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Ubiquitous Computing(Ubiquitäre Informationstechnologien)Vorlesung im WS 02/03
Michael BeiglUniversität KarlsruheInstitut für TelematikTelecooperation Officewww.teco.uni-karlsruhe.de
Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-2
Aufbau der Vorlesung
Grundlagen
Geräte
mobil, persönlich, eingebettet
Wearable
Vernetzung
Kontext
Geräte
digitale WeltKontext
reale Welt
Interaktion Vernetzung
(vorverarbeitete)Information
Information
Interaktion
Anwendungen
Anwendungen
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Wearable Computing Einleitung
Computer, der/die am Körper getragen wird/werden§ Insbesondere zur Unterstützung des „mobilen“ Menschen
Einsatzbereiche§ Notizen, „Mitschneiden“§ Touristenführer§ Reparatur- und Wartungsservice§ Militär§ Gesundheitsbereich
besondere Schwierigkeiten§ darf während der Tätigkeit nicht stören§ tragbar§ keine Monitor / Keyboard Interaktion§ nicht immer Online
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Wearable Computing Übersicht
§ Historie§ Wearable Computer
? Unterschied zu „Personal Computern“? 2 Problembereiche: Energie und Ergonomie
§ Generalisten: Multimedia / Video / Cyborgs? Integrierte Wearable Geräte? Verteilte Wearables? Anwendungen, HCI, Technologie
§ Spezialisten: Audio, Kontext/Affective, Amplified Reality, Uhr? Anwendungen, HCI, Technologie
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Historie
§ 1966 (C): E. Thorp, C. Shannon: Analoger SchuhComputer für Roulette
§ 1966 (F): D. Sutherland erfindet das Head-Mounted Display (HMD)
§ 1968 (F): D. Engelbart demonstriertfunktionierendes Chord
§ 1977 (C): HP verkauft die HP 01Taschenrechner-Uhr
Quelle: hpmuseum.orgUbiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-6
Historie
§ 1981 (C): Steve Mann entwickelt als Schüler tragbaren Rechner umPhototechnik zu steuern
§ 1984 (F): William Gibson schreibt Neuromancer
§ 1990 (C): G. Maguire und J. Ioannidis demonstrieren das StudentElectronic Notebook (Private Eye und mobile IP)
§ 1991 (C): CMU entwickelt VuMan 1
§ 1993 (F): T. Starner schreibt Remembrance Agent
§ 1993 (F): Feiner, MacIntyre, Seligman entwickeln KARMA
§ 1994 (C): Lamming, Flynn entwickeln „Forget-me-not“
§ 1993 (C): T. Starner trägt ab jetzt konstant seinen Wearable basierendauf D. Platt‘s HIP PC
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Wearable Computing Prinzipien
Abgrenzung zum PC§ alte MIT Definition:§ Always on§ Always accessible§ Always with the userauch§ komfortabel, unauffällig, einfache zu
handhabenDerzeitige MIT Definition§ Mobile (Where you go, it goes. )
§ Persistent (Always on and always working. )
§ Secondary or Tertiary task (Hands free, Eyesfree, Brain free. )
§ Proactive (Agent and Interrupt )
§ Context Aware Quelle:wearcam.orgUbiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-8
Problembereiche:EnergieProbleme§ Energie und Wärmeableitung§ Anbringung§ UnauffälligkeitEnergie und Leistung (in Einheiten)
§ Energie: J = = V A sec (U.I.t) = Wsec
§ Leistung: W= = = V A (U.I)
kg m2
seckg m2
sec2J
sec
Quelle AABatterie
Knopf-zelle
CamcorderAkku
1 LiterBenzin
Energie [email protected] =3Wh=10800 J
2000 J 105 J 107 J
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Energie
Beispielrechung§ AA Batterie für Desktop: 10000 Ws für 100 W => 100 Sekunden§ AA Batterie für Sensorknoten: 10000 Ws für 0.03W => 92 Stunden
Quelle AABatterie
Knopf-zelle
CamcorderAkku
1 LiterBenzin
Energie [email protected] =3Wh=10800 J
2000 J 105 J 107 J
Verbraucher
PC PC 104eingebettet
Sensorknoten Mensch
Leistung 100-200W
1 W 0.03 W 120 W
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Energie
Lösung: Mensch alsEnergiequelle
Problem§ Nur ein Teil der Energie kann
verwendet werden um dasSystem Mensch nicht zustören§ Effizienz der Technologie zur
Gewinnung der Energietypisch zwischen 5-25%§ => Oft nur etwa 1%
verwendbarQuelle: Morton 1952
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Energie
Lösung: Menschals Energiequelle§ aufgewendete
Energie zumaximal nutzbareEnergie (inKlammern)
Quelle: Morton 1952
Quelle: T. Starner
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Energie
Technolgie§ Piezoelektische Energiegewinnung im Schuh§ Beispielrechnung (Träger 52 kg schwer, T. Starner) im Schnitt:
§ Leistung bei Tastaturanschlag (T. Starner) im Schnitt
§ Effizienz bei Piezotechnolgie: 11% => ca. 2 mW
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Problembereich 2:Anbringung und ErgonomieGemperle (1998): Designing for Wearability§ Mehr Infos unter http://www.ices.cmu.edu/design/wearability
Design-Überlegungen§ placement: Wo wird das Gerät angebracht§ form language: Geräteform§ human movement: Beweglichkeit für Gerät§ proxemics: Anbringung als “Teil” des Körpers§ sizing: “Größenkompatibel” mit versch. Personen§ attachment: Befestigungspunkte
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Anbringung und Ergonomie
Entwurfskriterien§ Plazierung am Körper
Körperstellen mit großer Oberfläche, wenig Bewegung,wenig Varianz bei versch. Menschen; Gewichtsverteilung
§ Formsprache und GrößeKonkav nach innen, konvex nach außen, organischgeformt, weich, für verschiedene Größen/angepaßt an..
§ Menschliche Bewegungum aktive Stellen herum entwerfen; Raum schaffen, inden sich der Körper hineinbewegen kann
§ Wahrnehmung des KörpersAura um den Körper berücksichtigen, die als körpereigenempfunden wird
§ Befestigung am Körper„um den Körper wickeln“, mehrere Befestigungspunkte
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Generalisten
Generalisten: Multimedia / Video / Cyborgs§ Cyborg Begriff aus Science Fiction (M. Clines, 1960)
§ Ersatz und Erweiterung menschlicher Sinne um spezifischeFähigkeiten von Technologie (hier: des Rechners)§ Grundidee so alt wie die Sehhilfe§ insbesondere Überlagerung des SehsinnsTechnolgie§ PC ähnliche Wearable Geräte: Zentraler
Rechner und „dumme“ Peripherie§ Verteilte Wearables: Zusammenschluß
von verschiedenen Geräten wie Uhr,PDA, Sportmeßgeräten
Anwendungen, HCI, Technologie
Quelle: MIT Media Lab Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-16
Beispiel eines Wearable
SPOT Wearable der CMU (Okt. 02)
§ Microprocessor Strong ARM SA-1110, 59-206MHz, Software-justierbareCore Voltage, Coprozessor SA-1111144 MHz, 256 kB, 64 kB Flash
§ Viele Schnittstellen: Firewire, USB, RS232, PCMCIA, Wavelan, 16 KanalA/D Wandler (für interne Spannungsüberwachung), JTAG, Auto PowerDown§ Stereo Audio, DVI 128 bit/1024x768§ 11.1 Wh Lithium Ionen, ca. 15x8x3 cm. 270g OHNE Batterie§ Power460mA bei 12V mit Microdrive und Wavelan, ohne Display
Konzept§ Monolitischer Aufbau, Standard Software (Linux)§ Klein, damit gut anbringbar§ Relativ sparsam, damit kompakt baubar, wenig
Wärmeableitungsprobleme
Quelle CMU: http://www.wearablegroup.org
Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-17
Multimedia Technolgie
Mithril von MIT§ ARM (SA 1110) basierte Zentrale (CERF
Board)§ Zusätzliche Peripherie über Bus§ Teilselbständige Peripherie z.B. SAK Board
für Sensor-Überwachung§ Verteilte Komponenten
über den Körperermöglichenergonomische Anbringung§ Body Bus für Komm.
der Komponenten
Quelle: http://www.media.mit.edu/wearables/mithril/Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-18
Verteilte
C. Randell, H. Muller, U.of Bristol
§ CyberJacket, BlazerJet, e-Gilet,eSleeve
§ zusammen mit HP Labs Bristol
§ PDA, GPS, GSM, Speech Recognition§ weniger Energieverbrauch durch
Verteilung der Funktionalität aufspezialisierte Einheiten
§ Einfachere Integration undergonomische Anpassung durchkleiner Einheiten
§ kein Hitzeableitungsproblem
§ besser Anwendungsanpassungdurch angepaßte Geräte
§ bisher noch chaotische VernetzungQuelle: http://wearables.cs.bris.ac.uk
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Erweiterte Realität
Augmented Reality (AR)§ Erweiterte Realität: Überlagerung und Erweiterung der durch
menschliche Sinne wahrgenommenen Realität§ Im Prinzip Sinn aller WearablesZwei Möglichkeiten§ Erweiterung der Geräte selbst -> Ubicomp§ Erweiterung durch persönliches Gerät -> WearableZweck§ Einblendung von Information (Überbrückt virtuelle und reale Welt)§ Erweiterte Wahrnehmung, z.B. Nachtsicht, biometrische
ParameterVorteil§ Benutzbarkeit: Arbeiten im Raum, direkte Einbeziehung der
Realität statt Abbildung§ Technik: I/O überall ohne Infrastruktur Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-20
Erweiterte Realität
Quelle: http://www.csl.sony.co.jp/person/rekimoto/uist95/uist95.html
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Erweiterte Realität: Displays
Technologien§ AR 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 Umwelt? Position, Orientierung
§ Überlagerung von Information und realer Welt-Sicht? Interakiv in Realzeit, Registrierung in 3D
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AR Darstellung von Information§ Head-Stabilized: Information relativ zum Kopf verankert, d.h.
fixiert im Gesichtsfeld? z.B. für schnell zuweisbare User Interface-Elemente
§ Body-Stabilized: relativ zum Körper verankert? virtuelle Displayfläche um den Kopf/Körper herum, navigierbar durch
Kopf-/Körperbewegung
§ World-Stabilized: Information relativzur realen Welt, d.h. an Positionenoder Gegenständen verankert
? z.B. Information zu Gebäudenund zu Objekten
? z.B. Sony NaviCam
Erweiterte Realität: Displays
Quelle: http://www.csl.sony.co.jp/person/rekimoto/uist95/uist95.html
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Erweiterte RealitätNaviCam
Quelle: http://www.csl.sony.co.jp/person/rekimoto/uist95/uist95.html
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AR Tracking
Shared Space / Magic Book§ Hitlab, U. of Washington, Marc Billinghurst§ Aktive Objekte: z.B. IR Sender
viel Infrastruktur§ Passive Objekte: Computer Vision
sehr rechenaufwendig, minimale(z.B. 3D Barcode) oder keine Infrastruktur§ Inertial: Beschleunigung, Drehung
sehr ungenau
§ Videos
Quelle: www.hitl.washington.edu
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Vu-Man
Vu-Man3§ Carnegie Mellon University§ zusammen mit Boing§ head mounted display (HMD)§ Zentraler PC (80386)§ Wahlscheibe als Eingabe, sehr robust
Ergebnis§ angeblich 40% Reduktion
der Bearbeitungszeit§ Nur noch eine Person notwendig
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Columbia University: Touring Machine,KARMAAR für Reparatur§ Ohne Handbuch
Wearable für Navigation§ Steve Feiner, Columbia University§ “Mobile Augmented Reality”
Komponenten§ Backpack-PC§ GPS / Diff. GPS: Positionierung§ HMD mit Orientation-Tracker§ Funk LAN§ zusätzlich Handheld Display
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Touring Machine
AR Display§ UI-Navigationselemente fixiert
(head-stabilized)
§ Information zur Umgebung in der realenWelt verankert (world-stabilized)
§ Kontextauswahl durch Blickrichtung(Gaze Selection)
§ Menüauswahl über Trackpad aufRückseite des Handhelds
Handheld Display§ Display für Information zur Vertiefung
(d.h. AR Display bleibt für Mixed Realityreserviert)§ abhängig vom AR-Kontext
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Touring Machine
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Interaktionstechnologien
Ausgabe§ Displays, die nicht den Blick auf reale Welt versperren
? See-through Displays („halbdurchsichtig“)? See-above Display? Monokulare Displays (einäugig)? Displays am Arm, Uhr, ....
§ Nutzung oft ähnlich gewohnter GUI NutzungEingabe§ Explizite Eingabe problematisch, da von realer Welt ablenkt§ Keine feststehendes Eingabegerät erfordert neue Interaktionstechniken§ ... Und erfordert deshalb oft Erlernen eines neuen Geräts§ Eingabetechniken für einhändige oder freihändige Interaktion
? Sprachbedienung? Spezialtastaturen? Zeigegeräte als Mausersatz
§ mehr Produkte auf http://www.tekgear.ca Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-30
Head Mounted Display
Ergonomie§ Gewicht nahe Schwerpunkt des Kopfes§ Maximale Auflagefläche ohne Muskeln§ Keine Sinne beinträchtigt
Quelle: www.ices.cmu.edu/design/wearability
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Displays für mobile Aktivität
See-through Displays§ Bsp. Sony Glasstron§ Stärken: Displaygröße
und -qualität? 30° Gesichtsfeld,
Farbe, SVGA§ Nachteile:
? eingeschränkte Sichtauf reale Welt (Ge-sichtsfeld, Lichtstärke)
? optimiert für andereAnwendungen (TV, Spiele,Augmented Reality [s.u.])
? sehr hohe Leistungsaufnahme (11W)
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Displays für mobileAktivität
See-above Displays§ Bsp. Personal Monitor§ mehr periphere Sicht als bei
Sony Glasstron, aber einge-schränkt durch Abdeckung§ weniger Displayraum im
Gesichtsfeld, keine Über-lagerung virtueller undrealer Bilder
Aussenansicht
Innenansicht
Sichterlebnis
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Displays für mobile Aktivität
Monokulare Displays§ Bsp. M1 Display, „Private Eye“§ 500 $§ auf einem Auge freie Sicht§ wenig Displayraum (8° FOV),
bei M1 niedrige Qualität§ Aufteilung: ein Auge für die reale
Welt, eins für die virtuelle? fragwürdiges Konzept
(dominantes Auge,3D-Sehen)
? hohe Belastung für Nutzer
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Displays für mobile Aktivität
„Unsichtbare“ Monokulare Displays§ Entwicklungen von MicroOptical: Clip-On Display§ zwischen 900-1600 $ je nach Auflösung
Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-35
Displays für mobile Aktivität
„Unsichtbare“ Monokulare Displays§ MicroOptical: Integrated Eyeglass Display§ MicroOptical: Binocular Display
Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-36
Displays
Direkte Retinaprojektion§ MVIS.com
Quelle: http://www.mvis.com
Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-37
Nutzung gewöhnungsbedürftig
... Besonders für die Umwelt
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Displays für mobile Aktivität
Tragbare Display-Alternativen zu HMDs§ z.B. Wrist-Mounted Display
Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-39
Wearable Eingabe: Klassifikation
Freihändig§ Sprache, Eye-Tracking, EKG, Computer Vision
Einhändig§ Trackball, Wählscheibe, Maus, Gesten, Chord, Keyboard,
Knöpfe, Joystick, Beschleunigungs- oder Neigungssensoren
Zweihändig§ Pen/Touch, Gesten, Keyboard
Wichtigste Vertreter§ QUERTY /Half-Q.§ Chords VIDEO§ Chord-Erweiterte, z.B. Twiddler§ Chord Einarbeitungszeit: ca 30 h für 36 Anschläge/min (etwa
Keyboard)Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-40
Audio Wearable
Nomadic Radio§ Sawhney & Schmandt, MIT MediaLab§ Audio-only Wearable für ubiquitäre Kommunikation§ Ausgabe: periphäre Geräusche (Cues) und Synthetische Sprache
(Benachrichtigung, Antworten auf Befehle)§ Eingabe:
Sprach-erkennung§ gerichtete
Lautsprecherin Kopfnähefür 360°gerichteteAusgabe
Quelle:web.media.mit.edu/~nitin/NomadicRadio
Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-41
Nomadic Radio: Navigation
Aktive Interaktion§ Vokabular 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
Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-42
Nomadic Radio: Benachrichtigung
Passive Interaktion, periphere Wahrnehmung§ Skalierbare Darstellung
? genügend Information bei minimaler Unterbrechung? stufenweise Verfeinerung der Information
Quelle:web.media.mit.edu/~nitin/NomadicRadio
Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-43
Nomadic Radio: System
Quelle:web.media.mit.edu/~nitin/NomadicRadio Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-44
Affective Computing
Begriff von R. Picard, MIT§ Idee: Rechner soll „emotionalen Zustand“ des Menschen erfahren
und berücksichtigen§ Realisierung: Beobachtung über bestehende und vor allem neue
Schnittstellen
Beispiele§ Blutdruckmessung durch
elektronischen Ohrring
§ Leitfähgkeit der Haut:Uhr, Fingerring,erweiterte Maus
Quelle:affect.media.mit.edu
Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-45
Affective Computing
§ Auch Herzschlag,§ Videoüberwachung: Augenbewegung etc.
Anwendungsfelder§ Lernsysteme
§ verbesserter Benutzerschnittstellen
§ implizite Interaktion
§ Kunst und Unterhaltung
§ Gesundheitswesen
§ ...
Bsp: Orpheus
§ Steuerung der abgespielten Musik basieren auf Emotionszustand
Quelle:affect.media.mit.edu
Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-46
Affective Computing
StartleCam§ Healey & Picard, MIT MediaLab§ Computer hört auf Körpersignale§ Affective Computing§ User erschrickt Notruf mit
Bildübertragung („dieletzten 5 sec vor demÜberfall“)
Quelle:affect.media.mit.edu