Visualisierung und Anzeigengestaltung

Zeigefinger einer Hand bedient einen Touchscreen

InterHapt: Interaktionsuntersuchungen für haptisches Feedback elektronischer Eingabegeräte

Mit berührempfindlichen Bildschirmen (Touchscreens) werden Informationen nicht nur angezeigt, sondern können am gleichen Ort auch manipuliert werden. Damit ist es möglich, komplexe Interaktionen auf kleiner Fläche auszuführen und zu geringen Kosten flexibel zu bleiben. Gleichzeitig geht aber das von mechanischen Tasten gewohnte Gefühl, die über den Tastsinn vermittelte Rück­meldung, verloren. Besonders die Menschen, die im Laufe ihres Lebens Fertigkeiten an mechanischen Bedienelementen entwickelt haben, beispielsweise beim Maschine­schreiben, sind hier benachteiligt. Aber auch in anderen Fällen ist die Benutzung an einer glatten, unbeweglichen Oberfläche schwieriger als durch mechanische Tasten, was sich in geringerer Eingabe­geschwindigkeit und höherer Fehlerrate ausdrückt.

Um diesem Problem zu begegnen, wird derzeit eine fühlbare Rückmeldung in Form von Vibrationen künstlich erzeugt. Obwohl damit eine einfache haptische Rückmeldung schon eingesetzt wird, fehlen Empfehlungen zur Gestaltung einer aufgabenangemessenen, erwartungskonformen und an bewährte mechanische Vorbilder angepasste Form der haptischen Rückmeldung.

Im Projekt InterHapt wurde die menschliche Wahrnehmung bezüglich haptischer Empfindungen und die technischen Möglichkeiten zur Erzeugung haptischer Rückmeldungen empirisch untersucht. Dazu wurden unterschiedliche Szenarien entworfen, Laborexperimente zur Eingabe an stationären und mobilen berührempfindlichen Bildschirmen aufgebaut und mit verschiedenen Formen haptischer Rück­meldung ausgestattet. Die subjektive Beurteilung durch Versuchspersonen und objektiv ermittelte Verhaltens- und Leistungsdaten von Versuchspersonen dienten zur Bewertung der Formen der Rückmeldung.

Schließlich wurden aus den experimentellen Ergebnissen Gestaltungsempfehlungen abgeleitet, die stationäre Systeme für Experten (zum Beispiel Kassensysteme) und für Durchschnittsnutzer (beispiels­weise Fahrkarten­automaten) umfassen. Auch Mobilgeräte wie Smartphones werden von den Gestaltungsempfehlungen abgedeckt. Damit wurden Wissenslücken über menschliche Eigenschaften in der haptischen Wahrnehmung geschlossen und Grundlagen für die spätere weitere Umsetzung in anwendungsbezogenen Forschungsprojekten geschaffen. Die schon jetzt als multimodal bezeichneten visuellen und auditiven Schnittstellen heutiger interaktiver Systeme lassen sich in Zukunft um eine weitere sinnvolle Modalität ergänzen. Durch einen frühzeitig eingeleiteten Dialog mit Anwendern und Umsetzungspartnern sowie einen abschließenden Workshop wurde der Transfer der Projektergebnisse sichergestellt.

Am Projekt beteiligte Wissenschaftler

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ludger Schmidt
Dr.-Ing. Bernd-Burkhard Borys
Martin Seeger, M. Sc.
Tobias Stein, M. Sc.

Förderung und Laufzeit

Bundesministerium für Bildung und Forschung, 5 / 2014 - 10 / 2015

Weitere Informationen zum Projekt


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dreidimensionale Darstellung von sechs Anflügen

Auditive Flugführungsanzeigen

Einsatz räumlich positionierter auditiver Anzeigen zur Ausgabe von Zustands- und Richtungs­informationen im Flugzeugcockpit

Der Pilot im Cockpit eines modernen Verkehrsflugzeuges erhält Infor­ma­tionen im Wesentlichen über den visu­ellen Kanal. Auditive Anzeigen erzeugen bisher nur Auf­merk­sam­keit und übermitteln selten weitere Informa­tionen. Auditive Anzeigen mit Richtungsinformation werden im zivilen Bereich bisher nicht eingesetzt.

Es wird in diesem, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt untersucht, ob räumlich positionierte auditive Anzeigen Flug­führungs­aufgaben sinnvoll unterstützen können. Die Position der Anzeige soll dabei die Steuerung der eigenen Bewegung in Raum und Zeit und die Identi­fizierung von Objekten im Raum nach Richtung und Entfernung unterstützen.

Es wird erwartet, dass der erfolgreiche Einsatz räumlich positionierter auditiver Anzeigen im Cockpit das Be­wusst­sein über die Position im Luftraum und be­züg­lich des umgebenden Verkehrs erhöht, die Einhaltung von Freigaben in Raum und Zeit und damit Staffelungsvorgaben unterstützt und so die Sicher­heit erhöht. Außerdem wird der reibungslose Ablauf unterstützt, somit werden Wirt­schaft­lichkeit, Pünktlichkeit und Passagierkomfort erhöht.

Am Projekt beteiligte Wissenschaftler

Dr.-Ing. Bernd-Burkhard Borys
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Gunnar Johannsen
Dipl.-Ing. Vitalij Laubach

Förderung und Laufzeit

Deutsche Forschungsgemeinschaft, 2006 - 2009

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Lastwagen vor Bagger mit rot markiertem Schutzbereich

Auditive Anzeige zur Kollisionswarnung

Entwicklung einer auditiven Anzeige zur Kollisionswarnung auf einem sehr großen Nutzfahrzeug

Der Fahrer eines sehr großen Baufahrzeuges kann nicht sehen, welche Hinder­nisse sich hinter und teilweise auch seitlich von seinem Fahrzeug befinden. Er wird durch eine auditive Anzeige auf Hinder­nisse außerhalb seines Sichtbereiches aufmerksam gemacht. Der visuelle Fokus des Fahrers liegt vor dem Fahrzeug, die Hindernisse im Wesentlichen hinter dem oder seitlich des Fahrzeugs und außerhalb des Sichtbereichs. Eine auditive Anzeige ermöglicht es, eine Hinderniswarnung zu geben, ohne den visuellen Kontakt zur Arbeits­umgebung aufzugeben.

In diesem Projekt wurde eine auditive Anzeige entworfen und experimentell erprobt. Die auditive Anzeige er­mög­licht es dem Fahrer, Richtung und Dringlichkeit einer drohenden Kollision sowie Systemzustände wie Betriebs­bereitschaft oder Fehlfunktion zu erkennen. Der Entwurf erfolgte so, dass die Anzeige im Hintergrund­geräusch (Motor und Hydraulik) hörbar ist, angenehm klingt und die Vermittlung der Richtungs­information zulässt.

Der Richtungseindruck wird durch Pegeldifferenzstereofonie erzeugt, wobei jeweils zwei von vier seitlich und hinter dem Fahrer angebrachten Lautsprechern gleichzeitig angesteuert werden. Die geeignete Pegelverteilung zur Er­zeu­gung von positionierten Phantomschallquellen wurde experimentell ermittelt. Die Dringlichkeit wird durch ge­eig­neten Entwurf unterschiedlicher Anzeigeformen vermittelt.

Am Projekt beteiligte Wissenschaftler

Dr.-Ing. Bernd-Burkhard Borys
cand.ing. Leif Carl
Dipl.-Ing. Gerd Strätz

Kooperationspartner

TEREX | O&K, Dortmund

Laufzeit

4 / 2006 - 12 / 2006 

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Informationsfluss während der Optimierung

Evolutionäre Optimierung von Mensch-Maschine-Schnittstellen

Vorgestellt wird eine neue Methode, Schnittstellen zwischen Menschen und Maschinen für individuelle Bediener anzupassen. Durch Anwenden von Abstraktionen evolutionärer Mechanismen wie Selektion, Rekombination und Mutation in der EOGUI-Methodik (Evolutionary Optimization of Graphical User Interfaces) kann eine rechnergestützte Umsetzung der Methode für Graphische Bedienoberflächen, insbesondere für industrielle Prozesse, bereitgestellt werden. In die Evolutionäre Optimierung fließen sowohl die objektiven, d.h. messbaren Größen wie Auswahlhäufigkeiten und -zeiten, mit ein, als auch das anhand von Online-Fragebögen erfasste subjektive Empfinden der Bediener. Auf diese Weise wird die Visualisierung von Systemen den Bedürfnissen und Präferenzen einzelner Bedienern angepasst. Im Rahmen dieser Arbeit kann der Bediener aus vier Bedienoberflächen unterschiedlicher Abstraktionsgrade für den Beispielprozess MIPS (MIschungsProzess-Simulation) die Objekte auswählen, die ihn bei der Prozessführung am besten unterstützen. Über den EOGUI-Algorithmus werden diese Objekte ausgewählt, ggf. verändert und in einer neuen, dem Bediener angepassten graphischen Bedienoberfläche zusammengefasst. Unter Verwendung des MIPS-Prozesses wurden Experimente mit der EOGUI-Methodik durchgeführt, um die Anwendbarkeit, Akzeptanz und Wirksamkeit der Methode für die Führung industrieller Prozesse zu überprüfen. Anhand der Untersuchungen kann zu großen Teilen gezeigt werden, dass die entwickelte Methodik zur Evolutionären Optimierung von Mensch-Maschine-Schnittstellen industrielle Prozessvisualisierungen tatsächlich an den einzelnen Bediener anpasst und die Prozessführung verbessert.

Doktorand

Dr.-Ing. Andreas Völkel, 2005

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Destillationskolonne

Virtuelle Prozessvisualisierung am Beispiel eines verfahrens­technischen Prozesses

Veränderungen in der Prozess­leit­technik sind häufig von Zentrali­sierung und Entfremdung geprägt. Immer weniger Operateure überwachen und kontrollieren immer mehr und immer komplexere Prozesse.

In dieser Arbeit wurde ein Konzept entwickelt, in dem der oben an­ge­sprochenen Problematik mit speziellen Visualisierungstechniken der virtuellen Realität begegnet wird. Die einzelnen Prozesseinheiten werden als sogenannte virtuelle Prozesselemente implementiert. Basierend auf einer für die jeweilige Elementgruppe typischen Erscheinungsform wird ein grafisches Objekt modelliert. Durch die starke Bildhaftigkeit wird die Entstehung eines korrekten mentalen Modells unterstützt, auf dem die richtige Handlungsplanung des Operateurs beruht.

Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Visualisierung von Prozess­größen und Relationen zwischen den Prozesselementen. Die Relationen zwischen den Elementen, wie beispielsweise Zeitabhängigkeiten, haben eine große Bedeutung für die korrekte Prozessführung. Neben der realitätsnahen Darstellung von visuellen Größen wie Füllständen wurden nicht-visuelle Größen wie Temperatur oder Druck durch Farb- und Formkodierungen dargestellt. Besonderer Wert wurde auf die Verwendung von Kodierungen gelegt, die im allgemeinen Verständnis weit verbreitet sind und so einen geringen Lern­aufwand erfordern.

Als exemplarische Anwendung wurde eine Schnittstelle zur Führung eines Destillations­prozesses zur thermischen Trennung von Benzol und Toluol imple­mentiert. Am Ende des Projektes wurde die erstellte Prozessvisualisierung im Vergleich mit abstrakten Darstellungsformen bewertet.

Doktorand

Dr.-Ing. Carsten Wittenberg, 2000

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Destillationskolonne im Leitwartenbild

Approximative wissensbasierte Prozessvisualisierung auf Basis der Fuzzy Logic

Eine neuartige Gestaltungsmethode und -technik zur Erstellung von Mensch-Maschine-Schnittstellen ist entwickelt und am Beispiel einer Destillations­kolonne angewandt worden. Diese Methoden und Technologien streben zu einer verstärkten Benutzerorientierung während der Entwicklung von Mensch-Maschine-Schnittstellen, die an die kognitiven Strukturen von Prozess­bedienern angepasst sein sollten. Um eine harmonische Interaktion zwischen Mensch und Maschine zu erreichen, werden verschiedene Modelle mensch­lichen Wissens, die in analoger und begrifflicher Form verfügbar sind, sowohl bei der Gestaltung der grafischen Bedienoberfläche als auch von Software­strukturen des jeweiligen Informations-Managementsystems berück­sichtigt.

Unscharfe Logik (Fuzzy Logic) wird zur Konvertierung des begrifflichen Wissens in eine Computerrepräsentation eingesetzt. Damit wird es möglich, symbolische Werte über ein gesamtes Mensch-Maschine-System in approximativer Weise zu visualisieren. Erzielt wird eine Visualisierung und Darstellung des tech­ni­schen Systems durch verschiedene Betrachtungsweisen, wie Prozess­zustände, Dringlichkeit zur Durchführung von Aufgaben, kausale Zusammen­hänge sowie neuartige Visualisierungsformen. Zu diesen Visualisierungs­formen gehören approximative Prozessvisualisierung, aufgaben­abhängige Zustands­visualisierung, zustandsabhängige Aufgabenvisualisierung und nicht zuletzt kausalorientierte Visualisierung von Zielerfüllungsgraden.

Doktorand

Dr.-Ing. Salaheddin Odeh, geb. Ali, 1998

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Darstellung von Flugparametern in der visuellen Peripherie am Beispiel der Entwicklung von Hubschraubercockpits

Hubschrauber werden für Arbeitseinsätze verwendet, bei denen der visuelle Fokus des Piloten außerhalb des Cockpits liegt. Die Cockpitinstrumente, die gleichzeitig beobachtet werden müssen liegen damit in der visuellen Peripherie.

In dieser Arbeit wurde ein neuer Ansatz entwickelt, mit dem Systemparameter eines Hubschraubers im peripheren visuellen Feld dargestellt werden können. Dazu werden dynamische Komponenten verwendet. Es wird eine Größen- und eine Bewegungsmusterklassifikation vorgenommen. In Simulatorexperimenten wurde nachgewiesen, dass die Wahrnehmung von peripher angeordneten Informationen durch die neuartigen dynamischen Anzeigenkomponenten deutlich verbessert wird.

Aktive Berufspiloten wurden in die Gestaltung, Verfeinerung und Validierung des Anzeigenkonzeptes einbezogen. Auf Grund der Ergebnisse ist zu erwarten, dass die Diagnose von Fehlern im Cockpit von Hubschraubern erleichtert werden kann und die Verteilung der notwendigen Informationen auf das gesamte visuelle Feld ermöglicht wird.

Doktorand

Dr.-Ing. Jörg-O. Hartz, 1997

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Situationsabhängige Mensch-Maschine-Schnittstelle

Dieses interdisziplinäre Forschungsvorhaben begann 1996 mit einer voraussichtlichen Laufzeit von 3 Jahren. Das Hauptziel des Projekts war eine qualitative Verbesserung der Mensch-Maschine-Interaktion durch eine dynamisierte modellhafte Abbildung des technischen Systems in Leitwarten-Software.

Das Projekt ging bei der Erstellung von Prozessvisualisierungssoftware von einer Aufgabenorientierung aus. Dies umfasst die Fragestellung, welcher situationsspezifische Informationsbedarf bei Operateuren industrieller Leitwarten vorliegt und was aus der Sicht der Schnittstellenergonomie wünschenswert ist unter Beachtung von Randbedingungen, die durch das abzubildende technische System gesetzt werden. Aus der Beantwortung dieser Fragestellung und der genannten Bedingungen ergeben sich die Mindestanforderungen, die eine Leitwarten-Software erfüllen muß. Diese Sichtweise schließt den Prozessbediener (Anlagenfahrer) ausdrücklich in das Produktionssystem ein.

Der Informationsbedarf des Prozessbedieners hängt von der dynamischen Charakteristik unterschiedlicher Interaktionssituationen ab. Diese werden bestimmt durch die technischen Systemzustände, die Arbeitspotentiale des Prozessbedieners und dessen Informationsverarbeitungsziele. Es war das Ziel dieses Forschungsvorhabens, ein aufgabenorientiertes Mensch-Maschine-Schnittstellenkonzept zur Integration von Darstellungstechniken und Wissensstrukturen zu entwickeln und dieses an einem Anwendungsbeispiel zu erproben und zu bewerten.

Am Projekt beteiligte Wissenschaftler

Univ-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gunnar Johannsen
Dipl.-Ing. Falk Mletzko
Dipl.-Psych. Werner Ebert
Dipl.-Des. Philip Zerweck

Förderung und Laufzeit

Deutsche Forschungsgemeinschaft, 1996 - 2003

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MFM-Darstellung
MFM-Darstellung

Prozessvisualisierung mittels Ziel-Mittel-Hierarchien

Process Visualization using Means-Ends Hierarchies

In diesem Projekt wurden alternative Benutzerschnittstellen für die beiden Anwendungen des Projekts AMPCA entwickelt: Für eine Zementmühle und für einen Dampferzeuger eines fossil befeuerten Kraftwerks. Diese Schnitt­stellen benutzen zwei neue Verfahren, das Multilevel Flow Modelling (MFM) von Lind und das Ecological Interface Design (EID) von Vicente und Rasmussen.

Die Anwendung dieser Verfahren führt zu Schnittstellen, die Alternativen darstellen zu den üblichen Methoden des Anzeigenentwurfs. Konventionelle Entwürfe zeigen eine topologische Sicht, also die physikalisch vor­han­denen Ver­bin­dun­gen zwischen den Anlagenbestandteilen, aber nicht die funktionale Beziehung zwischen den Kom­po­nenten.

MFM und EID gebrauchen beide eine Ziel-Mittel-Hierarchie, um den Prozess zu visualisieren. In einer Ziel-Mittel-Hierarchie müssen die Ziele erreicht werden, und dabei sind die Mittel die Wege zur Erreichung dieser Ziele. Abhängig von der Hierarchieebene sind die Ziele entweder das Hauptziel, Unterziele oder die Funktionen, und die Mittel sind die Unterziele, die Funktionen oder die Handlungen. An der Spitze der Hierarchie befindet sich das Produktionsziel der Anlage. Die niedrigste Ebene enthält die einzelnen Handlungen, die vom Bediener durch­geführt werden müssen. Die Ziel-Mittel-Hierarchie visualisiert die Bedingungen, die erfüllt werden müssen, um das Hauptziel zu erreichen.

Beide Verfahren gehen einen beträchtlichen Schritt über den konventionellen Schnittstellenentwurf hinaus. Potentielle Vorteile liegen in einer verbesserten Einsicht in die Funktionsweise der Anlage, einer besseren Fehlerdiagnose und möglicherweise einer Reduktion der Lernzeiten der Bediener.

Am Projekt beteiligter Wissenschaftler

dr. ir. M. M. (René) van Paassen

Föderung und Laufzeit

Brite/EuRam-Stipendium der Europäischen Kommission, 1994 - 1996

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Partizipatives Design

Interaktive Gestaltung und Bewertung von Bedienoberflächen

Während der ersten Phase dieses Projektes wurden verschiedene Methoden für die Gestaltung von grafischen Bedienoberflächen der Prozessleittechnik entwickelt. Durch den Einsatz dieser Methoden ist es möglich, Prozess­bediener in den Gestaltungsprozess von Bedienoberflächen frühzeitig einzubeziehen. Um eine effektive Partizipation von Prozessbedienern bei der Gestaltung ihrer Bedienoberflächen zu erreichen, waren die Durch­führung einer umfassenden Aufgabenanalyse, die Beschaffung und Weiterentwicklung eines leistungs­fähigen Grafikwerkzeugs zur Erstellung von Prototypen sowie die Bewertung der realisierten Bedien­oberflächen mittels Laborexperimenten notwendig. Entwickelt wurden verschiedene Bedienoberflächen mit unterschiedlichen Philo­so­phien, wie konventionelle Prozessvisualisierung, die überwiegend Fließ­diagramme einsetzt, sowie fort­geschrittene Visualisierungstechniken wie die Multi-Level Flow Modelling-Methode (MFM).

In der zweiten Phase des Projektes wurde der Partizipationsaspekt mit Hypermedia-Ansätzen erweitert, um die Motivation und Qualifikation von Prozessbedienern zu erhöhen. Diese Ziele wurden durch die Entwicklung neu­artiger Visualisierungsformen technischer Prozesse, den Einsatz von qualitativen Simulationen zur Ani­mation bereits existierender Bedienoberflächen sowie die Integration von Hypermedia-Benutzerschnittstellen in Prozess­leitsysteme erreicht.

Alle dieser während des Projektes entwickelten Methoden und Techniken sind mittels eines chemischen Prozess­simulators bewertet und untersucht worden. Die Simulation wurde am Institut für Systemdynamik und Regelungs­technik der Universität Stuttgart entwickelt.

Am Projekt beteiligte Wissenschaftler

Dr.-Ing. Sallaheddin Odeh, geb.  Ali
Dr. rer. pol. Dipl.-Psych. Jens Heuer
Dr.-Ing. Martin Hollender
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gunnar Johannsen

Kooperationspartner

Dr. Seufert Computer GmbH, Karlsruhe
Delft University of Technology, Delft, Niederlande
Loughborough University, Leicestershire, Großbritannien
Université de Liège, Liège, Belgien
Universität Stuttgart

Förderung und Laufzeit

Deutsche Forschungsgemeinschaft, 1992 - 1996

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