Laserpointer-Kamera-System mit hoher Zeigeeffektivität und -effizienz

Technische Universit ¨ at Dresden

Fakult ¨ at f ¨ ur Informatik

Institut f¨ ur Angewandte Informatik

Professur Mensch-Maschine-Kommunikation

Diplomarbeit

Laserpointer-Kamera-System mit hoher

Zeigeeffektivit¨ at und -effizienz

Mario Pilz

Erlangen des akademischen Grades

Diplomingenieur

Tag der Anmeldung: 05. Mai 2005 Tag der Abgabe: 02. Dezember 2005

Quelltextverzeichnis

B.1 Erg¨ anzungen der OpenCV-Bibliothek: highgui.h . . . . . . . . . . . . 95

B.2 Erg¨ anzungen der OpenCV-Bibliothek: cvcap.cpp . . . . . . . . . . . . 95

B.3 Entstehung der Funktion iTransformCoordinates() aus einem Kom- der OpenCV-Funktion ” cvWarpPerspectiveQMatrix“ . . . . . 97

B.4 Erstellen der ” score map“ S f¨ ur die anschließende Lokalisierung des Laserpunktes: iLASERRECOGNITION.cpp . . . . . . . . . . . . . . 97

B.5 Lokalisierung des Laserpunktes in der ” score map“ S: iLASERRECO-GNITION.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

B.6 Funktionen f¨ ur das Einrichten und den Zugriff auf einen gemeinsamen Prozess-Speicher: iMISC.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

B.7 Kontextextraktion am Beispiel des Toolbar-Controls: iWINDOWS.cpp 101

B.8 Eine Funktion zum Ermitteln des Handles des aktuellen Mauszeigers: iPOINTER.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

B.9 Eine Funktion zum Ersetzen der Windows-Mauszeiger mit einem trans- parenten Cursor: iPOINTER.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

1. Einleitung

im Lehrbereich dienen sie, im Zusammenspiel mit Projektionsfl¨ achen, als performante Zeigeinstrumente. Unter Einwirkung technologischer Innovationen der modernen Rechentechnik erschliessen sich den Laserpointern auch in diesem nichtindustriellen Kontext zunehmend neue Einsatzm¨ oglichkeiten. Bisher besch¨ aftigten sich bereits zahlreiche Forschungsunternehmungen mit den M¨ oglichkeiten den Funktionsumfang der Laserpointer vom bloßen Zeigeinstrument zum Werkzeug komplexer Mensch-Maschine-Interaktion zu erweitern. Die bis dato durchgef¨ uhrten Untersuchungen zielten in der Regel auf den Einsatz von Laserpointern als drahtlosen Computermausersatz ab. Hierbei werden die Reflektionen des Laserstrahls auf einer Projektionsfl¨ ache von Kameras aufgenommen und die Zeigehandlungen mit Hilfe gestenerkennender Software in Steuersignale f¨ ur Computer umgewandelt. Die Motivationen f¨ ur den Einsatz von Laserpointern als Computereingabeger¨ at sind vielf¨ altig. Zum einen stellt das Zeigen mit Hilfe von Laserlicht eine sehr direkte und effiziente Form der Interaktion mit Projektionsfl¨ achen dar. Zum anderen sind notwendige Hardwarekomponenten wie Projektoren und Kameras heute bereits in vielen Pr¨ asentations- und Lehrr¨ aumen vorhanden. Der Wunsch liegt nahe, Laserpointer in geeignete Schnittstellen der Mensch-Computer-Interaktion zu integrieren und von den schnellen Zeigehandlungen zu profitieren. Eine weitere Motivation stellt der Einsatz von Laserpointern in kollaborativen Umgebungen dar. Zahlreiche Forschungsgruppen implementierten bereits Laserpointer-Kamera-Systeme (LPKS) mit dem Fokus auf ” Single Display Groupware“. Es wird hierbei untersucht, inwieweit der simultane Einsatz mehrerer Laserpointer bei Verwendung eines einzigen Bildschirms der Gruppenarbeit zutr¨ aglich ist.

Die bereits existierenden LPKS werden in der Praxis durchweg von Problemen wie dem des Handzitterns (engl. ” hand jitter“) in ihrer Leistungsf¨ ahigkeit beeintr¨ achtigt und dadurch in ihrer Gebrauchstauglichkeit eingeschr¨ ankt. Es ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, die Leistungsf¨ ahigkeit von LPKS in dem vorgestellten Nutzungskontext zu verbessern. Unter Verwendung aufwandsarmer Hardware sollen die Gr¨ oßen Zeigeeffektivit¨ at und -effizienz gegen¨ uber bestehenden L¨ osungen deutlich gesteigert werden. Das zu entwickelnde LPKS soll prinzipiell geeignet sein, eine Computermaus

nicht vorausgesetzt, sie sollten aber zumindest durchschnittlich ausgepr¨ agt sein.

Diese Diplomarbeit besch¨ aftigt sich zun¨ achst mit den Begriffen Zeigeeffektivit¨ at und -effizienz, sowie einer M¨ oglichkeit diese quantitativ zu beurteilen. Im Anschluss wird der aktuelle Stand von LPKS vorgestellt und kritisch bewertet. Es wird ein Konzept zur Verwirklichung der oben genannten Zielstellung vorgestellt und die Schritte zur technischen Umsetzung eines neuen LPKS dokumentiert. Abschließend folgt die Analyse und Bewertung der Leistungsf¨ ahigkeit des entwickelten Systems.

2.1 Zeigeeffektivit¨ at und Zeigeeffizienz

Umsetzung sowie dem Vergleich von Ideen die Interaktion auf der Basis von Laserpointer-Kamera-Systemen effizient und effektiv zu gestalten. Insofern ist es angebracht, die Bedeutung der Begriffe ” Effektivit¨ at“ und ” Effizienz“ in Bezug auf LPKS n¨ aher zu beleuchten sowie M¨ oglichkeiten zu ihrer quantitativen Bestimmung aufzuzeigen.

Effektivit¨ at und Effizienz sind eng miteinander verkn¨ upft. Die Effektivit¨ at bezeichnet das Verh¨ altnis von einem erreichten Ziel zu einem definierten Ziel. Demnach ist ein Verhalten effektiv, wenn es ein vorgegebenes Ziel erreicht. Ein Verhalten ist wenig effektiv, wenn das Ziel nicht oder nur teilweise erreicht wird. Darauf aufbauend bezeichnet das Effizienzkriterium das Verh¨ altnis des zur Zielerreichung notwendigen Aufwands zum definierten Nutzen des Verhaltens. Ein Verhalten wird also dann als effizient bezeichnet, wenn es sowohl tats¨ achlich zur Erreichung des Nutzens f¨ uhrt (Effektivit¨ at) als auch den daf¨ ur notwendigen Aufwand m¨ oglichst gering h¨ alt.

Die Recherche nach geeigneten Methoden zur quantitativen Bestimmung der Gr¨ o- Zeigeeffizienz und Zeigeeffektivit¨ at f¨ uhrt aufgrund zahlreicher Verweise in der Fachliteratur, wie [Miik01], [Sara99], [I. S01], [I. S03] und [Zhai04], unweigerlich zur europ¨ aischen ” Norm EN ISO 9241-9:2000, Ergonomische Anforderungen f¨ ur B¨ urot¨ atigkeiten mit Bildschirmger¨ aten, Teil 9: Anforderungen an Eingabemittel - ausgenommen Tastaturen“ [ISO9].

Die Anwendbarkeit der ISO-Norm 9241-9 auf Laserpointer als Eingabeger¨ ate ist bedingt gegeben. Die Norm bezieht sich in Kapitel 1 ” Anwendungsbereich“ auf ergonomisch hinreichend gut erforschte Eingabemittel und benennt diese:

nur Ger¨ ate ein, f¨ ur die in ausreichendem Maße ergonomische Erkennt- nisse vorliegen. Dieser Teil von ISO 9241 gilt f¨ ur mehrere Arten von

gibt auf ergonomischen Faktoren basierende Anleitung f¨ ur folgende Eingabemittel: M¨ ause, Pucks, Joysticks, Rollkugeln, Tabletts und Overlays, Ber¨ uhrungsbildschirme (Touchscreens), Griffel und Lichtstifte. Er gibt Anleitung f¨ ur die Gestaltung dieser Ger¨ ate, die f¨ ur typische B¨ uroaufgaben genutzt werden, so dass die Leistungsgrenzen und F¨ ahigkeiten der Benutzer ber¨ ucksichtigt werden. Dieser Teil von ISO 9241 sieht Verfahren zur Ermittlung der Konformit¨ at durch Beobachtung und durch Messung der physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Ger¨ ate vor.“

den Laserpointern am ¨ ahnlichsten. Lichtstifte sind stiftf¨ ormige, kabelgebundene Computereingabeger¨ ate. Sie werden ¨ uber den Bildschirm gef¨ uhrt und registrieren die Helligkeit sowie die Position von Bildpunkten. Sie lassen sich daher wie ein Plastikstift auf einem Touchscreen bedienen. Da Lichtstifte und Stifte zur Bedienung von Touchscreens direkt auf der Bildoberfl¨ ache gef¨ uhrt werden, erm¨ oglichen sie auf Anhieb eine exakte Positionierung des Cursors. Nutzer eines Laserpointers k¨ onnen hingegen die gew¨ unschten Bildschirmkoordinaten aus gr¨ oßerer Entfernung zur Projektionsoberfl¨ ache praktisch nur durch Nachf¨ uhren des Eingabeger¨ ates erreichen. Zudem erscheinen Bildschirminhalte f¨ ur Nutzer eines LPKS aus gr¨ oßerer Entfernung zur Bildfl¨ ache zunehmend kleiner. Dennoch k¨ onnen Laserpointer nichtzuletzt aufgrund ihrer Form und des optischen Funktionsprinzips zumindest im entfernten Sinne den Lichtstiften zugeordnet werden. Wie die Beitr¨ age [Ji-Y02], [Brad02] und [Dunc02] wird auch diese Diplomarbeit sich zur Evaluierung der Leistungsf¨ ahigkeit von LPKS auf die ISO-Norm 9241-9 st¨ utzen.

Die ISO-Norm 9241-9 f¨ uhrt in Kapitel 6 die Gestaltungsanforderung ” Durchsatz“ ein:

der Aufgabengenauigkeit, f¨ ur den das Ger¨ at vorgesehen ist, den in Tabelle 2.1 angegebenen Durchsatz erzielen k¨ onnen.“

der aufgegriffen und letztendlich als die Metrik zur Evaluation von Zeigeeffektivit¨ at

2.1. Zeigeeffektivit¨ at und Zeigeeffizienz 5

Tabelle 2.1: Beispiele f¨ ur den Durchsatz von Eingabeger¨ aten, die durch unterschied- Extremit¨ aten gesteuert werden nach [ISO9].

Metrik zur Bewertung von Zeigeger¨ aten (siehe Formel 2.1). Er vereint sowohl Zeigegeschwindigkeit als auch Zeigegenauigkeit in einem einzigen Wert und wird in Bits/s angegeben.

Die Bewegungszeit MT ist die Dauer vom Beginn einer Zeigehandlung bis zu ihrem

Ende. Unter ID e ist der effektive Schwierigkeitsindex ( Index of difficulty“) zu ver”

stehen. Er ist ein Maß f¨ ur die Zeigegenauigkeit, die dem Nutzer zu Durchf¨ uhrung einer Zeigehandlung abverlangt wird. ID e wird in bits angegeben und berechnet sich wie folgt:

D bezeichnet die Distanz vom Beginn einer Zeigehandlung bis zu ihrem definierten Ziel. W e ist die effektive Ausdehnung des Zielobjektes entlang der Bewegungsachse:

SD x ist die Standartabweichung der Zielkoordinaten, wiederum gemessen entlang der Bewegungsachse. Somit ist W e ein Maß f¨ ur die Pr¨ azision der durchgef¨ uhrten Zeigehandlungen.

Wie aus Formel 2.1 ersichtlich, stehen Schwierigkeitsindex und Bewegungsdauer in einem linearen Zusammenhang. In Abbildung 2.1 ist ID e ¨ uber MT aufgetragen. Der Anstieg der Geraden entspricht dem Durchsatz T P .

¨ Uber dem Schwierigkeitsindex ID e definiert die ISO-Norm 9241-9 des Weiteren die ” Aufgabengenauigkeit“. Sie ist ein Maß f¨ ur die Genauigkeit, die f¨ ur Zeige-,

nach ISO-Norm 9241-9 (Achsenbeschriftungen wurde erg¨ anzt).

quantifiziert wird.

Die Aufgabengenauigkeit kann demnach in drei Genauigkeitsstufen klassifiziert wer-

• mittel: bei einem Schwierigkeitsindex gr¨ oßer als 4 und kleiner oder gleich 6,

• hoch: bei einem Schwierigkeitsindex gr¨ oßer als 6.

Zeigeeffizienz und Durchsatz geht die Vorschrift nicht weiter ein. Es ist jedoch offensichtlich, dass der Durchsatz die Gr¨ oßen Effektivit¨ at und Effizienz in sich vereint. Sowohl Zeigeeffektivit¨ at als auch Zeigeeffizienz skalieren mit dem Durchsatz.

Der Ursprung der Metrik des Durchsatzes liegt im Fitts’schen Gesetz aus dem Jahr 1954, ver¨ offentlicht von Paul Fitts. Es besagt, dass die Dauer einer Zeigehandlung um ein Ziel zu erreichen eine lineare Funktion (Formel 2.4) ist, die von der Distanz zum Ziel und der Gr¨ oße des Ziels abh¨ angig ist. Das Fitts’sche Gesetz ist somit als ein Model menschlicher psychomotorischer F¨ ahigkeiten zu betrachten.

2.1. Zeigeeffektivit¨ at und Zeigeeffizienz 7

Der Anstieg b bestimmt wie stark die Bewegungszeit MT mit dem Schwierigkeits- ID skaliert. Die Verschiebung a kann interpretiert werden als eine konstante Verz¨ ogerung, verursacht etwa durch die Zeit die ein Mensch ben¨ otigt um eine Taste an seinem Zeigeger¨ at zu dr¨ ucken. a und b m¨ ussen experimentell bestimmt werden. ID ist hier der (nicht effektive) Schwierigkeitsindex und wird wie folgt berechnet:

W ist die Ausdehnung des Zielobjektes entlang der Bewegungsachse und D nach wie vor die Distanz vom Beginn einer Zeigehandlung bis zu ihrem definierten Ziel.

Der mathematische Zusammenhang zwischen dem Fitts’schen Gesetz 2.4 und der Berechnungsvorschrift 2.1 nach der ISO-Norm 9241-9 gestaltet sich einfach: Die Gleichung 2.4 geht f¨ ur b = ¹ und a = 0, sowie Umstellen nach T P in die Gleichung 2.1

T P

uber. ¨

Es l¨ asst sich trefflich streiten, inwiefern es sinnvoll ist, die Verz¨ ogerung a allgemein Null zu setzen und somit die Regressionsgleichung 2.4 zu ¹ = ID = T p zu vereinfa- b MT

chen.

Der sehr aufschlussreiche Artikel [Zhai04] von Shumin Zhai stellt daher die Ausle- des Fitts’schen Gesetzes in der ISO-Norm 9241-9 in Frage und pr¨ asentiert eine ¨ Ubersicht ¨ uber die teilweise verwirrende Vielfalt von unterschiedlichen Auslegungen der Fitts’schen Rechenvorschrift.

Der viel zitierte I. Scott MacKenzie bereichert diese Diskussion in seinem Beitrag [I. S01] außerordentlich, indem er die Division von ID e durch MT in der Formel 2.1 zu einer Division von Mittelwerten erkl¨ art:

means, not from the slope reciprocal in a regression model.

melm¨ aßig fest:

Bei Betrachtung der Berechnungsvorschrift f¨ ur den Schwierigkeitsindex ID nach For- 2.5 wird ersichtlich, dass die Durchsatzmetrik auf die Laserpointer-Interaktion nicht vorbereitet ist. Aufgrund der Distanz r des LPKS-Nutzers zur Bildoberfl¨ ache erscheinen ihm sowohl D als auch W mit zunehmendem Abstand kleiner. Bedienelemente pr¨ asentieren sich dem Betrachter also unter einem kleineren Raumwinkel [Wiki05c] . Durch eine Verringerung des Raumwinkels nimmt die dem Nutzer abverlangte Zeigegenauigkeit zu. Aufgrund der begrenzten menschlichen visuellen und psychomotorischen F¨ ahigkeiten sinkt der Durchsatz, da die Quote der nicht zum Ziel f¨ uhrenden Zeigehandlungen und somit die Bewegungszeit MT ansteigen. Da D und W aber gleichermaßen mit dem Abstand r skalieren, bleibt der Schwierigkeitsindex ID unver¨ andert. Bei Verwendung des effektiven Schwierigkeitsindex ID e nach Formel 2.2 kann es mit zunehmendem r zu einer wachsenden effektiven Ausdehnung W e kommen. In diesem Fall sinkt der Schwierigkeitsindex paradoxerweise mit zunehmender Entfernung des Nutzers zur Bildoberfl¨ ache. Um das in der vorliegenden Diplomarbeit entwickelte LPKS quantitativ zu evaluieren, wird die Formel 2.7 zur Berechnung des Durchsatzes herangezogen. Zur Gew¨ ahrleistung der Eindeutigkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse werden außerdem stets die Parameter a und b sowie der Abstand r zwischen Laserpointer und Bildfl¨ ache angegeben.

1

T P = (2.7)

b

Die ISO-Norm 9241-9 informiert in ihrem Anhang B ¨ uber m¨ ogliche einheitliche Versuchsanordnungen zur Ermittlung des Durchsatzes von Eingabemitteln. Drei von diesen Anordnungen werden an dieser Stelle kurz vorgestellt:

Die ” Antick-Aufgabe in einer Richtung“ (Abbildung 2.2) dient zur Bewertung von Zeigebewegungen entlang einer Achse, wie etwa zum Ausw¨ ahlen von Informationen in Spalten und Reihen. Zwei Rechtecke der Breite W und einem Mitte-zu-Mitte-Abstand D sollen vom Benutzer 25-mal abwechselnd, m¨ oglichst schnell und pr¨ azise angeklickt werden. Der Test beginnt, sobald der Benutzer den Zeiger das erste Mal in ein Rechteck bewegt und die Schaltfl¨ ache bet¨ atigt hat. Die Auswahl des Zielobjekts kann entweder manuell durchgef¨ uhrt werden (z.B. durch Bet¨ atigen einer Taste) oder automatisch erfolgen (z.B. durch eine systemseitige Erkennung des Zeigers innerhalb

2.1. Zeigeeffektivit¨ at und Zeigeeffizienz 9

ver¨ andert werden, so dass der effektive Schwierigkeitsindex Werte von 1 bis 6 Bit annimmt.

Der ” Spurfolge-Test in einer Richtung“ (Abbildung 2.3) wird angewendet zur Bewertung der Aufgabe ” Folgen eines Pfades zwischen zwei Punkten“, wie etwa dem Ziehen eines Objekts.

Die Aufgabe besteht darin, ein Objekt (z.B. einen Kreis) der Breite B zwischen zwei parallelen Linien der L¨ ange D und dem Abstand K, ohne Ber¨ uhrung der Begrenzungslinien, zu bewegen. Ber¨ uhrt das Objekt eine Begrenzungslinie, wird der Versuch abgebrochen und muss neu begonnen werden. Die ben¨ otigte Zeit um das Objekt erfolgreich von einem Ende der Spur zum anderen zu bewegen, wird aufgezeichnet. Schwierigkeitsindex und effektiver Schwierigkeitsindex werden hier nach den Formeln 2.8 bzw. 2.9 berechnet.

Die ” Multidirektionale Antick-Aufgabe“ (Abbildung 2.4) kann angewendet werden, zur Bewertung einer Zeige-Bewegung in verschiedenen Richtungen, wie etwa zum Ausw¨ ahlen verstreut angeordneter Icons. Die Versuchsperson wird aufgefordert, den

Zeiger quer ¨ uber einen Kreis zu fortlaufend nummerierten Zielobjekten zu bewegen. Die Zielobjekte werden so angeordnet, dass die Bewegungen in etwa dem Durchmesser des Kreises entsprechen. Die Zielobjekte, zu denen der Benutzer vorr¨ ucken sollte, werden optisch hervorgehoben. Der Test beginnt, wenn die Versuchsperson auf das oberste Zielobjekt zeigt, und endet, wenn der Nutzer wieder am obersten Zielobjekt angelangt ist.

Abschließend zum Kapitel ” Zeigeeffektivit¨ at und Zeigeeffizienz“ noch einige Anmerkungen zur Bedeutung der Durchsatz-Metrik im Kontext der LPKS. Der Durchsatz T P ist eine elementare Gr¨ oße, da er sich auf elementare Zeigehandlungen bezieht. Eine Verallgemeinerung auf die Gesamtheit der komplexen Zeigehandlungen

2.1. Zeigeeffektivit¨ at und Zeigeeffizienz 11

und Anwendungssoftware aber entscheidenden Einfluss auf die produktive Eingabeleistung des Anwenders aus¨ uben, ist der Durchsatz eines Eingabeger¨ ates allein bez¨ uglich der letztendlichen Bedienbarkeit eines Computersystems nicht aussagekr¨ aftig. Auch der Fragenkatalog zur Ermittlung der Benutzerzufriedenheit im Anhang C der ISO-Norm 9241-9 zielt explizit auf Eingabeger¨ ate, nicht jedoch auf die Gesamtheit der Interaktionsschnittstelle, bestehend aus Hardware und Software. WIMP-Schnittstellen ¹ sind geradezu auf Computerm¨ ause und damit auf die Point & Click“ ² -Interaktion zugeschnitten: Zeiger m¨ ussen sehr genau ¨ uber graphi-

schen Bedienelementen positioniert und gehalten werden. Klicks und Doppelklicks m¨ ussen ausgel¨ ost werden. Die derart segmentierte ” Point & Click“-Interaktion widerstrebt der stiftbasierten Interaktion, da diese eine fließende und strichbasierte Eingabe bevorzugt. Die Antick-Aufgaben der ISO-Norm 9241-9 setzen aber gerade diese segmentierte Interaktion voraus. Strichbasierte Eingaben k¨ onnen senkrecht zur Bewegungsachse eine ungleich h¨ ohere Zeigegenauigkeit erreichen als bei Bewegungen entlang der Bewegungsachse. Die Spurfolge-Tests der ISO-Norm 9241-9 sind daher besser geeignet die Leistungsf¨ ahigkeit von stiftbasierten Eingabeger¨ aten zu evaluieren.

Das folgende Kapitel 2.2 gew¨ ahrt nun einen Einblick in den aktuellen Stand der Forschung zu LPKS.

2.2 Bisherige Beitr¨ age zu LPKS

stets aus den Komponenten Laserpointer, wenigstens einer Kamera, einer Projektions߬ ache, mindestens einem Projektor sowie einem oder mehreren Computern (siehe Abbildung 2.5).

2.2. Bisherige Beitr¨ age zu LPKS 13

m¨ oglichst kosteng¨ unstige und vollst¨ andige Umgebung zur Interaktion mit großen Projektionsfl¨ achen zu schaffen. Angelehnt an die g¨ angige Praxis von Gruppenmeetings, soll es mehreren Personen erm¨ oglicht werden, nacheinander in Wechselwirkung mit einer Projektionsfl¨ ache zu treten. Zum Einsatz kommen ein roter Laserpointer zum Preis von etwa $15, ein Projektor mit der Aufl¨ osung 1024x768 und eine Kamera ( WebCam“) zum Preis von $500. Die Frage, wodurch sich der verh¨ altnism¨ aßig

”

hohe Preis f¨ ur die verwendete Kamera begr¨ undet und sich mit der Zielsetzung ein besonders kosteng¨ unstiges System zu entwerfen vereinbaren l¨ asst, wird von diesem Artikel nicht beantwortet. Die Kamera liefert nur etwa 7 Bilder pro Sekunde (fps), praktischerweise ¨ uber das Netzwerkprotokoll TCP/IP. Dadurch ist es m¨ oglich die Kamera unabh¨ angig von einem Rechner frei im Raum zu installieren. Die Laserpunkterkennung erfolgt durch die Suche nach dem hellsten Punkt im aufgenommenen Bild. Wird kein Punkt mit besonders hoher Intensit¨ at gefunden, so kommt ein Faltungsfilter zum Einsatz. Der Faltungsfilter wird zun¨ achst in einem Fenster um die letzten erkannten Koordinaten des Laserpunktes herum appliziert. Bei Misserfolg wird das Fenster vergr¨ oßert. Die automatische Helligkeitssteuerung von Kameras neigt dazu, sich auf eine Fl¨ ache bzw. einen Mittelwert der Intensit¨ at im Bild zu kalibrieren. Das f¨ uhrt dazu, dass der Laserpunkt sich in seiner maximalen Intensit¨ at von anderen hellen Punkten im Bild nicht mehr unterscheidet. Dieser Effekt wird mit ” Saturation“ bezeichnet. Folglich wurde entschieden, die automatische Helligkeitsregulierung abzuschalten und diese manuell einzustellen. Die Helligkeit wird im g¨ unstigsten Fall soweit herabreguliert bis ausschließlich der Laserpunkt sichtbar bleibt. Die maximale Aufl¨ osung der Kamera wird nicht explizit genannt. Der Artikel berichtet allerdings von Fehldetektionen des Laserpunktes, verursacht durch eine zu geringe Aufl¨ osung der Kamera. Als L¨ osung wird vorgeschlagen, den Zustand des Lasers (sichtbar und nicht sichtbar) gemittelt ¨ uber 5 aufeinanderfolgende Bilder zu detektieren. Der durch Projektor und Kamera verursachten Bildverzerrung wird durch einen Rektifizierungsalgorithmus entgegengewirkt. Dieser Algorithmus wird vorab kalibriert durch die Auswertung der Positionen von 25 projizierten Punkten.

Das implementierte Erkennungsmodul zur Auswertung von Zeigehandlungen kennt f¨ unf Zust¨ ande des Laserpunktes bzw. Ereignisse, die sich davon ableiten lassen:

1. LaserOn(X,Y): Der Laserpunkt konnte an der Position (X,Y) lokalisiert wer- den.

2. LaserOff(X,Y): Der Laserpunkt konnte nicht lokalisiert werden. Die letzten ermittelten Koordinaten des Laserpunktes waren (X,Y).

3. LaserExtendedOff(X,Y): Der Laserpunkt konnte innerhalb einer definierten Zeitspanne nicht lokalisiert werden. Die letzten ermittelten Koordinaten des Laserpunktes waren (X,Y).

4. LaserMove(X,Y): Der Laserpunkt wurde lokalisiert und hat seine Position ge- andert. Die aktuellen Koordinaten sind (X,Y).

5. LaserDwell(X,Y): Der Laserpunkt wurde an der Position (X,Y) lokalisiert. Die Koordinaten haben sich innerhalb einer definierten Zeitspanne T Dwell ( dwell

”

time“) in einem Toleranzbereich (Dwell-Bereich) bewegt bzw. der Laserpunkt hat in seiner Fortbewegung eine definierte Geschwindigkeit nicht ¨ uberschritten (siehe Abbildung 2.6).

Basierend auf dem Betriebssystem Linux kommt die XWeb Umgebung zum Einsatz. XWeb erm¨ oglicht das Erstellen von graphischen Nutzerschnittstellen , bestehend aus informationsabh¨ angigen graphischen Interaktoren ( Widgets“). Diese Widgets sind

”

in ihrem ¨ Außeren und ihrer Bedienung auf die jeweils zu manipulierende Information zugeschnitten. Unter anderem wurden folgende Interaktoren implementiert: Button,

2.2. Bisherige Beitr¨ age zu LPKS 15

durch die sequentielle Abfolge der Ereignisse LaserDwell(X,Y) und LaserOff(X,Y). Die Eingabe in ein Textfeld erfolgt wahlweise mittels ” Graffiti“-Handschrifterkennung oder per Spracherkennung durch den ” XWeb speech client“. Felder zur Eingabe von Zahlen wurden so gestaltet, dass zus¨ atzlich zu dem aktuellen Zahlenwert angrenzende Zahlenwerte ¨ uber ein zus¨ atzliches Menu zur Auswahl eingeblendet werden. So kann die Eingabe von Daten beschleunigt werden. Interaktoren, die den Fokus zur Eingabe erhalten, geben dem Nutzer ein Selektionsecho indem sie deutlich sichtbar umrandet werden. Weiterhin signalisieren verschiedene Cursor den aktuellen Zustand der Nutzereingabe (Texteingabe, Dwell, Scrolling, u.a.). Es werden erhebliche Latenzen, verursacht durch die Laserpunkterkennung, dokumentiert. Sie st¨ oren den Interaktionsprozess nachhaltig. So vergehen bis zu 200 ms f¨ ur eine einzige Positionsbestimmung des Laserpunktes. Die prinzipielle Erkennungsrate des Laserpunktes sei aber besser als die Erkennungsrate des LPKS in [Cars98]. Besserung versprechen sich die Autoren durch die Verwendung einer h¨ oher aufl¨ osenden und schnelleren Kamera. Angesichts der genannten Latenz von 200 ms, welche das System praktisch unbedienbar machen m¨ ussen, sollten die Autoren besser in schnellere Algorithmen und modernere Rechentechnik investieren! Die Autoren Olsen und Nielsen halten fest, dass die Ereignisse LaserOn und LaserOff einer effektiven Interaktion nur bedingt n¨ utzlich sind. Wird der Laserpointer direkt auf die Projektionsfl¨ ache gerichtet und dann eingeschaltet, so ist f¨ ur den Menschen nicht exakt absehbar an welcher Position der Laserpunkt auftauchen wird. Bedingt durch das Zittern der menschlichen Hand, welche das Eingabeger¨ at h¨ alt, ist die Position an der der Laserpunkt nach dem Ausschalten des Lasers verschwindet ebenfalls einem großen Fehler unterworfen. In einem Test ben¨ otigen Nutzer unter Verwendung des LPKS wesentlich mehr Zeit (215 s) zur L¨ osung einer vorgegebenen komplexen Aufgabe als die Nutzer einer Computermaus (90 s). Die Aufgabe bestand darin, eine in Software simulierte, programmierbare Rasensprenkleranlage zu bedienen. Mangels Reproduzierbarkeit ist dieser Test f¨ ur die vorliegende Diplomarbeit unbrauchbar.

gleichzeitigen Einsatz mehrerer Laserpointer und siedelt sich im Umfeld der ” collaborative groupware“ an. Der Artikel bewertet die Eingabeger¨ ate Computermaus und Tastatur in diesem Kontext als untauglich, wenn es um die direkte Manipulation von Bildschirminhalten geht. Um die Identit¨ at der einzelnen Interaktionsteilnehmer feststellen zu k¨ onnen, wird das Licht der Laserpointer moduliert (Pulsco-

bewerkstelligt. Praktisch gesehen, werden also unterschiedlich blinkende Laserpointer verwendet. Weiterhin sind an jedem Pointer Tasten angebracht, welche drahtlos mit dem Computer kommunizieren k¨ onnen. Die Bildrate der verwendeten Kamera betr¨ agt 30 fps. Bei zweifacher ¨ Uberabtastung ( Oversampling“) betr¨ agt die

”

Blinkrate der Laserpointer also etwa 15 Lichtimpulse pro Sekunde. Zus¨ atzlich wer- zur Modulierung des Laserlichts fehlerkorrigierende Codes verwendet. Da die von der Kamera gelieferte Aufl¨ osung (z.B. 640 x 480) der tats¨ achlichen Aufl¨ osung des Desktops (z.B. 1024x768) gew¨ ohnlich bei weitem nachsteht, kommt es zu einem Verlust an Aufl¨ osung. Dies zieht Ungenauigkeiten bei der Positionsbestimmung des Laserpunktes auf der Projektionsfl¨ ache nach sich. Daher kommt die h¨ aufig verwendete Subpixel-Interpolation zum Einsatz. Dabei werden die Koordinaten des Laserpunktes durch Analyse seiner Helligkeitsverteilung in eine h¨ ohere Aufl¨ osung umgerechnet. Von zuk¨ unftigen Betriebssystemen erhoffen sich die Autoren die direkte Unterst¨ utzung f¨ ur mehrere gleichzeitig verwendbare Zeigeger¨ ate. Tats¨ achlich ist dies aber schon unl¨ angst m¨ oglich. Die DirectInput-Schnittstelle der Firma Microsoft erm¨ oglicht den parallelen Betrieb mehrerer virtueller Computerm¨ ause. Das Computerspiel ” Die Siedler“ unterst¨ utzte schon vor Urzeiten den Zweispielerbetrieb durch zwei Zeigeger¨ ate an einem Computer.

Der Beitrag [Flor04] vergleicht die Leistungsf¨ ahigkeit eines MLP-Systems mit der einer Computermaus bei der Interaktion in Benutzergruppen variabler Gr¨ oße. Zum

Einsatz kommen eine Projektions߬ ache (275 cm x 215 cm) und eine Kamera so-

wie ein Projektor mit einer Aufl¨ osung von jeweils 640 x 480 Bildpunkten. In einem Test markieren 24 Teilnehmer in 12 Gruppen variabler Gr¨ oße (1-3 Personen) einen m¨ oglichst kurzen Pfad durch ein Labyrinth. Von den Testteilnehmern werden die Laserpointer als kollaboratives Werkzeug gesch¨ atzt, die Computermaus allerdings wegen ihrer h¨ oheren Pr¨ azision bei der Ausf¨ uhrung von Zeigehandlungen bevorzugt. Die Autoren betonen die Bedeutung von optischen R¨ uckmeldungen, welche deutlich Aufschluss geben ¨ uber die aktuelle Position des eigenen Laserpunktes. Das verwendete Testverfahren zur Evaluierung der Leistungsf¨ ahigkeit des entwickelten MLP-Systems macht den Vergleich der Ergebnisse mit denen anderer Implementierungen leider unm¨ oglich.

Kirstein und M¨ uller [Cars98] k¨ onnen, zumindest dem Stand der verf¨ ugbaren Lite- zufolge, als Pioniere der LPKS bezeichnet werden. 1998 stellten sie ihr softwaretechnisch als verteilte Anwendung konstruiertes LPKS vor (Abbildung 2.7). Das

2.2. Bisherige Beitr¨ age zu LPKS 17

vic“ zum Aufnehmen der Bilder, dem ” vic-client“ zum Remote-Empfang der Bilder

”

und einem Intel Pentium 133 als rechnerische Basis auf. Die Laserpunkterkennung

wird gest¨ utzt durch eine Bewegungsanalyse, realisiert ¨ uber einen gleitenden Durchschnitt ¨ uber dem Bild und anschließender Subtraktion des aktuellen Bildes. Die Positionsbestimmung des Laserpunktes erfolgt durch einen Mustervergleich im Histogramm der V-Werte (Helligkeitswerte) des Bildes und anschließender Korrelation des Bildes mit einem Referenzmuster. Das System bildet das aus [Dan 01] bekannte Ereignis LaserDwell(X,Y) (Dauer: 2,5 Sekunden) auf einen Tastendruck der Maus ab. Das Ereignis LaserOff(X,Y) wird auf das L¨ osen der Maustaste abgebildet. Das vorgestellte LPKS verursacht 20% Prozessorlast, bei 20 verarbeiteten Bilder pro Sekunde. In einem als Testumgebung angelegten Malprogramm betr¨ agt die Fehlerrate der Laserpunkterkennung 50%. Das pr¨ azise Zufahren auf einen vorgegebenen Punkt auf der Arbeitsoberfl¨ ache wird als besonders schwierig erachtet.

Wollen w¨ ahrend eines Vortrages mehrere Personen abwechselnd mit Maus oder Tas- eine Pr¨ asentation steuern, dann kann Platzmangel vor der Projektionsoberfl¨ ache zu einem Problem werden. Der L¨ osung dieses Problemstellung hat sich das MLP System in [Ji-Y02] verschrieben. Die Autoren experimentieren mit Laserpointern mit den Ausgangsleistungen 1mw (roter Laser) und 5mw (gr¨ uner Laser). Die im Verlaufe des Projektes verbesserte Version des vorgestellten LPKS basiert auf der Pyro Web-Cam (640 x 480, 30 Hz), dem Betriebssystem Windows NT, einem Projektor mit 700 Lumen und einer Projektionswand mit den Abmaßen 1,83m x 1,22m. Die Laserpunk- terkennung erfolgt durch Suche nach dem hellsten Punkt im Kamerabild. Offenbar

(5mW) als g¨ unstig erwiesen, da dieser wesentlich heller erscheint und sich somit besser vom Hintergrund abhebt. Ab einem Einfallswinkel des Lasers von 85 ◦ ^zur

Projektionsnormalen wird die Laserpunkterkennung aufgrund der einhergehenden Streckung des Punktes unm¨ oglich. Abermals wird die Helligkeit des Kamerabildes auf ein Minimum reduziert. Soweit technisch m¨ oglich, ist die Einstellung einer kurzen Belichtungsdauer ebenfalls empfehlenswert. Zur Identifizierung verschiedener Laserpointer kommt auch hier moduliertes Laserlicht zum Einsatz. Das Blinken der Laser wird mit der Bildfolge der Kamera synchronisiert um Fehldetektionen zu reduzieren. Die Problematik des Handzitterns erfreut sich auch hier besonderer Aufmerksamkeit. Es kommen besonders große graphische Bedienelemente zum Einsatz. Die Bewegungen des Laserpunktes werden durch einen Kalmanfilter gegl¨ attet (siehe auch [Greg95]) . Vorgeschlagen wird auch, eine spezielle Handauflage zur Stabilisierung der Hand bzw. des Laserpointers zu erreichen. Die Abbildung des Kamerabildes auf die Koordinaten des Desktops erfolgt durch Koordinatentransformation (perspektivisches Mapping), welche mit Matrizenmultiplikation zu bewerkstelligen ist. Der Artikel stellt fest, dass blinkende Laser zu einer k¨ urzeren Lebensdauer der Laserpointer f¨ uhren und ¨ uberhaupt schlechter sichtbar sind als Laser mit unmoduliertem Lichtausfall. Zur Verringerung von st¨ orenden Latenzen in der Bilderkennung werden 3 L¨ osungen diskutiert und wieder verworfen:

pro Zeiteinheit sinkt, da die Bilder mit weniger Bits kodiert werden k¨ onnen.

• Aufl¨ osung der Kamera verringern: Schlecht, da ein gr¨ oßerer Fehler bei der

Ermittlung der Laserpunktkoordinaten die Folge ist.

• Kompression der Bilder: Kritisch, da Kompressionsartefakte den Informationsgehalt der Bildfolgen schm¨ alern.

st¨ arker ausf¨ allt als beim Dr¨ ucken einer Taste am Laserpointer. Daher wird vorgeschlagen, das ButtonDown Ereignis direkt zum Ausl¨ osen eines Klicks zu verwenden. Dieses Vorgehen ist sicherlich nur sinnvoll, wenn der Laserpointer wie ein Lichtstift direkt auf dem Bildschirm gef¨ uhrt wird. Vergleichend wurde die Leistungsf¨ ahigkeit der Interaktion auf Basis eines Lasers und auf Basis einer Computermaus quan- titativ evaluiert. Die Computermaus wurde neben der Projektionswand zus¨ atzlich

2.2. Bisherige Beitr¨ age zu LPKS 19

das Testszenario ” Multidirektionale Antick-Aufgabe“ nach ISO-Norm 9241-9 zum Einsatz. Es wurde von 12 Teilnehmern jeweils 10 mal bew¨ altigt. F¨ ur den Schwierigkeitsindex ID e ergeben sich die Werte 2,58 Bits, 3,17 Bits und 3.75 Bits. Die mittlere Verz¨ ogerung betr¨ agt f¨ ur den Laser 846,78 ms, f¨ ur die Maus auf dem Groß- bildschirm 769,72 ms und f¨ ur die Maus auf dem 19“ Monitor 741,06 ms. F¨ ur die Fehlerrate ergeben sich 32,16% f¨ ur den Laser, 20,46% f¨ ur die Maus auf dem Groß- bildschirm und 20,31% f¨ ur die Maus auf dem 19“ Monitor. Der nach der Formel 2.1 berechnete Durchsatz betr¨ agt 3,04 Bits/s, 3,98 Bits/s und 4,09 Bits/s. Demnach betr¨ agt der Durchsatz des Laserpointers in diesem Test 75% des Durchsatzes der Computermaus.

Im Verlauf der Tests wurde bei Verwendung des Laserpointers ein deutlicher Anstieg der Bewegungszeit (Abbildung 2.8) und dadurch ein Abfall des Durchsatzes beobachtet, offensichtlich ein Erm¨ udungseffekt. Es wird vorgeschlagen die Problematik des Handzitterns und dem einhergehenden Verlust an Zeigegenauigkeit durch die Entwicklung intelligenter Interaktionsmechanismen zu kompensieren. Zum Beispiel durch sich selbst anordnende Objekte ( snapping objects“).

”

Der Artikel [Dunc02] stellt LPKS in Frage, die keine zus¨ atzlichen, den Interaktions- prozess unterst¨ utzenden Buttons am Laserpointer vorsehen. Dieser Umstand w¨ urde

Hardware (3 Schwarz/Weiß Kameras zu je $75, 3 Projektoren, eine Linux Workstation mit 3 Videokarten) f¨ uhren die Autoren Versuche mit einem um zus¨ atzliche Taster erweiterten Laserpointer durch. Anhand der Anordnungen ” Antick-Aufgabe in einer Richtung“ und ” Spurfolge-Test in einer Richtung“ wird die Leistungsf¨ ahigkeit von Laserpointer, Standartmaus und einem Interlink RemotePoint RF miteinander verglichen. Der Laserpointer wird dabei im Abstand von 1,5 m von der Projektionsfl¨ ache (1,5 m x 2 m) gehalten. Bei variierendem Schwierigkeitsindex ( Index of

”

Difficulty“) wurde die ” Response Time“ berechnet. Ob es sich dabei tats¨ achlich um die Reaktionszeit RT ) oder die im Kontext von fitts’schen Zeigehandlungen eher erwartete Bewegungszeit MT ( Movement Time“) handelt, bleibt offen. Die in die”

sem Artikel verwendeten Notationen und Variablenbezeichnungen bereiteten teilwei- Schwierigkeiten, da sie unerkl¨ art sind. Abgesehen von zwei wenig aussagekr¨ aftigen Grafiken, bleiben die Testergebnisse im Dunklen (Abbildung 2.9). Die Resultate statistischer Signifikanztests werden hingegen in aller Breite dokumentiert. Im Ergebnis der Tests liegen Laserpointer und Maus jedenfalls bez¨ uglich ihrer ” Mean Response Time“ gleichauf und platzieren sich deutlich vor dem Interlink RemotePoint. Bei Verwendung des Laserpointers sei das vielbeschriebene Handzittern wenig st¨ orend aufgefallen, da keine Tests durchgef¨ uhrt wurden, die explizit ein Ruhighalten des Laserpunktes verlangt h¨ atten. Das in diesem Artikel nur peripher wahrgenommene Handzittern scheint wenig verwunderlich, angesichts der geringen Entfernung des Lasers zur Projektionsfl¨ ache.

2.2. Bisherige Beitr¨ age zu LPKS 21

menschlichen Limitierungen bei der Interaktion mit Hilfe von Laserpointern. Dazu werden verschiedene Tests mit verschiedenen Bauformen von Laserpointern durchgef¨ uhrt. Die technische Basis bilden eine Sony DigiCam, ein Intel Pentium 3 (Taktrate 450 MHz) und eine Winnov Videokarte. Als Projektionsfl¨ ache dient das drucksensitive ” SMART Board“ der Firma SMART Technologies. Video f¨ ur Windows (VfW) wird als Softwareschnittstelle zur Akquirierung der Bilder von der Kamera verwendet. Das Testsystem verarbeitet bei einer Kamerabild-Aufl¨ osung von 320 x 240 Bildpunkten etwa 18-20 Bilder pro Sekunde. 17 Testpersonen partizipieren in zwei Experimenten, wobei jeweils vier verschiedene Bauformen von Laserpointern zu Anwendung kommen (zwei Laserpointer von konventioneller Bauart, ein PDA mit eingebautem Laserpointer (Symbol SPT 1700) und einer Laserpistole). Im ersten Experiment soll ein Ziel m¨ oglichst schnell angefahren werden und der Zeiger anschließend so ruhig wie m¨ oglich gehalten werden. Der im PDA eingebaute Laserpointer erweist sich hier erwartungsgem¨ aß am stabilsten, da er beidh¨ andig gehalten werden kann (Abbildung 2.10). Die Standartabweichung des Laserpunktes von defi- nierten Zielkoordinaten w¨ ahrend der Phase des Ruhighaltens nimmt linear mit der Entfernung des Pointers zur Projektionsfl¨ ache zu.

jektions߬ ache nach [Brad02]

Durchsatztest ” Anticken in einer Richtung“ m¨ ussen zwei gegen¨ uberliegende Balken wechselseitig m¨ oglichst schnell und pr¨ azise selektiert werden. Das Symbol SPT 1700 wird in diesem Test als Laserpointer erster Wahl verwendet, da er stabil in der Hand liegt und somit die Auswirkungen des Handzitterns verringert. Die Tasten des Symbol SPT 1700 werden genutzt. Sie signalisieren, wann sich der Laserpunkt an der gew¨ unschten Position ¨ uber einem Balken befindet. Gegen¨ ubergestellt wird die Interaktion mit Hilfe einer Computermaus, dem Tippen direkt auf das ” SMART Board“ und einer Interaktionstechnik namens ” Semantic Snarfing“, bei der mit Hilfe des Laserpointers Bildschirminhalte markiert und auf einem PDA vergr¨ oßert zur weiteren Interaktion dargestellt werden. Die Breite der Balken wurden mit 27, 53 und 107 Pixel bemessen, welche auf der Projektionsfl¨ ache 3,81 cm, 6,99 cm und 13,97 cm entsprechen. Der Abstand zwischen den Balken betrug 107, 213, und 427 Pixel, welche 13,97 cm, 27,94 cm und 55,88 cm entsprechen. Die Testpersonen sitzen 1,52 m von der Projektionsfl¨ ache entfernt und k¨ onnen ihre Arme dabei bequem auf einem Tisch ablegen. Wie auch in [Ji-Y02] wird der Durchsatz T P e hier nach der Formel 2.1 berechnet. In diesem Test schnitt der Laserpointer gemessen an der Zeigegeschwindigkeit als Letzter ab (Abbildung 2.2). Gemessen an Durchsatz und Fehlerrate, landete der Laser auf dem vorletzten Platz. Der Touchscreen erzielt erwartungsgem¨ aß die besten Ergebnisse. Die Mittelwertbildung der Koordinaten von Zeigehandlungen zur Stabilisierung des Mauscursor wird als kritisch eingestuft, da sie sich negativ auf die Zeigegeschwindigkeit auswirkt. Es wird vorgeschlagen, die Filterung nur bei langsamen Zeigerbewegungen einzusetzen.

Tabelle 2.2: Ergebnisse des Balkentests nach [Brad02]

Interaktion mit kleinen Bildschirminhalten. Das ” Semantic Snarfing“ wird daher als erg¨ anzende Interaktionstechnik empfohlen.

Im Kontext von Kurzvortr¨ agen zu wissenschaftlichen Aktivit¨ aten untersucht [Xian05] drei Techniken der HCI auf ihre Akzeptanz bei sowohl vortragenden Personen als

2.2. Bisherige Beitr¨ age zu LPKS 23

und Tastatur, die Laserpointerinteraktion und die Interaktion mit Hilfe von Handgesten. Es kommen modifizierte Laserpointer mit zus¨ atzlichen Tasten zum Einsatz. In einem Versuch stellen sechs Personen ihre aktuellen Forschungsvorhaben vor und werden dabei von 30 Zuschauern in den Kategorien Gesamteindruck der Pr¨ asentation, Inhaltliches Verst¨ andnis der Pr¨ asentation, Effizienz des Vortrages und Attraktivit¨ at der Pr¨ asentation insgesamt bewertet. Die durch Handgesten gesteuerten Vortr¨ age gewinnen mit Abstand in allen Kategorien, am deutlichsten in der Kategorie Attraktivit¨ at. Die durch einen Laserpointer gesteuerten Pr¨ asentationen platzieren sich in allen Kategorien vor der Maus-Tastatur Kombination. Von den 30 Zuschauern favorisierten 70% die Interaktion auf Basis der Handgesten, 27% entschieden sich f¨ ur den Laserpointer und 3% f¨ ur die Maus-Tastatur Kombination. Zwei der Vortragenden bevorzugten die Handgesten und einer den Laserpointer zur Steuerung der Pr¨ asentation. Als besonderer Vorteil der Verwendung eines Laserpointers gilt die M¨ oglichkeit des Sprechers, sich jederzeit frei im Raum bewegen zu k¨ onnen und den Interaktionsprozess dabei mit sehr kleinen Finger- und Handbewegungen zu steuern. Der Bewegungsfreiheit sind praktisch allerdings Grenzen gesetzt. Auch dieser Artikel verweist auf die geminderte Zeigegenauigkeit bei Verwendung des Laserpointers aus gr¨ oßeren Entfernungen. Wegen des kleinen, sich sehr schnell bewegenden Laserpunktes konnten die Zuschauer dem Fokus des Interaktionsprozesses nicht immer folgen.

[Peck01] widmet sich sehr ausf¨ uhrlich der quantitativen Analyse menschlicher Ein- usse auf die Effizienz der Laserpointerinteraktion. Insbesondere werden die Auswirkungen des Handzitterns, die Dauer zur Positionierung des Laserpunktes in einem Zielbereich sowie der Drift des Laserpunktes von einer anvisierten Koordinate w¨ ahrend des Ausschaltens des Lasers untersucht. Tests finden sowohl auf Basis gebr¨ auchlicher Laserpointer als auch auf der Basis eines in einen PDA eingebauten Laserpointers statt. Die Versuchspersonen werden angehalten, auf ein akustisches Signal hin den Laserpunkt ¨ uber ein vorgegebenes kreisf¨ ormiges Ziel zu bewegen und den Laser nach Ert¨ onen eines zweiten Signals am selben Ort wieder auszuschalten. Die Autoren stellen fest, dass der mittlere Fehlerwinkel (Abbildung 2.11) des Laserstrahls bei einer Entfernung von 10 Fuß zur Projektionsfl¨ ache etwas kleiner ist als bei einer Entfernung von 5 Fuß.

M¨ oglicherweise ist dies durch eine h¨ ohere mentale Konzentration der Testpersonen zu erkl¨ aren. Da die mittlere Abweichung des Laserpunktes von seinen Soll-Koordinaten

mit steigender Entfernung von der Projektionsfl¨ ache zunimmt, k¨ onnte eine erh¨ ohte Konzentration seitens der Probanden durch den gr¨ oßeren sichtbaren Fehler verursacht sein. Auch dieser Artikel res¨ umiert, dass das Design eines Laserpointers die Zeigeeffizienz beeinflusst. Stabil in der Hand liegende Pointer oder solche die mit beiden H¨ anden gegriffen werden k¨ onnen, liefern insbesondere eine h¨ ohere Zeigegenauigkeit.

J. Davis and X. Chen [J. D02] stellen ein MLP-System vor, welches f¨ ur gr¨ oßere Nutzerzahlen geeignet ist und mit der Gr¨ oße der Projektionsfl¨ ache skaliert (Abbildung 2.12). Zum Einsatz kommt eine von acht R¨ uckprojektoren angestrahlte Leinwand (6 Fuß x 2 Fuß), 8 NTSC Kameras sowie acht SGI Origin Workstations zum Erfassen der Kamerabilder und Detektieren der Laserpunkte.

2.2. Bisherige Beitr¨ age zu LPKS 25

MHz), welche die Auswertung der Zeigehandlungen vornimmt. Auf der Projektionsfl¨ ache messen die Autoren einen Laserdurchmesser zwischen 3 und 12 Pixel und entschließen sich, den Mittelpunkt der Laserreflektionen als aktuelle Koordinate des Zeigers zu werten. Weiterhin wird festgestellt, dass es aufgrund der Gr¨ oße des Laserpunktes ausreichend sei, nur etwa 30% der gesamten Bildfl¨ ache zur Feststellung der Zeigerkoordinaten zu durchsuchen. Konkrete Aussagen zur Funktionsweise der Laserpunkterkennung werden allerdings nicht gemacht. Auch ist es leider typisch f¨ ur den Großteil der hier vorgestellten Literaturquellen, dass kaum Details zur technischen Umsetzung der verwendeten Gestenerkennung zu finden sind. Eine Identifi- zierung einzelner Interaktionsteilnehmer durch ihr Eingabeger¨ at findet nicht statt. Vielmehr werden die einzelnen, aus den erkannten Laserpunktkoordinaten bestehenden Vektorz¨ uge mit Hilfe von jeweils einem Kalman-Pr¨ adiktor voneinander separiert. Tester dieses LPKS bevorzugten es, direkt auf der Leinwand zu schreiben, da diese Technik eine effizientere Interaktion erm¨ oglicht.

nicht zufriedenstellende Bedienbarkeit“ großer Projektionsfl¨ a- durch die ”

chen mit Hilfe von Standartzeigeger¨ aten (Maus, Trackball, Touchpad, Trackpoint) entwickelte [Mich01] ein LSPK um von den Vorz¨ ugen der ” Stiftmetapher“ zu profi- tieren. Zum Einsatz kommen eine 6,5 m x 1,6 m messende Leinwand, drei R¨ uckprojektoren, drei Grafikkarten und drei Kameras, verbunden mit jeweils einem Bilderkennungsrechner. Die Bilderkennungsrechner kommunizieren ¨ uber LAN mit einem zentralen Bildrechner (Abbildung 2.13). Es kommt ein modifizierter Laserpointer mit zus¨ atzlichen Tasten zum Einsatz (Abbildung 2.14). Innovativ ist die Idee, den

Laserpointer mit Hilfe eines ¨ Uberbr¨ uckungskontaktes zu aktivieren. Somit kann das beim Ein- und Ausschalten des Ger¨ ates besonders starke Handzittern signifikant reduziert werden. Die Tastensignale werden drahtlos an einen Rechner ¨ ubertragen. Die Algorithmen zur Laserpunkterkennung werden durch Verwendung einer Fenstermethode ( Window of interest“, WOI) beschleunigt. Der implementierte Algorithmus

”

zur Rektifizierung der Kamerabilder wird durch Zeigen mit dem Laser in die Ecken der Projektionsfl¨ ache kalibriert. Eine fortlaufende Helligkeitskorrektur stellt die korrekte Laserpunkterkennung auch bei wechselnden Umgebungslichteinfl¨ ussen sicher. Die Problematik des Handzitterns wird hier mit einer adaptiven Mausbeschleunigung angegangen. Die Beschleunigung des Mauszeigers wird dabei mit Hilfe einer nichtlinearen Distanzfunktion (Abbildung 2.15) in Abh¨ angigkeit der Entfernung des Zeigers zur aktuell erkannten Laserpunktkoordinate bestimmt. Eine effiziente Bedie-

[Mich01]

2.2. Bisherige Beitr¨ age zu LPKS 27