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Theoretische und experimentelle Analysen zum Fitts´schen Gesetz bei der Interaktion mit großflächigen berührungssensitiven Bildschirmen = Theoretical and experimental analyses on Fitts´ Law on large-scale touch screens



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sebastian Timm Vetter

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfang203 S. : Ill., graph. Darst.


Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012


Genehmigende Fakultät
Fak07

Hauptberichter/Gutachter


Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-11-06

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-43357
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51086/files/4335.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Kommunikationswissenschaft (792310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bewegungssteuerung (Genormte SW) ; Touchscreen (Genormte SW) ; Mensch-Maschine-Kommunikation (Genormte SW) ; Softwareergonomie (Genormte SW) ; Psychologie (frei) ; Fitts´sches Gesetz (frei) ; Bewegungszeit (frei) ; zielgerichtete Zeigebewegung (frei) ; Fitts law (frei) ; movement time (frei) ; pointing movement (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 150
rvk: QP 413 * ST 280

Kurzfassung
Ziel der Arbeit ist eine theoretisch und experimentell fundierte Erweiterung des Fitts´schen Gesetzes für die Interaktion mit großflächigen berührungssensitiven Bildschirmen. Das Fitts´sche Gesetz beschreibt die Kanalkapazität des menschlichen motorischen Systems bei der Ausführung von zielgerichteten Zeigeaufgaben und wird seit Ende der 1970er Jahre vor allem im Bereich der Mensch-Rechner Interaktion eingesetzt; beispielsweise um graphische Benutzungsoberflächen hinsichtlich der Größe und Positionierung von Interaktionsschaltflächen softwareergonomisch zu analysieren. Aufgrund der Notwendigkeit textuelle Informationen darzustellen, weisen diese in der Regel eine rechteckige Geometrie auf, während die Positionierung auf dem Bildschirm prinzipiell beliebig ist. Daher stellt sich die Frage, wie die Zielbreite bei rechteckigen Zielobjekten zu ermitteln ist und welchen Einfluss der Winkel zwischen Startposition und Zielobjekt auf die Bewegungszeit hat. Trotz einer beachtlichen Anzahl von experimentellen Untersuchungen ist der gesicherte Erkenntnisfortschritt als gering zu bewerten, da die meisten Studien methodische Schwächen aufweisen, die eine unabhängige Betrachtung der Effekte auf die Bewegungszeit erschweren. Zudem existiert eine Vielzahl weitgehend ungeprüfter Modellerweiterungen des Fitts´schen Gesetzes. Für die Anwendung des Fitts´schen Gesetzes im Bereich der Softwareergonomie wurde der Einfluss der Zielbreite und des Winkels in zwei experimentellen Studien systematisch untersucht. Die experimentellen Studien wurden auf einem großflächigen berührungssensitiven Bildschirm durchgeführt. Vor dem Hintergrund einer steigenden Anzahl älterer Computerbenutzer wurden in allen Studien altersheterogene Stichproben (N=100) untersucht. In der ersten Studie wurden verschiedene Parameter der Zielbreite untersucht. Um Einflüsse des Winkels auszuschließen, wurden in der Experimentalaufgabe rechteckige Zielobjekte unterschiedlicher Seitenverhältnisse in einem konstanten Winkel und einer konstanten Distanz dargeboten und um ihren Mittelpunkt rotiert. Hierdurch wurde eine systematische Variation der Zielbreite in Bewegungsrichtung erzielt, während die anderen Zielbreitenparameter nicht variiert wurden. Die Ergebnisse belegen, dass die Bewegungszeit in Abhängigkeit der Zielbreite in Bewegungsrichtung sowie der Zielhöhe orthogonal zur Bewegungsrichtung variiert. Anhand der Verteilung der Bewegungsendpunktkoordinaten zeigte sich, dass die Zielbreite in Bewegungsrichtung mit der visuell-motorischen Korrektur der Bewegungslänge, die Zielhöhe orthogonal zur Bewegungsrichtung mit der Korrektur der Bewegungsrichtung korrespondiert. In der zweiten experimentellen Studie wurde der Einfluss des Winkels zwischen Start- und Zielobjekt untersucht. Um eine Konfundierung mit Effekten der Zielbreite auszuschließen, wurde die Zeigeaufgabe mit kreisförmigen Zielobjekten ausgeführt, die in verschiedenen Winkelstufen und unter konstanten Distanzen dargeboten wurden. Die zeitbehafteten Bewegungstrajektorien wurden mittels eines Infrarot-Motiontrackingsystems erfasst. Die Ergebnisse der Zeitdaten zeigen einen sinusförmigen Verlauf der Bewegungszeit in Abhängigkeit des Winkels, welcher durch die Trägheitsanisotropie des Arm-Hand Systems erklärt werden kann. Die Verteilung der Bewegungs-endpunktkoordinaten bestätigt die Unabhängigkeit der visuell-motorischen Kontrolle von Bewegungslänge und Bewegungsrichtung. Die mittleren Bahnlängen weisen ebenfalls einen sinusförmigen Verlauf in Abhängigkeit des Winkels auf, was die Annahme einer biomechanischen Ursache bestärkt. Die Profile der mittleren Geschwindigkeit lassen zwei Phasen der Bewegungsausführung, die ballistische Initial Impulse Phase sowie die visuell-motorische Fehlerkorrekturphase erkennen. Die Ergebnisse der beiden Experimente wurden in ein Modell überführt und in einer weiteren Studie experimentell validiert. Hierzu wurden rechteckige Zielobjekte unterschiedlicher Seitenverhältnisse an einer zufälligen Position dargeboten. Auf Basis der erhobenen Zeitdaten wurde die Passungsgüte von acht, aus der Literatur bekannten, Modellerweiterungen des Fitts´schen Gesetzes ermittelt. Die Ergebnisse bescheinigen dem erweiterten Modell die höchste Vorhersagegenauigkeit und sprechen zudem für eine altersdifferenzierte Modellierung, da sich die Modellparameter der jüngeren und älteren Probanden deutlich unterscheiden. Die Einsatzmöglichkeiten des erweiterten Fitts´schen Gesetzes wurden beispielhaft anhand eines Desktop-Modell zur ergonomischen Anordnung von Interaktionselementen auf großflächigen berührungssensitiven Bildschirmen aufgezeigt. Aufgrund der prinzipiellen Ähnlichkeit zielgerichteter Zeigebewegungen mit Hinlangbewegungen bei der Ausführung manueller Montagetätigkeiten wurde das erweiterte Fitts´sche Gesetz außerdem herangezogen, um die Anordnung verschiedener Greifbehälter unter ergonomischen Gesichtspunkten zu bewerten und Gestaltungsempfehlungen abzuleiten.

The aim of this thesis is to develop a theoretically founded and experimentally proven refinement of Fitts´ Law for the interaction with large touch screens. Fitts´ Law defines the channel capacity of the human motor system while performing target-oriented pointing movements. Nowadays Fitts´ Law is mainly used in the field of Human-Computer-Interaction for example to analyze graphical user-interfaces according to the size and position of interaction elements. These interaction elements typically carry textual information and are of rectangular shape. Their position on the screen is variable. Applying Fitts´ Law in the field of software ergonomics raises the questions of how to define the width for rectangular target objects and how the angle between starting position and target object affects movement time. Although numerous experimental studies focused on these questions, the state of knowledge is still uncertain and contradictory. Most studies suffer from methodological weaknesses because they do not separate between effects of the angle and effects induced by target width on movement time. Furthermore the current state of research shows numerous poorly validated extension of Fitts´ Law. Therefore, in this thesis, the influence of target width and the angle is analyzed separately in two experimental studies. The experiments were conducted on a large touch screen. Against the background of an increasing number of older computer users an age diverse sample (N=100) was investigated. In the first study different target width parameters were investigated (e.g. the target width in the direction of motion W´, the shorter side length Wmin, the sum of the side length W+H and the area of the target object W*H). In order to eliminate confounding effects of the angle, rectangular target objects were displayed at a fixed position and rotated around their centre. This experimental setup results in a systematical variation of only the target width in the direction of motion W´, while other target width parameters e.g. the shorter side-length (Wmin) remains constant. The results show that the movement time is dependent on the target width in and orthogonal to the direction of movement. The distribution of endpoint coordinates confirms that the target width in direction of movement corresponds to the correction of the movement length and target height to the correction of movement direction. In the second study the influence of the angle was investigated. In order to eliminate confounding effects of the target width circular target objects were used. The targets were displayed at constant amplitudes at different angular positions. Additionally, the movement trajectories were recorded with an infra red motion tracking system. The results of the movement time data show a sinusoidal distribution depending on the angle which can be explained by the inertial anisotropy of the hand-arm system. The distribution of movement endpoints confirms the independence of the correction of movement length and movement direction. The mean length of movement trajectories also shows a sinusoidal shape which supports the assumption of a biomechanical cause. The mean velocity profiles show that the movements are executed in a ballistic and a correction phase. The results were integrated in a model and validated in an additional experimental study. In the experimental task rectangular target objects of different side-length ratio were displayed at a random position on the screen. On the basis of the movement time data the empirical goodness of fit was determined for eight extensions of Fitts´ Law, known from literature. The results show highest predictive power for the derived model. Furthermore, the results clearly suggest an age-differentiated modeling of Fitts´ Law because the model parameters differ significantly. Possible fields of application of the derived Fitts´ Law are the ergonomic arrangement of interaction elements on graphical user interfaces on large touch screens. Because of the similarity between target directed movements and reaching movements in manual assembly tasks the derived Fitts´ Law can be used to analyze and ergonomically optimize the spatial arrangement of material boxes.

Fulltext:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
German

Interne Identnummern
RWTH-CONV-113403
Datensatz-ID: 51086

Beteiligte Länder
Germany

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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Arts and Humanities (Fac.7)
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 Record created 2013-01-28, last modified 2023-05-05


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