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Abstract auf Deutsch:

Die stetig zunehmende Allgegenwart von Computern ermöglicht neue Formen der Interaktion und Zusammenarbeit. In der Umgebung steht eine Vielzahl von Geräten zur Verfügung, die verschiedene Formen, Größen und Interaktionsmöglichkeiten aufweisen. Vor allem für Meetings und Teamwork ist es wünschenswert, dass die verschiedenen Eigenschaften aller verfügbaren Geräte effektiv ausgenutzt werden können, um synchrone Zusammenarbeit zu ermöglichen. Beispielsweise muss eine Benutzungsschnittstelle bereitgestellt werden, die an die verschiedenen Geräte angepasst ist. Genauso wichtig ist es aber, dass die Software so entworfen wird, dass synchroner Zugriff auf gemeinsame Informationen möglich wird, obwohl unterschiedliche Geräte mit differierenden Interaktionsmöglichkeiten verwendet werden. Die resultierenden Anforderungen zu erfüllen, stellt eine Herausforderung für Softwareentwickler dar. Das Forschungsgebiet „Ubiquitous Computing“ (UbiComp) befasst sich mit den Anforderungen, die durch die Allgegenwart von Computern entstehen. Da dieses Forschungsfeld noch in der Entwicklung begriffen ist und daher weder bewährte Modelle und Werkzeuge noch Standards zur Verfügung stehen, müssen Softwareentwickler eigene Lösungen von Grund auf neu entwickeln.

Ziel dieser Arbeit ist es daher, Softwareentwickler von synchronen Groupware Anwendungen in UbiComp-Umgebungen Hilfestellung und Unterstützung zu bieten. Es soll ermöglicht werden, diese Anwendungen effizient und mit der für das „Ubiquitous Computing“ nötigen Flexibilität und Erweiterbarkeit zu entwickeln. Der gesamte Entwicklungsaufwand kann effektiv reduziert werden, indem Entwicklern Unterstützung auf mehreren Ebenen geboten wird: Entwickler benötigen Hilfe bei der Erstellung von Anwendungsmodellen, bei der Wahl einer passenden Architektur, bei der Erstellung des Designs und schließlich bei der Implementierung. Diese Herangehensweise legt einen architektur-zentrierten und modell-basierten Entwicklungsprozess zugrunde.

Heute erfordert die Entwicklung einer einzigen synchronen UbiComp-Anwendung noch Forschung; geeignete Unterstützung für deren Entwickler bereitzustellen ist daher eine noch größere Herausforderung. Hierzu müssen gemeinsame Eigenschaften von UbiComp-Anwendungen identifiziert, zukünftige Entwicklungen und Erweiterungen vorhergesehen und Anforderungen aus verschiedenen Forschungsgebieten beachtet und erfüllt werden. Das Ziel dieser Dissertation wird – unter Berücksichtigung der genannten Aspekte – erreicht, indem auf vier Ebenen ein neuer Beitrag zu dem bisherigen Stand der Technik geleistet wird:

1. Ein konzeptionelles Modell von synchronen UbiComp-Anwendungen beschreibt die grobe Struktur dieser Anwendungen, um Wiederverwendbarkeit und Erweiterbarkeit von entwickelten Software Komponenten sicherzustellen. Es identifiziert Aufgabenbereich, Kopplungsgrad und Abstraktionsebene als die drei wesentlichen Entwurfsdimensionen.
2. Eine flexible Software-Architektur identifiziert die essentiellen Abstraktionen, mithilfe derer synchrone Anwendungen für „Roomware“-Umgebungen entworfen werden können. „Roomware“ bezeichnet die Integration von Raumelementen mit Informationstechnik, wie zum Beispiel interaktive Tische, Wände oder Stühle. Roomware-Umgebungen sind dabei ein konkretes Beispiel für UbiComp-Umgebungen. Sie werden in dieser Arbeit als Anwendungskontext für das konzeptuelle Modell verwendet; die entwickelte Software-Architektur verfeinert das konzeptuelle Modell in Bezug auf die Bedürfnisse von Roomware-Umgebungen.
3. Ein objekt-orientiertes Anwendungsframework wurde entwickelt, das zum einen ein wiederverwendbares Design und wiederverwendbare Software-Komponenten bereitstellt. Zum anderen wird die Erweiterbarkeit durch explizite Mechanismen ermöglicht, welche die Adaptierbarkeit bezüglich der variablen Aspekte der Anwendungen sicherstellen. Hierdurch hilft das Anwendungsframework Entwicklern bei Design und Implementierung.
4. Um zu zeigen, wie das konzeptuelle Modell, die Architektur und das Framework angewandt werden können, wird das Design von Bespielanwendungen für Roomware erläutert. Um die Erweiterbarkeit zu demonstrieren, wurden mehrere neue Interaktionsformen entwickelt, die in Roomware-Umgebungen benötigt werden. Die entwickelten Anwendungen und Interaktionsformen werden in i-LAND, der Roomware-Umgebung am Fraunhofer IPSI, eingesetzt.

Das konzeptuelle Modell, die Software-Architektur und das Anwendungsframework, die in dieser Arbeit entwickelt wurden, befreien Softwareentwickler davon, sich um die Details verschiedener Interaktionsformen und um viele kritische Aspekte synchroner Kooperation kümmern zu müssen. Dies ermöglicht Entwicklern, sich auf ihre Kernaufgabe zu konzentrieren, indem sie Software auf einer angemessenen Abstraktionsebene entwerfen und somit flexibel erweiterbare Anwendungen höherer Qualität erstellen können.

Abstract auf Englisch:

Ubiquitous computing environments offer a wide range of devices in many different shapes and sizes, creating new possibilities for interaction. In the context of meetings and teamwork situations, it is desirable to take advantage of their different properties for synchronous collaboration. Besides providing an adapted user interface, this requires the software to be designed for synchronous access to shared information using heterogeneous devices with different interaction characteristics. The handling of these requirements poses challenges for software developers. As this field is still emerging and no mature models, tools, and standards are at hand, developers have to create their own solutions from scratch.

The goal of this thesis is to provide guidance and support for developers of synchronous groupware applications for ubiquitous computing environments. They have to be enabled to develop applications more efficiently and with the flexibility and extensibility that is required for ubiquitous computing. The development effort can be reduced effectively if support for developers is provided at several levels. Developers need assistance when creating models of the applications to be developed, when choosing an appropriate architecture, when creating the design, and finally when implementing. This implies that an architecture-driven, model-based development approach should be followed.

While the implementation of a single synchronous UbiComp application still requires research, the development of appropriate development support is even more challenging. Common properties of ubiquitous computing applications have to be identified. Future developments and extensions have to be predicted. Requirements of different research areas have to be fulfilled. Addressing these aspects, the goal of this dissertation is accomplished by providing extensions to the state of the art at four levels:

1. A conceptual model of synchronous UbiComp applications defines a high-level structure for applications that ensures reusability and extensibility of developed software components. It identifies separation of concerns, degree of coupling and sharing, and level of abstraction as the three main design dimensions of these applications. The conceptual model provides two key contributions to the state of the art. First, it proposes the strict separation of user interface and interaction concerns orthogonal to the level of abstraction that is not found in current HCI models. This is a crucial extension of HCI models that is required in the context of ubiquitous computing. Second, it introduces a new view on the concept of sharing. By applying the CSCW concept of sharing in the context of ubiquitous computing, sharing user interface, interaction, and environment state becomes relevant. Thereby, the concept of sharing as known from CSCW can be extended to function as a guiding principle for UbiComp application design. This novel design approach helps ensuring the extensibility and flexibility that is required in ubiquitous computing.
2. A flexible software architecture identifies essential abstractions that support the development of synchronous applications in “roomware” environments. Roomware refers to the integration of room elements with information technology, such as interactive tables, walls, or chairs. Roomware environments represent one form of ubiquitous computing environment. They are used in this thesis as an application context for the conceptual model. The software architecture refines the conceptual model to meet the needs of roomware environments.
3. An object-oriented application framework that has been designed and implemented provides a reusable design and reusable software components. Furthermore, extensibility is supported by explicit mechanisms that are provided to allow adaptability for variable aspects of applications. Thus, the application framework helps developers with the design and implementation.
4. To show how model, architecture, and framework can be applied, the design of sample roomware applications is explained. To demonstrate the extensibility, several new forms of interaction that are required for roomware environments are implemented. The developed applications and interaction forms are used in i-LAND, the roomware environment at Fraunhofer IPSI. Besides being a contribution on their own, the developed applications and new forms of interaction provide evidence that the conceptual model effectively supports developers in meeting the requirements of roomware environments. They show that the model helps reduce the implementation effort when accompanied by appropriate software development tools such as the application framework.

The conceptual model, software architecture, and application framework presented in this thesis relieve software developers from the burden of handling all details of multiple interaction forms, and of many critical issues when dealing with synchronous collaboration. By these means, the developer can concentrate on the task at hand designing software at an appropriately high abstraction level, and thus create applications with a higher quality that are flexibly extensible.