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Palleis, Henri (2017): The tool space: designing indirect touch input techniques for personal muti-surface computing devices. Dissertation, LMU München: Fakultät für Mathematik, Informatik und Statistik
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Abstract

Visions of futuristic desktop computer work spaces have often incorporated large interactive surfaces that either integrate into or replace the prevailing desk setup with displays, keyboard and mouse. Such visions often connote the distinct characteristics of direct touch interaction, e.g. by transforming the desktop into a large touch screen that allows interacting with content using one’s bare hands. However, the role of interactive surfaces for desktop computing may not be restricted to enabling direct interaction. Especially for prolonged interaction times, the separation of visual focus and manual input has proven to be ergonomic and is usually supported by vertical monitors and separate – hence indirect – input devices placed on the horizontal desktop. If we want to maintain this ergonomically matured style of computing with the introduction of interactive desktop displays, the following question arises: How can and should this novel input and output modality affect prevailing interaction techniques. While touch input devices have been used for decades in desktop computing as track pads or graphic tablets, the dynamic rendering of content and increasing physical dimensions of novel interactive surfaces open up new design opportunities for direct, indirect and hybrid touch input techniques. Informed design decisions require a careful consideration of the relationship between input sensing, visual display and applied interaction styles. Previous work in the context of desktop computing has focused on understanding the dual-surface setup as a holistic unit that supports direct touch input and allows the seamless transfer of objects across horizontal and vertical surfaces. In contrast, this thesis assumes separate spaces for input (horizontal input space) and output (vertical display space) and contributes to the understanding of how interactive surfaces can enrich indirect input for complex tasks, such as 3D modeling or audio editing. The contribution of this thesis is threefold: First, we present a set of case studies on user interface design for dual-surface computer workspaces. These case studies cover several application areas such as gaming, music production and analysis or collaborative visual layout and comprise formative evaluations. On the one hand, these case studies highlight the conflict that arises when the direct touch interaction paradigm is applied to dual-surface workspaces. On the other hand, they indicate how the deliberate avoidance of established input devices (i.e. mouse and keyboard) leads to novel design ideas for indirect touch-based input. Second, we introduce our concept of the tool space as an interaction model for dual-surface workspaces, which is derived from a theoretical argument and the previous case studies. The tool space dynamically renders task-specific input areas that enable spatial command activation and increase input bandwidth through leveraging multi-touch and two-handed input. We further present evaluations of two concept implementations in the domains 3D modeling and audio editing which demonstrate the high degrees of control, precision and sense of directness that can be achieved with our tools. Third, we present experimental results that inform the design of the tool space input areas. In particular, we contribute a set of design recommendations regarding the understanding of two-handed indirect multi-touch input and the impact of input area form factors on spatial cognition and navigation performance.

Abstract

Zukunftsvisionen thematisieren zuweilen neuartige, auf großen interaktiven Oberflächen basierende Computerarbeitsplätze, wobei etablierte PC-Komponenten entweder ersetzt oder erweitert werden. Oft schwingt bei derartigen Konzepten die Idee von natürlicher oder direkter Toucheingabe mit, die es beispielsweise erlaubt mit den Fingern direkt auf virtuelle Objekte auf einem großen Touchscreen zuzugreifen. Die Eingabe auf interaktiven Oberflächen muss aber nicht auf direkte Interaktionstechniken beschränkt sein. Gerade bei längerer Benutzung ist aus ergonomischer Sicht eine Trennung von visuellem Fokus und manueller Eingabe von Vorteil, wie es zum Beispiel bei der Verwendung von Monitoren und den gängigen Eingabegeräten der Fall ist. Soll diese Art der Eingabe auch bei Computerarbeitsplätzen unterstützt werden, die auf interaktiven Oberflächen basieren, dann stellt sich folgende Frage: Wie wirken sich die neuen Ein- und Ausgabemodalitäten auf vorherrschende Interaktionstechniken aus? Toucheingabe kommt beim klassischen Desktop-Computing schon lange zur Anwendung: Im Gegensatz zu sogenannten Trackpads oder Grafiktabletts eröffnen neue interaktive Oberflächen durch ihre visuellen Darstellungsmöglichkeiten und ihre Größe neue Möglichkeiten für das Design von direkten, indirekten oder hybriden Eingabetechniken. Fundierte Designentscheidungen erfordern jedoch eine sorgfältige Auseinandersetzung mit Ein- und Ausgabetechnologien sowie adequaten Interaktionsstilen. Verwandte Forschungsarbeiten haben sich auf eine konzeptuelle Vereinheitlichung von Arbeitsbereichen konzentriert, die es beispielsweise erlaubt, digitale Objekte mit dem Finger zwischen horizontalen und vertikalen Arbeitsbereichen zu verschieben. Im Gegensatz dazu geht die vorliegende Arbeit von logisch und räumlich getrennten Bereichen aus: Die horizontale interaktive Oberfläche dient primär zur Eingabe, während die vertikale als Display fungiert. Insbesondere trägt diese Arbeit zu einem Verständnis bei, wie durch eine derartige Auffassung interaktiver Oberflächen komplexe Aufgaben, wie zum Beispiel 3D-Modellierung oder Audiobearbeitung auf neue und gewinnbringende Art und Weise unterstützt werden können. Der wissenschaftliche Beitrag der vorliegenden Arbeit lässt sich in drei Bereiche gliedern: Zunächst werden Fallstudien präsentiert, die anhand konkreter Anwendungen (z.B. Spiele, Musikproduktion, kollaboratives Layout) neuartige Nutzerschnittstellen für Computerarbeitsplätze explorieren und evaluieren, die horizontale und vertikale interaktive Oberflächen miteinander verbinden. Einerseits verdeutlichen diese Fallstudien verschiedene Konflikte, die bei der Anwendung von direkter Toucheingabe an solchen Computerarbeitsplätzen hervorgerufen werden. Andererseits zeigen sie auf, wie der bewusste Verzicht auf etablierte Eingabegeräte zu neuen Toucheingabe-Konzepten führen kann. In einem zweiten Schritt wird das Toolspace-Konzept als Interaktionsmodell für Computerarbeitsplätze vorgestellt, die auf einem Verbund aus horizontaler und vertikaler interaktiver Oberfläche bestehen. Dieses Modell ergibt sich aus den vorangegangenen Fallstudien und wird zusätzlich theoretisch motiviert. Der Toolspace stellt anwendungsspezifische und dynamische Eingabeflächen dar, die durch räumliche Aktivierung und die Unterstützung beidhändiger Multitouch-Eingabe die Eingabebandbreite erhöhen. Diese Idee wird anhand zweier Fallstudien illustriert und evaluiert, die zeigen, dass dadurch ein hohes Maß an Kontrolle und Genauigkeit erreicht sowie ein Gefühl von Direktheit vermittelt wird. Zuletzt werden Studienergebnisse vorgestellt, die Erkenntnisse zum Entwurf von Eingabeflächen im Tool Space liefern, insbesondere zu den Themen beidhändige indirekte Multitouch-Eingabe sowie zum Einfluss von Formfaktoren auf räumliche Kognition und Navigation.