Integration of Independent Heat Transfer Mechanisms for Non-Contact Cold Sensation Presentation With Low Residual Heat

Thermal sensation is crucial to enhancing our comprehension of the world and enhancing our ability to interact with it. Therefore, the development of thermal sensation presentation technologies holds significant potential, providing a novel method of interaction. Traditional technologies often leave residual heat in the system or the skin, affecting subsequent presentations. Our study focuses on presenting thermal sensations with low residual heat, especially cold sensations. To mitigate the impact of residual heat in the presentation system, we opted for a non-contact method, and to address the influence of residual heat on the skin, we present thermal sensations without significantly altering skin temperature. Specifically, we integrated two highly responsive and independent heat transfer mechanisms: convection via cold air and radiation via visible light, providing non-contact thermal stimuli. By rapidly alternating between perceptible decreases and imperceptible increases in temperature on the same skin area, we maintained near-constant skin temperature while presenting continuous cold sensations. In our experiments involving 15 participants, we observed that when the cooling rate was -0.2 to -0.24 degree celsius per second and the cooling time ratio was 30 to 50 %, more than 86.67 % of the participants perceived only persistent cold without any warmth

DISPLAY SYSTEM AND METHOD FOR UPDATING DISPLAY WITH OUT-OF-ORDER AND PARTIAL IMAGE UPDATES

A display system utilizes out-of-order row updates and partial display updates to update frame images. In such display update techniques, the display images aren’t simply updated in blocks. Rather, eye-tracking is utilized to determine which blocks to update and when to update them. In one example, eye-tracking is used to update display blocks as needed based on, for example, a user’s gaze direction. According to this system, not all display blocks would be updated along with every change in pixels dictated by an image feed

MULTI-SCALE LOCAL CONTRAST ENHANCEMENT FOR HIGH DYNAMIC RANGE TONE MAPPING

A display utilizes virtual primary colors in image zones of a display to produce image colors in the respective zones. The display is broken into the plurality of image zones and then driven by creating a monochrome dynamic primary color per field in each zone. This can enable driving of multiple primary LEDs per frame and remapping of image content so as to dynamically optimize scenes for each frame

Non-contact Cold Thermal Display by Controlling Low-temperature Air Flow Generated with Vortex Tube

In recent years, thermal display has been studied intensively in order to represent a more realistic tactile quality of the object. Since human feels the temperature of the air without touching other objects, it is necessary to present thermal sensation in a non-contact manner. Studies on non-contact heat display have been explored; however, few studies have reported on a device that can display cold in a non-contact manner. In this study, we propose a non-contact cold thermal display using a low-temperature heat source-vortex tube, which can generate ultra-low air temperature when supplied with compressed air. We developed a cooling model that relates the flow velocity of cold air with the absorbed heat from skin; we implemented a prototype system that can control the flow velocity of the generated air; and we conducted an experiment to examine the cold sensation that the system can present. Our results revealed that various cold sensations can be generated so that the faster the flow velocity, the colder a user would feel

Haptics: Science, Technology, Applications

This open access book constitutes the proceedings of the 12th International Conference on Human Haptic Sensing and Touch Enabled Computer Applications, EuroHaptics 2020, held in Leiden, The Netherlands, in September 2020. The 60 papers presented in this volume were carefully reviewed and selected from 111 submissions. The were organized in topical sections on haptic science, haptic technology, and haptic applications. This year's focus is on accessibility

A continuum robotic platform for endoscopic non-contact laser surgery: design, control, and preclinical evaluation

The application of laser technologies in surgical interventions has been accepted in the clinical domain due to their atraumatic properties. In addition to manual application of fibre-guided lasers with tissue contact, non-contact transoral laser microsurgery (TLM) of laryngeal tumours has been prevailed in ENT surgery. However, TLM requires many years of surgical training for tumour resection in order to preserve the function of adjacent organs and thus preserve the patient’s quality of life. The positioning of the microscopic laser applicator outside the patient can also impede a direct line-of-sight to the target area due to anatomical variability and limit the working space. Further clinical challenges include positioning the laser focus on the tissue surface, imaging, planning and performing laser ablation, and motion of the target area during surgery. This dissertation aims to address the limitations of TLM through robotic approaches and intraoperative assistance. Although a trend towards minimally invasive surgery is apparent, no highly integrated platform for endoscopic delivery of focused laser radiation is available to date. Likewise, there are no known devices that incorporate scene information from endoscopic imaging into ablation planning and execution. For focusing of the laser beam close to the target tissue, this work first presents miniaturised focusing optics that can be integrated into endoscopic systems. Experimental trials characterise the optical properties and the ablation performance. A robotic platform is realised for manipulation of the focusing optics. This is based on a variable-length continuum manipulator. The latter enables movements of the endoscopic end effector in five degrees of freedom with a mechatronic actuation unit. The kinematic modelling and control of the robot are integrated into a modular framework that is evaluated experimentally. The manipulation of focused laser radiation also requires precise adjustment of the focal position on the tissue. For this purpose, visual, haptic and visual-haptic assistance functions are presented. These support the operator during teleoperation to set an optimal working distance. Advantages of visual-haptic assistance are demonstrated in a user study. The system performance and usability of the overall robotic system are assessed in an additional user study. Analogous to a clinical scenario, the subjects follow predefined target patterns with a laser spot. The mean positioning accuracy of the spot is 0.5 mm. Finally, methods of image-guided robot control are introduced to automate laser ablation. Experiments confirm a positive effect of proposed automation concepts on non-contact laser surgery.Die Anwendung von Lasertechnologien in chirurgischen Interventionen hat sich aufgrund der atraumatischen Eigenschaften in der Klinik etabliert. Neben manueller Applikation von fasergeführten Lasern mit Gewebekontakt hat sich die kontaktfreie transorale Lasermikrochirurgie (TLM) von Tumoren des Larynx in der HNO-Chirurgie durchgesetzt. Die TLM erfordert zur Tumorresektion jedoch ein langjähriges chirurgisches Training, um die Funktion der angrenzenden Organe zu sichern und damit die Lebensqualität der Patienten zu erhalten. Die Positionierung des mikroskopis chen Laserapplikators außerhalb des Patienten kann zudem die direkte Sicht auf das Zielgebiet durch anatomische Variabilität erschweren und den Arbeitsraum einschränken. Weitere klinische Herausforderungen betreffen die Positionierung des Laserfokus auf der Gewebeoberfläche, die Bildgebung, die Planung und Ausführung der Laserablation sowie intraoperative Bewegungen des Zielgebietes. Die vorliegende Dissertation zielt darauf ab, die Limitierungen der TLM durch robotische Ansätze und intraoperative Assistenz zu adressieren. Obwohl ein Trend zur minimal invasiven Chirurgie besteht, sind bislang keine hochintegrierten Plattformen für die endoskopische Applikation fokussierter Laserstrahlung verfügbar. Ebenfalls sind keine Systeme bekannt, die Szeneninformationen aus der endoskopischen Bildgebung in die Ablationsplanung und -ausführung einbeziehen. Für eine situsnahe Fokussierung des Laserstrahls wird in dieser Arbeit zunächst eine miniaturisierte Fokussieroptik zur Integration in endoskopische Systeme vorgestellt. Experimentelle Versuche charakterisieren die optischen Eigenschaften und das Ablationsverhalten. Zur Manipulation der Fokussieroptik wird eine robotische Plattform realisiert. Diese basiert auf einem längenveränderlichen Kontinuumsmanipulator. Letzterer ermöglicht in Kombination mit einer mechatronischen Aktuierungseinheit Bewegungen des Endoskopkopfes in fünf Freiheitsgraden. Die kinematische Modellierung und Regelung des Systems werden in ein modulares Framework eingebunden und evaluiert. Die Manipulation fokussierter Laserstrahlung erfordert zudem eine präzise Anpassung der Fokuslage auf das Gewebe. Dafür werden visuelle, haptische und visuell haptische Assistenzfunktionen eingeführt. Diese unterstützen den Anwender bei Teleoperation zur Einstellung eines optimalen Arbeitsabstandes. In einer Anwenderstudie werden Vorteile der visuell-haptischen Assistenz nachgewiesen. Die Systemperformanz und Gebrauchstauglichkeit des robotischen Gesamtsystems werden in einer weiteren Anwenderstudie untersucht. Analog zu einem klinischen Einsatz verfolgen die Probanden mit einem Laserspot vorgegebene Sollpfade. Die mittlere Positioniergenauigkeit des Spots beträgt dabei 0,5 mm. Zur Automatisierung der Ablation werden abschließend Methoden der bildgestützten Regelung vorgestellt. Experimente bestätigen einen positiven Effekt der Automationskonzepte für die kontaktfreie Laserchirurgie

Haptics: Science, Technology, Applications

This open access book constitutes the proceedings of the 12th International Conference on Human Haptic Sensing and Touch Enabled Computer Applications, EuroHaptics 2020, held in Leiden, The Netherlands, in September 2020. The 60 papers presented in this volume were carefully reviewed and selected from 111 submissions. The were organized in topical sections on haptic science, haptic technology, and haptic applications. This year's focus is on accessibility

Enhancing interaction in mixed reality

With continuous technological innovation, we observe mixed reality emerging from research labs into the mainstream. The arrival of capable mixed reality devices transforms how we are entertained, consume information, and interact with computing systems, with the most recent being able to present synthesized stimuli to any of the human senses and substantially blur the boundaries between the real and virtual worlds. In order to build expressive and practical mixed reality experiences, designers, developers, and stakeholders need to understand and meet its upcoming challenges. This research contributes a novel taxonomy for categorizing mixed reality experiences and guidelines for designing mixed reality experiences. We present the results of seven studies examining the challenges and opportunities of mixed reality experiences, the impact of modalities and interaction techniques on the user experience, and how to enhance the experiences. We begin with a study determining user attitudes towards mixed reality in domestic and educational environments, followed by six research probes that each investigate an aspect of reality or virtuality. In the first, a levitating steerable projector enables us to investigate how the real world can be enhanced without instrumenting the user. We show that the presentation of in-situ instructions for navigational tasks leads to a significantly higher ability to observe and recall real-world landmarks. With the second probe, we enhance the perception of reality by superimposing information usually not visible to the human eye. In amplifying the human vision, we enable users to perceive thermal radiation visually. Further, we examine the effect of substituting physical components with non-functional tangible proxies or entirely virtual representations. With the third research probe, we explore how to enhance virtuality to enable a user to input text on a physical keyboard while being immersed in the virtual world. Our prototype tracked the user’s hands and keyboard to enable generic text input. Our analysis of text entry performance showed the importance and effect of different hand representations. We then investigate how to touch virtuality by simulating generic haptic feedback for virtual reality and show how tactile feedback through quadcopters can significantly increase the sense of presence. Our final research probe investigates the usability and input space of smartphones within mixed reality environments, pairing the user’s smartphone as an input device with a secondary physical screen. Based on our learnings from these individual research probes, we developed a novel taxonomy for categorizing mixed reality experiences and guidelines for designing mixed reality experiences. The taxonomy is based on the human sensory system and human capabilities of articulation. We showcased its versatility and set our research probes into perspective by organizing them inside the taxonomic space. The design guidelines are divided into user-centered and technology-centered. It is our hope that these will contribute to the bright future of mixed reality systems while emphasizing the new underlining interaction paradigm.Mixed Reality (vermischte Realitäten) gehen aufgrund kontinuierlicher technologischer Innovationen langsam von der reinen Forschung in den Massenmarkt über. Mit der Einführung von leistungsfähigen Mixed-Reality-Geräten verändert sich die Art und Weise, wie wir Unterhaltungsmedien und Informationen konsumieren und wie wir mit Computersystemen interagieren. Verschiedene existierende Geräte sind in der Lage, jeden der menschlichen Sinne mit synthetischen Reizen zu stimulieren. Hierdurch verschwimmt zunehmend die Grenze zwischen der realen und der virtuellen Welt. Um eindrucksstarke und praktische Mixed-Reality-Erfahrungen zu kreieren, müssen Designer und Entwicklerinnen die künftigen Herausforderungen und neuen Möglichkeiten verstehen. In dieser Dissertation präsentieren wir eine neue Taxonomie zur Kategorisierung von Mixed-Reality-Erfahrungen sowie Richtlinien für die Gestaltung von solchen. Wir stellen die Ergebnisse von sieben Studien vor, in denen die Herausforderungen und Chancen von Mixed-Reality-Erfahrungen, die Auswirkungen von Modalitäten und Interaktionstechniken auf die Benutzererfahrung und die Möglichkeiten zur Verbesserung dieser Erfahrungen untersucht werden. Wir beginnen mit einer Studie, in der die Haltung der nutzenden Person gegenüber Mixed Reality in häuslichen und Bildungsumgebungen analysiert wird. In sechs weiteren Fallstudien wird jeweils ein Aspekt der Realität oder Virtualität untersucht. In der ersten Fallstudie wird mithilfe eines schwebenden und steuerbaren Projektors untersucht, wie die Wahrnehmung der realen Welt erweitert werden kann, ohne dabei die Person mit Technologie auszustatten. Wir zeigen, dass die Darstellung von in-situ-Anweisungen für Navigationsaufgaben zu einer deutlich höheren Fähigkeit führt, Sehenswürdigkeiten der realen Welt zu beobachten und wiederzufinden. In der zweiten Fallstudie erweitern wir die Wahrnehmung der Realität durch Überlagerung von Echtzeitinformationen, die für das menschliche Auge normalerweise unsichtbar sind. Durch die Erweiterung des menschlichen Sehvermögens ermöglichen wir den Anwender:innen, Wärmestrahlung visuell wahrzunehmen. Darüber hinaus untersuchen wir, wie sich das Ersetzen von physischen Komponenten durch nicht funktionale, aber greifbare Replikate oder durch die vollständig virtuelle Darstellung auswirkt. In der dritten Fallstudie untersuchen wir, wie virtuelle Realitäten verbessert werden können, damit eine Person, die in der virtuellen Welt verweilt, Text auf einer physischen Tastatur eingeben kann. Unser Versuchsdemonstrator detektiert die Hände und die Tastatur, zeigt diese in der vermischen Realität an und ermöglicht somit die verbesserte Texteingaben. Unsere Analyse der Texteingabequalität zeigte die Wichtigkeit und Wirkung verschiedener Handdarstellungen. Anschließend untersuchen wir, wie man Virtualität berühren kann, indem wir generisches haptisches Feedback für virtuelle Realitäten simulieren. Wir zeigen, wie Quadrokopter taktiles Feedback ermöglichen und dadurch das Präsenzgefühl deutlich steigern können. Unsere letzte Fallstudie untersucht die Benutzerfreundlichkeit und den Eingaberaum von Smartphones in Mixed-Reality-Umgebungen. Hierbei wird das Smartphone der Person als Eingabegerät mit einem sekundären physischen Bildschirm verbunden, um die Ein- und Ausgabemodalitäten zu erweitern. Basierend auf unseren Erkenntnissen aus den einzelnen Fallstudien haben wir eine neuartige Taxonomie zur Kategorisierung von Mixed-Reality-Erfahrungen sowie Richtlinien für die Gestaltung von solchen entwickelt. Die Taxonomie basiert auf dem menschlichen Sinnessystem und den Artikulationsfähigkeiten. Wir stellen die vielseitige Verwendbarkeit vor und setzen unsere Fallstudien in Kontext, indem wir sie innerhalb des taxonomischen Raums einordnen. Die Gestaltungsrichtlinien sind in nutzerzentrierte und technologiezentrierte Richtlinien unterteilt. Es ist unsere Anliegen, dass diese Gestaltungsrichtlinien zu einer erfolgreichen Zukunft von Mixed-Reality-Systemen beitragen und gleichzeitig die neuen Interaktionsparadigmen hervorheben