Standardisierte Auszeichnungssprachen Der Computergraphik Für Interaktive Systeme
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Standardisierte Auszeichnungssprachen der Computergraphik für interaktive Systeme Von der Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte Abhandlung Vorgelegt von Martin Christian Rotard aus Stuttgart Hauptberichter: Prof. Dr. Thomas Ertl Mitberichter: Prof. Dr. Rul Gunzenhäuser Tag der mündlichen Prüfung: 19. Juli 2005 Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme der Universität Stuttgart 2005 Für Melanie und Emily, für meine Eltern und meine Oma. Kurzfassung Computergraphik wird in vielen Bereichen der anwendungsorientierten Informa- tik, von der optischen Gestaltung graphischer Benutzungsoberflächen bis zur Vi- sualisierung wissenschaftlicher Zusammenhänge eingesetzt. Auszeichnungs- sprachen zur Beschreibung graphischer Information erweitern diese Einsatz- möglichkeiten um die Animation und die Interaktion mit den Inhalten. In dieser Arbeit werden neue Verfahren und Strategien entwickelt, die den Einsatz von standardisierten Auszeichnungssprachen der Computergraphik in den Bereichen Benutzungsoberflächen und Lehrmaterialien ermöglichen. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Zugänglichkeit von graphischen Inhalten für blinde Men- schen, insbesondere durch interaktive Exploration von taktilen Darstellungen. Diese Arbeit stellt Methoden für die Beschreibung von skalierbaren Interaktions- elementen mit Auszeichnungssprachen vor, die an verschiedenste Anzeigegerä- te angepasst werden können. Darauf aufbauend entstanden neue Konzepte für zoombare Benutzungsoberflächen zur variablen Größendarstellung von Interak- tionselementen und deren Inhalten. Erstmals werden auch Methoden vorgestellt, um die Darstellung von Benutzungsoberflächen, die mit Auszeichnungssprachen beschrieben werden, auf andere Rechner zu übertragen. Der Einsatz von Graphiken, die auf Auszeichnungssprachen basieren, bietet bei deren Erstellung, Handhabung und Anwendung erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlicher Rastergraphik. Diese Arbeit stellt neue Verfahren vor, um die Formatierungen von Graphiken in Lehrmodulen anzupassen. Entwickelt werden unter anderem Konzepte für die Generierung von Lehrmodulen, die eine flexible Wiederverwendung in verschiedenen Lernszenarien ermöglichen. Für blinde Menschen bilden textuelle Inhalte die Hauptinformationsquelle bei ih- rer Arbeit mit Computersystemen. Die ganzheitliche Darstellung von textuellen und graphischen Inhalten ist für viele Anwendungen jedoch unabdingbar. Mit Graphik, die auf Auszeichnungssprachen basiert, können erstmals Verfahren für die taktile Repräsentation präsentiert werden, die eine ganzheitliche Erschlie- ßung der graphischen Inhalte ermöglichen. Dazu werden Methoden vorgestellt, die blinden Menschen den Zugang zu mathematischen Ausdrücken, zu 2D- und zu 3D-Graphiken gestatten. Dies wird an einem taktilen Web-Browser demons- triert, der den Zugang zu diesen unterschiedlichen Graphikarten integriert. v Abstract Computer graphics is used in many fields of computer science, ranging from the presentation of user interfaces to the visualization of scientific aspects. These application areas are extended by techniques for animation and for interacting with the content, based on the description by markup languages. This thesis pro- poses new methods and strategies for standardized markup languages for user interfaces and for learning materials. One focus is on the access to the graphical content for visually disabled people, achieved by an interactive exploration of tactile representations. In this thesis new methods for the description of scalable components for graph- ical user interfaces by using markup languages are presented. The components can be adapted to the limitations of a variety of output devices. Zoomable user interfaces provide a variable size for the components and the content. Novel methods are introduced for transmitting algorithmically generated user interfaces described by markup languages to various other computers. Graphics based on markup languages has substantial advantages in their cre- ation, handling and application compared to conventional raster graphics. This thesis presents new methods and strategies in order to adapt the visual attrib- utes of the graphics to the formatting of learning modules in different learning platforms. Among others, concepts for generating learning modules, which allow a flexible re-use in different learning scenarios, are developed. Plain text is the main source of information for visually disabled people working with computers. However, in many applications the holistic access to documents consisting of text and graphics is indispensable. To access graphical contents by means of tactile representations, methods are proposed for graphics based on markup languages. Additionally, methods for visually disabled people are de- veloped to use mathematical expressions, as well as 2D- and 3D-graphics. All concepts are integrated into a tactile web browser where all variants of graphics can be accessed in a unique way. vii Danksagung Diese Arbeit entstand am Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme der Universität Stuttgart. Den Mitarbeitern des Instituts, die mich auf meinem Weg der Dissertation begleitet haben, danke ich für das hervorragende Arbeitsklima. Insbesondere bedanke ich mich herzlich bei meinem Doktorvater Prof. Dr. Tho- mas Ertl für sein großes wissenschaftliches Engagement und für seine technolo- gischen Visionen. In unzähligen Gesprächen entstanden daraus unterer anderem die Bausteine für meine Doktorarbeit. Für die detaillierten Diskussionen über die Inhalte meiner Doktorarbeit möchte ich Prof. Dr. Rul Gunzenhäuser herzlich danken. Bei meiner Familie bedanke ich mich für die Kraft und die Unterstützung, die für die Realisierung dieser Arbeit notwendig waren. Für die inhaltliche und syntaktische Korrektur danke ich Melanie Rotard, Traudel Rotard, Joachim Diepstraten, Astrid Spurk, Dr. Andreas Hub, Dr. Matthias Res- sel, Alfred Werner und Dr. Daniel Weiskopf. Darüber hinaus danke ich meinen Diplom- und Studienarbeitern Klaus Bosse, Bodo Josefy, Kerstin Otte und Sven Knödler und meinen studentischen Hilfskräf- ten Nina Dengler, Tülay Cetin, Lars Heinemann, Steffen Müller, Oliver Rendgen, Ralf Botchen und Tobias Schafhitzel, die mir bei der Umsetzung meiner Ziele eine große Hilfe waren. Für die hervorragende Zusammenarbeit bei zahlreichen wissenschaftlichen Ver- öffentlichungen bedanke ich mich bei Prof. Dr. Thomas Ertl, Lutz Finsterle, Dr. Daniel Weiskopf, Dr. Matthias Ressel, Dr. Waltraud Schweikhardt, Dr. Cora Burger und Arno Wacker. Mein Dank gilt auch allen involvierten Personen im BMBF-Projekt Information Technologie Online (ITO) und den beiden Initiatoren der Lernplattform Metacoon Annett Zobel und Matthias Hupfer für die Weiter- entwicklung und Integration des ITO-Lehrmodulformats. Desweiteren bedanke ich mich für die inhaltliche Bereicherung meiner Arbeit und für die erkenntnisreichen Diskussionen bei Prof. Dr. Gerhard Weber, Dr. Frank Hanisch, Thomas Zink, Mark Giereth, Frank Götz und Cameron McCormack. ix Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung.........................................................................................................13 1.1 Graphische Standards...............................................................................13 1.2 Beiträge der Arbeit.....................................................................................16 1.3 Gliederung der Arbeit.................................................................................18 2 XML-basierte Graphikstandards....................................................................21 2.1 Standardisierte Auszeichnungssprachen der Computergraphik................22 2.2 Extensible Markup Language.....................................................................24 2.2.1 Zur Geschichte....................................................................................24 2.2.2 Aufbau und Strukturbeschreibung.......................................................25 2.2.3 Eigenschaften......................................................................................30 2.3 Rastergraphik und Vektorgraphik..............................................................33 2.4 Scalable Vector Graphics...........................................................................34 2.4.1 Zur Geschichte....................................................................................34 2.4.2 Aufbau und Eigenschaften..................................................................34 2.4.3 Modularisierung: SVG Tiny und SVG Basic........................................38 2.4.4 Abgrenzung zu anderen 2D-Vektorgraphikformaten..........................39 2.5 Mathematical Markup Language................................................................41 2.5.1 Zur Geschichte....................................................................................41 2.5.2 Aufbau und Eigenschaften..................................................................41 2.5.3 Abgrenzung zu anderen Formaten für mathematische Ausdrücke....43 2.6 Extensible 3D.............................................................................................44 2.6.1 Zur Geschichte....................................................................................45 2.6.2 Aufbau und Eigenschaften..................................................................45 2.6.3 Abgrenzung zu anderen 3D-Computergraphikformaten.....................47 2.7 Weitere XML-basierte