RICERCA ITALIANA     

Guide Adattative, Context-aware e Multimediali su Dispositivi Mobili

Università degli Studi di Udine

Abstract

Scopo del progetto è quello di approfondire i diversi aspetti sia teorici che tecnici atti a consentire il design di una guida mobile in tutte le sue parti e per varie applicazioni.
Il progetto proporrà un framework integrato di guida mobile context-aware, caratterizzata da: (i) un formato di rappresentazione delle informazioni standard e condiviso che consenta interoperabilità fra dispositivi ed applicazioni diverse, (ii) capacità di derivare informazioni sullo stato e comportamento dell'utente a partire dal logging di dati di sensori di uso comune (quali GPS), (iii) generazione automatica di presentazioni in linguaggio naturale, (iv) interfacce automaticamente generabili ed adattabili a dispositivi diversi, (v) modalità di input/output ad elevata usabilità basate su interfacce visuali e tecniche multimediali e multimodali, (vi) funzionalità multi-utente (mobile communication, community). Ai fini di dimostrare l'efficacia e generalità della soluzione proposta, verranno realizzate tre diverse applicazioni (turismo, cultura e sport) basate sul framework. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Luca CHITTARO Università degli Studi di UDINE

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il continuo sviluppo tecnologico nell'ambito dei dispositivi mobili (PDA, SmartPhones, telefoni cellulari), delle comunicazioni wireless (GPRS, UMTS, Wi-Fi), delle soluzioni di localizzazione (GPS, EGNOS), sta rendendo possibile l'emergere di applicazioni complesse, dette guide mobili, che supportano gli utenti durante le loro attività lavorative e nel tempo libero, in qualunque momento della giornata e dovunque essi si trovino, sostituendosi all'impiego di guide umane ed alla consultazione, dispendiosa in termini di tempo e spesso infruttuosa, di materiale informativo prevalentemente cartaceo.
Il programma di ricerca proposto ha come obbiettivo primario l'approfondimento dei diversi aspetti sia teorici che tecnici atti a consentire il design di una guida mobile in tutte le sue parti e per varie applicazioni. Il progetto proporrà un framework integrato di guida mobile context-aware che verrà utilizzato, al fine di verificarne l'efficacia e generalità, nella realizzazione di tre applicazioni in tre domini differenti (turismo, cultura e sport).
Requisiti principali della guida saranno:
• Capacità di fornire servizi all'utente in modo semplice ed efficace.
• Capacità di inferire il contesto in cui l'utente sta operando sfruttando sensori di uso comune (ad esempio, GPS).
• Capacità di adattare automaticamente i contenuti forniti, la modalità di presentazione, e l'interazione con il sistema, in base allo specifico utente (ad esempio, interessi, obbiettivi), al contesto (ad esempio, posizione, luminosità, rumore), al dispositivo (ad esempio, PDA, SmartPhone).
• Capacità di fornire contenuti e spiegazioni in linguaggio naturale generati in tempo reale a seconda delle circostanze.
• Capacità di fornire servizi di comunicazione e collaborazione tra utenti.

La costruzione di una guida mobile davvero efficace richiede dunque uno sforzo congiunto, che metta insieme competenze diverse, sia a livello progettuale che implementativo, per garantire un'adeguata copertura di tutti gli aspetti coinvolti.

Vista l'estrema variabilità fra dispositivi ed applicazioni mobili sul mercato, un obiettivo del progetto consiste nella rappresentazione dei diversi tipi di conoscenza in formato interoperabile, impiegando una rappresentazione semantica condivisa di tutta la conoscenza del sistema. Poiché la guida mobile deve essere caratterizzata da funzionalità adattive, la base di conoscenza del sistema sarà costituita dalla conoscenza sul contenuto della guida e dei suoi servizi, dalla conoscenza sugli utenti rispetto a cui la guida deve adattarsi, dalla conoscenza sui dispositivi utilizzabili dall'utente nella fruizione dei servizi, dalle condizioni contestuali di tipo ambientale e sociale.

Un secondo obiettivo del progetto è l'implementazione di soluzioni che permettano all'utente di accedere ai servizi forniti dalla guida in modo intuitivo, semplice ed efficace. Tale obiettivo consiste a sua volta in diversi sotto-obiettivi.
Il primo sotto-obiettivo riguarda gli aspetti di context-awareness. Un sistema è context-aware se utilizza il contesto (ad esempio, la posizione dell'utente) per fornire le informazioni e/o i servizi più rilevanti all'utente in una data situazione, aumentando in tal modo la flessibilità e la facilità di fruizione dei contenuti. Nel corso del progetto, dovranno essere identificate le informazioni fondamentali che costituiscono il contesto e dovranno essere sviluppate opportune tecniche per misurare tali informazioni e per sfruttarle in modi differenti (e innovativi) all'interno della guida.
Il secondo sotto-obiettivo riguarda la progettazione di un'adeguata interfaccia utente e delle modalità di interazione che questa mette a disposizione, aspetti che maggiormente influenzano la percezione di un sistema da parte dell'utente. A questo fine, dovranno essere opportunamente affrontate diverse problematiche quali le limitazioni dei dispositivi mobili in confronto ai computer tradizionali (limitate dimensioni e risoluzioni dei display, scarsa potenza computazionale, etc.), l'esigenza di soddisfare velocemente il bisogno informativo dell'utente (es. cercare un albergo, un posteggio, ecc.), l'influenza dei fattori d'uso ed ambientali (utilizzo in ambienti aperti, consultazione in piedi, rumore, etc.). Durante questo progetto verranno pertanto studiate ed implementate adeguate soluzioni a questi problemi, da un lato utilizzando l'utilizzo di tecniche di Information Visualization e di semplificazione dell'input, dall'altro personalizzando le informazioni in termini di contenuto e rendendo l'interfaccia adattiva in termini di layout (permettendo in tal modo anche la portabilità su dispositivi con caratteristiche differenti).
Un terzo sotto-obiettivo riguarda la generazione automatica e lo sfruttamento di presentazioni in linguaggio naturale, resi possibili in termini soddisfacenti anche per dispositivi di limitate capacità grazie all'evoluzione dei sistemi di sintesi ed interazione vocale. Durante il progetto, verranno pertanto sperimentate queste nuove tecnologie, sfruttandole per dotare le guide mobili di capacità vocali, con commenti che si adattano dinamicamente al contesto e all'utilizzatore. Le guide non si limiteranno pertanto a presentare messaggi vocali predefiniti ma saranno in grado di generare testi e sintetizzarli dinamicamente in tempo reale a seconda delle circostanze.

Un altro obiettivo del progetto è quello di sfruttare le capacità di interazione dei dispositivi mobili per stimolare attività collaborative di gruppo nell'esplorazione di ambienti quali città e musei. La comunicazione e l'interazione sociale tra utenti sono infatti elementi chiave per rendere l'esperienza gradevole e coinvolgente e facilitare l'apprendimento. L'interazione e la comunicazione tra utenti verranno pertanto promosse coinvolgendoli in giochi educativi, da svolgere in collaborazione mediante dispositivi portatili, e utilizzando una infrastruttura di comunicazione condivisa.

La flessibilità e riutilizzabilità del framework che sarà realizzato verrà sperimentata in tre domini applicativi diversi.
Un dominio applicativo è quello dell'accesso ad informazioni museali e, più in generale, culturali di una città. Identificare soluzioni che incoraggino e rendano più stimolante la fruizione di tali beni può avere notevole impatto a livello di crescita culturale ed anche economica in quanto stimolo ulteriore per il turismo. In particolare, la proposta dell'esplorazione cooperativa mira a coinvolgere maggiormente le persone nelle esperienze di visite culturali, rendendole occasioni di socializzazione piuttosto che esperienze individuali.
Il secondo dominio applicativo è quello del supporto alle attività di training sportivo all'aperto (ad esempio, jogging, biking, etc.). In particolare, verrà sviluppata un'applicazione che consenta di effettuare l'attività di training in modo più efficace, ai fini di un miglioramento globale della soddisfazione e dei risultati per la salute, attraverso la fornitura di diverse funzionalità (ad esempio, fornitura di informazioni personalizzate sulle prestazioni durante l'attività, supporto alla navigazione, etc.).
Il terzo dominio applicativo è quello turistico/cittadino, nel quale la guida mobile realizzata fornirà un insieme di servizi atti a soddisfare esigenze di tipo tipicamente turistico, quali la ricerca di informazioni su alberghi, ristoranti, monumenti, ecc., così come esigenze di tipo quotidiano, come quelle di viabilità, o di tipo estemporaneo, quali quelle relative a eventi (es. conferenze, esposizioni, ecc.). <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

I primi prototipi di guide mobili risalgono alla seconda metà degli anni '90 nell'ambito dei progetti (in ambito turistico) Cyberguide (Abowd et al., 1996) e GUIDE (Cheverst et al., 2000) e nel corso degli ultimi anni l'interesse verso questo settore è notevolmente aumentato in conseguenza del continuo sviluppo dei dispositivi mobili e delle tecnologie collegate.
La letteratura in materia fa riferimento ad un ampio spettro di aree applicative. Guide turistiche mobili cittadine forniscono all'utente mappe elettroniche per il supporto alla navigazione e altre informazioni rilevanti quali l'ubicazione di ristoranti, uffici pubblici, punti di interesse turistico etc. in base alla posizione dell'utente (ad esempio, Iacucci et al., 2004; Schmidt-Belz e Poslad, 2003). Guide mobili per specifici siti turistici forniscono all'utente l'opportunità si seguire tour guidati o accedere ad informazioni dettagliate riguardo al sito visitato (ad esempio, Borntrager et al., 2003) mentre guide mobili museali forniscono informazioni relative agli specifici oggetti in esposizione (ad esempio, Rocchi et al., 2003). Altre guide mobili supportano la vita sociale o personale degli utenti, mantenendo ad esempio traccia di amici o eventi (Fithian et al., 2003; Paulos e Goodman, 2004). Assistendo gli utenti durante i loro viaggi e spostamenti, le guide mobili possono anche fornire informazioni utili sui percorsi e le direzioni da prendere (Chincholle et al., 2002; Holland et al, 2002) e possono mantenere traccia degli itinerari fatti e delle tappe ancora da effettuare etc. (ad esempio, Ricci et al., 2002).

Ció che rende le guide mobili differenti da soluzioni tradizionali quali le guide cartacee è la loro capacità di adattarsi al contesto nel quale vengono utilizzate. L'informazione contestuale più importante che viene solitamente sfruttata è quella di localizzazione. Conoscendo la posizione del dispositivo (e quindi dell'utente), è infatti possibile fornire facilmente agli utenti le informazioni ed i servizi più adeguati alla sua situazione. La posizione corrente può essere ottenuta attraverso tecniche differenti. Molto comune è l'impiego di approcci basati sull'utilizzo di satelliti, quali il GPS, mentre per applicazioni indoor vengono utilizzate soluzioni wireless quali RFID, Bluetooth, IrDA o ultrasuoni (Vossiek et al., 2003). Sfruttando le informazioni fornite dal contesto, costituite non solo dalla posizione ma anche da altri fattori quali tempo, dati forniti da diversi tipi di sensori, etc. è possibile per una guida mobile integrare differenti strategie di adattamento, aspetto che garantisce alle applicazioni elevata flessibilità. Le guide mobili attualmente esistenti evidenziano livelli diversi di adattamento e sfruttamento delle informazioni contestuali. Tra i sistemi più rilevanti, Crumpet (Poslad et al., 2001), personalizza il servizio in base alla posizione dell'utente, ai suoi interessi e alle interazioni pregresse, sia su palmare che su smartphone. Crumpet, inoltre, adatta la presentazione in base ai cambiamenti del contesto tecnologico e utilizza tecnologie differenti per localizzare l'utente. GUIDE (Cheverest et al., 2000), è una guida adattiva rispetto alla posizione dell'utente, alla sua andatura, alle località già visitate, al momento della giornata e alla lingua nonché agli interessi dell'utente. Lol@ (Pospischil et al., 2003) è una guida turistica adattiva rispetto al dispositivo ma non rispetto alle caratteristiche dell'utente.

Per quanto riguarda l'interfaccia e le modalità di presentazione dell'informazione all'utente, la maggior parte delle guide mobili context-aware fa uso di mappe 2D per mostrare l'area nella quale si trova l'utente, solitamente evidenziando la sua posizione e fornendo informazione addizionale sui più vicini punti di interesse e sui percorsi necessari a raggiungere una particolare destinazione (ad esempio, Pospischil et al., 2003). Le mappe sono strumenti molto potenti per la navigazione a causa della ricchezza di informazioni che forniscono e della frequenza alla quale gli utenti possono assorbire tale informazione. Allo stesso tempo, però, le mappe richiedono all'utente di passare ripetutamente dalla prospettiva egocentrica del mondo alla prospettiva egocentrica fornita dalla mappa e viceversa. Questa attività richiede un notevole sforzo cognitivo e influenza le prestazioni (Aretz e Wickens, 1992). Recentemente, per cercare di risolvere questo problema, sono stati fatti dei tentativi per esplorare l'utilizzo della grafica 3D all'interno delle guide mobili. Ad esempio, Rakkolainen e Vainio (2001) hanno proposto un sistema che combina una mappa 2D dell'ambiente con una rappresentazione 3D di quello che gli utenti stanno correntemente osservando nel mondo reale, al fine di studiare gli effetti della grafica 3D sulla navigazione in ambienti urbani. Altri esperimenti con grafica 3D sono altresì stati effettuati da Kulju e Kaasinen (2002) e Laakso et al. (2003). In generale, questi esperimenti hanno contribuito a meglio comprendere come utilizzare la grafica 3D all'interno delle guide mobile, sebbene debbano essere ancora compiuti studi più approfonditi sul gradimento e l'efficacia di una tale soluzione.
Per quanto riguarda, più in generale, la generazione automatica di interfacce utente che si adattino ai diversi dispositivi, molti sono i lavori che si possono citare e che contribuiscono alla definizione delle metodologie e tecniche di cui tener conto nell'affrontare questo tipo di problematiche (Conino et al., 2003; Dees et al., 2003; Mori et al., 2003; Pashtan et al., 2003).

Per quanto riguarda la generazione dinamica di commenti adattivi, i vari approcci esistenti variano in maniera significativa nella complessità: si va da sistemi in cui frammenti di testo predisposti e opportunamente annotati vengono composti in vario modo, a sistemi basati su template in cui elementi variabili vengono inseriti in schemi predisposti, fino a più complessi sistemi di pianificazione delle frasi e del discorso, che presuppongono una rappresentazione interna dei contenuti più formalizzata.
In (Porzel e Strube, 2002) viene discussa la più ampia problematica di sviluppare sistemi di interazione in linguaggio naturale adattivi al contesto e vengono offerti spunti interessanti per una architettura generale.
Per quello che riguarda le guide mobili, la generazione adattiva di commenti è stata esplorata in alcuni progetti di ricerca, principalmente in relazione ad applicazioni museali e turistiche.
Il sistema Hyperaudio (Sarini e Strapparava, 1998) genera commenti audio per un palmtop, tenendo in considerazione la locazione fisica dell'utente e il tempo che un utente si sofferma in una locazione come una misura di interesse negli oggetti situati nelle vicinanze. In (Höök, 1997) viene affrontato il problema di come reperire le informazioni di interesse per l'utente sulla base di una rete predefinita di associazioni semantiche tra argomenti. ILEX (Cox, 1999) è un sistema che genera dinamicamente etichette testuali per una mostra in un museo di gioielli concatenando testo statico e dinamico.
In (Marucci e Paternò, 2002) viene presentato un sistema di supporto a visite guidate in un museo virtuale su Web. Il sistema, oltre ad essere adattivo in relazione al profilo dell'utente e al percorso di navigazione, introduce diverse tipologie di informazione: informazioni di tipo introduttivo, per descrivere un nuovo oggetto di interesse per l'utente, riassuntivo, per fornire una prospettiva complessiva sugli oggetti, informazioni di confronto e differenza, per parlare degli oggetti in relazione ad oggetti precedentemente illustrati, informazioni di curiosità, approfondimenti e storie al contorno che possono aumentare il coinvolgimento dell'utente. I frammenti di testo sono selezionati mediante un meccanismo a regole e adattati a formare un discorso coerente.
Altri lavori nell'area della generazione di commenti in linguaggio naturale hanno considerato strutture retoriche (Not e Zancanaro, 2000) che possono essere interessanti ma hanno bisogno di essere contestualizzate nel tipo di applicazioni che stiamo considerando. Altri lavori (Milosavljevic, 1997) hanno considerato un insieme articolato di confronti (illustrativi, clarificatori, diretti).

Per quanto riguarda la realizzazione della base di conoscenza semantica, l'ambito di riferimento è sicuramente quello del Semantic Web, teorizzato da Berners-Lee (Berners-Lee, 2001). Il progetto del web semantico prevede la realizzazione di un modello comune di rappresentazione dell'informazione che sia condiviso, espressivo, semantico e comprensibile dalle macchine.
In particolare, per la realizzazione di ontologie per la rappresentazione semantica della conoscenza alcuni dei riferimenti più rilevanti sono quelli ai lavori di Guarino (1998), Uschold e Grüninger (1996) e, a inizio anni '90, Gruber (1993).
Nel campo degli ipermedia adattativi c'è un crescente interesse per le problematiche inerenti il Semantic Web e i Semantic Web Services. Nel passato, la maggior parte delle applicazioni adattative si è sempre concentrata su un corpus limitato di adattamenti dove il sistema si adatta a risorse conosciute. Tuttavia, l'utilizzo di ontologie condivise e l'applicazione di descrizioni standard mediante metadati con linguaggi di markup semantico come quelli utilizzate nel semantic web (es. RDF, RDFS, DAML, OWL) consentono l'applicazione delle tecniche adattative al di fuori del contesto locale.
A partire dalla possibilità di applicare tecniche adattative ad un contesto globale -come quello dell'information retrieval per l'e-learning - AHA! (Aroyo et al., 2003)-, si sono sviluppate applicazioni che tentano di coniugare i vantaggi dei sistemi adattativi al corpus aperto di risorse del semantic web. Le principali applicazioni gravitano per adesso nei campi dell'e-learning (Dolog et al., 2004; Brusilovsky et al., 2004; Conlan and Wade, 2004), delle community of practice (Garlatti and Iksal, 2004), delle guide mobili (Van Setten et al., 2004) e del knowledge management (Razmerita et al., 2003).
Nel contesto dei sistemi Web Informativi, Frasincar e Houben (Frasincar and Houben, 2003) hanno sviluppato una metodologia (HERA) per progettare questo tipo di sistemi. Nel loro framework di adattamento distinguono un modello concettuale espresso in RDF(S) e un modello dell'applicazione concernente gli aspetti di navigazione e presentazione i cui elementi base sono "fette" dell'ontologia espressa nel modello concettuale.
Heckmann e Kruger (2003) hanno sviluppato UserML, un linguaggio XML per rappresentare il modello dell'utente in maniera standard, condivisibile da diverse applicazioni e device in un contesto di ubiquitous computing. In UserML possono essere rappresentati: metadati, modello dell'utente, spiegazioni delle inferenze, modello del contesto e modello dell'ambiente.
Nell'ambito degli user modeling server, il gruppo che fa riferimento a Judy Kay (Kay et al., 2002) ha sviluppato uno user modeling server (Personis) che consente all'utente di vedere il suo modello come "vista" sull'applicazione che sta utilizzando.

Per quanto riguarda le funzionalità multi-utente, si deve considerare che le visite a musei o città d'arte sono di solito supportate dalle guide elettroniche come esperienze individuali; le guide non sono progettate per promuovere l'interazione sociale tra i visitatori. D'altra parte, l'esperienza di visita culturale, come sostengono ricercatori come Falk e Dierking (2000), è influenzata dal contesto sociale che include le interazioni tra i visitatori. Molti studi hanno sottolineato il fatto che le interazioni con la mostra, come anche la comunicazioni e l'interazione tra i visitatori sono punti chiave per un ambiente di apprendimento di successo (Hindmarsh, 2002; Leinhardt, 2002).
Il supporto multi-utente per visite collaborative e di gruppo è stato proposto in alcuni progetti di ricerca internazionali. Nel progetto Sotto Voce (Grinter, 2002), sviluppato alla Xerox Parc, è stata proposta una guida basata su tecnologia iPaq, che fornisce contenuto audio delle descrizioni delle opere d'arte ed agisce come uno spazio audio tra visitatori, offrendo uno strumento per socializzare.
Nel contesto del progetto Equator (Brown, 2003), è stato realizzato un sistema presso il Lighthouse Museum a Glasgow che considera tre tipi di tecnologie per la visita: (i) per la visita reale il visitatore usa un PDA equipaggiato con cuffie e microfono ed un sistema di localizzazione a ultrasuoni; (ii) per la visita virtuale si utilizza in una rappresentazione 3D del museo; (iii) per la visita Web, si naviga usando un browser standard con applet Java. I visitatori sono in grado di condividere la loro esperienza museale e navigare insieme attraverso realtà miste: il Web, la realtà virtuale e quella fisica. È fornita informazione riguardo locazione e orientamento di ciascun visitatore. In aggiunta, gli utenti possono comunicare attraverso canali audio. Gli autori hanno osservato che l'interazione vocale, conoscenza della posizione e dell'orientamento, e visibilità reciproca sono essenziali al successo di co-visite museali tra utenti remoti.
Gli autori dei progetti Equator e Sotto voce hanno notato che l'informazione riguardo alla locazione ed orientamento dei compagni è essenziale nella visita cooperativa al fine di mantenere consapevolezza di gruppo.
Il progetto Ghost-Ship (Hindmarsh, 2002), rispetto ai precedenti progetti, ha più le caratteristiche di una esperienza artistica interattiva che una visita multi-utente museale. L'obiettivo del lavoro è di analizzare e considerare interazioni sociali ed informali tra visitatori attraverso la memorizzazione video delle interazioni.
VeGame (Bellotti, 2003) è un altro progetto che usa tecnologia mobile per esplorare la città di Venezia ed imparare la sua storia ed architettura attraverso giochi basati su osservazione, riflessione ed azione (per esempio videogiochi).
Il progetto History Hunt (Fraser, 2003) è stato realizzato nel museo del castello di Nottingham. In questo progetto, gli autori hanno considerato due tipi di attività: cercare oggetti nel castello o tracce del passato basate su indicazioni scritte su pezzi di carta carta con etichette RFID (Radio Frequency IDentification) distribuiti ai visitatori all'entrata. Quando i visitatori con la carta si avvicinano ad un display interattivo, essi ricevano informazione aggiuntiva circa l'oggetto o le tracce descritte nell'etichetta. <<<