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Exzerpt Mensch-Computer-Interaktion (01697) KE 1 – Grundlagen der Interaktion 1.1 Geschichte der Mensch-Computer-Interaktion Lernziele: Einblick in geschichtliche Entwicklung, Einordnung der MCI heute, zentrale Begriffe und Kernideen, Analyse einer einfachen Benutzerschnittstelle, Betrachtung: auf welchen Ebenen findet die Gestaltung eines interaktiven Systems statt Automatisierte Webstühle  Im Laufe des 18. Jhd. Bau der ersten mechanischen Webstühle, Steuerung durch Lochkarten aus Holz (1728 in Lyon belegbar)  Weiterentwicklung durch Jacques de Vaucanson zum ersten vollautomatischen Webstuhl (1745) statt Lochkartensteuerung aber nur Nockenwalze  1785 durch Kraftmaschine angetriebener Webstuhl (Edmund Cartwright)  1805 Weiterentwicklung durch Joseph-Marie Jacquard, wieder über Lochkarten. Es war nun möglich, großflächige Muster einzuprogrammieren Erste Rechenmaschinen  1620er Jahre: Entwicklung der ersten rechnenden Maschinen Wilhelm Schickard berichtet 1623 darüber. Möglich war Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division mithilfe Napierscher Rechenstäbchen  1645 Blaise Pasqual, 1673 Gottfried Wilhelm Leipniz  Ende des 18. Jhd. erstes Konzept einer Differenziermaschine zum Lösen polynomaler Funktionen (Johann Helfrich von Müller, wurde aber nie gebaut)  1822 greift Charles Babbage das Konzept auf, 1832 Vorstellung des Prototyps, der quadratische Funktionen berechnen konnte  1837 Vorstellung des Entwurfs für die Analytical Engine durch Babbage. (aus Kostengründen nie gebaut, hätte aber funktioniert!)  1843 schreibt Ada Lovelace das erste Computerprogramm der Welt: Algorithmus für Berechnung der Bernoulli-Zahlen mithilfe der Analytical Engine  Lovelace’ Programm kannte bedingte Verzweigungen und Schleifen  Analytical Engine war erste Turing-vollständige Rechenmaschine der Welt  Turing-Vollständigkeit: Begriff aus der theoretischen Informatik, geht auf engl. Mathematiker Alan Turing zurück.  Bedeutung: 1936 Vorstellung des Modells einer universellen Turing-Maschine, welches eine Klasse von berechenbaren Funktionen repräsentiert. Maschinen, die alle Funktionen dieser Klasse berechnen können, werden als Turing-vollständig bezeichnet  Erst 1941 mit der Z3 Bau des ersten Turing-vollständigen Computers  Geplante Genauigkeit der Analytical Engine mit 50 Dezimalstellen wurde erst 1960 erreicht

Lochkarten für organisatorische Problemstellungen 1

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1888 installiert Hermann Hollerith im US-Kriegsministerium die erste auf Lochkarten basierende Datenverarbeitungsmaschine Bestandteile: Tabelliermaschine, Lochkartensortierer, Lochkartenlocher, Lochkartenleser Inspiration durch die Webstühle bzw. der Praxis im Bahnverkehr, Fahrkarten nach Alter, Geschlecht speziell zu lochen 1890 Durchführung des ersten Zensus mit Hilfe von Holleriths Maschine, Erhebung der Daten in einem statt in acht Jahren 1911 Fusion u.a. von Holleriths Firma mit drei anderen Firmen zur Computing Tabulating Recording Corporation (CTR) 1924 Umbenennung zur International Business Machines Corporation (IBM) Durch den weit verbreiteten Einsatz von Tabelliermaschinen wurde Lochkarte zum maßgeblichen Datenträger bis in die 1960er Jahre 1941 bauen Konrad Zuse und Helmut Schreyer die Z3, den ersten Digitalrechner der Welt. Elektromechanischer, d.h. über Relais gesteuerte Schaltvorgänge. (Elektronisch z.B. über Röhren oder Transistoren), Schnittstellen waren: Lochstreifenleser für Filmstreifen, die das Programm enthielten Tastatur mit Lampenfeld für Ein- und Ausgabe der Daten

Viele Architekturmerkmale moderner Rechner in der Z3:  Gleitkommazahlenberechnung  Verwendung des binären Zahlensystems  Ein- und Ausgabegeräte  Möglichkeit der Interaktion während des Rechenvorgangs  Pipelining von Instruktionsfolgen  Numerische Sonderfolgen, z.B. „unendlich“ möglich  Mikroprogramme  Parallele Ausführung von Operationen (soweit möglich) Vergleich: der in den USA gebaute ENIAC hatte zwar  Röhren u. höhere Rechenleistung  benutzte aber das Dezimalsystem  Programmierung durch direkte Verdrahtung von Modulen und Einstellen der Befehle durch Drehschalter  Keinen Befehlsspeicher wie die Z3, musste für jedes Programm neu verkabelt werden  Einlesen der Daten über Lochkartenleser  Datenausgabe über Lochkartenlocher u. 102 Glimmlampen, die Zustand des Akkumulators (Arbeitsregister des Rechenwerkes) zeigten 

Ende der 1940er Jahre erste Computersysteme mit Teleprintern als Ausgabe

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1949 australischer Rechner CSIRAC mit Datenausgabe über Kathodenstrahlröhre (diese vorher nur als Speichermedium verwendet)

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Fokus in dieser Zeit auf Konstruktion u. Effektivität der Rechenmaschinen, nicht auf Benutzerschnittstellen. Tabelliermaschinen zum großen Teil für organisatorische Datenverarbeitung in Verwendung. Großteil der digitalisierten Informationen bereits auf Lochkarten verfügbar. Theoretische Überlegungen über Verwendung von Computern gingen über den Stand der Technik hinaus:  1945 Vannevar Bush: As we may think. Skizzierung des Problem rasant wachsenden Wissens, Problem, auf dieses Wissen zuzugreifen, andererseits Hoffnung, Informationsflut in den Griff zu bekommen  Skizzierung des Stands der Technik, Prognose für weitere Entwicklung  Erkenntnis, dass Computer nicht nur zur Lösung arithmetischer Probleme geeignet sein können  Sondern auch für allgemeine, durch Logik definierte Probleme  Erkenntnis, dass dafür neue Schnittstellen benötigt werden  Feststellung, dass bisherige Art des Zugriffs durch die Selektion über hierarchische Indizes (z.B. in Bibliotheken) nicht effizient ist  Aufbauend auf diesen Überlegungen Konstruktion der rein hypothetischen Maschine Memex.  Diese kommt dem Ideal der assoziativen Verknüpfung zwischen Informationen sehr nahe  Die von Bush beschriebene Methode ist die Idee des Hypertextes (!)  Bush skizziert 1945 das, was am 6.8.1991 als WWW das Licht der Welt erblickt

1.1.1 Die 1950er Jahre  Mit der zunehmenden Zahl an Computersystemen erweiterten sich technische u. wissenschaftliche Fragestellung in diesem Kontext  Schnittstellen rücken jetzt in den Fokus  Seit den 50er Jahren arbeiten die Bell Telephon Labs an einer Handschriftenerkennung  Tom Dimond 1957: Devices for Reading Handwritten Characters aus der Erkenntnis, große Mengen handschriftlichen Materials digitalisieren zu müssen  Das in den 60er Jahren entwickelte RAND-Tablet hatte dann eine funktionierende u. zuverlässige Handschriftenerkennung 1958 starten IBM und GM gemeinsames Projekt: DAC-1 (Design Augmented by Computers)  Ziel ist Untersuchung einer möglichen Unterstützung des Designprozesses in der Automobilindustrie durch Computer  Das aus dem Projekt entwickelte Programm gilt als das erste graphische Computersystem  Eingabegeräte: Lichtgriffel, eine Art photographischer Scanner und joystickartige Eingabegeräte  Skizzen zunächst auf Papier, Digitalisierung per Lesegerät, Veränderung an Bildschirmterminal möglich  Ausgabe der Daten über Drucker oder direkt in Steuersequenzen einer Fräsmaschine  Dem Terminal selbst u. seiner Bedienbarkeit wurde aber wenig Aufmerksamkeit geschenkt  Dadurch Langsamkeit bei komplexen Zeichnungen, starkes Bildschirmflackern 3

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Eingabe auf vertikal ausgerichtete Bildschirme ermüdend Verwerfen des Lichtgriffels zugunsten der von Douglas Engelbart entwickelten Computermaus

Morton Heilig, amer. Kameramann, Theoretiker u. Erfinder formuliert erste Ideen zur Virtuellen Realität.  The cinema of the future (1955) über Aufmerksamkeitsverteilung in Alltagssituationen  Visuelle Wahrnehmung 70%  Auditive W. 20%  Olfaktorische W. 5%  Taktile W. 4%  Gustatorische W. 1% Ausgehend von dieser Analyse sollte das zukünftige Kino alle Sinne ansprechen. Idee des immersiven Kinos. Das Sensorama wurde jedoch kein großer Erfolg.      

Dennoch Meilenstein in der Geschichte der Virtual Reality Von Heilig auch die Idee des ersten Head-Mounted-Display In den 80er/Anfang der 90er Jahre wurden viele von Heiligs Ideen aufgegriffen Scott Fisher: Virtual Environments, Personal Simulation & Telepresence (1991?) Fisher bezeichnete Heiligs Ideen als Inspiration für das Virtual Environment Workstation Project (VIEW) In den 50er Jahren auch Entwicklung des ersten Videospiels, „Tennis for Two“ (1958) von dem amer. Physiker William Higinbotham am Brookhaven National Laboratory (Kernforschungszentrum), Vorläufer von Pong (1972, mit der Konsole Magnavox Odyssey)

1.1.2 Die 1960er Jahre  Rasante Entwicklung der verschiedensten Anwendungsfelder für Computersysteme  Deshalb auch neue Schnittstellen zwischen Mensch und Computer im Fokus der Forschung  J.C.R. Licklider als einflussreicher Vordenker: Man-Computer-Symbiosis (1960)  Idee der interaktiven Nutzung von Computersystemen, Selbstversuch als moderately technical person zeigte: 85% der Zeit mit „Nachdenken“ wurde eigentlich zur Informationssuche aufgewendet Folgerung Lickliders: Fähigkeiten von Menschen und Computern könnten sich effektiv verbinden, wenn sie durch ein interaktives System verbunden seien. Voraussetzungen:  Einsatz von Timesharing, um Großrechneranlagen vielen Benutzern zugänglich zu machen  Entwicklung günstiger Speichermedien, die die wachsende Informationsmenge aufnehmen können  Verwendung effizienter, hierarchischer Suchstrukturen  Licklider: Kommunikation zwischen Mensch und Computern als größte Herausforderung für ein interaktives System  Nach Licklider zwei Möglichkeiten, Kommunikation zu realisieren  Erstens Einsatz von Methoden der künstlichen Intelligenz

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Zweitens Einsatz modularer Programmelemente, die durch Benutzer in Echtzeit ausgewählt u. zusammengefügt werden. (Dieser Weg praktikabler) Zentrale Schnittstelle für ein solches System nach Licklider: interaktives Desk-SurfaceDisplay Nutzer soll mittels Zeichnungen, Bildern, handschriftlichen Notizen, Formeln mit dem Computer kommunizieren, der seinerseits Daten zurückgibt Diese Vision einer interaktiven Schnittstelle wurde in den folgenden Jahrzehnten umgesetzt 1962 wird Licklider Leiter des Information Processing Techniques Office (IPTO) der ARPA, Förderung vieler Forschungsprojekte Douglas Engelbart 1963 Direktor des Behavioral Sciences Command & Control Research der ARPA Formulierung von Ideen zu einem Intergalactic Computer Network Entwicklung und Beeinflussung des ARPAnet 1968 Leiter des MAC-Projekts am MIT erstes Timesharing-System der Welt (CTSS, Computer-Time-Sharing-System) mit dem Betriebssystem MULTICS (Multiplexed Information and Computing Service) viele von Lickliders Konzepten entwickelt und umgesetzt

1963 entwickelt Ivan Sutherland das interaktive Zeichenprogramm Sketchpad.  Eingabe per Lichtgriffel und Tastenfeld, Ausgabe per Kathodenstrahlröhre  Als eines der ersten Programme direkte u. interaktive Manipulation der Zeichenobjekte  Dieses durch graphischen Mauszeiger in Kombination mit Tasten u. Tastenfeld  Darstellung über Betrachtungsfenster, Ausschnitt der virtuellen Zeichnung in frei skalierbarer Größe  Zeichenobjekte konnten instanziiert und zu komplexen Zeichnungen zusammengesetzt werden, Änderung am Objekt wird an andere Instanzen weitergegeben  Linien konnten orthogonal u. parallel zueinander registriert werden  Objekt kann zunächst ungenau skizziert werden u. dann werden die vorgegebenen Relationen automatisch durch das Programm hergestellt, danach wird die Form des Objekts angepasst Sketchpad gilt als einflussreiches Programm, viele Konzepte haben Entwicklung grafischer Benutzerschnittstellen beeinflusst:  direkte Manipulation virtueller Objekte mit einem Zeichengerät  Verwendung eines frei bewegbaren u. skalierbaren Darstellungsfensters  Erste Konzepte objektorientierter Programmierung  Semantische Relation der dargestellten Objekte zueinander  1964 wird Sutherland Leiter des IPTO, 1965-68 Dozent in Harvard.  Entwicklung des ersten Virtual Reality-Systems mit Assistenz Bob Sproull  stereoskopisches Head-Mounted-Display  mechanische Vorrichtung zur Erfassung der Kopfposition  spätere Version zeigte auch auf Ultraschall basierendes Erfassungssystem für Kopfposition  stereoskopische Darstellung war trotz einfachen Wireframe-Darstellung beeindruckend  1967 Entwicklung des ersten echtzeitfähigen, interaktiven Flugsimulators durch Danny Cohen (Student von Sutherland) 5

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daraus Entstehung des bekannten Clipping-Algorithmus von Cohen-Sutherland ebenso Studenten von S.: Alan Kay (Smalltalk, GUI-Entwicklung bei Xerox-PARC), Henri Gouraud (Gouraud shading), Frank Crow (Arbeiten im Bereich Antiliasing), Edwin Catmull (Computergrafik, Mitbegründer von Pixar) 1968 Gründung der Firma Evans and Sutherland (Echtzeitgrafik, 3D-Beschleunigung) Ehemalige Mitarbeiter dieser Firma: John Warnock (Gründer Adobe), Jim Clark (Silicon Graphics) 1988 bekommt Sutherland Turing-Award für seine Arbeiten im Bereich Computergrafik. Derzeit Portland State University, Arbeit an asynchronen Computersystemen

Neben Sketchpad in den 60er Jahren auch das am Augmentation Research Center (ARC) des Stanford Research Institute (SRI) entwickelte NLS als Meilenstein der MCI.  Effektives Mehrbenutzersystem  Diente der Erforschung des Timesharing, der Vernetzung u. neuartiger Benutzerkonzepte  Leiter u. Vordenker: Douglas Engelbart  9.12.1968: Realisierung des Konzepts Memex-Maschine von Bush durch das ARC  als eines der ersten Systeme Rasterbildschirm als Ausgabegerät  Eingabe über Tastatur, Maus (Mitte der 60er Jahre am ARC entwickelt) u. Akkordtastatur (welche jedoch kompliziert zu bedienen war)  Verbindung des Systems über Telefonleitungen mit dem Labor in Menlo Parc, ebenso Videokonferenzschaltung, Ausgabe des Bildes über Bildschirm des Systems  Vorstellung der Maus an breite Öffentlichkeit  Transferierung der Konzepte der direkten Manipulation, die in Sketchpad gezeigt worden war, auf Verwendung von hauptsächlich textuellen Daten  Demonstration der Implementierung der Idee hierarchisch organisierter u. verlinkter Dokumente (Bushs Vision von 1945)  eines der frühesten Hypertextsysteme überhaupt  kooperative, gleichzeitige Arbeit an einem Dokument wird möglich inkl. Zweier unabhängiger Mauszeiger  gleichzeitig stattfindende analoge Video- und Audioverbindung  großer Einfluss auf weitere Entwicklung der MCI   

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weiteres wichtiges System: 1969 von der RAND-Corporation entwickelt u. eingesetzt  GRAIL-System GRAIL ermöglichte graphische Programmierung über Flussdiagramme RAND: amer. Thinktank, 60er Jahre, ermöglichte Analysten ihre Modelle rechnen zu lassen, ohne dass sie Maschinensprache programmieren können mussten. GRAIL ermöglichte den Zugang dennoch Eingabesystem: RAND-Tablet, eines der ersten modernen Grafiktablets Komplette Steuerung ausschließlich über Stifteingabe Grobe Skizzen konnten in saubere Symbole verwandelt werden Beschriftung per Handschriftenerkennung Editieren über Drag-and-Drop Intuitive Gestenerkennung z.B. Durchstreichen per Doppelstrich GRAIL war nicht nur Zeichenprogramm, sondern auch u. vor allem eine graphische Programmiersprache, die lauffähige Programme erzeugte 6

GROPE-Projekt (1967): inspiriert durch Ideen Sutherlands zu vollst. virtuellen Umgebung  Langfristiges Ziel: Entwicklung einer haptischen u. visuellen Schnittstelle um 6dimensionale Kraftfelder miteinander interagierender Proteinmoleküle darstellen zu können  System bestand zunächst aus Plattform, die in Ebene bewegt werden konnte, Position von X u. Y über Potentiometer erfasst  Bewegung der Plattform über Servomotoren an den Achsen  Über virtuelles Kraftfeld werden Gegenkräfte berechnet u. über Motoren ausgegeben  es entsteht einfach Form der Kraftrückkopplung, lässt Nutzer virtuelle Struktur erspüren  weitere Prototypen: 3D-System mit einfacher Aufgabenstellung, 6D-System mit einfacher Aufgabenstellung, vollständiges 6D-System zum interaktiven Andocken von Proteinmolekülen Insgesamt in den 60er Jahren grundlegende Konzepte u. Mechanismen für interaktives Arbeiten mit dem Computer. Viele Konzepte werden heute noch in dieser Form verwendet. 

1.1.3 Die 1970er Jahre  1970: im kalifornischen Palo Alto Gründung des Xerox Palo Alto Research Center (PARC). Durch räumliche Distanz zur Firmenleitung in New York großer Freiraum für die Wissenschaftler  Nachbarschaft zur Stanford University und zum SRI (NLS)  Finanzierung des ARC durch (D)ARPA, NASA, Luftwaffe verringerte sich, dadurch Wechsel vieler Experten zum Xerox PARC  1970-77 Bob Tayler Leiter des Computer Science Laboratory (zuvor Sutherlands Nachfolger am IPTO der ARPA)  Tayler ermöglichte Finanzierung des NLS und der Entwicklung des ARPAnet  1973 Entwicklung des Xerox Alto, eines der ersten Personal Computer  Ausgabegerät: Tastatur, Maus, Akkordtastatur. Eingabegerät so wie beim NLS  Akkordtastatur später nicht mehr verwendet  128kb bzw. 512kb Arbeitsspeicher bzw. magnetische „Wechselfestplatte“ mit 2,5 MB Speicherkapazität  in den folgenden Jahren Entwicklung von Programmen, die Großteil heute üblicher grafischer Interaktionsmechanismen erstmals einführten  Textverarbeitung Bravo gilt als erste WYSIWYG-Anwendung. Modularer Editor, Text u. Programmbefehle über Tastatur eingegeben  Nachfolger Gipsy ermöglichte Eingabe der Befehle über Maus, einfache Bedienung auch für Computeranfänger  Weiteres Beispiel: Maze (Malprogramm). Als eines der ersten Programme Verwendung von kleinen Symbolgrafiken (Icons) als Repräsentanten für die Befehle   

In den 70er Jahren im Xerox PARC Entwicklung von Smalltalk Erstmals Verwendung sich überlappender Fenster Dazu Implementierung der BitBLT-Operation.

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Bit Block Transfer: effizienter Kombination mehrerer Eingabebilder zu einem Ausgabebild mittels Raster-Operator. Entscheidende Entwicklung für Übergang von zeichenbasierten Bildschirmen zur Verwendung von grafischen Bildschirmen für jegliche Art von Inhalt Jeder Alto-Rechner hatte Ethernet-Schnittstelle, dadurch Implementierung einer Vielzahl von Netzwerkanwendungen Z.B. Maze War als eines der ersten Netzwerk-Computerspiele (dreidimensionales, virtuelles Labyrinth) Alto nie offiziell verkauft, aber über 2000 Stück im Einsatz an Forschungseinrichtungen Entwicklungen fließen in den Xerox Star Computer ein

In den 70er Jahren nutzten auch die ersten Künstler die Möglichkeiten der MCI, z.B. Myron W. Krueger.  1969 Idee einer physischen Teilhabe in der grafischen Welt, Entwicklung des Responsive Environment – einer „reaktionsfähigen“ Umgebung. GLOWFLOW (Raum mit vier Neonröhren u. Drucksensoren)  kurze Zeit später Benutzung der Projektion computergenerierter Grafik für seine Arbeit:  PSYCHIC SPACE Erfassung der Position der Person über Drucksensoren, Symbole, künstl. Labyrinth, „Mogeln“ wird erfasst  Mitte der 70er Jahre Gründung des Artificial Reality Labors an der Universität von Connecticut namens VIDEOPLACE  Projektoren, Kameras, z.T. selbst entwickelte Spezialhardware  Neuartige Einbindung des Benutzers über Filmen seiner Silhouette und Projizierung. Guter Effekt, Benutzer versuchten Überschneidung der Silhouetten zu vermeiden  VIDEOPLACE ermöglichte auch CRITTERS (kleine interaktive Lebensform)  Arbeiten in VIDEOPLACE Basis für Kruegers Buch Artifical Reality (1983)  Ende der 90er kombinierte Krueger VIDEOPLACE mit 3D-Echtzeit-System zur Installation Small Planet (1998). Interaktives Fliegen m. ausgebr. Armen über virtuelle Welt An GLOWFLOW war auch Dan Sandin beteiligt. Seit 1967 Beschäftigung mit den Möglichkeiten der Visualisierung u. Interaktion mittels Video.  1971-73 Entwicklung des Sandin Image Processor (analoger Video-Syntheziser)  zusammen mit Tom DeFanti (GRASS-Programmiersprache für Erzeugung von EchtzeitComputergrafik) Nutzung des Processor für Visuelle Konzerte  1973 gründen beide das Electronic Visualization Laboratory (EVL)  1991: Carolina Cruz-Neira mit DeFanti u. Sandin gründen das erste CAVE-System  EVL, z.B. DeFanti u. Maxine D. Brown beteiligt an jährlicher SIGGRAPH-Konferenz  Brown 1981-1985 Sekretär , -87 Vizevorsitzender des EVL  1977 entwickeln De...