Überzeugendes, durchdringendes Computing

Im Jahr 2000 startete das Massachusetts Institute of Technology ein ehrgeiziges Projekt, um die Art und Weise, wie die Welt Computer verwendet, zu verändern. Das alte Modell: eine Box, ein Monitor und eine Tastatur. Das Neue: Computer, so allgegenwärtig und unsichtbar wie die Luft, die wir atmen. Sie nannten es Projekt Sauerstoff.

Einen Überblick über die Ziele des Projekts und eine Frage-und-Antwort-Runde mit den Gründern finden Sie unter Der neue Wind des Projekts Oxygen .

Jetzt, fast zwei Jahre später, rollen die ersten Technologien aus den Labors. Die Projektleiter - der Leiter des Labors für Informatik, Victor Zue, der stellvertretende Direktor Anant Agarwal und der Direktor des Labors für künstliche Intelligenz Rodney Brooks - bestehen darauf, dass es bei Project Oxygen um eine Idee geht, nicht um Produkte. Aber Firmensponsoren – darunter Hewlett Packard, Nokia und Philips – warten gespannt auf ihre Ergebnisse. Technologieüberprüfung ging in die Labore, um einen Einblick in drei Facetten von Sauerstoff zu bekommen, die besonders vielversprechend sind: Cricket, ein ortsbezogenes Computersystem; der Intelligent Room, ein High-Tech-Büro, das gleichzeitig als Vision-Interface-Forschungslabor dient; und der Raw-Mikroprozessor, ein ultra-programmierbarer Chip mit geringem Stromverbrauch, der für die Stromversorgung der Handheld-Geräte des 21. Jahrhunderts entwickelt wurde. Zusammen werden diese Technologien, sagen ihre Schöpfer, Computer überall hinbringen – und nirgendwo.

Ein roher Deal

Handheld-Computer haben einen langen Weg zurückgelegt, seit Apple 1993 seinen Newton vorgestellt hat. Einst kaum mehr als ein verherrlichter Rolodex, können Handhelds heute mit der Leistung und dem Anwendungsspektrum von Desktop-PCs mithalten. Aber höhere Geschwindigkeiten und mehrere spezialisierte Prozessoren haben sie energiehungrig gemacht, und die Akkulaufzeit ist weiterhin ein limitierender Faktor. Um das Stromversorgungsproblem anzugehen, bauen Oxygen-Forscher unter der Leitung von Agarwal einen flexibleren, weniger stromintensiven Chip, den sie Raw Architecture Workstation oder Raw nennen. Heutzutage bauen die Leute benutzerdefinierte [Chips] für Video, Grafik, Netzwerke und so weiter, sagt Agarwal. Wir haben einen einzigen Prozessor, der all diese Dinge tun kann.

Dadurch wird nicht nur die Leistung optimiert – insbesondere bei Aufgaben wie der Videoverarbeitung, die im Speicher stecken bleiben –, sondern auch Strom gespart, eine wesentliche Funktion für jedes kleine batteriebetriebene Gerät. Und die Programmierbarkeit erstreckt sich nicht nur auf die Integration diskreter Funktionen. Es könnte aufregende Durchbrüche in Bereichen wie Softwareradios ermöglichen, die problemlos zwischen mehreren Mobilfunkprotokollen wechseln können.

Indem die Datenpfade hochgradig programmierbar sind, vermeidet Raw zentralisierte Speicher- und Registersysteme. In einem typischen Prozessor müssen Sie möglicherweise ein Datenstück herumspielen. Aber mit Raw geht es direkt dorthin, wo ich es haben möchte, sagt Agarwal.

Die Raw-Architektur ähnelt einem Netzwerk von Kacheln, von denen jede Funktionen für Befehle, Schaltbefehle, Datenspeicher, Logikeinheiten, Register und einen programmierbaren Schalter enthält. Wir achten sehr auf die Verbindung, auf die Drähte, sagt Agarwal. Wenn Sie die Verbindung zur Software freigeben, können Sie den Datenfluss durch den Chip anpassen. Sie können den Datenfluss orchestrieren. Jetzt kann meine Software die Hardware mit der Anwendung abgleichen.

Der Handheld-Computer-Prototyp von Oxygen, das Handy 21, verwendet eine Kamera (oben), um die Gesichtserkennung durchzuführen.

Das erste Gerät, das der Chip mit Strom versorgen wird, wird das Handheld-Modell von Oxygen sein, das sogenannte Handy 21. Prototyp-Handys integrieren Spracherkennung, drahtlose Kommunikation und leistungshungrige Videoanwendungen, die von Raws All-in-One-Design profitieren würden. Ein Prototyp des Raw-Prozessors, der mit IBM Microelectronics entwickelt wird, wird voraussichtlich noch in diesem Jahr auf den Markt kommen.

Cricket zirpt

Die Forscher von Project Oxygen glauben, dass ein mobiler Computer hilfreicher sein kann, wenn er weiß, wo er sich befindet und was ihn umgibt. Betreten Sie das Cricket Indoor Location System, ein Netzwerk von drahtlosen Sendern, das mobilen Geräten wie Handy 21 Informationen über ihren physischen Standort liefert, mit denen sie statische Geräte wie Drucker oder Ausgänge sowie andere Personen finden können.

Standortverfolgung ist derzeit ein heißes Thema angesichts der erweiterten 911-Anforderungen der Federal Communications Commission, nach denen 95 Prozent aller Mobiltelefone bis Ende 2005 automatische Standortidentifizierungstechnologien wie das Global Positioning System enthalten müssen.

Das Ziel, so Hari Balakrishnan, außerordentlicher Professor am LCS, ist es, eine Indoor-Alternative zum satellitengestützten GPS-Tracking zu entwickeln, das selten in Gebäuden funktioniert und draußen in der Nähe von hohen Gebäuden oft versagt.

In Gebäuden stören Mehrwege- und magnetische Interferenzen herkömmliche Ortungsgeräte. Es sei eine besondere Herausforderung, etwas drinnen zum Arbeiten zu bringen, sagt Balakrishnan. Unser Ziel ist es, lineare Entfernungen von wenigen Zentimetern zu erreichen, damit Sie innerhalb eines Fußes erkennen können, wo Sie sich befinden.

Der Trick von Cricket besteht darin, dass jedes Beacon kontinuierlich zwei Signale sendet: ein Radio- und ein Ultraschallsignal. Da sich das Radio mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt und Ultraschallimpulse mit Schallgeschwindigkeit übertragen werden, kann die Cricket-Software, die das in eine Hardware integrierte Abhörgerät steuert, die Zeitdifferenz zwischen den beiden berechnen, um den Standort zu bestimmen. Wenn es also eine Lücke von zehn Millisekunden gibt, sind Sie etwa drei Meter entfernt, sagt Balakrishnan.

Die kostengünstigen, batteriebetriebenen Cricket-Beacons können ohne Kalibrierung schnell an Decken angebracht werden und sorgen so für eine einfache Skalierbarkeit. Sie sind so platziert, dass jedes Abhörgerät Signale von drei oder vier Geräten gleichzeitig empfangen kann, um die Position weiter zu lokalisieren. Cricket-Beacons können über die Standortkoordinaten hinaus auch andere Informationen senden, beispielsweise die Identität von Schlüsselressourcen in ihrem Zuständigkeitsbereich.

Das Oxygen-Team arbeitet auch an einem Cricket-Kompass-Prototyp, der bestimmen kann, in welche Richtung das Abhörgerät zeigt. Indem jedes Abhörgerät mit mehreren sehr dicht beieinander liegenden Ultraschallempfängern ausgestattet wird, können sie die winzigen Unterschiede zwischen den Empfangszeiten vergleichen und so die Orientierung bestimmen. Diese Fähigkeit könnte dazu beitragen, einen Computer anzuweisen, Informationen an das nächstgelegene Display zu senden, oder sie könnte Informations- und Point-of-Sale-Anwendungen verbessern. Zum Beispiel könnten Käufer ihren Handheld auf ein Ladendisplay richten, um sich über nahegelegene Angebote zu informieren, oder Museumsbesucher könnten Informationen zu einer nahegelegenen Ausstellung herunterladen. Cricket ist nicht an eine bestimmte Funkfrequenz gebunden, und Balakrishnan sagt, dass sie möglicherweise zu Bluetooth wechseln, wenn die Technologie durchschlägt. Die Forscher sind sensibel für die Untertöne des großen Bruders von Cricket und entwickeln auch komplizierte Schutzmaßnahmen für die Privatsphäre der Benutzer.

Die größte Wirkung von Cricket kann in eingebetteten Systemen auftreten, die nicht Personen in einem Büro, sondern Teile durch ein Lager verfolgen. Tatsächlich experimentiert Balakrishnans Gruppe mit einer kabelgebundenen Bibliothek, in der jedes Buch ein Radio-Tag enthält, das von einem Cricket-ähnlichen System verfolgt wird. Eine bessere Verfolgung von Waren während ihrer gesamten Herstellung und Lieferung könnte Milliarden an Diebstahl, Verlust und Ineffizienz einsparen und gleichzeitig die Sorgen um die Privatsphäre vermeiden, die mit der Verfolgung von Personen verbunden sind.

Der intelligente Raum

Wenn, wie LCS-Direktor Victor Zue vorschlägt, Project Oxygen ein großer Spielplatz ist, dann ist der Intelligent Room das coole neue Klettergerüst in der Mitte. Der Raum beherbergt eine Vielzahl von Projekten, in denen neue kollaborative Tools und audiovisuelle Schnittstellen erforscht werden. Für Oxygen konzentriert sich das Artificial Intelligence Laboratory auf Sprach- und Seherkennungstechnologien, die dazu beitragen werden, Enviro 21 von Oxygen zu gestalten, ein Raumsteuerungsgerät, das Benutzern eine natürliche Interaktion mit dem Computer ermöglicht.

Auf den ersten Blick sieht der Intelligent Room wie ein typischer Besprechungsraum aus, wenn auch mit einer Fülle von computerprojizierten Live-Board-Displays an der Wand. Sie interagieren mit den Displays per Sprache, Lichtstift, Geste oder, falls alles andere fehlschlägt, über ein Touchpanel. Die Decke ist mit 32 Mikrofonen, zwei Standard-Videokameras und zwei stereoskopischen Videokameras bestückt.

Ein grundlegendes Ziel besteht darin, die Kommunikation zwischen Mikrofonen und Kameras zu verbessern, damit der Computer bestimmen kann, auf wen er achten muss. Die Aufgabe der Sprecheridentifikation ist sowohl für die Steuerung von Videokonferenzen als auch dafür wichtig, dass der Computer auf Benutzerbefehle ohne Verwirrung reagieren kann. Schließlich wird diese Kommunikation, die über die innovative Netzwerksoftware Metaglue von Oxygen orchestriert wird, dem Computer auch dabei helfen, die Antworten für jeden Einzelnen anzupassen.

In herkömmlichen Bildverarbeitungssystemen versuchen Monokameras, Objekte zu erkennen, indem sie den zuvor aufgezeichneten Hintergrund extrahieren, aber die Änderung der Beleuchtung täuscht die Kamera, sagt Krzysztof Gajos, ein A.I. Laborforscher und technischer Leiter des Intelligent Room. Mit den Stereokameras können wir nicht nur das Hintergrundbild, sondern auch die Hintergrundform aufnehmen. Es ist viel robuster.

Oxygen interessiert sich auch dafür, was die Leute sehen, um beispielsweise dem Computer bei der Entscheidung zu helfen, welche Displays für eine optimale Anzeige verwendet werden sollen. Die Software verfolgt das Aussehen eines Benutzers, indem sie Gesichtserkennungssoftware mit den 3D-Informationen einer Stereokamera kombiniert. Um die Orientierung zu identifizieren, erfasst der Kopf-Stütz-Algorithmus, wie sich die Gesichtsmerkmale während der Bewegung ändern. Unter anderem hoffen die Forscher, das Tracking-System an Robotern anzubringen, um die Navigation zu verbessern.

Der Forscher Harold Fox demonstrierte SAM, ein animiertes Computerdisplay, das verschiedene Emotionen anzeigt, um seinen Zustand zu offenbaren. Anstatt Befehle voranzustellen, indem man Computer sagt, was in Besprechungen verwirrend sein kann, schaut der Benutzer nur auf die Grafik, und der Prototyp von Fox weiß zuzuhören. Wenn der Benutzer wegschaut, wird SAM deaktiviert.

Ob SAM oder Cricket oder Raw im Geschäftsalltag jemals den Weg in die Konferenzräume, Flure und Handhelds finden, ist eine Frage, die erst nach Jahren beantwortet werden wird. Aber eines ist sicher: Die Konzepte, die sie inspirieren, werden es zweifellos tun.

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