The cultural technique of writing helped humans to express, communicate, think, and memorize throughout history. With the advent of human-computer-interfaces, pens as command input for digital systems became popular. While current applications allow carrying out complex tasks with digital pens, they lack the ubiquity and directness of pen and paper. This dissertation models the note taking process in the context of scholarly work, motivated by an understanding of note taking that surpasses mere storage of knowledge. The results, together with qualitative empirical findings about contemporary scholarly workflows that alternate between the analog and the digital world, inspire a novel pen interface concept. This concept proposes the use of an ordinary pen and unmodified writing surfaces for interacting with digital
systems. A technological investigation into how a camera-based system can connect physical ink strokes with digital handwriting processing delivers artificial neural network-based building blocks towards that goal. Using these components, the technological feasibility of in-air pen gestures for command input is explored. A proof-of-concept implementation of a prototype system reaches real-time performance and demonstrates distributed computing strategies for realizing the interface concept
in an end-user setting.

Die Kulturtechnik des Schreibens hat den Menschen im Laufe der Geschichte geholfen, sich auszudrücken, zu kommunizieren, zu denken und sich Dinge einzuprägen.
Mit dem Aufkommen von Mensch-Maschine-Schnittstellen wurden Stifte als Befehlseingabe für digitale Systeme populär. Während aktuelle Anwendungen die Ausführung komplexer Aufgaben mit digitalen Stiften ermöglichen, fehlt ihnen die
Allgegenwärtigkeit und Direktheit von Stift und Papier. Diese Dissertation modelliert den Prozess des Notierens im Kontext wissenschaftlichen Arbeitens, motiviert durch ein Verständnis des Notizprozesses, das über die reine Speicherung von Wissen hinausgeht. Die Ergebnisse, zusammen mit qualitativen, empirischen Erkenntnissen über
zeitgenössische wissenschaftliche Arbeitsabläufe, die zwischen der analogen und der digitalen Welt wechseln, inspirieren ein neuartiges Stift-Interface-Konzept. Dieses
Konzept beinhaltet die Verwendung eines gewöhnlichen Stifts und unveränderter Schreiboberflächen für die Interaktion mit digitalen Systemen. Eine technologische Untersuchung, wie ein kamerabasiertes System physische Tintenstriche mit digitaler Handschriftverarbeitung verbinden kann, liefert auf künstlichen neuronalen Netzen basierende Bausteine hin zu diesem Ziel. Mit diesen Komponenten wird die technologische Machbarkeit von In-Air-Stiftgesten zur Befehlseingabe erforscht. Eine Proof-of-Concept-Implementierung eines Prototyp-Systems erreicht Echtzeit-Performance und demonstriert verteilte Berechnungsstrategien zur Realisierung des Schnittstellenkonzepts in einer Endbenutzerumgebung.