Das klassische Arbeiten in Unternehmen unterliegt einer Transformation – dies ist seit der im Frühjahr 2020 in Deutschland angekommenen Corona-Pandemie für die breite Bevölkerung spürbar. Aus einer oftmals vorhandenen Möglichkeit des Arbeitens von Zuhause wird plötzlich eine verbindliche Phase des Rückzugs ins Homeoffice. Aus dieser Situation heraus stellt sich vermehrt die Frage, wie sich diese Lage während und nach der Pandemie weiter entwickeln wird. Um die Innovationskraft in Unternehmen zu erhalten und zu steigern, ist eine effiziente Zusammenarbeit unterschiedlicher Disziplinen essentiell. Das im folgenden Artikel vorgestellte Forschungsvorhaben entsteht im Rahmen des globalen Innovationsmanagements der Robert Bosch GmbH am Campus für Forschung und Vorausentwicklung in Renningen. Ziel ist die Übersetzung eines regulären Coworking Space in einen sogenannten Corporate Coworking Space innerhalb eines Unternehmens. Durch eine ganzheitliche Gestaltung und Bewertung soll aufgezeigt werden, ob ein solches Vorhaben die disziplinübergreifende Zusammenarbeit unterstützen kann.

The importance of a general public being informed about science and technology has never been greater. Research institutions add to informal science communication with face-to-face events, during which the public interacts with scientific prototypes, functioning as science exhibits, in order to learn about science. The relevance of these out-of-the-lab science exhibits, for enabling the visitor to actively learn through experiences, has neither been explored nor recognised. This article illuminates this relevance, context and background, concluding with a research procedure.

In der Produktentwicklung ist eine interdisziplinäre, cross-funktionale Herangehensweise zwingend notwendig, um die komplexen Rahmenbedingungen der Produktentwicklung zu beherrschen. Insbesondere an der Schnittstelle zwischen Technik und Industriedesign kommt es jedoch durch die Heterogenität im Team immer wieder zu Problemen bei der Zusammenarbeit. Eine wichtige Rolle spielen dabei die funktionale Heterogenität, die sich aus der Zugehörigkeit zu Funktionseinheiten ergibt, sowie die fachliche Heterogenität, die durch Unterschiede bezüglich Wissen, Kompetenzen oder der (Aus-)Bildung entsteht. Die Forschungslage zu diesen berufsbezogenen Heterogenitätsmerkmalen wird als ambivalent beschrieben, weshalb sie in diesem Beitrag näher beleuchtet wird.

Materialien geben Produkten ihre Hülle, werden vom Betrachter unterschiedlich wahrgenommen und sind maßgeblich für die Akzeptanz oder Ablehnung eines Produktes verantwortlich. Obschon die Überprüfung der Akzeptanz von Materialen aus ökologischer und ökonomischer Sicht Sinn macht, beschränken sich Akzeptanzmodelle bislang weitgehend auf Technikinnovationen. Im Rahmen der Dissertation soll deshalb ein Akzeptanzmodell zur Überprüfung der Akzeptanzbereitschaft von Materialien entstehen. Aus der Perspektive des Designs werden am Beispiel Ledersubstitution Einflussfaktoren und Akzeptanzbarrieren definiert, ein neues Akzeptanzmodell zur Optimierung oder Gestaltung von Materialien entwickelt und mit bestehenden Ledersubstituten erprobt. Kurz gefasst lässt sich die Arbeit wie folgt beschreiben: Methodisch fokussiert sich die Arbeit auf die Entwicklung eines Materialakzeptanzmodells um das Ziel der Arbeit, die Optimierung und Gestaltung von akzeptierten Lederalternativen, zu erreichen. Warum sich die Arbeit auf Leder und seine Substitute beschränkt wird im folgenden Abschnitt erläutert.

Der Zuwachs an Textile Waste ist eine zentrale Herausforderung der Textilbranche. Der Bedarf nach Textilien steigt und Textilien werden in Ausgestaltung und Funktionalität zunehmend komplexer. Oft werden dabei unterschiedliche Eigenschaften verschiedener Materialien genutzt. Dies führt zu einem Materialmix, der das Textil-Recycling vor zusätzliche Herausforderungen stellt. Das Projekt verbindet die Herausforderung steigender Mengen an Textile Waste mit dem Anspruch, komplexe textile Produkte zu schaffen.

Hohe Produktivität und niedrige Kosten sind zentrale Kriterien von Produktionsmaschinen. Doch auch die Qualität und Leistungsfähigkeit der Mensch-Maschine-Schnittstelle (humanmachine interface – HMI) gewinnt an Relevanz bei der Gesamtbewertung einer Maschine. Das liegt auch daran, dass der Mensch als Maschinenbediener oder -überwacher in digitalisierten und Hochgeschwindigkeitsproduktionsprozessen schnell zum Flaschenhals der Informationsverarbeitung und damit ein limitierender Faktor für die Produktivität werden kann. Denn mit der Digitalisierung der Produktionssysteme erweitert sich die Menge an verfügbaren Informationen drastisch und neue Komplexfunktionalitäten wie Assistenzsysteme und dezentrale Überwachungsaufgaben führen zu neuen vielschichtigen Bedienfunktionen. Moderne HMIs müssen dabei nicht nur ergonomisch, sondern auch intuitiv und leistungsfähig sein und mit den richtigen Bedienfunktionen ein reibungsloses und sicheres Bedienen der Maschinen unterstützen.

Up to now, politics and societies from all over the world have sought an economy that is built on the idea of continual growth to establish a wealthy future and achieve societal prosperity. At the same time, people have neglected to consider that the resulting environmental pollution is the largest cause of disease and death in the world today. Therefore, it appears sensible to ensure that people’s well-being and nature’s well-being is uncoupled from profit-orientated aims. To break the circle of continual growth and the decreasing well-being of humans and nature, individual sustainability traits that are able to foster a transition to sustainable development need to be explicitly identified. Today’s young people will presumably face an even more severe level of consequences resulting from continual growth, which will reach far into the future, thereby affecting the living environment of future generations even more drastically. Therefore, this dissertation aims to answer the question of how young people possess and profit from their sustainability traits in terms of well-being. This work approaches this question by empirically investigating different interrelations between environmental values, the perception of environments (including the perception of naturalness and the perception of aesthetics), environmental concern and well-being in the context of young people. The empirical section is divided into three parts that investigate the different relationships step by step. These three parts are based on three different quantitative questionnaire surveys of young people in Germany. In the first survey (N = 229; Mage = 13.27 years, SD = 2.37 years), the relation between secondary school students’ human-nature relationship as a sustainability trait and their well-being was investigated. Analyses showed that the sustainability trait of human-nature relationships was significantly related to young people’s age-dependent well-being through nature perception in terms of naturalness and aesthetics as well as through individual nature connection. Young people were shown to profit from nature as resource for their own well-being. A positive human-nature relationship could be described as an important requirement for people to achieve sustainable development. In a second inquiry, university students (N = 237; Mage = 22.12 years, SD = 3.09 years) with a focus on the interrelations of sustainability traits that showed relations to people’s well-being in past research were surveyed. The results describe the interrelations between the specified sustainability traits of environmental values, a newly developed scale that theoretically and empirically validated affective nature connection, cognitive nature connection, and environmental concern. The findings indicate that the chosen sustainability traits mutually contribute to each other’s impact and do not preclude each other. Future research based on the results of the two described studies will likely show that sustainability traits are desirable characteristics and useful attributes that are available all over the world, no matter what a person’s age. As a final step, secondary school students’ environmental concern and well-being were quantitatively surveyed (N = 2173; Mage = 14.56 years, SD = 1.45 years) to analyze how environmental concern as a sustainability trait predicts young people’s well-being. The children’s and adolescents’ sustainability trait of environmental concern was able to predict young people’s well-being, with a clear dependence on age. The obtained outcomes supporting the aim to possess nature as a resource of well-being need to be considered in terms of young people’s age. Youth seem to experience sensitive periods of time in which the youth’s sustainability traits evidently act differently than in other stages of life. Hence it is important to point out that especially young people need age-appropriate treatment in terms of education for sustainable development to successfully foster young people’s sustainability traits. The main goal of this dissertation was to explore and identify in-depth insights into young people’s sustainability traits and their interrelations as well as the connections to young people’s well-being. As such interrelations between sustainability traits and well-being meet the aims of sustainable development as well as political and societal aims for a healthy future life environment for everyone which is expected of continual (economic) growth up to the present time, age-dependent education for sustainable development could address the need for young people to become progressive decision makers who create future-proof solutions for themselves and others, considering the constitution of a worthy life for present and future generations.

Hintergrund. Zur Anpassung an volatile Märkte und zur Optimierung der Produktion schreiten die Digitalisierung und Entwicklung zur Industrie 4.0 in der Automobilindustrie rasant voran. Mit erhöhter Komplexität und Flexibilität der Produktion steigt die Vielfalt an Fahrzeugvarianten, arbeitsrelevanten Informationen, Handlungsalternativen und Lernanforderungen. Diese Faktoren können die Qualität der variantenreichen Automobilmontage beeinträchtigen. Einschränkungen der Verfügbarkeit und Wahrnehmung stationärer Montageinformationen tragen zu komplexitätsbedingten Variantenfehlern bei. Flexibles Neu- und Umlernen von Montagetätigkeiten führt zu weiteren Fehlerbildern. Im Zuge der Digitalisierung und steigender Anforderungen gewinnen mobil zugängliche Montageinformationen an Bedeutung. Wearable Devices, d. h. am Körper getragene Informations- und Kommunikationstechnologie, ermöglichen den freihändigen, mobilen Zugang zu Informationen während der Montage. Jedoch werden kaum konkrete Assistenzkonzepte mit Wearable Devices für die variantenreiche Automobilmontage beschrieben bzw. systematisch evaluiert. Ob sie zur Qualitätssteigerung beitragen und welche Faktoren für oder gegen ihre Nutzung zur Montageassistenz sprechen geht aus der bisherigen, heterogenen Forschung nicht hervor. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Konzepte zur Informationsassistenz der variantenreichen Automobilmontage mit Wearable Devices entwickelt. Das erste Konzept, Order Attention Guiding, soll die Salienz seltener Fahrzeugvarianten steigern, indem Wearable Devices automatisiert Hinweissignale ausgeben. Das zweite Konzept, Order Sequence Guiding, zeigt die Montagesequenzen eines Arbeitsbereiches an, um die Vollständigkeit und Einhaltung der Montagereihenfolgen zu unterstützen. Zielstellung. Diese Arbeit soll die Fragen beantworten, ob und unter welchen Bedingungen Wearable Devices zur mobilen Informationsassistenz der variantenreichen Automobilmontage beitragen und von den Mitarbeitern genutzt werden. Aus diesem mehrdimensionalen Ansatz ergeben sich die Evaluationsschwerpunkte der Montageleistung mit Wearable Devices (Unterstützungspotenzial), der Akzeptanz sowie geräte- bzw. interaktionsspezifischer Nutzungsbarrieren (Diskomfort, Beschwerden, Workload). Zur Analyse der Einflussfaktoren auf die Akzeptanz soll die Unified Theory of Acceptance and Use of Technology (UTAUT) auf Wearable Devices im Produktionskontext übertragen und um Faktoren des Vertrauens in die Geräte und Nutzungsbarrieren erweitert werden. Studien. Als Wearable Devices wurden Smartglasses (Anzeige im Sichtfeld) und Smartwatch (Anzeige außerhalb des Sichtfeldes) für Order Attention Guiding und Order Sequence Guiding eingesetzt. Sie wurden bezüglich der Montageleistung (Fehler, Zeit), ihrer Akzeptanz anhand der UTAUT sowie Nutzungsbarrieren des Workloads, Diskomforts und Beschwerden an Mitarbeiterstichproben bei einem Automobilhersteller evaluiert. Zunächst wurden zwei Studien in einem Automobilmontage-Trainingszentrum durchgeführt. Darauf aufbauend wurden die Assistenzkonzepte in der Produktion evaluiert. Abschließend wurde ein Ansatz zur Unterstützung ihrer Einführung getestet. In Studie 1 (n = 161) wurden zunächst wahrnehmungsbezogene Voraussetzungen zur Anwendung von Order Attention Guiding in der Produktion getestet. Die Wahrnehmung visueller bzw. multimodaler Ereignisinformationen auf Smartglasses, Smartwatch und einem stationären Monitor während der Ausführung einer Montageaufgabe wurde in einem experimentellen Zwischensubjektdesign verglichen. Sie zeigt, dass multimodale Hinweissignale auf Smartglasses und Smartwatches vergleichbar zuverlässig zum Monitor wahrgenommen werden ohne die Bearbeitungszeit bei der Montage zu beeinträchtigen oder den Workload zu erhöhen. In Studie 2 (n = 161) wurde Order Sequence Guiding mit Smartglasses, Smartwatch, und einer Standard-Papierliste beim Montagetraining experimentell evaluiert. Die Informationsträger wurden anhand der Ausführungsfehler und Bearbeitungszeit bei der Montage, der Akzeptanz und ihrer Einflussfaktoren sowie der Nutzungsbarrieren Workload, Diskomfort und Beschwerden verglichen. Zur Analyse des Effektes des Assistenzabbruchs auf die Leistung wurden zwei Montagedurchgänge mit Assistenz und ein dritter ohne Assistenz verglichen. Die Nutzung der Wearable Devices ergab bis zu 80 % Fehlerreduktion gegenüber der Standardprozedur. Nach Abbruch der Assistenz unterschieden sich die Gruppen nicht. Die UTAUT wurde durch Effekte der Nützlichkeit und des Sozialen Einflusses sowie die Erweiterung um Vertrauen und Diskomfort bestätigt. Während sich der Workload nicht zwischen den Gruppen unterschied, waren Beschwerden und Diskomfort mit Smartglasses höher als mit der Smartwatch. In Studie 3 wurden die Assistenzkonzepte Order Attention Guiding (n = 35) und Order Sequence Guiding (n = 23) in der laufenden Automobilproduktion mit systematischer Variation der Nutzungskontexte bzw. Nutzergruppen evaluiert. Order Attention Guiding wurde bezüglich des Informationsgehaltes bei unterschiedlicher Variantenvielfalt variiert. Order Sequence Guiding wurde beim On-The-Job-Training und von Experten genutzt. Im Anschluss an mindestens vierwöchige Testphasen wurden die Anwender zu Akzeptanz und Nutzungsbarrieren befragt und Qualitätsdaten erfasst. Order Attention Guiding senkte Variantenfehler bis zu 90 % gegenüber stationären Informationsträgern. Order Sequence Guiding wurde zum Anlernen als Unterstützung wahrgenommen, allerdings nicht für Experten, welche die Montage aus dem Gedächtnis ausführten. Die Akzeptanz variierte mit der Systemanpassung an die Arbeitsprozesse und Anwenderbedarfe. Die UTAUT wurde durch die subjektive Nützlichkeit und Soziale Einflüsse bestätigt und um die subjektive Workload-Reduktion erweitert. In Studie 4 (n = 30) wurde ein Ansatz zur Innovationskommunikation durch die Vermittlung von Informationen über Wearable Devices auf Basis der UTAUT-Faktoren Nützlichkeit, Handhabung der Geräte und Meinungen von Kollegen und Vorgesetzten (Sozialer Einfluss) entwickelt und evaluiert. Im Hinblick auf die Einführung der Wearable Devices in die Produktion sollte der Ansatz zur Steigerung der Akzeptanz bei Mitarbeitern ohne Erfahrungen mit den Wearable Devices beitragen. Dafür wurde die Akzeptanz erfasst und ein Montagetraining ohne Assistenz ausgeführt. Anschließend erhielt eine Gruppe die UTAUT-Informationen zu den Wearable Devices. In beiden Gruppen wurden die Akzeptanz und der Workload bei der Montage erfasst. Die UTAUT-Informationen sowie ein hoher Workload bei der Montage erhöhten die Intention zur Nutzung von Wearable Devices. Die Innovationskommunikation anhand der UTAUT-Faktoren konnte die Einführung von Wearable Devices unterstützen. Fazit. Die mehrdimensionale Evaluation von Wearable Devices in der Automobilmontage zeigt, dass sie zur Qualitätssicherung im komplexen und flexiblen Produktionsumfeld beitragen. Die zuvor nicht für Wearable Devices im Produktionskontext getestete UTAUT wurde bestätigt und kontextspezifisch erweitert. Eine hohe Akzeptanz der Wearable Devices besteht, sobald deren Nützlichkeit für die Anwender ersichtlich ist. Eigenschaften der Endgeräte und die Anpassung an Prozess- und Anwenderanforderungen beeinflussen die Akzeptanz, daher sollten der Diskomfort der Geräte und die aktive Bedienung minimiert und die flexible Anpassbarkeit an Prozessanforderungen erhöht werden. Ergänzend zum bisherigen Forschungsstand zeigt diese Arbeit Faktoren, die aus den Perspektiven der Prozesse und Anwender für die Nutzung von Wearable Devices zur Assistenz der variantenreichen Montage (Unterstützungspotenzial, Nützlichkeit, Sozialer Einfluss, Workload-Reduktion) oder dagegen sprechen (Diskomfort, Beschwerden, geringe Anpassung der Assistenzkonzepte). Die Montageassistenz durch Wearable Devices leistet einen Beitrag zur Mitarbeiterassistenz unter den wachsenden Herausforderungen der Industrie 4.0. Die Einbindung der Anwender in Entwicklungen der Industrie 4.0 wirkt sich demnach positiv auf die Systementwicklung, die Qualitätssteigerung und die Akzeptanz aus. Da die Anwendungsfälle von Wearable Devices über die evaluierten Assistenzkonzepte hinausgehen, sollte die formale Evaluation im Nutzungskontext mit wissenschaftlich fundierten Methoden unter Berücksichtigung des Faktors Mensch durch künftige Forschung ausgeweitet werden.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis VII Zusammenfassung IX 1 Einleitung 1 2 Theoretischer Hintergrund 7 2.1 Industrie 4.0 und variantenreiche Serienproduktion 7 2.1.1 Industrie 4.0 7 2.1.2 Variantenreiche Serienproduktion in der Automobilindustrie 8 2.1.3 Montage in der variantenreichen Automobilproduktion 9 2.2 Ausführungsqualität der variantenreichen Automobilmontage 12 2.2.1 Training von Montagetätigkeiten 15 2.2.2 Montageinformationen und Ausführungsfehler bei der routinierten variantenreichen Automobilmontage 16 2.2.3 Zusammenfassung Informationsverarbeitung und Ausführungsfehler 23 2.3 Ansätze zur Qualitätssteigerung durch Systeme der Informationsassistenz 24 2.3.1 Wearable Devices 26 2.3.2 Erprobung und Evaluation von Wearable Devices im Montagekontext 29 2.3.3 Evaluationskriterien für Wearable Devices im industriellen Kontext 31 2.4 Zielstellung und Forschungsfragen 63 2.4.1 Zusammenfassung des theoretischen Hintergrundes 63 2.4.2 Zielstellungen und Forschungsfragen 66 3 Empirischer Teil 71 3.1 Systemgestaltung und Untersuchungskontext 71 3.1.1 Endgeräte und Anwendungen 71 3.1.2 Rahmenbedingungen und Untersuchungskontexte 74 3.1.3 Übersicht über die Studien 76 3.2 Studie 1. Wahrnehmung von Ereignisinformationen auf Wearable Devices während der Montage 77 3.2.1 Methodik 79 3.2.2 Ergebnisse 83 3.2.3 Diskussion 85 3.3 Studie 2: Unterstützungspotenzial, Nutzungsbarrieren und Akzeptanz von Wearable Devices für das Montagetraining 88 3.3.1 Methodik 93 3.3.2 Ergebnisse 100 3.3.3 Diskussion 107 3.4 Studie 3. Mobile Informationsassistenz in der variantenreichen Automobilmontage 116 3.4.1 Methodik 120 3.4.2 Ergebnisse 125 3.4.3 Diskussion 133 3.5 Studie 4. Gestaltung der Innovationskommunikation zur Steigerung der Akzeptanz von Wearable Devices 139 3.5.1 Methodik 141 3.5.2 Ergebnisse 144 3.5.3 Diskussion 146 4 Zusammenfassung und Diskussion 149 4.1 Zusammenfassung zentraler Ergebnisse 149 4.2 Diskussion der Ergebnisse 152 4.2.1 Einordnung der Ergebnisse in den internationalen Forschungsstand 153 4.2.2 Kritische Einschätzung und Limitationen 161 4.2.3 Einordnung in das Fachgebiet 163 4.3 Praktische Implikationen 163 4.4 Zusammenfassung und Ausblick 167 Literaturverzeichnis 171 Anhang 205

The success of smartphones and tablets clearly shows that the fusion of input and output within one device can lead to a more direct and natural interaction. While a bigger part of previous research was devoted to the development of techniques for such touch-sensitive displays, this dissertation goes beyond the limitations of an interactive surface and extends the interaction to the physical space above a digital table by means of handheld spatially aware displays. By incorporating their spatial position and orientation, those displays add a further major input channel to the interaction. Even though this idea is not entirely new, the potential of using spatially aware displays (Tangible Displays) above a digital tabletop has rarely been used and requires systematic examination. In pursuit of lessening this gap, this dissertation makes three major contributions: (1) The conceptual framework has been developed as a guide for the design of Tangible Display applications. It offers a systematic description and analysis of the design space under investigation and its basic interaction principles. This includes a detailed overview of the general system components and underlying types of input as well as a categorization of common interaction and usage patterns. Based on that, a classification of four common types of information spaces is provided along with a set of novel techniques for their spatial exploration in midair above a tabletop. On an empirical level, the framework is supported by two comprehensive studies that investigate key aspects of spatial interaction. (2) To facilitate the rapid prototyping of interactive Tangible Display applications, a unifying technological framework has been designed and implemented that integrates the necessary sensor and display hardware and provides simple access to it through an easy-to-use API. Along with a modular architectural design, the API does not only encapsulate the complexity of the underlying input and output technologies, but also allows for their seamless substitution by alternative approaches. (3) On a practical level, the conceptual and technological framework have been validated by four comprehensive interactive systems. Those systems served as a testbed for the iterative development and formative assessment of various novel interaction techniques tailored to address basic tasks in common fields of application. The gathered insights helped refine the conceptual and technological framework and are a valuable starting point for the development of future systems.:Abstract iii Zusammenfassung v Acknowledgements vii Publications ix Supervised Student Theses xiii Acronyms xv Contents xix 1 Introduction 1 1.1 Goals of this Thesis 1.1.1 Research Challenges 1.1.2 Research Objectives 1.2 Scope of this Thesis 1.3 Methodological Approach 1.4 Contributions and Thesis Outline PART I: Conceptual Framework 2 Research Background 2.1 General Research Context 2.1.1 Post-WIMP & Reality-Based Interaction 2.1.2 Ubiquitous Computing 2.1.3 Augmented Reality and Environments 2.2 Interactive Surfaces 2.2.1 Advanced Form Factors 2.2.2 Interaction Beyond the Surface 2.2.3 Multi-display Environments 2.3 Tangible User Interfaces 2.3.1 Basic TUI Genres 2.3.2 Contributions and Qualities of TUI 2.4 Spatially Aware Displays 2.4.1 Potential Benefits 2.4.2 Spatially Aware Displays in Multi-Display Environments 2.4.3 A TUI Genre of its Own:Tangible Displays 2.5 Summary 3 Studying Spatial Input-based Zoom & Pan on Handheld Displays 3.1 Goals and Scope of the Study 3.1.1 Factors of Influence 3.1.2 Hypotheses 3.1.3 Scope of the Study 3.2 Design Rationale 3.2.1 Mapping the Physical to the Virtual World 3.2.2 Clutching and Relative Mode 3.2.3 Zooming and Panning 3.2.4 Responsiveness of the Prototype 3.3 Method 3.3.1 Study Design 3.3.2 Participants 3.3.3 Apparatus 3.3.4 Scenario and Task Design 3.3.5 Procedure 3.4 Results 3.4.1 Statistical Methodology & Collected Performance Data 3.4.2 Analysis of Completion Times 3.4.3 Analysis of Discrete Actions 3.4.4 Utilized Motor Space (Spatial Condition Only) 3.4.5 User Feedback & Fatigue 3.5 Discussion 3.5.1 Verification of Hypotheses 3.5.2 Further Observations 3.5.3 Explaining the Effects 3.5.4 Limitations 3.6 Future Generations of Mobile Displays 3.6.1 Device-Intrinsic Spatial Tracking 3.6.2 A Built-in Tactile Clutch 3.7 Summary 4 Design Space & Interaction Framework 4.1 Design Dimensions 4.1.1 Principle Setup & System Components 4.1.2 Basic Types of Input 4.1.3 Spatial Zones 4.2 Interaction Vocabulary 4.2.1 Vocabulary Based on Spatial Input 4.2.2 Vocabulary Based on Head Input 4.2.3 Vocabulary Based on Surface Input 4.2.4 Vocabulary Inspired by the Representation Aspect 4.3 Topologies for Representing Virtual Spaces 4.3.1 3D Volumes 4.3.2 Zoom Pyramids 4.3.3 Multi-layer Stacks 4.4 Classes of Explorable Information Spaces 4.4.1 Volumetric Information Spaces 4.4.2 Zoomable Information Spaces 4.4.3 Layered Information Spaces 4.4.4 Temporal Information Spaces 4.5 Summary 5 Studying Multi-layer Interaction Above a Tabletop 5.1 Goals and Scope of the Study 5.1.1 Basic Interaction Tasks 5.1.2 Previous Evaluations 5.1.3 Scope of the Study 5.2 Method 5.2.1 Participants 5.2.2 Study Design & Tasks 5.2.3 Procedure 5.2.4 Apparatus 5.3 Results 5.3.1 Collected Performance Data & Statistical Methodology 5.3.2 Basic Analysis Concerning the Three Interaction Tasks 5.3.3 Further Analysis Regarding Interaction Zones 5.3.4 Questionnaires & User Preferences 5.4 Discussion 5.4.1 Layer Thicknesses & Accuracy 5.4.2 Physical Interaction Space & Number of Layers 5.4.3 Design Recommendations & Further Observations 5.5 Summary PART II: Technological Framework 6 Technological Background 101 6.1 Basic Display Approaches 6.1.1 Projective Displays 6.1.2 Active Displays 6.2 Tracking Technologies for Handheld Displays 6.2.1 Infrared Marker Systems 6.2.2 Depth Sensor Systems 6.3 Technologies for Sensing Surface Input 6.3.1 Sensing Touch Input 6.3.2 Digital Pens and Paper 6.4 Summary 7 A Tangible Display Toolkit for Research Labs 7.1 Toolkit Architecture 7.1.1 History and General Overview 7.1.2 Lab and Mobile Setup 7.2 Toolkit Subsystems 7.2.1 Projection Subsystem 7.2.2 Spatial Input Subsystem 7.2.3 Surface Input Subsystem 7.3 Toolkit Interfaces 7.3.1 Inter-process Communication 7.3.2 Servers & UI Tools 7.3.3 Application Programming Interface 7.4 Summary 8 Towards a Tangible Display Ecosystem for Everyone 8.1 Motivation and Vision 8.1.1 Envisioned Hardware Setup 8.1.2 Proactive Cooperation Among Devices 8.2 Revision of the Previous Lab Setup 8.3 Case Study: Tracking via a Low-cost Depth Sensor 8.3.1 Implemented Tracking Algorithm 8.3.2 Evaluation 8.3.3 Areas of Improvement 8.4 Summary PART III: Tangible Display Systems 9 Tangible Lenses for Multimedia Information Spaces 9.1 Case Studies 9.1.1 Volume Slicer 9.1.2 Picture Zoomer 9.1.3 Layer Explorer 9.1.4 Video Browser 9.2 Evaluation 9.2.1 Study Design 9.2.2 Findings 9.3 Improved Navigation Techniques 9.3.1 Navigating through Information Layers 9.3.2 Navigational Aids 9.4 Annotating the Space Above the Tabletop 9.4.1 Creation of Annotations 9.4.2 Guided Exploration of Annotations 9.5 Summary 10 Tangible Views for Information Visualization 10.1 Background and Motivation 10.1.1 Conventional Interactive Visualization 10.1.2 Towards More Direct Interaction in InfoVis 10.1.3 Narrowing the Gap 10.2 The Tangible Views Concept 10.3 Case Studies 10.3.1 Graph Visualization 10.3.2 Scatter Plot 10.3.3 Parallel Coordinates Plot 10.3.4 Matrix Visualization 10.3.5 Space-Time-Cube Visualization 10.4 Initial User Experience & Discussion 10.4.1 Observations 10.4.2 Limitations 10.5 Potential Future Directions 10.5.1 Technology Gap 10.5.2 Integration Gap 10.5.3 Guidelines Gap 10.6 Summary 11 Tangible Palettes for Graphical Applications 11.1 Background and Motivation 11.2 The Tangible Palettes Concept 11.2.1 Spatial Work Zones 11.2.2 Previous Techniques Revisited 11.2.3 Allocating GUI Palettes to Tangible Displays 11.3 Interactive Prototype 11.3.1 Basic Functionality: Drawing and Document Navigation 11.3.2 Inter-Display Transfer of Palettes 11.3.3 Temporary Fade-out of Tool Palettes 11.3.4 Quick Access to Tool Palettes via Spatial Work Zones 11.3.5 Handling of Stacked Graphics Layers 11.4 Initial User Experience & Discussion 11.4.1 General Impression and Limitations 11.4.2 Document Navigation with Handheld Displays 11.4.3 Tool Organization with Spatial Work Zones 11.5 Summary 12 Tangible Windows for 3D Virtual Reality 193 12.1 Background and Motivation 12.1.1 Basic 3D Display Approaches 12.1.2 Seminal 3D User Interfaces 12.2 TheTangibleWindowsConcept 12.2.1 Windows into Virtuality 12.2.2 Head-coupled Perspectives 12.2.3 Tangible Windows Above a Digital Workbench 12.3 Interaction Techniques 12.3.1 Global Viewpoint Control on the Tabletop 12.3.2 Scene Exploration 12.3.3 Object Selection 12.3.4 Object Manipulation 12.3.5 Object Inspection 12.3.6 Global Scene Navigation on the Tabletop 12.4 Application Scenarios & Case Studies 12.4.1 Virtual Sandbox 12.4.2 Interior Designer 12.4.3 Medical Visualization 12.5 Initial User Experience & Discussion 12.5.1 Limitations 12.5.2 Precision and Constraints 12.5.3 More Permanent Representations 12.5.4 Head-coupled Perspectives and Head Input 12.6 Summary 13 Conclusion 13.1 Summary of Contributions 13.1.1 Major Contributions 13.1.2 Minor Contributions 13.2 Critical Reflection 13.2.1 General Limitations due to the Dissertation Scope 13.2.2 Limitations of the Techniques 13.2.3 Limitations of the Studies 13.3 Directions for Future Work 13.3.1 Adaptation to other Settings and Domains 13.3.2 Further Development of the Techniques 13.3.3 Current Developments 13.4 Closing Remarks A Appendix A.1 Materials for Chapter3 (Zoom & Pan Study) A.1.1 List of the 128 Zoom and Pan Tasks A.1.2 Usability Questionnaires A.2 Questionnaires for Chapter 5 (Multi-layer Stack Study) A.3 Materials for Section 9.2 (Evaluation of Tangible Lenses) A.3.1 Scratchpad for Study Leader A.3.2 Usability Questionnaires Bibliography List of Figures List of Tables / Der Erfolg von Smartphones und Tablets hat deutlich gezeigt, dass die Verschmelzung von Ein- und Ausgabe im selben Gerät zu einer direkteren und als natürlicher empfundenen Interaktion führen kann. Während sich ein Großteil bisheriger Forschung der Entwicklung von Touchtechniken auf derartigen berührungsempfindlichen Displays widmet, löst sich diese Dissertation von den Beschränkungen der Interaktion auf Oberflächen und erweitert diese auf den physischen Raum oberhalb eines digitalen Tisches mittels handgehaltener, lagebewusster Displays. Durch die Einbeziehung der räumlichen Position und Orientierung solcher „Tangible Displays” steht ein vielversprechender, zusätzlicher Eingabekanal zur Verfügung. Wenngleich diese Idee nicht vollständig neu ist, wurden die vielfältigen Möglichkeiten, die sich durch ihren Einsatz über einem digitalen Tisch ergeben, bisher wenig genutzt. Im Bestreben diese Lücke zu verringern, leistet diese Dissertation drei wesentliche Beträge: (1) Das Konzeptuelle Rahmenwerk wurde als Leitfaden für den Entwurf von Tangible Display- Anwendungen entwickelt. Es bietet eine systematische Beschreibung und Analyse des zu untersuchenden Entwurfsraums und seiner grundlegenden Interaktionsprinzipien. Neben einer detaillierten Übersicht aller Systemkomponenten und Eingabearten beinhaltet dies vor allem eine Kategorisierung von typischen Interaktions- und Nutzungsmustern. Darauf basierend wird ein neuartiger vereinheitlichender Ansatz zur räumlichen Interaktion mit verschiedenen gängigen Klassen von Informationsräumen über einem Tabletop vorgestellt. Auf empirischer Ebene wird das Konzeptuelle Rahmenwerk durch zwei umfangreiche Studien gestützt, in denen Kernaspekte der räumlichen Interaktion mit handgehaltenen Displays untersucht wurden. (2) Um die Entwicklung von interaktiven Anwendungen zu ermöglichen, wurde ein Technisches Rahmenwerk entworfen und umgesetzt, das die Sensor- und Displayhardware zusammenfasst und einfachen Zugriff darauf mittels eines API bietet. Im Zusammenspiel mit der modularen Software-Architektur kapselt das API nicht nur die Komplexität der verwendeten Ein- und Ausgabetechnologien, sondern ermöglicht auch deren nahtlosen Austausch durch alternative Lösungsansätze. (3) Die Tauglichkeit des Konzeptuellen und des Technischen Rahmenwerkes wird durch vier umfangreiche interaktive Systeme demonstriert. Diese Systeme dienten als Testumgebung für die iterative Entwicklung und formative Bewertung einer Reihe von neuartigen Interaktionstechniken, die gängige Basisaufgaben in verschiedenen Anwendungsbereichen adressieren. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse halfen, das Konzeptuelle und das Technische Rahmenwerk zu verfeinern, welche einen wertvollen Ausgangspunkt für die Entwicklung von zukünftigen interaktiven Tangible Display-Systemen bilden.:Abstract iii Zusammenfassung v Acknowledgements vii Publications ix Supervised Student Theses xiii Acronyms xv Contents xix 1 Introduction 1 1.1 Goals of this Thesis 1.1.1 Research Challenges 1.1.2 Research Objectives 1.2 Scope of this Thesis 1.3 Methodological Approach 1.4 Contributions and Thesis Outline PART I: Conceptual Framework 2 Research Background 2.1 General Research Context 2.1.1 Post-WIMP & Reality-Based Interaction 2.1.2 Ubiquitous Computing 2.1.3 Augmented Reality and Environments 2.2 Interactive Surfaces 2.2.1 Advanced Form Factors 2.2.2 Interaction Beyond the Surface 2.2.3 Multi-display Environments 2.3 Tangible User Interfaces 2.3.1 Basic TUI Genres 2.3.2 Contributions and Qualities of TUI 2.4 Spatially Aware Displays 2.4.1 Potential Benefits 2.4.2 Spatially Aware Displays in Multi-Display Environments 2.4.3 A TUI Genre of its Own:Tangible Displays 2.5 Summary 3 Studying Spatial Input-based Zoom & Pan on Handheld Displays 3.1 Goals and Scope of the Study 3.1.1 Factors of Influence 3.1.2 Hypotheses 3.1.3 Scope of the Study 3.2 Design Rationale 3.2.1 Mapping the Physical to the Virtual World 3.2.2 Clutching and Relative Mode 3.2.3 Zooming and Panning 3.2.4 Responsiveness of the Prototype 3.3 Method 3.3.1 Study Design 3.3.2 Participants 3.3.3 Apparatus 3.3.4 Scenario and Task Design 3.3.5 Procedure 3.4 Results 3.4.1 Statistical Methodology & Collected Performance Data 3.4.2 Analysis of Completion Times 3.4.3 Analysis of Discrete Actions 3.4.4 Utilized Motor Space (Spatial Condition Only) 3.4.5 User Feedback & Fatigue 3.5 Discussion 3.5.1 Verification of Hypotheses 3.5.2 Further Observations 3.5.3 Explaining the Effects 3.5.4 Limitations 3.6 Future Generations of Mobile Displays 3.6.1 Device-Intrinsic Spatial Tracking 3.6.2 A Built-in Tactile Clutch 3.7 Summary 4 Design Space & Interaction Framework 4.1 Design Dimensions 4.1.1 Principle Setup & System Components 4.1.2 Basic Types of Input 4.1.3 Spatial Zones 4.2 Interaction Vocabulary 4.2.1 Vocabulary Based on Spatial Input 4.2.2 Vocabulary Based on Head Input 4.2.3 Vocabulary Based on Surface Input 4.2.4 Vocabulary Inspired by the Representation Aspect 4.3 Topologies for Representing Virtual Spaces 4.3.1 3D Volumes 4.3.2 Zoom Pyramids 4.3.3 Multi-layer Stacks 4.4 Classes of Explorable Information Spaces 4.4.1 Volumetric Information Spaces 4.4.2 Zoomable Information Spaces 4.4.3 Layered Information Spaces 4.4.4 Temporal Information Spaces 4.5 Summary 5 Studying Multi-layer Interaction Above a Tabletop 5.1 Goals and Scope of the Study 5.1.1 Basic Interaction Tasks 5.1.2 Previous Evaluations 5.1.3 Scope of the Study 5.2 Method 5.2.1 Participants 5.2.2 Study Design & Tasks 5.2.3 Procedure 5.2.4 Apparatus 5.3 Results 5.3.1 Collected Performance Data & Statistical Methodology 5.3.2 Basic Analysis Concerning the Three Interaction Tasks 5.3.3 Further Analysis Regarding Interaction Zones 5.3.4 Questionnaires & User Preferences 5.4 Discussion 5.4.1 Layer Thicknesses & Accuracy 5.4.2 Physical Interaction Space & Number of Layers 5.4.3 Design Recommendations & Further Observations 5.5 Summary PART II: Technological Framework 6 Technological Background 101 6.1 Basic Display Approaches 6.1.1 Projective Displays 6.1.2 Active Displays 6.2 Tracking Technologies for Handheld Displays 6.2.1 Infrared Marker Systems 6.2.2 Depth Sensor Systems 6.3 Technologies for Sensing Surface Input 6.3.1 Sensing Touch Input 6.3.2 Digital Pens and Paper 6.4 Summary 7 A Tangible Display Toolkit for Research Labs 7.1 Toolkit Architecture 7.1.1 History and General Overview 7.1.2 Lab and Mobile Setup 7.2 Toolkit Subsystems 7.2.1 Projection Subsystem 7.2.2 Spatial Input Subsystem 7.2.3 Surface Input Subsystem 7.3 Toolkit Interfaces 7.3.1 Inter-process Communication 7.3.2 Servers & UI Tools 7.3.3 Application Programming Interface 7.4 Summary 8 Towards a Tangible Display Ecosystem for Everyone 8.1 Motivation and Vision 8.1.1 Envisioned Hardware Setup 8.1.2 Proactive Cooperation Among Devices 8.2 Revision of the Previous Lab Setup 8.3 Case Study: Tracking via a Low-cost Depth Sensor 8.3.1 Implemented Tracking Algorithm 8.3.2 Evaluation 8.3.3 Areas of Improvement 8.4 Summary PART III: Tangible Display Systems 9 Tangible Lenses for Multimedia Information Spaces 9.1 Case Studies 9.1.1 Volume Slicer 9.1.2 Picture Zoomer 9.1.3 Layer Explorer 9.1.4 Video Browser 9.2 Evaluation 9.2.1 Study Design 9.2.2 Findings 9.3 Improved Navigation Techniques 9.3.1 Navigating through Information Layers 9.3.2 Navigational Aids 9.4 Annotating the Space Above the Tabletop 9.4.1 Creation of Annotations 9.4.2 Guided Exploration of Annotations 9.5 Summary 10 Tangible Views for Information Visualization 10.1 Background and Motivation 10.1.1 Conventional Interactive Visualization 10.1.2 Towards More Direct Interaction in InfoVis 10.1.3 Narrowing the Gap 10.2 The Tangible Views Concept 10.3 Case Studies 10.3.1 Graph Visualization 10.3.2 Scatter Plot 10.3.3 Parallel Coordinates Plot 10.3.4 Matrix Visualization 10.3.5 Space-Time-Cube Visualization 10.4 Initial User Experience & Discussion 10.4.1 Observations 10.4.2 Limitations 10.5 Potential Future Directions 10.5.1 Technology Gap 10.5.2 Integration Gap 10.5.3 Guidelines Gap 10.6 Summary 11 Tangible Palettes for Graphical Applications 11.1 Background and Motivation 11.2 The Tangible Palettes Concept 11.2.1 Spatial Work Zones 11.2.2 Previous Techniques Revisited 11.2.3 Allocating GUI Palettes to Tangible Displays 11.3 Interactive Prototype 11.3.1 Basic Functionality: Drawing and Document Navigation 11.3.2 Inter-Display Transfer of Palettes 11.3.3 Temporary Fade-out of Tool Palettes 11.3.4 Quick Access to Tool Palettes via Spatial Work Zones 11.3.5 Handling of Stacked Graphics Layers 11.4 Initial User Experience & Discussion 11.4.1 General Impression and Limitations 11.4.2 Document Navigation with Handheld Displays 11.4.3 Tool Organization with Spatial Work Zones 11.5 Summary 12 Tangible Windows for 3D Virtual Reality 193 12.1 Background and Motivation 12.1.1 Basic 3D Display Approaches 12.1.2 Seminal 3D User Interfaces 12.2 TheTangibleWindowsConcept 12.2.1 Windows into Virtuality 12.2.2 Head-coupled Perspectives 12.2.3 Tangible Windows Above a Digital Workbench 12.3 Interaction Techniques 12.3.1 Global Viewpoint Control on the Tabletop 12.3.2 Scene Exploration 12.3.3 Object Selection 12.3.4 Object Manipulation 12.3.5 Object Inspection 12.3.6 Global Scene Navigation on the Tabletop 12.4 Application Scenarios & Case Studies 12.4.1 Virtual Sandbox 12.4.2 Interior Designer 12.4.3 Medical Visualization 12.5 Initial User Experience & Discussion 12.5.1 Limitations 12.5.2 Precision and Constraints 12.5.3 More Permanent Representations 12.5.4 Head-coupled Perspectives and Head Input 12.6 Summary 13 Conclusion 13.1 Summary of Contributions 13.1.1 Major Contributions 13.1.2 Minor Contributions 13.2 Critical Reflection 13.2.1 General Limitations due to the Dissertation Scope 13.2.2 Limitations of the Techniques 13.2.3 Limitations of the Studies 13.3 Directions for Future Work 13.3.1 Adaptation to other Settings and Domains 13.3.2 Further Development of the Techniques 13.3.3 Current Developments 13.4 Closing Remarks A Appendix A.1 Materials for Chapter3 (Zoom & Pan Study) A.1.1 List of the 128 Zoom and Pan Tasks A.1.2 Usability Questionnaires A.2 Questionnaires for Chapter 5 (Multi-layer Stack Study) A.3 Materials for Section 9.2 (Evaluation of Tangible Lenses) A.3.1 Scratchpad for Study Leader A.3.2 Usability Questionnaires Bibliography List of Figures List of Tables

Der Einsatz von digitalen Menschmodellen erlaubt neben einer frühzeitigen ergonomischen Analyse die Gestaltung von Arbeitsprozessen und stellt ein hilfreiches Werkzeug in der Produkt- und Prozessgestaltung dar. Im Rahmen dieses Beitrages soll auf ausgewählte Schwerpunkte der Entwicklung des digitalen Menschmodells „The Smart Virtual Worker“ eingegangen werden. Das Forschungsprojekt soll einen Beitrag zur Lösung, der mit dem demografischen Wandel der Gesellschaft einhergehenden Herausforderungen leisten. Die daraus resultierenden Forschungsschwerpunkte liegen insbesondere in der Einbeziehung von Alterungs- und psychischen Faktoren in die Bewegungsgenerierung des Menschmodells und der Modellierung von Umweltbedingungen. In Umsetzung des Projektes wurde ein erstes Arbeitsszenario erarbeitet, auf dessen Basis die vorgenannten Forschungsaufgaben interdisziplinär gelöst werden sollen.