Ubiquitous Computing: Geräte - ibr.cs.tu-bs.de · Ubiquitous Computing Mark Weiser (1952-1999)...

Ubiquitous Computing(Ubiquitäre Informationstechnologien)Vorlesung im WS06/07

Michael BeiglTU BraunschweigInstitute of Operating Systemsand Computer Networkswww.ibr.cs.tu-bs.de/dus

Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-2

Übung / Vorbereitung

Lektüre für nächste VorlesungCooperstock, J., Fels, S., Buxton, W. & Smith, K.C. (1997). Reactive environments: Throwing away your keyboard and mouse, Communications of the Association of Computing Machinery(CACM), 40(9), 65-73.N.Davis, H. Gellersen, Beyond Prototypes, IEEE Pervasive Computing 2002

OptionalMozer, M. C. (1999). IEEE Intelligent Systems, An intelligent environment must be adaptive Zwei CMC-Artikel zu Ubicomp&Privacy: Default=Offline, Ubicomp vs Radical Privacy

FragenWie hat sich die Nutzung von Kontext im Laufe der Entwicklung der technischen Systeme verschoben?


ÜbersichtVorlesung Ubicomp

Geräte und UmgebungenParcTab: erste Ubicomp Geräte und UmgebungenReaktive UmgebungenAppliancesHardware für AppliancesWearables

CommunicationContextHCI


Einflüsse

Vannevar Bush 1945: “As We may think“

Technologie hat bisher Arbeitskraft erweitert/ersetzt

Technologie soll intellektuelle Leistung erweitern/ersetzen

Douglas Engelbart 1962

Konkretisierung der Idee V.Bushs

„augmenting human intellect, improvement infrastructure, co-evolution of artifacts with social-cultural language-practices, and bootstrapping“

J. Licklider 1968: „The Computer as a Communication Device“

Arpa-Net, globale VernetzungPARC: Xerox Palo Alto Research Center

Realisierung eines Teils der IdeenAlto: erster Stand-Alone Rechner mit GUIWYSIWIG, Ethernet, SmalltalkClient/Server: File, Mail, Boot, Printer

Quelle:www.bootstrap.org


Einflüsse

Myron Krueger, 1974 (Anfänge 1969) !Verbindung zwischen virtueller Welt der Daten (dargestellte Artefakte) und realer Welt (dem Benutzer)Dargestellt als KunstGrundelemente enthalten: System erkennt Ereignisse in realer Welt (Kontext), verarbeitet diese und gibt direkte Reaktion auf diese Ereignisse (Effektoren)


Ubiquitous Computing

Mark Weiser (1952-1999)1988-1995 Manager of the C.S. Lab, PARCab 1988 Ubicomp Forschungsprogramm am PARC1991 “The Computer for the 21st Century”, Grundlagenartikel im Scientific American1999 ACM SIGMOBILE Award

Vision & UmsetzungParcTab Ubiquitous Computing Experiment“preliminary testbed for Ubiquitous Computing”“emphasizing context, sensitivity, casual interaction and spatial arrangement of computers”

„As inexpensive computers add limited intelligence to a wider variety of everday products, a new model of computing becomes possible“


“Gute Technologie ist unsichtbar”“invisible technology stays out of the way of the task”Beispiel Schrift, Auto, Elektrizität“bad technology draws attention to it”“(today’s) computers are mostly not invisible”integriert in die physikalische Welt

um unsere Gedanken für neu Ziele freizuhaben

Verändertes Nutzerbild (“a return to the whole person”)“Rational analysis is only a small part of the successful person”“Planning is only a small part of thinking and work”nicht nur ein Interface(-beschreibungs) Problem

„Ubicomp honors the complexity of human relationships, the fact that we have bodies, are mobile“

Weiser: Ubiquitous Computing


Weiser, Brown: Calm Technology

Forground – BackgroundNicht-computerisierte Alltagsgegenstände weniger aufdringlich als Computer oder Computerähnliche GeräteGrund: Alltagsgegenstände wechseln zwischen Hintergrund- und Vordergrundwahrnehmung2 Eigenschaften für den Calm Computer

Wechselt zwischen Vorder- und HintergrundwahrnehmungBereichert Hintergrundwahrnehmung

Computer als „good tools“erfordert keine explizite Aufmerksamkeit, sondern halten sich im Hintergrundbesitzen an Aufgaben angepaßte, optimierte und offensichtliche BedienungAusprägungen: Einfaches Werkzeug zur direkten Verwendung Computer als Sekundärartefakt„tools are not invisible in themselves, but as partof a context of use“ berücksichtigen den Kontext


Fragen als Übung

Was unterscheidet die Visionen?Welche Vision haben sich bereits erfüllt (Beispiele, Produkte)?

Auf Vorrat sammeln…


Historische Zeitlinie

ActiveBadge, ORL Cambridge, 1988

Wearable, Augmented Reality z.B. KARMA (CMU), 1993Adaptive Home, Boulder, 1993

Things That Think, MIT MediaLab, 1991XeroxParc ParcTab etc. 1991

Z.T. Konzepte unter anderen Namen schon vorher vorhanden

MediaCup, TecO, 1998Classroom2000, FCE, GeorgiaTech, 1997

Cooltown, HP Labs, 1999 Oxygen, MIT, 1999Portolano, Washington, 1999

Buxton: Reactive Environment, 1995

Responsive Environments, Krueger, 1974

Newton, Apple, 1993

Smart Dust, Berkeley, 2000 Smart-Its, TecO, 2000

PocketWeb, TecO, 1994

Ubicomp, XeroxParc, 1988


Historische Zeitlinie: Geräte

Newton Message Pad, Apple 1993

Palm Pilot, US Robotics/3Com 1996Windows CE Geräte (CE 1.0) 1996

Win CE 2.0, 1997HP 620LX erstes Color Display, 1997

Nokia Communicator, 1996

Palm Clones/ OS Licence, 1999

XeroxParc ParcTab 1991

Visor Handspring,1999

Psion 1, 1984

+ Newton, Apple, 1998

Pocket PC / Windows CE 3.0, 2000

iPod Oct 2001

First Archos MP3 (später:MPEG2) player,1999

D-Netz Probebetrieb, 1991

Camera Phone, Sharp, 2000

Sony eBook 2005


Forschungsschwerpunkte 1988 für ParcTabDeviceEnergyBandwidth / NetworkDisplay / Interactionauch: Security/Privacy, Methodik

“two issues [are] of crucial importance: location and scale”Lokation ausgezeichneter KontextMaßstab, Formfaktor als Merkmal der Anpassung des Computers an die WeltVerschiedene Geräte für verschiedene AufgabenAber: Zusammenarbeit: “The real power of the concept comesnot from any one of these devices; it emerges from the interaction of all of them. „

Umsetzung der Vision: ParcTab


ParcTab

MethodikEmpirischer Ansatz XeroxParc: “Build what you use. Use what you build” Mark Weiser: "You let what you build change you, and you moveon." (Living Lab)Prototyp-Infrastruktur in eigener BüroumgebungInterdisziplinäres Vorgehen

RealisierungViele, insbesondere unpersonalisierte GeräteInterkonvektivität der Geräte untereinander und zu InformationsnetzwerkenVerschiedene Geräte für verschiedene AnwendungsfunktionenLokation als Kontext

Gutes Beispiel für grundlegende Konzepte wie Kontext, ad-hoc Netze, teilweise Anwendungen


ParcTab Projektziele

GeräteEntwicklung von beispielhaften mobilen Geräten

NetzwerkeNetzwerke für große Anzahl von Rechnern, geringer Energieverbrauch

Information und InfrastrukturUbiquitärer Zugriff auf Information und Dienste

KontextGewinnung und Einbeziehung von Kontext zur Verbesserung der Fkt. von Gerät, Netzwerk, Interaktion, Anwendung

Mensch-Maschine InteraktionGestaltung von nicht-expliziter Interaktion sowie Interaktion mit mobilen Geräten

AnwendungNutzung von Lokation und Kontext


ParcTabVideos

Von http://sandbox.xerox.com/hypertext/weiser/UbiMovies.html

Ubicomp IntroUbicomp ParcTab


GeräteklassenAufteilung anhand der Größe/Nutzung der GeräteTabs: Notizzettel-ähnliche Abmessung, „PDA-Terminal“ mit Netzwerk

Pads: erster Tablet-“PC“: Stiftbedienung, wireless LAN

Boards: Liveboard, Touchsensitive Oberfläche, Integriert mit Tab und Pad, nur für CSCW Anwendung (Tivoli)

“...for each person in an office there should be hundreds of tabs, tens of pads and one or two boards”Gerätedesign lehnt an existierende physik. Objekte, Nutzung anZiel: Benutzung zu erleichtern, 0-Lernphase

Geräte: Tabs, Pads und Boards

Quelle: www.ubiq.com

Quelle: www.parc.com

Quelle: Roy Want


Geräte: Tabs, Pads und Boards

Allgemeine Designrichtlinienklein, leicht, ästhetisch, ergonomischals Accessoire vom Benutzer akzeptiertangepasste Laufzeit des Gerätspreiswertangepasste Bedienung an FunktionszweckZuverlässig

Spezielle Designrichtlinien

Informationsgeräte StiftbedienungTab: Einhändige BedienungBatterielaufzeit mindestens ein TagZuverlässiges Netzwerk


Geräte: ParcTab

Technik

10.5 x 7.8 x 2.4 cm

215g, davon 70g Batterie (360mAh)

8-bit embedded Microcontroller, 8051 derivat, low-power Modi

27 mA@5V run, 30µA sleep

für Links- und Rechtshänder

128*64 LCD monochrom, touch

Eingabe: Stift oder/und 3 Knöpfe

System

Tab nur Display, keine Anwendung

Anwendungen auf fix zugeordetemAnwendungsrechner (meist private Workstation), auf der Agent des Tab installiert ist

Quelle: http://www.ubiq.com/


Mensch-Maschine InteraktionParcTab Eingabe

ProblemKleines Display (mit Absicht, Zielrichtung Uhr)Einhandbedienung ABER auch komplexe Interaktion

LösungButton-Konvention up/down/select für 3 Buttons + Stift

EingabeGrafik, onscreen keyboard, UnistrokeKeyboard: 2 Zeichen / Min.Unistroke (kein Absetzen bei Buchstaben): 1 h Einarbeitung, angeblich bis zu 2 facher Handschrift (33 Zeichen/Min.) [MacKenzie et al.1994]

AuswahleingabeElision inkrementelle SucheAuswahlliste



Prinzip

Client/Server Netzwerk mit Infrastrukturüber Deathstar Basestation Transceiver

Infrarotkommunikation (850nm), 9600 oder 19200 baud, dyn. adaptiert

diffuse Kommunikation (kein IrDA!) ermöglicht Ausnutzung der Reflektion

damit weniger Abschattung & geringer Energieverbrauch

aber geringer Bandbreite

Räume = Zellen (“nanocells”) ermöglichen Lokalisierung

Deathstar Basestation

24 IR-Sende-, 2 Empfangsdioden

Paketpufferung

Verbindung zu LAN via Workstation (serielle Schnittstelle)

NetzwerkParcTab Mobilkommunikation


Deathstar


ParcTab Info-Infrastruktur und Netzwerk / Middleware

Tab 1

Tab 3

Tab 4

Deathstar

Roy‘s Office

Bill‘s Office

Tab 1Agent

GatewayWorkstation

IR

Eth

erne

t

Tab 3Agent

Tab 4Agent

Anwendung1Anwendung2

Anwendung3



Anwendung3


ParcTab Info-Infrastruktur und Netzwerk

Tab 1

Tab 3

Tab 4

Deathstar

Roy‘s Office

Bill‘s Office

Tab 1Agent

GatewayWorkstation

IR

Eth

erne

t

Tab 3Agent

Tab 4Agent


Anwendung3



Anwendung3

Tab 1 Sendet InformationenDiese werden von IR Transceiver aufgenommen, der seine

Lokation kennt



Tab 1

Tab 3

Tab 4

Deathstar

Roy‘s Office

Bill‘s Office

Tab 1Agent

GatewayWorkstation

IR

Eth

erne

t

Tab 3Agent

Tab 4Agent


Anwendung3



Anwendung3

Lokation wird zu Daten hinzugefügtMeldung wird zum Agent weitergeleitet, der auf einem (privaten)

Computer arbeitet



Tab 1

Tab 3

Tab 4

Deathstar

Roy‘s Office

Bill‘s Office

Tab 1Agent

GatewayWorkstation

IR

Eth

erne

t

Tab 3Agent

Tab 4Agent


Anwendung3



Anwendung3

Agent hat Zugriff auf alle private Daten (Lokation etc.) des TabsAgent leitet Anfrage an gewünschte Anwendung weiter



Tab 1

Tab 3

Tab 4

Deathstar

Roy‘s Office

Bill‘s Office

Tab 1Agent

GatewayWorkstation

IR

Eth

erne

t

Tab 3Agent

Tab 4Agent


Anwendung3



Anwendung3

Reaktion der Anwendung wird als Antwort zum Tab zurückgegeben


ParcTab

Klassisches Middleware-SystemN-tier

Mehrere Stufen von Client zum „End“ServicePersonalisierte Informationsdarstellung durch Zuordnung an ein persönliches Gerät

Tab-Agent, der in der persönlichen Maschine abläuftKeine Synchronisierung der Datenbestände notwendigEinfachere, konsistente SicherheitsverwaltungDamit besser konzeptualisierbar als verteilte persönliche InformationsverwaltungAber: Verbindungsunterbrechung beendet Zugriff, oft kein nahtloser ZugriffFunktionale Dekomposition, Informationelle Integration


NetzwerkTab-RPC Protokoll I

ParcTab AnwendungskommunikationTab verhalten sich wie Terminals, Benutzerschnittstelle&Anwendung getrennt (Separation of concerns) Anwendungen auf dem Tab sind Ereignisgesteuert (wie Widgets in X11)Kommunikationsdetails werden vor Entwickler durch eine Bibliothek verborgenKommunikation via erweitertem Sun-RPC (UDP!)

Tab-RPC (Session Layer, 5)Request/Reply Protocoletwa 30 Funktionen, Fkt. können in ein Paket kombiniert werdenBeispielfunktionen: display_text, display_bits, wake_up...Payload: Request, Reply, Event

PayloadTyp

Sequenz-Nummer Funktion Mehr

Funktionen Ende


NetzwerkTab-RPC Protokoll IITab-RPC: Request / Reply

Tab Remote Procedure Call (T-RPC)

Anwendung Agent Gateway Tab 1

8

3

5

4 REQUEST

REPLY6

RPC

RPC7

2

RPC

1 Anwendung sendet Funktionsaufruf; Biblio. leitet Aufruf an Agenten2 Agent kennt Lokation “seines” Tab, leitet Aufruf weiter an IR Gateway3/4 Gateway bestätigt und sendet REQUEST im IR-Paket via Deathstar5 Gateway empfängt Reply6/7 Weiterleitung an Agent anhand von Source-Adresse im Link Layer und “name-service”, Bestätigung8 Anwendung erhält Ergebnis des Funktionsaufrufs


NetzwerkTab-RPC Protokoll III

Tab-RPC: EventsEvents: Benutzerinteraktion, Signale zur Lokalisierungausgehend vom Tab

Event Notification

Anwendung Agent Gateway Tab EVENT1

RPC

2

3RPC5

4

1 Tab sendet Ereignis an IR-Gateway2 Gateway sendet aufgrund Source/name service Event an Agent3 Agent sendet Bestätigung4 Agent sendet Event der Anwendung5 ... die die Ankunft bestätigt


ParcTabKontextVerwendete Kontexte

Lokation eines Benutzers als symbolischer Ausdruck des Raumes in dem er sich befindet(alle 30s erneuert)Identität der BenutzersIdentität und Status von „nahen“ Geräten (Drucker, Liveboard, Kaffeemaschine)Physikalische Parameter wie Zeit, Temperatur, Lichtlevel, Wetterkonditionen

TechnologieActiveBadge System von ORL für BenutzerAufnahmepunkt kabelloser Daten (Cell-of-Origin, COO) von Pad = Lokation



ParcTabKontext Lokation und IdentitätAufbereitung zu höherwertigen Kontextendurch Kombination/Assoziation

wer ist in der Nähe

durch Aggregationwie oft war ich in diesem Zimmer

durch Zufügung von Informationwelcher Drucker ist in der Nähe Ausdruck auf nahegelegenem Druckerwelche Information benötige ich in dieser Umgebung Einschränkung Menues

ModellBill Schilit’s Kontextmodell: Klassifikation von Anwendungen, die Kontext nutzen


Anwendungen

Klassifikation aus Erfahrung mit ParcTab SystemInformationszugriffKommunikationComputer-unterstützte Zusammenarbeit (CSCW)Entfernte Kontrolle

InformationszugriffKalenderKontext-sensitiver Datenzugriff (file)„Forget-me-not“: Aufzeichnung der Ereignisse

Kommunikationkontext-sensitive E-Mail, Pager


Anwendungen II

CSCWAnnotationen zu gemeinsam bearbeiteten Dokumentenelektronische AbstimmungenRaum-abhängige virtuelle Zeichentafeln

entfernte KontrolleKommando für BoardsX10

ErfahrungElectronic Mail Reader (~11%)Wetterabfrage (~10.5%)Dateizugriff (~8%)Lokaler Download von Daten (~8%)Hoher Nutzungsanteil in Gemeinschaftsräumen ...... ohne sonstigen ComputerzugriffAuch kleine Displays eignen sich zum Lesen (E-Book!)


ParcTab

Probleme mit ParcTabInterferenzen bei Infrarotkeine nativen Anwendungenfür mobile Geräte, z.B. interessante Spiele (wie Gameboy,‘89)Viele Anwendungen abhängigvon Lokation Privatsphäre (sieheArtikel Web/Vorlesung)Nur „Teilabdeckung“ des Netzwerks

ErfahrungenZuverlässigkeit entscheidend„Dumme“ Terminals verhindern bestimmte Nutzungsweise Verteilte Systeme besser (z.B. Name Service)IR noch immer zu langsamFaktoren für den Erfolg: Größe, Aussehen, Nutzen&Bequemlichkeit, Anwendungen, kritische Nutzermassekurze Nutzungszeit (50% <100 sek.)

Quelle:retrogaming.gamezone.de


Reactive Environments

Buxton, 1995

Jenseits der direkten Ein- / Ausgabe, Informationsdarstellung nicht primäres Ziel

Kontexte wird als Ein-/Ausgabe verstanden, nicht nur zusätzlicher Parameter für bekannte explizite Ein-/Ausgabe

„To provide a mechanism for such behaviour, the integration of sensors with various devices was required. The output of these sensors allows the computer to determine when certain actions should be taken by the environment, or, in other words, how the environment should react“.

Auch hier befindet sich die Technologie im Hintergrund


Reactive EnvironmentsBuxton: DoorMouse

Nutzung von Metaphern anstelle von expliziter EingabeSelbes Protokoll für physikalische und Informations-Welt:physik.: Tür öffenen/schliessen, elektron.: Chat/netmeeting/Email-Notifikation an/aus

Quelle: http://www.dgp.utoronto.ca/tp/


Cooperstock, Buxton: Reactive Room

Nutzung von Beobachtung und Domänen-Wissen zur Unterstützung des Systems

Reactive Room (U of Toronto, 1995)Bisher: manuell gesteuerter VideokonferenzraumJetzt: Computerunterstützter VideokonferenzraumSensorik um Abläufe im Raum zu beobachten „der Raum reagiert“: automatische Steuerung der Konferenz-/Präsentations-Infrastruktur„der Mensch behält Kontrolle“: manuelle Intervention hat Vorrang vor automatischer Einstellung


Reactive Room: Entwurf

Aufgabenzerlegung und Automatisierung1. Bisher: Aufgabe von Benutzer zerlegt und technisch

transferiert Gerätefunktion nicht Aufgabe steht im Vordergrund

2. Jetzt: Definition von automatisch unterstützten Zielen1.) 2.)


Beispiel: Smart Light Switchunsichtbar: Bewegungssensor steuert Beleuchtungüberschreibbar: automatisch angeschaltete Beleuchtung kannwieder ausgeschaltet werdenRückkopplung: LEDs geben Zustandsinformation:z.B. Licht ist aus

... weil keine Bewegung gemessen

... weil manuell ausgeschaltet

... weil Birne kaputt

manualoff

manualon

autooff

autoon

Reactive RoomBeispiel I

motion

no motion

nomotion

ON

OFF

ON

OFF


Reactive RoomBeispiel II

Aufgabe, Reaktion durch Beobachtung ermittelt


Reactive EnvironmentsAdaptive House

U. Bolder, Michael MozerSeit 1992Sensoren und Aktoren eingebettet (75 Stück)keine neuen Schnittstellen, keine GUIsAdministrationslos! Keine Gates Villa mit Dutzenden von AdminsSelbstlerndene Umgebung: „Reaktive Environment“Schwerpunkt: Kognition, AI (neuronales Netz)Erstes „Living Home/Lab“, bewohnt durch Michael MozerAnwendungsziel: Energiesparen & größerer Komfort

Quelle: http://www.cs.colorado.edu/~mozer/nnh/


Reactive EnvironmentsAdaptive Home

SensorenGeräuschTemp.BewegungSchalterRegler

EffektorenHeizung LautsprecherVentilationLicht

Quelle: http://www.cs.colorado.edu/~mozer/nnh/


Reactive Environments

Entwurfsprinzipien (Buxton et al.)Unsichtbarkeit („invisibility“):Technologie arbeitet im HintergrundManueller Vorrang („manual override“): Intervention des Anwenders überschreibt automatische EinstellungenRückkopplung:(Feedback) Unsichtbarkeit darf nicht so weit gehen, daßSystemzustände nicht mehr nachvollziehbar sind

UmsetzungMetaphern: Existierende Protkolle/Verhaltensweise auf Computersystem übertragenBeobachtung: Beobachtung des Nutzers und Nutzung von Domänenwissen zur Automatisierung von (Hintergrund)Abläufen


Übung

Zählen Sie alle Objekte in Ihrem Zimmer... Falls Sie mehrere Zimmer bewohnen, gerne auch separat für jedes ZimmerEine Schätzung reicht: Ein Buchregal kann man nach Anzahl der Bücher in einer Reihe mal Regalböden schätzen etc.Elektronische und vernetzte Objekte zusätzlich separat erfassenSammelobjekte gelten als ein Objekt (Papierstapel, Sammlung von Büroklammern etc.), sollen aber separat vermerkt werden z.B.

350 ObjekteDavon 20 SammelobjekteDavon 5 elektronische ObjekteDavon 3 vernetzte Objekte

Bitte als eMail an [email protected] mit Subject: [UbicompUebung]

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