Input devices and their role in HCI

von Thorsten Witt

1. Menschen und Computer

Der Computer ist aus dem Alltag vieler Menschen kaum mehr wegzudenken. Er entwickelte sich in den letzten Jahren zu einem festen Bestandteil vieler Arbeitsabläufe sowohl im Beruf als auch in der Freizeit. Der Umgang mit den Maschinen hat sich im Laufe der Zeit wesentlich vereinfacht, was unter anderem zu einer explosionsartigen Verbreitung der PCs geführt hat. Im Grunde ist jeder, der sich ein bisschen mit der Materie beschäftigt in der Lage einen Computer zu bedienen, ohne ein aufwendiges Studium zu absolvieren. Das war jedoch nicht immer so. Vor einiger Zeit bedeutete die schlichte Berechnung einer Zahl im Computer den entbehrungsreichen Weg über Schalter, Relais Schalter, Lochkarten und schließlich meterlangen Ausdrucken, die Vorreiter der heutigen LCDs und TFTs waren. Außerdem füllten solche Rechenboliden teilweise ein komplettes Einfamilienhaus, was den alltäglichen Gebrauch - vom mobilen Einsatz ganz zu schweigen - mehr als einschränkte. Dennoch stellen diese Verfahren das Fundament für die heutige Rechner-Architektur dar und können als erste Gehversuche der Mensch-Maschine-Interaktionen bezeichnet werden. Was einst mühsam per Lochkarte in den Computer transportiert werden musste, wird heutzutage in einem Bruchteil der Zeit per Maus, Tastatur und benutzerfreundlicher Oberfläche eingegeben. Ich werde nun eine Übersicht gängiger Eingabegeräte geben und im Weiteren deren Bedeutung für die Mensch-Maschine-Interaktion erläutern.

 

2. Moderne Eingabegeräte

Eingaben erfolgen heutzutage vorwiegend mit Maus und Tastatur, in Verbindung mit einem Ausgabegerät, welches Feedback für die getätigten Eingaben liefert. In den meisten Fällen ist dieses Ausgabegerät ein Display, wodurch Benutzer visuell ihre Eingaben überwachen können. Daneben gibt es jedoch zahlreiche weitere Eingabemöglichkeiten, von denen die Gebräuchlichsten im Folgenden kurz erklärt werden.

2.1 Mechanische Eingabegeräte

Mechanische Eingabegeräte nutzen spezielle Bewegungen oder Bewegungsabläufe zur Interaktion zwischen Mensch und Maschine. Nach festgelegten Regeln, lassen sich an solchen Geräten einzelne Komponenten oder ganze Komponentenverbunde bewegen und bestimmen so gewisse Parameter, die Informationen über den Zustand an dem Gerät geben. Ein sehr bekanntes Beispiel hierfür ist die optomechanische Maus. Dabei werden Bewegungen über eine Gummikugel - an der Unterseite - auf Räder an zwei Seiten der Kugel übertragen, die eine Einordnung der Bewegung in einen 2-dimensionalen Raum ermöglichen. Andere Beispiele für mechanische Eingabegeräte sind der Datenhandschuh oder der Datenanzug, bei denen Winkeländerungen in den mechanischen Gelenken erfasst werden können.

2.2 Haptische Eingabegeräte

Haptische Eingabegeräte nutzen den Tastsinn des Menschen zur Kommunikation mit dem Computer. Dabei "erfühlt" der Benutzer welcher Zustand im System vorliegt und kann durch Bewegen oder Drücken des Eingabegerätes diesen Zustand verändern. Solche Methoden kommen beispielsweise bei der Modellierung von 3D-Objekten zum Einsatz, wobei der Benutzer einen Roboterarm greift, der Bewegungen, Geschwindigkeit und Druck an einem daran befestigten Stift abliest und durch Force-Feedback eine Ausgabe an den Benutzer leistet. Ein weiteres Beispiel für ein haptisches Eingabegerät ist die Braille-Zeile. Primär als Ausgabegerät entwickelt, bietet es außerdem die Möglichkeit über spezielle Tasten Befehle an den Computer zu geben und öffnet sehbehinderten den Zugang zur computergestützten Arbeit.

2.3 Optische Eingabegeräte

Optische Eingabegeräte bedienen sich der physikalischen Eigenschaften von Licht. Dabei sendet das Eingabegerät einen Lichtstrahl einer bestimmten Wellenlänge aus, das beispielsweise bei der optischen Maus zur Überprüfung der Beschaffenheit von Oberflächen genutzt wird. Dabei wird die Reflexion des Lichtes von der Oberfläche mittels einer Minikamera aufgezeichnet und von einem speziellen Maus-Chip interpretiert, wodurch Bewegung erfasst werden kann. Bei Zeigegeräten hingegen wird ein LED von zwei Lichtempfängern registriert und kann somit eindeutig in ein 2-dimensionales Raster - beispielsweise ein Display - eingeordnet werden (vgl. Trackingverfahren).

2.4 Spracheingaben

Spracheingaben erfreuen sich aufgrund mangelnder Performanz bisher zwar noch nicht allzu großer Beliebtheit, haben durch die eingängige Steuerung jedoch ein hohes Potential, da es nicht nötig ist den Umgang mit einem Gerät zu erlernen. Dies sollte vor allem sehbehinderten oder gelähmten Nutzern zu Gute kommen. Das Hauptproblem stellt die Spracherkennungssoftware, in der man die eindeutige Sinnerfassung von Betonungen sehr schwer implementieren kann.

2.5 Biometrische Eingaben

Biometrische Merkmale eignen sich besonders zur Identifikation von Personen, da Diese in allen Fällen einzigartig sind. Im Grunde ist jedes Körperteil des Menschen zu seiner Identifikation geeignet. Spezielle Geräte, die in diesem Fall ebenfalls Eingabegeräte darstellen, lesen die körpereigenen Merkmale und werten diese aus. Beipiele hierfür sind der Fingerabdruckleser, den man bereits mit einigen Notebooks verkauft, oder auch Retinascanner, die eine Identifikation über die Augen ermöglichen. Weitere denkbare Identifikationstechniken über die biometrischen Merkmale des Menschen sind z.B. Stimmenerkennung oder der genetische Fingerabdruck, für den bereits kleinste Hautpartikel oder Haarschuppen zur Identifikation ausreichen. Diese Methode wird bereits seit einigen Jahren in der Kriminalistik erfolgreich eingesetzt.

2.6 Trackingverfahren

Tracking kommt überall dort zum Einsatz, wo die Position eines bestimmten Objektes ermittelt werden soll. Beim optischen Tracking werden an dem zu ortenden Objekt kleine Infrarotkameras angebracht, welche Infrarotdioden, die in der Umgebung des Objektes angebracht sind, lokalisieren können. Beim elektromagnetischen Tracking hingegen erzeugen Spulen ein magnetisches Feld, welches dem Objekt als Grundlage zur Positionsbestimmung dient. Ein weiteres Verfahren ist das Ultraschalltracking. Dabei werden in kurzen Abständen Ultraschallsignale ausgesendet, die von Mikrofonen empfangen werden können und dadurch Aufschluss über die Position geben. Daneben gibt es noch weitere Verfahren, unter anderem auch das weit verbreitete satellitenbasierte Tracking welches die Navigation mittels GPS auf der Straße ermöglicht.

 

3. Die Rolle der Eingabegeräte für die Interaktion zwischen Mensch und Maschine

Die Rolle der Eingabegeräte für die Interaktion zwischen Mensch und Maschine ist klar definiert. Für das Gefüge Maschine-Mensch sind Eingabegeräte unabdingbar, denn Sie dienen den beteiligten Parteien als logische Schnittstelle zur Kommunikation. Ohne diese Schnittstelle ist eine Kommunikation zwischen Mensch und Maschine unmöglich. Ein Computer dem man keine Befehle erteilen kann ist für den Menschen, der mit ihm und seinen Funktionen arbeiten möchte, nutzlos. Die Notwendigkeit für Eingabegeräte ergibt sich aus der Anatomie des Menschen gegenüber der der Maschine. Der grundsätzlich verschiedene Aufbau in Gestalt und Sensorik verbieten eine direkte Kommunikation. Der Mensch ist ebenso wenig in der Lage binäre Signale zu verarbeiten wie der Computer analoge, worin die Notwendigkeit für Eingabegeräte begründet liegt. Vom Menschen erzeugte Codierungen ermöglichen die Konversion von binär nach analog und umgekehrt, was die Basis für alle Eingabegeräte bildet.

 

4. Die Zukunft der Mensch-Maschine-Interaktion

Die Entwicklung neuer, intuitiver Eingabetechniken ist von großem Interesse für die aktuelle Forschung. Viele Menschen sind aufgrund Behinderungen im Umgang mit Computern stark benachteiligt oder teilweise sogar komplett von der Nutzung ausgeschlossen. Mit Hilfe neuer Eingabegeräte können diese Nutzergruppen in ihrer Arbeit mit der Maschine unterstützt werden. Ein weiteres Ziel ist die Verschmelzung der Komponenten mit ihrer Umgebung. In Zukunft werden Eingaben auf eine immer passivere Art und Weise geschehen. Anstatt aktiv Eingaben über eine Tastatur zu geben, werden Sensoren, die in der Umgebung des Benutzers angebracht sind, aus dessen Verhalten, Gestik, Mimik und Sprache Eingaben interpretieren. Ein Beispiel für dieses Szenario ist das vernetzte Haus. Die Elektronik dieses Hauses ist stets über alle Vorgänge am und im Haus informiert, da jede Aktion des Bewohners von Sensoren - in Zimmerdecke, Türgriff und anderen Orten und Interaktionsobjekten - aufgezeichnet werden. Befehle können dem System per Spracheingabe erteilt werden, etwa der Aktivierung des Ofens oder des Aufbaus einer Telefonverbindung. Dabei integrieren sich diese Komponenten - für den Benutzer unsichtbar - in ein System, in dem alle Haushalts-, Unterhaltungs- und Arbeitsgeräte des Hauses miteinander verbunden sind. Die Steuerung der Abläufe und die Interpretation der Eingaben der Bewohner übernimmt dabei eine zentrale Instanz. Ein anderes aktives Forschungsfeld ist die Eingabe über Gedanken. Dabei steuert der Benutzer seinen Computer dadurch, dass er an bestimmte Dinge denkt. Spezielle Geräte, die am Kopf des Nutzers befestigt sind, lesen dessen Hirnströme (EEG) und können aus diesen Informationen Eingaben für das System interpretieren.

Wie man sieht, steuert die Entwicklung der Mensch-Maschine-Interaktion in eine Richtung, wie man sie bereits aus fiktionaler Literatur und Filmen kennt. Maschinen passen sich "unsichtbar" in die Umgebung des Menschen ein und helfen Diesem bei diversen Aktivitäten. Dieser Trend befindet sich momentan jedoch noch in der Entwicklung und wird vorraussichtlich erst in der nahen Zukunft alltagstaugliche Geräte hervorbringen.

 

5. Referenzen

Dix, A., Finlay, J., Abowd, G., Beale, R. Human-Computer Interaction. Pearson Education Limited. 2004.

Robert J. K. Jacob, The use of eye movements in human-computer interaction techniques: What you look at is what you get

Robert J. K. Jacob, Human-computer interaction: input devices

Robert J. K. Jacob, The Future of Input Devices

http://www.sensable.com/