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Ubiquitous Computing (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im WS 02/03 Michael Beigl Universität Karlsruhe Institut für Telematik Telecooperation Office www.teco.uni-karlsruhe.de Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-2 Aufbau der Vorlesung Grundlagen Geräte mobil, persönlich, eingebettet Wearable Vernetzung Kontext Geräte digitale Welt Kontext reale Welt Interaktion Vernetzung (vorverarbeitete) Information Information Interaktion Anwendungen Anwendungen 2 1 3 4 5 6 7 7 2 3 4 5 6 Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-3 Wearable Computing Einleitung Computer, der/die am Körper getragen wird/werden § Insbesondere zur Unterstützung des „mobilen“ Menschen Einsatzbereiche § Notizen, „Mitschneiden“ § Touristenführer § Reparatur- und Wartungsservice § Militär § Gesundheitsbereich besondere Schwierigkeiten § darf während der Tätigkeit nicht stören § tragbar § keine Monitor / Keyboard Interaktion § nicht immer Online Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-4 Wearable Computing Übersicht § Historie § Wearable Computer ? Unterschied zu „Personal Computern“ ? 2 Problembereiche: Energie und Ergonomie § Generalisten: Multimedia / Video / Cyborgs ? Integrierte Wearable Geräte ? Verteilte Wearables ? Anwendungen, HCI, Technologie § Spezialisten: Audio, Kontext/Affective, Amplified Reality, Uhr ? Anwendungen, HCI, Technologie

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Ubiquitous Computing(Ubiquitäre Informationstechnologien)Vorlesung im WS 02/03

Michael BeiglUniversität KarlsruheInstitut für TelematikTelecooperation Officewww.teco.uni-karlsruhe.de

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-2

Aufbau der Vorlesung

Grundlagen

Geräte

mobil, persönlich, eingebettet

Wearable

Vernetzung

Kontext

Geräte

digitale WeltKontext

reale Welt

Interaktion Vernetzung

(vorverarbeitete)Information

Information

Interaktion

Anwendungen

Anwendungen

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2 34

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6

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-3

Wearable Computing Einleitung

Computer, der/die am Körper getragen wird/werden§ Insbesondere zur Unterstützung des „mobilen“ Menschen

Einsatzbereiche§ Notizen, „Mitschneiden“§ Touristenführer§ Reparatur- und Wartungsservice§ Militär§ Gesundheitsbereich

besondere Schwierigkeiten§ darf während der Tätigkeit nicht stören§ tragbar§ keine Monitor / Keyboard Interaktion§ nicht immer Online

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-4

Wearable Computing Übersicht

§ Historie§ Wearable Computer

? Unterschied zu „Personal Computern“? 2 Problembereiche: Energie und Ergonomie

§ Generalisten: Multimedia / Video / Cyborgs? Integrierte Wearable Geräte? Verteilte Wearables? Anwendungen, HCI, Technologie

§ Spezialisten: Audio, Kontext/Affective, Amplified Reality, Uhr? Anwendungen, HCI, Technologie

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Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-5

Historie

§ 1966 (C): E. Thorp, C. Shannon: Analoger SchuhComputer für Roulette

§ 1966 (F): D. Sutherland erfindet das Head-Mounted Display (HMD)

§ 1968 (F): D. Engelbart demonstriertfunktionierendes Chord

§ 1977 (C): HP verkauft die HP 01Taschenrechner-Uhr

Quelle: hpmuseum.orgUbiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-6

Historie

§ 1981 (C): Steve Mann entwickelt als Schüler tragbaren Rechner umPhototechnik zu steuern

§ 1984 (F): William Gibson schreibt Neuromancer

§ 1990 (C): G. Maguire und J. Ioannidis demonstrieren das StudentElectronic Notebook (Private Eye und mobile IP)

§ 1991 (C): CMU entwickelt VuMan 1

§ 1993 (F): T. Starner schreibt Remembrance Agent

§ 1993 (F): Feiner, MacIntyre, Seligman entwickeln KARMA

§ 1994 (C): Lamming, Flynn entwickeln „Forget-me-not“

§ 1993 (C): T. Starner trägt ab jetzt konstant seinen Wearable basierendauf D. Platt‘s HIP PC

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-7

Wearable Computing Prinzipien

Abgrenzung zum PC§ alte MIT Definition:§ Always on§ Always accessible§ Always with the userauch§ komfortabel, unauffällig, einfache zu

handhabenDerzeitige MIT Definition§ Mobile (Where you go, it goes. )

§ Persistent (Always on and always working. )

§ Secondary or Tertiary task (Hands free, Eyesfree, Brain free. )

§ Proactive (Agent and Interrupt )

§ Context Aware Quelle:wearcam.orgUbiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-8

Problembereiche:EnergieProbleme§ Energie und Wärmeableitung§ Anbringung§ UnauffälligkeitEnergie und Leistung (in Einheiten)

§ Energie: J = = V A sec (U.I.t) = Wsec

§ Leistung: W= = = V A (U.I)

kg m2

seckg m2

sec2J

sec

Quelle AABatterie

Knopf-zelle

CamcorderAkku

1 LiterBenzin

Energie [email protected] =3Wh=10800 J

2000 J 105 J 107 J

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Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-9

Energie

Beispielrechung§ AA Batterie für Desktop: 10000 Ws für 100 W => 100 Sekunden§ AA Batterie für Sensorknoten: 10000 Ws für 0.03W => 92 Stunden

Quelle AABatterie

Knopf-zelle

CamcorderAkku

1 LiterBenzin

Energie [email protected] =3Wh=10800 J

2000 J 105 J 107 J

Verbraucher

PC PC 104eingebettet

Sensorknoten Mensch

Leistung 100-200W

1 W 0.03 W 120 W

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-10

Energie

Lösung: Mensch alsEnergiequelle

Problem§ Nur ein Teil der Energie kann

verwendet werden um dasSystem Mensch nicht zustören§ Effizienz der Technologie zur

Gewinnung der Energietypisch zwischen 5-25%§ => Oft nur etwa 1%

verwendbarQuelle: Morton 1952

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-11

Energie

Lösung: Menschals Energiequelle§ aufgewendete

Energie zumaximal nutzbareEnergie (inKlammern)

Quelle: Morton 1952

Quelle: T. Starner

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-12

Energie

Technolgie§ Piezoelektische Energiegewinnung im Schuh§ Beispielrechnung (Träger 52 kg schwer, T. Starner) im Schnitt:

§ Leistung bei Tastaturanschlag (T. Starner) im Schnitt

§ Effizienz bei Piezotechnolgie: 11% => ca. 2 mW

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Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-13

Problembereich 2:Anbringung und ErgonomieGemperle (1998): Designing for Wearability§ Mehr Infos unter http://www.ices.cmu.edu/design/wearability

Design-Überlegungen§ placement: Wo wird das Gerät angebracht§ form language: Geräteform§ human movement: Beweglichkeit für Gerät§ proxemics: Anbringung als “Teil” des Körpers§ sizing: “Größenkompatibel” mit versch. Personen§ attachment: Befestigungspunkte

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-14

Anbringung und Ergonomie

Entwurfskriterien§ Plazierung am Körper

Körperstellen mit großer Oberfläche, wenig Bewegung,wenig Varianz bei versch. Menschen; Gewichtsverteilung

§ Formsprache und GrößeKonkav nach innen, konvex nach außen, organischgeformt, weich, für verschiedene Größen/angepaßt an..

§ Menschliche Bewegungum aktive Stellen herum entwerfen; Raum schaffen, inden sich der Körper hineinbewegen kann

§ Wahrnehmung des KörpersAura um den Körper berücksichtigen, die als körpereigenempfunden wird

§ Befestigung am Körper„um den Körper wickeln“, mehrere Befestigungspunkte

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-15

Generalisten

Generalisten: Multimedia / Video / Cyborgs§ Cyborg Begriff aus Science Fiction (M. Clines, 1960)

§ Ersatz und Erweiterung menschlicher Sinne um spezifischeFähigkeiten von Technologie (hier: des Rechners)§ Grundidee so alt wie die Sehhilfe§ insbesondere Überlagerung des SehsinnsTechnolgie§ PC ähnliche Wearable Geräte: Zentraler

Rechner und „dumme“ Peripherie§ Verteilte Wearables: Zusammenschluß

von verschiedenen Geräten wie Uhr,PDA, Sportmeßgeräten

Anwendungen, HCI, Technologie

Quelle: MIT Media Lab Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-16

Beispiel eines Wearable

SPOT Wearable der CMU (Okt. 02)

§ Microprocessor Strong ARM SA-1110, 59-206MHz, Software-justierbareCore Voltage, Coprozessor SA-1111144 MHz, 256 kB, 64 kB Flash

§ Viele Schnittstellen: Firewire, USB, RS232, PCMCIA, Wavelan, 16 KanalA/D Wandler (für interne Spannungsüberwachung), JTAG, Auto PowerDown§ Stereo Audio, DVI 128 bit/1024x768§ 11.1 Wh Lithium Ionen, ca. 15x8x3 cm. 270g OHNE Batterie§ Power460mA bei 12V mit Microdrive und Wavelan, ohne Display

Konzept§ Monolitischer Aufbau, Standard Software (Linux)§ Klein, damit gut anbringbar§ Relativ sparsam, damit kompakt baubar, wenig

Wärmeableitungsprobleme

Quelle CMU: http://www.wearablegroup.org

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Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-17

Multimedia Technolgie

Mithril von MIT§ ARM (SA 1110) basierte Zentrale (CERF

Board)§ Zusätzliche Peripherie über Bus§ Teilselbständige Peripherie z.B. SAK Board

für Sensor-Überwachung§ Verteilte Komponenten

über den Körperermöglichenergonomische Anbringung§ Body Bus für Komm.

der Komponenten

Quelle: http://www.media.mit.edu/wearables/mithril/Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-18

Verteilte

C. Randell, H. Muller, U.of Bristol

§ CyberJacket, BlazerJet, e-Gilet,eSleeve

§ zusammen mit HP Labs Bristol

§ PDA, GPS, GSM, Speech Recognition§ weniger Energieverbrauch durch

Verteilung der Funktionalität aufspezialisierte Einheiten

§ Einfachere Integration undergonomische Anpassung durchkleiner Einheiten

§ kein Hitzeableitungsproblem

§ besser Anwendungsanpassungdurch angepaßte Geräte

§ bisher noch chaotische VernetzungQuelle: http://wearables.cs.bris.ac.uk

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-19

Erweiterte Realität

Augmented Reality (AR)§ Erweiterte Realität: Überlagerung und Erweiterung der durch

menschliche Sinne wahrgenommenen Realität§ Im Prinzip Sinn aller WearablesZwei Möglichkeiten§ Erweiterung der Geräte selbst -> Ubicomp§ Erweiterung durch persönliches Gerät -> WearableZweck§ Einblendung von Information (Überbrückt virtuelle und reale Welt)§ Erweiterte Wahrnehmung, z.B. Nachtsicht, biometrische

ParameterVorteil§ Benutzbarkeit: Arbeiten im Raum, direkte Einbeziehung der

Realität statt Abbildung§ Technik: I/O überall ohne Infrastruktur Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-20

Erweiterte Realität

Quelle: http://www.csl.sony.co.jp/person/rekimoto/uist95/uist95.html

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Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-21

Erweiterte Realität: Displays

Technologien§ AR Displays: Head-Mounted Displays, die die Verknüpfung realer und

virtueller Bilder unterstützen? Video-basiert: HMD mit Kamera, reale Welt-Sicht indirekt

? Technisch einfache Verknüpfung von virtuellen und „realem“ Bild? verzögerte Wahrnehmung der realen Welt, schlechtere Auflösung

? See-Through: durchsichtiges Display? unverzögerte Wahrnehmung, weniger eingeschränkte Sicht, Sicherheit!? Verknüpfung von virtuellem und realem Bild aufwendig

§ Bezug zur Umwelt? Position, Orientierung

§ Überlagerung von Information und realer Welt-Sicht? Interakiv in Realzeit, Registrierung in 3D

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-22

AR Darstellung von Information§ Head-Stabilized: Information relativ zum Kopf verankert, d.h.

fixiert im Gesichtsfeld? z.B. für schnell zuweisbare User Interface-Elemente

§ Body-Stabilized: relativ zum Körper verankert? virtuelle Displayfläche um den Kopf/Körper herum, navigierbar durch

Kopf-/Körperbewegung

§ World-Stabilized: Information relativzur realen Welt, d.h. an Positionenoder Gegenständen verankert

? z.B. Information zu Gebäudenund zu Objekten

? z.B. Sony NaviCam

Erweiterte Realität: Displays

Quelle: http://www.csl.sony.co.jp/person/rekimoto/uist95/uist95.html

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-23

Erweiterte RealitätNaviCam

Quelle: http://www.csl.sony.co.jp/person/rekimoto/uist95/uist95.html

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-24

AR Tracking

Shared Space / Magic Book§ Hitlab, U. of Washington, Marc Billinghurst§ Aktive Objekte: z.B. IR Sender

viel Infrastruktur§ Passive Objekte: Computer Vision

sehr rechenaufwendig, minimale(z.B. 3D Barcode) oder keine Infrastruktur§ Inertial: Beschleunigung, Drehung

sehr ungenau

§ Videos

Quelle: www.hitl.washington.edu

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Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-25

Vu-Man

Vu-Man3§ Carnegie Mellon University§ zusammen mit Boing§ head mounted display (HMD)§ Zentraler PC (80386)§ Wahlscheibe als Eingabe, sehr robust

Ergebnis§ angeblich 40% Reduktion

der Bearbeitungszeit§ Nur noch eine Person notwendig

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-26

Columbia University: Touring Machine,KARMAAR für Reparatur§ Ohne Handbuch

Wearable für Navigation§ Steve Feiner, Columbia University§ “Mobile Augmented Reality”

Komponenten§ Backpack-PC§ GPS / Diff. GPS: Positionierung§ HMD mit Orientation-Tracker§ Funk LAN§ zusätzlich Handheld Display

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-27

Touring Machine

AR Display§ UI-Navigationselemente fixiert

(head-stabilized)

§ Information zur Umgebung in der realenWelt verankert (world-stabilized)

§ Kontextauswahl durch Blickrichtung(Gaze Selection)

§ Menüauswahl über Trackpad aufRückseite des Handhelds

Handheld Display§ Display für Information zur Vertiefung

(d.h. AR Display bleibt für Mixed Realityreserviert)§ abhängig vom AR-Kontext

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-28

Touring Machine

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Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-29

Interaktionstechnologien

Ausgabe§ Displays, die nicht den Blick auf reale Welt versperren

? See-through Displays („halbdurchsichtig“)? See-above Display? Monokulare Displays (einäugig)? Displays am Arm, Uhr, ....

§ Nutzung oft ähnlich gewohnter GUI NutzungEingabe§ Explizite Eingabe problematisch, da von realer Welt ablenkt§ Keine feststehendes Eingabegerät erfordert neue Interaktionstechniken§ ... Und erfordert deshalb oft Erlernen eines neuen Geräts§ Eingabetechniken für einhändige oder freihändige Interaktion

? Sprachbedienung? Spezialtastaturen? Zeigegeräte als Mausersatz

§ mehr Produkte auf http://www.tekgear.ca Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-30

Head Mounted Display

Ergonomie§ Gewicht nahe Schwerpunkt des Kopfes§ Maximale Auflagefläche ohne Muskeln§ Keine Sinne beinträchtigt

Quelle: www.ices.cmu.edu/design/wearability

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-31

Displays für mobile Aktivität

See-through Displays§ Bsp. Sony Glasstron§ Stärken: Displaygröße

und -qualität? 30° Gesichtsfeld,

Farbe, SVGA§ Nachteile:

? eingeschränkte Sichtauf reale Welt (Ge-sichtsfeld, Lichtstärke)

? optimiert für andereAnwendungen (TV, Spiele,Augmented Reality [s.u.])

? sehr hohe Leistungsaufnahme (11W)

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-32

Displays für mobileAktivität

See-above Displays§ Bsp. Personal Monitor§ mehr periphere Sicht als bei

Sony Glasstron, aber einge-schränkt durch Abdeckung§ weniger Displayraum im

Gesichtsfeld, keine Über-lagerung virtueller undrealer Bilder

Aussenansicht

Innenansicht

Sichterlebnis

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Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-33

Displays für mobile Aktivität

Monokulare Displays§ Bsp. M1 Display, „Private Eye“§ 500 $§ auf einem Auge freie Sicht§ wenig Displayraum (8° FOV),

bei M1 niedrige Qualität§ Aufteilung: ein Auge für die reale

Welt, eins für die virtuelle? fragwürdiges Konzept

(dominantes Auge,3D-Sehen)

? hohe Belastung für Nutzer

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-34

Displays für mobile Aktivität

„Unsichtbare“ Monokulare Displays§ Entwicklungen von MicroOptical: Clip-On Display§ zwischen 900-1600 $ je nach Auflösung

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-35

Displays für mobile Aktivität

„Unsichtbare“ Monokulare Displays§ MicroOptical: Integrated Eyeglass Display§ MicroOptical: Binocular Display

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Displays

Direkte Retinaprojektion§ MVIS.com

Quelle: http://www.mvis.com

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Nutzung gewöhnungsbedürftig

... Besonders für die Umwelt

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-38

Displays für mobile Aktivität

Tragbare Display-Alternativen zu HMDs§ z.B. Wrist-Mounted Display

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-39

Wearable Eingabe: Klassifikation

Freihändig§ Sprache, Eye-Tracking, EKG, Computer Vision

Einhändig§ Trackball, Wählscheibe, Maus, Gesten, Chord, Keyboard,

Knöpfe, Joystick, Beschleunigungs- oder Neigungssensoren

Zweihändig§ Pen/Touch, Gesten, Keyboard

Wichtigste Vertreter§ QUERTY /Half-Q.§ Chords VIDEO§ Chord-Erweiterte, z.B. Twiddler§ Chord Einarbeitungszeit: ca 30 h für 36 Anschläge/min (etwa

Keyboard)Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-40

Audio Wearable

Nomadic Radio§ Sawhney & Schmandt, MIT MediaLab§ Audio-only Wearable für ubiquitäre Kommunikation§ Ausgabe: periphäre Geräusche (Cues) und Synthetische Sprache

(Benachrichtigung, Antworten auf Befehle)§ Eingabe:

Sprach-erkennung§ gerichtete

Lautsprecherin Kopfnähefür 360°gerichteteAusgabe

Quelle:web.media.mit.edu/~nitin/NomadicRadio

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Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-41

Nomadic Radio: Navigation

Aktive Interaktion§ Vokabular für Sprachnavigation

? 12 Meta-Kommandos, z.B. “Go to my {email / news / ...}”? ein Vokabular für alle Anwendungen, nicht modal

§ Räumliche Anordnung von Nachrichten in 3D-Audio? Body-stabilized, z.B. nach zeitlichem Eingang im Tagesverlauf

§ Simultanes Hören: z.B. Email im Vodergrund, News im Hintergrund

12.00 Uhr

15.00

18.00

9.00

Email14.30

News8.00

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-42

Nomadic Radio: Benachrichtigung

Passive Interaktion, periphere Wahrnehmung§ Skalierbare Darstellung

? genügend Information bei minimaler Unterbrechung? stufenweise Verfeinerung der Information

Quelle:web.media.mit.edu/~nitin/NomadicRadio

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-43

Nomadic Radio: System

Quelle:web.media.mit.edu/~nitin/NomadicRadio Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-44

Affective Computing

Begriff von R. Picard, MIT§ Idee: Rechner soll „emotionalen Zustand“ des Menschen erfahren

und berücksichtigen§ Realisierung: Beobachtung über bestehende und vor allem neue

Schnittstellen

Beispiele§ Blutdruckmessung durch

elektronischen Ohrring

§ Leitfähgkeit der Haut:Uhr, Fingerring,erweiterte Maus

Quelle:affect.media.mit.edu

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Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-45

Affective Computing

§ Auch Herzschlag,§ Videoüberwachung: Augenbewegung etc.

Anwendungsfelder§ Lernsysteme

§ verbesserter Benutzerschnittstellen

§ implizite Interaktion

§ Kunst und Unterhaltung

§ Gesundheitswesen

§ ...

Bsp: Orpheus

§ Steuerung der abgespielten Musik basieren auf Emotionszustand

Quelle:affect.media.mit.edu

Ubiquitous Computing WS 02/03 Michael Beigl, TecO 5-46

Affective Computing

StartleCam§ Healey & Picard, MIT MediaLab§ Computer hört auf Körpersignale§ Affective Computing§ User erschrickt Notruf mit

Bildübertragung („dieletzten 5 sec vor demÜberfall“)

Quelle:affect.media.mit.edu