Metapher

Mensch-MaschineSchnittstelle 3D-Applikation

Anwender

mentales Modell

Metapher

3D

Implementierung

2D

mathem. Modell

3D

[Diagramm nach Kettner: Mathematisch-informationstechnische Untersuchung von 3D-Metaphern]

8/31

Übersicht 9 Motivation und Ziele 9 Grundlagen „

Konzeption und Implementierung

„

Durchführung der Benutzerstudie

„

Ausblick 9/31

Konzeption: Analyse der Operationen Welche Interaktionsaufgaben treten auf? „

1.) Navigation um den Würfel – Inspektion der verschiedenen Würfelseiten – Analyse der aktuellen Konfiguration Æ wesentlich: sinnvolle Ausrichtung des Würfels

„

2.) Manipulation des Würfels – neue Konfiguration durch Rotation einer Drehscheibe – Teilwürfel ist gleichzeitig Element von drei Scheiben Æ besondere Aufgabe: intuitive Wahl der Rotationsachse

10/31

Konzeption: Wahl des Versuchsobjekts „

Eignung des Rubik‘s Cube – verschiedene Grundoperationen des 3D-Raums müssen abgebildet werden Æ allgemein, übertragbar – Durchführung einzelner Operationen nicht trivial (Identifizierung einer eindeutigen Rotationsoperation) Æ angemessener Komplexitätsgrad – Interaktion mit realem Objekt und virtuellem Modell Æ direkter Vergleich der Benutzungsschnittstellen

11/31

Welche Parameter werden variiert? Maus

Eingabegerät

wenig

Interaktionsschritte

reduziert

niedrig

Visualisierung

Abstraktionsgrad

Tastatur

viel

ausführlich

hoch

12/31

Demonstration des Prototypen

13/31

Inspektion: Objektansichten

14/31

Metaphern für die Inspektion „

Eckpunkt-Metapher – Prinzip der ausgewiesenen Ansichten – Kontaktpunkte an den Ecken des Zauberwürfels – Mausklick auf Kontaktpunkt richtet den Würfel so aus, dass die gewählte Ecke zum Betrachter zeigt Æ optimale Übersicht durch gleichzeitigen Blick auf drei Würfelseiten

„

ColorMap-Metapher – Grundlage: Kartenkonzept – Erweiterung um objektspezifische Informationen Æ direkte Navigation zur gewünschten Farbseite Æ Grundausrichtung des Würfels bleibt erhalten 15/31

Metaphern für die Rotation (1) „

Zweipunkt-Metapher – Wahl von Start- und Zielposition eines Kantenwürfels – Operatorspezifikation: mehrstufiger Selektionsprozess Æ Benutzerführung durch modale Visualisierung

(Selektionsmarken auf markierten Teilwürfeln) „

Spotlight-Metapher – metaphorisches Bild: Lichtstrahl vom Mauszeiger in Richtung des Objektmittelpunktes – implizite Selektion durch Auswertung der Mausposition, Abbildung auf 3D-Koordinaten Æ Rotation einer Scheibe mit einem einzigen Mausklick 16/31

Metaphern für die Rotation (2) „

Bezugsrahmen-Metapher – metaphorisches Bild: Fingerpositionen beim Drehen einer Würfelscheibe – Visualisierung durch „Fingerpunkte“, definieren den Bezugsrahmen für die Rotationsoperation – Bewegung/Rotation über Pfeiltasten Æ tastaturgesteuertes Interaktionsverfahren

Problem: geeignete Ausrichtung des Würfels für eindeutige Zuordnung der Operationen!

17/31

Referenzmetaphern: Inspektion „

Inspektion: Virtual Sphere-Metapher – Objekt ist von transparente Kugel umgeben – Mausbewegung wird als Rotation der Kugel umgesetzt Æ Rotation des Objekts um x- und y-Achse

Vorteile:

Nachteile:

• WYDIWYS

• Zeigerposition

• freie Objektdrehung

• Rotation um z-Achse

• weite Verbreitung

• UNDO schwierig

18/31

Referenzmetaphern: Rotation „

Rubik‘s Online-Metapher – Übertragung der VS-Metapher zur Rotationsinteraktion – Ausnutzen von strukturellen Constraints Æ Würfelseite + Mausbewegung definiert Rotationsachse

Vorteile:

Nachteile:

• hohe Intuitivität

• schwer übertragbar

• schnelle Interaktion

• kantenparallele Mausbewegung

19/31

Implementierung „

Plattform – Umsetzung der entwickelten Konzepte auf Basis der Java3D-API

„

Behavior-Konzept – abstrakte Java-Klasse zur Definition angepasster Verhaltensmerkmale – Kapselung von Code-Elementen zur Steuerung des Interaktionsverhaltens – ereignisbasiertes Wakeup-Verhalten

„

Beispiel: Spotlight-Implementierung – Picking-Konzept von Java3D ermöglicht direkte Umsetzung 20/31

Übersicht 9 Motivation und Ziele 9 Grundlagen 9 Konzeption und Implementierung „

Durchführung der Benutzerstudie

„

Ausblick 21/31

Benutzerstudie: Grundfragen „

Wie misst man die Güte einer Metapher? – kein objektives Maß, keine Metrik Æ Durchführen von Tests mit einer Benutzergruppe

„

sorgfältige Vorbereitung – Einteilung der Teilnehmer – Performanz bei nicht-trivialer Lösungsstrategie...? – Was wird gemessen, wie wird ausgewertet?

„

Evaluierung der Interaktionsmetaphern – Bewähren sich die entwickelten Konzepte? – Bewertung des Abschneidens im Vergleich mit Referenzmetaphern 22/31

Benutzerstudie: Konzeption „

Aufbau der Studie – Bedienung der Metaphern soll im Mittelpunkt stehen Æ Gliederung der Studie in zwei Phasen

„

Repeater-Durchgang – Teilnehmer reproduzieren Rotationsoperationen Æ zeitliche Performanz, #Inspektionen, Fehlerhäufigkeit

„

Solver-Durchgang – Lösen einer Würfelseite (realer + virtueller Würfel) Æ zeitliche Performanz, #Inspektionen, #Rotationen

23/31

Repeater

Aufnahme Teilnehmerprofil

Einführung und Training

4 RepeaterDurchgänge

Bewertung Kombination

Solver

Benutzerstudie: Ablauf

Solver Realwürfel (3x)

Solver virtuelles Modell

Bewertung Einzelmetaphern

Verbesserungsvorschläge

[Ablauf der Benutzerstudie]

24/31

Auswertung: Datenerhebung „

Aufzeichnung der Benutzer-Aktionen – Timestamps in Log-Datei Æ Anzahl Einzeloperationen Æ Zeit für jede Operation Æ Flag für fehlerhafte Repeater-Aktion

„

subjektive Bewertung durch Teilnehmer – einzeln für Inspektions- und Rotationsmetaphern Æ Intuitivität Æ Effizienz Æ Erlernbarkeit

25/31

Auswertung: Ergebnisse (1) „

Effizienz – schnelle Interaktion Ù Fehleranzahl – Beispiel: Rubik‘s Online- vs. Zweipunkt-Metapher

„

Objektausrichtung – freie Rotation Ù Anzahl benötigter Inspektionen – gutes Abschneiden der Eckpunkt-Metapher

„

negative Analogien – starke Intuition vom Spiel mit dem realen Würfel – „Schwung“ bei Rubiks Online – Markieren von Eckpunkten bei Zweipunkt-Metapher

„

Mapping der Operationen – Abbildung bei Spotlight-Metapher unvollständig – Ergänzungen nicht optimal

26/31

Auswertung: Ergebnisse (2) „

Vergleich realer + virtueller Würfel – doppelt so viel Zeit bei virtuellem Modell – Blow-Up durch Inspektion (#Rotationen ähnlich)

„

Referenzmetaphern – allgemein gutes Abschneiden – Problem: Bekanntheit der Virtual Sphere-Metapher

„

Visualisierung – Erreichbarkeit von Bedienelementen Ù Objektdarstellung – Beispiel: Eckpunkte-Metapher

– kognitive Last: nicht-sichtbare Farbseite bei ColorMap – Individuelle Unterschiede: gut eingeübte Tastatursteuerung 27/31

Übersicht 9 Motivation und Ziele 9 Grundlagen 9 Konzeption und Implementierung 9 Durchführung der Benutzerstudie „

Ausblick 28/31

Ausblick: Optimierungsansätze „

Erweiterte Visualisierung – mit weiterhin angemessenen Antwortzeiten – Spotlight-Metapher: Markierung der aktuell selektierten Drehscheibe – Inspektion: Ausnutzen des Szenenhintergrunds, Einblenden der Rückansicht (Spiegel-Metapher)

„

Kombination von Metaphern – Kompensation von situationsabhängiger Performance – Beispiel: freie Navigation der virtuellen Sphäre + gezielte Ausrichtung über die Eckpunkt-Metapher

29/31

Ausblick: Erweiterungsmöglichkeiten „

Autorenumgebung – Bereitstellen vorgefertigter, konfigurierbarer Interaktionsmetaphern Æ Erstellung von interaktiven Anwendungen ohne Programmierkenntnisse

„

Kommunikationskanal – Austausch kontextspezifischer Informationen zwischen Interaktionsmetaphern – Beispiel: Inspektion richtet Bezugrahmen aus Æ Bereitstellen eines angepassten, intelligenten Verhaltens

„

immersive VR-Anwendungen – effektive Interaktion durch Beschränkung der DOF? 30/31

That‘s all...

Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!

31/31