einfluss der lautheit auf die taktile

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Akustik und Sprachkommunikation
Studienarbeit
EINFLUSS DER LAUTHEIT AUF DIE
TAKTILE
INTENSITÄTSWAHRNEHMUNG VON
VIBRIERENDEN OBERFLÄCHEN
Lukas Creutzburg, geb. 20.11.1991, Kassel
Mat.-Nr.: 3749729
Betreut durch:
Prof. Dr.-Ing. habil. Ercan Altinsoy
Eingereicht am 12. August 2016, Dresden
ZUSAMMENFASSUNG
Bislang bestimmten traditionelle Eingabegeräte wie Maus und Tastatur die menschliche Interaktion mit dem Computer. Betätigt der Nutzer sie, bekommt er meist eine akustische, eine optische und
auch eine vibratorische – das Tasten betreffende – Reaktion. Doch Touchscreens ersetzen immer
häufiger die traditionellen Eingabegeräte Maus und Tastatur bei Handys, PC-Anwendungen und
Spielkonsolen. Diesen modernen, berührungsempfindlichen Eingabegeräten fehlen die akustische,
die optische und vor allem aber die vibratorische Reaktion. Damit fehlt dem Nutzer oft auch die
Rückmeldung, ob der Vorgang erfolgreich war. Daraus resultieren häufig Bedienungsfehler. In diesem Kontext gewinnt die Qualität der Rückmeldung von Bedienelementen eine große Bedeutung.
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der audiotaktilen Interaktion bezüglich der Lautheit und
wahrgenommenen Vibrationsstärke.
Zunächst ist die entsprechende Literatur zu sichten und kurz zu referieren. Es ist eine Versuchsreihe
zu entwerfen und mit einer geeigneten Anzahl auditiver und haptischer Feedbacks (verschiedene
Kraft- und Wegvariationen) sowie einer geeigneten Zahl an Probanden durchzuführen. Die Ergebnisse sind auszuwerten und zu interpretieren. Das Ziel dieses Experiments ist die Untersuchung des
Einflusses der Lautheitswahrnehmung auf die taktile Intensitätswahrnehmung.
i
ii
SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne unzulässige Hilfe
Dritter verfasst habe. Es wurden keine anderen als die in der Arbeit angegebenen Hilfsmittel
und Quellen benutzt. Die wörtlichen und sinngemäß übernommenen Zitate habe ich als solche
kenntlich gemacht. Während der Anfertigung dieser Arbeit wurde ich nur von folgenden Personen
unterstützt:
• Prof. Dr.-Ing. habil. Ercan Altinsoy
Weitere Personen waren an der geistigen Herstellung der vorliegenden Arbeit nicht beteiligt. Mir
ist bekannt, dass die Nichteinhaltung dieser Erklärung zum nachträglichen Entzug des Hochschulabschlusses führen kann.
Dresden, 12.08.2016
Lukas Creutzburg
iii
DANKSAGUNG
Ich möchte mich an dieser Stelle bei allen bedanken, die mich während der Anfertigung dieser
Arbeit unterstützt und motiviert haben.
Zunächst gilt mein Dank Herrn Professor Altinsoy, der meine Studienarbeit betreut hat. Seine
hilfreichen Anregungen haben mir bei der Erstellung dieser Arbeit enorm geholfen.
Darüber hinaus möchte ich mich bei den Teilnehmern des Hörversuches für ihre Geduld bedanken.
Ohne Sie wäre diese Arbeit nicht möglich gewesen.
Auch meiner Freundin Anne-Liesse und meinen Eltern möchte ich für den emotionalen Rückhalt
und die Unterstützung während des gesamten Studiums danken.
iv
INHALTSVERZEICHNIS
1
Einleitung
1
2
Grundlagen
3
2.1
Sensorik des Menschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.1.1
Auditives System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.1.2
Taktiles und haptisches System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
Der mechanische Taster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.2
3
Stand der Technik
4
Präzisierung der Aufgabenstellung
11
5
Experimentelle Untersuchungen
13
5.1
Versuchsanforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
5.2
Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
5.3
Bau des Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
5.4
Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
6
7
9
Auswertung
21
6.1
Programmierung eines Auswerteskriptes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
6.2
Auswertung der multimodalen Stimuli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
Zusammenfassung
A Anlagen
29
35
A.1 Versuchsinterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
A.2 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
v
vi
Inhaltsverzeichnis
1
EINLEITUNG
Der Mensch ist es gewohnt, bei einer erfolgreichen Interaktion mit einem Gegenstand beziehungsweise einem Interface eine Bestätigung zu erhalten. Diese kann entweder taktiler, visueller oder
auditiver Natur sein. Fehlt diese Bestätigung, so ist der Nutzer nicht sicher, ob die Betätigung von
zum Beispiel einer Taste erfolgreich war. Es ist ebenfalls möglich einen multimodalen Reiz darzubieten. Dies erleichtert die Bedienung. Auch bei Störung eines Sinnes, wie in etwa der auditiven
Empfindung in einer lauten Umgebung, ist so noch ein Feedback wahrnehmbar. Gerade in Kraftfahrzeugen und anderen Umgebungen, in denen die volle Aufmerksamkeit des Nutzers gefordert
ist, ist es wichtig, dass die Bedienung des Gerätes selbst nur ein Mindestmaß an Aufmerksamkeit
erfordert. Daher ist es von Vorteil, Feedbacks multimodal darzubieten. Dies ermöglicht dem Nutzer
bei gleichzeitiger Reduktion der Wahrscheinlichkeit einer Fehlbedienung, einen Großteil der Aufmerksamkeit der Führung des Fahrzeuges zu widmen.
Wärend früher der akustische und der haptische Eindruck bei Betätigung einer mechanische Taste
immer zwingend miteinander verbunden waren, bietet der Einsatz von Touchscreens und anderen kapazitiven Eingabegeräten die Möglichkeit, diese Reize individuell anzupassen. Besonders in
Kraftfahrzeugen ist es von Vorteil, wenn Tasten auch auf Touchscreens ein Feedback geben und
dem Nutzer die Eingabe auch ohne visuellen Reiz bestätigt wird. Das betrifft auch das Ertasten
der Bedienelemente auf einer glatten Oberfläche unter Verzicht auf einen visuellen Reiz. Die Haptik
einer Taste trägt darüber hinaus wesentlich zum Wertigkeitseindruck eines Produktes bei und kann
sogar ein Wiedererkennungsmerkmal einer Marke werden.
Ein wichtiger Anwendungsbereich haptischer Interfaces ist auch die Verbesserung der Barrierefreiheit. Steht dem Nutzer ein Sinn nicht zur Verfügung, ist es bei herkömmlichen Touchscreens
schwer, das Gerät noch richtig zu bedienen. Ein haptisches Interface kann hier sogar ohne visuellen
Reiz dazu beitragen, dass der Nutzer das Gerät komfortabel bedienen kann. Gleiches gilt für den
Fall eines schwerhörigen oder gehörlosen Anwenders.
In dieser Arbeit soll speziell die Querabhängigkeit zwischen der Lautheit des auditiven Feedbacks
und der wahrgenommenen Vibrationsstärke bearbeitet werden. Dabei wird zunächst auf die Sensorik des Menschen eingegangen. Es folgt ein Überblick über den aktuellen Stand der Forschungen
in diesem Bereich. In einem Hörversuch soll dann die beschriebene Querabhängigkeit untersucht
werden. Daran schließt sich eine Auswertung der Ergebnisse und ein Fazit an.
Ziel der Arbeit ist die Evaluation, ob die Vibrationsstärke einer Haptik direkt mit der auditiven Wahrnehmung des Bedienenden korreliert ist und, falls ja, inwiefern diese Korrelation sowohl
von der taktilen, als auch von der auditiven Frequenz der Stimuli abhängt. Die Arbeit soll eine
Grundlage für weitere Untersuchungen bieten.
1
2
Kapitel 1 Einleitung
2
GRUNDLAGEN
Die Haptik von Tastern beschäftigt zurzeit besonders die Automobilindustrie. Hier ist ein zentrales
Thema die ideale Haptik einer Taste. Während einige Hersteller hier auf Einzelimpulse setzen, um
den Impuls der Taste direkt nachzuahmen, setzen andere Hersteller auf Vibrationen. Um hier die
ideale Anregungsform zu wählen, muss zunächst auf die menschliche Sensorik eingegangen werden.
Die Auslösung einer Taste erfolgt in der Regel mit dem Finger. Dieser ist einer der sensorisch
empfindlichsten Teile des Körpers. Es existieren verschiedene Mechanorezeptoren im Finger zur
Erfassung dargebotener Stimuli. Da die Vibrationen der Taste eine recht geringe Amplitude aufweisen und die Vibration über den Finger nahezu nicht in den Rest des Körpers einkoppeln kann,
sind die Einflüsse von Körperschall gering. Die auditiven Reize werden mit den Ohren erfasst.
2.1 SENSORIK DES MENSCHEN
2.1.1 Auditives System
Das Ohr ermöglicht dem Menschen die Wahrnehmung von Schall. Das Außenohr reicht von der
Ohrmuschel bis zum Trommelfell. Ein einfallendes Signal wird durch die Ohrmuschel mit der Außenohrübertragungsfunktion (Head-Related Transfer Function - HRTF) gefaltet. Damit ist es dem
Menschen möglich, richtungsaufgelöst zu hören [Alt16, p. 5]. Es folgt der Gehörgang als akustische
Leitung, die einige Frequenzen gezielt verstärkt, und schließlich das Trommelfell. Das Trommelfell
ist bereits Teil des Mittelohres. Es wandelt den Schalldruck in eine Kraft um, die dann über Hammer, Amboss und Steigbügel verstärkt und weitergeleitet wird. Der Hammer ist über ein Gelenk
(Articulatio incudomallearis) mit dem Amboss verbunden. Dieses kann über einen kleinen Muskel
die Empfindlichkeit des Gehörs steuern. Ist das Gelenk starr, besteht eine hohe Kopplung zwischen
Außen- und Innenohr. Bei großen Amplituden wird es beweglicher, wodurch die Empfindlichkeit
des Gehörs gesenkt und das Innenohr vor Schäden durch sehr hohe Schalldruckpegel, wie beispielsweise bei Konzerten, schützt wird [Alt16, p. 18]. Daher ist die Hörleistung eines Menschen, der
längere Zeit hohen Schalldruckpegeln ausgesetzt war, zunächst deutlich beeinträchtigt. Die betroffene Person hört schlechter und hat ein taubes Gefühl im Ohr. Lässt der Schalldruckpegel nach,
spannt sich der Muskel wieder an und die Empfindlichkeit des Gehörs steigt wieder. Gefährlich sind
hier impulsartige Schallereignisse mit hohem Schalldruckpegel. Der Muskel kann nicht schnell genug reagieren und es kann zu irreversiblen Schädigungen des Innenohr kommen. Insgesamt ist eine
der erstaunlichsten Eigenschaften des menschlichen Gehörs seine enorme Dynamik. Mit einer maximalen Dynamik von 120 dB und einer maximal gleichzeitig wahrnehmbaren Dynamik von 60 dB
ist es ein außerordentlich gutes Messgerät. Dazu sind an verschiedenen Stellen im Ohr flexible Signalverstärkungen je nach aktuellem Pegel notwendig [Ede16]. Da die Fläche des Trommelfells im
Verhältnis zur Fläche der Steigbügelplatte sehr groß ist, erfolgt hier eine erneute Verstärkung des
Signals. Außerdem schützen der Trommelfellspanner das Ohr vor zu großen Schalldrücken [Alt16,
p. 25].
Im Innenohr werden die Kraftverläufe in elektrische Impulse gewandelt. Die geschieht in der
Schnecke, wo die Haarzellen ortsaufgelöst je nach Frequenz angeregt werden. Als schnelle Sensoren senden diese bei Anregung Impulse an das Gehirn. Außerdem befindet sich im Innenohr
3
Abbildung 2.1: Darstellung des menschlichen Ohrs[GSI]
auch das für den Gleichgewichtssinn verantwortliche Vestibularorgan, welches in den Bogengängen
sitzt [Alt16, p. 28].
Durch die Fähigkeit des Ohrs richtungsaufgelöst zu hören ergeben sich Anforderungen an eine
gute multimodale Haptik. Die Geräuschquelle, welche das auditive Feedback für die Haptik generiert, muss in unmittelbarer Nähe zur Taste wahrgenommen werden. In der Regel befindet sich ein
Lautsprecher im Gehäuse des Moduls und strahlt das entsprechende Geräusch ab.
2.1.2 Taktiles und haptisches System
Um näher auf die Möglichkeiten des Körpers, taktile und haptische Reize zu erfassen, eingehen
zu können, sind zunächst die Begriffe „haptisch“ und „taktil“ eindeutig von einander abzutrennen.
Während „haptisch“ die „aktive Berührung [eines Bedienelementes] durch gezielte Körperbewegung“ [KS08, p. 120] beschreibt, handelt es sich bei der „Taktilität“ um eine „passive Berührung
ohne aktive Bewegung“ [KS08, p. 120]. Da Bedienelemente grundsätzlich aktiv bedient werden, ist
der Begriff der Taktilität in diesem Zusammenhang ungeeignet. Da der Begriff der Taktilität sich
jedoch im Sprachgebrauch dennoch auch für die Beschreibung von Haptiken durchgesetzt hat, wird
er auch in dieser Arbeit verwendet. Dabei ist hier stets ein haptisches Ereignis gemeint.
Es gibt im Bereich der taktilen und haptischen Wahrnehmung drei Gruppen von Sensoren, die
Mechanosensoren, Propriozeptoren und die Vestibularorgane [KS08, p. 116]. Zu den Mechanosensoren zählen alle Organe, die Oberflächenkontakte, wie Kräfte oder Verformungen des Körpers,
registrieren. Sie liegen in verschiedenen Hautschichten und sind grundsätzlich in die langsam adaptierenden und schnell adaptierenden Sensoren zu unterteilt. Langsam adaptierende Sensoren senden
kontinuierlich Signale. Die Anregung wird über die Pulsweite übertragen, was in einer langsamen
Adaptionszeit resultiert. Schnell adaptierende Sensoren senden nur dann Impulse, wenn eine Anregung erfolgt. In Abbildung 2.2 ist die Verteilung der Sensoren in der Haut dargestellt.
Die Stärke der Anregung ist über die Impulsdichte kodiert. Dies führt zu einer schnelleren Adaption des Sensors. Im Finger existieren die in Tabelle 2.1 beschriebenen Sensortypen. In dieser Arbeit
soll ausschließlich auf vibrationsbasierte Haptiken eingegangen werden. Daher sind besonders die
Pacini-Körperchen von Interesse. Langsam adaptierende Sensoren können die Vibration aufgrund
der hohen Frequenz nicht erfassen. Maximal eine Amplitudenmodulation wäre noch von einem der
langsam adaptierenden Sensoren erfassbar.
Die Rauigkeit ist ein wichtiger Parameter für die Erfassung von Vibrationen. Sie wird intuitiv vom
Körper durch Streichen über eine Oberfläche ermittelt. Auch ohne streichen kann eine Taste jedoch rau wirken, was einen Einfluss auf das gefühlte Feedback hat. Eine weitere Eigenschaft beider
schnell adaptierender Sensoren (Meissner- und Pacini-Körperchen) ist die schlechte Ortsauflösung.
Diese ist für die Anwendung in einem Touchscreen jedoch eher positiv. Das gesamte Display kann
angeregt werden.
4
Kapitel 2 Grundlagen
Abbildung 2.2: Sensorik des Fingers [Alt06, p. 11]
Merkel-Körperchen
5 Hz - 15 Hz
Erfassung von Druck
Langsam adaptierend
Gute Ortsauflösung
Ruffini-Körperchen
0,4 Hz - 100 Hz
Erfassung von Gewebedehnung
Langsam adaptierend
Mittlere Ortsauflösung
Meissner-Körperchen
10 Hz - 60 Hz
Erfassung von tieffrequenten Vibrationen
Schnell adaptierend
Schlechte Ortsauflösung
Pacini-Körperchen
50 Hz - 1 kHz
Erfassung von Vibrationen
Schnell adaptierend
Sehr schlechte Ortsauflösung
Erfassung von Rauigkeiten im µm-Bereich
Tabelle 2.1: Mechanosensoren in der unbehaarten Haut [Alt06, p. 11]
2.1 Sensorik des Menschen
5
Wäre die Ortsauflösung besser, müssten nur kleine Teile des Displays angeregt werden. Das ist ohne Weiteres selbstverständlich nicht möglich. Die Mechanosensoren eigenen sich besonders für die
Analyse von Bedienhaptiken, da sie einen Kraft-Zeit-Verlauf liefern. Dabei liefern die Merkel- und
Ruffini-Zellen direkt Kraftwerte an das Gehirn, die Meissnerzellen zeigen differentielles Verhalten
und die Pacinizellen zeigen doppelt differentielles Verhalten.
Die Mechanosensoren sind nicht gleichmäßig über die Hand verteilt. Besonders bei den für die Detektion von Vibrationen wichtigen Pacini-Körperchen ist eine sehr inhomogene Verteilung in der
Hand zu sehen (Abbildung 2.3).
Auch die Thermosensoren spielen eine wichtige Rolle in der Haptik. Über sie wird auch Schmerz
Abbildung 2.3: Verteilung der Mechanosensoren in der Hand [DSH04, p. 65]
detektiert. Der Mensch besitzt neun Mal so viele solche Nozizeptoren, wie Druckrezeptoren. Sie
sind insbesondere wichtig, da durch sie der Körper durch Schmerzen vor Schäden gewarnt wird
und das Gehirn mit einem entsprechenden Fluchtreflex reagieren kann [KS08, p. 118]. In der Haptik wird mit diesen Sensoren die Oberflächenanmutung ertastet. Die Temperaturempfindung trägt
wesentlich dazu bei, das Material des Tasters zu erfühlen. Dies ist entscheidend für die Wertigkeitsempfindung.
Die Propriozetoren geben Informationen über die Tiefensensibilität, also zur Stellung des Körpers
im Raum und dessen Gliedmaßen zueinander, an das Gehirn weiter. Es handelt sich hier um Informationen zur Gelenkstellung und der Muskelkräfte. Die letzte Gruppe von Rezeptoren stammt aus
dem Bereich der Kinästhetik, also der Bewegungswahrnehmung [KS08, p. 116]. Zu ihnen zählen
im Wesentlichen die Gleichgewichtsorgane. Erfasst werden lediglich Beschleunigungskräfte, die auf
den ganzen Körper wirken. Sie liegen in den in Abbildung 2.1 dargestellten Bogengängen. Diese
beiden Gruppen von Sensoren sind für die Haptik von Bedienelementen weniger interessant, da sie
auf die Anregung des Fingers nicht reagieren. Zur Anregung der Propriozeptoren wären größere
Hübe notwendig.
Unabhängig von der Sensorik des Menschen sind auch persönliche Erfahrungen für die Empfindung
einer Haptik relevant. Der Reiz wird im zentralen Nervensystem verarbeitet und dort mit früheren,
ähnlichen Empfindungen in Verbindung gebracht. Ein Force-Feedback-Impuls fühlt sich also genau
dann wie eine echte mechanische Taste an, wenn er früheren Betätigungen einer mechanischen
Taste durch den Probanden ähnelt [ST95]. Das ist besonders interessant, da sich diese Empfindung
bereits von Generation zu Generation ändern kann. Die jetzt aufwachsende, junge Generation ist es
bereits gewöhnt, dass viele Interfaces über kapazitive Tasten ohne Haptik realisiert werden, während ältere Generationen noch mit mechanischen Tasten aufgewachsen sind. Dieser Unterschied
kann sich in der Beurteilung der Haptik zeigen. Es ist also bei einem Versuch auch das Alter der
Probanden zu erfassen und in die Auswertung einzubeziehen.
Im Bereich der Betätigungshaptik sind verschiedene Aufgabenbereiche bei der Bedienung eines
Gerätes beziehungsweise einer Maschine zu unterscheiden:
• Primäre Aufgaben sind zum Beispiel das Führen eines Kraftfahrzeuges mit allen dazu unmittelbar nötigen Fahraufgaben. Die Bedienelemente dafür sind das Lenkrad, der Schalthebel
und so weiter.
• Sekundäre Aufgaben sind zum Beispiel die mit der Zielführung des Fahrzeuges verbundenen
Aufgaben, wie die Bedienung des Navigationsgerätes.
• Tertiäre Aufgaben sind für die Bedienung des Gerätes, also im Beispiel des Fahrzeuges, nicht
unbedingt erforderlich und dienen eher der Unterhaltung oder dem Komfort. Dazu würde
beispielsweise die Bedienung der Klimaautomatik oder des Entertainmentsystems zählen.
Bedienelemente für primäre Aufgaben werden meist so ausgelegt, dass ihre Betätigung vergleichsweise viel Kraft benötigt. Dies ist historisch zu begründen, da diese Bedienelemente früher mechanisch direkt mit zum Beispiel dem Motor verbunden waren [Bub]. Der Nutzer erwartet hier, dass
die Bedienung mehr Kraft erfordert. Auch das Feedback sollte intensiver ausfallen.
6
Kapitel 2 Grundlagen
2.2 DER MECHANISCHE TASTER
Ziel einer Bedienhaptik ist in der Regel die Nachahmung einer dem Nutzer bereits aus dem Alltag
bekannten Haptik. Das Vorbild eines haptischen Impulses für ein Touchinterface ist also die mechanische Taste. Sie wird in modernen, mechanischen Tasten meist durch eine Silikonschaltmatte
oder eine Federscheibe realisiert.
Der Kraft-Weg-Verlauf des Drucktasters lässt sich in mehrere für die Haptik relevante Teile zerlegen. Der für die Funktion wichtigste Teil ist selbstverständlich der elektrische Schaltpunkt. Des
Weiteren verfügt der Taster über einen definierten Hub.
In Abbildung 2.4 sind die wichtigsten Punkte eines Druckverlaufes eines mechanischen Tasters
Abbildung 2.4: Schematische Darstellung des Druckverlaufes eines mechanischen Tasters [Rei08,
p. 122]
dargestellt. Nach Reisinger [Rei08] lässt sich der Verlauf in fünf wesentliche Bestandteile aufteilen.
Der als sehr negativ empfundene Leerhub direkt nach Kontakt des Fingers mit dem Taster geht in
den Kraftanstieg vor dem Kraftsprung über. Um Bedienfehler zu vermeiden sollte der elektrische
Schaltpunkt unbedingt genau am Kraftsprung erfolgen. Dies ist vergleichbar mit Force-FeedbackHaptiken. Kommt dort das Feedback zu früh, werden häufiger Bedienfehler auftreten, da der Nutzer
den Taster nur bis zum Feedback betätigt. Kommt das Feedback zu spät, sinkt der Komfort, da
der Nutzer bei jeder Betätigung sehr viel Kraft aufwendet. Dieser Effekt ist besonders bei der
Bedienung von Fernbedienungen zu beobachten. Der Nutzer betätigt die Taste genau so lange, bis
er ein Feedback erhält. Bleibt dieses aus, etwa weil die Batterien nahezu erschöpft sind, drückt der
Nutzer die Tasten intuitiv stärker, auch wenn ihm in den meisten Fällen klar sein solte, dass dies
keine Verbesserung mit sich bringt.
Nach dem Kraftsprung folgt ein weiterer Kraftanstieg, der zum Endanschlag hin immer stärker
zunimmt. In Abbildung 2.5 ist eine Messkurve eines realen Drucktasters zu sehen. Dort ist auch
gut die Hysterese der Kurve zu erkennen.
2.2 Der mechanische Taster
7
Abbildung 2.5: Messung des Druckverlaufes eines mechanischen Tasters [Rei08, p. 122]
8
Kapitel 2 Grundlagen
3
STAND DER TECHNIK
Zum Thema Haptik von kapazitiven Bedienelementen wird momentan viel Forschung betrieben.
Während viele Forschungsprojekte sich lediglich der Haptik widmen, existieren auch Papers zu den
Querabhängigkeiten zwischen der Haptik und Akustik von Bedienelementen. In Quelle [ABS03]
wird ein Experiment beschrieben, in dem eine „virtuelle Trommel“ gespielt werden musste. Die
Lautstärke der Trommel war proportional zu der zum Spielen verwendeten Kraft. Bei einigen, der
Stimuli war die Lautstärke größer, als bei der verwendeten Kraft anzunehmen ist. Gefragt wurde
immer nach der verwendeten Kraft beim letzten Spielen der Trommel auf einer Nummernskala. Das
Ergebnis zeigt deutlich, dass die gefühlte Kraft der Betätigung ansteigt, wenn bei gleichem ForceFeedback die Lautstärke des auditiven Feedbacks erhöht wird. Im Paper wird daraus geschlossen,
dass der Mensch die Lautstärkeinformation des Feedbacks stärker gewichtet, als die haptische Information. Die haptische Wahrnehmung wird als eine Integration über die auditive und haptische
Wahrnehmung beschrieben.
In einem anwendungsorientierteren Experiment stand die richtige Bedienung eines Interfaces im
Vordergrund. In Quelle [AM09] wurde die Qualität einer Haptik über die Fehlerrate bei der Eingabe von Zahlen auf einem Touchinterface gemessen. Dabei wurden ebenfalls sowohl ein auditives
Feedback, als auch ein haptisches Feedback dargeboten. Das auditive Feedback wurde mittels Kopfhörern abgespielt. Ein Grund dafür waren vermutlich die Geräusche des Shakers, die bestmöglich
unterdrückt werden sollten. Zur Anregung des Shakers wurden zwei vibratorische Signale verwendet, ein 50 Hz Sinus-Signal und ein sin2 -Signal. Bei Darbietung beider rein taktiler Stimuli wird
die 50 Hz Sinusschwingung als passender empfunden.
Für das auditive Feedback wurden sechs sehr unterschiedliche Feedbacks (Abbildung 3.1) ver-
Abbildung 3.1: Spektrogramme der in der Studie aus Paper [AM09] dargebotenen auditiven Stimuli
wendet. Es zeigt sich, dass bei multimodalen Signalen genau dann die taktile sin2 -Schwingung
als passender empfunden wurde, wenn das auditive Feedback einen hohen Lautstärkepegel aufwies (Abbildung 3.2). Hier ist zu prüfen, ob Lautheitsgrenzen existieren, ab denen es zu einer
9
Abbildung 3.2: Bewertung der Eignung der in der Studie aus Paper [AM09] dargebotenen Stimuli
Verschlechterung der wahrgenommenen Feedbackqualität kommt und wie diese Grenze mit der Intensität des taktilen Feedbacks zusammenhängt. Das Ergebnis dieser Studie deckt sich mit Quelle
[ABS03]. Es wird aus den Ergebnissen geschlossen, dass ein auditives Feedback ein rein haptisches
Feedback in allen Bewertungskriterien verbessern kann. Es wird jedoch auch angemerkt, dass ein
unpassend dargebotener Stimulus auch zu einer Verschlechterung der Bewertungen führen kann.
Es wir hier festgehalten, dass die Frequenz eine wichtige Rolle für die Synergieeffekte zwischen
auditivem und haptischem Feedback spielt. Welchen Einfluss die Frequenz genau hat wurde hier
noch nicht näher untersucht. Gleiches gilt für den Einfluss der Lautstärke des auditiven Stimulus
auf die wahrgenommene Qualität des multimodalen Signals.
Quelle [AM09] befasst sich ebenfalls mit dem Einfluss audiotaktilen Feedbacks auf die Qualität
von Touchscreens. Es wurde die Qualitätssteigerung durch ein multimodales Feedback gegenüber
einem rein taktilen Feedback untersucht. Auch hier wird eine „deutliche Qualitätssteigerung “ festgestellt. Im Gegensatz zu anderen Studien wurde hier eine komplexe Aufgabe gestellt. Der Proband
sollte 64 Nummern auf 6 Tasten eines Touchscreens eintippen. Die Bewertungskriterien waren die
Durchführungszeit und die Fehlerquote, wobei die Durchführungszeit später verworfen wurde, da
sie nur von geringer Relevanz war. Die Signalformen der Haptik fallen hier umfangreicher aus. Es
wird mit Dreieck-, Sägezahn-, sin2 - und Sinus-Signalen gearbeitet. Dabei wird festgestellt, dass die
Haptik allein die Fehleranzahl deutlich senken kann (Abbildung 3.3).
Dieser Effekt ist auch bei rein auditivem Feedback zu erkennen, fällt jedoch hier geringer aus. In
Abbildung 3.3: Fehleranzahl mit und ohne Haptik der in Quelle [AM09] dargebotenen Stimuli
der Zusammenfassung wird erneut bestätigt, dass Synergieeffekte zwischen auditivem und haptischem Feedback existieren und, dass diese die Qualität bei Touchscreenanwendungen verbessern
können. Wie genau sich Haptik und Akustik beeinflussen, wird jedoch nicht näher beleuchtet.
10
Kapitel 3 Stand der Technik
4
PRÄZISIERUNG DER
AUFGABENSTELLUNG
Zur Analyse der Querabhängigkeiten zwischen dem haptischen und auditiven Feedback soll ein Versuch durchgeführt werden. In diesem soll zunächst das haptische Feedback vermessen werden. Im
Anschluss folgen verschiedene Messungen mit Kombinationen haptischer und auditiver Feedbacks.
Im Fokus des Versuches steht der Einfluss von auditiven Reizen auf die Haptik, da die Haptik in
vorangegangenen Experimenten, wie beispielsweise Quelle [AM09], einen größeren Einfluss auf die
Wahrnehmung hat, als ein rein auditives Signal.
Es wird sich auf die Darbietung einzelner Frequenzen beschränkt. Aus Zeitgründen werden als komlexere Anregungsformen zuletzt nur noch zwei Akkorde untersucht. Die Unterschiede zwischen Dur
und Moll sind hier interessant. Die Dauer des Experimentes wird aus organisatorischen Gründen
auf 1,5 Stunden pro Proband festgelegt. Es muss evaluiert werden, welcher Umfang an zusätzlichen Untersuchungen und Stimuli in diesem zeitlichen Rahmen umsetzbar ist. Um eine möglichst
umfangreiche Auswertung zu ermöglichen, sollten bei allen Experimenten mit multimodalen Reizen verschiedener Frequenzen auch alle Permutationen der Frequenzen im Hörversuch dargeboten
werden, um alle vorkommenden Zusammenhänge abbilden zu können.
Im Anschluss erfolgt eine Auswertung der Ergebnisse. Sollte die Streuung noch zu groß sein, wäre die Stichprobengröße zu erweitern. Wichtig ist hierbei, vor dem Ziehen von Schlüssen aus den
Ergebnissen alle Messunsicherheiten zu evaluieren, die auftreten können. Daher sollten die Stimuli
möglichst einfach gehalten werden, um zu sicherzustellen, dass die Ergebnisse nicht durch andere
psychoakustische Effekte beeinflusst werden. Abschließend werden die Ergebnisse diskutiert und
Schlüsse aus der Analyse gezogen.
11
12
Kapitel 4 Präzisierung der Aufgabenstellung
5
EXPERIMENTELLE
UNTERSUCHUNGEN
5.1 VERSUCHSANFORDERUNGEN
Die Ergebnisse der im Stand der Technik dargestellten Paper haben gezeigt, dass ein Umfang
von 25 Personen ausreicht, um repräsentative Ergebnisse zu erzielen. In dieser Arbeit wird sich
zunächst an diesem Wert orientiert. Sollten Analysen zeigen, dass die Ergebnisse eine zu große
Streuung aufweisen, ist eine Vergrößerung der Stichprobe vorzunehmen. Beim Hörversuch werden
einige Daten zum Probanden erfasst. Dazu zählen das Geschlecht, Alter, ob die Person im Alltag
ein Smartphone nutzt und ob sie im Alltag einer besonderen haptischen oder akustischen Belastung
ausgesetzt ist.
Es soll eine möglichst enge Abrasterung des hör- beziehungsweise fühlbaren Frequenzbereiches erfolgen. Der für den Menschen hörbare Bereich reicht von 20 Hz bis 20 kHz. Für auditives Feedback
werden die Frequenzen 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz, 800 Hz, 1200 Hz, 2000 Hz, 4000 Hz, 8000 Hz und
12000 Hz verwendet. Dieses Raster wird auch in der Studie [Alt] verwendet. So ist die Vergleichbarkeit dieser Studie mit früheren Forschungsergebnissen gewährleistet. Eine Aufteilung in Oktaven
würde hier keinen Vorteil bringen.
Der mit den Fingern fühlbare Bereich reicht von 0,4 Hz bis 1 kHz. Für das taktile Feedback
Abbildung 5.1: Verteilung der auditiven Stimuli über den hörbaren Bereich
Abbildung 5.2: Verteilung der haptischen Stimuli über den fühlbaren Bereich
werden die Frequenzen 10 Hz, 20 Hz, 40 Hz, 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz und 800 Hz verwendet. In
13
einer Voruntersuchung wurde geprüft, dass das System in der Lage ist, solch geringe Frequenzen
darzustellen. Die Stimuli verfügen über verschiedene Schalldruckpegel. Insgesamt gibt es bei den
haptischen Stimuli drei Pegelstufen, bei den akustischen Stimuli zwei Pegelstufen.
Der Pegel sowohl des haptischen, als auch des auditiven Stimulus wird rein subjektiv eingestellt
und in die entsprechenden Pegelstufen unterteilt. Dabei entspricht eine auditive Pegelstufe 6 dB
und eine haptische Pegelstufe 3 dB. Die anschließende Messung des auditiven Signals mit einem
Kunstkopf ergab für den höchsten auditiven Pegel bei 400 Hz einen Schalldruckpegel von 60 dB
(Abbildung 5.3). Die Stimuluslänge ist in der Messung des Schalldruckpegels nicht gut erkennbar,
beträgt jedoch 100 ms. Mit der Messung der Lautheit ist die Länge besser zu verifizieren (Abbildung 5.4).
Die absolute Auslenkung des Shakers wurde mit einem Beschleunigungssensor gemessen. Es ergibt
Abbildung 5.3: Schalldruckpegel der höchsten Pegelstufe auditiv bei 400Hz
Abbildung 5.4: Lautheit der höchsten Pegelstufe auditiv bei 400Hz
sich bei 100 Hz und der höchsten Pegelstufe (Stufe 3) eine maximale Auslenkung von ±30 µm.
Die Messwerte sind in den Abbildungen 5.5 und 5.6 zu sehen. Die erste Auslenkung des Sensors
erfolgt, wenn der Finger die Taste berührt. In dieser Messung erfolgt 50 ms später die Auslösung
des Stimulus. Besonders in der Beschleunigungskurve ist das Signal eindeutig wiederzuerkennen.
Diese ist besonders relevant, da die Pacini-Zellen auf Beschleunigung reagieren.
Es stehen keine verschiedenen Dämpfungsvarianten der Stimuli selbst zur Verfügung, da diese in
früheren Versuchen keine relevanten Unterschiede zeigten. Es wird hier eine Dämpfung verwendet,
die das Signal innerhalb der Pulsdauer nahezu komplett abschwellen lässt. Jeder Stimulus hat eine
Länge von 100 ms. Die Fragestellung bleibt bei jedem Stimulus gleich und lautet „Wie stark ist die
Vibration?“.
14
Kapitel 5 Experimentelle Untersuchungen
Abbildung 5.5: Gemessene Beschleunigungswerte des Shakers bei 100Hz und der höchsten Pegelstufe
Abbildung 5.6: Geschwindigkeits- und Auslenkungswerte des Shakers bei 100Hz und der höchsten
Pegelstufe (Berechnet aus der gemessenen Beschleunigung)
5.1 Versuchsanforderungen
15
Da die Probanden überwiegend keine besonderen Erfahrungen mit der Bewertung von Haptik
und Akustik haben, muss vor dem Versuch ein Training durchgeführt werden. Dabei werden dem
Probanden verschiedene Haptiken präsentiert, um ihn an die Reizstärke zu gewöhnen. Dies ist notwendig, da der Proband sonst dazu neigt, extremere Bewertungen zu meiden. Der Grund dafür ist,
dass der Proband sich die Möglichkeit offenhalten möchte, einen noch stärkeren, beziehungsweise
schwächeren, Impuls noch extremer bewerten zu können. Ein Training mindert diesen Effekt, da
der Proband durch Ausprobieren an die Stimuli herangeführt wird. Während der Durchführung des
Versuches steht dem Probanden immer ein Anker zur Verfügung. Dieser soll jederzeit eine Referenz
bieten und auch nach längerer Versuchszeit noch vergleichbare Ergebnisse liefern. Der Anker ist
stets ein rein haptischer Reiz. Er bleibt über alle Stimuli sowohl in der Frequenz, als auch in der
Intensität gleich. Die Frequenz wird, um den Abstand zu allen Stimuli gering zu halten, auf 100 Hz
festgelegt, was ungefähr der Mitte des Frequenzbereiches (logarithmisch betrachtet) entspricht. Der
Pegel entspricht der schwächsten Pegelstufe der haptischen Stimuli.
Hier nicht untersucht werden Doppelimpulse, also zwei identische, direkt hintereinander abgespielte Impulse, welche in den Untersuchungen in Paper [Alt] in einer deutlicheren Bewertung der dort
relevanten Parameter durch die Probanden resultiert haben. Der Fokus liegt hier auf Einzelimpulsen. Um die Änderung der Wahrnehmung im Falle der Darbietung von komplexeren auditiven
Stimuli prüfen zu können, werden in einem getrennten Versuch noch zwei Akkorde dargeboten. Bei
einem handelt es sich um einen Dur-, bei dem anderen um einen Moll-Akkord. Der Grundton liegt
bei 400 Hz, um ihn mit den anderen Stimuli bei 400 Hz auditiv vergleichen zu können. Die Einzeltöne haben zunächst Vorrang, um den grundlegenden Zusammenhang zwischen der haptischen
und auditiven Wahrnehmung zu erforschen. Komplexe Anregungssignale sollen bewusst vermieden
werden.
Es wird Größenskalierung verwendet. Diese hat den Vorteil, dass der Proband nicht durch eine
Skala eingeschränkt ist. Das führt zu sehr zuverlässigen und vergleichbaren Ergebnissen auf dem
höchsten Skalenniveau. Dabei wird der Anker als 100 definiert. Der Proband hat die Aufgabe die
Vibrationsstärke zum Anker in Relation zu setzen.
Zu Beginn startet jeder Proband mit einem kurzen Training. Hier wird ihm der Ablauf des Versuches erklärt, nicht jedoch, worum es bei dem Versuch eigentlich geht und der Proband kann
jeweils einen tieffrequenten Stimulus, einen mittleren und einen hochfrequenten Stimulus mit niedrigem und hohem Pegel rein haptisch testen. Im Training steht ebenfalls bereits der Anker zur
Verfügung. Die genannten Frequenzen werden in einer zufälligen Reihenfolge präsentiert. Der Proband kann jeden Stimulus beliebig oft testen und jederzeit den Ankerstimulus betätigen, bevor
er den präsentierten Stimulus bewertet. Er wird jedoch aus Zeitgründen dazu angehalten, jeden
Stimulus lediglich 2-3 Mal zu betätigen. Als Richtwert wird dem Probanden ein Zeitfenster von
einigen Sekunden pro Stimulus genannt. Jeder Stimulus kommt im Versuchsdurchlauf jeweils zwei
Mal vor. Nach dem Training folgt als Erstes der Versuchsdurchlauf mit rein haptischen Stimuli,
da die Versuchsperson zu diesem Zeitpunkt noch keine Referenz besitzt, wie stark die Vibration
mit multimodalen Stimuli wirkt. Es folgen zwei Akkorde mit haptischem Feedback in allen Pegelstufen. Zum Einen ein Dur, zum Anderen ein Moll Akkord. Nach dem gleichen Schema folgt
ein Versuchsdurchlauf mit sowohl auditivem, als auch haptischem Feedback. Alle Stimuli in jedem
Versuch werden jeweils in einer gemischten Reihenfolge und insgesamt zwei Mal präsentiert.
Ohne Training ergibt das Insgesamt:
(7 Stimulihaptisch · 3 Pegelstufen + 9 Stimuliauditiv · 2 Pegelstufen · 7 Stimulihaptisch · 3 Pegelstufen
+2 StimuliAkkorde · 2 Pegelstufenauditiv · 3 Pegelstufentaktil ) · 2 Darbietungen = 822 Stimuli
(5.1)
Sekunden
(5.2)
822 Stimuli · 5
≈ 1,14 Stunden + 30 min Puffer ≈ 1,6 Stunden
Stimulus
Im Puffer ist bereits eine Pause mit eingerechnet. Zunächst war geplant, dass der Proband seine
Bewertung verbal an den Versuchsleiter weitergibt, dieser den Wert in den Computer eingibt und
anschließend zum nächsten Stimulus wechselt. Es stellte sich jedoch bei Vorversuchen heraus, dass
die Probanden schneller waren, wenn sie den Wert selbst eingeben konnten. Das Skript wurde
dahingehend optimiert, dass dieses komplett ohne Maus steuerbar ist. Gerade die Orientierung
mit der Maus auf dem Bildschirm kostet Zeit. Außerdem ist es dem Probanden auf diese Weise
möglich, unabhängig vom Versuchsleiter zu arbeiten. Gerade Probanden mit einer kurzen Aufmerksamkeitsspanne neigen dadurch allerdings dazu, sehr viel Zeit für den Versuch zu benötigen, da sie
selbst die Geschwindigkeit des Versuches vorgeben. Eine Übersicht des Versuches ist in Tabelle 5.1
dargestellt.
16
Kapitel 5 Experimentelle Untersuchungen
Versuchsparameter
Größenskalierung
Anker wird als 100 definiert
Fragestellung
haptisch: Wie stark ist die Vibration?
Reihenfolge
1.
2.
3.
4.
Training des Probanden
rein haptisches Feedback (einzelne Frequenzen)
Dur und Moll Dreiklänge zum Vergleich mit den einzelnen Frequenzen
Kombination aus haptischem und auditivem Feedback (je einzelne Frequenzen)
Anregungsform
auditiv: sin
haptisch: sin
Pulsdauer
100ms pro Impuls (gedämpft)
Frequenzen
auditiv
haptisch
Anker haptisch
Dur
Moll
100 Hz, 200 Hz, 400 Hz, 800 Hz, 1200 Hz, 2000 Hz, 4000 Hz, 8000 Hz, 12000 Hz
10 Hz, 20 Hz, 40 Hz, 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz, 800 Hz
100 Hz
400 Hz - 480 Hz - 600 Hz
400 Hz - 500 Hz - 600 Hz
Amplitude
auditiv: 2 Pegelstufen
haptisch: 3 Pegelstufen
Umfang
25 Personen (falls Streuung dann zu groß Erweiterung)
Dauer
90 min / Proband
Probandendaten
Geschlecht
Alter
Ist der Proband im Alltag einer besonderen haptischen
oder akustischen Belastung ausgesetzt?
Nutzt der Proband im Alltag ein Smartphone?
Tabelle 5.1: Versuchsparameter
5.1 Versuchsanforderungen
17
5.2 VERSUCHSAUFBAU
Der Proband sitzt vor zwei kapazitiven Tasten. Diese sind entsprechend mit „Anker, 100“ und
„Play, X“ markiert. Das Touchpad befindet sich auf einem Shaker der Marke „VEB Messelektronik
Dresden “, Typ 110/6. Dieser ist für die Betätigung mit dem Finger sehr groß dimensioniert. Es
ist also nicht davon auszugehen, dass die Kraft des Fingers das Schwingungsverhalten des Shakers
wesentlich beeinflusst. Vor der Messung wird mit einem Beschleunigungssensor eine Kalibrierung
ohne Finger vorgenommen. Dem Probanden ist freigestellt, wie genau er die Buttons betätigt. Dadurch betätigt zwar jeder Proband die Taste mit einer anderen Kraft und auf eine andere Weise,
hierdurch ist jedoch gewährleistet, dass die Bedienung der Buttons exakt wie in einer Alltagssituation erfolgt. Dies ist für die Praxistauglichkeit der Untersuchung relevant.
Die Darbietung der auditiven Stimuli erfolgt über den Studiokopfhörer „Sennheiser, HDA 200 “.
Diese geschlossenen Kopfhörer verfügen über eine gute Dämmung von Außengeräuschen. Dies ist
notwendig, da der Shaker im Betrieb vor allem bei hohen Frequenzen Schall abstrahlt, der den
Probanden beeinflussen könnte. In Abbildung 5.7 ist der Versuchsaufbau schematisch dargestellt.
Die Bedienfelder werden mit „UHU-Alleskleber“ auf eine massive MDF-Platte geklebt, die das
System mit dem Shaker verbindet. Der Kleber beeinflusst die Messung im relevanten Frequenzbereich unter 1 kHz nicht. Der Proband gibt die Werte der Größenskalierung in das Nummernfeld
der Tastatur ein.
Abbildung 5.7: Versuchsaufbau
5.3 BAU DES INTERFACES
Für die Eingabe ist es wichtig, dass das Interface selbst die vom Shaker erzeugte Schwingung so
direkt wie möglich an den Probanden weitergibt. Zu Beginn dieser Arbeit wurde vom Lehrstuhl
ein Touchinterface zur Verfügung gestellt, welches aus einer ortsaufgelösten, kapazitiven TouchOberfläche bestand, die vom Computer als Maus erkannt wird und ähnlich einem Grafik-Tablet
absolute Werte auf dem Computerbildschirm adressiert. Diese Oberfläche stellte sich jedoch als
sehr unpräzise heraus, sodass es kaum möglich war die Matlab GUI, die den Versuch steuert, zu
bedienen. Des Weiteren war eine verhältnismäßig hohe Kraft nötig, bis eine Auslösung des Panels
erfolgte. Die zur Bedienung aufzuwendende Kraft war nicht einstellbar.
Diese Probleme führten zu der Entscheidung, ein eigenes Interface zu entwickeln. Die Wahl fiel hier
auf einen PSoC-Chip der Firma Cypress Semiconductor Corp. (Abbildung 5.8).
Dieser ist für solche Anwendungen von Vorteil, da er über einen 32 bit-ARM-Cortex-M3-Mikroprozessor
verfügt und darüber hinaus über eine dem Programm Labview ähnliche Schnittstelle Code- und
Logikbausteine verwendet werden können. So konnte schnell ein USB Interface designt werden, welches sich beim Versuchsrechner als Tastatur authentifiziert und Tastaturkommandos senden kann.
Des Weiteren ist Cypress führend im Bereich der kapazitiven Interfaces. Diese Technologie ist auch
in den PSoC-Chip integriert und kann über eine komfortable Schnittstelle kalibriert werden.
Im nächsten Schritt werden aus einer rohen Leiterplatte zwei quadratische Stücke herausgeschnitten, die später als Taster fungieren sollen. Diese werden mit der Pinleiste des Controllers verbunden
und eine für den Betrieb nötige Kapazität angeschlossen. Mit einer sehr simplen Ansteuerung ist es
sofort möglich, die Taster zu bedienen und so zwei verschiedene Buchstaben an den Computer zu
18
Kapitel 5 Experimentelle Untersuchungen
Abbildung 5.8: PSoC5LP der Firma Cypress Semiconducor Corp. [Cor]
senden. Um eine authentische Bedienung der Tasten durch den Probanden zu ermöglichen muss nun
noch die Kraft zur Betätigung eingestellt werden. Dies geschieht in einem sogenannten „TuningTool“. Dafür muss zunächst gewährleistet werden, dass der Nutzer die Leiterplatten-Oberfläche
nicht direkt berührt. Dafür werden Klebestreifen auf der Leiterplatte angebracht. In der folgenden
Kalibrierung der Tasten, die über den Debugger der PSoC-Platine erfolgt, kann direkt angezeigt
werden, wie stark die Taste betätigt wird. Außerdem kann der Auslösezeitpunkt präzise festgelegt
werden. Die Hysterese verhindert ein Prellen und eine flexibel einstellbares Signal-to-Noise-Ratio
(SNR) verhindert ein Auslösen der Taste durch Störeinflüsse. Die Taste wird so eingestellt, dass
auch ein Proband, der die Taste nur sehr schwach betätigt, den Finger auf der Taste abgelegt
haben muss, um diese auszulösen. Dies verhindert, dass die Vibration ausgelöst wird, bevor die
Taste wirklich berührt wird. Der Programmcode und das Top Design befinden sich im Anhang
unter Listing A.1 und Abbildung A.1. Das Projekt basiert auf einem Beispielprojekt von Cypress
und wurde für die Zwecke des Versuchs angepasst und um die Capsense-Funktionalität erweitert.
5.4 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG
Bei der Durchführung des Versuches viel schnell auf, dass die kalkulierte Zeit bei den meisten
Probanden nicht ausreichte, um den Versuch komplett durchzuführen. Die schnellsten Probanden
absolvierten den Versuch in der geplanten Zeit. Durchschnittlich waren etwas mehr als zwei Stunden
nötig und die langsamsten Probanden benötigten über drei Stunden. Daher musste bei manchen
Probanden der Versuch in zwei oder drei Termine geteilt werden. Maßgeblich für den Zeitbedarf
war weniger die Zeit für die Bewertung der Einzelstimuli, sondern viel mehr die Aufmerksamkeitsspanne des Probanden. Während manche Probanden konzentriert nahezu die gesamten Stimuli am
Stück abarbeiteten, mussten andere Probanden immer wieder Pausen einlegen.
Außerdem war zu beobachten, dass die Probanden im Lauf des Versuches eine Skala entwickelten.
Nach dieser bewerteten sie die Stimuli meist mit immer den gleichen Zahlenwerten. Diese Skala
hatte bei den meisten Probanden in etwa neun Stufen. Die Probanden bewerteten intuitiv in äquidistanten Begriffen, denen sie im Training intuitiv einen passenden Zahlenwert zugeordnet hatten.
Diese Stufen waren in Bezeichnungen wie „nicht vorhanden“, „sehr schwach“, „schwach“, „gleich“,
„stark“, „sehr stark“, „maximal“gegliedert. Dieses Verhalten war den Äußerungen der Probanden
wärend des Versuches zu entnehmen. Die Probanden murmelten immer wieder genau diese Begriffe, wärend sie die Stimuli bewerteten. Welchen Zahlenwerten diese Skalenniveaus entsprachen,
war bei jedem Probanden unterschiedlich. Die maximale Bewertung lag nahezu immer etwas über
200. Bei der Auswertung der Messdaten muss in Betracht gezogen werden, die Werte ebenfalls
relativ zu den Maxima und Minima der individuellen Skala des Probanden auszuwerten. Das sollte
viel deutlicher aufzeigen, bei welchen Stimuli Vibrationen am stärksten wahrgenommen werden,
kann jedoch auch leicht zu Fehlern in der Auswertung führen, da keine absoluten Werte verwendet
werden und damit auch absolut kleine Unterschiede unter Umständen zu einer hohen prozentualen
Abweichung führen können.
Einige Probanden merkten an, dass sie sich von dem visuellen Feedback gerade bei niedrigen Frequenzen beeinflusst gefühlt haben. Während bei hohen Frequenzen die Vibration der MDF-Platte
nahezu nicht sichtbar ist, ist insbesondere bei 10 Hz die Vibration der Platte und das Wackeln der
Signalkabel deutlich zu sehen. Bei zukünftigen Experimenten sollte darüber nachgedacht werden,
die Sicht des Probanden auf den Versuchsaufbau zu unterbinden. Da jedoch primär die Beeinflussung des Probanden durch auditive Reize gemessen werden soll, ist die absolute Bewertung des
Stimulus weniger relevant. Vielmehr steht die Änderung der wahrgenommenen Vibraationsstärke
im Mittelpunkt und diese wird durch die visuellen Reize wenig beeinflusst, da sich der Shaker mit
und ohne auditiven Reiz identisch verhält.
5.4 Versuchsdurchführung
19
Den Probanden war bewusst freigestellt worden, in welcher Weise sie die Buttons betätigen. Es
zeigte sich, dass die Probanden intuitiv versuchten, die Hand auf der MDF-Platte unterhalb der
Buttons abzulegen. Ein Test zeigt, dass dieses Verhalten es dem Probanden ermöglicht, auch sehr
schwache Vibrationen noch deutlich stärker zu fühlen, als dies nur mit der Fingerkuppe möglich
ist. Daher wurden die Probanden direkt wenn dieses Verhalten auftrat darauf hingewiesen, dass
sie die Hand bei der Betätigung nicht ablegen sollen. Der Proband wurde bewusst nicht vor dem
Versuch darüber informiert, da das Verhalten nur bei etwa der Hälfte der Probanden auftrat und
dem Probanden sonst schon im Vorfeld Vorgaben über die Art der Betätigung der Taste gemacht
worden wären.
Darüber hinaus fiel auf, dass besonders die schnelleren Probanden die Tasten mit verschiedenen
Fingern der gleichen Hand betätigen wollten. Auch in diesem Fall wurde der Proband direkt gebeten, beide Tasten in der gleichen Weise zu betätigen. Die Art der Betätigung bleibt weiterhin
freigestellt. Während ein großer Teil der Probanden klassisch den Zeigefinger nutzt, betätigten
andere Probanden den Button intuitiv mit dem Mittelfinger. Ein Proband nutzte sogar Zeigeund Mittelfinger und betätigte die Taste mit deutlich mehr Kraft, als andere Teilnehmer. Genau
dieser Proband gab jedoch auch an, im Alltag viele Arbeiten mit Werkzeug durchzuführen und
besaß daher eine überdurchschnittlich starke Hornhaut auf den Fingerkuppen. Zusätzlich bediente dieser Proband in seiner Freizeit regelmäßig eine Segelflugwinde und ist so außerordentlichen
Vibrationen ausgesetzt. Im Versuch war zu beobachten, dass diese Versuchsperson nur wesentlich
undifferenziertere Angaben zur Vibrationsstärke machen konnte. Ähnliche Geräusche, die von anderen Versuchspersonen unterschieden werden konnten, wurden hier oft als identisch bewertet.
Es zeigte sich, dass die Versuchspersonen unzufrieden damit waren, dass der Anker und der zu
bewertende Stimulus nicht die gleiche Frequenz hatten. Mehrere Probanden meinten, das sei „Äpfel mit Birnen vergleichen“. Obgleich dieser Versuchsablauf für die Probanden eher unangenehm
zu sein schien, gewöhnten sie sich schnell daran, auch die Vibrationsstärken verschiedener Frequenzen miteinander zu vergleichen. In zukünftigen Experimenten sollte dennoch ein Anker bei
der Frequenz des zu bewertenden Stimulus in Erwägung gezogen werden. Dabei muss jedoch geprüft werden, inwiefern die Versuchspersonen dazu neigen, die beiden Stimuli dann trotz auditivem
Feedback genau identisch zu bewerten. Außerdem würde dies den multimodalen Reiz lediglich ins
Verhältnis zu dem rein taktilen Reiz gleicher Frequenz setzen, nicht aber ins Verhältnis zu Reizen
bei anderen Frequenzen.
20
Kapitel 5 Experimentelle Untersuchungen
6
AUSWERTUNG
6.1 PROGRAMMIERUNG EINES AUSWERTESKRIPTES
Da für eine sinnvolle Auswertung, besonders der Messdaten aus dem multimodalen Versuch, flexibel nach vielen verschiedenen Kriterien sortiert werden muss, wird zunächst ein Auswerteskript
programmiert, welches mittels einer GUI ein komfortables Erstellen von geordneten Listen ermöglicht. Die Wahl der Umgebung fällt auf Scilab. Diese freie Software stellt eine alternative zu Matlab
dar. In dieser Arbeit wird sie zur Auswertung verwendet, um die Kosten für eine Matlab Lizenz
zu vermeiden und trotzdem auch außerhalb der Universität Auswertungen durchführen zu können.
Die Syntax ist nahezu identisch und die meisten Funktionen aus MATLAB sind mit Scilab kompatibel. Dennoch lassen sich komplexere Skripte meist nicht ohne Anpassungen zwischen Matlab und
Scilab portieren. Eine Darstellung der GUI ist in Abbildung 6.1 zu sehen. Der ausführliche Quelltext ist dieser Arbeit in digitaler Form beigefügt. Bei der Programmierung stand die Funktionalität
im Vordergrund, daher wurde wenig modularisiert und es kommt zu verhältnismäßig viel Codeduplizierung. Sollte das Skript noch erweitert werden, wäre eine übersichtlichere Gestaltung des
Programmcodes durch Modularisierung in kleinere Unterfunktionen zweckmäßig. Aus Zeitgründen
wurden diese Schritte nicht durchgeführt.
Zunächst kann nach Betätigung des Buttons „Proband laden“ das Verzeichnis gewählt werden,
Abbildung 6.1: GUI Oberfläche
21
welches die Messdaten enthält. Ist dieses gewählt findet unmittelbar die gesamte Auswertung in
der Funktion „pb_load_callback“ statt. Das Ergebnis der Funktion sind eine Reihe von Matrizen,
in denen alle Versuchsergebnisse hinterlegt sind. Dabei liegen die Ergebnisse sowohl gemittelt über
alle Probanden vor, als auch ungemittelt, sodass auch die Streuung innerhalb des Versuches bestimmt werden kann.
Nach dem Einlesen der Daten in das Tool, kann gewählt werden, welche Daten wie geordnet ausgegeben werden sollen. Dabei lag der Fokus auf einer sehr flexiblen Ausgabe, da zum Zeitpunkt
der Entwicklung der GUI noch nicht klar war, welche Diagramme und Analysen von Interesse sein
werden und welche nicht. Die Wahl fiel daher hier auf Pop-Up Menüs, da diese auch zu einem späteren Zeitpunkt erweitert werden können und des Weiteren mehrere Zustände annehmen können,
die in einem Callback bearbeitet werden können. Die Daten wurden beim Laden direkt in einer
mehrdimensionalen Matrix gespeichert. Hier zeigt sich nun eine der bisher größten Schwächen von
Scilab gegenüber Matlab. Es ist wesentlich aufwendiger mit hochdimensionalen Matrizen umzugehen. Während diese in Matlab genau wie eine zweidimensionale Matrix erstellt werden können und
ohne weiteres Teilmatrizen aufgerufen werden können, muss in Scilab eine sogenannte „Hypermatrix “ erstellt werden. Dieser Datentyp unterstützt prinzipiell, genau wie in Matlab, das Erstellen
von hochdimensionalen Matrizen, kann aber nicht so komfortabel manipuliert werden. Mehrdimensionale Teilmatrizen können nicht ohne einen gesonderten Befehl ausgewählt werden. Direkt
können nur eindimensionale Arrays abgerufen werden. Auch sind mit Hypermatrixen nicht alle
Rechenoperationen möglich. Es muss zunächst eine Umrechnung in den regulären zweidimensionalen Datentyp vorgenommen werden. Das führt beim Umgang mit hochdimensionalen Matrixen zu
sehr viel unnötigem Quellcode in Form von verschachtelten Schleifen und Datentypumrechnungen.
Gerade diese Operationen sind jedoch nicht performant. Es bleibt zu hoffen, dass in den Folgeversionen von Scilab diese Operatoren überarbeitet werden.
Das Skript eignet sich hervorragend für die Auswertung von umfangreichen Versuchsdaten, gerade
dann wenn diese auf sehr viele Gesichtspunkte hin untersucht werden müssen. Die flexibel wählbare
Ausgabe ermöglicht den einfachen Umgang, auch mit sehr großen Datenmengen.
6.2 AUSWERTUNG DER MULTIMODALEN STIMULI
Es wird eine Gesamtzahl von 25 Probanden erreicht. Diese sind durchschnittlich 24,24 Jahre alt
und zu 72 % männlich. Der größte Teil der Probanden war zwischen 21 und 27 Jahre alt. Eine
Untersuchung nach Nutzern, die regelmäßig ein Smartphone nutzen und solchen, die keines nutzen,
ist nicht möglich, da sich nicht genug Probanden fanden, die kein Smartphone nutzen.
Auf Grund der enormen Datenmenge muss zunächst eine Auswertung über beide Frequenzachsen, sowohl auditiv, als auch taktil, erfolgen. Dazu fällt die Wahl auf ein Flächendiagramm. Dieses
ermöglicht eine komfortable Erkennung der interessanten Frequenzbereiche und liefert einen schnellen Überblick über die Ergebnisse. Auf Grund der großen Anzahl werden in diesem Kapitel nur
die wichtigsten Diagramme dargestellt. Weitere Darstellungen und Diagramme befinden sich im
Anhang. Bei allen Flächendiagrammen sind die taktilen und auditiven Frequenzen auf der X und
Y-Achse aufgetragen. Die Bewertung durch die Probanden befindet sich auf der Z-Achse. Zusätzlich
kommen Farben zum Einsatz, um die Bewertung zu visualisieren. Für eine bessere Vergleichbarkeit
der Diagramme jedes Typs sind die Achsen immer gleich eingeteilt und skaliert.
Es wird bei verschiedenen Pegelstufen des taktilen Reizes verglichen, inwiefern sich die Bewertung
beider auditiver Pegelstufen unterscheidet. Abbildung 6.2 zeigt, dass Bewertungsmaxima besonders
zwischen den taktilen Frequenzen 10 Hz und 40 Hz auftreten. Bei niedrigeren Frequenzen nimmt
die Bewertung der Vibrationsstärke wieder ab. Dies ist damit zu begründen, dass der Proband
in diesen Fällen keine richtige Vibration mehr wahrnimmt. Bei 10 Hz liegt die Periodenlänge bei
100 ms, was der hier verwendeten Stimulusdauer entspricht. Das bewirkt, dass anstelle einer Vibration nur noch ein Einzelimpuls wahrgenommen wird. Die Probanden im Hörversuch merkten
gelegentlich an, es handele sich bei den 10 Hz-Stimuli nicht wirklich um mit den anderen Frequenzen vergleichbare Stimuli, sondern nur um einen Einzelimpuls. Dies ist damit zu begründen, dass
die 10 Hz bereits primär durch die Merkelkörperchen detektiert werden. Diese sind als langsam
adaptierende Sensoren wesentlich unempfindlicher für Einzelimpulse. Die einzigen anderen, schnell
adaptierenden Sensoren in dem Frequenzbereich sind die Meissner-Körperchen. Diese können jedoch erst Signale ab 10 Hz detektieren. Um durch die Merkelkörperchen einen intensiven Reiz zu
erzeugen, müsste die Stimulusdauer deutlich länger und der Stimulus intensiver ausfallen. Frequenzen unterhalb von 20 Hz sind also, sofern nicht sehr große Schwingungsamplituden erzeugt werden
können, nicht zweckmäßig. Auf der anderen Seite kommt es ab 100 Hz wieder zu einem deutlichen Abfall der Bewertung. Diese bleibt dann bis in etwa 200 Hz konstant, bevor die Bewertung
dann monoton abfällt und bei 800 Hz die, für diesen Pegel, obere Fühlschwelle erreicht wird. Diese
wird von nahezu allen Versuchspersonen konstant mit 0 bewertet. Es zeigt sich, dass diese obere
Fühlschwelle bei hohen Frequenzen von Proband zu Proband sehr unterschiedlich ausfällt.
22
Kapitel 6 Auswertung
Abbildung 6.2: Flächendiagramm - Pegel auditiv 2, Pegel taktil 1
Abbildung 6.3: Flächendiagramm - Pegel auditiv 1, Pegel taktil 1
6.2 Auswertung der multimodalen Stimuli
23
Abbildung 6.4: Flächendiagramm - Rein taktil mit Pegel 1, auditive Frequenzachse nur zur besseren
Vergleichbarkeit
Die in den Grundlagen genannte Quelle [Alt06, p. 11] ordnet diese Fühlschwelle bei 1 kHz ein.
Diese Frequenz dürfte allerdings nur für wenige Probanden tatsächlich spürbar sein und würde
einen wesentlich höheren Pegel, als in diesem Experiment eingesetzt wurde, erfordern. Dennoch
zeigt sich bei einigen Probanden, dass sie teilweise noch etwas spüren. Dieser Reiz wird jedoch
weniger als Vibration, sondern vielmehr als schwaches Kitzeln empfunden. Auf Grund der insgesamt schwachen Empfindung ist der Bereich oberhalb von 100 Hz nur von geringerem Interesse,
muss jedoch auch betrachtet werden, da komplexere Geräusche für haptische Interfaces oft auch
hochfrequente Anteile enthalten.
Nun wird das Flächendiagramm mit identischem, niedrigem taktilen Pegel (Abbildung 6.4) mit dem
Diagramm mit zusätzlich schwachem auditiven Pegel in Abbildung 6.3 beziehungsweise starkem
auditivem Pegel (Abbildung 6.2) verglichen. Es wird deutlich, dass die Bewertungen der Vibrationsstärke bei schwächerem auditivem Pegel deutlich geringer ausfallen und bei dem rein taktilen
Stimulus in Abbildung 6.4 schließlich minimal werden. Diese Entwicklung ist sowohl auditiv als
auch taktil besonders bei niedrigen Frequenzen auffällig. Allgemein vermitteln tiefe Frequenzen die
Attribute Kraft beziehungsweise Stärke besser als hohe Frequenzen. Es ist daher naheliegend, dass
tiefe auditive Frequenzen die taktile Wahrnehmung intensiver verstärken als hochfrequente auditive Reize. In der folgenden Analyse wird auf Grund der Bewertungsmaxima ein besonderer Fokus
auf den taktilen Frequenzbereich zwischen 20 Hz und 100 Hz gelegt. Um den Einfluss auditiver
Stimuli auf die taktile Wahrnehmung noch deutlicher zu visualisieren, ist in Abbildung 6.8 die
absolute Abweichung der Bewertung mit auditivem gegenüber ohne auditiven Reiz bei schwachem
taktilen Reiz dargestellt. Hier zeigt sich, dass die Bewertung, besonders bei 20 Hz taktil um bis
zu 90 Bewertungspunkte zunimmt. Das entspricht einer um 97 Prozent stärkeren Wahrnehmung
gegenüber dem rein taktilen Stimulus bei 20 Hz. Auch wenn bei 10 Hz die absolute Bewertung des
Reizes geringer ausfällt, ist auch hier mit auditivem Reiz ein Zuwachs um bis zu 68 Prozent zu
erreichen. Auffällig ist zudem, dass diese Verbesserungen sehr frequenzselektiv über die Frequenz
der auditiven Stimuli sind. Dies wird deutlicher, wenn der auditive Frequenzgang als Liniendiagramm gegen die Bewertungsdifferenz mit auditivem gegenüber ohne auditiven Stimulus (Pegel
2) aufgetragen wird (Abbildung 6.9). Beim Vergleich der Liniendiagramme fällt besonders auf,
dass bei einer auditiven Frequenz von 1200 Hz bei den meisten taktilen Frequenzen ein deutlicher
Einbruch zu sehen ist. Bei einer taktilen Frequenz von 20 Hz ist dieser Einbruch am deutlichsten
zu sehen. Ein Messfehler ist auszuschließen, da auch bei den angrenzenden auditiven Frequenzen
800 Hz und 2000 Hz ein deutlicher Rückgang der Bewertungen zu verzeichnen ist. Bei 10 Hz ist
im Gegensatz zu allen anderen Frequenzen dieses Minimum nach unten auf 800 Hz verschoben.
24
Kapitel 6 Auswertung
Dieses Phänomen ist in etwas schwächerer Form auch im auditiven Bereich zwischen 4000 Hz und
8000 Hz zu beobachten. Ab 4000 Hz bis 8000 Hz ist scheinbar nur noch eine geringere Steigerung
der Bewertungen von bis zu 37 % zu erzielen.
Interessant ist auch der Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 400 Hz sowohl auditiv als auch taktil.
Ausschließlich in diesem Frequenzbereich sind auch bei schwachem taktilen Pegel Verschlechterungen durch den Einsatz von auditivem Feedback zu verzeichnen (Abbildung 6.5).
Diese Beobachtung legt die Annahme nahe, dass das auditive Signal nicht die gleiche oder ähnliche
Abbildung 6.5: Flächendiagramm - Abweichungen durch akustischen Reiz bei schwachem taktilen
Reiz (Ansicht von oben)
Frequenz wie der taktile Stimulus haben sollte. Bei stärkeren taktilen Stimuli treten an immer mehr
Frequenzen auditiv und taktil Verschlechterungen durch das akustische Feedback auf (Abbildung
6.6). Diese verschieben sich bei einem mittleren taktilen Pegel in den mittleren taktilen Bereich
zwischen 40 Hz und 100 Hz und werden für einen hohen taktilen Pegel schließlich breitbandiger.
So wird beim taktilen Pegel 3 auch eine Verschlechterung bei den sehr tiefen taktilen Frequenzen
erzeugt, die für hohe auditive Frequenzen maximal wird (Abbildung 6.7).
Eine Auswertung des Versuches der Darbietung von Akkorden ist mit diesen Erkenntnissen nur sehr
begrenzt möglich, da der Frequenzbereich, indem die dargebotenen Akkorde liegen, sehr schlecht
gewählt ist. Dies war vor dem Versuch noch nicht absehbar. Die Grundtonfrequenz von 400 Hz liegt
in einem Bereich, in dem bei bei einer taktilen Frequenz von 100 Hz mit einem reinen Sinuston
schon nahezu keine Verbesserung möglich war. Darüber hinaus war bei einer taktilen Frequenz
von 100 Hz auch bei anderen auditiven Frequenzen nur eine geringe Verstärkung zu erreichen.
Erstaunlich ist dennoch, dass entgegen den Erwartungen durch den Einsatz von Akkorden eine
deutliche Verschlechterung zu sehen ist. Mit keinem Akkord konnte eine Erhöhung der Bewertung
der Vibrationsstärke des rein taktilen Reizes erreicht werden (Abbildungen 6.10 und 6.11). Optimal
wäre ein Stimulus in einem Bewertungsmaximum gewesen.
6.2 Auswertung der multimodalen Stimuli
25
Abbildung 6.6: Flächendiagramm - Abweichungen durch akustischen Reiz bei mittlerem taktilen
Reiz (Ansicht von oben)
Abbildung 6.7: Flächendiagramm - Abweichungen durch akustischen Reiz bei starkem taktilen Reiz
(Ansicht von oben)
26
Kapitel 6 Auswertung
Abbildung 6.8: Flächendiagramm - Abweichungen durch akustischen Reiz bei schwachem taktilen
Reiz
Abbildung 6.9: Abweichungen durch akustischen Reiz bei 10 Hz bzw. 20 Hz oder 40 Hz schwachem
taktilen Reiz
6.2 Auswertung der multimodalen Stimuli
27
Abbildung 6.10: Abweichungen des Dur-Stimulus vom reinen Sinuston gleichen Pegels
Abbildung 6.11: Abweichungen des Moll-Stimulus vom reinen Sinuston gleichen Pegels
28
Kapitel 6 Auswertung
7
ZUSAMMENFASSUNG
Aus der Analyse kann geschlossen werden, dass sich die wahrgenommene Vibrationsstärke durch
den Einsatz von auditivem Feedback deutlich manipulieren lässt. So kann das auditive Feedback
nicht nur eine Verstärkung um in diesem Versuch bis zu 97 Prozent zur Folge haben, sondern die
wahrgenommene Vibrationsstärke auch um bis zu 67 Prozent abschwächen.
Die Analyse zeigt, dass bei einer schwachen Haptik deutliche Verbesserungen vorgenommen werden
können und nahezu für alle Frequenzen Verbesserungen möglich sind. Bei sehr niedrigen taktilen
Frequenzen um 10 Hz konnten die größten Steigerungen der Bewertungen der Vibrationsstärke im
auditiven Frequenzbereich zwischen 1200 Hz und 2000 Hz erreicht werden. Bei höheren taktilen
Frequenzen sind vor allem niedrigere auditive Frequenzen zwischen 200 Hz und 800 Hz zweckmäßig. Die einzige Verschlechterung ergibt sich, wenn auditive und taktile Frequenz sehr ähnlich sind.
Dies sollte vermieden werden. Das Bewertungsmaximum wird bei der Kombination einer auditiven
Frequenz von 200 Hz und einer taktilen Frequenz von 20 Hz erreicht.
Soll das taktile Feedback stärker ausfallen, treten immer öfter Verschlechterungen durch das auditive Feedback auf. Im Allgemeinen gelten jedoch die gleichen Charakteristika, wie bei schwachen
taktilen Stimuli. Auffällig ist, dass jetzt der taktile Frequenzbereich von 40 Hz bis 100 Hz deutlich
schlechter abschneidet. Bei stärker werdenden taktilen Reizen treten in fast allen Frequenzbereichen
Verschlechterungen auf. Diese sind besonders bei hohen auditiven Frequenzen und tiefen taktilen
Frequenzen erheblich. Es ist anzunehmen, dass der Grund dafür im großen Frequenzunterschied der
Reize liegt. Während bei schwachen taktilen Stimuli der akustische Reiz den taktilen überdecken
kann, ist dies bei einem sehr starken taktilen Reiz nicht mehr möglich. Der auditive Reiz wirkt nun
unpassend, wenn die Frequenz zu stark abweicht. Außerdem wirken hochfrequente auditive Signale
nicht kraftvoll. Die Reize widersprechen sich. Unpassende Reize scheinen schwächer bewertet zu
werden.
Diese Untersuchung bezieht sich lediglich auf einzelne Sinustöne. In einem nächsten Schritt sollten
zum einen die Frequenzbereiche mit hoher Verstärkung durch auditives Feedback genauer untersucht werden und zum Anderen auch komplexere Signale beziehungsweise andere Signalformen
zur Anregung verwendet werden. Im taktilen Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 40 Hz wäre
es interessant zu untersuchen, unter welchen Voraussetzungen exakt die maximale Verstärkung
der Vibrationsstärke erreicht wird. Das aufgetretene Phänomen der Verschlechterung der wahrgenommenen Vibrationsstärke konnte aufgrund des Wertebereiches ebenfalls noch nicht eindeutig
nachgewiesen werden. Hier sind weitere Nachforschungen nötig. Es sollten gezielt verschiedene Stimuli mit gleicher beziehungsweise ähnlicher auditiver und taktiler Frequenz präsentiert werden.
Falls sich die Annahme, dass dies die wahrgenommene Vibrationsstärke verringert, bestätigen,
muss getestet werden, bis zu welcher Frequenzabweichung von taktilem und auditivem Stimulus
dieses Phänomen anhält. Diese Frequenzbereiche sollten beim Sound Design gezielt vermieden werden.
Anderen Quellen ist zu entnehmen, dass gerade Signalformen wie der Sägezahn oder das Rechteck
besonders stark wahrgenommen werden. Es muss geprüft werden, inwiefern diese Versuchsergebnisse auf andere Signalformen übertragbar sind und ob unterschiedliche Signalformen für taktiles
und auditives Feedback praktikabel sein könnten.
Abschließend lässt sich sagen, dass die Frequenz des auditiven Reizes einen enormen Einfluss auf die
taktile Wahrnehmung hat. Gerade beim Design von Geräten mit schwachen Aktoren muss auch
beim Sound Design des Tastengeräusches dieses Phänomen mit einbezogen werden, um so eine
deutliche Verstärkung der wahrgenommenen Haptik zu erreichen. Dies kann das Force-Feedback
zukünftiger Produkte maßgeblich verbessern.
29
30
Kapitel 7 Zusammenfassung
LITERATURVERZEICHNIS
[ABS03]
M. Ercan Altinsoy, Jens Blauert, and Richard H. Y. So. “Effect of loudness on the haptic
force-feedback perception in virtual environments”. In: The Journal of the Acoustical
Society of America 114.4 (2003).
[Alt]
M. Ercan Altinsoy. “Perceptual Features of Push Button Sounds”. Dresden.
[Alt06]
M. Ercan Altinsoy. “Auditory-tactile interaction in virtual environments”. PhD thesis.
2006. URL: http://scholar.google.com/scholar?cluster=11856224352783415316{\&
}hl=en{\&}oi=scholarr$\backslash$nhttp://www.ias.et.tu-dresden.de/ias/
fileadmin / user{\ _ }upload / akustik / Forschung / altinsoy{\ _ }neu / Thesis{\ _
}ErcanAltinsoy . pdf $ \backslash $ nhttps : / / scholar . google . com / scholar ?
cluster=118562243527834.
[Alt16]
Dr.-Ing. Ercan Altinsoy. Psychoakustik Lehrveranstaltung, Termin 4, TU Dresden. Dresden, 2016.
[AM09]
M. Ercan Altinsoy and Sebastian Merchel. “Audiotactile feedback design for touch
screens”. In: Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in
Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics) 5763 LNCS (2009), pp. 136–
144. ISSN: 03029743. DOI: 10.1007/978-3-642-04076-4_15.
[Bub]
H. Bubb. Haptik im Kraftfahrzeug.
[Cor]
Cypress Semiconductor Corp. PSoC5LP. URL: http://www.cypress.com/documentation/
development - kitsboards / cy8ckit - 059 - psoc - 5lp - prototyping - kit - onboard programmer-and (visited on 07/08/2016).
[DSH04]
P. Deetjen, Erwin-Josef Speckmann, and J. Hescheler. Psysiologie, 4. Auflage. 2004.
[Ede16]
Dr. Ederer. Lehrveranstaltung Raumakustik. 2016.
[GSI]
Geo-Science-International. Ohr. URL: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:
{\"{A}}u{\ss}eres{\_}Ohr{\_}- {\_}Mittelohr{\_}- {\_}Innenohr.jpg (visited
on 05/01/2016).
[KS08]
Lothar Krank and Andreas Streit. “Infotainmentsysteme im Kraftfahrzeug”. In: (2008),
pp. 209–266. DOI: 10.1007/978-3-8348-9430-4.
[Rei08]
Jörg Reisinger. “Parametrisierung der Haptik von handbetätigten Stellteilen”. PhD thesis. Technischen Universität München, 2008.
[ST95]
Robert F. Schmidt and Gerhard Thews. Physiologie des Menschen, 26. Auflage. 1995.
31
32
LITERATURVERZEICHNIS
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
2.1
Darstellung des menschlichen Ohrs[GSI] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.2
Sensorik des Fingers [Alt06, p. 11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.3
Verteilung der Mechanosensoren in der Hand [DSH04, p. 65] . . . . . . . . . . . . .
6
2.4
Schematische Darstellung des Druckverlaufes eines mechanischen Tasters [Rei08,
p. 122] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.5
Messung des Druckverlaufes eines mechanischen Tasters [Rei08, p. 122] . . . . . . .
8
3.1
Spektrogramme der in der Studie aus Paper [AM09] dargebotenen auditiven Stimuli
9
3.2
Bewertung der Eignung der in der Studie aus Paper [AM09] dargebotenen Stimuli
10
3.3
Fehleranzahl mit und ohne Haptik der in Quelle [AM09] dargebotenen Stimuli . . .
10
5.1
Verteilung der auditiven Stimuli über den hörbaren Bereich . . . . . . . . . . . . .
13
5.2
Verteilung der haptischen Stimuli über den fühlbaren Bereich . . . . . . . . . . . .
13
5.3
Schalldruckpegel der höchsten Pegelstufe auditiv bei 400Hz . . . . . . . . . . . . .
14
5.4
Lautheit der höchsten Pegelstufe auditiv bei 400Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
5.5
Gemessene Beschleunigungswerte des Shakers bei 100Hz und der höchsten Pegelstufe 15
5.6
Geschwindigkeits- und Auslenkungswerte des Shakers bei 100Hz und der höchsten
Pegelstufe (Berechnet aus der gemessenen Beschleunigung) . . . . . . . . . . . . .
15
5.7
Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
5.8
PSoC5LP der Firma Cypress Semiconducor Corp. [Cor] . . . . . . . . . . . . . . .
19
6.1
GUI Oberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
6.2
Flächendiagramm - Pegel auditiv 2, Pegel taktil 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
6.3
Flächendiagramm - Pegel auditiv 1, Pegel taktil 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
33
6.4
Flächendiagramm - Rein taktil mit Pegel 1, auditive Frequenzachse nur zur besseren
Vergleichbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
Flächendiagramm - Abweichungen durch akustischen Reiz bei schwachem taktilen
Reiz (Ansicht von oben) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
Flächendiagramm - Abweichungen durch akustischen Reiz bei mittlerem taktilen
Reiz (Ansicht von oben) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
Flächendiagramm - Abweichungen durch akustischen Reiz bei starkem taktilen Reiz
(Ansicht von oben) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
Flächendiagramm - Abweichungen durch akustischen Reiz bei schwachem taktilen
Reiz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
Abweichungen durch akustischen Reiz bei 10 Hz bzw. 20 Hz oder 40 Hz schwachem
taktilen Reiz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
6.10 Abweichungen des Dur-Stimulus vom reinen Sinuston gleichen Pegels . . . . . . . .
28
6.11 Abweichungen des Moll-Stimulus vom reinen Sinuston gleichen Pegels . . . . . . .
28
A.1 Top Design des PSoC Programmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
A.2 Flächendiagramm - Pegel auditiv 2, Pegel taktil 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
A.3 Flächendiagramm - Pegel auditiv 1, Pegel taktil 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
A.4 Flächendiagramm - Rein taktil mit Pegel 2, auditive Frequenzachse nur zur besseren
Vergleichbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
A.5 Flächendiagramm - Pegel auditiv 2, Pegel taktil 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
A.6 Flächendiagramm - Pegel auditiv 1, Pegel taktil 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
A.7 Flächendiagramm - Rein taktil mit Pegel 3, auditive Frequenzachse nur zur besseren
Vergleichbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
A.8 Übersicht - Taktil Pegel 1 bei taktil 10 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
A.9 Übersicht - Taktil Pegel 1 bei taktil 20 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
A.10 Übersicht - Taktil Pegel 1 bei taktil 40 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
A.11 Übersicht - Taktil Pegel 1 bei taktil 100 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
A.12 Übersicht - Taktil Pegel 1 bei taktil 200 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
A.13 Übersicht - Taktil Pegel 1 bei taktil 400 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
A.14 Übersicht - Taktil Pegel 1 bei taktil 800 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
34
Abbildungsverzeichnis
A
ANLAGEN
Die Rohdaten und Ergebnisse des Versuches, sowie auch die entstandenen Skripte sind dieser Arbeit
in digitaler Form beigefügt.
A.1 VERSUCHSINTERFACE
Abbildung A.1: Top Design des PSoC Programmes
Listing A.1: Quellcode des PSoC Interfaces (die Definition des Arrays „aASCII_ToScanCode “
wurde gekürzt und kann ausführlich in digitaler Form eingesehen werden)
#i n c l u d e <p r o j e c t . h>
#d e f i n e LSHIFT 0 x02
#d e f i n e ENTER 0 x28
#d e f i n e CAPS 0 x39
v o i d In_EP ( i n t button ) ;
v o i d CapSense_DisplayState ( v o i d ) ;
// C r e a t s a Scan Code Look Up Table f o r t h e v a r i o u s ASCII v a l u e s
c o n s t u i n t 8 aASCII_ToScanCode [ ] = { . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . } ;
/∗ Array o f Keycode i n f o r m a t i o n t o send t o PC ∗/
s t a t i c u n s i g n e d c h a r Keyboard_Data [ 8 ] = { 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 } ;
/∗ S t r i n g t h a t w i l l be p r i n t e d when Type_Input (SW2) i s p r e s s e d ∗/
35
s t a t i c c o n s t c h a r S t r i n g S t o r a g e [ ] = {" e s " } ;
u i n t 8 i s A c t i v e 1 =0, i s A c t i v e 2 =0;
s t a t i c u i n t 8 key ;
CY_ISR( sw_handler )
{
sw_inter_Stop ( ) ;
LED1_Write ( 1 u ) ;
CyDelay ( 5 0 0 ) ;
LED1_Write ( 0 u ) ;
sw_inter_Start ( ) ;
}
// Tuner f o r CapSense
// i n t main ( )
//{
// CYGlobalIntEnable ;
// CapSense_CSD_TunerStart ( ) ;
// w h i l e ( 1 )
//{
//CapSense_CSD_TunerComm ( ) ;
//}
//}
i n t main ( )
{
sw_inter_StartEx ( sw_handler ) ;
sw_inter_SetPriority (3u) ;
sw_inter_Stop ( ) ;
CapSense_CSD_Start ( ) ;
CYGlobalIntEnable ;
/∗ S t a r t USBFS O p e r a t i o n and De vi c e 0 and with 5V o p e r a t i o n ∗/
USBFS_1_Start ( 0 , USBFS_1_DWR_VDDD_OPERATION) ;
/∗ Enables OUT EP∗/
USBFS_1_EnableOutEP ( 2 ) ;
/∗ Waits f o r USB t o enumerate ∗/
w h i l e ( ! USBFS_1_bGetConfiguration ( ) ) ;
/∗ B e g i n s USB T r a f f i c ∗/
USBFS_1_LoadInEP ( 1 , Keyboard_Data , 8 ) ;
/∗ I n i t i a l i z e b a s e l i n e s ∗/
CapSense_CSD_InitializeAllBaselines () ;
sw_inter_Start ( ) ;
for ( ; ; )
{
/∗ Checks f o r ACK from h o s t ∗/
i f ( USBFS_1_bGetEPAckState ( 1 ) )
{
/∗ Check whether t h e s c a n n i n g o f a l l e n a b l e d
w i d g e t s i s completed . ∗/
i f ( 0 u == CapSense_CSD_IsBusy ( ) )
{
36
Anhang A Anlagen
/∗ Update a l l b a s e l i n e s ∗/
CapSense_CSD_UpdateEnabledBaselines ( ) ;
/∗ S t a r t s c a n n i n g a l l e n a b l e d s e n s o r s ∗/
CapSense_CSD_ScanEnabledWidgets ( ) ;
}
/∗ D i s p l a y CapSense s t a t e u s i n g LED/LCD ∗/
CapSense_DisplayState ( ) ;
}
}
}
v o i d In_EP( i n t button )
{
/∗ Removes 0 x20 o f f s e t t o have key p r e s s e s b e g i n a t 0 .
This i s not r e q u i r e d but used t o make t h e example
e a s i e r to understand . ∗ /
key = S t r i n g S t o r a g e [ button ] − 0 x20 ;
/∗ I f t h e s h i f t i s not r e q u i r e d , then t h e m o d i f i e r byte
r e m a i n s s e t t o 0 x00 ∗/
Keyboard_Data [ 0 ] = 0 x00 ;
/∗ Loads t h e c o n v e r t e d Scan Code u s i n g LUT i n t o t h e f i s t
Key Code a r r a y l o c a t i o n ∗/
Keyboard_Data [ 2 ] = aASCII_ToScanCode [ key ] ;
/∗ Loads EP1 f o r a IN t r a n s f e r t o PC∗/
USBFS_1_LoadInEP ( 1 , Keyboard_Data , 8 ) ;
/∗ Waits f o r ACK from PC∗/
w h i l e ( ! USBFS_1_bGetEPAckState ( 1 ) ) ;
/∗ R e s e t s m o d i f e r byte t o 0 x00 ∗/
Keyboard_Data [ 0 ] = 0 x00 ;
/∗ R e s e t s keycode 0 t o 0 x00 ∗/
Keyboard_Data [ 2 ] = 0 x00 ;
/∗ Loads EP1 f o r a IN t r a n s f e r t o PC. This s i m u l a t e s t h e
buttons being r e l e a s e d .∗/
USBFS_1_LoadInEP ( 1 , Keyboard_Data , 8 ) ;
/∗ Waits f o r ACK from PC∗/
w h i l e ( ! USBFS_1_bGetEPAckState ( 1 ) ) ;
}
v o i d CapSense_DisplayState ( v o i d )
{
/∗ D i s p l a y BUTTON0 s t a t e ∗/
i f ( CapSense_CSD_CheckIsWidgetActive (CapSense_CSD_BUTTON0__BTN) )
{
i f (! isActive1 )
{
/∗ Function t o Send Data t o PC∗/
In_EP ( 0 ) ;
i s A c t i v e 1 ++;
LED1_Write ( 1 u ) ;
CyDelay ( 5 0 ) ;
}
}
else
{
A.1 Versuchsinterface
37
isActive1 = 0;
LED1_Write ( 0 u ) ;
}
/∗ D i s p l a y BUTTON1 s t a t e ∗/
i f ( CapSense_CSD_CheckIsWidgetActive (CapSense_CSD_BUTTON1__BTN) )
{
i f (! isActive2 )
{
/∗ Function t o Send Data t o PC∗/
In_EP ( 1 ) ;
i s A c t i v e 2 ++;
LED1_Write ( 1 u ) ;
CyDelay ( 5 0 ) ;
}
}
else
{
isActive2 = 0;
LED1_Write ( 0 u ) ;
}
}
/∗ End o f F i l e ∗/
A.2 AUSWERTUNG
Abbildung A.2: Flächendiagramm - Pegel auditiv 2, Pegel taktil 2
38
Anhang A Anlagen
Abbildung A.3: Flächendiagramm - Pegel auditiv 1, Pegel taktil 2
Abbildung A.4: Flächendiagramm - Rein taktil mit Pegel 2, auditive Frequenzachse nur zur besseren
Vergleichbarkeit
A.2 Auswertung
39
Abbildung A.5: Flächendiagramm - Pegel auditiv 2, Pegel taktil 3
Abbildung A.6: Flächendiagramm - Pegel auditiv 1, Pegel taktil 3
40
Anhang A Anlagen
Abbildung A.7: Flächendiagramm - Rein taktil mit Pegel 3, auditive Frequenzachse nur zur besseren
Vergleichbarkeit
Abbildung A.8: Übersicht - Taktil Pegel 1 bei taktil 10 Hz
A.2 Auswertung
41
Abbildung A.9: Übersicht - Taktil Pegel 1 bei taktil 20 Hz
Abbildung A.10: Übersicht - Taktil Pegel 1 bei taktil 40 Hz
42
Anhang A Anlagen
Abbildung A.11: Übersicht - Taktil Pegel 1 bei taktil 100 Hz
Abbildung A.12: Übersicht - Taktil Pegel 1 bei taktil 200 Hz
A.2 Auswertung
43
Abbildung A.13: Übersicht - Taktil Pegel 1 bei taktil 400 Hz
Abbildung A.14: Übersicht - Taktil Pegel 1 bei taktil 800 Hz
44
Anhang A Anlagen