Hybridikirjan kehitykseen ja käyttöön vaikuttavat tekijät vieraiden kielten opetussovelluksissa

Transkriptio

1 TEKNILLINEN KORKEAKOULU Kemian ja materiaalitieteiden tiedekunta Puunjalostustekniikan koulutusohjelma Pasi Petteri Sallinen Hybridikirjan kehitykseen ja käyttöön vaikuttavat tekijät vieraiden kielten opetussovelluksissa Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa Valvoja Professori Pirkko Oittinen Ohjaaja TkL Mikko Nuutinen

2 TEKNILLINEN KORKEAKOULU Kemian ja materiaalitieteiden tiedekunta Koulutus-/tutkinto-ohjelma: Puunjalostustekniikka Tekijä Pasi Petteri Sallinen DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Diplomityön nimi Hybridikirjan kehitykseen ja käyttöön vaikuttavat tekijät vieraiden kielten opetussovelluksissa Tiivistelmä Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää painettuun oppikirjaan sulautettavia elektroniikkakomponentteja ja tekniikoita, joilla voitaisiin tehostaa nykyistä oppimateriaalia. Tavoitteena oli myös rakentaa SmartBookopppikirjaprototyyppi alakoulun englannin kielen oppimateriaalista. Prototyyppiin määriteltiin neljä sovellusta, jotka olivat tekstin muuttaminen äänisignaaliksi, interaktiivinen tehtävä, personoitu sanasto ja mobiili äänisanasto. Näiden toiminnallisuutta, käytettävyyttä ja hyödyllisyyttä testattiin sovellustestauksella neljällä alakoulun englannin kielen opettajalla sekä kahdella alakoulun kielten oppimateriaaleista vastaavalla oppikirjakustantajalla. Oppikirjaa voidaan tehostaa monilla menetelmillä, mutta toistaiseksi interaktiivisuuden luominen tai pääsy toiseen mediaan vaatii erillisen laitteen. Paperin ja sähköisen median rajapintoina käytetään erilaisia optisia ja mekaanisia rajapintoja sekä radiotaajuusrajapintoja. Optisia rajapintoja ovat viiva- ja 2D-koodit, digitaaliset vesileimat, Anoto-tekniikka, glyyfit, projisoidut tunnisteet ja reaktiiviset koodit. Mekaanisia rajapintoja ovat erilaiset kosketuspinnat sekä sähköä johtavalla musteella tai elektroniikkakomponenteilla päällystetyt pinnat. Radiotaajuusrajapintoja ovat RFID-tunnisteet ja radiotaajuuteen perustuvat sensoripinnat. SmartBook-oppikirjaprototyypin sovellusten toteuttamistekniikoiksi valittiin mekaanisista rajapinnoista resistiivinen kosketuspinta sekä optisista rajapinnoista 2D-koodisovellus. Sovellusten toiminnallisuus ja käytettävyys varmistettiin ensin validointitesteillä viestintätekniikan laboratoriossa, jonka jälkeen suoritettiin sovellustestaukset opettajilla ja oppikirjakustantajilla. Testauksen yhteydessä tietoa kerättiin myös teemahaastattelun avulla. Sovellustestien avulla saatiin selville, että SmartBook-oppikirjan käytettävyys oli hyvä koehenkilöiden mielestä, koska sovellusten kohdalla ilmeni vain satunnaisia käyttöongelmia. Toiminnallisuus oli myös koehenkilöiden mielestä hyvä muutamaa virheellistä toimintoa lukuun ottamatta. Sovellukset koettiin hyödyllisiksi etenkin omatoimisen opiskelun ja erityisopetuksen kannalta, mutta niitä voitaisiin hyödyntää myös aikuiskoulutuksessa ja maahanmuuttajien parissa. SmartBookin kehittäminen nähtiin tärkeäksi kaikkien testaajien mielestä. Tutkimuksen perusteella SmartBook-tyyppisen oppikirjan kehittäminen on hyödyllistä ja tärkeää. Kohderyhmä, jolle SmartBook tulisi ainakin aluksi kohdentaa, voisi olla lapset, joilla on oppimisvaikeuksia tai jotka opiskelevat paljon omatoimisesti. Jatkokehityksessä kannattaa keskittyä selvittämään matkapuhelimen käytön mahdollisuuksia ja ongelmia kouluympäristössä. Lisäksi sovelluksien osalta kehittämistä kannattaa jatkaa tutkimuksessa saatujen kehitysideoiden suuntaisesti. Työn valvoja Työn ohjaaja Professori Pirkko Oittinen TkL Mikko Nuutinen Professuuri AS-75 Graafinen tekniikka Sivumäärä Koodi AS Suomi Avainsanat Päiväys SmartBook-oppikirjaprototyyppi, resistiivinen kosketuspinta, matkapuhelin, interaktiivisuus Kieli

3 HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Faculty of Chemistry and Materials Sciences Degree Programme: Forest Products Technology Author Pasi Petteri Sallinen ABSTRACT OF MASTER S THESIS Title of Thesis Factors influencing the development and use of hybrid book in educational applications of foreign languages Abstract The objective of this research was to find out the electronic components and techniques which can be embedded to a printed school book. Another goal was to build a SmartBook-schoolbook prototype for studying primary school english. There were four applications in the prototype. The applications were changing text to voice signal, interactive task, individual vocabulary and mobile voice vocabulary. Functionality, usability and usefulness of the applications were tested with applications tests using four english teachers from primary school and two school book publishers, who are responsible for language materials of the primary school. The school book can be enhanced with different kinds of methods. But so far creating interactivity or making access to another media has needed some device to do it. Different kinds of optical, mechanical and radio frequency interfaces are used as an interface from paper media to electronic media. The optical interfaces are bar codes, 2D-codes, digital watermarks, Anoto-technique, glyphs, projected identifiers and reactive codes. Mechanical interfaces are different kinds of touch sensitive surfaces and surfaces that have been printed with conductive ink or with electronic components. Radio frequency interfaces are RFIDs and sensor surfaces that emit or receive radio frequencies. Resistive touch sensitive surface and 2D-code application were chosen to be the implementation techniques of the SmartBook, resistive touch sensitive surface being the mechanical interface and 2D-code the optical interface. The functionality and usability of the SmartBook were tested by using validation tests in the Laboratory of Media Technology, after which the application tests were executed with teachers and publishers. As a result of the application tests the usability of the SmartBook was good, because there were only a few usability problems. Functionality was also good except for a few defective functionalities. The applications were also found useful especially when using the book at home, in the adult education or for students who have problems in studying. All the testers found the development of the SmartBook important. The conclusion of the research is that it is useful and important to develop the SmartBook-schoolbook. The target group of the SmartBook could be children who have problems in studying or who have to study a lot by themselves. It can be used also in special teaching or remediation. The development of the SmartBook should focus on investigating the opportunities and problems of using mobile phone in school environment. Development should also focus on the development ideas that emerged during the research. Supervisor Professor Pirkko Oittinen Chair AS-75 Graphic Arts Technology Pages Instructor Technical licentiate Mikko Nuutinen Chair code AS-75 Language Finnish Keywords Date SmartBook-schoolbook prototype, resistive touch surface, mobile phone, interactivity

4 Alkusanat Tämä diplomityö on tehty Viestintätekniikan laboratoriossa. Diplimityön on rahoittanut Graafisen teollisuuden tutkimussäätiö, jota haluan kiittää tästä mahdollisuudesta. Haluan kiittää myös työni valvojaa, professori Pirkko Oittista, mielenkiintoisesta tutkimusaiheesta ja asiantuntevista kehitysideoista ja ohjeista. Työni ohjaajaa, Mikko Nuutista, haluan erityisesti kiittää rakentavasta palautteesta ja asiantuntevista ohjeista, joiden avulla moni ongelma ratkesi työni aikana. Kiitos myös kaikille tutkimuksen testaukseen osallistuneille henkilöille. Suurin kiitos kaikesta avusta ja tuesta kuuluu kuitenkin kotijoukoille ja varsinkin tulevalle puolisolleni Marille. Espoossa Pasi Sallinen

5 SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO Tutkimuksen tausta Tutkimuksen tavoitteet Tutkimuksen rakenne KIRJA JA VIESTINTÄ Kirjan historia Painettu vs. sähköinen kirja Hybridimedia OPTISET RAJAPINNAT Optinen säteily Viivakoodit D-koodit Digitaaliset vesileimat Paikkatiedon sisältävä pistekuvio -teknologia Tekniikka Sovellukset Glyyfiteknologia Projisoidut tunnisteet Reaktiiviset koodit Tekstin tunnistaminen kynällä MEKAANISET RAJAPINNAT Mekaaninen tunnistaminen Kosketusherkät pinnat Sähköä johtavat koodit Kosketusherkkä sähköä johtava muste RADIOTAAJUUSRAJAPINNAT Tekniikka Fyysiset ominaisuudet Tekniset ominaisuudet RFID-sovelluksia kirjoissa SÄHKÖINEN PAPERI Ominaisuudet Teknologiat Sähköiset kirjalaitteet Painettu elektroniikka TUTKIMUSKYSYMYKSET JA MENETELMÄT Tutkimuskysymykset ja -aineisto Konstruktiivinen tutkimus Prosessin vaiheet Spesifiointiprosessi Toteutusprosessi Arviointiprosessi Kvalitatiivinen aineistonkeräysmenetelmä kokeellisessa osuudessa Käytettävyystestaus Teemahaastattelu Aineiston sisällön analyysi Käyttäjätestien koejärjestelyt Validointitestien koejärjestelyt Sovellustestien koejärjestelyt SMARTBOOK-OPPIKIRJAN SOVELLUKSET JA TEKNIIKAT SmartBook-oppikirjan sovellukset Teksti ääneksi -sovellus Interaktiivinen tehtävä -sovellus... 55

6 8.1.3 Personoitu sanasto -sovellus Mobiili äänisanasto -sovellus SmartBook-oppikirjassa käytetyt teknologiat sovellusten toteuttamiseen Optiset rajapinnat Mekaaniset rajapinnat Radiotaajuuteen perustuvat rajapinnat Paperin kaltaiset näytöt Sovellukset ja tekniikat PROTOTYYPIN RAKENTAMINEN Komponentit ja ohjelmistot Prototyypin käyttöliittymävaihtoehdot Sivutelakkaan perustuva käyttöliittymä Paperille painettu käyttöliittymä Käyttöliittymien erot Optinen käyttöliittymä Sovellusten tekeminen prototyyppeihin Tekstin muuttaminen äänisignaaliksi Interaktiivinen tehtävä Personoitu sanasto Mobiili äänisanasto PROTOTYYPIN VALIDOINTITESTI JA KÄYTTÖLIITTYMÄN VALINTA Validointitestit Käyttöliittymän valinta Prototyypin sovellusten kehitys ja validointi Tekstin muuttaminen äänisignaaliksi Interaktiivinen tehtävä Personoitu sanasto Mobiili äänisanasto Muita kehitysideoita validointitesteistä Prototyyppi Kotelo Kosketuspinta Validointi SOVELLUSTESTAUS Yleistä Teksti ääneksi -sovellus Interaktiivinen tehtävä -sovellus Personoitu sanasto -sovellus Mobiili äänisanasto -sovellus SmartBook-oppikirjan kehittäminen opettajien näkökulmasta SmartBookin sovellusideat ja kehittämisen tärkeys SmartBookin tuoma hyöty opiskelun ja oppimisen kannalta SmartBookin tuoma hyöty opettamisen kannalta SmartBookin ongelmat ja haitat koulumaailmassa SmartBook-oppikirjan kehittäminen oppikirjakustantajan näkökulmasta SmartBookin sovellusideat ja kehittämisen tärkeys SmartBook oppikirjakustantajan valikoimissa JOHTOPÄÄTÖKSET LÄHDELUETTELO

7 LIITTEET LIITE 1 Sovellustestien tehtäväohjeet LIITE 2 Sovellustestauksen haastattelukysymykset 1 LIITE 3 Sovellustestauksen haastattelukysymykset 2 LIITE 4 Sivutelakka käyttöliittymän teksti ääneksi sovellus 1/2 LIITE 5 Sivutelakka käyttöliittymän teksti ääneksi sovellus 2/2 LIITE 6 Sivutelakka käyttöliittymän interaktiivinen tehtävä sovellus LIITE 7 Sivutelakka käyttöliittymän personoitu sanasto sovellus LIITE 8 Sivutelakka ja paperikäyttöliittymän mobiili äänisanasto sovellus LIITE 9 Paperikäyttöliittymän teksti ääneksi sovellus 1/2 LIITE 10 Paperikäyttöliittymän teksti ääneksi sovellus 2/2 LIITE 11 Paperikäyttöliittymän interaktiivinen tehtävä sovellus LIITE 12 Paperikäyttöliittymän personoitu sanasto sovellus LIITE 13 SmartBook-oppikirjaprototyypin teksti ääneksi sovellus LIITE 14 SmartBook-oppikirjaprototyypin interaktiivinen tehtävä sovellus LIITE 15 SmartBook-oppikirjaprototyypin personoitu sanasto sovellus LIITE 16 SmartBook-oppikirjaprototyypin mobiili äänisanasto sovellus

8 1 1 JOHDANTO 1.1 Tutkimuksen tausta SmartBook-oppikirjahanke on osa Suomessa toteutettavaa hybridimediahankekokonaisuutta. Hankkeen puitteissa on ollut suunnitteilla kansallista ja kansainvälistä yhteistyötä tulevaisuuden kirjan toteutukseen tarvittavan tekniikan selvittämiseksi ja kehittämiseksi. Tarkoituksena on, että aihealueella syntyisi laajempaa tutkimusta kirjan kehittämisen näkökulmasta. Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää erilaisten elektroniikkakomponenttien ja tietotekniikan sulautettavuus perinteiseen oppikirjaan nyt ja lähitulevaisuudessa. Smart- Book-oppikirjan on kuitenkin tarkoitus pysyä painettuna oppikirjana, jonka yhteyteen on lisätty (elektroniikka)komponentteja, joiden avulla voidaan mahdollisesti lisätä lasten oppimismotivaatiota ja -tehokkuutta perinteiseen oppikirjaan verrattuna. Kirja on toistaiseksi lähes välttämätön työväline kaiken opiskelun kannalta. Lapsi, nuori tai aikuinen oppii ja opiskelee edelleen kirjan välityksellä, vaikka tietolähteiden valikoima onkin kasvanut sähköisen- ja verkkomedian myötä. Perinteisen oppikirjan sisältö koostuu, muistiinpanoja lukuun ottamatta, muuttumattomasta visuaalisesta informaatiosta. Menetelmät ja tekniikat kehittyvät kuitenkin jatkuvasti, ja kehityksen oletetaan olevan tulevaisuudessa ainakin yhtä nopeaa. Tällöin lisäominaisuuksia oppikirjoihin voidaan ajatella saatavan aikaiseksi erilaisilla teknisillä ratkaisuilla ja jopa painamalla. Nykyään moni opiskelija käyttää internetiä oppimateriaalin hakuun, joten voidaankin pohtia korvaako internet tulevaisuudessa kirjan vai kehittyykö kirjasta ja internetistä jonkinlainen kombinaatio. Interaktiivisia kirjasovelluksia on kehitetty paljon. Saarelman /69/ mukaan kuitenkaan mitään suurta hyppäystä kirjan kehityksessä ei ole nähtävissä. Ennemminkin on nähtävissä kehitysmahdollisuuksia elektronisten komponenttien ja digitaalisen informaation yhdistämisessä painettuun kirjaan. Elektroniikan ja tietotekniikan yhdistäminen perinteisiin laitteisiin, kuten ajoneuvoihin, on yleistynyt viimeisten vuosien aikana. Elektroniikalla ja tietotekniikalla on mahdollisuus ohjata laitteiden toimintoja, tai laitteille voidaan niiden avulla luoda uusia käyttöominaisuuksia. Tähän kehitykseen painettu kirja ei ole toistaiseksi päässyt mukaan. Osittain tämä johtuu painetun kirjan, elektroniikan ja tietotekniikan kustannusrakenne-eroista. Yksinker-

9 2 tainen tietokone on maksanut kymmenkertaisen määrän verrattuna kirjaan, jolloin niiden yhdistäminen on ollut käytännössä mahdotonta. Kuitenkin kymmenen vuotta sitten tuhat euroa maksanut tietokone maksaa nykyään alle sata euroa, joten voidaan olettaa, että kymmenen vuoden päästä kehityksen jatkuessa vähintään samanlaisena, tämän tyyppisen tietojärjestelmän hinta on enää kymmenen euroa. Mikäli tämä toteutuu, niin silloin tietotekniikan, elektroniikan ja painetun kirjan sulauttaminen on jo taloudellisesti mahdollista. /69/ Joitakin elektroniikkakomponentteja pystytään valmistamaan jo nykyään painotekniikalla. Tämä mahdollistaa kustannustehokkaan tavan älykkyyden ja toiminnallisuuden toteuttamiseksi paperille tai sen yhteyteen. Toteutetusta painetusta älykkyydestä ovat esimerkkeinä muun muassa älykkäät pakkaukset, RFID-tagien antennit, aurinkokennot, sähköjohteet, resistorit, transistorit ja kytkimet. /41/ 1.2 Tutkimuksen tavoitteet Tutkimuksen tavoitteena on kartoittaa teorian perusteella komponentteja ja tekniikoita, joilla voidaan tehostaa painettua oppikirjaa. Tämän selvityksen pohjalta rakennetaan jo olemassa olevilla komponenteilla SmartBook-oppikirjaprototyyppi, joka tässä työssä perustuu alakoulun englannin kielen oppikirjaan. Prototyyppiä ja siihen suunniteltuja sovelluksia testataan validointi- ja sovellustestauksilla eri testiryhmillä. Tämän lisäksi käyttäjiä haastatellaan testin ohessa lisäinformaation ja mahdollisten kehitysideoiden kartoittamiseksi. Testauksella ja sen yhteydessä järjestettävällä haastattelulla selvitetään prototyypin käytettävyyteen ja toiminnallisuuteen liittyviä asioita sekä pyritään selvittämään oppikirjasovellusten hyödyllisyyttä. Erityisinä kiinnostuksen kohteina diplomityössä ovat tavat tuottaa painetusta tekstistä äänisignaali. Tutkimuksen tarkoituksena on siis tarkastella, millä tavalla painettuun kirjaan voidaan pysyvän informaation lisäksi tuoda jotain muuttuvaa informaatiota tai jonkinlaista lisätoiminnallisuutta, jolloin voidaan puhua paperituotteen ja elektroniikan sulauttamisesta toisiinsa. Tällaisen kuitupohjaisen tuotteen ja sähköisen viestinnän yhdistelmästä käytetään nimitystä hybridimedia. /72/ Diplomityö rajataan SmartBook-oppikirjaan soveltuvien elektroniikkakomponenttien ja tietotekniikan nykytilan selvittämiseen ja olemassa olevien komponenttien avulla rakennettavaan demonstraatioprototyyppiin. SmartBook-oppikirjaprototyyppi on kohdistettu alakoulun englannin kielen oppikirjaksi. SmartBook-oppikirjaprototyypin toiminnoilla on

10 3 tarkoitus toteuttaa sovelluksia, joita on tullut esiin projektin aikana ja työtä varten tehdyissä esitutkimussuunnitelmissa /68/. Sovellukset ovat: tekstin tai symbolin muuttaminen äänisignaaliksi, interaktiivinen tehtäväsovellus, personoitu sanasto ja mobiili äänisanasto. Prototyyppiin pyritään sisällyttämään mahdollisimman hyvin sovellusten toimintoja demonstroivia tekniikoita. Tutkimuksen tavoite on siis teoreettisen esiselvityksen perusteella rakentaa SmartBookoppikirjaprototyyppi siihen suunniteltujen sovellusten toteutusta varten. Sovelluksia ja prototyyppiä testataan tämän jälkeen opettajien ja oppikirjakustantajan oppimateriaaleista vastaavien henkilöiden kanssa. Testien, haastatteluiden ja teoriaselvityksen perusteella analysoidaan SmartBook-oppikirjaprototyyppiä sekä tekniikan ja komponenttien nykytilaa ja kehityspolkua, jota tarvitaan tulevaisuuden SmartBook-oppikirjan aikaansaamiseksi. Tavoite tulevaisuuden oppikirjalle on asetettu seuraavanlaiseksi: Oppikirja on osittain painettu ja osittain sähköinen mukana kuljetettava oppimisväline. Kirjan tulisi olla edelleen kustannuksiltaan korkeintaan hieman kalliimpi kuin nykyiset perinteiset oppikirjat, jolloin sen arvo ulkopuoliselle, kuten varkauksille, olisi mahdollisimman pieni. /68/ 1.3 Tutkimuksen rakenne Tutkimusraportti jakautuu kahteentoista lukuun, joista luvut 1 6 käsittelevät aiheen teoreettista puolta sekä aiempia tutkimuksia. Kokeellisen osion luvuissa 8 11 käsittellään prototyypin rakentamista ja kokeellisen tutkimuksen tuloksia. Luvussa 2 esitellään lyhyesti kirjan historiaa, verrataan painetun ja sähköisen kirjan eroja sekä esitellään hybridimedian aihealueella. Luvuissa 3 6 käsitellään tutkimuksen teoriaviitekehystä perehtymällä erilaisiin olemassa oleviin rajapinoihin paperista sähköiseen mediaan. Luvussa 3 perehdytään optisiin rajapintoihin. Luvussa 4 käsitellään mekaanisia rajapintoja. Luvussa 5 esitellään radiotaajuusrajapintoja. Teoriaosuus päätetään lukuun 6, jossa esitellään paperin kaltaisia näyttöpintoja eli sähköisiä papereita. Luvussa 7 esitellään kokeellisen tutkimuksen menetelmät ja tutkimuskysymykset sekä koejärjestelyt. Luvussa 8 esitellään prototyypin tekniikka ja sillä toteutetut sovellukset. Luvussa 9 käydään läpi pro-

11 4 totyypin käyttöliittymävaihtoehdot ja sovellusten tekeminen. Luvussa 10 esitellään validointitestien tulokset ja käyttöliittymän valinta sekä sovellustestaukseen menevä prototyyppi. Luvussa 11 esitellään sovellustestauksesta saadut tulokset ja luvussa 12 käydään läpi tutkimuksen johtopäätökset.

12 5 2 KIRJA JA VIESTINTÄ 2.1 Kirjan historia Nykyisen koodeksimuotonsa kirja sai jo 300-luvulla /25/. Tätä ennen kirjoitusalustoina käytettiin savitauluja, papyrusta ja pergamentteja. Antiikin Kreikassa ja Roomassa kirjojen valmistaminen tapahtui esilukijan sanelun mukaan, ja samalla kertaa pyrittiin valmistamaan useita kirjoja. Keskiajalle tultaessa kirjoja kirjoitettiin lähinnä luostareissa munkkien toimesta. Tällöin kirja oli vielä ulkoasultaan melko vaatimaton mutta muuttui vähitellen koristeellisemmaksi. Koristeellinen tyylittely toi kirjan ulkonäköön lisää ulottuvuuksia, mutta oli melko hidas tapa tuottaa teoksia. Kirjapainotaidon keksiminen luvulla mahdollisti kirjojen nopeamman valmistuksen, ja kirjojen tuotanto alkoi lisääntyä. Tämä mahdollisti kirjojen laajemman leviämisen, ja toi ne yhä useamman ihmisen luettavaksi. /78/ Painetun kirjan historian katsotaan yleisesti alkaneen vuonna 1458, jolloin Johannes Gutenbergin kehittämällä ladontatekniikalla valmistettiin ensimmäinen painettu Raamattu /70/. Kirja on vuosien aikana kehittynyt osana niin teknologista ja taloudellista kuin kulttuuristakin kehitystä nykyiseen muotoonsa /70/. Perinteinen kirja on kuitupohjaisista raakaaineista, kuten paperista, kartongista ja pahvista valmistettava painotuote ja viestintäväline. Kirjan määritelmä ei ole yksiselitteinen. Kirja on kokonaisuus, joka koostuu sarjasta kirjoituksia. Yksittäinen runo ei muodosta kirjaa, mutta runokokoelma kylläkin. /78/ 2.2 Painettu vs. sähköinen kirja Kirja on säilyttänyt perinteisen formaattinsa jo satoja vuosia, ja kirjan sisältömateriaalina on edelleen paperi /25/. Kirja ja paperi toimivat alustoina visuaalisesti havaittavalle informaatiolle, kuten tekstille ja kuville. Informaatio tuotetaan alustalle joko painamalla, tulostamalla tai käsin kirjoittamalla. Paperidokumenttien ja painetun median kohtalosta sähköisen median rinnalla on ollut keskustelua viimeisten vuosien aikana. Toiset uskovat sähköisten dokumenttien ja sähköisen median syrjäyttävän paperin, kun taas toiset näkevät nämä eri mediat mahdollisuuksina toisilleen/1/, /56/. Ainakaan toistaiseksi paperia ja kirjaa ei ole pystytty syrjäyttämään. Ennusteiden mukaan paperi ja painaminen tulevat säilyttämään asemansa myös tulevaisuudessa /47/. Paperin valtteina ovat sen pitkä historia ja ihmisten käyttötottumukset sitä kohtaan. Hyvistä ominaisuuksista mainittakoon lukemisen yhteydessä muistiinpanojen tekemisen mahdolli-

13 6 suus ja nopea navigointi sivujen välillä /56/. Paperia tai kirjaa on helppo kuljettaa mukana, eikä se ole riippuvainen muista ulkoisista tekijöistä kuin valaistuksesta /70/. Paperi tai kirja kestää kulutusta, koska valmistemateriaali on kestävää eikä se hajoa helposti esimerkiksi pudotessaan. Paperilta lukemiseen ei tarvita erillistä lisälaitetta. Tieto on pysyvää ja riippuen käytetystä paperista, painoväristä sekä painomenetelmästä tiedon säilymisaika voi olla hyvinkin pitkä. Paperilta pystyy lukemaan tekstiä myös laajalla katselukulmalla, toisin kuin joistain sähköisistä alustoista./1/ Paperin ja kirjan huonoja puolia on niiden varastointiin vaadittava tilantarve. Myös mitä enemmän niitä tarvitsee kuljettaa mukana, sitä enemmän ne vievät tilaa ja painoa tulee lisää. Paperille tuotettu tieto on myös ajallisesti sidottu tiettyyn valmistus- ja jakeluprosessiin. Sähköinen viestintä ja dokumentaatio ovat kehittyneet vauhdilla ja nykyään perinteisen kirjan rinnalle on tullut useita vaihtoehtoja kirjan sisällön esittämiselle ja jakelulle. Varsinkin digitalisoituminen, verkostoituminen ja langattomuus mahdollistavat näiden sähköisten dokumenttien toteuttamisen ja jakelun. Sähkökirja (ebook) on sähköisessä muodossa oleva kirjallinen teos, jota voidaan lukea joltain lukulaitteelta, kuten tietokoneelta tai erikseen sähkökirjoja varten valmistetulta laitteelta. Erillisellä laitteella voidaan tarkoittaa ohutta mukana kannettavaa laitetta, johon sähkökirjadokumentteja voidaan ladata. /70/ ebook-lukulaitteiden valmistaminen on tullut mahdolliseksi elektroniikan hinnan alenemisen myötä. Tärkeää on ollut myös virtalähteiden ja erityisesti näyttöjen kehittyminen. Tärkein tekijä sähköisten kirjojen yleistymisessä on kuitenkin ollut internet, joka on mahdollistanut sähköisten dokumenttien edullisen, helpon ja nopean jakelun. /70/ Sähköisten dokumenttien helppo jakelu voi aiheuttaa myös ongelmia, sillä aineiston uudelleen levittäminen ja laiton käyttäminen ovat näin mahdollisia. Toisaalta väärinkäytön estämiseksi on rakennettu suojausjärjestelmiä. Dokumenttien edullisuuden sekä helpon ja nopean jakelun lisäksi sähköinen viestintä antaa muitakin mahdollisuuksia paperiin verrattuna. Dokumentteja on mahdollista järjestellä, etsiä tai suodattaa helposti. Sähköisten lukulaitteiden ja dokumenttien hyvä puoli on myös siinä, että dokumenttien määrän kasvaessa laitteen paino ei kasva. Lisäksi se pystyy taltiomaan suuren määrän dokumentteja samaan fyysiseen tilaan. Sähköisiä dokumentteja voidaan päivittää, joten niiden sisältämä tieto ei ole staattista, kuten paperidokumenttien. /73/ Negatiivisia ominaisuuksia voidaan sanoa olevan lukulaitteiden toistaiseksi suhteellisen kallis hinta. Koska sähköisten dokumenttien lukeminen vaatii erillisen lukulaitteen, voi-

14 7 daan se määritellä negatiiviseksi ominaisuudeksi paperikirjaan verrattuna. Laitteet eivät myöskään ole yhtä kestäviä kuin paperi, joten niitä mukana kuljetettaessa täytyy noudattaa tiettyä varovaisuutta. Sähkökirjalaite vaatii myös energiaa toimiakseen ja sen dokumentit eivät ole fyysisesti kosketeltavissa, kuten paperi on kirjassa. Yksi merkittävimmistä puutteista toistaiseksi on ollut luettavuuden heikkous verrattuna paperilta lukemiseen. Luettavuuteen vaikuttavat resoluutio, riviväli, taustan ja merkkien välinen kontrasti sekä reunojen terävyys. Lukulaitteiden koko vaikuttaa myös luettavuuteen, koska sitä ei voida muuttaa sisältömateriaalin niin vaatiessa. Paperia sen sijaan voidaan muotoilla tarvittavaan kokoon sisällöstä riippuen. /27/ Kuten edellä käy ilmi, on molemmilla viestintämuodoilla omat hyvät ja huonot puolensa. Tässä tutkimuksessa ei ole tarkoituksena vertailla niiden paremmuutta toisiinsa nähden. Tarkoituksena on tunnistaa molempien hyvät ja huonot puolet ja etsiä mahdollisuuksia ja rajapintoja, joilla kummankin vahvuuksia voitaisiin tulevaisuudessa hyödyntää. Tutkimuksen lähtökohtana on kuitenkin säilyttää kirjan paperinen formaatti, joten se otetaan näkökulmaksi ongelmia ratkottaessa. Ja koska perinteistä kirjaa on tarkoitus tässä työssä jalostaa elektroniikalla, voidaan tavoitetilasta käyttää nimitystä hybridikirjasovellus tai älykirja eli SmartBook. 2.3 Hybridimedia Nykyajan trendinä on eri viestintäkanavien yhdistäminen. Tämä synnytti idean yhdistää myös perinteisesti erillisinä nähdyt painettu ja sähköinen media tiiviimmin toisiinsa. Jo toteutetuista ratkaisuista ovat esimerkkeinä muun muassa paperille tulostettavat optiset koodit, e-paperi ja elektroniikkakomponentit. Näitä sähköisen median ja kuitupohjaisten tuotteiden muodostamia yhdistelmiä kutsutaan yhteisellä nimellä hybridimediatuotteiksi. Näkemykset hybridimediamääritelmästä ovat vaihtelevia. Määritelmiä on useita, mutta yleisenä näkemyksenä hybridimedian voidaan sanoa olevan keino laajentaa tietyn median tavallisia käyttötapoja. Laajennuksella voidaan taas tarkoittaa sisällön monimuotoisuuden lisäämistä, interaktiivisuutta tai jakelutien ja päätelaitteiden skaalan kasvattamista. Kuvassa 1 on havainnollistettu median käyttötapojen laajentamista hybridimediaksi. /72/

15 8 Kuva 1. Hybridimedia syntyy perinteisen median laajentamisesta ja rikastamisesta jollain muulla sisällöllä, interaktiivisuudella tai jakeluteiden ja päätelaitteiden kirjon kasvattamisella /72/ Jakelutien ja päätelaitteiden kasvattamisella mahdollistetaan uusien alustojen käyttö median esittämisessä. Näin median saatavuus paranee. Esimerkkinä voidaan ajatella sanomalehden laajeneminen verkkolehdeksi. Sisällön laajentamisella tarkoitetaan mahdollisuutta lisätä perinteiseen mediaan sisältöä. Tämä tarkoittaa, että esimerkiksi painetusta tuotteesta voi olla pääsy sähköiseen mediaan, jonka kautta on mahdollisuus saada jotain lisäinformaatiota. Näin sisältö laajenee ja staattiseen informaatioon voidaan lisätä jotain dynaamista informaatiota käytettäessä useampaa mediaa saman tuotteen kautta. Interaktiivisuudella tarkoitetaan mahdollisuutta käyttää esimerkiksi painettua tuotetta entistä monipuolisemmin. Perinteisesti painetun tuotteen informaatio valuu passiivisesti käyttäjälle lukukokemuksena. Hybridimedialla on mahdollisuus tuoda interaktiivisuutta painettuun tuotteeseen. Tästä esimerkkinä on lehteen painettu mainos, jonka kautta on matkapuhelimen avulla pääsy johonkin lisäpalveluun. Tällöin voidaan puhua, että interaktiivisuus siirtyy käyttäjän aktiivisesti noutamana käyttäjän matkapuhelimeen. Automaattisella linkittämisellä tarkoitetaan suoraa linkitystä paperin kautta johonkin tiettyyn sähköiseen palveluun ilman käyttäjän suurempaa aktiivisuutta. Tämän tutkimuksen SmartBook-oppikirja sijoittuu hybridimediahankekentässä yhdeksi alahankkeeksi. Kuva 1 esittää myös tähän tutkimukseen liittyvän potentiaalisen mahdollisuuden, jonka hybridipainotuote voi tuoda oppimisympäristöön. Tarkasteltaessa kuvaa 1

16 9 voidaan tulkita perinteisen median muodostaman kolmion pinta-alan merkitsevän median kykyä kantaa informaatiota. Tässä tutkimuksessa perinteisellä medialla voidaan tarkoittaa painettua oppikirjaa. Lisäämällä mediaan uuden alustan, interaktiivisuutta ja uutta sisältöä kasvavat kolmion pinta-ala ja informaation määrä painetussa tuotteessa. SmartBookoppikirjalla olisi tämän tulkinnan mukaisesti mahdollisuus kantaa enemmän informaatiota kuin perinteisellä oppikirjalla. Edesauttavatko tämän tyyppiset oppikirjalaajennukset oppilasta oppimaan paremmin ja tehokkaammin, riippuu siitä, kuinka hyvin näitä mahdollisuuksia osataan hyödyntää. Paperikirjan ja digitaalisen tiedon liittäminen toisiinsa voidaan toteuttaa usealla eri tavalla. Teknologia voi perustua esimerkiksi dokumentin identifiointiin, paikanmäärittämiseen dokumentista, kirjoituksen tallentamiseen tai paperilla olevan tiedon tallentamiseen digitaaliseen muotoon. Nämä kaikki teknologiat vaativat kuitenkin jonkin laitteen, jonka avulla rajapinnasta päästään toiseen mediaan. /74/ Rajapintoja voidaan muodostaa esimerkiksi käytössä olevilla optisilla tai sähköisillä koodeilla, kuten 2D-koodeilla ja RFID-tageilla. Näillä tekniikoilla saadaan luotua rajapinta paperista sähköiseen mediaan. Tällä hetkellä markkinoilla on olemassa edellä mainittuja rajapintoja, joita käytetään linkkinä paperista sähköiseen mediaan. Esimerkkinä voidaan mainita kaksiulotteinen koodi, jota voidaan tulkita kamerapuhelimen avulla. Koodiin voidaan sisällyttää esimerkiksi tietoa, joka linkittää puhelimen verkkopalveluihin. Verkkopalveluiden kautta saadaan mahdollisesti tietoa koodin kohteesta, jonka yhteyteen koodi on painettu. Koodi voi myös käsittää jonkun muun lisäpalvelun, johon luodaan pääsy kamerapuhelimen välityksellä. Koodi tarjoaa siis suoran pääsyn toiseen mediaan, kuten internetiin. /47/ Tällä hetkellä näyttää siltä, että paperinen hybridituote muodostuu jonkinlaisesta linkkiperiaatteella toimivasta ratkaisusta paperin ja sähköisen sisällön välillä. Toistaiseksi olemassa olevat ratkaisut vaativat jonkin lisälaitteen, jonka avulla päästään käsiksi sähköiseen mediaan. Näitä lisälaitteita ovat kamerapuhelimet, RFID-lukijalaitteet, koodinlukulaitteet, digitaaliset kynät tai jotkin liikkeen tai paikan tunnistavat sensorilaitteet. Seuraavassa luvussa käsitellään tarkemmin rajapintoja paperin ja sähköisen sisällön välillä. Luvussa esitellään tällä hetkellä olemassa olevia tai kehitteillä olevia teknologioita, joilla voidaan tehostaa perinteistä paperia. Luvussa esitellään myös kehiteltyjä sovelluksia, joista voisi olla hyötyä tarkasteltaessa tulevaisuuden oppikirjaa.

17 10 3 OPTISET RAJAPINNAT 3.1 Optinen säteily Optinen säteily on sähkömagneettista säteilyä. Optisen säteilyn määritellään olevan spektrialue, joka kuuluu radio- ja mikroaaltojen sekä röntgenaaltojen väliselle spektrialueelle. Optinen spektrialue koostuu puolestaan ultraviolettisäteilystä, näkyvän valon säteilystä ja infrapunasäteilystä (kuva 2). /67/ Kuva 2. Sähkömagneettiseen säteilyyn kuuluvan optisen säteilyn spektrialue /33/ Optisilla rajapinnoilla tarkoitetaan yleisesti rajapintoja, joita pystytään havainnoimaan ja käyttämään jonkin optisen lukulaitteen avulla. Optinen rajapinta voi olla hyvinkin erilainen riippuen käyttötarkoituksesta. Tässä tutkimuksessa käsitellään optisia rajapintoja, joita voitaisiin yhdistää paperiseen oppikirjaan, jolloin kyseeseen tulevat erilaiset painetut koodit, kuten esimerkiksi 1D-viivakoodit, 2D-koodit ja upotetut koodit. /47/, /84/ 3.2 Viivakoodit Viivakoodilla tarkoitetaan optisesti luettavaa merkkijonoa tai tunnistetta. Useat viivakooditekniikat ovat kansainvälisesti standardoituja menetelmiä, joissa koodattua tietoa voidaan lukea automaattisesti lukulaitteella. Viivakoodeja on erilaisia, mutta laajimmassa käytössä ovat koodit: koodi 39, koodi 128, Interleaved 2/5, EAN/UPC ja Codabar. Kaupallisesti viivakoodeja on käytetty jo yli 30 vuoden ajan, ja niiden käyttö on vakiintunut varsinkin päivittäistavaratuotteiden tunnisteteknologiana. /74/, /84/ Viivakoodit koostuvat tummista ja vaaleista elementeistä, jotka ovat ryhmiteltyinä lineaariseksi viivajonoksi. Tietty yhdistelmä elementtejä vastaa aina tiettyä merkkiä. Riippuen käytetystä viivakoodista tieto saattaa sisältyä joko pelkkiin tummiin elementteihin tai kuten

18 11 yleisimmin käytössä olevissa koodeissa, sekä tummiin että vaaleisiin elementteihin. Yksilöllisillä viivakoodeilla saadaan luotua rajapinta painetusta koodista digitaaliseen informaatioon. Koodin sisältämän tiedon tai linkin avaaminen vaatii aina dekoodausta, joka voidaan toteuttaa koodinlukuohjelmalla. /74/, /84/ Viivakoodien heikkoutena on niiden vähäinen tiedontaltiointikyky, joka on yleensä noin merkkiä. Tiedon kantokykyyn nähden ne kuluttavat melko paljon fyysistä tilaa tuotteessa, joihin ne on painettu tai kiinnitetty. Hyviä ominaisuuksia ovat puolestaan nopea luettavuus ja lukuetäisyys, joka voi olla kontaktista useaan metriin. Koodeja on myös helppo valmistaa ja valmistuskustannukset ovat lähes olemattomat, koska niitä voidaan valmistaa perustulostimilla tai painatuksen yhteydessä. Koodien lukulaitteina voivat toimia lukukynät, kiinto- ja kameralukijat. /62/, /74/, /84/ Kirjasovellus, jossa on käytetty hyväksi viivakooditeknologiaa, on nimeltään FieldMousesovellus /76/. FieldMouse-sovelluksessa (kuva 3) idea perustui paikan tunnistamiseen paperilta hiiren kaltaista laitetta hyödyntäen. Sovelluksen demonstraatiossa FieldMouse koostui viivakoodilukijasta ja hiiren kaltaisesta liikkeen tunnistavasta laitteesta. FieldMousella luettiin ensin kirjan sivulta tunnistekoodi (viivakoodi), jolloin tietojärjestelmä tunnisti auki olevan sivun. Painetun sivun paikkatiedot vastasivat sähköisen järjestelmän tiedostosivun asemointia. Kun koodi oli luettu, voitiin FieldMousella liikkua kirjan sivulla ja aktivoida kirjan sivulle painettuja interaktiivisia linkkejä. Kuva 3. FieldMouse ja sivun asemointi. Sivun yläreunassa näkyy koodi, jonka mukaan Field- Mousen paikka kalibroidaan sivulla. /74/ FieldMouse-sovelluksessa on havainnollistettu tapaa, jolla voidaan luoda rajapinta paperista sähköiseen tietojärjestelmään ja saadaan aikaiseksi interaktiivisuutta. Tässä sovelluksessa interaktiivisuus on toteutettu äänenä, joka saadaan ulos painettaessa linkkiä paperilta. Viivakoodin avulla päästään automaattisesti sähköiseen tiedostoon sekä kalibroidaan FieldMouse samalle paikkasijainnille niin paperilla kuin sähköissä tiedostossa. /74/, /76/

19 12 Toinen kirjasovellus /40/ viivakoodien hyödyntämisestä liittyy myös koodien kautta pääsyyn tiettyyn digitaaliseen tiedostoon. Tässä sovelluksessa viivakoodilukija tunnistaa sivuille painettuja koodeja ja avaa demonstraatiossa käytettyyn PDA-laitteeseen videotiedostoja. Sovellusta testattiin historioitsijoiden kirjoittamassa kirjassa, johon linkitettiin tekstin yhteyteen videotiedostoja. Kirjan tekstit perustuivat historioitsijoiden lausuntoihin, joten videokuvan avulla teksteihin saatiin aivan uudenlaisia havainnointimahdollisuuksia lukukokemuksen lisäksi. PDA-laitteeseen asennetun lukijalaitteen avulla viivakoodeja voitiin skannata tekstikappaleen vierestä. Koodiin linkitetty tiedosto latautui PDA-laitteeseen, jonka välityksellä lukija pystyi lukemisen yhteydessä kuuntelemaan ja katselemaan videotiedostoja samanaikaisesti. Sovellus on esitettynä kuvassa 4. Viivakoodit mahdollistivat nopean ja automaattisen pääsyn tiedostoihin. /40/ Kuva 4. Kirjasovellus, jossa kirjoitettujen tekstien yhteyteen oli liitetty viivakoodeja. Viivakoodien kautta avautui pääsy digitaalisiin videoihin, joita pystyi katselemaan lukemisen ohessa PDAlaitteella /40/ 3.3 2D-koodit 2D-koodit ovat kaksiulotteisia koodeja. Ne eroavat viivakoodeista siten, että ne sisältävät tietoa kahdessa dimensiossa. Tämä lisää koodin informaatiotiheyttä verrattuna viivakoodeihin, jotka sisältävät tietoa vain yhdessä dimensiossa (kuva 5). 2D-koodeissa musta elementti kuvaa binäärilukua 1 ja vaalea elementti binäärilukua 0 tai päinvastoin. 2D-koodin etu on se, että niihin voidaan luotettavasti koodata tietoa fyysisesti pieneen tilaan. /84/

20 13 Kuva 5. Kuvassa on havainnollistettu 2D-koodin tietokapasiteetin kantokykyä ja fyysistä kokoa. /2/ 2D-koodit ovat kehittyneempiä kuin viivakoodit. Tällä tarkoitetaan sitä, että niiden koodaus sisältää usein virheenkorjauksen, minkä takia luentavirheiden mahdollisuus on matala. Tämä mahdollistaa tiedon lukemisen koodista, vaikka se olisi osittain tuhoutunut. /2/, /84/ ISO (the International Organization for Standardization) on standardoinut muutamia 2Dkoodityyppejä. Näitä ovat QR-code (Quick Response Code), Data Matrix, PDF417 (Portable Data File 417) ja Maxi Code. Näiden koodien ominaisuuksia on lueteltuna taulukossa 1. Taulukko 1. Erilaisten 2D-koodien datakapasiteetteja /23/ 2D-koodit koostuvat erilaisista elementeistä (kuva 6). QR-koodi koostuu kolmesta kulmiin sijoitetusta näkyvästä etsintäkuviosta ja niiden sisään koodatusta data-alueesta. Data Matrix -koodissa ulkoreunaa kiertää kahdella vierekkäisellä sivulla L-kirjaimen mallinen tasainen reunus. Vastakkaisilla reunoilla reunus muodostuu saman levyisistä tummista ja vaaleista elementeistä, jotka on järjestetty vuorotellen toistensa perään. Näiden reunojen avulla saadaan määriteltyä koodin orientaatio dekoodauksessa. Itse data-alue jää reunojen sisäpuolelle. /23/

21 14 Kuva 6. QR-koodin (vasemmalla) ja Data Matrix-koodin (oikealla) rakennekuvaus /23/ 2D-koodien lukulaitteena voi toimia erillinen lukulaite tai kamerapuhelin. Lukulaitteena ei voi käyttää yhteen dimensioon skannaavaa laserlukijaa, kuten viivakoodeissa, vaan koodi täytyy taltioida kuvana. /57/, /74/ 2D-koodien avulla kamerapuhelimeen voi ladata sovelluksia, joita on kehitelty eri tarkoituksia varten. Koodi toimii linkkinä paperin ja sähköisen median välillä yhdistäen paperipohjaisen tiedon internet-pohjaiseen tietoon tai muuhun vastaavaan koodin sisältämään tietoon. Tällöin koodi ei siis itse sisällä sovellusta, vaan linkittää puhelimen verkkopalvelun kautta sovellukseen, joka on mahdollista ladata puhelimeen. Esimerkiksi UPCode-niminen tuote perustuu painettuihin Data Matrix -koodeihin ja niiden lukemiseen kamerapuhelimella. Koodilla kamerapuhelin voidaan linkittää automaattisesti esimerkiksi verkkopalveluun. Toiminnallisuus riippuu oikeastaan vain päätelaitteen ominaisuuksista. UpCode sovellusesimerkkejä ovat muun muassa ääniapusovellus näkövammaisille, pelisovellukset, kuten kännykkäpelit ja veikkaaminen sekä koulutussovellukset mobiiliin oppimiseen. Kuvassa 7 on esitetty esimerkkejä sovelluksista, joissa 2D-koodin avulla on mahdollisuus tilata puhelimeen jokin palvelu. Kuvassa 7 (a) koodin kautta voidaan puhelimeen tilata tuoreimmat uutiset. Kuvassa 7 (b) oleva koodi on yhdistetty sovellukseen, jonka kautta voi tilata tai maksaa esimerkiksi teatterilipun. Kuvassa 7 (c) on esimerkkejä siitä, kuinka yritykset käyttävät koodeja lisämainontaan. Kuvassa 7 (d) koodi linkittyy sovellukseen, jonka kautta voi tehdä alustavan matkavarauksen. /82/

22 15 Kuva 7. UpCode:n 2D-koodisovelluksia /82/ 3.4 Digitaaliset vesileimat Digitaalisista vesileimoista puhuttaessa tarkoitetaan tekniikkaa, joka upottaa tai piilottaa kuvaan informaatiota. Digitaalisia vesileimoja voidaan käyttää, kun koodi halutaan piilottaa digitaaliseen kuvainformaatioon. Vesileimattuja kuvia voidaan valmistaa perinteisillä painotekniikoilla. Vesileimat upotetaan digitaaliseen kuvaan erillisellä ohjelmalla, jolloin alkuperäiseen kuvaan tulee hieman muutosta. Vesileimat upottavat digitaaliseen kuvaan tietoa, joka perinteisesti on ollut esimerkiksi tunniste kuvan aitoudesta. Joissakin tapauksissa vesileima on toiminut myös linkkinä verkkopalveluun (kuva 8). /9/, /47/, /52/ Kuva 8. Digitaalisilla vesileimoilla upotettua informaatiota luetaan kamerapuhelimella, jonka näytölle avautuu palveluita /24/, /52/ Yleensä vesileimat ovat lähes näkymättömiä ihmissilmälle, joten niitä on vaikea havaita. Vesileimat ovat lukulaitteella tunnistettavia ja tunnistus voi tapahtua esimerkiksi kamerapuhelimella. Vesileimaa on myös hankala tai jopa mahdoton poistaa kuvasta, koska se on upotettu kuvaan pysyvästi. Tämän takia vesileimat toimivat usein tunnisteena tai kopiosuojana. Mutta kuten edellä esiteltiin, se voi sisältää myös linkin jollekin verkkosivustolle. Yleensä vesileimat pyritään saamaan kestäviksi sisällön muuttumiselle ja vioittumiselle, joita aiheutuu häviöllisestä digitaalisen aineiston pakkaamisesta, skaalauksesta, kiertymi-

23 16 sestä tai kuvien leikkaamisesta. Upotettua vesileimaa on havainnollistettu kuvassa 9. /9/, /47/, /52/ Kuva 9. Erään vesileimatekniikan /9/ vaikutus kuvanlaatuun: a) alkuperäinen kuva, b) vesileimattu kuva ja c) kuva, jossa upotettua vesileimaa on korostettu. 3.5 Paikkatiedon sisältävä pistekuvio -teknologia Kyseessä on menetelmä, jossa käytetään patentoitua pistekuviota, joka sisältää ennalta määritettyä paikkatietodataa, jota tulkitaan lukulaitteella. Teknologiasta käytetään nimitystä Anoto-teknologia. Anoto-teknologian voidaan sanoa myös olevan eräänlaista upotettua kooditeknologiaa. Anoto-teknologialla ei pystytä koodaamaan paperille vesileimojen tapaista tunnistekoodia tai muutakaan merkkejä sisältävää numeerista- tai tekstuaalista dataa. Anoto-teknologia mahdollistaa liikkeen tai kosketuksen x,y-sijaintitiedon paikantamisen pinnalta, johon pistekuvio on painettu tai tulostettu. /7/ Tekniikka Anoto-teknologiassa lukulaitteena toimii eräänlainen digitaalinen kynä. Alun perin Anotomenetelmä perustui kirjoituksen tallentamiseen digitaaliseen muotoon, joten tarvittiin kynä, jolla voitiin kirjoittaa. Kynässä on kuvasensori, kuvan prosessointiyksikkö ja Bluetooth lähetin-vastaanotin tai vaihtoehtoisesti USB-liitäntä tiedonsiirtoon. Kynän rakennetta on havainnollistettu kuvassa 10. /37/

24 17 Kuva 10. Digitaalinen kynä ja sen komponentit. Kynän liikkeen tunnistaminen paperilla perustuu patentoidun pistekuvion tunnistamiseen. /7/ Anoto-pistekuviota on vaikea havaita ihmissilmällä muutoin kuin paperin pohjavärin hieman harmahtavana muutoksena. Pistekuviorakenteesta paikan tunnistamiseen riittää (1,8 x 1,8) mm 2 alueen pistekuvion tunnistaminen, jonka rakenne on uniikki muuhun pistekuvioon verrattuna. Kokonaisuudessaan patentoitua pistekuviota pystytään painamaan 4,6 miljoonan neliökilometrin verran, joka vastaa 73 x kappaletta A4-kokoista sivua. Anotopistekuviossa pisteen halkaisija vaihtelee µm välillä, ja pisteiden nimellinen etäisyys toisistaan on 0,3 mm. Pistekuviota ja pisteiden sijaintia kuvitteellisessa verkostossa on havainnollistettu kuvassa 11. /37/ Kuva 11. Anoto-teknologian pistekuviorakenne. Kuviosta voidaan havaita pisteiden sijaitsevan aina hieman sivussa kuvitteellisen akseliston risteyskohdista. /7/ Digitaalinen kynä pystyy kuvaamaan 100 kuvaa sekunnissa. Jokainen kuva sisältää vähin- 36 tään 6 x 6 pistettä pisteverkostosta. Tämä vastaa 4 bittiä informaatiota. Informaatiomäärä saadaan laskettua, kun tarkastellaan erilaisia pisteiden sijaintivaihtoehtoja, joita on neljä

25 18 (oikealla, vasemmalla, ylhäällä ja alhaalla), ja pisteitä on otetussa kuvassa 36 kappaletta. Tämä tarkkuus riittää, jotta saadaan lasketuksi kynänpaikka resoluutiolla 0,03 mm. /6/, /37/ Digitaalisen kynän kärjessä sijaitsevat kameran optiikka ja kuvausvalona toimiva infrapuna LED (light emitting diode), joka emittoi 880 nm:n säteilyä. Optiikka sisältää suotimen, joka suodattaa näkyvän valon ja päästää sensorille ainoastaan heijastuneen infrapunavalon. Optiikan polttoväli on valittu valmistajan mukaan siten, että se huomioi riittävän laajat kynän kallistuskulmat kynää käytettäessä. /6/, /37/ Kuvaprosessori laskee jatkuvasti kynän kulkua pistekuviossa kynän paikan määrittämiseksi. Prosessori laskee paperin ja kynän välistä kulmaa, kuten myös kynän käännöksiä. Kynän mustesäiliön yläosassa sijaitsevat paineen tunnistavat anturit, jotka mittaavat painetta, joka syntyy kynän kärkeen kirjoitettaessa tai kynällä alustaan painettaessa. Näin siis jokainen kuvattu otos sisältää paikkakoordinaatin, kynän ja paperin välisen kulman, kynän käännökset, paineen kynän kärjen ja paperin välissä sekä aikaleiman. /37/ Anoton pistekuvio voidaan valmistajan mukaan painaa mille tahansa paperille tai alustalle, joka pystyy toistamaan 1000 dpi:n (dots per inch) resoluution. Painomenetelmänä voidaan käyttää esimerkiksi offset-menetelmää pistekuvion tuottamiseksi. Painovärin tulee olla hiilipohjaista mustaa väriä, koska musta hiilipohjainen väri absorboi lähi-infrapunavaloa hyvin, ja painettu pistekuvio on helppo havaita kynän valosensorilla. Tämä mahdollistaa myös painamisen pistekuvion päälle ei-hiilipohjaisilla väreillä, myös mustalla ilman, että se häiritsee pistekuvion havaitsemista. /37/ Alun perin Anoto-teknologia kehitettiin tallentamaan käsinkirjoitettua tekstiä digitaaliseen muotoon ja interaktiiviset toiminnot olivat rajoittuneet tiettyihin aktiivisiin komentonappeihin, kuten tiedon lähetykseen ja kynän painalluksista tapahtuviin toimintojen vaihtamisiin. Nykyään on kuitenkin nähtävissä teknologian kehittymisen mahdollistavan enemmän interaktiivista, paperista ohjattavaa toimintaa. /53/ Sovellukset Anoto-teknologiaa hyödyntävistä sovelluksista esitellään seuraavaksi EdFest-järjestelmä /11/, joka rakennettiin interaktiiviseksi mobiilisovellukseksi. Rajapintana paperin ja digitaalisen tiedon välillä oli Anoton patentoitu ja lisensoitu pistekuvio. Järjestelmä koostui interaktiivisista komponenteista, kuten interaktiivisesta paperiesitteestä, digitaalisesta kynästä ja korvakuulokkeesta. Interaktiivinen esite sisälsi muun muassa vuorovaikutteisen kartan ja tapahtumalistan. Digitaalisella kynällä pystyi lähettämään jatkuvaa tietoa Blue-

26 19 tooth-yhteydellä mobiilipalvelimelle esitteen aktiivisista kohdista, ja vastaus palautui järjestelmästä korvakuulokkeeseen. Järjestelmään oli tallennettu tietokanta, joka sisälsi tietoa tapahtumapaikoista, pubeista, ravintoloista ja käyttäjien arvosteluista. EdFestin tapahtumalista on esitettynä kuvassa 12. Kuva 12. Tapahtumalista, josta sai kynällä koskettamalla tietoa tapahtumasta sekä pystyi arvostelemaan tapahtumia /74/ EdFest:n järjestelmärakennetta on havainnollistettu kuvassa 13. Linkkinä paperin ja digitaalisen tiedon välillä toimi iserver, mutta EdFest:n toiminnallisuudet vaativat myös muita järjestelmiä taustalle toimintojen toteuttamiseksi. Kuva 13. EdFest:n taustalla toimiva järjestelmä ja tiedon siirtyminen järjestelmän sisällä. /74/ Kuvassa 13 nähdään, kuinka sijaintikoordinaatti siirtyy Bluetooth-yhteydellä ipaperohjelmistoon, joka tunnistaa dokumentin, jolta koordinaatit ovat. Tiedot siirtyvät edelleen

27 20 iserverille, jossa paikkatieto linkitetään digitaaliseen sisältöön. Tämä tieto lähtee vielä EdFest-tietokantaan, josta lopullinen lisäinformaatio palautuu kuvan mukaisesti käyttäjälle kuulokkeeseen. Toinen sovellus, joka on toteutettu Anoto-teknologiaa hyödyntäen, on PaperPoint-sovellus /54/. PaperPoint-sovelluksessa PowerPoint-esityksen kalvot on tulostettu Anotopistekuvion päälle. Paperille on tulostettu muun muassa nappeja, joilla pystytään ohjaamaan PowerPoint-esitystä paperin kautta digitaalisella kynällä ja Bluetooth-yhteydellä tietokoneeseen (kuva 14). Kuva 14. PowerPoint-esityksen ohjaaminen paperista käyttäen digitaalista kynää ja Anototekniikkaa /54/ Kuvassa 14 näkyvästä Show-napista pystytään avaamaan tietokoneelle paperilla oleva kalvo. Painamalla kalvon kohdalta avautuu mahdollisuus kirjoittaa kalvolle digitaalisella kynällä. Kynällä kirjoitettu teksti siirtyy tietokoneelle ja kalvolle reaaliaikaisesti langattoman yhteyden ansiosta. Alareunassa näkyvistä Next ja Previous -kohdista voidaan siirtyä lineaarisesti kalvo kerrallaan eteen- tai taaksepäin. First ja Last kohdista voidaan siirtyä ensimmäiselle tai viimeiselle kalvolle. /54/ Norrien ja Signerin mukaan menetelmän etuja ovat muun muassa, että esiintyjän ei tarvitse seisoa tietokoneen vieressä ohjatakseen esitystä. Kalvojen välillä voi navigoida helposti koskettamalla haluttua kalvoa, ja kaikki kalvot ovat visuaalisesti esittäjän havaittavissa esityksen aikana. Näin navigointi on helppoa kalvolta toiselle siirryttäessä. Ja tietysti erikoisuus on siinä, että käyttöliittymä on paperilla. /54/

28 3.6 Glyyfiteknologia 21 Glyyfiteknologia /13/, /88/ perustuu myös graafisten elementtien taustalle tai niihin upotettavaan kooditeknologiaan. Glyyfit voivat myös toimia kuten rasterit eli muodostavat kuvan. DataGlyph on Xeroxin tuotemerkki, jolla pystytään koodaamaan paperille tai muille alustoille tietoa glyyfien avulla, ja niitä luetaan lukulaitteen avulla. Glyyfiteknologia koodaa tietoa viivoilla, jotka on kallistettu esimerkiksi 45º kulmaan oikealle tai vasemmalle. Jokainen viiva vastaa binäärilukua 1 tai 0 riippuen kallistussuunnasta. /88/ Glyyfi-viivoilla voidaan esittää numeerista-, tekstuaalista- tai muuta informaatiota. Jotta tietoa saadaan koodattua glyyfeillä, on niistä muodostettava järjestettyjä ryhmiä dokumenteissa, joihin ne ovat upotettuina. Glyyfeillä voidaan koodata dokumenttiin informaatiota lähes huomaamattomasti dokumentin taustalle sävytyskuvioina tai erillisinä graafisina elementteinä. Glyyfit muodostavat harmahtavan pohjan paperin pintaan, mutta tämä ei silti valmistajan mukaan aiheuta kovin suurta häiritsevää kohinaa kuvassa. Glyyfi-kuvion rakennetta ja niiden sisältämää dataa on esitetty kuvassa 15. /88/ Kuva 15. Glyyfit vasemmalla vinoina viivoina ja niiden kantama informaatio bitteinä oikealla /88/ Glyyfit voidaan painaa tai tulostaa dokumentteihin normaalin painoprosessin yhteydessä. Painomenetelmänä voi olla esimerkiksi perinteinen offset- tai lasertulostusmenetelmä. Glyyfit koodataan painettavaan dataan erillisellä ohjelmalla, joka upottaa ne painetun työn mukaan. Glyyfit muodostavat tasaisen suorakulmaisen verkoston painetulla alustalla. Jokainen glyyfialue sisältää synkronisoidun ristikon tai rungon, joka muodostaa toistuvan ja kiinteän kuvio. Rungon on tarkoitus merkitä glyyfien raja-alueet, jotta datan luettavuus olisi luotettavampaa. /88/ Ennen kuin data asetetaan synkronisoidusti kehystetyksi kuvioksi, pilkotaan se muutaman tuhannen bitin kokoisiksi ryhmiksi, joista jokaiseen ryhmään syötetään virheenkorjauskoodia. Virheenkorjauksen määrä riippuu jatkoprosessista, kuten käytetystä tulostus- tai skannaustarkkuudesta. Korkeamman tason virheenkorjaus kasvattaa glyyfialueen pinta-alaa mutta parantaa tiedon luettavuuden luotettavuutta. Luettavuuden luotettavuutta saadaan