Touch- and Walkable Virtual Reality to Support Blind and Visually Impaired Peoples‘ Building Exploration in the Context of Orientation and Mobility

Der Zugang zu digitalen Inhalten und Informationen wird immer wichtiger für eine erfolgreiche Teilnahme an der heutigen, zunehmend digitalisierten Zivilgesellschaft. Solche Informationen werden meist visuell präsentiert, was den Zugang für blinde und sehbehinderte Menschen einschränkt. Die grundlegendste Barriere ist oft die elementare Orientierung und Mobilität (und folglich die soziale Mobilität), einschließlich der Erlangung von Kenntnissen über unbekannte Gebäude vor deren Besuch. Um solche Barrieren zu überbrücken, sollten technische Hilfsmittel entwickelt und eingesetzt werden. Es ist ein Kompromiss zwischen technologisch niedrigschwellig zugänglichen und verbreitbaren Hilfsmitteln und interaktiv-adaptiven, aber komplexen Systemen erforderlich. Die Anpassung der Technologie der virtuellen Realität (VR) umfasst ein breites Spektrum an Entwicklungs- und Entscheidungsoptionen. Die Hauptvorteile der VR-Technologie sind die erhöhte Interaktivität, die Aktualisierbarkeit und die Möglichkeit, virtuelle Räume und Modelle als Abbilder von realen Räumen zu erkunden, ohne dass reale Gefahren und die begrenzte Verfügbarkeit von sehenden Helfern auftreten. Virtuelle Objekte und Umgebungen haben jedoch keine physische Beschaffenheit. Ziel dieser Arbeit ist es daher zu erforschen, welche VR-Interaktionsformen sinnvoll sind (d.h. ein angemessenes Verbreitungspotenzial bieten), um virtuelle Repräsentationen realer Gebäude im Kontext von Orientierung und Mobilität berührbar oder begehbar zu machen. Obwohl es bereits inhaltlich und technisch disjunkte Entwicklungen und Evaluationen zur VR-Technologie gibt, fehlt es an empirischer Evidenz. Zusätzlich bietet diese Arbeit einen Überblick über die verschiedenen Interaktionen. Nach einer Betrachtung der menschlichen Physiologie, Hilfsmittel (z.B. taktile Karten) und technologischen Eigenschaften wird der aktuelle Stand der Technik von VR vorgestellt und die Anwendung für blinde und sehbehinderte Nutzer und der Weg dorthin durch die Einführung einer neuartigen Taxonomie diskutiert. Neben der Interaktion selbst werden Merkmale des Nutzers und des Geräts, der Anwendungskontext oder die nutzerzentrierte Entwicklung bzw. Evaluation als Klassifikatoren herangezogen. Begründet und motiviert werden die folgenden Kapitel durch explorative Ansätze, d.h. im Bereich 'small scale' (mit sogenannten Datenhandschuhen) und im Bereich 'large scale' (mit einer avatargesteuerten VR-Fortbewegung). Die folgenden Kapitel führen empirische Studien mit blinden und sehbehinderten Nutzern durch und geben einen formativen Einblick, wie virtuelle Objekte in Reichweite der Hände mit haptischem Feedback erfasst werden können und wie verschiedene Arten der VR-Fortbewegung zur Erkundung virtueller Umgebungen eingesetzt werden können. Daraus werden geräteunabhängige technologische Möglichkeiten und auch Herausforderungen für weitere Verbesserungen abgeleitet. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse kann sich die weitere Forschung auf Aspekte wie die spezifische Gestaltung interaktiver Elemente, zeitlich und räumlich kollaborative Anwendungsszenarien und die Evaluation eines gesamten Anwendungsworkflows (d.h. Scannen der realen Umgebung und virtuelle Erkundung zu Trainingszwecken sowie die Gestaltung der gesamten Anwendung in einer langfristig barrierefreien Weise) konzentrieren.Access to digital content and information is becoming increasingly important for successful participation in today's increasingly digitized civil society. Such information is mostly presented visually, which restricts access for blind and visually impaired people. The most fundamental barrier is often basic orientation and mobility (and consequently, social mobility), including gaining knowledge about unknown buildings before visiting them. To bridge such barriers, technological aids should be developed and deployed. A trade-off is needed between technologically low-threshold accessible and disseminable aids and interactive-adaptive but complex systems. The adaptation of virtual reality (VR) technology spans a wide range of development and decision options. The main benefits of VR technology are increased interactivity, updatability, and the possibility to explore virtual spaces as proxies of real ones without real-world hazards and the limited availability of sighted assistants. However, virtual objects and environments have no physicality. Therefore, this thesis aims to research which VR interaction forms are reasonable (i.e., offering a reasonable dissemination potential) to make virtual representations of real buildings touchable or walkable in the context of orientation and mobility. Although there are already content and technology disjunctive developments and evaluations on VR technology, there is a lack of empirical evidence. Additionally, this thesis provides a survey between different interactions. Having considered the human physiology, assistive media (e.g., tactile maps), and technological characteristics, the current state of the art of VR is introduced, and the application for blind and visually impaired users and the way to get there is discussed by introducing a novel taxonomy. In addition to the interaction itself, characteristics of the user and the device, the application context, or the user-centered development respectively evaluation are used as classifiers. Thus, the following chapters are justified and motivated by explorative approaches, i.e., in the group of 'small scale' (using so-called data gloves) and in the scale of 'large scale' (using an avatar-controlled VR locomotion) approaches. The following chapters conduct empirical studies with blind and visually impaired users and give formative insight into how virtual objects within hands' reach can be grasped using haptic feedback and how different kinds of VR locomotion implementation can be applied to explore virtual environments. Thus, device-independent technological possibilities and also challenges for further improvements are derived. On the basis of this knowledge, subsequent research can be focused on aspects such as the specific design of interactive elements, temporally and spatially collaborative application scenarios, and the evaluation of an entire application workflow (i.e., scanning the real environment and exploring it virtually for training purposes, as well as designing the entire application in a long-term accessible manner)

Remote tactile feedback on interactive surfaces

Direct touch input on interactive surfaces has become a predominating standard for the manipulation of digital information in our everyday lives. However, compared to our rich interchange with the physical world, the interaction with touch-based systems is limited in terms of flexibility of input and expressiveness of output. Particularly, the lack of tactile feedback greatly reduces the general usability of a touch-based system and hinders from a productive entanglement of the virtual information with the physical world. This thesis proposes remote tactile feedback as a novel method to provide programmed tactile stimuli supporting direct touch interactions. The overall principle is to spatially decouple the location of touch input (e.g. fingertip or hand) and the location of the tactile sensation on the user's body (e.g. forearm or back). Remote tactile feedback is an alternative concept which avoids particular challenges of existing approaches. Moreover, the principle provides inherent characteristics which can accommodate for the requirements of current and future touch interfaces. To define the design space, the thesis provides a structured overview of current forms of touch surfaces and identifies trends towards non-planar and non-rigid forms with more versatile input mechanisms. Furthermore, a classification highlights limitations of the current methods to generate tactile feedback on touch-based systems. The proposed notion of tactile sensory relocation is a form of sensory substitution. Underlying neurological and psychological principles corroborate the approach. Thus, characteristics of the human sense of touch and principles from sensory substitution help to create a technical and conceptual framework for remote tactile feedback. Three consecutive user studies measure and compare the effects of both direct and remote tactile feedback on the performance and the subjective ratings of the user. Furthermore, the experiments investigate different body locations for the application of tactile stimuli. The results show high subjective preferences for tactile feedback, regardless of its type of application. Additionally, the data reveals no significant differences between the effects of direct and remote stimuli. The results back the feasibility of the approach and provide parameters for the design of stimuli and the effective use of the concept. The main part of the thesis describes the systematical exploration and analysis of the inherent characteristics of remote tactile feedback. Four specific features of the principle are identified: (1) the simplification of the integration of cutaneous stimuli, (2) the transmission of proactive, reactive and detached feedback, (3) the increased expressiveness of tactile sensations and (4) the provision of tactile feedback during multi-touch. In each class, several prototypical remote tactile interfaces are used in evaluations to analyze the concept. For example, the PhantomStation utilizes psychophysical phenomena to reduce the number of single tactile actuators. An evaluation with the prototype compares standard actuator technologies with each other in order to enable simple and scalable implementations. The ThermalTouch prototype creates remote thermal stimuli to reproduce material characteristics on standard touchscreens. The results show a stable rate of virtual object discrimination based on remotely applied temperature profiles. The AutmotiveRTF system is implemented in a vehicle and supports the driver's input on the in-vehicle-infotainment system. A field study with the system focuses on evaluating the effects of proactive and reactive feedback on the user's performance. The main contributions of the dissertation are: First, the thesis introduces the principle of remote tactile feedback and defines a design space for this approach as an alternative method to provide non-visual cues on interactive surfaces. Second, the thesis describes technical examples to rapidly prototype remote tactile feedback systems. Third, these prototypes are deployed in several evaluations which highlight the beneficial subjective and objective effects of the approach. Finally, the thesis presents features and inherent characteristics of remote tactile feedback as a means to support the interaction on today's touchscreens and future interactive surfaces.Die Interaktion mit berührungsempfindlichen Oberflächen ist heute ein Standard für die Manipulation von digitaler Information. Jedoch weist die Bedienung dieser interaktiven Bildschirme starke Einschränkungen hinsichtlich der Flexibilität bei der Eingabe und der Ausdruckskraft der Ausgabe auf, wenn man sie mit den vielfältigen Möglichkeiten des Umgangs mit Objekten in unserer Alltagswelt vergleicht. Besonders die nicht vorhandenen Tastsinnesrückmeldungen vermindern stark die Benutzbarkeit solcher Systeme und verhindern eine effektive Verknüpfung von virtueller Information und physischer Welt. Die vorliegende Dissertation beschreibt den Ansatz der 'distalen taktilen Rückmeldungen' als neuartige Möglichkeit zur Vermittlung programmierter Tastsinnesreize an Benutzer interaktiver Oberflächen. Das Grundprinzip dabei ist die räumliche Trennung zwischen der Eingabe durch Berührung (z.B. mit der Fingerspitze) und dem daraus resultierenden taktilen Reiz am Körper der Benutzer (z.B. am Rücken). Dabei vermeidet das Konzept der distalen taktilen Rückmeldungen einzelne technische und konzeptionelle Nachteile existierender Ansätze. Zusätzlich bringt es Interaktionsmöglichkeiten mit sich, die den Eigenheiten der Interaktion mit aktuellen und auch zukünftigen berührungsempfindlichen Oberflächen Rechnung tragen. Zu Beginn zeigt ein Überblick zu relevanten Arbeiten den aktuellen Forschungstrend hin zu nicht-flachen und verformbaren berührungsempfindlichen Oberflächen sowie zu vielfältigeren Eingabemethoden. Eine Klassifizierung ordnet existierende technische Verfahren zur Erzeugung von künstlichen Tastsinnesreizen und stellt jeweils konzeptuelle und technische Herausforderungen dar. Der in dieser Arbeit vorgeschlagene Ansatz der Verlagerung von Tastsinnesreizen ist eine Form der sensorischen Substitution, zugrunde liegende neurologische und psychologische Prinzipien untermauern das Vorgehen. Die Wirkprinzipien des menschlichen Tastsinnes und die Systeme zur sensorischen Substitution liefern daher konzeptionelle und technische Richtlinien zur Umsetzung der distalen taktilen Rückmeldungen. Drei aufeinander aufbauende Benutzerstudien vergleichen die Auswirkungen von direkten und distalen taktilen Rückmeldungen auf die Leistung und das Verhalten von Benutzern sowie deren subjektive Bewertung der Interaktion. Außerdem werden in den Experimenten die Effekte von Tastsinnesreizen an verschiedenen Körperstellen untersucht. Die Ergebnisse zeigen starke Präferenzen für Tastsinnesrückmeldungen, unabhängig von deren Applikationsort. Die Daten ergeben weiterhin keine signifikanten Unterschiede bei den quantitativen Effekten von direktem und distalen Rückmeldungen. Diese Ergebnisse befürworten die Realisierbarkeit des Ansatzes und zeigen Richtlinien für weitere praktische Umsetzungen auf. Der Hauptteil der Dissertation beschreibt die systematische Untersuchung und Analyse der inhärenten Möglichkeiten, die sich aus der Vermittlung distaler taktiler Rückmeldungen ergeben. Vier verschiedene Charakteristika werden identifiziert: (1) die vereinfachte Integration von Tastsinnesreizen, (2) die Vermittlung von proaktiven, reaktiven und entkoppelten Rückmeldungen, (3) die erhöhte Bandbreite der taktilen Signale und (4) die Darstellung von individuellen Tastsinnesreizen für verschiedene Kontaktpunkte mit der berührungsempfindlichen Oberfläche. Jedes dieser Prinzipien wird durch prototypische Systeme umgesetzt und in Benutzerstudien analysiert. Beispielsweise nutzt das System PhantomStation psychophysikalische Illusionen, um die Anzahl der einzelnen Reizgeber zu reduzieren. In einer Evaluierung des Prototypen werden mehrere Aktuatortechnologien verglichen, um einfache und skalierbare Ansätze zu identifizieren. Der ThermalTouch-Prototyp wird dazu genutzt, distale thermale Reize zu vermitteln, um so Materialeigenschaften auf Berührungsbildschirmen darstellen zu können. Eine Benutzerstudie zeigt, dass sich auf Basis dieser Temperaturverläufe virtuelle Objekte unterscheiden lassen. Das AutomotiveRTF-System wird schließlich in ein Kraftfahrzeug integriert, um den Fahrer bei der Eingabe auf dem Informations- und Unterhaltungssystem zu unterstützen. Eine Feldstudie untersucht die Auswirkungen der proaktiven und reaktiven Rückmeldungen auf die Benutzerleistung. Die vorliegende Dissertation leistet mehrere Beiträge zur Mensch-Maschine-Interaktion: Das Prinzip der distalen taktilen Rückmeldungen wird eingeführt als Alternative zur Erzeugung nicht-visueller Rückmeldungen auf interaktiven Oberflächen. Es werden technische Verfahrensweisen zur prototypischen Implementierung solcher Systeme vorgeschlagen. Diese technischen Prototypen werden in einer Vielzahl verschiedener Benutzerstudien eingesetzt, welche die quantitativen und qualitativen Vorteile des Ansatzes aufzeigen. Schließlich wird gezeigt, wie sich das Prinzip zur Unterstützung heutiger und zukünftiger Interaktionsformen mit berührungsempfindlichen Bildschirmen nutzen lässt

Designing a New Tactile Display Technology and its Disability Interactions

People with visual impairments have a strong desire for a refreshable tactile interface that can provide immediate access to full page of Braille and tactile graphics. Regrettably, existing devices come at a considerable expense and remain out of reach for many. The exorbitant costs associated with current tactile displays stem from their intricate design and the multitude of components needed for their construction. This underscores the pressing need for technological innovation that can enhance tactile displays, making them more accessible and available to individuals with visual impairments. This research thesis delves into the development of a novel tactile display technology known as Tacilia. This technology's necessity and prerequisites are informed by in-depth qualitative engagements with students who have visual impairments, alongside a systematic analysis of the prevailing architectures underpinning existing tactile display technologies. The evolution of Tacilia unfolds through iterative processes encompassing conceptualisation, prototyping, and evaluation. With Tacilia, three distinct products and interactive experiences are explored, empowering individuals to manually draw tactile graphics, generate digitally designed media through printing, and display these creations on a dynamic pin array display. This innovation underscores Tacilia's capability to streamline the creation of refreshable tactile displays, rendering them more fitting, usable, and economically viable for people with visual impairments

Digital fabrication of custom interactive objects with rich materials

As ubiquitous computing is becoming reality, people interact with an increasing number of computer interfaces embedded in physical objects. Today, interaction with those objects largely relies on integrated touchscreens. In contrast, humans are capable of rich interaction with physical objects and their materials through sensory feedback and dexterous manipulation skills. However, developing physical user interfaces that offer versatile interaction and leverage these capabilities is challenging. It requires novel technologies for prototyping interfaces with custom interactivity that support rich materials of everyday objects. Moreover, such technologies need to be accessible to empower a wide audience of researchers, makers, and users. This thesis investigates digital fabrication as a key technology to address these challenges. It contributes four novel design and fabrication approaches for interactive objects with rich materials. The contributions enable easy, accessible, and versatile design and fabrication of interactive objects with custom stretchability, input and output on complex geometries and diverse materials, tactile output on 3D-object geometries, and capabilities of changing their shape and material properties. Together, the contributions of this thesis advance the fields of digital fabrication, rapid prototyping, and ubiquitous computing towards the bigger goal of exploring interactive objects with rich materials as a new generation of physical interfaces.Computer werden zunehmend in Geräten integriert, mit welchen Menschen im Alltag interagieren. Heutzutage basiert diese Interaktion weitgehend auf Touchscreens. Im Kontrast dazu steht die reichhaltige Interaktion mit physischen Objekten und Materialien durch sensorisches Feedback und geschickte Manipulation. Interfaces zu entwerfen, die diese Fähigkeiten nutzen, ist allerdings problematisch. Hierfür sind Technologien zum Prototyping neuer Interfaces mit benutzerdefinierter Interaktivität und Kompatibilität mit vielfältigen Materialien erforderlich. Zudem sollten solche Technologien zugänglich sein, um ein breites Publikum zu erreichen. Diese Dissertation erforscht die digitale Fabrikation als Schlüsseltechnologie, um diese Probleme zu adressieren. Sie trägt vier neue Design- und Fabrikationsansätze für das Prototyping interaktiver Objekte mit reichhaltigen Materialien bei. Diese ermöglichen einfaches, zugängliches und vielseitiges Design und Fabrikation von interaktiven Objekten mit individueller Dehnbarkeit, Ein- und Ausgabe auf komplexen Geometrien und vielfältigen Materialien, taktiler Ausgabe auf 3D-Objektgeometrien und der Fähigkeit ihre Form und Materialeigenschaften zu ändern. Insgesamt trägt diese Dissertation zum Fortschritt der Bereiche der digitalen Fabrikation, des Rapid Prototyping und des Ubiquitous Computing in Richtung des größeren Ziels, der Exploration interaktiver Objekte mit reichhaltigen Materialien als eine neue Generation von physischen Interfaces, bei

Multi-Sensory Interaction for Blind and Visually Impaired People

This book conveyed the visual elements of artwork to the visually impaired through various sensory elements to open a new perspective for appreciating visual artwork. In addition, the technique of expressing a color code by integrating patterns, temperatures, scents, music, and vibrations was explored, and future research topics were presented. A holistic experience using multi-sensory interaction acquired by people with visual impairment was provided to convey the meaning and contents of the work through rich multi-sensory appreciation. A method that allows people with visual impairments to engage in artwork using a variety of senses, including touch, temperature, tactile pattern, and sound, helps them to appreciate artwork at a deeper level than can be achieved with hearing or touch alone. The development of such art appreciation aids for the visually impaired will ultimately improve their cultural enjoyment and strengthen their access to culture and the arts. The development of this new concept aids ultimately expands opportunities for the non-visually impaired as well as the visually impaired to enjoy works of art and breaks down the boundaries between the disabled and the non-disabled in the field of culture and arts through continuous efforts to enhance accessibility. In addition, the developed multi-sensory expression and delivery tool can be used as an educational tool to increase product and artwork accessibility and usability through multi-modal interaction. Training the multi-sensory experiences introduced in this book may lead to more vivid visual imageries or seeing with the mind’s eye

Ultrasonic mid-air haptic technology in context of science communication

This dissertation charts opportunities and challenges of engaging people with learning about science through the use of mid-air haptic technology. To that end, research has been carried out at the intersection of three multidisciplinary fields: Science Communication, Haptics, and Human-Computer Interaction. For science communication to be effective, different tools are required for different audiences. For example, when a child pours cold milk into hot tea and sips a warm beverage, we can raise awareness of the haptic experience; triggering interest and facilitating learning about thermal equilibrium. Not every scientific concept may be explained through changing temperature, and not everybody likes tea, but the principle of haptic experience facilitated public engagement with science remains a valid basis to examine. Science communicators seek new technological solutions and innovative modalities of communication, some of which include haptic technology and touch interaction. Ultrasonic mid-air haptic technology is a novel tool, which enables the creation of programable, invisible, cutaneous tactile sensations on an airborne interface between humans and the digital world. Mid-air haptic sensations may bring many benefits when used in science communication, but these have not yet been systematically studied

Integrating Haptic Feedback into Mobile Location Based Services

Haptics is a feedback technology that takes advantage of the human sense of touch by applying forces, vibrations, and/or motions to a haptic-enabled device such as a mobile phone. Historically, human-computer interaction has been visual - text and images on the screen. Haptic feedback can be an important additional method especially in Mobile Location Based Services such as knowledge discovery, pedestrian navigation and notification systems. A knowledge discovery system called the Haptic GeoWand is a low interaction system that allows users to query geo-tagged data around them by using a point-and-scan technique with their mobile device. Haptic Pedestrian is a navigation system for walkers. Four prototypes have been developed classified according to the user’s guidance requirements, the user type (based on spatial skills), and overall system complexity. Haptic Transit is a notification system that provides spatial information to the users of public transport. In all these systems, haptic feedback is used to convey information about location, orientation, density and distance by use of the vibration alarm with varying frequencies and patterns to help understand the physical environment. Trials elicited positive responses from the users who see benefit in being provided with a “heads up” approach to mobile navigation. Results from a memory recall test show that the users of haptic feedback for navigation had better memory recall of the region traversed than the users of landmark images. Haptics integrated into a multi-modal navigation system provides more usable, less distracting but more effective interaction than conventional systems. Enhancements to the current work could include integration of contextual information, detailed large-scale user trials and the exploration of using haptics within confined indoor spaces