Of keyboards and beyond - optimization in human-computer interaction

Abstract

In this thesis, we present optimization frameworks in the area of Human-Computer Interaction. At first, we discuss keyboard layout problems with a special focus on a project we participated in, which aimed at designing the new French keyboard standard. The special nature of this national-scale project and its optimization ingredients are discussed in detail; we specifically highlight our algorithmic contribution to this project. Exploiting the special structure of this design problem, we propose an optimization framework that was efficiently computes keyboard layouts and provides very good optimality guarantees in form of tight lower bounds. The optimized layout that we showed to be nearly optimal was the basis of the new French keyboard standard recently published in the National Assembly in Paris. Moreover, we propose a relaxation for the quadratic assignment problem (a generalization of keyboard layouts) that is based on semidefinite programming. In a branch-and-bound framework, this relaxation achieves competitive results compared to commonly used linear programming relaxations for this problem. Finally, we introduce a modeling language for mixed integer programs that especially focuses on the challenges and features that appear in participatory optimization problems similar to the French keyboard design process.

Diese Arbeit behandelt Ansätze zu Optimierungsproblemen im Bereich Human-Computer Interaction. Zuerst diskutieren wir Tastaturbelegungsprobleme mit einem besonderen Fokus auf einem Projekt, an dem wir teilgenommen haben: die Erstellung eines neuen Standards für die französische Tastatur. Wir gehen auf die besondere Struktur dieses Problems und unseren algorithmischen Beitrag ein: ein Algorithmus, der mit Optimierungsmethoden die Struktur dieses speziellen Problems ausnutzt. Mithilfe dieses Algorithmus konnten wir effizient Tastaturbelegungen berechnen und die Qualität dieser Belegungen effektiv (in Form von unteren Schranken) nachweisen. Das finale optimierte Layout, welches mit unserer Methode bewiesenermaßen nahezu optimal ist, diente als Grundlage für den kürzlich in der französischen Nationalversammlung veröffentlichten neuen französischen Tastaturstandard. Darüberhinaus beschreiben wir eine Relaxierung für das quadratische Zuweisungsproblem (eine Verallgemeinerung des Tastaturbelegungsproblems), die auf semidefinieter Programmierung basiert. Wir zeigen, dass unser Algorithmus im Vergleich zu üblich genutzten linearen Relaxierung gut abschneidet. Abschließend definieren und diskutieren wir eine Modellierungssprache für gemischt integrale Programme. Diese Sprache ist speziell auf die besonderen Herausforderungen abgestimmt, die bei interaktiven Optimierungsproblemen auftreten, welche einen ähnlichen Charakter haben wie der Prozess des Designs der französischen Tastatur.