SiAM-dp : an open development platform for massively multimodal dialogue systems in cyber-physical environments

Cyber-physical environments enhance natural environments of daily life such as homes, factories, offices, and cars by connecting the cybernetic world of computers and communication with the real physical world. While under the keyword of Industrie 4.0, cyber-physical environments will take a relevant role in the next industrial revolution, and they will also appear in homes, offices, workshops, and numerous other areas. In this new world, classical interaction concepts where users exclusively interact with a single stationary device, PC or smartphone become less dominant and make room for new occurrences of interaction between humans and the environment itself. Furthermore, new technologies and a rising spectrum of applicable modalities broaden the possibilities for interaction designers to include more natural and intuitive non-verbal and verbal communication. The dynamic characteristic of a cyber-physical environment and the mobility of users confronts developers with the challenge of developing systems that are flexible concerning the connected and used devices and modalities. This implies new opportunities for cross-modal interaction that go beyond dual modalities interaction as is well known nowadays. This thesis addresses the support of application developers with a platform for the declarative and model based development of multimodal dialogue applications, with a focus on distributed input and output devices in cyber-physical environments. The main contributions can be divided into three parts: - Design of models and strategies for the specification of dialogue applications in a declarative development approach. This includes models for the definition of project resources, dialogue behaviour, speech recognition grammars, and graphical user interfaces and mapping rules, which convert the device specific representation of input and output description to a common representation language. - The implementation of a runtime platform that provides a flexible and extendable architecture for the easy integration of new devices and components. The platform realises concepts and strategies of multimodal human-computer interaction and is the basis for full-fledged multimodal dialogue applications for arbitrary device setups, domains, and scenarios. - A software development toolkit that is integrated in the Eclipse rich client platform and provides wizards and editors for creating and editing new multimodal dialogue applications.Cyber-physische Umgebungen (CPEs) erweitern natürliche Alltagsumgebungen wie Heim, Fabrik, Büro und Auto durch Verbindung der kybernetischen Welt der Computer und Kommunikation mit der realen, physischen Welt. Die möglichen Anwendungsgebiete hierbei sind weitreichend. Während unter dem Stichwort Industrie 4.0 cyber-physische Umgebungen eine bedeutende Rolle für die nächste industrielle Revolution spielen werden, erhalten sie ebenfalls Einzug in Heim, Büro, Werkstatt und zahlreiche weitere Bereiche. In solch einer neuen Welt geraten klassische Interaktionskonzepte, in denen Benutzer ausschließlich mit einem einzigen Gerät, PC oder Smartphone interagieren, immer weiter in den Hintergrund und machen Platz für eine neue Ausprägung der Interaktion zwischen dem Menschen und der Umgebung selbst. Darüber hinaus sorgen neue Technologien und ein wachsendes Spektrum an einsetzbaren Modalitäten dafür, dass sich im Interaktionsdesign neue Möglichkeiten für eine natürlichere und intuitivere verbale und nonverbale Kommunikation auftun. Die dynamische Natur von cyber-physischen Umgebungen und die Mobilität der Benutzer darin stellt Anwendungsentwickler vor die Herausforderung, Systeme zu entwickeln, die flexibel bezüglich der verbundenen und verwendeten Geräte und Modalitäten sind. Dies impliziert auch neue Möglichkeiten in der modalitätsübergreifenden Kommunikation, die über duale Interaktionskonzepte, wie sie heutzutage bereits üblich sind, hinausgehen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Unterstützung von Anwendungsentwicklern mit Hilfe einer Plattform zur deklarativen und modellbasierten Entwicklung von multimodalen Dialogapplikationen mit einem Fokus auf verteilte Ein- und Ausgabegeräte in cyber-physischen Umgebungen. Die bearbeiteten Aufgaben können grundlegend in drei Teile gegliedert werden: - Die Konzeption von Modellen und Strategien für die Spezifikation von Dialoganwendungen in einem deklarativen Entwicklungsansatz. Dies beinhaltet Modelle für das Definieren von Projektressourcen, Dialogverhalten, Spracherkennergrammatiken, graphischen Benutzerschnittstellen und Abbildungsregeln, die die gerätespezifische Darstellung von Ein- und Ausgabegeräten in eine gemeinsame Repräsentationssprache transformieren. - Die Implementierung einer Laufzeitumgebung, die eine flexible und erweiterbare Architektur für die einfache Integration neuer Geräte und Komponenten bietet. Die Plattform realisiert Konzepte und Strategien der multimodalen Mensch-Maschine-Interaktion und ist die Basis vollwertiger multimodaler Dialoganwendungen für beliebige Domänen, Szenarien und Gerätekonfigurationen. - Eine Softwareentwicklungsumgebung, die in die Eclipse Rich Client Plattform integriert ist und Entwicklern Assistenten und Editoren an die Hand gibt, die das Erstellen und Editieren von neuen multimodalen Dialoganwendungen unterstützen

On the Development of Adaptive and User-Centred Interactive Multimodal Interfaces

Multimodal systems have attained increased attention in recent years, which has made possible important improvements in the technologies for recognition, processing, and generation of multimodal information. However, there are still many issues related to multimodality which are not clear, for example, the principles that make it possible to resemble human-human multimodal communication. This chapter focuses on some of the most important challenges that researchers have recently envisioned for future multimodal interfaces. It also describes current efforts to develop intelligent, adaptive, proactive, portable and affective multimodal interfaces

A flexible and reusable framework for dialogue and action management in multi-party discourse

This thesis describes a model for goal-directed dialogue and activity control in real-time for multiple conversation participants that can be human users or virtual characters in multimodal dialogue systems and a framework implementing the model. It is concerned with two genres: task-oriented systems and interactive narratives. The model is based on a representation of participant behavior on three hierarchical levels: dialogue acts, dialogue games, and activities. Dialogue games allow to take advantage of social conventions and obligations to model the basic structure of dialogues. The interactions can be specified and implemented using reoccurring elementary building blocks. Expectations about future behavior of other participants are derived from the state of active dialogue games; this can be useful for, e. g., input disambiguation. The knowledge base of the system is defined in an ontological format and allows individual knowledge and personal traits for the characters. The Conversational Behavior Generation Framework implements the model. It coordinates a set of conversational dialogue engines (CDEs), where each participant is represented by one CDE. The virtual characters can act autonomously, or semi-autonomously follow goals assigned by an external story module (Narrative Mode). The framework allows combining alternative specification methods for the virtual characters\u27; activities (implementation in a general-purpose programming language, by plan operators, or in the specification language Lisa that was developed for the model). The practical viability of the framework was tested and demonstrated via the realization of three systems with different purposes and scope.Diese Arbeit beschreibt ein Modell für zielgesteuerte Dialog- und Ablaufsteuerung in Echtzeit für beliebig viele menschliche Konversationsteilnehmer und virtuelle Charaktere in multimodalen Dialogsystemen, sowie eine Softwareumgebung, die das Modell implementiert. Dabei werden zwei Genres betrachtet: Task-orientierte Systeme und interaktive Erzählungen. Das Modell basiert auf einer Repräsentation des Teilnehmerverhaltens auf drei hierarchischen Ebenen: Dialogakte, Dialogspiele und Aktivitäten. Dialogspiele erlauben es, soziale Konventionen und Obligationen auszunutzen, um die Dialoge grundlegend zu strukturieren. Die Interaktionen können unter Verwendung wiederkehrender elementarer Bausteine spezifiziert und programmtechnisch implementiert werden. Aus dem Zustand aktiver Dialogspiele werden Erwartungen an das zukünftige Verhalten der Dialogpartner abgeleitet, die beispielsweise für die Desambiguierung von Eingaben von Nutzen sein können. Die Wissensbasis des Systems ist in einem ontologischen Format definiert und ermöglicht individuelles Wissen und persönliche Merkmale für die Charaktere. Das Conversational Behavior Generation Framework implementiert das Modell. Es koordiniert eine Menge von Dialog-Engines (CDEs), wobei jedem Teilnehmer eine CDE zugeordet wird, die ihn repräsentiert. Die virtuellen Charaktere können autonom oder semi-autonom nach den Zielvorgaben eines externen Storymoduls agieren (Narrative Mode). Das Framework erlaubt die Kombination alternativer Spezifikationsarten für die Aktivitäten der virtuellen Charaktere (Implementierung in einer allgemeinen Programmiersprache, durch Planoperatoren oder in der für das Modell entwickelten Spezifikationssprache Lisa). Die Praxistauglichkeit des Frameworks wurde anhand der Realisierung dreier Systeme mit unterschiedlichen Zielsetzungen und Umfang erprobt und erwiesen

Multi-modal response generation.

Wong Ka Ho.Thesis submitted in: October 2005.Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2006.Includes bibliographical references (leaves 163-170).Abstracts in English and Chinese.Abstract --- p.2Acknowledgements --- p.5Chapter 1 --- Introduction --- p.10Chapter 1.1 --- Multi-modal and Multi-media --- p.10Chapter 1.2 --- Overview --- p.11Chapter 1.3 --- Thesis Goal --- p.13Chapter 1.4 --- Thesis Outline --- p.15Chapter 2 --- Background --- p.16Chapter 2.1 --- Multi-modal Fission --- p.17Chapter 2.2 --- Multi-modal Data collection --- p.21Chapter 2.2.1 --- Collection Time --- p.21Chapter 2.2.2 --- Annotation and Tools --- p.21Chapter 2.2.3 --- Knowledge of Multi-modal Using --- p.21Chapter 2.3 --- Text-to-audiovisual Speech System --- p.22Chapter 2.3.1 --- Different. Approaches to Generate a Talking Heading --- p.23Chapter 2.3.2 --- Sub-tasks in Animating a Talking Head --- p.25Chapter 2.4 --- Modality Selection --- p.27Chapter 2.4.1 --- Rules-based approach --- p.27Chapter 2.4.2 --- Plan-based approach --- p.28Chapter 2.4.3 --- Feature-based approach --- p.29Chapter 2.4.4 --- Corpus-based approach --- p.30Chapter 2.5 --- Summary --- p.30Chapter 3 --- Information Domain --- p.31Chapter 3.1 --- Multi-media Information --- p.31Chapter 3.2 --- "Task Goals, Dialog Acts, Concepts and Information Type" --- p.32Chapter 3.2.1 --- Task Goals and Dialog Acts --- p.32Chapter 3.2.2 --- Concepts and Information Type --- p.36Chapter 3.3 --- User's Task and Scenario --- p.37Chapter 3.4 --- Chapter Summary --- p.38Chapter 4 --- Multi-modal Response Data Collection --- p.41Chapter 4.1 --- Data Collection Setup --- p.42Chapter 4.1.1 --- Multi-modal Input Setup --- p.43Chapter 4.1.2 --- Multi-modal Output Setup --- p.43Chapter 4.2 --- Procedure --- p.45Chapter 4.2.1 --- Precaution --- p.45Chapter 4.2.2 --- Recording --- p.50Chapter 4.2.3 --- Data Size and Type --- p.50Chapter 4.3 --- Annotation --- p.52Chapter 4.3.1 --- Extensible Multi-Modal Markup Language --- p.52Chapter 4.3.2 --- "Mobile, Multi-biometric and Multi-modal Annotation" --- p.53Chapter 4.4 --- Problems in the Wizard-of-Oz Setup --- p.56Chapter 4.4.1 --- Lack of Knowledge --- p.57Chapter 4.4.2 --- Time Deficiency --- p.57Chapter 4.4.3 --- Information Availability --- p.58Chapter 4.4.4 --- Operation Delay --- p.59Chapter 4.4.5 --- Lack of Modalities --- p.59Chapter 4.5 --- Data Optimization --- p.61Chapter 4.5.1 --- Precaution --- p.61Chapter 4.5.2 --- Procedures --- p.61Chapter 4.5.3 --- Data Size in Expert Design Responses --- p.63Chapter 4.6 --- Analysis and Discussion --- p.65Chapter 4.6.1 --- Multi-modal Usage --- p.67Chapter 4.6.2 --- Modality Combination --- p.67Chapter 4.6.3 --- Deictic term --- p.68Chapter 4.6.4 --- Task Goal and Dialog Acts --- p.71Chapter 4.6.5 --- Information Type --- p.72Chapter 4.7 --- Chapter Summary --- p.74Chapter 5 --- Text-to-Audiovisual Speech System --- p.76Chapter 5.1 --- Phonemes and Visemes --- p.77Chapter 5.2 --- Three-dimensional Facial Animation --- p.82Chapter 5.2.1 --- Three-dimensional (3D) Face Model --- p.82Chapter 5.2.2 --- The Blending Process for Animation --- p.84Chapter 5.2.3 --- Connectivity between Visemes --- p.85Chapter 5.3 --- User Perception Experiments --- p.87Chapter 5.4 --- Applications and Extension --- p.89Chapter 5.4.1 --- Multilingual Extension and Potential Applications --- p.89Chapter 5.5 --- Talking Head in Multi-modal Dialogue System --- p.90Chapter 5.5.1 --- Prosody --- p.93Chapter 5.5.2 --- Body Gesture --- p.94Chapter 5.6 --- Chapter Summary --- p.94Chapter 6 --- Modality Selection and Implementation --- p.98Chapter 6.1 --- Multi-modal Response Examples --- p.98Chapter 6.1.1 --- Single Concept-value Example --- p.99Chapter 6.1.2 --- Two Concept-values with Different Information Types --- p.102Chapter 6.1.3 --- Multiple Concept-values with Same Information Types Example --- p.103Chapter 6.2 --- Heuristic Rules for Modality Selection --- p.105Chapter 6.2.1 --- General Principles --- p.106Chapter 6.2.2 --- Heuristic rules --- p.107Chapter 6.2.3 --- Temporal Coordination for Synchronization --- p.109Chapter 6.2.4 --- Physical Layout --- p.110Chapter 6.2.5 --- Deictic Term --- p.111Chapter 6.2.6 --- Example --- p.111Chapter 6.3 --- Spoken Content Generation --- p.113Chapter 6.4 --- Chapter Summary --- p.115Chapter 7 --- Conclusions and Future Work --- p.117Chapter 7.1 --- Summary --- p.117Chapter 7.2 --- Contributions --- p.118Chapter 7.3 --- Future work --- p.119Chapter A --- XML Schema for M3 Markup Language --- p.123Chapter B --- M3ML Examples --- p.128Chapter C --- Domain-Specific Task Goals in the Hong Kong Tourism Do- main --- p.131Chapter D --- Dialog Acts for User Request in the Hong Kong Tourism Do- main --- p.133Chapter E --- Dialog Acts for System Response in the Hong Kong Tourism Domain --- p.137Chapter F --- Information Type and Concepts --- p.141Chapter G --- Concepts --- p.143Bibliography --- p.14

Multimodal interaction with mobile devices : fusing a broad spectrum of modality combinations

This dissertation presents a multimodal architecture for use in mobile scenarios such as shopping and navigation. It also analyses a wide range of feasible modality input combinations for these contexts. For this purpose, two interlinked demonstrators were designed for stand-alone use on mobile devices. Of particular importance was the design and implementation of a modality fusion module capable of combining input from a range of communication modes like speech, handwriting, and gesture. The implementation is able to account for confidence value biases arising within and between modalities and also provides a method for resolving semantically overlapped input. Tangible interaction with real-world objects and symmetric multimodality are two further themes addressed in this work. The work concludes with the results from two usability field studies that provide insight on user preference and modality intuition for different modality combinations, as well as user acceptance for anthropomorphized objects.Diese Dissertation präsentiert eine multimodale Architektur zum Gebrauch in mobilen Umständen wie z. B. Einkaufen und Navigation. Außerdem wird ein großes Gebiet von möglichen modalen Eingabekombinationen zu diesen Umständen analysiert. Um das in praktischer Weise zu demonstrieren, wurden zwei teilweise gekoppelte Vorführungsprogramme zum \u27stand-alone\u27; Gebrauch auf mobilen Geräten entworfen. Von spezieller Wichtigkeit war der Entwurf und die Ausführung eines Modalitäts-fusion Modul, das die Kombination einer Reihe von Kommunikationsarten wie Sprache, Handschrift und Gesten ermöglicht. Die Ausführung erlaubt die Veränderung von Zuverlässigkeitswerten innerhalb einzelner Modalitäten und außerdem ermöglicht eine Methode um die semantisch überlappten Eingaben auszuwerten. Wirklichkeitsnaher Dialog mit aktuellen Objekten und symmetrische Multimodalität sind zwei weitere Themen die in dieser Arbeit behandelt werden. Die Arbeit schließt mit Resultaten von zwei Feldstudien, die weitere Einsicht erlauben über die bevorzugte Art verschiedener Modalitätskombinationen, sowie auch über die Akzeptanz von anthropomorphisierten Objekten

Multimodal interaction with mobile devices : fusing a broad spectrum of modality combinations

This dissertation presents a multimodal architecture for use in mobile scenarios such as shopping and navigation. It also analyses a wide range of feasible modality input combinations for these contexts. For this purpose, two interlinked demonstrators were designed for stand-alone use on mobile devices. Of particular importance was the design and implementation of a modality fusion module capable of combining input from a range of communication modes like speech, handwriting, and gesture. The implementation is able to account for confidence value biases arising within and between modalities and also provides a method for resolving semantically overlapped input. Tangible interaction with real-world objects and symmetric multimodality are two further themes addressed in this work. The work concludes with the results from two usability field studies that provide insight on user preference and modality intuition for different modality combinations, as well as user acceptance for anthropomorphized objects.Diese Dissertation präsentiert eine multimodale Architektur zum Gebrauch in mobilen Umständen wie z. B. Einkaufen und Navigation. Außerdem wird ein großes Gebiet von möglichen modalen Eingabekombinationen zu diesen Umständen analysiert. Um das in praktischer Weise zu demonstrieren, wurden zwei teilweise gekoppelte Vorführungsprogramme zum 'stand-alone'; Gebrauch auf mobilen Geräten entworfen. Von spezieller Wichtigkeit war der Entwurf und die Ausführung eines Modalitäts-fusion Modul, das die Kombination einer Reihe von Kommunikationsarten wie Sprache, Handschrift und Gesten ermöglicht. Die Ausführung erlaubt die Veränderung von Zuverlässigkeitswerten innerhalb einzelner Modalitäten und außerdem ermöglicht eine Methode um die semantisch überlappten Eingaben auszuwerten. Wirklichkeitsnaher Dialog mit aktuellen Objekten und symmetrische Multimodalität sind zwei weitere Themen die in dieser Arbeit behandelt werden. Die Arbeit schließt mit Resultaten von zwei Feldstudien, die weitere Einsicht erlauben über die bevorzugte Art verschiedener Modalitätskombinationen, sowie auch über die Akzeptanz von anthropomorphisierten Objekten

Migrating characters: effective user guidance in instrumented environments

The work at hand deals with the conceptual design as well as with the realization of virtual characters, which, unlike previous works in this research area, are not limited to a use in virtual worlds. The presented Migrating Character approach on the contrary allows virtual characters to act and interact with the physical world. Different technical solutions allowing a Migrating Character to move throughout physical space, either completely autonomously or in conjunction with a user, are introduced and discussed as well as resulting implications for the characters behavior. While traditional virtual characters are acting in a well defined virtual world, Migrating Characters need to adapt to changing environmental setups in a very flexible way. A Migrating Character must be capable of determining these environmental changes by means of sensors. Furthermore, based on this data, an adequate adaptation of the characters behavior has to be realized. Apart from a theoretical discussion of the necessary enhancements of a virtual character when taking the step from virtual to real worlds, different exemplary Migrating Character implementations are introduced in the course of the work.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem konzeptuellen Entwurf und der technischen Realisierung von virtuellen Charakteren, die im Gegensatz zu bisherigen Arbeiten auf diesem Gebiet nicht auf den Einsatz in virtuellen Welten beschränkt sind. Der vorgestellte Migrating Character Ansatz erlaubt virtuellen Charakteren vielmehr in der physikalischen Welt zu agieren und zu interagieren. Verschiedene technische Lösungen, welche es einem Migrating Character ermöglichen sich in der physikalischen Welt autonom bzw. in Abhängigkeit vom Benutzer zu bewegen, sind ebenso Gegenstand der Arbeit wie eine ausführliche Diskussion der daraus für das Verhalten des virtuellen Charakters resultierenden Implikationen. Während sich traditionelle virtuelle Charaktere in einer wohl definierten virtuellen Umgebung bewegen, muss ein Migrating Character flexibel auf sich ändernde Umgebungsbedingungen reagieren. Aus sensorischer Sicht benötigt ein Migrating Character also die Fähigkeit eine sich ändernde physikalische Situation zu erkennen. Basierend auf diesen Daten muss weiterhin eine adäquate Anpassung des Verhaltens des Migrating Characters geschehen. Neben einer theoretischen Diskussion der notwendigen Erweiterungen eines virtuellen Charakters beim übergang von virtueller zu realer Umgebung werden auch exemplarische Migrating Character Implementierungen vorgestellt

PRESTK : situation-aware presentation of messages and infotainment content for drivers

The amount of in-car information systems has dramatically increased over the last few years. These potentially mutually independent information systems presenting information to the driver increase the risk of driver distraction. In a first step, orchestrating these information systems using techniques from scheduling and presentation planning avoid conflicts when competing for scarce resources such as screen space. In a second step, the cognitive capacity of the driver as another scarce resource has to be considered. For the first step, an algorithm fulfilling the requirements of this situation is presented and evaluated. For the second step, I define the concept of System Situation Awareness (SSA) as an extension of Endsley’s Situation Awareness (SA) model. I claim that not only the driver needs to know what is happening in his environment, but also the system, e.g., the car. In order to achieve SSA, two paths of research have to be followed: (1) Assessment of cognitive load of the driver in an unobtrusive way. I propose to estimate this value using a model based on environmental data. (2) Developing model of cognitive complexity induced by messages presented by the system. Three experiments support the claims I make in my conceptual contribution to this field. A prototypical implementation of the situation-aware presentation management toolkit PRESTK is presented and shown in two demonstrators.In den letzten Jahren hat die Menge der informationsanzeigenden Systeme im Auto drastisch zugenommen. Da sie potenziell unabhängig voneinander ablaufen, erhöhen sie die Gefahr, die Aufmerksamkeit des Fahrers abzulenken. Konflikte entstehen, wenn zwei oder mehr Systeme zeitgleich auf limitierte Ressourcen wie z. B. den Bildschirmplatz zugreifen. Ein erster Schritt, diese Konflikte zu vermeiden, ist die Orchestrierung dieser Systeme mittels Techniken aus dem Bereich Scheduling und Präsentationsplanung. In einem zweiten Schritt sollte die kognitive Kapazität des Fahrers als ebenfalls limitierte Ressource berücksichtigt werden. Der Algorithmus, den ich zu Schritt 1 vorstelle und evaluiere, erfüllt alle diese Anforderungen. Zu Schritt 2 definiere ich das Konzept System Situation Awareness (SSA), basierend auf Endsley’s Konzept der Situation Awareness (SA). Dadurch wird erreicht, dass nicht nur der Fahrer sich seiner Umgebung bewusst ist, sondern auch das System (d.h. das Auto). Zu diesem Zweck m¨ussen zwei Bereiche untersucht werden: (1) Die kognitive Belastbarkeit des Fahrers unaufdringlich ermitteln. Dazu schlage ich ein Modell vor, das auf Umgebungsinformationen basiert. (2) Ein weiteres Modell soll die Komplexität der präsentierten Informationen bestimmen. Drei Experimente stützen die Behauptungen in meinem konzeptuellen Beitrag. Ein Prototyp des situationsbewussten Präsentationsmanagement-Toolkits PresTK wird vorgestellt und in zwei Demonstratoren gezeigt