An investigation into determining head pose for gaze estimation on unmodified mobile devices

Traditionally, devices which are able to determine a users gaze are large, expensive and often restrictive. We investigate the prospect of using common webcams and mobile devices such as laptops, tablets and phones without modification as an alternative means for obtaining a users gaze. A person’s gaze can be fundamentally determined by the pose of the head as well as the orientation of the eyes. This initial work investigates the first of these factors - an estimate of the 3D head pose (and subsequently the positions of the eye centres) relative to a camera device. Specifically, we seek a low cost algorithm that requires only a one-time calibration for an individual user, that can run in real-time on the aforementioned mobile devices with noisy camera data. We use our head tracker to estimate the 4 eye corners of a user over a 10 second video. We present the results at several different frames per second (fps) to analyse the impact on the tracker with lower quality cameras. We show that our algorithm is efficient enough to run at 75fps on a common laptop, but struggles with tracking loss when the fps is lower than 10fps

Sensing, interpreting, and anticipating human social behaviour in the real world

Low-level nonverbal social signals like glances, utterances, facial expressions and body language are central to human communicative situations and have been shown to be connected to important high-level constructs, such as emotions, turn-taking, rapport, or leadership. A prerequisite for the creation of social machines that are able to support humans in e.g. education, psychotherapy, or human resources is the ability to automatically sense, interpret, and anticipate human nonverbal behaviour. While promising results have been shown in controlled settings, automatically analysing unconstrained situations, e.g. in daily-life settings, remains challenging. Furthermore, anticipation of nonverbal behaviour in social situations is still largely unexplored. The goal of this thesis is to move closer to the vision of social machines in the real world. It makes fundamental contributions along the three dimensions of sensing, interpreting and anticipating nonverbal behaviour in social interactions. First, robust recognition of low-level nonverbal behaviour lays the groundwork for all further analysis steps. Advancing human visual behaviour sensing is especially relevant as the current state of the art is still not satisfactory in many daily-life situations. While many social interactions take place in groups, current methods for unsupervised eye contact detection can only handle dyadic interactions. We propose a novel unsupervised method for multi-person eye contact detection by exploiting the connection between gaze and speaking turns. Furthermore, we make use of mobile device engagement to address the problem of calibration drift that occurs in daily-life usage of mobile eye trackers. Second, we improve the interpretation of social signals in terms of higher level social behaviours. In particular, we propose the first dataset and method for emotion recognition from bodily expressions of freely moving, unaugmented dyads. Furthermore, we are the first to study low rapport detection in group interactions, as well as investigating a cross-dataset evaluation setting for the emergent leadership detection task. Third, human visual behaviour is special because it functions as a social signal and also determines what a person is seeing at a given moment in time. Being able to anticipate human gaze opens up the possibility for machines to more seamlessly share attention with humans, or to intervene in a timely manner if humans are about to overlook important aspects of the environment. We are the first to propose methods for the anticipation of eye contact in dyadic conversations, as well as in the context of mobile device interactions during daily life, thereby paving the way for interfaces that are able to proactively intervene and support interacting humans.Blick, Gesichtsausdrücke, Körpersprache, oder Prosodie spielen als nonverbale Signale eine zentrale Rolle in menschlicher Kommunikation. Sie wurden durch vielzählige Studien mit wichtigen Konzepten wie Emotionen, Sprecherwechsel, Führung, oder der Qualität des Verhältnisses zwischen zwei Personen in Verbindung gebracht. Damit Menschen effektiv während ihres täglichen sozialen Lebens von Maschinen unterstützt werden können, sind automatische Methoden zur Erkennung, Interpretation, und Antizipation von nonverbalem Verhalten notwendig. Obwohl die bisherige Forschung in kontrollierten Studien zu ermutigenden Ergebnissen gekommen ist, bleibt die automatische Analyse nonverbalen Verhaltens in weniger kontrollierten Situationen eine Herausforderung. Darüber hinaus existieren kaum Untersuchungen zur Antizipation von nonverbalem Verhalten in sozialen Situationen. Das Ziel dieser Arbeit ist, die Vision vom automatischen Verstehen sozialer Situationen ein Stück weit mehr Realität werden zu lassen. Diese Arbeit liefert wichtige Beiträge zur autmatischen Erkennung menschlichen Blickverhaltens in alltäglichen Situationen. Obwohl viele soziale Interaktionen in Gruppen stattfinden, existieren unüberwachte Methoden zur Augenkontakterkennung bisher lediglich für dyadische Interaktionen. Wir stellen einen neuen Ansatz zur Augenkontakterkennung in Gruppen vor, welcher ohne manuelle Annotationen auskommt, indem er sich den statistischen Zusammenhang zwischen Blick- und Sprechverhalten zu Nutze macht. Tägliche Aktivitäten sind eine Herausforderung für Geräte zur mobile Augenbewegungsmessung, da Verschiebungen dieser Geräte zur Verschlechterung ihrer Kalibrierung führen können. In dieser Arbeit verwenden wir Nutzerverhalten an mobilen Endgeräten, um den Effekt solcher Verschiebungen zu korrigieren. Neben der Erkennung verbessert diese Arbeit auch die Interpretation sozialer Signale. Wir veröffentlichen den ersten Datensatz sowie die erste Methode zur Emotionserkennung in dyadischen Interaktionen ohne den Einsatz spezialisierter Ausrüstung. Außerdem stellen wir die erste Studie zur automatischen Erkennung mangelnder Verbundenheit in Gruppeninteraktionen vor, und führen die erste datensatzübergreifende Evaluierung zur Detektion von sich entwickelndem Führungsverhalten durch. Zum Abschluss der Arbeit präsentieren wir die ersten Ansätze zur Antizipation von Blickverhalten in sozialen Interaktionen. Blickverhalten hat die besondere Eigenschaft, dass es sowohl als soziales Signal als auch der Ausrichtung der visuellen Wahrnehmung dient. Somit eröffnet die Fähigkeit zur Antizipation von Blickverhalten Maschinen die Möglichkeit, sich sowohl nahtloser in soziale Interaktionen einzufügen, als auch Menschen zu warnen, wenn diese Gefahr laufen wichtige Aspekte der Umgebung zu übersehen. Wir präsentieren Methoden zur Antizipation von Blickverhalten im Kontext der Interaktion mit mobilen Endgeräten während täglicher Aktivitäten, als auch während dyadischer Interaktionen mittels Videotelefonie

Measuring gaze and pupil in the real world: object-based attention,3D eye tracking and applications

This dissertation contains studies on visual attention, as measured by gaze orientation, and the use of mobile eye-tracking and pupillometry in applications. It combines the development of methods for mobile eye-tracking (studies II and III) with experimental studies on gaze guidance and pupillary responses in patients (studies IV and VI) and healthy observers (studies I and V). Object based attention / Study I What is the main factor of fixation guidance in natural scenes? Low-level features or objects? We developed a fixation-predicting model, which regards preferred viewing locations (PVL) per object and combines these distributions over the entirety of existing objects in the scene. Object-based fixation predictions for natural scene viewing perform at par with the best early salience model, that are based on low-level features. However, when stimuli are manipulated so that low-level features and objects are dissociated, the greater prediction power of saliency models diminishes. Thus, we dare to claim, that highly developed saliency models implicitly obtain object-hood and that fixation selection is mainly influenced by objects and much less by low-level features. Consequently, attention guidance in natural scenes is object-based. 3D tracking / Study II The second study focussed on improving calibration procedures for eye-in-head positions with a mobile eye-tracker.We used a mobile eye-tracker prototype, the EyeSeeCam with a high video-oculography (VOG) sampling rate and the technical gadget to follow the users gaze direction instantaneously with a rotatable camera. For a better accuracy in eye-positioning, we explored a refinement in the implementation of the eye-in-head calibration that yields a measure for fixation distance, which led to a mobile eye-tracker 3D calibration. Additionally, by developing the analytical mechanics for parametrically reorienting the gaze-centred camera, the 3D calibration could be applied to reliably record gaze-centred videos. Such videos are suitable as stimuli for investigating gaze-behaviour during object manipulation or object recognition in real worlds point-of-view (PoV) perspective. In fact, the 3D calibration produces a higher accuracy in positioning the gaze-centred camera over the whole 3D visual range. Study III, eye-tracking methods With a further development on the EyeSeeCam we achieved to record gaze-in-world data, by superposing eye-in-head and head-in-world coordinates. This novel approach uses a combination of few absolute head-positions extracted manually from the PoV video and of relative head-shifts integrated over angular velocities and translational accelerations, both given by an inertia measurement unit (IMU) synchronized to the VOG data. Gaze-in-world data consist of room-referenced gaze directions and their origins within the environment. They easily allow to assign fixation targets by using a 3D model of the measuring environment – a strong rationalisation regarding fixation analysis. Applications Study III Daylight is an important perceptual factor for visual comfort, but can also create discomfort glare situations during office work, so we developed to measure its behavioural influences. We achieve to compare luminance distributions and fixations in a real-world setting, by also recording indoor luminance variations time-resolved using luminance maps of a scenery spanning over a 3pi sr. Luminance evaluations in the workplace environment yield a well controlled categorisation of different lighting conditions and a localisation as well as a brightness measure of glare sources.We used common tasks like reading, typing on a computer, a phone call and thinking about a subject. The 3D model gives the possibility to test for gaze distribution shifts in the presence of glare patches and for variations between lighting conditions. Here, a low contrast lighting condition with no sun inside and a high contrast lighting condition with direct sunlight inside were compared. When the participants are not engaged in any visually focused task and the presence of the task support is minimal, the dominant view directions are inclined towards the view outside the window under the low contrast lighting conditions, but this tendency is less apparent and sways more towards the inside of the room under the high contrast lighting condition. This result implicates an avoidance of glare sources in gaze behaviour. In a second more extensive series of experiments, the participants’ subjective assessments of the lighting conditions will be included. Thus, the influence of glare can be analysed in more detail and tested whether visual discomfort judgements are correlated in differences in gaze-behaviour. Study IV The advanced eye-tracker calibration found application in several following projects and included in this dissertation is an investigation with patients suffering either from idiopathic Parkinson’s disease or from progressive supranuclear palsy (PSP) syndrome. PSP’s key symptom is the decreased ability to carry out vertical saccades and thus the main diagnostic feature for differentiating between the two forms of Parkinson’s syndrome. By measuring ocular movements during a rapid (< 20s) procedure with a standardized fixation protocol, we could successfully differentiate pre-diagnosed patients between idiopathic Parkinson’s disease and PSP, thus between PSP patients and HCs too. In PSP patients, the EyeSeeCam detected prominent impairment of both saccade velocity and amplitude. Furthermore, we show the benefits of a mobile eye-tracking device for application in clinical practice. Study V Decision-making is one of the basic cognitive processes of human behaviours and thus, also evokes a pupil dilation. Since this dilation reflects a marker for the temporal occurrence of the decision, we wondered whether individuals can read decisions from another’s pupil and thus become a mentalist. For this purpose, a modified version of the rock-paper-scissors childhood game was played with 3 prototypical opponents, while their eyes were video taped. These videos served as stimuli for further persons, who competed in rock-paper-scissors. Our results show, that reading decisions from a competitor’s pupil can be achieved and players can raise their winning probability significantly above chance. This ability does not require training but the instruction, that the time of maximum pupil dilation was indicative of the opponent’s choice. Therefore we conclude, that people could use the pupil to detect cognitive decisions in another individual, if they get explicit knowledge of the pupil’s utility. Study VI For patients with severe motor disabilities, a robust mean of communication is a crucial factor for well-being. Locked-in-Syndrome (LiS) patients suffer from quadriplegia and lack the ability of articulating their voice, though their consciousness is fully intact. While classic and incomplete LiS allows at least voluntary vertical eye movements or blinks to be used for communication, total LiS patients are not able to perform such movements. What remains, are involuntarily evoked muscle reactions, like it is the case with the pupillary response. The pupil dilation reflects enhanced cognitive or emotional processing, which we successfully observed in LiS patients. Furthermore, we created a communication system based on yes-no questions combined with the task of solving arithmetic problems during matching answer intervals, that yet invokes the most solid pupil dilation usable on a trial-by-trial basis for decoding yes or no as answers. Applied to HCs and patients with various severe motor disabilities, we provide the proof of principle that pupil responses allow communication for all tested HCs and 4/7 typical LiS patients. Résumé Together, the methods established within this thesis are promising advances in measuring visual attention allocation with 3D eye-tracking in real world and in the use of pupillometry as on-line measurement of cognitive processes. The two most outstanding findings are the possibility to communicate with complete LiS patients and further a conclusive evidence that objects are the primary unit of fixation selection in natural scenes

Gaze Estimation with Graphics

Gaze estimation systems determine where someone is looking. Gaze is used for a wide range of applications including market research, usability studies, and gaze-based interfaces. Traditional equipment uses special hardware. To bring gaze estimation mainstream, researchers are exploring approaches that use commodity hardware alone. My work addresses two outstanding problems in this field: 1) it is hard to collect good ground truth eye images for machine learning, and 2) gaze estimation systems do not generalize well -- once they are trained with images from one scenario, they do not work in another scenario. In this dissertation I address these problems in two different ways: learning-by-synthesis and analysis-by-synthesis. Learning-by-synthesis is the process of training a machine learning system with synthetic data, i.e. data that has been rendered with graphics rather than collected by hand. Analysis-by-synthesis is a computer vision strategy that couples a generative model of image formation (synthesis) with a perceptive model of scene comparison (analysis). The goal is to synthesize an image that best matches an observed image. In this dissertation I present three main contributions. First, I present a new method for training gaze estimation systems that use machine learning: learning-by-synthesis using 3D head scans and photorealistic rendering. Second, I present a new morphable model of the eye region. I show how this model can be used to generate large amounts of varied data for learning-by-synthesis. Third, I present a new method for gaze estimation: analysis-by-synthesis. I demonstrate how analysis-by-synthesis can generalize to different scenarios, estimating gaze in a device- and person- independent manner.EPSRC Doctoral Training Grant studentship for Erroll Wood (RG71269

Dynamic motion coupling of body movement for input control

Touchless gestures are used for input when touch is unsuitable or unavailable, such as when interacting with displays that are remote, large, public, or when touch is prohibited for hygienic reasons. Traditionally user input is spatially or semantically mapped to system output, however, in the context of touchless gestures these interaction principles suffer from several disadvantages including memorability, fatigue, and ill-defined mappings. This thesis investigates motion correlation as the third interaction principle for touchless gestures, which maps user input to system output based on spatiotemporal matching of reproducible motion. We demonstrate the versatility of motion correlation by using movement as the primary sensing principle, relaxing the restrictions on how a user provides input. Using TraceMatch, a novel computer vision-based system, we show how users can provide effective input through investigation of input performance with different parts of the body, and how users can switch modes of input spontaneously in realistic application scenarios. Secondly, spontaneous spatial coupling shows how motion correlation can bootstrap spatial input, allowing any body movement, or movement of tangible objects, to be appropriated for ad hoc touchless pointing on a per interaction basis. We operationalise the concept in MatchPoint, and demonstrate the unique capabilities through an exploration of the design space with application examples. Finally, we explore how users synchronise with moving targets in the context of motion correlation, revealing how simple harmonic motion leads to better synchronisation. Using the insights gained we explore the robustness of algorithms used for motion correlation, showing how it is possible to successfully detect a user's intent to interact whilst suppressing accidental activations from common spatial and semantic gestures. Finally, we look across our work to distil guidelines for interface design, and further considerations of how motion correlation can be used, both in general and for touchless gestures

Enhanced Virtuality: Increasing the Usability and Productivity of Virtual Environments

Mit stetig steigender Bildschirmauflösung, genauerem Tracking und fallenden Preisen stehen Virtual Reality (VR) Systeme kurz davor sich erfolgreich am Markt zu etablieren. Verschiedene Werkzeuge helfen Entwicklern bei der Erstellung komplexer Interaktionen mit mehreren Benutzern innerhalb adaptiver virtueller Umgebungen. Allerdings entstehen mit der Verbreitung der VR-Systeme auch zusätzliche Herausforderungen: Diverse Eingabegeräte mit ungewohnten Formen und Tastenlayouts verhindern eine intuitive Interaktion. Darüber hinaus zwingt der eingeschränkte Funktionsumfang bestehender Software die Nutzer dazu, auf herkömmliche PC- oder Touch-basierte Systeme zurückzugreifen. Außerdem birgt die Zusammenarbeit mit anderen Anwendern am gleichen Standort Herausforderungen hinsichtlich der Kalibrierung unterschiedlicher Trackingsysteme und der Kollisionsvermeidung. Beim entfernten Zusammenarbeiten wird die Interaktion durch Latenzzeiten und Verbindungsverluste zusätzlich beeinflusst. Schließlich haben die Benutzer unterschiedliche Anforderungen an die Visualisierung von Inhalten, z.B. Größe, Ausrichtung, Farbe oder Kontrast, innerhalb der virtuellen Welten. Eine strikte Nachbildung von realen Umgebungen in VR verschenkt Potential und wird es nicht ermöglichen, die individuellen Bedürfnisse der Benutzer zu berücksichtigen. Um diese Probleme anzugehen, werden in der vorliegenden Arbeit Lösungen in den Bereichen Eingabe, Zusammenarbeit und Erweiterung von virtuellen Welten und Benutzern vorgestellt, die darauf abzielen, die Benutzerfreundlichkeit und Produktivität von VR zu erhöhen. Zunächst werden PC-basierte Hardware und Software in die virtuelle Welt übertragen, um die Vertrautheit und den Funktionsumfang bestehender Anwendungen in VR zu erhalten. Virtuelle Stellvertreter von physischen Geräten, z.B. Tastatur und Tablet, und ein VR-Modus für Anwendungen ermöglichen es dem Benutzer reale Fähigkeiten in die virtuelle Welt zu übertragen. Des Weiteren wird ein Algorithmus vorgestellt, der die Kalibrierung mehrerer ko-lokaler VR-Geräte mit hoher Genauigkeit und geringen Hardwareanforderungen und geringem Aufwand ermöglicht. Da VR-Headsets die reale Umgebung der Benutzer ausblenden, wird die Relevanz einer Ganzkörper-Avatar-Visualisierung für die Kollisionsvermeidung und das entfernte Zusammenarbeiten nachgewiesen. Darüber hinaus werden personalisierte räumliche oder zeitliche Modifikationen vorgestellt, die es erlauben, die Benutzerfreundlichkeit, Arbeitsleistung und soziale Präsenz von Benutzern zu erhöhen. Diskrepanzen zwischen den virtuellen Welten, die durch persönliche Anpassungen entstehen, werden durch Methoden der Avatar-Umlenkung (engl. redirection) kompensiert. Abschließend werden einige der Methoden und Erkenntnisse in eine beispielhafte Anwendung integriert, um deren praktische Anwendbarkeit zu verdeutlichen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass virtuelle Umgebungen auf realen Fähigkeiten und Erfahrungen aufbauen können, um eine vertraute und einfache Interaktion und Zusammenarbeit von Benutzern zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglichen individuelle Erweiterungen des virtuellen Inhalts und der Avatare Einschränkungen der realen Welt zu überwinden und das Erlebnis von VR-Umgebungen zu steigern

When I Look into Your Eyes: A Survey on Computer Vision Contributions for Human Gaze Estimation and Tracking

The automatic detection of eye positions, their temporal consistency, and their mapping into a line of sight in the real world (to find where a person is looking at) is reported in the scientific literature as gaze tracking. This has become a very hot topic in the field of computer vision during the last decades, with a surprising and continuously growing number of application fields. A very long journey has been made from the first pioneering works, and this continuous search for more accurate solutions process has been further boosted in the last decade when deep neural networks have revolutionized the whole machine learning area, and gaze tracking as well. In this arena, it is being increasingly useful to find guidance through survey/review articles collecting most relevant works and putting clear pros and cons of existing techniques, also by introducing a precise taxonomy. This kind of manuscripts allows researchers and technicians to choose the better way to move towards their application or scientific goals. In the literature, there exist holistic and specifically technological survey documents (even if not updated), but, unfortunately, there is not an overview discussing how the great advancements in computer vision have impacted gaze tracking. Thus, this work represents an attempt to fill this gap, also introducing a wider point of view that brings to a new taxonomy (extending the consolidated ones) by considering gaze tracking as a more exhaustive task that aims at estimating gaze target from different perspectives: from the eye of the beholder (first-person view), from an external camera framing the beholder’s, from a third-person view looking at the scene where the beholder is placed in, and from an external view independent from the beholder

Fast and precise touch-based text entry for head-mounted augmented reality with variable occlusion

We present the VISAR keyboard: An augmented reality (AR) head-mounted display (HMD) system that supports text entry via a virtualised input surface. Users select keys on the virtual keyboard by imitating the process of single-hand typing on a physical touchscreen display. Our system uses a statistical decoder to infer users’ intended text and to provide error-tolerant predictions. There is also a high-precision fall-back mechanism to support users in indicating which keys should be unmodified by the auto-correction process. A unique advantage of leveraging the well-established touch input paradigm is that our system enables text entry with minimal visual clutter on the see-through display, thus preserving the user’s field-of-view. We iteratively designed and evaluated our system and show that the final iteration of the system supports a mean entry rate of 17.75wpm with a mean character error rate less than 1%. This performance represents a 19.6% improvement relative to the state-of-the-art baseline investigated: A gaze-then-gesture text entry technique derived from the system keyboard on the Microsoft HoloLens. Finally, we validate that the system is effective in supporting text entry in a fully mobile usage scenario likely to be encountered in industrial applications of AR HMDs.Per Ola Kristensson was supported in part by a Google Faculty research award and EPSRC grants EP/N010558/1 and EP/N014278/1. Keith Vertanen was supported in part by a Google Faculty research award. John Dudley was supported by the Trimble Fund

Earables: Wearable Computing on the Ears

Kopfhörer haben sich bei Verbrauchern durchgesetzt, da sie private Audiokanäle anbieten, zum Beispiel zum Hören von Musik, zum Anschauen der neuesten Filme während dem Pendeln oder zum freihändigen Telefonieren. Dank diesem eindeutigen primären Einsatzzweck haben sich Kopfhörer im Vergleich zu anderen Wearables, wie zum Beispiel Smartglasses, bereits stärker durchgesetzt. In den letzten Jahren hat sich eine neue Klasse von Wearables herausgebildet, die als "Earables" bezeichnet werden. Diese Geräte sind so konzipiert, dass sie in oder um die Ohren getragen werden können. Sie enthalten verschiedene Sensoren, um die Funktionalität von Kopfhörern zu erweitern. Die räumliche Nähe von Earables zu wichtigen anatomischen Strukturen des menschlichen Körpers bietet eine ausgezeichnete Plattform für die Erfassung einer Vielzahl von Eigenschaften, Prozessen und Aktivitäten. Auch wenn im Bereich der Earables-Forschung bereits einige Fortschritte erzielt wurden, wird deren Potenzial aktuell nicht vollständig abgeschöpft. Ziel dieser Dissertation ist es daher, neue Einblicke in die Möglichkeiten von Earables zu geben, indem fortschrittliche Sensorikansätze erforscht werden, welche die Erkennung von bisher unzugänglichen Phänomenen ermöglichen. Durch die Einführung von neuartiger Hardware und Algorithmik zielt diese Dissertation darauf ab, die Grenzen des Erreichbaren im Bereich Earables zu verschieben und diese letztlich als vielseitige Sensorplattform zur Erweiterung menschlicher Fähigkeiten zu etablieren. Um eine fundierte Grundlage für die Dissertation zu schaffen, synthetisiert die vorliegende Arbeit den Stand der Technik im Bereich der ohr-basierten Sensorik und stellt eine einzigartig umfassende Taxonomie auf der Basis von 271 relevanten Publikationen vor. Durch die Verbindung von Low-Level-Sensor-Prinzipien mit Higher-Level-Phänomenen werden in der Dissertation anschließ-end Arbeiten aus verschiedenen Bereichen zusammengefasst, darunter (i) physiologische Überwachung und Gesundheit, (ii) Bewegung und Aktivität, (iii) Interaktion und (iv) Authentifizierung und Identifizierung. Diese Dissertation baut auf der bestehenden Forschung im Bereich der physiologischen Überwachung und Gesundheit mit Hilfe von Earables auf und stellt fortschrittliche Algorithmen, statistische Auswertungen und empirische Studien vor, um die Machbarkeit der Messung der Atemfrequenz und der Erkennung von Episoden erhöhter Hustenfrequenz durch den Einsatz von In-Ear-Beschleunigungsmessern und Gyroskopen zu demonstrieren. Diese neuartigen Sensorfunktionen unterstreichen das Potenzial von Earables, einen gesünderen Lebensstil zu fördern und eine proaktive Gesundheitsversorgung zu ermöglichen. Darüber hinaus wird in dieser Dissertation ein innovativer Eye-Tracking-Ansatz namens "earEOG" vorgestellt, welcher Aktivitätserkennung erleichtern soll. Durch die systematische Auswertung von Elektrodenpotentialen, die um die Ohren herum mittels eines modifizierten Kopfhörers gemessen werden, eröffnet diese Dissertation einen neuen Weg zur Messung der Blickrichtung. Dabei ist das Verfahren weniger aufdringlich und komfortabler als bisherige Ansätze. Darüber hinaus wird ein Regressionsmodell eingeführt, um absolute Änderungen des Blickwinkels auf der Grundlage von earEOG vorherzusagen. Diese Entwicklung eröffnet neue Möglichkeiten für Forschung, welche sich nahtlos in das tägliche Leben integrieren lässt und tiefere Einblicke in das menschliche Verhalten ermöglicht. Weiterhin zeigt diese Arbeit, wie sich die einzigarte Bauform von Earables mit Sensorik kombinieren lässt, um neuartige Phänomene zu erkennen. Um die Interaktionsmöglichkeiten von Earables zu verbessern, wird in dieser Dissertation eine diskrete Eingabetechnik namens "EarRumble" vorgestellt, die auf der freiwilligen Kontrolle des Tensor Tympani Muskels im Mittelohr beruht. Die Dissertation bietet Einblicke in die Verbreitung, die Benutzerfreundlichkeit und den Komfort von EarRumble, zusammen mit praktischen Anwendungen in zwei realen Szenarien. Der EarRumble-Ansatz erweitert das Ohr von einem rein rezeptiven Organ zu einem Organ, das nicht nur Signale empfangen, sondern auch Ausgangssignale erzeugen kann. Im Wesentlichen wird das Ohr als zusätzliches interaktives Medium eingesetzt, welches eine freihändige und augenfreie Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ermöglicht. EarRumble stellt eine Interaktionstechnik vor, die von den Nutzern als "magisch und fast telepathisch" beschrieben wird, und zeigt ein erhebliches ungenutztes Potenzial im Bereich der Earables auf. Aufbauend auf den vorhergehenden Ergebnissen der verschiedenen Anwendungsbereiche und Forschungserkenntnisse mündet die Dissertation in einer offenen Hard- und Software-Plattform für Earables namens "OpenEarable". OpenEarable umfasst eine Reihe fortschrittlicher Sensorfunktionen, die für verschiedene ohrbasierte Forschungsanwendungen geeignet sind, und ist gleichzeitig einfach herzustellen. Hierdurch werden die Einstiegshürden in die ohrbasierte Sensorforschung gesenkt und OpenEarable trägt somit dazu bei, das gesamte Potenzial von Earables auszuschöpfen. Darüber hinaus trägt die Dissertation grundlegenden Designrichtlinien und Referenzarchitekturen für Earables bei. Durch diese Forschung schließt die Dissertation die Lücke zwischen der Grundlagenforschung zu ohrbasierten Sensoren und deren praktischem Einsatz in realen Szenarien. Zusammenfassend liefert die Dissertation neue Nutzungsszenarien, Algorithmen, Hardware-Prototypen, statistische Auswertungen, empirische Studien und Designrichtlinien, um das Feld des Earable Computing voranzutreiben. Darüber hinaus erweitert diese Dissertation den traditionellen Anwendungsbereich von Kopfhörern, indem sie die auf Audio fokussierten Geräte zu einer Plattform erweitert, welche eine Vielzahl fortschrittlicher Sensorfähigkeiten bietet, um Eigenschaften, Prozesse und Aktivitäten zu erfassen. Diese Neuausrichtung ermöglicht es Earables sich als bedeutende Wearable Kategorie zu etablieren, und die Vision von Earables als eine vielseitige Sensorenplattform zur Erweiterung der menschlichen Fähigkeiten wird somit zunehmend realer