User Interfaces for Cooperation

This thesis suggests cooperation as a design paradigm for human-computer interaction. The basic idea is that the synergistic co-operation of interfaces through concurrent user activities enables increased interaction fluency and expressiveness. This applies to bimanual interaction and multi-finger input, e.g., touch typing, as well as the collaboration of multiple users. Cooperative user interfaces offer more interaction flexibility and expressivity for single and multiple users. Part I of this thesis analyzes the state of the art in user interface design. It explores limitations of common approaches and reveals the crucial role of cooperative action in several established user interfaces and research prototypes. A review of related research in psychology and human-computer interaction offers insights to the cognitive, behavioral, and ergonomic foundations of cooperative user interfaces. Moreover, this thesis suggests a broad applicability of generic cooperation patterns and contributes three high-level design principles. Part II presents three experiments towards cooperative user interfaces in detail. A study on desktop-based 3D input devices, explores fundamental benefits of cooperative bimanual input and the impact of interface design on bimanual cooperative behavior. A novel interaction technique for multitouch devices is presented that follows the paradigm of cooperative user interfaces and demonstrates advantages over the status quo. Finally, this thesis introduces a fundamentally new display technology that provides up to six users with their individual perspectives of a shared 3D environment. The system creates new possibilities for the cooperative interaction of multiple users. Part III of this thesis builds on the research results described in Part II, in particular, the multi-user 3D display system. A series of case studies in the field of collaborative virtual reality provides exemplary evidence for the relevance and applicability of the suggested design principles.Die vorliegende Arbeit betrachtet Kooperation als Gestaltungsparadigma für Mensch-Maschine Schnittstellen. Dabei geht es um Kooperation im Sinne paralleler Aktivitäten und deren synergetischer Kombination mit dem Ziel einer flüssigen und effektiven Computerarbeit. Dieses Interaktionsmuster ist für zweihändige Eingaben und die Nutzung mehrerer Finger, z.B. beim Maschinenschreiben, genauso anwendbar wie für die Zusammenarbeit mehrerer Nutzer. Kooperative Benutzungsschnittstellen bieten Einzelpersonen sowie Gruppen von Nutzern mehr Flexibilität und Ausdrucksmöglichkeiten. Teil I dieser Arbeit betrachtet den Stand von Forschung und Technik zu diesem Thema. Dabei werden Limitierungen etablierter Benutzungsschnittstellen untersucht als auch das Potential und die Bedeutung kooperativer Interaktion. Auf Grundlage von Forschungsergebnissen aus der Psychologie, den Bewegungswissenschaften und der Forschung zu Mensch-Maschine Schnittstellen werden kognitive und ergonomische Grundlagen kooperativer Benutzungsschnittstellen abgeleitet. Darüber hinaus werden generische Kooperationsmuster diskutiert und die Anforderungen an kooperative Benutzungsschnittstellen in drei Gestaltungsprinzipien zusammengefasst. Teil II dieser Arbeit stellt drei Forschungsarbeiten zur Entwicklung und Untersuchung kooperativer Benutzungsschnittstellen vor. In Kapitel 8 wird zweihändige Kooperation am Beispiel tischbasierter 3D Eingabegeräte untersucht. Kapitel 9 stellt eine neue Multitouch Interaktionstechnik vor, die dem Paradigma kooperativer Benutzungsschnittstellen folgt und klare Vorteile gegenüber einer etablierten Technik aufweist. Kapitel 10 präsentiert die Entwicklung und Untersuchung einer neuen 3D Projektionstechnologie, die bis zu sechs Personen individuelle Perspektiven auf eine gemeinsame virtuelle Umgebung bietet. Daraus ergeben sich völlig neue Möglichkeiten für die kooperative Interaktion mehrerer Nutzer mit dreidimensionalen Daten. Teil III dieser Arbeit baut auf den Ergebnissen der in Teil II beschriebenen Experimente auf. Fallstudien aus dem Bereich der virtuellen Realität für mehrere Nutzer, belegen die Relevanz und Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Gestaltungsprinzipie